Solární energie jako alternativní zdroj energie

Co je to solární energie

Slunce je hvězda, v jejímž nitru neustále probíhají termonukleární reakce. V důsledku těchto procesů se ze slunečního povrchu uvolňuje obrovské množství energie, z níž část ohřívá atmosféru naší planety.

Solární energie je obnovitelný a ekologický zdroj energie.

Jak můžeme odhadnout množství sluneční energie

Odborníci používají jako měřítko sluneční konstantu. To je 1367 wattů. Jedná se o energii Slunce na metr čtvereční planety. Přibližně čtvrtina se ztratí v atmosféře. Maximální hodnota na rovníku je 1020 wattů na metr čtvereční. S ohledem na den a noc a změnu úhlu dopadu paprsků by se tato hodnota měla snížit o další trojnásobek.

Rozložení slunečního záření na mapě planety

Teorie o zdrojích sluneční energie se velmi liší. V současné době odborníci tvrdí, že energie se uvolňuje přeměnou čtyř atomů H2 na jádro He. Při tomto procesu se uvolňuje značné množství energie. Uvažte, že energie potřebná k přeměně 1 gramu H2 je srovnatelná s energií vzniklou spálením 15 tun uhlovodíků.

Vývoj solární energie v různých zemích a jeho perspektivy

Alternativní formy energie, mezi něž patří i solární energie, se nejrychleji rozvíjejí v technologicky vyspělých zemích. Patří mezi ně USA, Španělsko, Saúdská Arábie, Izrael a další země s velkým počtem slunečných dnů v roce. Solární energie se rozvíjí také v Rusku a zemích SNS. Tempo je zde však mnohem pomalejší vzhledem ke klimatickým podmínkám a nižším příjmům obyvatelstva.

V Rusku dochází k postupnému rozvoji a důraz je kladen na rozvoj solární energetiky na Dálném východě. V odlehlých obcích Jakutska se staví solární elektrárny. To umožňuje ušetřit za dovážené palivo. Elektrárny se staví také v jižní části země. Například v Lipecké oblasti.

Všechny tyto údaje naznačují, že mnoho zemí na světě se snaží maximalizovat využití solární energie. To je důležité, protože spotřeba energie neustále roste a zdroje jsou omezené. Tradiční energetika navíc velmi znečišťuje životní prostředí. Proto je alternativní energie budoucností. A solární energie je jednou z jejích klíčových oblastí.

Pohled do historie

Jak se solární energie vyvíjela do dnešních dnů? Využitím slunce při své činnosti se člověk zabýval již v dávných dobách. Každý zná legendu o tom, že Archimédes spálil nepřátelskou flotilu u svého města Syrakusy. K tomu použil zápalná zrcadla. Před několika tisíci lety se na Blízkém východě paláce panovníků vytápěly vodou, kterou ohřívalo slunce. V některých zemích se sůl vyráběla odpařováním mořské vody na slunci. Vědci často experimentují s ohřívači na solární pohon.

První modely těchto ohřívačů byly vyrobeny v 17. století. Zejména badatel N. Sossur představil svou verzi ohřívače vody. Skládala se z dřevěné krabice zakryté skleněným víkem. Voda v tomto zařízení byla ohřátá na 88 stupňů Celsia. V roce 1774 použil A. Lavoisier čočky ke koncentraci slunečního tepla. A zdálo se, že čočky také lokálně roztaví litinu během několika sekund.

Baterie přeměňující sluneční energii na mechanickou energii vytvořili francouzští vědci. Na konci 19. století vyvinul badatel O. Mouchaud insolátor, který soustředil paprsky pomocí čočky na parním kotli. Tento kotel sloužil k pohonu tiskařského stroje. V USA bylo v této době možné vytvořit stroj poháněný sluncem o výkonu 15 "koní".

Stroj na oslunění od O. Musho

Ve třicátých letech minulého století navrhl akademik A. F. Ioffe ze SSSR použít k přeměně sluneční energie polovodičové fotovoltaické články. Účinnost baterií v té době byla nižší než 1 %. Uplynulo mnoho let, než byly vyvinuty fotovoltaické články s účinností 10─15 %. Američané pak postavili solární články moderního typu.

Fotovoltaický článek pro solární panel

Je třeba říci, že baterie na bázi polovodičů jsou poměrně odolné a nevyžadují žádnou kvalifikaci pro údržbu. Proto se nejčastěji používají v domácnostech. Existují také kompletní solární elektrárny. Zpravidla vznikají v zemích s vysokým počtem slunečných dnů v roce. Jedná se o Izrael, Saúdskou Arábii, jih USA, Indii a Španělsko. Nyní existuje několik zcela fantastických projektů. Například solární elektrárny mimo atmosféru. Sluneční světlo tam ještě neztratilo svou energii. To znamená, že se navrhuje zachycení záření na oběžné dráze a jeho následná přeměna na mikrovlny. V této podobě by pak byla energie poslána na Zemi.

Typy panelů

V současné době jsou běžné různé typy solárních panelů. Patří mezi ně:

1. Poly- a monokrystalické.
2. Amorfní.

Monokrystalické panely se vyznačují nízkou produktivitou, ale jsou relativně levné, takže jsou velmi oblíbené. Pokud je nutné vybavit přídavný napájecí systém pro alternativní napájení v případě výpadku hlavního napájení, je nákup takové varianty zcela opodstatněný.

Polykrystaly jsou v těchto dvou ohledech v mezipoloze. Tyto panely lze použít k centralizovanému napájení v místech, kde není z jakéhokoli důvodu přístup k pevnému systému.

Pokud jde o amorfní panely, vykazují maximální výkon, což však výrazně zvyšuje náklady na zařízení. V tomto typu zařízení je přítomen amorfní křemík. Je třeba poznamenat, že je zatím není možné zakoupit, protože tato technologie je v experimentální fázi.

Co jsou nekonvenční zdroje energie

Slibným úkolem v energetice 21. století je využívání a zavádění obnovitelných zdrojů energie. To umožní snížit zatížení ekologického systému planety. Používání konvenčních zdrojů negativně ovlivňuje životní prostředí a vede k vyčerpávání zemského podloží. Patří mezi ně:

1. Neobnovitelné:

• Uhlí;
• zemní plyn;
• olej;
• uranu.

2. Obnovitelné:

• dřevo;
• vodní energie.

Alternativní energie je systém nových způsobů a metod získávání, přenosu a využívání energie, které jsou málo využívané, ale jsou prospěšné pro životní prostředí.

Alternativní zdroje energie (AES) jsou látky a procesy, které existují v přírodním prostředí a poskytují potřebnou energii.

Podmínky pro výkon a efektivitu

Výpočet a instalaci solárního termického systému je nejlepší svěřit odborníkům. Dodržení postupu instalace zajistí, že systém bude fungovat správně a bude podávat inzerovaný výkon. Pro zvýšení účinnosti a životnosti solárního tepelného systému je třeba zohlednit určité detaily.

Termostatický ventil. V tradičních topných systémech se termostatický prvek instaluje jen zřídka, protože regulaci teploty zajišťuje generátor tepla. Při instalaci solárního termického systému se však nesmí zapomínat na termostatický ventil.

Ohřev zásobníku na maximální přípustnou teplotu zvyšuje výkon kolektoru a umožňuje využívat sluneční teplo i za oblačného počasí.

Optimální umístění ventilu je 60 cm od topného tělesa. Pokud je umístěn v její blízkosti, "termostat" se zahřeje a zablokuje přívod teplé vody.

Umístění vyrovnávací nádrže. Zásobník teplé vody musí být instalován na přístupném místě.

Při instalaci v kompaktní místnosti je třeba věnovat zvláštní pozornost výšce stropu.

Minimální vzdálenost nad nádrží je 60 cm. Tato vůle je nezbytná pro údržbu akumulátoru a výměnu hořčíkové anody.

Instalace expanzní nádoby. Prvek kompenzuje tepelnou roztažnost při stagnaci. Instalace nad čerpacím zařízením způsobí přehřátí membrány a její opotřebení.

Optimální umístění expanzní nádoby je pod čerpadlovou skupinou. Výrazně se snižuje teplotní expozice a membrána si déle zachovává svou pružnost.

Připojení solárního okruhu. Při připojování potrubí se doporučuje vytvořit smyčku. "Termosmyčka" snižuje tepelné ztráty tím, že zabraňuje úniku ohřáté kapaliny.

Technicky správnou možností je zavedení "smyčky" solárního obvodu. Při nedodržení této podmínky klesne teplota v akumulátoru přes noc o 1-2 °C.

Zpětný ventil. Zabraňuje "přehřátí" cirkulace topného média. Pokud je málo slunečního svitu, zabraňuje zpětný ventil odvádění tepla nahromaděného během dne.

Rozvoj solární energie

Jak již bylo zmíněno, čísla odrážející rozvoj solární tepelné energie dnes neustále rostou. Solární panely již dávno nejsou pojmem pro úzký okruh technických specialistů a dnes se o solární energii nejen mluví, ale z realizovaných projektů se i těží.

V září 2008 byla dokončena výstavba solární elektrárny ve španělské obci Olmedilla de Alarcón. Elektrárna Olmedilla dosahuje špičkového výkonu 60 MW.

Solární elektrárna Olmedilla

Německo provozuje solární elektrárnu Waldpolenz v Sasku u měst Brandis a Bennewitz. Elektrárna má špičkový výkon 40 MW, což z ní činí jednu z největších solárních elektráren na světě.

Solární elektrárna Waldpolenz

Pro mnohé nečekaně začala Ukrajina přinášet i dobré zprávy. Podle EBRD by Ukrajina mohla brzy zaujmout vedoucí postavení mezi zelenými ekonomikami v Evropě, zejména na trhu se solární energií, který je jedním z nejslibnějších trhů s obnovitelnými zdroji energie.

Solární elektrárny pracují v

• Orenburská oblast:
  "Sakmarská im. A. A. Vlazneva" s instalovaným výkonem 25 MW;
  "Perevolotskaya" s instalovaným výkonem 5,0 MW.
• Baškirská republika:
  "Buribajevská" s instalovaným výkonem 20,0 MW;
  "Bugulčanská" s instalovaným výkonem 15,0 MW.
• Altajská republika:
  "Kosh-Agachskaya" s instalovaným výkonem 10,0 MW;
  "Ust-Kanskaya" s instalovaným výkonem 5,0 MW.
• Chakaská republika:
  "Abakanskaya" s instalovaným výkonem 5,2 MW.
• Belgorodská oblast:
  "AltEnergo s instalovaným výkonem 0,1 MW.
• V Republice Krym funguje nezávisle na jednotném energetickém systému země 13 solárních elektráren o celkovém výkonu 289,5 MW.
• Mimo systém se nacházejí stanice v republice Sacha-Jakutsko (1,0 MW) a v Zabajkalském kraji (0,12 MW).

Ve fázi návrhu a výstavby jsou tyto elektrárny

• V Altajském kraji se v roce 2019 plánuje uvedení do provozu 2 elektráren s celkovou plánovanou kapacitou 20,0 MW.
• V Astrachaňské oblasti se v roce 2017 plánuje uvést do provozu 6 elektráren s celkovou plánovanou kapacitou 90,0 MW.
• Ve Volgogradské oblasti se v letech 2017 a 2018 plánuje uvést do provozu 6 elektráren s celkovou plánovanou kapacitou 100,0 MW.
• V Zabajkalském regionu se v letech 2017 a 2018 plánuje uvedení do provozu 3 elektráren s celkovou plánovanou kapacitou 40,0 MW.
• V Irkutské oblasti je 1 elektrárna s plánovanou kapacitou 15,0 MW, jejíž uvedení do provozu je plánováno na rok 2018.
• V Lipecké oblasti se v roce 2017 plánuje uvedení do provozu 3 elektráren s celkovou plánovanou kapacitou 45,0 MW.
• V Omské oblasti se v letech 2017 a 2019 plánuje uvedení do provozu 2 elektráren s plánovanou kapacitou 40,0 MW.
• V Orenburské oblasti se v letech 2017-2019 plánuje uvést do provozu 7 elektráren s plánovanou kapacitou 260,0 MW.
• V Baškirské republice se v letech 2017 a 2018 plánuje uvedení do provozu 3 elektráren s plánovanou kapacitou 29,0 MW.
• V Burjatské republice se v letech 2017 a 2018 plánuje uvést do provozu 5 elektráren o předpokládané kapacitě 70,0 MW.
• V Dagestánské republice se v roce 2017 plánuje uvedení do provozu 2 elektráren o předpokládané kapacitě 10,0 MW.
• V Kalmycké republice se v letech 2017 a 2019 plánuje uvedení do provozu 4 elektráren s plánovanou kapacitou 70,0 MW.
• V Samarské oblasti je v provozu 1 elektrárna s plánovanou kapacitou 75,0 MW, jejíž uvedení do provozu je naplánováno na rok 2018.
• V Saratovské oblasti se v letech 2017 a 2018 plánuje uvedení do provozu 3 elektráren s plánovanou kapacitou 40,0 MW.
• Ve Stavropolském kraji se v letech 2017-2019 plánuje uvedení do provozu 4 elektráren s plánovanou kapacitou 115,0 MW.
• V Čeljabinské oblasti se v letech 2017 a 2018 plánuje uvedení do provozu 4 elektráren s plánovanou kapacitou 60,0 MW.

Celkový předpokládaný výkon solárních elektráren ve výstavbě a ve vývoji je - 1 079,0 MW.
Termoelektrické generátory, solární kolektory a solární tepelné elektrárny se také hojně využívají v průmyslových provozech i v běžném životě. Je na každém, aby si zvolil vlastní možnost a způsob použití.

Počet technických zařízení využívajících sluneční energii k výrobě elektřiny a tepla, stejně jako počet solárních elektráren ve výstavbě a jejich kapacita hovoří jasně: v Rusku je třeba rozvíjet alternativní zdroje energie.

Přenos sluneční energie na Zemi

Sluneční energie z družice je přenášena na Zemi pomocí mikrovlnného vysílače vesmírem a atmosférou a na Zemi je přijímána anténou zvanou retenten. Rektena je nelineární anténa určená k přeměně energie pole vlny, která na ni dopadá.

Laserový přenos

Nejnovější vývoj naznačuje, že laser lze použít s nově vyvinutými pevnolátkovými lasery, které umožňují účinný přenos energie. Během několika let lze dosáhnout účinnosti v rozmezí 10-20 %, ale při dalších pokusech je třeba zvážit možná nebezpečí, která to může způsobit pro oko.

UHF

V porovnání s laserovým přenosem je mikrovlnný přenos pokročilejší, s vyšší účinností až 85 %. Mikrovlnné záření je i při dlouhodobé expozici daleko pod úrovní smrtelných koncentrací. Mikrovlnná trouba s mikrovlnnou frekvencí 2,45 GHz s určitou ochranou je tedy zcela neškodná. Elektrický proud generovaný fotovoltaickými prvky prochází magnetronem, který jej převádí na elektromagnetické vlny. Tato elektromagnetická vlna prochází vlnovodem, který vytváří charakteristiku elektromagnetické vlny. Účinnost bezdrátového přenosu energie závisí na mnoha parametrech.

Důležité informace o technologii

Při podrobném pohledu na solární panel je princip jeho fungování snadno pochopitelný. Jednotlivé části fotovoltaické desky mění svou vodivost pod vlivem ultrafialového světla.

Výsledkem je přeměna sluneční energie na elektrickou energii, kterou lze okamžitě využít pro elektrické spotřebiče nebo uložit do výměnných, samostatných médií.

Abychom mohli takový proces podrobněji pochopit, je třeba zhodnotit několik důležitých aspektů:

1. Solární panel je speciální systém fotovoltaických měničů, které tvoří celkovou strukturu a jsou zapojeny v určitém pořadí.
2. Ve struktuře fotokonvertorů jsou dvě vrstvy, které se mohou lišit typem vodivosti.
3. K výrobě těchto měničů se používají křemíkové destičky.
4. Do křemíku ve vrstvě typu n se také přidává fosfor, který způsobuje přebytek záporně nabitých elektronů.
5. Vrstva typu p je tvořena křemíkem a bórem, takže vznikají tzv. "díry".
6. Nakonec se obě vrstvy umístí mezi elektrody s různými náboji.

Kde se využívá solární energie?

Využívání solární energie se každým rokem zvyšuje. Není to tak dávno, co se solární energie používala k ohřevu vody při letních sprchách na venkově. Dnes se již používají různá zařízení k vytápění soukromých domů, v chladicích věžích. Solární panely vyrábějí elektřinu potřebnou k napájení malých obcí.

Zvláštní vlastnosti solární energie

Fotovoltaická energie ze slunečního záření se přeměňuje ve fotovoltaické články. Jedná se o dvouvrstvou strukturu složenou ze dvou polovodičů různých typů. Polovodič dole je typu p a nahoře typu n. V prvním případě je elektronů nedostatek a ve druhém přebytek.

Elektrony polovodiče typu n pohlcují sluneční záření, což způsobuje, že elektrony v něm opouštějí oběžnou dráhu. Hybná síla je dostatečná pro přenos do polovodiče typu p. Výsledkem je usměrněný tok elektronů a vzniká elektřina. Křemík se používá při výrobě fotočlánků.

V současné době je k dispozici několik typů solárních článků:

• Monokrystalické. Jsou vyráběny z monokrystalického křemíku a mají jednotnou krystalickou strukturu. Mezi ostatními typy se vyznačují nejvyšší účinností (přibližně 20 %) a vyššími náklady;
• Polykrystalický. Struktura je polykrystalická, méně rovnoměrná. Jsou levnější a jejich účinnost se pohybuje mezi 15 a 18 procenty;
• Tenký film. Tyto fotočlánky se vyrábějí nástřikem amorfního křemíku na pružný substrát. Tyto články jsou nejlevnější, ale jejich účinnost není tak dobrá. Používají se při výrobě flexibilních solárních panelů.

Účinnost solárních panelů

Na co se přeměňuje sluneční energie a jak se vyrábí?

Solární energie patří do kategorie alternativních zdrojů energie. Rychle se vyvíjí a nabízí nové způsoby získávání energie ze slunce. V současné době jsou známy tyto metody získávání sluneční energie a její další přeměny

• Fotovoltaika nebo fotovoltaika - v případě, že se energie získává pomocí fotovoltaických článků;
• Tepelná - když se energie ze Slunce přemění na vzduch a pošle se do turbogenerátoru.
• Heliotermální metoda - kdy paprsky ohřívají povrch, který uchovává tepelnou energii;
• "sluneční plachta" - stejnojmenné zařízení pracující v bezvětří přeměňuje sluneční paprsky na kinetickou energii;
• Balónová metoda - sluneční záření ohřívá válec, kde se z tepla vytváří pára, která se používá k výrobě záložní elektřiny.

Energii ze slunce lze získávat přímo (pomocí fotovoltaických článků) nebo nepřímo (koncentrací sluneční energie jako v případě solární tepelné metody). Hlavními výhodami solární energie jsou absence škodlivých emisí a nižší náklady na elektřinu. To vede stále více lidí a podniků k tomu, aby se obrátili k solární energii jako k alternativě. Nejaktivněji využívají alternativní energii Německo, Japonsko a Čína.

Solární panely, konstrukce a aplikace

Ještě nedávno se zdálo, že získávání elektřiny zdarma je sci-fi. Moderní technologie se však neustále zdokonalují a rozvíjejí se i alternativní zdroje energie. Mnoho lidí začíná využívat nové možnosti, když jsou mimo dosah elektrické sítě, a získávají tak úplnou autonomii, aniž by přišli o městský komfort. Jedním z takových zdrojů elektřiny jsou solární panely.
Rozsah použití těchto baterií se předpokládá především pro napájení venkovských chalup, domů a malých chatových osad, které jsou vzdáleny od elektrického vedení. V místech, kde jsou zapotřebí další zdroje elektřiny.

Solární baterie se skládá z mnoha vodičů a fotovoltaických článků spojených do systému, který přeměňuje energii získanou ze slunečních paprsků na elektrický proud. Účinnost tohoto systému dosahuje v průměru čtyřiceti procent, což však vyžaduje vhodné povětrnostní podmínky.

Solární termické systémy má smysl instalovat pouze v oblastech, kde je většinu dní v roce slunečno. Za zvážení stojí také zeměpisná poloha domu. Obecně však platí, že za příznivých podmínek baterie výrazně snižují spotřebu elektřiny z veřejné sítě.

Účinnost baterií solárních tepelných systémů

Jediný fotovoltaický článek vyrobí i za jasného dne jen velmi málo elektřiny, kromě té, která stačí k provozu svítilny LED.

Pro zvýšení výkonu se několik fotovoltaických článků zapojí paralelně, aby se zvýšilo stejnosměrné napětí, a sériově, aby se zvýšil proud.

Účinnost solárních panelů závisí na:

• teplota vzduchu a samotné baterie;
• správná volba zatěžovacího odporu;
• úhel dopadu slunečního světla;
• přítomnost/nepřítomnost antireflexní vrstvy;
• výkon světelného toku.

Čím nižší je venkovní teplota, tím účinnější jsou fotovoltaické články a heli-baterie jako celek. Zde je to jednoduché. Situace je však složitější, pokud jde o výpočet zatížení. Zátěž musí být zvolena na základě proudového výkonu panelu. Jeho hodnota se však mění v závislosti na povětrnostních podmínkách.

Solární panely jsou navrženy pro výstupní napětí 12 V - pokud baterie potřebuje 24 V, je nutné zapojit dva panely paralelně.

Je problematické neustále sledovat parametry solárního panelu a ručně nastavovat jeho provoz. Nejlepším způsobem, jak toho dosáhnout, je použít solární regulační systém, který automaticky upravuje nastavení solárního panelu pro maximální výkon a optimální solární výnos.

Ideální úhel dopadu slunečních paprsků na solární soustavu je přímka. Pokud se však odchýlí od kolmice na 30 stupňů, klesne účinnost panelu pouze o 5 %. S dalším zvětšováním tohoto úhlu se však stále větší část slunečního záření odráží, čímž se snižuje účinnost PVA.

Pokud má baterie dodávat maximum energie v létě, měla by být orientována kolmo na průměrnou polohu Slunce, kterou zaujímá během jarní a podzimní rovnodennosti.

V moskevské oblasti je to přibližně 40-45 stupňů k obzoru. Pokud je v zimě potřeba maximum, měl by být panel umístěn ve vertikálnější poloze.

A ještě jedna věc - prach a nečistoty silně snižují produktivitu fotobuněk. Fotony se k nim přes takovou "špinavou" překážku jednoduše nedostanou, a proto není co přeměňovat na elektrickou energii. Panely je třeba pravidelně čistit nebo je postavit tak, aby se prach odplavil samotným deštěm.

Některé solární panely mají zabudované čočky, které soustřeďují záření na FEP. Za jasného počasí se tak zvyšuje účinnost. Za silně zamračeného počasí jsou však tyto čočky pouze na škodu.

Zatímco běžný panel v takové situaci bude i nadále generovat proud, i když v menším objemu, model s čočkou přestane fungovat téměř úplně.

Slunce by mělo v ideálním případě osvětlovat fotovoltaickou baterii rovnoměrně. Pokud je jedna z jeho sekcí zatemněna, stanou se neosvětlené PEC parazitní zátěží. Nejenže v této situaci nevyrábějí energii, ale navíc ji odebírají z provozních prvků.

Panely by měly být instalovány tak, aby slunečnímu světlu nebránily žádné stromy, budovy ani jiné překážky.