Сонячна енергетика

Мапа сонячного випромінювання

Потік сонячного випромінювання, що проходить крізь площу 1 м², розташовану перпендикулярно потоку випромінювання на відстані однієї астрономічної одиниці від центру Сонця (тобто зовні атмосфери) Землі, дорівнює 1367 Вт/м² (сонячна постійна).

Через поглинання атмосферою Землі, максимальний потік сонячного випромінювання на рівні моря — 1020 Вт/м². Середньодобове значення потоку сонячного випромінювання як мінімум втричі менше (через зміни дня і ночі і зміни кута Сонця над обрієм). Взимку в помірних широтах, це значення удвічі менше. Ця кількість енергії з одиниці площі, визначає можливості сонячної енергетики.

Перспективи сонячної енергетики також, зменшуються внаслідок глобального затемнення — антропогенного зменшення сонячного випромінювання, що доходить до поверхні Землі.

• Отримання електроенергії за допомогою фотоелементів. Для цієї мети застосовують кремнієві сонячні батареї, ККД яких доходить до 20 %. Але вартість отримання чистого кремнію досить велика. Кремній, в якому на 10 кг продукту припадає не більше 1 грама домішок коштує стільки ж, скільки збагачений уран для електростанцій, хоча запаси останнього в 100 000 разів менше запасів кремнію. У той же час, «хорошого» кремнію у світі добувають в 6 разів менше, ніж такого ж урану.[1]

З однієї тонни піску, в якому міститься 500 кг кремнію отримують 50-90 кг сонячного сіліціуму. При цьому на отримання 1 кг витрачається близько 250 кВт-годин електроенергії.[1] За новою технологією, розробленою німецькою фірмою Siemens ще 1979 року, енерговитрати падають на порядок, і вихід продукту збільшується в 10-15 разів. Вартість отримання кремнію при цьому знижується до 10-15 $ за кілограм.[1] Простий пісок для цієї технології не підходить. Тут потрібні «особливо чисті кварцити», поклади яких в значному обсязі, в основному, знаходяться в Росії.

Такі батареї можна встановлювати на супутниках, автомобілях, крилах літака, вмонтувати їх елементи в годинники, калькулятор, ноутбук. Термін їх служби становить 30 років.[1] За цей час елемент, на виготовлення якого пішов 1 кг сонячного кремнію, може дати стільки ж електроенергії, скільки її може бути отримано при використанні 100 т нафти на ТЕС або 1 кг збагаченого урану на АЕС.[1]

При другому методі, на території в кілька тисяч квадратних метрів, встановлюються дзеркала-геліостати, які повертаючись слідом за сонцем напрямляють промені сонячного світла на ємність з теплоприймачем (водою). Вода нагрівається, перетворюється на пару, яка крутить турбіну, а остання обертає генератор струму.

• Геліотермальна енергетика — нагрівання поверхні, що поглинає сонячні промені і подальший розподіл і використання тепла (фокусування сонячного випромінювання на ємності з водою для подальшого використання нагрітої води в опалюванні або в парових електрогенераторах).

Сонячну енергію, можна використовувати для отримання тепла безпосередньо без перетворення на електричну. Установки, які збирають, зберігають і передають тепло, називаються сонячними колекторами. У цьому разі, на даху будинку, або з його південного боку, встановлюється панель, що складається з трубочок, по яких в спеціальний бак-акумулятор подається вода. Сонце нагріває воду в трубах до 60-70 С, яка накопичується в баку, а звідти надходить для обігріву або гарячого водопостачання.

• «Сонячне вітрило» в безповітряному просторі, може перетворювати сонячні промені на кінетичну енергію.
• Термоповітряні електростанції (перетворення сонячної енергії в енергію повітряного потоку, що направляється на турбогенератор).
• Сонячні аеростатні електростанції (вироблення водяної пари усередині балона аеростата за рахунок нагрівання сонячним випромінюванням поверхні аеростата, покритої вибірково-поглинаючим покриттям). Перевага — запасу пари в балоні достатньо для роботи електростанції в темний час доби і хмарну погоду.

• Загальнодоступність і невичерпність джерела.
• Теоретично, повна безпека для довкілля (проте в наш час^[коли?] у виробництві фотоелементів і в них самих, використовуються шкідливі речовини).

Потужності сонячної енергетики Європи в 2012 році (70,04 ГВт)

Україна (373) Німеччина (32 411) Росія (0) Білорусь (0) Литва (6) Латвія (1) Естонія (0,2) Польща (7) Словаччина (523) Швеція (19) Фінляндія (1) Норвегія (0,1) Данія (394) Молдова (0) Румунія (30) Болгарія (908) Туреччина (9) Греція (1536) Чехія (2072) Угорщина (4) Австрія (418) Бельгія (2650) Голландія (266) Італія (16361) Хорватія (0) Франція(4003) Іспанія (5166) Португалія (244) Британія (1829) Ірландія (3) Кіпр (9) Словенія (198) Встановлена потужність сонячної електрогенерації країн Європи (МВт)[2]

Світловий колодязь в Пантеоні, Рим.

За допомогою сонячного світла можна освітлювати приміщення в денний час доби. Для цього застосовуються світлові колодязі. Простий варіант світлового колодязя — отвір у стелі.

Світлові колодязі застосовуються для освітлення приміщень, що не мають вікон: підземні гаражі, станції метро, промислові будівлі, склади, в'язниці, та інше.

Сонячна енергія широко використовується як для нагрівання води, так і для виробництва електроенергії. Сонячні колектори виготовляються з доступних матеріалів: сталь, мідь, алюміній тощо, тобто без застосування рідкісного і дорогого кремнію. Це дозволяє значно скоротити вартість устаткування, і отриманої на ньому енергії.

Сонячні теплові колектори, Інформаційним управлінням з енергетики США, поділяються на низько-, середньо-, і високотемпературні колектори. Низькотемпературні колектори є плоскими плитами і звичайно використовується для підігріву плавальних басейнів. Середньотемпературні колектори також, як правило, пласкі плити, але використовуються для підігріву води для житлового та комерційного використання. Високотемпературні колектори зосереджують сонячні промені за допомогою дзеркал і лінз і, як правило, використовуються для виробництва електроенергії.

Сонячна енергія для обігріву, охолодження, вентиляції та технологічних потреб, може бути використана для покриття частини витрат на енергію. Теплова маса матеріалів зберігає сонячну енергію протягом дня, і звільняє цю енергію коли стає холодніше. Загалом до теплової маси, відносяться кам'яні матеріали, бетон і вода. За розміщення теплових мас слід розглянути низку чинників, таких як клімат, рівень денного світла, тіней та інших умов. За умов правильно підключення теплові маси можуть пасивно підтримувати затишну температуру при скороченні споживання. Теплова енергія маси ґрунту, також може бути використана для зберігання тепла між сезонами і дозволяє використати сонячну теплову енергію для опалення приміщень у зимовий час.

Сонячна теплова енергія як активне сонячне опалення. Типова конструкція побутової сонячної системи опалення складається з сонячної панелі (або сонячного колектору) з теплообмінною рідиною, що проходить через нього, транспортуючи зібрану теплову енергію для корисного застосування, як правило, до гарячої води цистерни або домашніх радіаторів. Сонячні панелі розташовані в місці з гарним рівнем освітлення протягом дня, найчастіше на даху будівлі. Насос штовхає теплообмінну рідину (часто щойно очищену воду) за допомогою панелі управління. Тепло таким чином збирається та передається на ощадний контейнер.

Також можливе використання пасивного сонячного опалення, яке не потребує електричного або механічного обладнання, і може розраховувати на дизайн і структуру будинку для збирання, зберігання і розподілення тепла будівлею. Деякі пасивні системи, використовують незначну кількість звичайної енергії для керування заслінками, віконницями, нічними ізоляційними та іншими пристроями, що підвищують рівень збору, зберігання, використання та зниження небажаного теплообміну сонячної енергії.

2001 року, вартість електроенергії, отриманої в сонячних колекторах, становила $0,09-$0,12 за кВт·год. Департамент Енергетики США передбачає, що вартість електроенергії, вироблюваної сонячними концентраторами, знизиться до $0,04-$0,05 в 2015—2020 рр.

У 2007 році в Алжирі почалося будівництво змішаних електростанцій. У денний час доби, електроенергія виробляється параболічними концентраторами, а вночі з природного газу.

Сонячна кухня

Сонячна жаровня

Сонячні колектори можуть застосовуватися для приготування їжі. Температура в фокусі колектора досягає 150 °С. Такі кухонні прилади можуть широко застосовуватися в країнах, що розвиваються. Вартість матеріалів необхідних для виробництва «сонячної кухні», становить $3 — $7. У країнах, що розвиваються, для приготування їжі активно використовуються дрова.

Традиційні вогнища для приготування їжі мають термічну ефективність близько 10 %. Використання дров для приготування їжі призводить до суцільної вирубки лісів.

Існують різні міжнародні програми розповсюдження сонячних кухонь. Наприклад, у 2008 р. Фінляндія і Китай уклали угоду про постачання 19 000 сонячних кухонь до 31 села Китаю. Це дозволить скоротити викиди СО₂ на 1,7 млн тон у 2008—2012 рр. В майбутньому Фінляндія зможе купувати квоти на ці викиди.

Сонячна енергія може застосовуватися в різних хімічних процесах. Наприклад:

• Ізраїльський Weizmann Institute of Science у 2005 році випробував технологію отримання неокисленого цинку у сонячній башті. Оксид цинку у присутності деревного вугілля нагрівався дзеркалами до температури 1200 °С на вершині сонячної башти. У підсумку процесу, отримувався чистий цинк. Далі цинк можна герметично упакувати і транспортувати до місць виробництва електроенергії. На місці цинк поміщається у воду, в результаті хімічної реакції виходить водень і оксид цинку. Оксид цинку можна ще раз помістити до сонячної башти і отримати чистий цинк. Технологія пройшла випробування в сонячній башті канадського Institute for the Energies and Applied Research.

• Швейцарська компанія Clean Hydrogen Producers (CHP) розробила технологію виробництва водню з води за допомогою параболічних сонячних концентраторів. Площа дзеркал установки становить 93 м². У фокусі концентратора, температура досягає 2200°C. Вода починає розділятися на водень і кисень за температури більш 1700 °С. За світловий день 6,5 годин (6,5 кВт·год/кв.м.) установка CHP, може розділяти на водень і кисень 94,9 літрів води. Виробництво водню складе 3800 кг на рік (близько 10,4 кг за день).

Водень може бути збережений на значний час, та використовуватися за потребою, для виробництва електроенергії за допомогою паливних елементів, або як паливо для автотранспорту.

Пілотований літак на сонячних батареях HB-SIA, перед першим тестовим польотом, 3 грудня 2009

Фотоелектричні елементи можуть встановлюватися на різних транспортних засобах: човнах, електромобілях і гібридних автомобілях, літаках, дирижаблях тощо.

Фотоелектричні елементи виробляють електроенергію, яка використовується для бортового живлення транспортного засобу, або для електродвигуна електричного транспорту.

В Італії і Японії фотоелектричні елементи встановлюють на дахи залізничних потягів. Вони проводять електрику для кондиціонерів, освітлення і аварійних систем.

7-8 липня в Швейцарії відбувся тестовий політ літака на сонячних батареях HB-SIA, який протримався в повітрі рекордні 26 годин.

• В Данії за рахунок сонячної енергії, яка, в основному, використовується для вироблення тепла в приватному секторі, покривається від 1/3 до 3/4 потреби в кожному житловому будинку, а ціна на електроенергію регулюється Міністерством енергетики, і, станом на 2005 рік, становила за курсом до російського рубля 11руб./кВт-г.[3]
• У Німеччині до 70 % витрат на «соляризацію» будинків, відшкодовує держава. Крім того, вона купує у власників «сонячних дахів» електрику за цінами, що значно перевищують ринкові. Тобто, коли вдень будинок виробляє енергії багато, а споживає мало, її надлишки йдуть в міську мережу і господар отримує 80 центів за кожну здану кіловат-годину. Вночі ж він сам купує електрику в тій же самій мережі, але вже по 20 центів за кВт год. У країні обладнають сонячними елементами по 0,5 млн квадратних метрів дахів на рік.[1]

• В Австралії вже понад 19 років проводяться щорічні перегони на сонячних електромобілях на трасі між містами Дарвін і Аделаїда (3000 км). У 1990 році компанія «Sanio» побудувала літак на сонячних батареях, який перетнув всю Америку.[1]

• У США діє кілька гібридних сонячно-теплових електростанцій загальною потужністю понад 600 МВт. Вдень вони працюють від сонця, а вночі від газу. Температура пари до 370 С, а тиск — 100 атмосфер.[1]

• У СРСР перша промислова сонячна електростанція СЕС-5 була побудована в Криму 1985 року, близько міста Щолкіне. Вона мала потужність 5 МВт, тобто таку ж, як і перший ядерний реактор. За 10 років роботи вона дала 2000000 кВт год. електроенергії. В середині 90-х років її закрили.
• В Сахарі створюється найбільша в світі сонячна станція. Тут встановлюють 500 тисяч 12-метрових параболічних дзеркал, розташованих в 800 рядів.[4]
• 2016 року в українській Антонівці на Херсонщині в одній зі шкіл, встановлено першу систему електричних сонячних батарей, які за наявності сонця, повністю покривають потреби в електроенергії та опалюванні навчального закладу. Надлишки енергії передаються до централізованої системи і викуповуються державою.[5]

• Сонячна енергія
• Сонячна енергетика в Україні
• Сонячні електростанції України
• Відновлювана енергетика
• Фотоелектрична комірка
• Сонячний колектор
• Космічна орбітальна геліо-енергетична система
• Зелений тариф
• Масдар — місто майбутнього.

• Сонячна енергетика: теорія та практика: монографія / Й. С. Мисак, О. Т. Возняк, О. С. Дацько, С. П. Шаповал ; М-во освіти і науки України, Нац. ун-т «Львів. політехніка». — Львів: Вид-во Львів. політехніки, 2014. — 340 с. : іл. — Бібліогр.: с. 323—337 (176 назв). — ISBN 978-617-607-597-4
• Алфёров Ж. И., Андреев В. М., Румянцев В. Д. Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики // Физика и техника полупроводников, 2004, Т.38, вып.8, с.937-948.

• Геліоенергетика // Словник-довідник з екології : навч.-метод. посіб. / уклад. О. Г. Лановенко, О. О. Остапішина. — Херсон : ПП Вишемирський В. С., 2013. — С. 45-46.
• (англ.) MySolar.com — інформація для тих, хто цікавиться сонячною енергетикою.
• (англ.) PVPower, Inc — сайт координує та поширює інформацію про фотоелектричні технології, успішні приклади їх використання.
• (англ.) National Center for Photovoltaics — американський Національний центр фотоелектрики (NCPV).
• (англ.) Solar City — міжнародна програма «Сонячне місто» заохочує розвиток енергоефективності та енергозбереження з метою зменшення викидів парникових газів і споживання викопного палива.
• (англ.) SolarAccess Sustainable Energy B.V. — комерційний проект в області розвитку використання енергії сонця, вітру та інших відновлюваних джерел енергії.
• (англ.) Solar cooking around the world  — все про сонячні печі, особливості їх конструкції і де вони сьогодні використовуються.