Производство и продажа тепловых насосов

Солнечная электроэнергетика

Солнечная фотоэлектрическая батарея это устройство, преобразующее солнечный свет  в электрическую энергию. Батарея чаще всего представляет собой плоскую панель с кремниевыми пластинами. Солнечные батареи на основе кремния составляют на сегодняшний день порядка 85% всех выпускаемых солнечных панелей. Сверху панель покрыта закаленным стеклом с низким содержанием оксидов железа, что увечивает его прозрачность. Панель полностью герметична и выдерживает большие ветровые и снеговые нагрузки.

Кремний – один из самых распространенных элементов земной коры и составляет в ней по разным данным 27-29% по массе.

Существует несколько видов фотоэлектрических батарей, самые популярные и доступные для потребителей сделаны из поликристаллического кремния, процесс производства их наименее трудоемок, а эффективность достигает 13%. В другом типе солнечных батарей применяют монокристаллический кремний.  Эта технология  по эффективности преобразования солнечной энергии  превосходит все другие в настоящее время.  Эффективность солнечных батарей изготовленных из монокристаллического кремния составляет обычно 19-22%. Было заявлено о начале промышленного выпуска солнечных батарей с эффективностью 24,5%, что уже вплотную приближается к максимально возможному теоретически значению для кремния ~30%. Панели из монокристалла отличаются стабильными характеристиками и сохраняют до 80% от первоначальной мощности в течении всего ресурса работы.

Кроме кремния ведутся исследовательские работы и по другим материалам для изготовления фотоэлектрических панелей. Например медь-индий (галлий)-селен солнечные панели [Cu(InGa)Se2]. Их эффективность может достигать 20%. Солнечные батареи на основе теллурида кадмия (CdTe) появились еще в 1970х годах. Эффективность современных фотоэлектрических элементов данного типа равняется 15-17%. Но есть проблемы с обоими элементами входящими в состав соединения CdTe. Кадмий это экологически вредный тяжелый метал, который требует особых методов обращения, поэтому должен быть предусмотрен процесс утилизации старых изделий.  Второй элемент – теллур, довольно редко встречается в земной коре. Уже в настоящее время более половины всего добываемого теллура идет на изготовление солнечных панелей, а перспективы нарастить добычу – довольно туманны. 

Наиболее совершенные и самые дорогие на сегодняшний день солнечные модули обладают эффективностью фотоэлектрического преобразования до 44%. Они представляют собой многослойные структуры из разных полупроводников, последовательно выращенных друг на друге слой за слоем. Наиболее успешной является структура состоящая из трех слоев:  Ge (нижний полупроводник и подложка), GaAsи GaInP. Благодаря тому, что в подобной комбинации каждый отдельный полупроводниковый слой поглощает наиболее эффективно свой определенный диапазон солнечного спектра (определяемый шириной запрещенной зоны полупроводника), достигается наиболее полное поглощение солнечного света во всем диапазоне длин волн, недостижимое для СБ состоящих из одного типа полупроводника. Пока процесс изготовления подобных многослойных полупроводниковых слоев очень сложен технически и, как следствие, весьма дорог.  Но технологии не стоят на месте.

Любая, даже самая совершенная солнечная батарея требует для начала работы присутствия солнечного излучения на своей поверхности. Эффективность её работы лишь показывает какую часть солнечной энергии фотоэлектрическая панель сможет преобразовать в электрическую энергию. Если многослойная панель с эффективностью 40%  в несколько раз дороже другого типа панелей с эффективностью 20%, то экономически целесообразнее использовать более дешёвые панели, но с суммарной площадью поверхностей  в 2 раза большей. Конечно, если для размещения имеется требуемое место. Но самое важное значение имеет общее количество солнечной энергии, попадающее на поверхность панелей за одинаковый период времени.  При этом, что на экваторе, что на полюсах нашей планеты, мощность солнечного излучения, доходящего до земли, довольно велика и составляет около 900-1000 Вт/м2 в ясную погоду.  В зависимости от состояния атмосферы до земли может доходить и до 1200 Вт/м2 в очень ясный солнечный день, но с поправками на непрозрачность атмосферы, периодическую облачность, дымку и прочие погодные условия считается средней величина 635 Вт/м2. В пасмурную погоду прямое солнечное излучение отсутствует,  при этом рассеянный солнечный свет тоже позволяет солнечным панелям вырабатывать электроэнергию, но достигаемые показатели очень скромные по своей величине, в сравнении с работой в солнечную погоду. К тому же при снижении мощности солнечного излучения ниже 100-150 Вт/м2 солнечные модули практически перестают вырабатывать электроэнергию. Стоит уточнить, что значения мощности солнечного излучения приводятся не на квадратный метр земли, на которую солнечный свет падает под углом, а на квадратный метр поверхности панели, повёрнутой к солнцу.

В верхних слоях атмосферы, на границе с космическим пространством по данным измерений НАСА мощность солнечного излучения около 1360 Вт/м2. Часть энергии отражается от атмосферы, часть поглощается содержащимся водяным паром и загрязнениями, остальное доходит до поверхности земли. Если на уровне земли легко измерить мощность приходящего излучения, то  цифру 1360 Вт/м2, полученную в верхних слоях атмосферы, можно легко проверить несложными вычислениями, взяв за основу другие данные, полученные с достаточно высокой точностью различными методами.  

     

Преобладающая площадь излучающей поверхности Солнца имеет температуру свечения около 5800 К. Поверхность с такой температурой излучает в интересующем нас спектре, включая видимый свет и инфракрасную часть излучения мощность примерно 63300 кВт с каждого квадратного метра. Это плотность излучения на поверхности Солнца.  Солнце испускает много чего ещё, например потоки суперионизированных частиц, протоны и электроны, быстрые и медленные, образующие солнечный ветер.  Всё это было бы достаточно опасно для жизни, но благодаря атмосфере и магнитному полю Земли до поверхности нашей планеты эти частицы не долетают. Диаметр Солнца около 1,392 млн. км. Излучение с поверхности Солнца распространяется равномерно во все стороны, практически ничем не поглощаясь в вакууме космического пространства. Уменьшается лишь плотность солнечного излучения. Снижение плотности излучения происходит  в квадрате от увеличения расстояния до излучающей поверхности, так как площадь сферы растёт в квадрате от её диаметра (площадь сферы равна Пи*D2).  Среднее расстояние от Земли до Солнца приблизительно 150 млн. км. Отношение диаметра земной орбиты к диаметру Солнца равно 215,5.  Квадрат этого числа равен 46450. Разделив 63300 Вт на 46450 получим 1363 Вт, что практически совпадает с результатами измерений НАСА, несмотря на то, что в этих расчётах использовались значения расстояний, округлённые  до тысяч километров, а температура бралась с точностью  до сотен градусов. В некоторых источниках за солнечную постоянную принимают 1353 Вт/м2, в других 1395 Вт/м2. Это средняя величина, так как Земля движется вокруг Солнца по эллиптической орбите и мощность солнечного излучения лежит в диапазоне от 1349 Вт/м2 до 1443 Вт/м2

В северных областях в ясную солнечную погоду при высокостоящем светиле мощность солнечного излучения, доходящего до земли и падающего на плоскость ориентированную к солнцу, может быть даже выше, чем на экваторе, так как более прозрачна атмосфера, меньше в ней водяного пара, меньше взвешенной пыли и прочих веществ, активно поглощающих солнечную энергию на её пути к поверхности. Но вот количество солнечных часов в сутках, в месяце и в году по мере удаления от экватора всё меньше и меньше. Чтобы энергоснабжение  было непрерывным, а не только тогда, когда светит солнце, вырабатываемую солнечными панелями электроэнергию приходится накапливать в аккумуляторных батареях.  Мощность солнечных панелей, их площадь, необходимую ёмкость аккумуляторных батарей подбирают исходя из данных о количестве солнечной энергии в данной местности за достаточно длительный  период, например за сезон или даже за год, с учётом необходимого суточного, недельного или месячного потребления, чтобы минимизировать погрешности методов наблюдений и капризов погоды.

При этом учитывают эффективность используемых солнечных панелей, возможное загрязнение или затенение поверхности, подбирают оптимальную ориентацию панелей по солнцу, чтобы на выработку электроэнергии за световой день минимально влияло суточное движение солнца по небосводу, учитывают неизбежные потери энергии при зарядке аккумуляторов, дальнейшие потери в преобразователях и электроприборах.

Себестоимость электроэнергии, получаемой от своей солнечной электростанции в малосолнечной местности, с учётом капитальных затрат и срока службы оборудования, может значительно превышать стоимость сетевой электроэнергии. Но если электросетей поблизости нет и не появятся в обозримой перспективе, то это вполне подходящий выход из положения. Тем более, что светодиодные осветительные приборы и современная бытовая техника, без которой не обойтись в тёмное время суток, при питании от аккумуляторов потребляют достаточно мало. Мощные потребители, насосы и пылесы можно использовать только днём, когда светит солнце. Газонокосилку можно приобрести бензиновую. Бытовым электроинструментом тоже желательно работать в солнечное время суток или использовать аккумуляторный, заряжая его днём. К приобретению ночных потребителей электроэнергии, без которых трудно обойтись, типа холодильника, телевизора и т.п. стоит подходить обдуманно. Соотношение цен и сроков службы на современные солнечные панели для выработки электроэнергии, на аккумуляторы для накопления энергии, на электронные преобразователи  и прочее оборудование в настоящее время складывается так, что чаще более затратная часть это не выработка энергии солнечными панелями, а её хранение.