?

Log in

No account? Create an account
Previous Entry Share Next Entry
Введение в гелиоэнергетику
Я
eternele
Недавно ходила на презентацию по гелиотермальной энергетике и решила поделиться ценным знанием с общественностью.

При слове "солнечная энергия" я обычно представляю себе растительный фотосинтез солнечные батареи, примерно как в калькуляторах:


... но в миллиард раз больше:



Но, на самом деле, существует несколько разных типов гелиоэлектростанций. Например, такой:


Почему электростанция в  форме круга, что за фигня в центре и в чём разница между двумя типами электростанций, я как раз и собираюсь вам рассказать (любимый подсказывает, что в каком-то Джеймсе Бонде об этом говорилось, так что для кого-то эта информация явно будет не новой). Но сначала расскажу про солнечные панели.

Вернёмся к фотосинтезу. Почти вся живое на Земле (кроме глубоководных и подземных животных и растений) питается солнечной энергией. Растения - непосредственно, животные - органическими веществами, произведенными растениями в результате фотосинтеза. Логичный вопрос: а можно ли солнечную энергию приспособить в бытовых или промышленных нуждах? Почему до сих пор машины не ездят на солнечных батареях?

Стоит заметить, что солнечные зарядки для сотовых телефонов уже давно существуют:



Только на зарядку требуется не два часа, а все двенадцать. В чём же дело? В недостаточно развитой технологии или в природных ограничениях?

И то, и то. Солнце – это мощнейший термоядерный реактор, но его энергия излучается равномерно во все стороны и  плотность этой энергии уменьшается как квадрат расстояния. Так как Земля находится на расстоянии 150 миллиона километров, до неё долетает всего 1367 ватт на квадратный метр:




И это в космосе. Непосредственно до земной поверхности энергии долетает ещё меньше из-за отражения, рассеяния и поглощения облаками, воздухом, взвешенными частицами. В идеальном случае, останется 1000 ватт на квадратный метр. Это природный фактор, здесь ничего не поделать. Много это или мало? Если бы существовало устройство, конвертирующее без потерь всю солнечную энергию в электричество, этого бы хватило на один электрочайник. Или пятьдесят энергосберегающих лампочек.

Но такого устройства нет. КПД современных солнечных панелей на фотоэлементах - 16%. То есть, с одного квадратного метра можно (пока) собрать не больше 160 ватт. Это технологический фактор, его можно улучшить, чем и занимаются разные лаборатории, и вроде как даже сообщают, что удалось поднять КПД до 30%, то есть, в два раза.

Стоит заметить, что 160 ватт на один квадратный метр - это максимальная мощность, в момент, когда панели перпендикулярны солнечным лучам. Если панели неподвижны, например, приколочены к крыше:



то с движением Солнца по небесводу, его лучи будут падать под разным углом к поверхности батареи, то есть, мощность батареи в зависимости от времени суток представляет собой синус (желтый график):



Простая математика подсказывает, что если проинтегрировать синус, то суммарная энергия будет такой же, как если бы батарея работала на полной мощности два часа, то есть, 320 ватт-час на квадратный метр за день. Если обклеить панелями крышу площадью, скажем, пятьдесять квадратных метров, получится 15 киловатт-час в день. Ещё раз напоминаю, это в идеальном случае. Загляните в свой счёт на электричество. Сколько вы расходуете в день? В принципе, достаточно, чтобы прокормить небольшую семью в солнечный день летом где-нибудь в Африке. Почему в Африке?



Потому что на севере и юге глобуса солнечным лучам приходится пройти более толстый слой атмосферы и, к тому же, половину года лучи падают под большим углом (отсюда белые ночи летом и серые дни зимой). Холодно там неспроста. Но, главное, распределение солнечной энергии неравномерно в течение года:



Этот график показывает освещенность в зависимости от месяца и широты. Мы видим, что на экваторе освещенность примерно одинакова круглый год (синий график), а на Северном полюсе с октября по март солнца нет вообще (желтый график). А если добавить ещё дожди и облачность на севере по сравнению с количеством солнечных дней на экваторе, то становится очевидно, где именно имеет смысл использовать солнечную энергию.

Гениальная идея колонизировать Африку построить огромную гелиостанцию в Сахаре пришла в 2009 году нескольким немецким компаниям, и они создали консорциум Desertec. А потом грянула арабская весна, и крысы побежали с корабля Siemens с Boch вышли из правления. Вроде проект до сих пор дышит, но не шевелится.

На следующей карте тремя красными квадратиками обозначена поверхность пустыни Сахара, которой будет достаточно для обеспечения энергопотреблении всего мира, Европы и Германии соответственно, если на ней разместить солнечные панели.



В некоторых европейских странах, как Франция или Испания, солнечной энергии может хватить на бытовое потребление, особенно, на юге. Если посмотреть на ранее приведенный график с солнышком по синусу ещё раз, мы заметим на втором (синем графике) два пика - утреннее и вечернее потребление электроэнергии: когда люди проснулись и собираются на работу или вернулись с работы. А Солнца в это время ещё/уже нет или оно слишком низко над горизонтом. Производство энергии не в тот момент, когда она нужна, - одна из основных проблем солнечных панелей, помимо их стоимости, переработки и захоронения после использования, очистки поверхности во время использования.

Для этой проблемы было предложено несколько решений. Во-первых, пока никого нет дома, чтобы использовать энергию, её можно продать энергетической компании, которая перенаправит её на промышленные нужды. Во Франции за 1 солнечный кВч дают 50 сантимов, в то время, как энергия домохозяйствам обходится в 15 сантимов. Очень выгодно. Финансируется, естественно, моими налогами государством, чтобы стимулировать распространение солнечных панелей. Экология - новая религия.

Пока энергия гоняется туда-сюда, потери на производство и передачу могут достигать половины произведенного. Поэтому лучше всё-таки энергию использовать на месте. Даже если вас нет дома, можно запустить стиральную машину, мультиварку и электрический бойлер - самые энергопотребляющие приборы. Можно снять батарею с электромобиля, сделать из неё отбивную и повесить на стену, как недавно предложил Элон Маск (основатель Tesla Motors и SpaceX, знаменитый идеалист и гениальный делец):

Одна такая штука имеет ёмкость до 10 кВч, то есть, дневной запас произведенной солнечной энергии.  Правда, они пока очень дорогие и малоэффективные, потому что пассчитаны всего на 50 циклов зарядки в год. А в остальные дни остаётся прясть с лучиной.

В-третьих, на крышу можно положить вот такую хрень:


Если присмотреться внимательно к этой хрени, мы заметим, что это трубки, по которым течёт особая теплоёмкая жидкость (например, масло). С крыши труба идёт внутрь бойлера, в который поступает вода. Терможидкость, нагретая Солнцем, отдаёт тепло воде и возвращается на крышу:



КПД такого устройства зависит от многих факторов, но, в целом, выше, чем если воду нагревать фотовольтным электричеством. Но важнее то, что эту энергию можно накапливать: в хорошо изолированном баке вода некоторое время сохраняет свою температуру. И вот, наконец, мы подошли к тому, с чего начали: что же это за фигня в центре круглой гелиостанции в Андалузии на третьей фотке этого поста?

Второй тип гелиостанций - термальные. В них нет фотоэлементов, но есть зеркала. Все они направлены в одну точку, в которой находится термоэлемент, например, соль:



Соль нагревается и передаёт тепло воде, которая превращается в пар, который вращает турбину:



Огрромное преимущество такой гелиостанции по сравнению с фотовольтаикой - то, что нагретую соль можно хранить в хорошо изолированных ёмкостях в течение нескольких часов, которые играют роль батареи. Таким образом, можно обеспечить производство энергии в тот момент, когда она потребляется. К сожалению, эта технология (пока?) не позволяет выровнять произодство на несколько дней, не говоря уже о месяцах.

Так а что насчёт солнечных автомобилей? Он должен быть максимально облегченным и выглядит примерно так:


Никаких минивэнов и семейных выездов, покупки мебели в ИКЕА, романтических фильмов с девушкой в кино под открытым небом. Солнечные батареи не могут пока обеспечить полностью энергией полноценную машину, а если делать гибридные машины, то батарея будет стоить больше, чем всё остальное в машине. Хотя вот электрические гибриды удалось довести до приемлемой цены. Возможно, и с солнечными что-то придумают. Например, министр экологии Франции обещала через пять лет построить 1000 км дорог из солнечных батарей, которые, вроде как, даже машины смогут снабжать энергией:



А что же делать Канаде и России, в которых так мало Солнца? Покупать витамин Д в таблетках Как ни странно, Канада и Россия - одни из главных производителей энергии из возобновляемых источников. Если быть точным, гидроэлектроэнергии. На каждый дом, конечно, плотину не поставишь, но, например, те же машины могут перейти на электричество вместо нефти.

Что-то мне надоело писать этот пост уже почти неделю, так что тут и закончу. Если есть вопросы, с удовольствием отвечу. До новых встреч.

(все фото, как обычно, кликабельны и ведут на источник)


  • 1
(Deleted comment)
(Deleted comment)

Монументально и познавательно :)
Надо сказать, , что зависимость освещенности в течении дня, была бы синусом, как раз у того сферического коня в вакууме:).А так там как раз правильно нарисован практичнски "гаусс". Поскольку "крутизна" восхода -заката зависит широты места и дня года с очевидностью.   Плюс из-за атмосферы и рефракции на восходе и закате начальные участки сглаживаются (тоже от широты зависит). В итоге если усреднить, все вклады , то  рост освещенности в течении дня будет как раз таким плавным, как на картинке- "нормально" распределенным. Особенно в-умеренных широтах.  А синус растет круто и такие (по синусу) быстрые ("вертикальные") восходы и закаты только на экваторе.
Проблему предлагают решать кстати одним не освещенным :) проектом, а именно подсветкой полей батарей , как раз в Сахаре в темное время "зайчиками" с гигантских зеркал размещенных на орбите вокруг Земли . Тогда можно сделать освещенность практически  константой- небо там всегда чистое. Технически реализуемо даже на нынешнем уровне технологии, вопрос рентабельности.


Ты издеваешься? Ты предлагаешь посчитать интеграл гауссианы? Синус интегрировать гораздо проще, а результат будет вряд ли отличаться больше, чем на 10%. Идея была в том, что максимальная мощность очень быстро спадает и суммарная энергия за день всего лишь в пару раз больше, чем в самый освещенный час.

Ну по моим ощущениям, поскольку статистику на уровне "доверительного интервала" обычно знают лучше, чем таблицу интегралов ( особенно химики, биологи и прочие "недоточные науки" :), то как ведет себя площадь под гаусианой в зависимости он количества взятых "сигм" интервала влево-вправо представляет себе гораздо больше народу, нежели то в каких пределах лежит 95% кривой под синусом :). И как раз да- синус на верхушке довольно плоский - а вот гаусс быстро спадает после пика, (в зависимости от сигмы конечно), а потом длинный хвост тянется и это гораздо реалистичнее для умеренных широт и лучше описывает то, что "суммарная энергия за день всего лишь в пару раз больше, чем в самый освещенный час". Но согласен при желании всегда можно подогнать параметры так, что синус от гаусса будет практически не отличаться на уровне простейшей модели.

Edited at 2016-03-02 10:02 am (UTC)

>"А что же делать Канаде и России, в которых так мало Солнца? "

Канада понятно "не айс", в смыле гелиоэнергетики, точнее наоборот :), но у ж в России - с чего "мало солнца " ? У нас и до того территорий, где солнечных дней в изобилии, с дождями все плохо и широта та же , что и в южной Франции и раньше то было сопоставимо территориями южной Европы по площади, а теперь и добавилось :) Мости батареями - не хочу. Вопрос рентабельности и готовности именно туда направлять субсидии ( а на окупаемость тут можно выйти только при очень развитой логистике и структуре населения как в Германии, где населенные пункты ввесьма равномерно распределены и почти всегда можно по соседству с "полем батарей" найти потребителей). Ну или "кормить" станции зарядки электрокаров на автодорогах например.. Что впрочем тоже потребует субсидий.
A надо учесть, что бензиновые акцизы в той же Германии только и кормят стремительно растущее количество пенсионеров- главный их "потребитель" - пенсионный фонд. Начни радикально расти число электрокаров - их придется обложить тем же сбором каким-то образом.



Какой процент России находится на той же широте, что Испания?

A зачем проценты сравнивать, если для батарей нужна абсолютная площадь :) Террирория между Черным и Каспием + Крым вся в той же зоне, что Испания ( ну кроме Aндалузии) - "зеленая". Там навскидку 300.000 квадратных километров , если просумировать области, которые я помню ( Краснодарский край 75, Ставропольский 66, Крым 27, Дагестан 50, + Осетия, Чечня, Ингушетия, Кабардино-Балкария :). Это не считая части Aстраханской, Ростовской областей, которые туда же попадают и которые будь-здоров жаркие и солнечные, поскольку климат ближе к континентальному. Если их добавить, то будет акурат как Испания, которая всего 500 тыс квадратов и это самая большая южная териртория в Европе - остальное поменьше .

Объясните мне главный мучающий меня вопрос. Для начала, меня удивляет сам факт того, что те, кто рекламируют солнечную энергию, этот, казалось бы, очевиднейший и важнейший вопрос, совершенно не затрагивают.

Есть ли доказательство, что солнечная энергия возобновляемая?

Мне видится экосистема планеты чем-то таким очень хрупким, завязанным на много разных факторов. Понятно, что несколько солнечных батарей от калькулятора не поменяют глобальный "баланс всего". А вот если всерьёз рассматривать это как источник электроэнергии для человечества и делать поля в производственных масштабах - уже совсем не очевидно. Скажем, что если земля под батареями умрёт от недостатка солнца, изменится состав атмосферы, изменятся бактерии, насекомые и животные по всей цепочке, и т.п.? Мало того, логично предположить, что изменения будут скорее негативные, чем позитивные, т.к. земля получала всю эту энергию, а теперь перестанет получать. В лучшем случае использованная человеком энергия перейдёт в "воздух потеплее", а может ведь и вообще излучиться в космос.

Короче говоря, мне бы хотелось какой-то огромнейший кусок подобного рассказа (не меньше половины) видеть посвящённым исследованиям экологии, заверяющим, что при пользовании солнечной энергии в таком-то объёме всё будет стопудово хорошо, зуб даём. Пока этого нет - по-моему, куда лучше жечь нефть, уголь и т.п. По крайней мере в отношении ископаемых нет такого интуитивного чувства, что их добыча может навредить экологии планеты.

Солнечные батареи обычно ставят в пустынных местах, где под ними ничего нет. Вот Сахару предлагают, например. Или на крышах домов. Или вот дороги и остановки мостить. Сейчас разрабатывают такие окна, проходя сквозь которые свет тоже преобразуется в энергию.

Хотя я погуглила, у вас в США панел ставят чуть ли не в лесу - вот это дикость, да. Но я не вижу, как это отличается от вырубки лесов под сельское хозяйство, что тоже очень большая проблема. Во Франции лесов уже почти не осталось, всё заселено и засеяно.

Экологическая проблема у солнечных панелей есть огромная, но другая - они очень плохо утилизируются.То есть, на данный момент, это ненамногим лучше, чем ядерные отходы. Сейчас их активно везде ставят с надеждой, что когда они отслужат через двадцать лет, уже что-нибудь придумают. Другая важная проблема - пыль. Поверхность батарей надо постоянно мыть, а это - вода и химикаты. В Сахаре, естественно, с водой напряженка. Но над этим тоже работают - пытаются придумать как совместить батереи и пылеотталкивающие поверхности.

Нефть и уголь - это же глобальное потепление. Да, и скоро они закончатся. Раньше, правда, говорили, что к нашему времени они должны были уже, но с тех пор нашли новые месторождения, и наверняка ещё найдут. Только стоимость разработки будет повышаться, потому что добывать придётся либо глубже, либо в море, либо в вечной мерзлоте, либо с метеоритов. То есть, относительная стоимость других источников энергии будет снижаться.

Вообще, если сохранится современная тенденция энергопотребления (а пока никто не чешется, значит, она сохранится), то Землю настигнет коллапс, это как пить дать.

Вы правы, стоит, наверное, об этом отдельно написать.

Edited at 2016-03-03 11:08 am (UTC)

"Но я не вижу, как это отличается от вырубки лесов под сельское хозяйство, что тоже очень большая проблема"

Несколько отличается.

Вот давайте для простоты исключим из рассмотрения парниковый эффект и глобальное потепление, и представим себе, что добытая и использованная человеком электроэнергия излучается в космос.

В случае угля и нефти мы имеем потерю какого-то мизреного объёма вещества планеты, извлечение которого практически очевидно не должно влиять на экологию - оно же там лежит где-то под землей и ни с чем не взаимодействует, ждёт, пока откопают, правильно?

За вычетом этого прихода и ухода, в уравнении ничего не меняется. Вся остальная экосистема - животный мир, бактерии, почва и пр., получает столько же энергии, сколько и раньше.

Теперь смотрим на солнечные батареи - совершенно другой расклад. Потреблённую энергию (и, возможно, излучённую в космос) мы ОТБИРАЕМ от почвы, которая получала её миллиарды лет и вдруг перестанет получать - ну или будет получать, но в каком-то совершенно статистически значимом объёме меньше, чем раньше. Моя интуиция подсказывает, что это сильно другой процесс, и у него могут быть куда худшие последствия для экосистемы.

Вырубка леса влияет, конечно, но по-моему, она больше на животный мир влияет, чем на "жизнь вообще". Меняются какие-то другие вещи, скажем, объём влаги, химический состав воздуха, но объём полученной почвой солнечной энергии не меняется, а это солиднейший объём. Чтобы осознать солидность этого объёма достаточно сравнить климатический эффект времён года в средних широтах и ближе к полюсам. Это же огромный эффект. Если создать искусственную зиму, которая не будет сменяться летом, мы все умрём, не так ли?

Вы правы, стоит, наверное, об этом отдельно написать.

Вообще, конечно, вдумчивый пост на эту тему было бы круто. Кусочками обсуждать отдельные аргументы несёт меньше смысла.

Безумно интересно это все.

  • 1