?

Log in

No account? Create an account
Previous Entry Share Flag 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
согласись, что синус - и правда магическая функция

Безусловно :). Но пожалуй именно гаусиана ей мало чем уступает в универсальности, многообразии проявления в природе и магических свойствах в плане математики. Синус рулит там, где порядок и переодичность, а гаусс там где хаос и стохастика:) Инь и янь короче :)


  • 1