Способы преобразования солнечной энергии и их КПД

Излучение Солнца все время несет к Земле энергию. Это, по существу, электромагнитная энергия. Спектр электромагнитного излучения Солнца лежит в широком диапазоне: от радиоволн до рентгеновских лучей. Максимум его интенсивности приходится на видимый свет, а именно — на желто-зеленую часть спектра. В целом можно сказать, что энергия солнечного излучения управляет жизнью на Земле, климатом и погодой на нашей планете — вся живая природа на Земле обязана своим существованием Солнцу.

Дело в том, что от Солнца — к верхним слоям земной атмосферы непрерывно поступает в форме излучения мощность порядка 174 петаватт (пета — 10 в 15 степени). При этом 16% поступающей энергии поглощается верхними слоями атмосферы, а 6% — отражается от нее. В зависимости от погодных условий, в средних слоях атмосферы также происходит отражение до 20%, а поглощается около 3% приходящей от Солнца энергии.

Таким образом, наша атмосфера рассеивает и фильтрует значительную часть спектра, пропуская, однако, к поверхности земли немалую его долю в форме инфракрасного и немного ультрафиолетового. В результате мы можем наблюдать круговорот воды в природе, фотосинтез растений, и имеем среднюю температуру земной поверхности около 14°C.

Технология, позволяющая человечеству использовать данную энергию практически и осознанно, называется солнечной энергетикой. И такое положение не лишено здравых оснований, ведь по оценкам ученых потенциал энергии Солнца, которая может быть принята на поверхности земли и преобразована в полезную для человека форму, составляет на сегодняшний день в максимуме почти 49,9 эксаджоуль в год (экса — 10 в 18 степени), что в 10000 превосходит нынешние потребности человечества.

Даже в Германии, где климат не особо солнечный, энергия, которую можно было бы в идеале получить от Солнца, в 100 крат превзошла бы потребности всей страны. А в Австрии на 1 квадратный метр поверхности земли приходится до 1480 кВт ⋅ ч в год. И лишь 50% этой энергии принимается в стране солнечными концентраторами, осуществляющими нагрев теплоносителя в своем фокусе.

Далее давайте рассмотрим наиболее приемлемые на сегодняшний день способы преобразования солнечной энергии, и оценим их коэффициент полезного действия (КПД) .

Солнечный коллектор

Солнечные коллекторы, хотя и относятся к низкотемпературным установкам, тем не менее они позволяют добывать примерно 1250 кВт ⋅ ч на квадратный метр энергии в год. Энергия получается здесь в форме тепла, пригодного для промышленного отопления и обеспечения горячего водоснабжения.

Практически установка преобразует энергию, даваемую видимым светом и ближним инфракрасным излучением, — в тепло, поскольку разогревается здесь теплоноситель — вода. При отсутствии забора тепла (застое) коллекторы такого плана способны нагреть воду до 200°C.

Установка имеет покрытие из специального абсорбера, хорошо поглощающего солнечное излучение, и передающего тепло теплопроводящей системе. Селективное покрытие обычно представляет собой черный никель или напыление оксида титана. Среднестатистический КПД таких установок 50%.

Допонительно: В чем преимущество солнечных коллекторов по сравнению с традиционными котельными

Параболоцилиндрическое зеркало

Установки на базе параболоцилиндрических зеркал относятся к среднетемпературным установкам. Они позволяют получать 375 кВт ⋅ ч на квадратный метр электрической и тепловой энергии в год. В фокусе такой установки располагается трубка (внутри которой теплоноситель — масло) или фотоэлектрический преобразователь. Масло в трубке разогревается здесь до 350°C и даже больше.

Одно параболоцилиндрическое зеркало, из которых набирается крупная электростанция, имеет протяженность до 50 метров. Термальная эффективность параболических концентраторов доходит до 73 % при температуре нагрева теплоносителя 350°C. Средний КПД подобных установок доходит до 20%.

Гелиостатные системы

Гелиостатные системы относятся к высокотемпературным установкам. На них получают 500 кВт ⋅ ч на квадратный метр электрической энергии в год, кроме того гелиостатные установки дают возможность получать и тепловую энергию. Здесь нагревается теплоноситель на основе натрия и газ (двухконтурная система с термической солью). Множество зеркал отражают солнечное излучение, направляя его на емкость с теплоносителем, расположенную на вершине башни. КПД таких систем достигает 20%.

Солнечная батарея

Солнечные батареи относятся к электроэнергетическим установкам, и позволяют получать при помощи фотоэлектрических преобразователей 250 кВт ⋅ ч электроэнергии в год. Их эффективности бывает достаточно чтобы обеспечить электричеством небольшое домашнее хозяйство в солнечном регионе, также небольшие солнечные панели в состоянии снабжать электроэнергией дорожные знаки, осветительные приборы, оросительные системы и т. д.

На сегодняшний день эффективность солнечных батарей оставляет желать лучшего, их средний КПД относительно невысок, около 10%, но технология все время совершенствуется.

Смотрите также: Солнечные батареи с рекордным КПД