Альтернативные источники энергии

Устройства для прямого  преобразования световой или солнечной  энергии в электроэнергию называются фотоэлементами. Преобразование солнечного света в электричество происходит в фотоэлементах, изготовленных  из полупроводникового материала, например, кремния, которые под воздействием солнечного света вырабатывают электрический  ток. Соединяя фотоэлементы в модули, а те, в свою очередь, друг с другом, можно строить крупные фотоэлектрические  станции. КПД фотоэлектрических  установок в настоящее время  составляет около 10%, однако отдельные  фотоэлементы могут достигать эффективности 20% и более. [4]

Современное производство фотоэлементов  практически полностью основано на кремнии. Около 80% всех модулей производится с использованием поли- или монокристаллического кремния, а остальные 20% используют аморфный кремний. Кристаллические  фотоэлементы - наиболее распространенные, обычно они имеют синий цвет с  отблеском. Аморфные, или некристаллические - гладкие на вид и меняют цвет в зависимости от угла зрения. Монокристаллический  кремний имеет наилучшую эффективность (около 14%), но он дороже, чем поликристаллический, эффективность которого в среднем  составляет 11%. Аморфный кремний широко применяется в небольших приборах, таких как часы и калькуляторы, но его эффективность и долгосрочная стабильность значительно ниже, поэтому  он редко применяется в силовых  установках. [3]

Преимущества:

Высокая надежность. Фотоэлементы разрабатывались для использования в космосе, где ремонт слишком дорог, либо вообще невозможен. До сих пор фотоэлементы являются источником питания практически для всех спутников на земной орбите, потому что они работают без поломок и почти не требуют технического обслуживания.

Низкие текущие  расходы. Фотоэлементы работают на бесплатном топливе - солнечной энергии. Благодаря отсутствию движущихся частей, они не требуют особого ухода. Рентабельные фотоэлектрические системы являются идеальным источником электроэнергии для станций связи в горах, навигационных бакенов в море и других потребителей, расположенных вдали от линий электропередач.

Экологичность. Поскольку при использовании фотоэлектрических систем не сжигается топливо и не имеется движущихся частей, они являются бесшумными и чистыми. Эта их особенность чрезвычайно полезна там, где единственной альтернативой для получения света и электропитания являются дизель-генераторы и керосиновые лампы.

Модульность. Фотоэлектрическую систему можно довести до любого размера. Владелец такой системы может увеличить либо уменьшить ее, если изменится его потребность в электроэнергии. По мере возрастания энергопотребления и финансовых возможностей, домовладелец может каждые несколько лет добавлять модули.

Низкие затраты  на строительство. Размещают фотоэлектрические системы обычно близко к потребителю, а значит, линии электропередачи не нужно тянуть на дальние расстояния, как в случае подключения к линиям электропередач. Вдобавок, не нужен понижающий трансформатор. Меньше проводов означает низкие затраты и более короткий период установки. [5]

Солнечный коллектор — устройство для сбора тепловой энергии Солнца (гелиоустановка), переносимой видимым светом и ближним инфракрасным излучением. В отличие от солнечных батарей, производящих непосредственно электричество, солнечный коллектор производит нагрев материала-теплоносителя.

Обычно применяются для  нужд горячего водоснабжения и отопления  помещений.[6]

Типы  солнечных коллекторов

Плоский коллектор состоит из элемента, поглощающего солнечное излучение, прозрачного покрытия и термоизолирующего слоя. Поглощающий элемент называется абсорбером, он связан с теплопроводящей системой. Он покрывается чёрным цветом либо спецраствором, для повышения эффективности. Прозрачный элемент обычно выполняется из закалённого стекла с пониженным содержанием металлов, либо особого рифлёного поликарбоната. Задняя часть панели покрыта теплоизоляционным материалом. Трубки, по которым распространяется вода, изготавливаются из сшитого полиэтилена или меди. Сама панель является воздухонепроницаемой, для чего отверстия в ней заделываются силиконовым герметиком.[8]

Чем больше падающей энергии  передаётся теплоносителю, протекающему в коллекторе, тем выше его эффективность.

Вакуумный солнечный  коллектор. Солнечная тепловая труба имеет устройство схожее с бытовыми термосами. Только внешняя часть трубы прозрачна, а на внутренней трубке нанесено высокоселективное покрытие улавливающее солнечную энергию. Между внешней и внутренней стеклянной трубкой находится вакуум. Именно вакуумная прослойка дает возможность сохранить около 95% улавливаемой тепловой энергии.

При облучении установки  солнечным светом, жидкость, находящаяся  в нижней части трубки, нагреваясь превращается в пар. Пары поднимаются  в верхнюю часть трубки (конденсатор), где конденсируясь передают тепло  коллектору. [7]

Использование данной схемы  позволяет достичь большего КПД (по сравнению с плоскими коллекторами) при работе в условиях низких температур и слабой освещенности.

Современные бытовые солнечные  коллекторы способны нагревать воду вплоть до температуры кипения даже при отрицательной окружающей температуре.

Солнечные коллекторы применяются  для отапливания промышленных и бытовых помещений, для горячего водоснабжения производственных процессов и бытовых нужд. Наибольшее количество производственных процессов, в которых используется тёплая и горячая вода (30—90 °C), проходят в пищевой и текстильной промышленности, которые таким образом имеют самый высокий потенциал для использования солнечных коллекторов.

Достоинства гелиоэнергетики

• Общедоступность и неисчерпаемость источника.
• Теоретически, полная безопасность для окружающей среды, хотя существует вероятность того, что повсеместное внедрение солнечной энергетики может изменить характеристику отражательной способности земной поверхности и привести к изменению климата.

Недостатки гелиоэнергетики

• Зависимость от погоды и времени суток.
• Необходимость аккумуляции энергии.
• При промышленном производстве - необходимость дублирования солнечных ЭС маневренными ЭС сопоставимой мощности.
• Высокая стоимость конструкции.
• Необходимость периодической очистки отражающей поверхности от пыли.
• Нагрев атмосферы над электростанцией.

При производстве фотоэлементов  уровень загрязнений не превышает  допустимого уровня для предприятий  микроэлектронной промышленности. Современные  фотоэлементы имеют срок службы 30—50 лет. Применение кадмия, связанного в  соединениях, при производстве некоторых  типов фотоэлементов с целью  повышения эффективности преобразования, ставит сложный вопрос их утилизации, который тоже не имеет пока приемлемого  с экологической точки зрения решения, хотя такие элементы имеют  незначительное распространение, и  соединениям кадмия при современном  производстве уже найдена достойная  замена.

Сгенерированная на основе солнечного излучения энергия гипотетически  сможет к 2050 году обеспечить 20-25 % потребностей человечества в электричестве и сократит выбросы углекислоты. Как полагают эксперты Международного энергетического агентства (IEA), солнечная энергетика уже через 40 лет при соответствующем уровне распространения передовых технологий будет вырабатывать около 9 тысяч тераватт-часов — или 20-25 % всего необходимого электричества, и это обеспечит сокращение выбросов углекислого газа на 6 млрд тонн ежегодно [9].

Фотоэлектрические элементы могут устанавливаться на различных  транспортных средствах: лодках, электромобилях и гибридных автомобилях, самолётах, дирижаблях и т. д.

Фотоэлектрические элементы вырабатывают электроэнергию, которая  используется для бортового питания  транспортного средства, или для  электродвигателя электрического транспорта.

В Италии и Японии фотоэлектрические  элементы устанавливают на крыши  ж/д поездов. Они производят электричество  для кондиционеров, освещения и  аварийных систем.

Компания Solatec LLC продаёт тонкоплёночные фотоэлектрические элементы для установки на крышу гибридного автомобиля Toyota Prius. Тонкоплёночные фотоэлементы имеют толщину 0,6 мм, что никак не влияет на аэродинамику автомобиля. Фотоэлементы предназначены для зарядки аккумуляторов, что позволяет увеличить пробег автомобиля на 10 %. [10]

Биотопливо

Биотопливо – это твердое, жидкое или газообразное топливо, получаемое из биомассы термохимическим или биологическим способом.

Это определение ложится  в основу наиболее распространенной и самой простой, для понимания, классификации биотопливных продуктов, а именно – разделению их по агрегатному состоянию. Специалисты биотопливной отрасли чаще оперируют классификациями биотоплива по поколениям или по способу их производства.

Классификация видов  биотоплива по агрегатному состоянию

Твердое биотопливо

Самый распространенный представитель  вида – дрова. В настоящее время для производства дров или биомассы используются, так называемые, энергетические леса. В их составе включают быстрорастущие породы древесины, кустарников и трав (ива, тополь, эвкалипт, акация, сахарный тростник, кукуруза и др.). В междурядьях из деревьев часто высаживают сельскохозяйственные культуры (так называемые, комбинированные посадки). Период ротации энергетического леса (от срезания до срезания) составляет 4-6 лет. Экологические достоинства энергетической биомассы:

• предупреждение эрозии почвы;
• при сжигании биомассы, в атмосферу выделяется только CO2, поглощенный при ее росте.

Пока несколько менее распространенными видом твердого биотоплива являются древесные топливные гранулы (ДТГ). Это топливный продукт, полученный прессованием древесных отходов (опилок, щепы, коры, некондиционной древесины и др.), соломы, отходов сельского хозяйства (навоза, куриного помета, лузги подсолнечника, ореховой скорлупы,) и другой биомассы. Это экологически чистое биотопливо, зольность которого не превышает 3 %.

Упрощенно, процесс производства ДГТ (или, как их еще называют, пеллет) выглядит следующим образом. Биосырье поступает в дробилку, где измельчается до консистенции муки. Данная мука передается в сушилку, а уже из неё — в специальный пресс-гранулятор. Сжатие во время прессовки повышает температуру муки, при этом лигнин, содержащийся в древесине, становится клейким, что позволяет получать на выходе плотные цилиндрики. Готовые гранулы охлаждают, пакуют в стандартную упаковку или доставляют потребителю россыпью. Наиболее распространенное применение пеллет – отопление объектов индивидуального строительства (частные дома, коттеджи), а также небольших производственных помещений. Самый динамично развивающийся рынок потребления пеллет – страны Европейского Содружества. По разным оценкам, в некоторых странах Европы до 2/3 жилых помещений отапливаются с помощью пеллет. Также необходимо отметить, что в США и европейских странах действует ряд стандартов на топливные гранулы.

Среди видов твердого биотоплива необходимо упомянуть топливные брикеты (высушенные и брикетированные энергоносители биологического происхождения, например, навоз) и биологические отходы с минимальной степенью подготовки к сжиганию (опилки, щепа, кора, лузга, солома, шелуха и т.д.). В Европе топливные брикеты, наряду с пеллетами, используют для отопления жилых и производственных помещений, а щепу в основном сжигают на крупных теплоэлектростанциях мощностью до нескольких десятков мегаватт.

Жидкое биотопливо

Весьма и весьма перспективный  класс биотоплива, основное применение которого – двигатели. Его получают из самых разнообразных растений – от пшеницы и сахарной свеклы, до рапса и отходов деревообработки.

Жидкое, или как его  еще называют, моторное биотопливо – вещество, получаемое в ходе переработки  растительного сырья (кукурузы, рапса, сахарной свеклы, сахарного тростника), средствами технологий, в основе которых  лежит использование естественных биологических процессов (например, брожения).

Биоэтанол. Большая доля мирового производства жидкого биотоплива приходится на биоэтанол (этанол, получаемый из сахарного тростника, зерна и сахарной свеклы, а также рапсового метилового эфира из семян рапса). Причина популярности биоэтанола кроется в экономической эффективности его производства, т.к. при урожайности семян рапса 2-4 т/га с 1 гектара можно получить 1-1,5 тонны биоэтанола и 2-2,5 тонны высококачественных растительных кормов. Характеристики моторного топлива, получаемого из растений, близки к показателям дизельного топлива. При этом вредные выбросы при использовании биодизельного топлива существенно меньше. [11]

В декабре 2007 года MnCAR (Центр Автомобильных Исследований Миннесоты) опубликовал результаты своих исследований по теме энергоэффективности применения биоэтанола в автомобильном транспорте. Наибольший интерес исследования представляет результат эксплуатации обычных автомобилей. Исследованию подверглись смеси от 2 % до 85 % содержания этанола в бензине. Для обычных автомобилей с ДВС самой оптимальной оказалась смесь Е30 (30% этанола и 70% бензина). На этой смеси потребление топлива снизилось на 1% (немного, но гораздо важнее экологические показатели) по сравнению с бензином (октановое число 95). Одной из важнейших характеристик биоэтанола является топливный баланс (соотношение энергии, выделяемой топливом, к энергетическим затратам на его производство). В настоящее время, наилучший результат составляет 1,24 (энергия, полученная из этанола, на 24% превышает энергию, затраченную на его производство). Топливный баланс бензина ощутимо хуже – для его производства требуется большое количество энергии (разведка нефти, её добыча и транспортировка, переработка и доставка). [12]