Солнечные электростанции (СЭС)

Электростанции, работающие на солнечной энергии, вырабатывают электричество либо при помощи тепла солнечного. В наше время существует четыре основных типа СЭС, которые, помимо всего, могут также и комбинироваться друг с другом.

 Крупнейшими СЭС являются солнечные электростанции башенного типа (Б-СЭС). Башенные СЭС представляют из себя, как следует из названия, башню. Вокруг этой башни расположено большое число управляемых зеркал(на крупнейших СЭС — до сотен тысяч). Эти зеркала перенаправляют солнечные лучи на вершину башни, где расположенырезервуары с водой. Вода под действием лучей превращается в пар и вращает турбогенератор, который и вырабатывает электроэнергию.

Несмотря на значительную экологическую чистоту, строительство подобных СЭС всё равно ставит вопросы относительно вреда для окружающей среды. Так, например, некоторые птицы, пролетающие сквозь насыщенную теплом область вокруг башен, где температура может достигать 600 градусов цельсия, вследствие этого они умирают или опаляют свои перья. Поэтому исследование негативных эффектов башенных СЭС продолжается.

Второй тип СЭС — тарельчатый (Т-СЭС). Принцип работы Т-СЭС, такой же как и у башенных, но при этом они значиетельно отличаются в общей конструкции. Т-СЭС используют отдельные модули, каждый из которых самостоятельно генерирует электроэнергию. Модуль включает в себя и отражатель и приемник. На опоре устанавливается параболическая сборка из многочисленных зеркал, формирующих отражатель.

В фокусе параболоида расположен приемник. Приемником же может быть двигатель Стирлинга, совмещенный с генератором, либо резервуар с водой, которая превращается в пар, а пар вращает турбину.

Параболо-цилиндрические концентрационные СЭС (К-СЭС) работают по такому же принципу, что и тарельчатые и башенные СЭС, а различия, опять же, заключаются в строении конструкции. К-СЭС представляют из себя комплексы из большого количества зеркал в форме параболического цилиндра. В фокусе зеркал располагается трубка с теплоносителем. Под воздействием солнечного света теплоноситель расплавляется и разогревает воду, которая в свою очередь вращает турбогенератор и вырабатывает электроэнергию. Так же отличие К-СЭС от других типов состоит в том, что она способна вырабатывать электричество не только днём, но и в ночное время. Это связано с тем, что солевой расплав, состоящий из смеси натриевой и калиевой селитр, постепенномнакапливается, что позволяет производить энергию круглосуточно.

Фотоэлектрические СЭС (Ф-СЭС) уже координально отличаются не только конструкционными особенностями, но и самим принципом работы. Этот принцип довольно прост - энергия фотонов преобразуется в ток в кремниевой пластине. Но КПД данных солнечных батарей с кремниевыми пластинами довольно низкий - ~24%. 

Сейчас также ведутся разработки более эффективных фотоэлементов. Так, компания Sharp, в 2013 году объявила о создании концентрирующего солнечный свет фотоэлемента, КПД которого составляет 44,4%. Данный фотоэлемент имеет довольно сложное многослойное строение. Первый слой — фосфид индия-галлия. Второй слой — арсенид галлия. Третий слой — арсенид индия-галлия. Слои разделены диэлектриком. На каждом таком фотоэлементе концентрируется свет, посредством так называемой линзы Френеля (т.н. ступенчатая линза). При этом размер самой линзы не превышает размер фотоэлемента.

Солнечные электростанции, при оптимальном географическом расположении и погодных условиях, способны выдавть мощность равносильную мощности крупных ГЭС. Так К-СЭС Уарзазат в Марокко имеет мощность 580 МВт, что сравнимо с Камской ГЭС в Пермском крае, а мощность крупнейшей СЭС в мире — китайского солнечного парка Тэнгэр — 1547 МВт.

При всём этом солнечные электростанции имеют ряд значиетльных недостатков. Во-первых, это сильная зависимость СЭС от климатических условий, что препятствует их повсеместному использованию, и крупные рентабельные СЭС возможно строить только в регионах снизкой влажностью и малым уровнем осаднок, например в пустыне Гоби, Аравийской пустыне, Сахаре. Второй недостаток СЭС для полноценной полномасштабной работы необходимы большие рабочие территории. Так вышеупомянутый комплекс солнечного парка Тэнгэр занимает целых 43 квадратных километра. Третим основным минусом СЭС является малый коофицент полезного действия при значительной стоиости оборудования, а новые фотоэлементы с большим КПД также не могут похвастаться низкой стоимстью.

Солнечные коллекторы (СК)

Солнечные коллекторы — это устройства схожие по принципу работы с тепловыми СЭС. Но в данном случае солнечная энергия используется не для производства электричества. Их используют в качестве водонагревательных элементов. В крупномасштабных проектах СК не используются, они наиболее приспособлены для бытового применения, то есть для работы в частных домах, дачах, небольших сельхоз предприятиях и т.д

Наиболее выгодный тип СК — вакуумный (ВСК). В нагревательных трубках коллектора возможно повышение температур 300 °C. Добиться этого можно за счёт снижения потерь тепла. Для этого создаются многослойные герметичные стеклянные трубки, внутри коротых создаётся вакуум. Также в ВСК применяются тепловые трубки, которые играют роль проводника тепла. При облучении солнечным светом жидкость в них, расположенная на дне трубки, нагревается и превращается в пар. Пары поднимаются в верхнюю часть трубки, где конденсируясь передают тепло коллектору. Эта схема работы ВСК позволяеть достигать высокого КПД даже при низком уровне освещения и малых температурах.

Наноантенны (НА)

Наноантенной называется альтернативное устройство для преобразования энергии солнечного излучения в электрический ток. Данное устройство работает, как и многие антенны, по принципу выпрямления, но в отличие от традиционных антенн, работает оно в оптическом диапазоне длин волн.Из-за малой длины волн оптического диапазона, наноантенна имеет размеры, не превышающие сотен микрон в длину, а в ширину — не более, и даже менее, 100 нанометров. Падающий на антенну свет, колебаниями своего электрического поля провоцирует колебания электронов в антенне с той же частотой, что и частота волны. После детектирования тока при помощи выпрямителя, достаточно его преобразовать в электроэнергию.

В отличие от кремниевых солнечных батарей, наноантенны обладают КПД в пределах 70-80%, что значительно выше КПД стандартных солнечных батарей.

В крупных масштабах электроэнергия при помощи наноантенн всё ещё не вырабатывается. Наноантенны всё ещё находятся на стадии эксперементальной разработки. Они производятся методом электронно-лучевой литографии, которая требуется для производства туннельных диодов. Основа для этого — переход: металл — диэлектрик — металл. Также тормозит разработку медленный и дорогой процесс создания НА — он требует высокой точности, что не позволяет ввести его в промышленное производство.

Несмотря на значительную дороговизну разработки, в случае успеха развития технологии и становление её на полномаштабное производство, наноантенны в будущем смогут вытеснить стандартные кремниевые солнечные батареи, так как общая стоимость материалов для производства 1 кв.м наноантенн будет составлять до 11 долларов, тогда как цена материалов, необходимых для производства простых кремниевых батарей, может достигать 400 долларов.

Ветровая энергетика

Ветроэнергетика – отрасль энергетики, связанная с разработкой методов и средств преобразования энергии ветра в механическую, тепловую или электрическую энергию. Энергии ветра присущи большинство плюсов других возобновляемых энергоисточников — возобновляемость, относительная экологическая безопасность, низкая стоимость эксплуатации.

В настоящее время применяются две основные конструкции ветроэнергетических установок(ВЭУ), которые обладают примерно равным КПД: горизонтально-осевые и вертикально-осевые ветродвигатели. При этом наибольшее распространение получили ветроагрегаты первого типа.

Исходя из мощности ВЭУ разделяют на четыре категории:

-  большие — мощностью свыше 1 Мвт;

-  средние — мощностью от 100 кВт до 1 МВт

-  малые — мощностью от 5 до 99 кВт

-  очень малые — мощностью менее 5 кВт

Комплексы из более чем двух ВЭУ образуют ветровые электростанции (ВЭС). Территории пригодные для размещения ВЭС — не только равнинные земли суши. Их можно возводить также в горной местности, прибрежных территориях и даже на морском шельфе. Данное свойство ВЭС позволило возвести большое число электростанций, за счёт чего в преиод с 1996 по 2020 года суммарная мощность всех ВЭС возросла в почти 10 раз — с 6,1 МВт до 591 МВт.

Крупнейшие производители электроэнергии на основе силы ветра — США, Китай и Германия — вместе они производят более половины от общемирового производства ветряной электроэнергии. Причём наибольшую роль ветроэлектростанции играют в Гемании, где в целом альтернативные источники энергии имеют большое распространение. Так в первой половине 2019 года на долю «зелёной» электроэнергии приходилось 47% от общего объёма, из которых 11% приходилось на ВЭС.

Но использование ветроэлектростанций вызывает значительный комплекс проблем. Во-первых, поглащение энергии ветров курупными массивами ветряков снижает силу ветров, что приводит к значительному ухудшению циркуляции воздуха в экосистеме. Это же приводит к тому, что леса, расположенные рядом с ВЭС начитают поглащать меньшее количество углекислого газа - до 90% от максимального количества. Также одной из значительных проблем ВЭС является высокий уровень шума, но данный недостаток легко онуляется в случае размещения ВЭС на отдалённых территориях, а в лучшем случае — на морском шельфе.

Геотермальная энергетика

Геотермальную энергию — энергию внутренней теплоты Земли — также можно назвать одной из перспективнейших нетрадиционных источников энергии. При чём геотермальную энергию можно эффективно использовать не только для производства электроэнергии, а также и для создания систем центрального отопления.

Всего существует три метода по преобразованию геотермальной энергии вэлектричество:

- Прямой метод — с использованием сухого пара.

- Непрямой метод — с использованием водяного пара.

- Бинарный метод — метод, где используются геотермальные воды в купе с воспомогательными жидкостами

Наиболее оптимальным вариантом ГеоТЭС являются станции бинарного типа. В отличие от первого типа бинарная ГеоТЭС не производит выбросов парниковых газов, тогда как ГеоТЭС прямого метода вместе с парами воды вделяет парниковые газы, которые содержатся в «сухом паре».

В целом же ГеоГЭС всех типов имею ряд значительных плюсов и минусов. Так геотермальные ГЭС имеют высокую мощность и большой запас потенциальной энергии для выработки. Также энергия вырабатываемая ГеоГЭС имеет низкую стоимость, а обслуживание самих станций также не несёт высоких финансовых затрат. Но низкая стоимость электроэнергии затягивает период окупания станции, так как её строительство требует больших финансовых вложений. Помимо всего ГеоГЭС, особенного прямого и непрямого метода, могут выделять парниковые и ядовитые газы, хоть и в меньшем объёме. Проблемой использования ГеоТЭС является малое количество стран, в которых возможно их строительство. Такие территории находятся в Исландии(где ГеоТЭС сумарно дают 25% всей электроэнергии в стране), Италия, Россия, страны в пределах Тихоокеанского огненого кольца — Япония, Канада, США, Мексика, Индонезия и другие.

Грозовая энергетика

Использование грозовой энергии в настоящее время находится только в теоретической разработке. Если говорить об энергии молний, то в одном разряде собрано пять миллиардов джоулей чистой энергии, эквивалентной 145 литрам бензина.Было рассчитано, что один разряд молнии может обеспечить энергией население США на 20 минут. А если учесть, что каждый год по всей Земле ударяет полтора миллиарда разрядов (от 40 до 50 разрядов за секунду), то перспективы открываются поистине потрясающие.

В 2006 году компания Alternative Energy Holdings сделала заявление, что ей удалось создать конструкцию, способную преобразовывать энергию молний в безопасное электричество. Было заявлено, что подобные установки способны окупться в течении нескольких лет. Но последующие эксперименты дали неудовлетворительный результат и проект в итогебыл закрыт.

В 2013 году в Саунгемптонском университете смоделировали в лаборатории искусственный заряд, эдентичный заряду молнии, смогли уловить его с помощью спец.оборудования и зарядить полученным электричеством телефон за небольшое время.

Создание первых ЭС, получающих энергию из молний, - дело сравнительно не близкого будущего, так как проблемы связанные с её сбором при современном уровне технологий решить невозможно. Одна из таких проблем — кратковременность разряда молнии. Для быстрого и эффективного освоения этого разряда небходимы конденсаторы высокой мощности, технологий производства которых ещё не существует. Также одной из проблем связанных с получение энергии из молний — значительные различия в мощности заряда каждой, тогда как для использования этой энергии нужны разряды определённой мощность, а технологий по стандартизации разрядов молний также ещё не существует.

Криоэнергетика

Принцип работы криоэнергетических установок состоит в накапливании избыточной энергии при помощи сжижения атмосферного воздуха

В отличии от грозовой энергетики, криоэнергетика не является делом будущего. Чтобы получить электричество, воздух в криогенном аккумуляторе охлаждается до -196°C, а полученная при этом жидкая смесь азота и кислорода закачивается в закрытое хранилище, напоминающее термос, где с минимальными потерями и при атмосферном давлении может храниться неделями. В моменты, когда сети начинают «проседать» под нагрузкой, жидкий воздух поступает на испаритель и, расширяясь более чем в 700 раз, раскручивает турбину. Предварительный нагрев испарителя необязателен — разницы в 210−230 градусов между буквально космическим холодом и обычной «температурой за бортом» вполне достаточно для взрывного выброса скрытой энергии смеси. Совершивший работу ледяной воздух практически полностью возвращается обратно в рабочий цикл.

Первая подобная экспериментальная установка была построена в 2010 году, и в тот же год доказала свою эффективность. После этого в британском городе Слау при местном ТЭЦ была построена криогенная аккумулирующая ЭС мощностью 350 кВт, которая возвращала в электросеть значительное количество электроэнергии.