Як працуе сонечная энергія
Сонечная энергія — адна з найбольш распаўсюджаных аднаўляльных крыніц энергіі на Зямлі. Кожны дзень сонечнае святло дае велізарную колькасць энергіі, якую можна выкарыстоўваць для розных патрэб чалавека, ад вытворчасці электрычнасці да нагрэву вады. На фоне росту попыту на энергію і занепакоенасці з нагоды наступстваў змены клімату выкарыстанне сонечнай энергіі становіцца ўсё больш актуальным рашэннем. Але як на самой справе працуе сонечная энергія? У гэтым артыкуле абмяркоўваюцца асноўныя паняцці, прынцыпы яе працы, асноўныя кампаненты і фактары, якія ўплываюць на прадукцыйнасць сонечных энергетычных сістэм.
Сонечная энергія як аднаўляльны рэсурс
Сонца выпраменьвае энергію ў выглядзе электрамагнітнага выпраменьвання. Частка гэтага выпраменьвання дасягае паверхні Зямлі ў выглядзе бачнага, інфрачырвонага і ультрафіялетавага святла. Гэтую энергію можна ўлоўліваць і пераўтвараць у іншыя карысныя формы энергіі. У адрозненне ад выкапнёвага паліва, запасы якога абмежаваныя і выклікаюць высокія выкіды вугляроду, сонечная энергія аднаўляльная, невычэрпная ў маштабах чалавецтва і адносна экалагічна чыстая пры эксплуатацыі.
Выкарыстанне сонечнай энергіі звычайна падзяляецца на дзве шырокія катэгорыі: фотаэлектрычная (ФЭ) сонечная энергія для выпрацоўкі электрычнасці і цеплавая сонечная энергія для выпрацоўкі цяпла. Абедзве працуюць па розных прынцыпах, хоць і выкарыстоўваюць сонечнае выпраменьванне.
Як працуюць фотаэлектрычныя (ФЭ) сонечныя панэлі
Фотаэлектрычныя сістэмы пераўтвараюць сонечнае святло непасрэдна ў электрычнасць. Асноўны прынцып — фотаэлектрычны эфект, з'ява, пры якой паўправадніковыя матэрыялы генеруюць электрычны ток пад уздзеяннем святла.
1. Паўправадніковыя матэрыялы і PN-пераходы
Сонечныя панэлі складаюцца з мноства сонечных элементаў. Звычайна сонечныя элементы вырабляюцца з крэмнію, паўправадніковага матэрыялу, які можа праводзіць электрычнасць пры пэўных умовах. Для выпрацоўкі электрычнасці крэмній «легуецца», утвараючы два розныя пласты:
– N-тып, які мае лішнія электроны (адмоўны зарад).
– P-тып, у якім адсутнічаюць электроны або ёсць «дзіркі» (станоўчы зарад).
Калі гэтыя два пласты аб'ядноўваюцца, утвараецца PN-пераход. У месцы злучэння ствараецца ўнутранае электрычнае поле, якое адыгрывае ключавую ролю ў падзеле зарадаў.
2. Паглынанне фатонаў і ўтварэнне электронна-дзірачных злучэнняў
Сонечнае святло складаецца з энергетычных часціц, якія называюцца фатонамі. Калі фатон трапляе на сонечны элемент, яго энергія можа паглынуцца крэмніем. Калі фатон мае дастатковую энергію, ён «вызваляе» электрон са сваёй сувязі, утвараючы электронна-дзіркавую пару.
3. Падзел зарада электрычным полем
Электрычнае поле на PN-пераходзе прымушае электроны рухацца да N-слоя, а дзіркі — да P-слоя. Гэта падзел прадухіляе рэкамбінацыю электронаў з дзіркамі, ствараючы рознасць патэнцыялаў (напружанне).
4. Утварэнне электрычнага току ў ланцугу
Калі сонечная батарэя падключана да знешняга ланцуга, электроны цякуць па правадах, каб вярнуцца на іншы бок. Гэты паток электронаў утварае электрычны ток. Электрычнасць, якая выпрацоўваецца сонечнымі панэлямі, — гэта пастаянны ток (DC). Аднак многія бытавыя прыборы і электрасеткі выкарыстоўваюць пераменны ток (AC), што патрабуе дадатковага абсталявання.
Асноўныя кампаненты сістэмы сонечнай электрастанцыі (PLTS)
Каб электрычнасць, атрыманая з сонечнага святла, выкарыстоўвалася бяспечна і эфектыўна, фотаэлектрычная сістэма звычайна складаецца з некалькіх асноўных кампанентаў:
1. Сонечныя панэлі (фотаэлектрычныя модулі)
Злавіце сонечнае святло і выпрацоўвайце пастаянны электрычны ток.
2. Інвертар
Пераўтварае пастаянны ток у пераменны, каб яго можна было выкарыстоўваць абсталяваннем або размеркаваць па сетцы.
3. Кантролер сонечнай зарадкі (на акумулятарах)
Кіруйце зарадкай акумулятара, каб прадухіліць перазарадку або празмерную разрадку.
4. Батарэя (дадаткова)
Захоўвайце энергію для выкарыстання ўначы або ў пахмурнае надвор'е.
5. Мантажная канструкцыя і кабелі
Падтрымлівае панэль пад пэўным вуглом і бяспечна праводзіць электрычнасць.
6. Лічыльнік і электрычная абарона
У тым ліку аўтаматычны выключальнік, абарона ад перанапружання, зазямленне і прылады маніторынгу для бяспекі і кантролю прадукцыйнасці.
Увогуле, існуе некалькі тыпаў канфігурацый сонечных электрастанцый: сеткавыя (падлучаныя да сеткі), аўтаномныя (аўтаномныя з акумулятарамі) і гібрыдныя (спалучэнне сеткі і акумулятараў).
Як працуе сонечная цеплавая энергія
У адрозненне ад фотаэлектрычных элементаў, якія пераўтвараюць святло ў электрычнасць, цеплавыя сонечныя сістэмы выкарыстоўваюць сонечную энергію ў выглядзе цяпла. Прынцып прасцейшы: сонечнае выпраменьванне паглынаецца пэўнай паверхняй, а затым цяпло выкарыстоўваецца для нагрэву вадкасці (вады або цепланосбіта).
1. Сонечныя калектары і паглынанне цяпла
Асноўным кампанентам цеплавой сістэмы з'яўляецца сонечны калектар, звычайна панэль з цёмнай паглынальнай паверхняй. Цёмны колер дапамагае паглынаць больш выпраменьвання і памяншае адлюстраванне святла.
2. Перадача цяпла вадкасцям
За паверхняй калектара знаходзяцца трубы, па якіх цячэ вада або спецыяльная вадкасць. Па меры награвання паверхні калектара энергія перадаецца вадкасці праз цеплаправоднасць і канвекцыю. Нагрэтая вадкасць затым падаецца ў рэзервуар-назапашвальнік або выкарыстоўваецца непасрэдна.
3. Прымяненне сонечнай цеплавой энергетыкі
Цеплавая сонечная энергія шырока выкарыстоўваецца для:
– бытавы воданагравальнік (сонечны воданагравальнік),
– награвальнік для басейна,
– працэсы нагрэву ў прамысловасці,
– да буйных сонечных цеплавых электрастанцый (СЦЭ), якія канцэнтруюць святло з дапамогай люстэркаў для вытворчасці пары і кручэння турбін.
Фактары, якія ўплываюць на прадукцыйнасць сонечнай энергіі
Нягледзячы на тое, што сонечнае святло мае шмат, на энергію, якую выпрацоўваюць сонечныя сістэмы, у значнай ступені ўплываюць наступныя фактары:
1. Інтэнсіўнасць сонечнага выпраменьвання
Чым вышэйшая інтэнсіўнасць святла, тым больш энергіі можа быць выпрацавана. На інтэнсіўнасць уплываюць геаграфічнае месцазнаходжанне, сезон і атмасферныя ўмовы.
2. Кут нахілу і арыентацыя панэлі
Сонечныя панэлі працуюць аптымальна, калі сонечнае святло падае перпендыкулярна на паверхню. Таму арыентацыю і нахіл панэляў неабходна карэктаваць у залежнасці ад шыраты месцазнаходжання.
3. Тэмпература панэлі
Цікава, што сонечныя фотаэлектрычныя панэлі, як правіла, зніжаюць эфектыўнасць пры занадта высокіх тэмпературах. Вентыляцыя і адлегласць ад даху могуць дапамагчы паменшыць перагрэў.
4. Цені і бруд
Цені ад дрэў, будынкаў або антэн могуць значна знізіць выходную магутнасць. Пыл і бруд таксама зніжаюць пранікненне святла, што патрабуе рэгулярнай чысткі панэляў.
5. Якасць кампанентаў і ўстаноўкі
Няякасныя інвертары, кабелі, раздымы і сродкі абароны могуць прывесці да страт энергіі і рызык бяспекі.
Перавагі і праблемы сонечнай энергіі
Сонечная энергія мае шмат пераваг: яна бясплатная, вырабляе мінімальныя выкіды, патрабуе адносна нязначнага абслугоўвання і можа быць усталявана як у малых, так і ў вялікіх маштабах. Акрамя таго, сонечныя панэлі могуць дапамагчы знізіць залежнасць ад электраэнергіі на аснове выкапнёвага паліва.
Аднак існуюць і сур'ёзныя праблемы, у прыватнасці, перарывістасць (вытворчасць залежыць ад надвор'я і дзённых і начных змен) і патрабаванні да прасторы для буйных установак. Распаўсюджаныя рашэнні ўключаюць выкарыстанне акумулятараў, гібрыдных сістэм і паляпшэнне эфектыўнасці панэляў і кіравання энергіяй.
Закрыццё
Асноўны прынцып сонечнай энергіі заключаецца ў тым, каб улоўліваць сонечнае выпраменьванне і пераўтвараць яго ў карысную энергію, альбо ў электрычнасць праз фотаэлектрычны эфект, альбо ў цяпло праз цеплавую сістэму. Пры правільным выбары кампанентаў, добрым праектаванні і належным абслугоўванні сонечная энергія можа стаць найважнейшым слупом у пераходзе да чыстай энергіі. У будучыні тэхналагічныя інавацыі, скарачэнне выдаткаў і палітычная падтрымка яшчэ больш паскораць укараненне сонечнай энергіі ў якасці ўстойлівага энергетычнага рашэння для грамадства.
