Солнечные электростанции в сахаре. Гигантские солнечные электростанции сахары

План-конспект урока экологической направленности

по географии в 10-м классе

Разработчик: учитель географии МКОУ СОШ № 6 п. Заря Солонцова Л.Н .

Тип урока: комбинированный.

Цель урока: познакомить учащихся с основами рационального природопользования.

Образовательно-воспитательно-развивающие задачи:

Образовательные задачи:

1. Ввести новые понятия: природопользование, особо охраняемые природные территории, экологическая политика государства, устойчивое развитие

2. Сформировать знания у учащихся о рациональном и нерациональном природопользовании.

3. Познакомить учащихся с основами экологической политики Российской Федерации.

Развивающие задачи:

1. Развивать у учащихся учение работать с учебником.

2. Развивать у учащихся глобальное мышление (необходимость рационального природопользования и устойчивого развития общества).

Воспитательные задачи:

1. Учащиеся должны убедиться в том, что создание особо охраняемых природных территорий – важная задача любого государства в решении проблемы рационального природопользования.

2. Воспитание у учащихся стремления к познанию нового.

Методы обучения:

1. Объяснительно-иллюстративный.

2. Практический.

Оборудование:

Учебник (География. Современный мир. 10-11 класс/ под ред. А.И. Алексеева), проектор, мультимедийная презентация Power Point 2007.

Использованная литература:

1. География. 10-11 класс. Методические рекомендации: пособие для учителя/ В.В. Николина, 2007 г.

2. География. Поурочные разработки. 10-11 классы. Пособие для учителей общеобразовательных учреждений/ Верещагина Н.О., Сухоруков В.Д. – М.: Просвещение, 2012.

3. География. Мой тренажер:10-11 классы: базовый уровень: пособие для учащихся общеобразовательных организаций/Ю.Н. Гладкий, В.В. Николина; Рос. акад. Образования, Рос. акад. наук. - М.: Просвещение, 2013.

4. Рабочая тетрадь по географии:10 кл.: Пособие для учащихся общеобразоват. учреждений/ Максаковский В.П. – М.: Просвещение, 2000.

5. Ресурсы интернета.

Основные этапы урока:

I этап . Организационный момент (1-3 мин)

Приветствие;

II этап . Проверка домашнего задания. (7-10 минут)

1. Теоретические вопросы.

2. Практические задания.

III этап . Изучение нового материала (15-20 минут)

IV этап . Закрепление изученного материала (10-12 минут)

V этап . Итоги урока:

1. Домашнее задание.

2. Выявление недочетов.

Приветствие;

Проверка школьных принадлежностей;

Проверка освещенности, проветриваемости помещения.

1-3 мин

Проверка домашнего задания

1. Теоретические вопросы:

1. Что такое природные ресурсы?

2. Какие виды природных ресурсов мы изучили?

3. С какими видами природных ресурсов мы познакомились на прошлом уроке?

4. Назовите виды ресурсов нетрадиционной энергетики.

5. Что такое агроклиматические ресурсы? Что к ним относится?

6. Что такое рекреационные ресурсы? В чем их особенность?

Учащиеся отвечают на поставленные вопросы

3-4 мин

2. Практические задания:

2. Пользуясь климатической картой мира, попытайтесь определить, в каких странах и регионах имеются наилучшие возможности использования:

а) энергии Солнца;

б) энергии ветра.

Аргументируйте свой ответ.

а) доступность;

б) оптимальность природного комплекса для отдыха;

в) эстетическая привлекательность;

г) влияние на здоровье людей.

Выполняют групповые задания:

1 ряд формулирует ответ на 1 вопрос,

2 ряд пытается подобрать аргументы для 2 вопроса;

3 ряд оценивает рекреационные ресурсы своей местности

4-6 мин

III

Изучение нового материала.

Актуализация знаний.

Человеческое общество прошло долгий путь развития от первобытной общины до постиндустриального общества с развитыми технологиями.

Давайте попробуем нарисовать кривую, которая отображает зависимость потребления ресурсов человеком во времени.

Увеличиваются или уменьшаются потребляемые природные ресурсы?

Тем более, что природные ресурсы мира, также как и ресурсы России, в большинстве своем исчерпаемы.

Чем это грозит для человечества?

Сегодня на уроке мы поговорим правильном, рациональном использовании природных ресурсов, и как общество старается улучшить качество жизни настоящего и будущего поколения.

Тема сегодняшнего урока: «Природопользование и устойчивое развитие»

Внимательно слушают, рисуют кривую, отображающую зависимость потребления человеком ресурсов во времени.

2-3 мин

В настоящее время во многих регионах планеты складывается экологически кризисная обстановка, при которой разрушается среда жизнедеятельности человека.

Перед человечеством встала проблема единства и взаимосвязанности эксплуатации природных ресурсов и мер по их восстановлению, охране природы.

Разработкой этой проблемы занимается природопользование.

Давайте попробуем сначала сами объяснить, что такое природопользование.

П р и р о д о п о л ь з о в а н и е – совокупность всех форм эксплуатации природных ресурсов и мер по их сохранению и воспроизводству.

Давайте подумаем, всегда ли в большинстве случаем, наносится ли вред природе при потреблении ресурсов?

Правильно, в тех случаях, когда природно-ресурсный потенциал не сохраняется, такое природопользование называется н е р а ц и о н а л ь н ы м.

Однако, в последнее время появилось много технологий добычи природных ресурсов, не приводящих к изменению природно-ресурсного потенциала. Такой тип природопользования называется р а ц и о н а л ь н ы м.

Зарисуйте схему видов природопользования.

Давайте подведем небольшой итог. Что такое, на ваш взгляд, природопользование?
Какие виды природопользования мы выделили? Какие особенности имеет рациональное и нерациональное природопользование?

Правильно, рациональное природопользование предполагает ресурсосбережение, комплексное использование ресурсов, утилизацию отходов, использование новых материалов, охрану природы.

Внимательно слушают, формулируют определения и записывают их в тетрадь, отвечают на вопросы

Рисуют схему в тетради

Отвечают на вопросы, делают вывод

3-4 мин

В решении проблемы рационального природопользования и охраны природной среды важное место отводится особо охраняемым природным территориям. Предлагаю внимательно посмотреть небольшой видеоролик обращения председателя Совета Федерации РФ С.М. Миронова.

А теперь давайте обсудим видеоролик.

О каких территориях шла речь в обращении?

Попробуйте сформулировать самостоятельно, что такое особо охраняемые природные территории. А теперь обратимся к учебнику.

Записываем определение в тетрадь.

О с о б о о х р а н я е м ы е п р и р о д н ы е т е р р и т о р и и – участки суши, водной поверхности и воздушного пространства над ними, имеющие особо ценное природное, научное, культурное, эстетическое, рекреационное и оздоровительное значение.

Какие виды особо охраняемых природных территорий были упомянуты С.М. Мироновым?

Попробуйте нарисовать схему: «Виды особо охраняемых природных территорий»

Как вы думаете, должно ли государство заниматься проблемой экологии? Свой ответ аргументируйте.

Правильно, государство должно принимать природоохранные законы, долгосрочные программы улучшения природной среды, введение системы штрафов за загрязнение, создавать специальные государственные органы. Такую политику государства называют э к о л о г и ч е с к о й.

Подведем небольшой итог. Какое значение имеют особо охраняемые природные территории? Какие виды особо охраняемых природных территорий вы знаете?

Внимательно смотрят видеоролик

Отвечают на вопросы

Формулируют определение понятия «особо охраняемые природные территории»

Записывают определение в тетрадь

Отвечают на поставленный вопрос

Рисуют схему «Виды охраняемых территорий» в тетради

Приводят аргументы в поддержку того, что государство должно заниматься экологическими проблемами

Внимательно слушают

Отвечают на поставленные вопрос, подводят предварительный итог.

7 мин

Демографический взрыв, истощение минеральных ресурсов, деградация биосферы и т.д. Все это приводит к ухудшению качества жизни людей, возникновению ряда социальных, экономических проблем. Именно поэтому в 1992 г. в Рио-де-Жанейро на уровне глав государств и правительств состоялась Конференция ООН по окружающей среде и развитию. Предлагаю посмотреть видеоматериал с той самой конференции, а именно, речь Северн Сузуки. Ей на тот момент было столько же, сколько и вам сейчас.

Какие проблемы затронула девочка в своем обращении? К чему призывала она глав государств?

Как вы думаете, удалось ли Сузуки повлиять на ход конференции?

Я с вами согласна, главы государства на этой конференции разработали стратегию перехода общества к устойчивому развитию общества. А что такое, по вашему мнению, устойчивое развитие?

Сравним определение, данное в учебнике и сформулированное вами на уроке. Запишем его.

У с т о й ч и в о е р а з в и т и е – длительный управляемый процесс изменения общества на глобальном, региональном и локальном уровнях, нацеленный на улучшение качества жизни настоящего и будущего поколений.

Давайте подведем итог тому, что мы выяснили на уроке.

Смотрят выступление Северн Сузуки на конференции ООН

Отвечают на вопросы по просмотренному видеоролику

Пытаются сформулировать определение устойчивого развития.

Ищут определение в учебнике, записывают его в тетрадь

Подводят итог урока

6 мин

Закрепление изученного материала

Как вы понимаете высказывание: «Главное в идее устойчивости – жить не на капитал природы, а на дивиденды от него»? Свой ответ аргументируйте.

Известно, что современная промышленность потребляет огромное количество природных ресурсов. Их стоимость в суммарных затратах на производство промышленной продукции составляет около 75%. Вместе с тем, по мнению некоторых ученых, из добываемого сырья используется пока всего лишь 1%. 99% в искаженном, чуждом природе виде становятся отходами, загрязняющими окружающую среду. Какое решение этой проблемы можете предложить вы?

Осмысливают высказывание, отвечают на вопрос

Решают поставленную проблему

10 мин

Итоги урока.

1. Домашнее задание:

Изучить §10, уметь объяснять основные понятия.

2. Заполнить таблицу, пользуясь изученным материалом, картами атласа и дополнительной литературой:

2. Выявление недочетов.

3. Озвучивание оценок и выставление отметок в дневник.

Записывают в дневник домашнее задание, слушают комментарии к нему

2 мин

Солнечные электростанции, которые производят другие солнечные электростанции, которые... Этот экспансивный процесс, если ему дать где разгуляться, например в пустыне, обеспечит человечество прорвой энергии. Такой необычный план спасения планеты от нехватки энергии и экологического коллапса придуман в Японии.

Поля солнечных батарей могли бы дать миру колоссальное количество электричества. Вопрос в том, как сделать такие сооружения экономически оправданными. Свой ответ на него пытается дать экзотический «проект разведения солнечной энергетики в Сахаре» (Sahara Solar Breeder Project).

Вместо того чтобы вести тысячи тонн солнечных панелей через моря, предлагается производить такие батареи на месте, на краю пустыни. Сырьё же будет браться буквально под ногами. Ведь песок — богатейший источник кремнезёма.

Из него можно было бы извлекать кремний для солнечных батарей. Их следует выпускать здесь же. После того как мощность одного такого поля достигнет определённой величины, где-то неподалёку можно построить второй завод по переработке песка и выпуску солнечных панелей. Ведь сам этот процесс требует немало энергии: её и дадут первые батареи.

Второй завод, выпустив достаточно солнечных ячеек, позволит поставить поодаль третий завод по переработке песка... Так солнечные электростанции начнут «размножаться» по экспоненте. Причём на работу заводов будет уходить небольшая доля общей мощности солнечных электростанций.

Основной принцип «солнечного размножителя» прост: солнечные батареи за счёт вырабатываемой энергии должны обеспечить основу для дальнейшей своей экспансии (иллюстрация diginfo.tv).

Полученную энергию надо будет переправлять крупным потребителям — в Европу, а может, и дальше. Тут, полагают японцы, не обойтись без кабелей из высокотемпературных сверхпроводников . Их следует охлаждать жидким азотом, а проходить они будут под землёй, для минимизации перепадов температуры грунта.

Лидер данного проекта, профессор Хидеоми Коинума (Hideomi Koinuma) из Токийского университета (University of Tokyo), впервые представил свой план в 2009 году. Тогда это была только мечта. Но теперь сделаны первые скромные шаги к её воплощению.

Дело сдвинулось с мёртвой точки стараниями двух японских агентств – по наукам и технологиям (JST) и по международному сотрудничеству (JICA). Под их эгидой ныне усилия намерены объединить специалисты из шести японских университетов и институтов, а также алжирского научно-технологического университета Орана (USTO).

Проект, предусматривающий создание в Африке исследовательского центра по солнечной энергии (Sahara Solar Energy Research Center – SSERC), весной 2010 года был отобран JST для дальнейшего продвижения. Рассчитан SSERC на пять лет, и его цель – разработка и испытание технологий, необходимых для того, чтобы Solar Breeder мог бы стать реальностью.

План японцев в общих чертах. Местные энергия и материалы не только позволят производить всё больше солнечных панелей, но и опреснять воду, необходимую для отвоевания территории у пустыни (иллюстрация diginfo.tv).

Прежде всего речь идёт об извлечении кремния из песка, причём с достаточно высокой чистотой продукта, чтобы из него можно было создавать солнечные панели. Такой технологии пока нет. Но авторы плана надеются соорудить опытную установку по переработке песка, способную выдавать тонну чистого кремния в год.

Кроме того, в 2011 году учёные намерены построить в Сахаре одну «свою» солнечную установку мощностью всего 100 киловатт. Она сыграет роль закладного камня и полигона. Специалисты намерены узнать, как на этой батарее скажется работа в жёстких условиях, как на неё повлияют песчаные бури.

Со сверхпроводящими кабелями тоже не всё ещё ясно. Нужная технология, причём промышленная, уже существует. Но нужно выяснить, как наилучшим образом прокладывать такие кабели в пустыне, да ещё на столь огромные расстояния, каковы окажутся затраты на работу охлаждающего оборудования...

В общем, перед нами лишь исследовательский проект. Никто ещё не может сказать — стартует ли когда-нибудь «саморазмножение» электростанций в Сахаре. Но если план сработает, к 2050 году та самая первая 100-киловаттная батарея «размножится» до полей производительностью 100 гигаватт. Это солидная величина — порядка 3% от установленной мощности электростанций всего мира. А что будет дальше, можно только фантазировать.

Крупнейшая в мире солнечная электростанция на основе фотоэлектрических панелей на данный момент – Finsterwalde Solar Park в Германии. Первая очередь этого солнечного парка была построена в 2009 году, а вторая и третья – в 2010-м. Пиковая мощность «парка» составляет 80,7 мегаватта (фото с сайта greenunivers.com).

По степени воздействия на человечество Коинума сравнивает «засеивание Сахары» солнечными панелями с высадкой астронавтов на Луне, потому дал своему проекту ещё одно название — Super Apollo. Первое слово – это не просто обозначение превосходной степени, но и намёк на использование сверхпроводников, а второе — отсыл к знаменитой космической программе американцев и имя бога Солнца.

Конечно, в идее Хидеоми ещё много белых пятен. Экономику цикла ещё предстоит оценить в деталях. И тут умельцам из Страны восходящего солнца есть на кого ориентироваться. Похожий замысел лелеет организация

Ученые из Японии предложили довольно необычный план выхода из мирового энергетического кризиса, с одновременным сохранением экологии планеты. Сама идея до гениальности проста – энергию производят солнечные электростанции, которая расходуется на производство других солнечных электростанций, которые в свою очередь подарят жизнь новым электростанциям. Если дать этому своеобразному экспансивному процессу волю, то он в короткий срок способен произвести огромный энергетический комплекс, перерабатывающий солнечную энергию в электрическую.
Электростанции, использующие колоссальную энергию солнца, уже долгое время функционируют в пустынных местностях, например в пустыне Невада.

Однако создание масштабного энергетического комплекса, который охватил бы большую часть пустыни Сахара – довольно амбициозный план, граничащий с авантюрой. Но игра стоит свеч, ведь такие поля солнечных батарей в перспективе могут произвести впечатляющие количество электрической энергии. Однако, остается открытым вопрос: насколько оправданным с экономической точки зрения будет строительство такого энергетического комплекса. По-своему пытается ответить на него уникальный «Проект разведения солнечной энергетики в пустыне Сахара».
Принцип работы проекта заключается в следующем. Энергия, производимая начальными солнечными батареями, будет расходоваться на производство новых батарей, что должно обеспечить дальнейшую экспансию в геометрической прогрессии.
Примечательно, что производство солнечных панелей с легкостью можно наладить на месте, ведь песок – прекрасное сырье и богатейший источник кремния.

Из песка извлекается кремний и используется для изготовления новых батарей, которые будут выпускаться здесь же. После достижения полем батарей заданных показателей энергообеспечения, на небольшом удалении начинается строительство второго завода, аналогичного предназначения. Огромное количество энергии, требуемое для строительства и производства, будет обеспечиваться уже функционирующими солнечными элементами.
Когда второй завод произведет достаточное количество солнечных батарей для обеспечения заданного уровня энергоснабжения, станет возможно строительство новых заводов.
Именно таким образом электростанции, основанные на преобразовании энергии солнца, смогут эффективно размножаться в геометрической прогрессии. Со временем на энергообеспечение заводов, производящих фотоэлементы, будет уходить малая толика общей энергии.
Полученную от солнечных полей энергию планируется переправлять крупным потребителям на соседний континент в Европу, а в перспективе и дальше. Из расчетов, проведенных японскими учеными, следует, что в данном случае невозможно обойтись без электрических кабелей, произведенных из высокотемпературных сверхпроводниковых материалов. Для снижения потерь энергии при транспортировке их необходимо будет охлаждать при помощи жидкого азота, а располагаться такие магистрали будут под землей для снижения перепадов температур.

Еще одна очевидно положительная особенности этого проекта заключается в том, что производство солнечных элементов батарей способствуют опреснению воды, что в свою очередь является основным условием для отвоевывания земель у пустыни и превращения их в цветущие оазисы.
Профессор Хидеоми Коинума, являющийся лидером данного проекта, представил свой план впервые еще в 2009 году. В то время это была лишь мечта, однако теперь произведены первые, пусть скромные, но очень важные шаги к ее реализации. Это стало возможным благодаря участию и поддержке японских агентств по международному сотрудничеству и наукам и технологиям. Именно под их эгидой намерены объединится специалисты из шести японских институтов и университетов, а также научно-технологического университета Орана, расположенного в Алжире, чтобы приложить все свои силы для воплощения этого амбициозного проекта в жизнь.
Проект по созданию в Африке института, занимающегося исследованиями в области преобразования солнечной энергии (SSERC) был отобран организацией JST для продвижения в будущем. Расчетная длительность проекта составляет порядка пяти лет, а его основная цель заключается в разработке и испытании новейших технологий, способных сделать возможным строительство солнечных полей в Сахаре.
Прежде всего, необходимо обеспечить эффективное и финансово выгодное извлечение кремния из песков пустыни, что вызывает определенные трудности, ввиду повышенных требований к чистоте продукта для изготовления солнечных батарей. В настоящее время такой технологии не существует, поэтому авторы проекта активно работают над созданием опытной установке по переработке пустынного песка, которая была бы способна выдавать тонну кремния в чистом виде в год.
Помимо прочего в амбициозные планы ученых входит создание в Сахаре одной солнечной установки, мощность которой составляла 100 киловатт, в максимально кратчайшие сроки. Она сыграет роль первого камня в фундаменте будущего масштабного проекта и позволит ученым выяснить, с какими трудностями им предстоит столкнуться при эксплуатации солнечных батарей в суровых условиях пустыни. Кроме того нет единого мнения как на работоспособность таких установок повлияют сильные песчаные бури.
Со сверхпроводящими кабельными магистралями тоже все не так просто, несмотря на то, что необходимая технология уже существует, причем промышленная. Необходимо произвести исследования и тщательные расчеты, которые покажут как наиболее эффективно необходимо размешать такие кабеля в пустыни и насколько оправданными будут экономические затраты на их охлаждение.
Из всего вышесказанного становится ясно, что перед нами очередной исследовательский проект и нет никаких гарантий в том, что его признают успешным и солнечные поля заполнят бескрайние просторы африканской пустыни. Однако, если ученых ждет удача, к 2050 году совокупная производительность размноженных полей составит порядка 100 гигаватт, что составляет 3% от производимой энергии всеми электростанциями земного шара. Причем эта цифра постоянно будет расти.
На сегодняшний день крупнейшая солнечная электростанция выполненная из фотоэлектрических панелей расположена в Германии и называется Finsterwalde Solar Park, строительство которой началось еще в далеком две тысячи девятом году. Пиковая мощность этого энергетического комплекса составила 80.7 мегаватт.
Оценивая вероятную степень воздействия на человечество в целом, Коинума сравнивает создание полей из солнечных панелей в сахаре с высадкой космонавтов на Луне. Именно поэтому автор идеи присвоил проекту второе название, которое звучит не иначе как Super Appolo. Примечательно, что в первом слове скрыто не только обозначение превосходной степени, но и содержится намек на использование высокотехнологичных сверхпроводниковых материалов, а во второе слово непрозрачно намекает на связь проекта с небезызвестной американской космической программой, носящей имя греческого бога Солнца.
Конечно, в идее талантливого японского ученого есть еще много пробелов. Экономическую выгоду от воспроизводства электростанций, использующих солнечную энергию, еще предстоит оценить специалистам в деталях. В этом вопросе спецам из Страны Восходящего Солнца есть на кого равняться.
Подобный замысел есть и у целого конгломерата немецких компаний, а также организации Desertec Foundation, которые планирует к 2025 году осуществить строительство в пустыне сахара энергетического комплекса суммарной мощностью порядка 100 гигаватт.
План немецких ученых значительно более приземленный и в нем нет размножения заводов по производству солнечных элементов, ровно, как и самих солнечных батарей. Вместо них планируется использоваться термальные установки с зеркалами-концентраторами. Примечательно, что линии электропередач планируется использовать классические.
Несмотря на значительное упрощение, проект Desertec Foundation оценивается специалистами в сотни миллиардов евро.

Время покажет, сумеют ли проницательные и изобретательные японцы с алжирцами оптимизировать производство и размножение электростанций таким образом, чтобы в значительной мере снизить затраты.
Проект SSERC без всякого преувеличения имеет огромное значение для африканской страны. Коинума склонен полагать, что создание энергетических комплексов в Алжире станет катализатором в развитии промышленности страны и науки. В рамках многообещающего проекта японцы производят обучение талантливых африканцев, которые смогут сыграть не последнюю роль в реализации этого масштабного проекта жизнь. Ну что же, пожелаем им удачи!

Photo: wikipedia

Возобновляемые источники энергии - это источники на основе постоянно существующих или периодически возникающих в среде потоков энергии. Возобновляемая энергия не является следствием целенаправленной деятельности человека, и это является ее отличительным признаком.

Источником энергии солнечного излучения служит термоядерная реакция на Солнце. Солнечная энергия испускается в виде электромагнитного излучения.
Чтобы использовать его энергию, необходимо решить такие вопросы, как: уловить его наибольший поток, сохранить и передать производные от него тепло и электричество без потерь.

Ресурсы солнечной энергии практически неограниченны. Так, по некоторым расчетам , количество её, достигшее поверхности Земли в течение минуты больше чем энергия, доступная из всех других источников в течение года.

Используя энергию солнца, гелиосистема позволяет экономить в год до 75% необходимого традиционного топлива.

Преимущества использования солнечной энергии - экологическая чистота (отсутствие эмиссии СО2) и неисчерпаемость сырья с одной стороны и длительный «срок годности». Солнечная батарея не имеет движущихся и трущихся частей, и может работать без замены рабочих элементов не теряя КПД 20-25 лет.

Недостатками использования солнечной энергии являются естественные колебания солнечной активности — изменение продолжительности светового дня в течение года.
Отрицательные воздействия энергоустановок:

• использование больших по масштабу площадей, что связанно с возможной деградацией земель и изменением микроклимата в районе расположения станции.
• использование «хлористых» технологий получение «солнечного» кремния. Однако в мире и в России в стадии опытно-промышленного производства находятся бесхлорные экологически чистые технологии. Их широкое внедрение обеспечит, безусловно, экологическую чистоту фотоэлектрических станций и установок.

Направления разработок гелиоэнергетики

В настоящее время разработка гелиоэнергетических (греч. Helios - солнце) систем ведется по двум направлениям:

• Создание энергетических концентраторов;
• Совершенствование солнечных батарей.

Работа над первым направлением включает в себя создание систем, работающих по принципу концентрации энергии. Солнечная энергия в таком случае при помощи линзы фокусируется на относительно небольшом по площади фотоэлектрическом элементе.

Например, фотоэлектрические системы с линзой Френеля, разрабатываемые японской компанией Sharp. Или силиконовые комплексные полупроводники (Калифорнийский технологический университет — Калтеха), разрабатываемые по принципу концентрирования солнечного света морскими организмами в частности морской губкой «Venus’s flower basket».

Принцип работы солнечной батареи (генератора энергии) - это прямое преобразование электромагнитного излучения солнца в электричество или тепло. Этот процесс называется фотоэлектрическим эффектом (ФЭ). При этом генерируется постоянный ток.

На сегодняшний момент существуют следующие виды солнечных батарей :

1.Фотоэлектрические преобразователи (ФЭП). Это полупроводниковые устройства, прямо преобразующие солнечную энергию в электричество. Определенное число объединенных между собой ФЭП называются солнечной батареей.

2.Гелиоэлектростанции (ГЕЭС). Это солнечные установки, использующие высококонцентрированное солнечное излучение в качестве энергии для приведения в действие тепловых и других машин (паровой, газотурбинной, термоэлектрической и др.)

3.Солнечные коллекторы (СК). Это нагревательные низкотемпературные установки, использующиеся для автономного горячего водоснабжения жилых и производственных объектов.

Солнечные фотоэлектрические установки могут быть следующих основных типов:
Автономные, работающие без подключения к сети, т.е. солнечные модули генерируют электричество для освещения, питания телевизора, радио, насоса, холодильника или ручного инструмента. Для хранения энергии используются аккумуляторные батареи.

Соединенные с сетью — в этом случае объект подключен к сети централизованного электроснабжения. Избыток электрической энергии продается компании-владельцу распределительных сетей по согласованному тарифу.

Резервные системы, в которых фотоэлектрические системы подключаются к сетям низкого качества. И в случае отключения сети или недостаточного качества сетевого напряжения нагрузка частично или полностью покрывается солнечной системой.
Основной комплексной проблемой, препятствующей успешному всеобщему внедрению батарей в производство является их низкая эффективность. То есть неэффективное сочетание стоимости, размеров и коэффициента полезного действия продукта (КПД). Существующие солнечные батареи (фотоэлементы) работают с КПД максимум 30-35%. Ведутся активные поиски возможности удвоения мощности солнечных фотоэлектрических установок. Хотя пока стоимость солнечной энергии остается слишком высокой для промышленности: киловатт-час солнечной энергии стоит 20-25 центов, между тем как цена электричества, производимого ТЭЦ, работающей на угле, составляет 4-6 центов, на природном газе — 5-7 центов, на биологическом топливе — 6-9 центов.

Тенденции развития
На сегодняшний день наиболее известными компаниями производящими солнечные батареи являются Siemens, Sharp, Kyocera, Solarex, BP Solar, Shell и другие.

По данным журнала «В мире науки» (№1-2007), «за последние 10 лет годовое производство фотоэлектрической энергии увеличивалось на 25%, а в одном только 2005 г. — на 45%. В Японии в абсолютном выражении оно достигло 833 МВт, в Германии — 353 МВт, в США — 153 МВт».

По данным Solarhome.Ru , суммарная площадь установленных в наше время солнечных коллекторов в мире превышает уже 50 млн. м 2 , что эквивалентно замещению генерации на органическом топливе в объеме примерно 5-7 млн. тонн условного топлива в год.

Необходимость делать ставку на надежную, экологически чистую энергию по доступным ценам провоцируют активные поиски и разработку новых технологий.

За последнее десятилетие солнечные батареи за счет усовершенствования технологии их изготовления стали доступнее. Так, в Японии подобное оборудование ежегодно дешевеет на 8%, в Калифорнии — на 5%….

Перспективы развития и использования солнечных систем в России
Южные регионы и регионы с континентальным и резко континентальным климатом России являются наиболее благоприятными для применения солнечных коллекторов в качестве основного источника для отопления в зимний период.

В условиях центральной России гелиосистемы обеспечат значительную экономию использования классических видов топлива, существенно дополняя баланс энергопотребления (опыт внедрения гелиоустановок-водогреев в Калининграде).
В настоящее время в России не ведется массовое производство и внедрение гелиосистем.

Хотя существующая в последнее время тенденция развития теплоснабжения, направленная на децентрализацию крупных источников поставки тепла — использования локальных технологий энергосбережения, может явиться стимулом развития возобновляемых источников энергии, в том числе и энергии солнца.
На сегодняшний день в России гелиоустановки производятся Рязанским заводом металлокерамический приборов; Ковровским заводом; ЗАО "Южно-русской энергетической компанией"; АО "Конкурент" г. Жуковский Московской обл. Отдельные партии коллекторов изготавливает НПО машиностроения г. Реутов Московской обл. и др.

Подготовила Ольга Плеханова

В 1914 году американский изобретатель Фрэнк Шуман в интервью журналу Scientific American заявил, что, если человечество не овладеет энергией Солнца, его ждет возврат к варварству. Буквально через год первая в мире ирригационная установка с параболическими зеркальными концентраторами и паровыми насосами, возведенная Шуманом на хлопковых плантациях близ Каира, была варварски разрезана на металлолом для переплавки в стволы орудий.

Главный технолог компании SkyFuel Рэнди Джи утверждает, что применение зеркальной пленки, которая не теряет своих оптических характеристик более 30 лет, снизит цену 1кВт ч промышленного солнечного электричества до 4–5 центов.

Как и многие другие гении, Шуман опередил свое время. Над проектом строительства в Северной Сахаре 2,7-тераваттного (тераватт — это миллион мегаватт!) комплекса солнечных концентраторов суммарной площадью 52 000 км², который был им предложен британскому генконсулу лорду Китченеру, потешался весь научный бомонд Европы. Даже добрый друг Шумана, известный физик сэр Чарльз Вернон Бойс, автор идеи по использованию линейных параболических зеркал для концентрации солнечного излучения, объявил проект утопией. Единственным человеком, принявшим американца всерьез, был кайзер Германии Вильгельм II, крайне заинтересованный в усилении немецкого влияния в ключевых районах Африки.

В начале 1914 года через компанию Siemens & Halske AG Вильгельм II выделил Шуману 200 000 марок на топографические исследования в Сахаре и разработку новых параболических установок с паровыми турбинами низкого давления. Но Первая мировая превратила эти деньги в пыль. Процветающая компания Sun Power обанкротилась, а сам пионер солнечной энергетики был вынужден вернуться в Штаты, где и почил в бозе в 1918 году. После войны об идеях Шумана никто не вспомнил, ведь солнца в холодной Европе было гораздо меньше, чем угля и железа, а Америка уже купалась в легкой техасской нефти.

Основной объем генерации в cети обеспечат 36 комплексов по концентрации солнечной энергии (CSP) суммарной площадью 14 500 км 2 , расположенных в Сахаре, Ливийской, Нубийской и Аравийской пустынях. При этом около 50% энергии, а также вся продукция опреснительных заводов останется на местном рынке. Остатки «электрического пирога», выпеченного в африканской «духовке» через подводные высоковольтные линии постоянного тока (HVDC) будут экспортироваться в Европу по цене 5 — 7 евроцентов за кВтч и перекроют не менее 15% спроса.

До начала 1990-х годов доля солнечной энергетики в общей массе исследовательских проектов была ничтожной. И даже когда лед тронулся, первоочередное финансирование потекло в область хайтековского фотоэлектричества, а ученые, занимавшиеся технологиями гелиотеплоэнергетики, еще долго перебивались случайными грантами. «Когда в 1987 году я попал в мир солнечной энергетики, то был поражен царившим в нем унынием. Вместо серьезной научной работы люди занимались поисками денег, — вспоминает известный немецкий физик и истинный солнцепоклонник Герхард Книс, посвятивший более четверти века реализации идей Шумана. — Правительству на фоне дешевой нефти эта тема казалась неинтересной, а лица венчурных инвесторов принимали постное выражение, стоило им услышать о «примитивных» параболических зеркалах, линзах Френеля или солнечных башнях с двигателями Стирлинга».

Солнцепоклонники

Вплоть до 2006 года Книс действовал практически в одиночку. Но игра стоила свеч: по его расчетам, всего 0,003% площади непригодных для жизни пустынь планеты (или 1% площади Сахары) способны обеспечить дешевым электричеством всю цивилизацию. И для этого не нужно никаких экзотических технологий — с задачей легко справятся всевозможные системы концентрации солнечного излучения, известные инженерам уже более сотни лет. Солнце сможет дать работу сотням тысяч жителей Северной Африки и, как бы парадоксально это ни звучало, окончательно решит проблему нехватки питьевой воды на Черном континенте.

Главный технолог компании SkyFuel Рэнди Джи утверждает, что применение зеркальной пленки, которая не теряет своих оптических характеристик более 30 лет, снизит цену 1кВтч промышленного солнечного электричества до 4−5 центов.

Дело в том, что солнечная плантация отличается от обычной угольной или газовой ТЭЦ лишь источником тепла для получения перегретого пара. В среднем расход деминерализованной воды на 1 МВт мощности в установках с параболическими концентраторами составляет 17 000 т в год, из которых около 340 т уходят на очистку отражающих поверхностей. Для обеспечения технологического процесса на северном побережье Африки придется построить разветвленную сеть опреснительных заводов и насосных станций, которые дадут чистую воду десяткам миллионов людей. Разумеется, работать они будут также на энергии Солнца.

Золотая паутина

Превратить фотонный ливень Сахары в электричество - лишь полдела. Главное с минимальными потерями доставить его до розетки, находящейся в нескольких тысячах километрах от источника. Переменный ток для межконтинентальной сети не годится из-за больших потерь на длинных дистанциях передачи. На каждой сотне верст километров подводного 750-киловольтного кабеля теряется «обнуляется» до 60% мощности энергии переменного тока. При этом равный ему по сечению подводный кабель HVDC (высоковольтной линии постоянного тока) теряет на таком же маршруте всего 0,3−0,4% энергии.
Для формирования высоковольтных HVDC магистралей будет применяться медный кабель сечением 1600 мм 2 с усиленной изоляцией, пропитанной в массе нестекающим составом (Mass Impregnated Non Draining, типа MIND) с нестекающим вязким составом. Погонный метр MIND такого кабеля за счет тяжелого свинцового экрана и двойной броневой рубашки из стали весит целых 40 кг и стоит 1100 долларов. Серийно его не производят: для каждого конкретного проекта на заводах компаний Nexans и Prysmian разрабатывается оптимальная конфигурация конструкция кабеляэлементов MIND.
Для того чтобы сложить детали паззла Desertec в единое целое, потребуется 35 лет напряженной работы и бюджет в 210 млрд. евро. До 2050 года в Европе необходимо модернизировать 34 существующие межсистемные высоковольтные ЛЭП HVDC протяженностью 5340 км до 600 — 800 кВ и построить 5125 км новых линий, а до 2020 года — протянуть по дну Средиземного моря 6 магистралей HVDC длиной 6000 км и пропускной способностью 20 ГВт.

Сначала в научном сообществе над Герхардом Книсом посмеивались, затем принялись критиковать, потом делали вид, что проблемы не существует, и лишь через 20 лет идея столетней давности стала чем-то само собой разумеющимся. В 2009 году при поддержке политиков, коллег из Германского аэрокосмического центра (DLR) и группы ученых из Римского клуба Кнису удалось создать консорциум Desertec Industrial Initiative, в который вошли 59 корпораций из 15 стран мира, в том числе гиганты ABB, Deutsche Bank, Siemens.

Каждые сутки пустыни планеты поглощают в 10 000 раз больше энергии, чем потребляет население Земли в течение года.

Масштабы задуманного поражают воображение и на первый взгляд напоминают бредовые послевоенные планы СССР по переброске части стока Иртыша и Оби в Среднюю Азию. Судите сами: к 2050 году Desertec не только превратит Сахару в гигантскую солнечную электростанцию, но и свяжет подводными высоковольтными силовыми магистралями в единую сеть 20 офшорных ветровых плантаций, 7 гидроэлектрических и 11 тепловых станций на возобновляемом сырье от Исландии до Персидского залива. Стоимость этого мегапроекта составит не менее 400 млрд. евро.

Основной объем генерации в сети обеспечат 36 комплексов по концентрации солнечной энергии (CSP) суммарной площадью 14500 км², расположенных в Сахаре, Ливийской, Нубийской и Аравийской пустынях. При этом около 50% энергии, а также вся продукция опреснительных заводов останется на местном рынке. Остатки «электрического пирога», выпеченного в африканской «духовке», через подводные высоковольтные линии постоянного тока (HVDC) будут экспортироваться в Европу.

Предполагаемая конфигурация южного сектора Desertec займет всего 0,14% пригодных территорий. По мере роста энергопотребления Сеть сможет наращивать мощности за счет модернизации существующих комплексов CSP и установки ветряков (в Сахаре полно районов с устойчивыми ветрами «промышленного» значения).

Королевство кривых зеркал

Коренной технологией североафриканского гелиоэнергетического района Desertec будет концентрация солнечной энергии. Почему не прямая генерация при помощи фотоэлектрических панелей? Все просто: ТЭС на солнечном тепле могут вырабатывать мощность 24 часа в сутки, тогда как заведомо более дорогие панели всецело зависят от погоды. Теоретически, в фотоэлектрических комплексах имеется возможность запасать небольшие объемы энергии в литий-ионных батареях, но стоимость 1 кВт ч при этом будет совершенно «несъедобной».

Наиболее эффективными из всех существующих систем CSP специалисты Desertec считают параболические линейные концентраторы, подобные тем, которые еще 100 лет назад использовал Фрэнк Шуман. Эти огромные зеркала внешне напоминают сегмент цилиндра, хотя на самом деле их профиль представляет собой параболу, а не сектор окружности. Типичный промышленный концентратор для проекта Desertec — это каскад из управляемых гелиостатами (устройствами для ориентации на Солнце) зеркал суммарной площадью апертуры (максимальная проецируемая площадь, на которую поступает солнечное излучение) от 500 000 до 2,5 млн м2, установленных рядами на стальных пилонах в направлении с севера на юг. Ширина отдельного параболического зеркала в апертуре колеблется в пределах 6 — 7,5 м, а степень концентрации излучения равняется 1000:1.

В линии фокуса параболы находится трубка-коллектор с жидким теплоносителем (дистиллированная вода, масло или солевой расплав). Под воздействием отраженных лучей коллектор нагревается до 350 — 700 °C, а теплоноситель «смывает» тепловую энергию с его стенок на теплообменник ТЭС или в тепловой аккумулятор (ТА). При этом давление в коллекторе подскакивает до 18 — 20 атм.

Свет мой зеркальце

Эффективность преобразования солнечных лучей в тепло зависит в первую очередь от качества параболических зеркал. Лучшие зеркала нюрнбергской компании Flabeg марки UltimateTrough с коэффициентом отражения свыше 94,4% обеспечивают точность фокусировки не менее 99,9%. По словам Олафа Кнебеля, технического директора Flabeg, изготовление огромных зеркал из отожженного стекла толщиной 4−5 мм на стальной основе и нанесение серебряной амальгамы — работа ювелирной точности. Цена небрежности чрезвычайно высока: отклонение лучей от линии идеального фокуса всего на 1 мм за 25 лет работы 50-мегаваттного CSP комплекса приведет к потере 11 млн. евро потенциальной выручки.
В 2011 году инженеры корпорации Alcoa и ученые из Национальной лаборатории по возобновлемым источникам энергии (National Renewable Energy Laboratory, NREL) начали тестирование параболических зеркал с жестким алюминиевым корпусом и патентованным нанокомпозитным зеркальным покрытием MicroSun компании Alanod Solar. Покрытие MicroSun обладает великолепным коэффициентом отражения 95% и чрезвычайно устойчиво к абразивному воздействию. В целом, оснащение солнечной плантации алюминиевыми параболами взамен хрупких и тяжелых стеклянных зеркал позволит сэкономить инвесторам до 25% бюджета. Американская компания SkyFuel предлагает еще более радикальное решение — самоклеящуюся рулонную полимерную пленку ReflecTechPlus с гибким серебряным слоем и модульные цельноалюминиевые панели SkyTrough. В 2010 году технология прошла независимые испытания в лаборатории NREL, которые подтвердили ее термальную эффективность на уровне 75% при температуре теплоносителя 350 °C.

Классический ТА имеет двухкамерную конструкцию и использует в качестве теплоносителя солевой расплав — смесь 60% натриевой и 40% калийной селитры. Это вещество идеально для рабочих температур от 200 до 580 °C. Оно работает при куда меньшем давлении, чем водяной пар, и не разлагается при температурах свыше 400 °C, как органические масла.

Электричество, полученное на 20 м 2 поверхности Сахары с помощью параболических концентраторов с КПД 25%, может полностью обеспечить потребности среднестатистического европейца с учетом ежедневной зарядки аккумулятора личного электромобиля.

Теплоноситель поддерживается в жидком состоянии в «холодной» камере с помощью газовых горелок (288°С). В ясную погоду расплав прокачивается через солнечные концентраторы и набирает рабочую температуру (565°С), после чего попадает в «горячую» камеру-термос. Камера так хорошо изолирована, что температура расплава может поддерживаться на этом уровне в течение недели. Ночью, при плотной облачности или при пиковых нагрузках в сети расплав из «горячей» камеры разряжается на теплообменниках ТЭС и генерирует перегретый пар. После этого в контуре водяного или воздушного охлаждения отработанный расплав сбрасывает остаточную теплоту и сливается в «холодную» камеру.

По оценке президента Nexans Фредерика Венсана, для того, чтобы сложить детали паззла Desertec в единое целое потребуется 35 лет напряженной работы и бюджет в 210 млрд. евро.

В настоящее время при проектировании новых проектов от двухкамерных ТА стали отказываться в пользу более эффективных однокамерных. Они работают по принципу термоклина — вертикального распределения несмешивающихся слоев жидкости с различной температурой. ТА с твердой средой — еще одна крайне перспективная технология хранения энергии, над которой работают ученые из Германского аэрокосмического центра DLR. Твердотельные ТА с относительно высоким уровнем саморазряда идеальны для солнечных ферм, расположенных в зонах со стабильно высокой инсоляцией. Кроме того, они практически не требуют обслуживания и замены рабочей среды.

Цена укладки каждой 1000 км кабеля на морское дно колеблется от 1,8 до 2,5 млрд. евро, поэтому по мере увеличения объемов генерации в Сахаре емкость Сети будет наращиваться добавлением новых линий к уже существующим. Пока что Европу и Африку связывает всего одна подводная ЛЭП переменного тока напряжением 400 кВ, лежащая на дне Гибралтара.

ГОЭЛРО для Африки

Свое участие в Desertec уже подтвердили Алжир, Египет, Иордания, Ливия, ОАЭ, Саудовская Аравия, Сирия и Тунис. Но первой ласточкой Desertec станет ферма мощностью 500МВт близ Варзазата, Марокко. Сооружение этого комплекса стоимостью?2,1 млрд начнется уже в этом году, а коммерческие киловатты Варзазата начнут поступать в сеть в 2014-м. По словам президента Desertec Пауля Ван Сона, Варзазат станет основным полигоном для обкатки технологий и будет оснащен всеми типами устройств — параболическими концентраторами, солнечными башнями, зеркальными тарелками с двигателем Стирлинга, линейными линзами Френеля, фотоэлектрическими (PV) панелями и различными типами тепловых хранилищ.

Помимо Варзазата исследования проводятся также на действующей микроферме в египетском Кураймате, в котором годовая инсоляция составляет 2,4 МВт на 1 м² поверхности. На основе данных, полученных в этих полевых лабораториях, к 2020 году комплексы CSP будут построены в Египте, Ливии, Сирии и Саудовской Аравии. Еще через 10 лет в сеть вольется огромный энергетический район в Алжире мощностью 22 ГВт, в состав которого войдут газоперерабатывающие заводы алжирской группы Sonelgas. И наконец, к 2050 году генерация электричества должна начаться на всех 42 объектах Desertec в Сахаре и на Ближнем Востоке.