Введение. Тысячелетиями человек использовал природные богатства: от дров и углей, сжигаемых для приготовления пищи и получения тепла, до атомной энергетики. Но, к сожалению, ресурсы не бесконечны, а их использование довольно велико по сравнению с процессом возобновления. Одними из самых эффективных направлений в поисках альтернативных источников энергии стали новые технологии солнечных панелей и ветренных мельниц.

Люди сравнительно недавно нашли способы сбора и преобразования солнечной энергии, но тем не менее эксплуатируют её долгие годы, то же самое относится и к ветренной энергии.  «В домах, смотрящих на юг, зимнее солнце проникает через галерею, а летом путь солнца проходит над нашей головою и прямо над крышей, из-за чего образуется тень»- именно таким образом Сократ описывал использование греками зависимость солнечных путей от времени года в своей архитектуре после наступившего энергетического кризиса, связанного с нехваткой древесного угля из-за вырубки лесов.

Также, от наших предков на территории Таджикистана остались дома, называемые “Чорхона”, по центру потолка которого было окно особенное тем, что использовало солнечный свет для освещения и для утепления дома, было сконструировано так, что вне зависимости от положения солнца свою задачу оно выполняло.

Рис.1. Таджикская «Чорхона»

Действительно, при общей площади поверхности нашей планеты, составляющей 510,1 млн. км² расчет фотонного потока, получается 325 Вт на 1 м² или же 165,7 триллионов кВт в час, то есть за 24 часа образуется столько энергии, которую даже в течение года не смогут выработать электростанции.

Постановка цели.  Таджикистан, который находится у истока воды, и его высокие горы веками были покрыты снегом, и в этих горах находится самый большой ледник на земле. Несмотря на то, что наша родина богата родниками, самый дальний поселок страдает от нехватки воды, а зимой есть лимит электричества. Хотя ГЭС-ы у нас есть и строятся новые, но если зима будет холодной и уровень воды упадет, то мы столкнемся с дефицитом электроэнергии не только в отдаленных селах, но и в городах. Для того, чтобы преодолеть лимит электричества, и достижения светлого будущего нам нужно развить “зелёную” энергетику.  На этот счёт у нас есть несколько предложений, которые мы приведем ниже:  

• Начать активное использование технологии агривольтаики и флотовольтаики.
• Начать производить утепление домов гелиотермальными технологиями.
• Начать производство товаров используя технологию солнечных тканей.
• Начать использовать имеющиеся технологии солнечных окон, кровельных плиток Hantiles, наружно стеновых облицовочных панелей.
• Начать использование солнечных трекеров в СЭС для увеличения добычи энергии.
• Начать больше уделять времени развитию имеющихся технологий и способствовать разработке новых.
• Полностью отказаться от экологически вредных и опасных способов добычи электроэнергии.

 

Размышляя о будущем человечества и планеты можно с уверенностью сказать, что благодаря технологиям оно сильно изменится. Используя зелёную энергетику можно предотвратить некоторые проблемы человечества, таких как нехватка чистой питьевой воды, недостаточное энергоснабжение населенных пунктов. Благодаря солнечным станциям в жарких регионах мира, где солнца в избытке возможно получение большого количества энергии, а в северных странах с помощью ветряных станций. Также возможно увеличение количества питьевой воды, поскольку ГЭСы чаще всего строятся на пресных водоемах, а именно озерах и реках. А значит, заменив часть ГЭСов на СЭСы и ВЭСы будет меньше технической воды, непригодной для употребления. Солнечная и ветряная энергия относятся к возобновляемым реусрсам, то есть их количество неограничено. В свою очередь традиционные виды, такие как нефть, газ, уран и прочие, не только расходуют свои запасы, но и наносят огромный вред окружающей среде. Как уже ранее говорилось с помощью зеленой энергетики можно решить некоторые проблемы человечества, к тому же благодаря ей возможно улучшение экологии планеты. Ветряная и солнечная энергетика может помочь с изменением климата планеты, которые становятся все более разрушительными. Хотя гидроэнергетика является экологичной и возобновляемой, она наносит вред водным обитателям, среди которых могут оказаться и вымирающие виды, а также некоторые виды гидроэнергетики меняют дно водоема и среду обитания некоторых водных жителей. ГЭСы установленные на морях могут привести к изменению уровня воды в прибрежных водах,  а также такие установки влияют на соленость воды. К тому же ГЭСы требуют довольно большие площади, в то время как ВЭСы, несмотря на их габаритность, занимают всего лишь небольшую часть от территории. Что касается атомной энергии, то эта энергия, получаемая из радиоактивных элементов, не только исчерпываемая но и особо опасная, хоть и производимая мощность довольно велика. Одна ошибка может привести к трагическому исходу обширного, а возможно и глобального, масштаба и гибели большого количества живых существ. Отсюда следует, что некоторые виды получения энергии могут наносить вред экологии, биосфере и планете в целом. Энергия ветра и Солнца не имеют выбросов вредных веществ, присущих АЭС, и парниковых газов, которые выбрасываются при ипользовании нефти и угля, не загрязняют окружающую среду и не влияют на условия жизни животных, а также их среду обитания, а значит экологически безвредны.

 

«Электрические явления, происходящие от освещения тел», описывающего возникновения напряжения или электрического тока в веществах под воздействием света, французского физика Беккереля сподвиг учёных задуматься над использованием энергии Солнца. Открытие фотопроводимости селена в 1873 английским инженером-электриком Смитом и внешнего фотоэффекта в 1887 году немецким физиком Герцем также внесли неоценимый вклад [1].

Более полувека учёные находились в поисках прямого преобразователя света в электроэнергию и в конечном итоге в 1950 году удалось создать первую полноценную солнечную панель.

Существует 3 метода преобразования световой энергии, широко применяемые по всему миру: солнечные коллекторы, солнечные реакторы и солнечные панели [1].

 

 

• Солнечные коллекторы

Принцип действия коллекторов заключается в нагревании воды Солнцем. До недавнего времени такие установки чаще использовались в жарких странах для горячего водоснабжения, но современные коллекторы рассчитаны для применения и в северных регионах.

• Солнечные реакторы

Начальной целью реакторов было получение водорода без причинения вреда окружающей среде. Водород является довольно экологичным топливом, продукт сгорания которого - обычный водяной пар. Со временем был разработан энергетический комплекс, способный обеспечить отоплением, горячим водоснабжением и электроэнергией. В хорошую погоду электроэнергию вырабатывают батареи, а излишки энергии расходуются на получение водорода, а пр и недостатке генерированного электричества, в ход пускаются накопленные запасы водорода.

• Солнечные панели

Способ прямого преобразования энергии Солнца в электрическую постоянно совершенствуется и расширятся, стремительный рост внедрения СЭС подтверждается статистикой.

Кроме крупных энергетических проектов, солнечные батареи все чаще применяются в различных сферах: устанавливают на крышах домов, на опорах освещения, встраивают в портативные зарядные устройства, вычислительную технику и т.п.

Рис.2. Солнечные панели.

Одной из наших достижений в области солнечной энергетики является светоприёмная панель состоящая и ячеек, которые составлены из двуслойного полупроводникового материала, у которого имеются свойства фотопроводимости. Верхний слой полупроводникового материала имеет отрицательный потенциал, а нижний слой положительный потенциал. Когда лучи солнца попадают на верхний слой полупроводникового материала происходит внешний фотоэффект, проще говоря полупроводник с отрицательным потенциалом начинает отдавать электроны, а полупроводник с положительным потенциалом захватывает электроны. Следовательно, исходя из этого можно замкнуть цепь, подсоединить нагрузку к слоям и электроны, которые покинут слой с отрицательным потенциалом, устремятся через нагрузку к слою с положительным потенциалом, после чего возвращаются обратно в слой с отрицательным потенциалом [1].

Модули изготовляют из разных материалов и в поисках наиболее эффективного материала проводились исследования и в итоге обнаружилось, что многослойные фотоэлементы по типу GaAs/ Ge/ GaInP показывают коэффициент фотоэлектрического преобразования в 32%, на практике же получилось добиться большей эффективности.

Преобразование всех спектров излучения в электроэнергию является одним из самых перспективных направлений, что является причиной разработки в этом направлении многими научными центрами, компаниями, институтами и результаты уже есть.

В наше время материал преобразователя солнечного излучения в электрический ток на основе выпрямляющей антенны наиболее популярен среди производителей как альтернатива кремнию, что очевидно при его значительно дешёвой стоимости. Но стоит заметить, что в его состав входит токсичный свинец, который неплохо было бы заменить и ей нашли замену в виде олова. Во время тестов заметили, что электроны с повышенной энергией, так называемые «горячие электроны», отдавали её не через несколько сотен фемтосекунд как в случае со свинцом, а через несколько наносекунд, что намного дольше. В случае с обычными панелями электроны преобразовываются в тепло, а в нашем случае пользуясь медлительностью электронов удаётся преобразовать их в электроэнергию. Профессор М. Лои прогнозирует КПД таких батарей значением в 66%. Учёные же заняты исследованием выявления причины столь медленного рассеивания электронов и как добиться более медленного рассеивания [1].

Исследователи из Израиля предложили преобразовать солнечный свет в идеальное излучение для того чтобы решить проблему с поглощением светоэлементами всего спектра излучения, а для этой задачи были разработаны особый фотолюминесцентный материал. Материал преобразовывает весь спектр излучения в свет, который поглощается панелью. Конверсия в электричество благодаря преобразованию света увеличивается до 50% [1].

Китайцы как крупнейшие поставщики солнечных панелей тоже внесли свой вклад и предложили свою панель работающую, так и в ночное время суток, в которой особую роль играет люминофорный слой. В дневное время люминофор задерживает свет, который не был поглащён фотоэлементом, а в ночное путём свечения передает энергию фотоэлементам. Несмотря на небольшое в ночное время КПД в 25%, разработка способна увеличить эффективность солнечной энергетики.

На конференции Solar Power International 2017 компания Hanergy представила свою волнообразную черепицу со встроенными фотоэлементами Hantiles. Данная кровельная плитка не портит эстетику и выходит дешевле, чем по отдельности кровля и панели. А Швейцарский центр CSEM предложил наружно стеновые облицовочные панели, которые так же являются солнечными и обладают высокой тепло и звуко изоляционными свойствами, имеющие монотонный внешний вид [1].

Энергогенерирующие окна, разрабатываемые национальной лабораторией Лос-Аламоса внешне не отличны от обычных окон. При разработке которого применяется однокамерный стеклопакет, в который встроены квантовые точки основу которых составляет марганец на внешнем стекле и селенид меди индия на внутреннем. Эти стёкла поглощают свет и перенаправляют его к раме, где происходит преобразование в электроэнергию с помощью встроенных фотоэлементов [1].

Cчитается, что лучшим местом для установки солнечных батарей являются пустыни нашей планеты, ибо света там много, а облаков практически нет, но проблема в том, что генерирующие панели не любят слишком высокие температуры которые характерны пустыням. Они наиболее эффективны при температуре менее 25 °C, умеренный климат отлично подходит для их расположения, но площадей с таким климатическим условием не так просто найти и как беспроигрышное решение выступает агривольтаика. Всего лишь нужно установить панели над сельскохозяйственными полями тем самым решая проблему, как и с необходимыми площадями так и с последующим охлаждением панелей, причиной охлаждения которого будет испарение воды растениями.  

Исследователи из Аризонского университета выяснили, что такие панели с мая по июнь эффективнее обычных на 3%. Несмотря на, казалось бы, незначительную прибавку, в больших количествах ее реализации можно получить достойную прибавку. Данную концепцию активно пытаются распространить на водоёмы, в случае с водоёмами имеет название “флотовольтаика”. Размещение панелей на поверхности воды эффективно тем, что испаряющаяся вода охлаждает батареи, тем самым увеличивается их производительность [2].

Одно из самых очевидных решений как выжать максимум из солнечных панелей это постоянный поворот батарей в сторону источника энергии, ибо в случае падения лучей прямо на батареи возрастает их эффективность. По этой причине, собственно, и устанавливают панели в позиции, в которой большее количество времени свет от солнечных лучшей падает на батареи. Солнцу свойственно изменять свое положение на небосклоне не только в зависимости от времени суток, но также в течение года, из чего делается вывод, что выше метод не идеален.  

По этой причине были изобретены фотоэлектрические трекеры, которые хоть и забирают от 5 до 10 % генерируемой энергии, но все же затраты легко покрывает прибавочная выработка генерируемой энергии, которая в некоторых областях позволяет увеличить объём получаемой энергии на 45%. В особенности эти трекеры лучше себя показывают в высоких широтах, где Солнце перемещается по горизонту больше, чем вблизи экватора. В полевых условиях их применение более чем оправдано, а из-за утяжелённой конструкции, установка на крышах домов не особо практично [2].

По причине броскости внешнего вида большинства солнечных панелей становится невозможным их органичное интегрирование в городскую среду, а причиной всему кремний, которым в основной своей массе они производятся и выглядит это весьма тяжеловесно. Кремний идеально справляется со своей задачей, но эту функцию выполнять может не только он. Учёные же пытаются найти ему альтернативу, которую можно будет встраивать в стёкла. Достаточно представить себе картину прекрасного пейзажа и вас любующимся на это, а рядом у окна лежит ваш смартфон, который заряжается от окна, прекрасно не так ли? Но чтобы воплотить это в реальность нам нужно найти материал, что будет легче кремния и так же будет обладать прозрачным свойством. Решением выступают изготовленные из органических соединений солнечные элементы. Красители и полимеры служат основой и их можно нанести на стекло, вставляющееся в окно. Может показаться противоречивым то, что веществу, которое должно поглощать свет необходимо быть непрозрачным, но в случае с органическими солнечными батареями их можно произвести из материалов, которые, будут пропускать видимый свет и забирать инфракрасный. Из элементов, которые у нас имеются проходит в районе 43% излучения, что больше подходит для офисных высоток и будет так же выступать в роли тонировки, а для жилых домов это будет темновато. Плюсом так же будет то, что такие батареи сильно дешевле в производстве, чем кремневые, так же отличаются легкостью, что позволит нам оснастить такими батареями мобильные устройства и машины. Правда по сравнению с кремневыми батареями они являются менее эффективными, такие батареи преобразовывают всего лишь 13% против 18-22% у кремниевого. Ещё одним плюсом будет тот факт, что их можно использовать где угодно и ранее неперспективные для производства электроэнергии поверхности [2].

В будущем добыча электроэнергии будет возможным не только для статичных объектов напичканными батареями, уже сейчас есть некоторые успехи в этом плане. Создаются ткани в волокнах которого интегрированы солнечные панели, цель данной разработки заключается в том, чтобы человек мог просто, гуляя на солнце генерировать ток, который может быть использован для питания устройства. Удалось создать прототип, состоящий из 200 сверхмалых элементов размером 3 на 1.5 миллиметра, которое сопоставимо с размером блохи, который смог подзарядить наручные часы Fitbit. Огромного количества электроэнергии оно не генерирует, но 2000 таких элементов хватит чтобы зарядить смартфон. Эти элементы так же удалось интегрировать в тяжёлый текстиль по типу палаток, которые предназначены для длительного пребывания под солнцем [2].

В отличии от предыдущих технологий Гелиотермальная энергетика

ставит перед собой задачу получить тепловую энергию для обогрева дома. Разрабатываются аккумуляторные батареи, которые наполняются “солнечным тепловым топливом”. Это вещество, поглощающее энергию и при надобности способное высвободить её. Лучи солнца разрушая его химические связи заставляют его молекулы перестроиться, тем самым приобрести новую более теплоёмкую конфигурацию. У нас уже имеется топливо, которое способно хранить энергию в течение двух десятков лет. Физический фильтр действуя как катализатор возвращает молекулы в прежнее состояние тем самым происходит высвобождение. Вокруг устройства всего за пару минут получилось поднять температуру на 63°. При должном развитии этой технологии она обречена на востребованность. До наступления зимы пользователю нужно поставить устройство на крыше дома, которое будет греться под солнечными лучами, а по наступлению зимы нужно лишь щелкнуть выключатель и внутри дома становится тепло и не надо никакого газа и электричества затрачивать для обогрева дома, так же забота об экологии, ибо нет никаких вредных выбросов. И данный процесс можно повторять снова и снова [2].

Немного про Ветроэнергетику

Ветроэнергетика базируется на использовании высокопроизводительных ветровых турбин. Установка малой мощности интересна как автономные источники энергии для отдельных домов или групп домов. Для использования крупных ветротурбин требуется достаточно сильный и стабильный ветер, что свойственно не всем регионам, такие турбины используются в странах Запада, США и в Китае.

Все современные мощные ветрогенераторы в плане конструкции почти идентичны, основу которых составляет горизонтальный ротор с крыльчаткой. Из-за высокой площади сопротивления потоку ветра, создаваемые большими лопастями их количество равно трём. 

Установки имеют достаточно большую массу, взять в пример Enercon E-126 имеет массу в 6000 тонн, при такой массе для функционирования установки требуется сильный, ровный ветер.

Установки оснащены электродвигателями для начатия вращения. Многие модели устанавливаются на преобладающем направлении ветра, но некоторые имеют устройства наведения. Обычно ставятся в пустынных или степных регионах, в шельфовых и прибережных районах в которых постоянные и ровные ветра. К составным частям конструкции ветряных генераторов относятся [3].

• Опорная башня или мачта

Мачты имеют коническую форму, которая способствует хорошей устойчивости и равномерному распределению нагрузки. Мачты изготавливаются на месте: последовательно заливаются бетоном в подходящие опалубки. В основании мачт находится площадка из бетона, являющая основой фундамента, который обеспечивает неподвижность и устойчивость конструкции.

 

 

• Гондола

Внутри гондолы находятся отсек с генератором и устройства передачи вращения. К ней присоединяется и ротор, являющийся продолжением гондолы и образующий вместе с ней обтекаемую форму. Внешняя часть ротора состоит из хаба и лопастей. Хаб— это центральный обтекатель, установленный на валу генератора и служащий для присоединения лопастей. Гондола имеет возможность вращения вокруг башни для установки на ветер, для чего используется асинхронный электродвигатель и зубчатая передача, опоясывающая всю верхнюю часть башни. Возможность вращения имеется не у всех моделей, для шельфовых ветряков, работающих на потоках двух противоположных направлений, эта функция необязательна.

• Генератор турбины

Генератор представляет собой устройство кольцевого типа. Ротор турбины конструктивно объединен с ротором генератора, это снижает потери и уменьшает материалоемкость. Для подобных конструкций принципиально важно в максимальной степени исключить узлы передачи вращения, взамен применяя единые цельные элементы.

Рис 3. Ветрянная турбина.

Лопасти изготавливаются из специального волокна со стальными вставками. В зависимости от размеров лопасти изготавливаются цельно либо составляются из частей, а также могут иметься изменения в конструкции, дополнения или другие особенности. Как правило, устанавливаются три лопасти, поскольку роторы с двумя лопастями испытывают большие нагрузки в момент, когда лопасти находятся вертикально, а установка более трёх лопастей создают добавочное сопротивление воздуха. Устройство лопастей предусматривает возможность изменения профиля или угла поворота, позволяя регулировать аэродинамику в соответствии с режимом ветрового потока.

 Генераторы, используемые в промышленности, имеют впечатляющие размеры и большую мощность, например Enercon E-126 высотой 198 м и размахом лопастей 128 м, площадью, составляющей 12668 м2.

Размер ветряка соответствует мощности, вырабатываемой им. Существуют крупные или модели меньше, но они имеют большой вес и размер, но даже с этим площадь на земле занимается только основанием башни, оставшееся может быть использовано для сельского хозяйства.

Следует отметить, что мощные генераторы неэкономичны по отдельности. Чаще всего они в составе больших станций, насчитывающих десятки и даже сотни отдельных установок, занимающих довольно крупные площади и выдающие общую мощность в несколько мВт при условии оптимальных ветровых условий, обеспечивающих равную нагрузку и стабильность производительности. Хотя параметры мощных ветряков зависят от их мощности, конструкции у всех моделей почти одинаков. Поэтому сравнению могут подлежать только пропорции крыльчатки устройства и вырабатываемая установками мощность.

Работа нескольких сотен действующих ветряков имеет возможность создать большие мощности. Ветровые электростанции дали решение проблемы со снабжением электричеством районов без возможности строительства ГЭС или АЭС. Примечательно, что и отсутствие возможностей, и запреты на строительство АЭС стали причинами появления множества ВЭС. К тому же ветроэнергетика признана экологически чистым, что сыграло немалую роль в развитии этой отрасли.

Следовательно, при отсутствии альтернативных вариантов или при наличии нужных условий для качественной и равномерной работы ветряков, ВЭС становится приемлемым способом получения энергии.

Заключение. Выполнив поставленные цели, мы добьёмся светлого экологического будущего, в котором не будет экологически вредных и опасных источников электроэнергии. Удастся избежать повторения истории, которая случилась с Чернобыльской атомной электростанцией. Так же мы избавимся от ряда проблем, которые вызывают отбросы вредящие экологии нашей планеты. В конечном итоге мы сможем избежать, рядя серьезных проблем, которые могут возникнуть если мы и дальше будем пренебрегать экологически состоянием нашей планеты.

У нас в Таджикистане активно используется ГЭС и этот метод добычи электроэнергии является весьма ужасным для нас, ибо приходится жертвовать питьевой водой для функционирования данных станций. Таджикистан богат своими водными ресурсами, которые необходимо грамотно использовать, а затрачивание питьевой воды для генерирования электроэнергии на фоне нехватки питьевой воды в некоторых странах мира выглядит неуместным. Из общего cтока более 80% является питьевой, на человека приходится 9,88 тыс. м3/чел. Куда лучше совершать взаимовыгодные сделки, мы экспортируем нашу воду и импортируем полезные для нас ресурсы. Являясь солнечной страной для нас отличным вариантом является добыча электроэнергии путём постройки СЭС. Постройка СЭС в отдельных районах упростит прокладку электро-проводов.  

 

Список использованных источников

1. Новые технологии в солнечных панелях (qwizz.ru)
2. Как будет выглядеть солнечная энергетика в будущем? (poznavaemoe.ru)

Промышленные ветрогенераторы большой мощности: как устроены ветровые электростанции, рентабельность и особенности конструкции (energo.house)