Pastaraisiais metais mokslininkai ypač domėjosi alternatyviais energijos š altiniais. Nafta ir dujos anksčiau ar vėliau baigsis, todėl dabar turime galvoti, kaip išgyvensime šioje situacijoje. Europoje aktyviai naudojami vėjo malūnai, kažkas bando išgauti energiją iš vandenyno, o mes kalbėsime apie saulės energiją. Juk žvaigždė, kurią danguje matome kone kasdien, gali padėti sutaupyti neatsinaujinančių išteklių ir pagerinti aplinką. Saulės vertę Žemei sunku pervertinti – ji suteikia šilumos, šviesos ir leidžia funkcionuoti visai planetos gyvybei. Taigi kodėl gi neradus kito panaudojimo?
Šiek tiek istorijos
XIX amžiaus viduryje fizikas Aleksandras Edmondas Bekerelis atrado fotovoltinį efektą. O šimtmečio pabaigoje Charlesas Frittsas sukūrė pirmąjį įrenginį, galintį saulės energiją paversti elektra. Tam buvo naudojamas plonu aukso sluoksniu padengtas selenas. Poveikis buvo silpnas, tačiau šis išradimas dažnai siejamas su saulės energijos eros pradžia. Kai kurie mokslininkai nesutinka su šia formuluote. Saulės energijos eros pradininku jie vadina pasaulinio garso mokslininką Albertą Einšteiną. 1921 metaismetais jis gavo Nobelio premiją už išorinio fotoelektrinio efekto dėsnių paaiškinimą.
Atrodytų, kad saulės energija yra daug žadantis plėtros būdas. Tačiau yra daug kliūčių, trukdančių jai patekti į visus namus – daugiausia ekonominių ir aplinkosauginių. Kas sudaro saulės baterijų kainas, kokią žalą jos gali padaryti aplinkai ir kokiais kitais būdais generuoti energiją, sužinosime toliau.
Taupymo būdai
Skubiausia užduotis, susijusi su saulės energijos sutramdymu, yra ne tik jos gavimas, bet ir kaupimas. Ir tai yra sunkiausia. Šiuo metu mokslininkai sukūrė tik 3 būdus, kaip visiškai sutramdyti saulės energiją.
Pirmasis yra paremtas parabolinio veidrodžio naudojimu ir yra šiek tiek panašus į žaidimą su padidinamuoju stiklu, kuris visiems pažįstamas nuo vaikystės. Šviesa praeina pro objektyvą ir susirenka viename taške. Jei į šią vietą įdėsite popieriaus lapą, jis užsidegs, nes sukryžiuotų saulės spindulių temperatūra yra neįtikėtinai aukšta. Parabolinis veidrodis yra įgaubtas diskas, panašus į negilų dubenį. Šis veidrodis, skirtingai nei didinamasis stiklas, ne praleidžia, o atspindi saulės šviesą, surenka ją viename taške, kuris dažniausiai nukreipiamas į juodą vamzdį su vandeniu. Ši spalva naudojama, nes ji geriausiai sugeria šviesą. Vanduo vamzdyje šildomas saulės spindulių ir gali būti naudojamas elektros energijai gaminti arba mažiems namams šildyti.
Plokščias šildytuvas
Šis metodas naudojamasvisiškai kitokia sistema. Saulės energijos imtuvas atrodo kaip daugiasluoksnė struktūra. Jo veikimo principas atrodo taip.
Eidami pro stiklą, spinduliai pataikė į patamsėjusį metalą, kuris, kaip žinia, geriau sugeria šviesą. Saulės spinduliuotė virsta šilumine energija ir šildo vandenį, esantį po geležine plokšte. Be to, viskas vyksta taip, kaip ir pirmuoju būdu. Šildomas vanduo gali būti naudojamas patalpų šildymui arba elektros energijai gaminti. Tiesa, šio metodo efektyvumas nėra pakankamai didelis, kad jį būtų galima naudoti visur.
Paprastai tokiu būdu gaunama saulės energija yra šiluma. Norint gaminti elektrą, daug dažniau naudojamas trečiasis būdas.
Saulės elementai
Labiausiai esame susipažinę su šiuo energijos gavimo būdu. Tam naudojamos įvairios baterijos arba saulės baterijos, kurių galima rasti ant daugelio šiuolaikinių namų stogų. Šis metodas yra sudėtingesnis nei aprašytas anksčiau, tačiau daug žadantis. Būtent jis leidžia saulės energiją paversti elektra pramoniniu mastu.
Specialios plokštės, skirtos fiksuoti spindulius, yra pagamintos iš praturtintų silicio kristalų. Saulės šviesa, krintanti ant jų, išmuša elektroną iš orbitos. Kitas iškart stengiasi užimti savo vietą, taip gaunama ištisinė judanti grandinė, kuri sukuria srovę. Jei reikia, jis iš karto panaudojamas prietaisams pateikti arba kaupiamas formojeelektra specialiose baterijose.
Šio metodo populiarumą pateisina tai, kad jis leidžia gauti daugiau nei 120 vatų iš vieno kvadratinio metro saulės kolektorių. Tuo pačiu metu plokštės yra palyginti mažo storio, todėl jas galima dėti beveik bet kur.
Silicio plokščių tipai
Yra keletas saulės elementų tipų. Pirmieji yra pagaminti naudojant monokristalinį silicį. Jų efektyvumas yra apie 15%. Šios saulės baterijos yra pačios brangiausios.
Elementų, pagamintų iš polikristalinio silicio, efektyvumas siekia 11%. Jie kainuoja pigiau, nes medžiaga jiems gaunama naudojant supaprastintą technologiją. Trečiasis tipas yra ekonomiškiausias ir turi minimalų efektyvumą. Tai plokštės, pagamintos iš amorfinio silicio, tai yra, nekristalinės. Be mažo efektyvumo, jie turi dar vieną reikšmingą trūkumą – trapumą.
Kai kurie gamintojai efektyvumui padidinti naudoja abi saulės kolektoriaus puses – galinę ir priekinę. Tai leidžia užfiksuoti šviesą dideliais kiekiais ir padidina gaunamos energijos kiekį 15–20%.
Vietiniai gamintojai
Saulės energija Žemėje vis labiau plinta. Net mūsų šalyje jie domisi šios pramonės studijomis. Nepaisant to, kad alternatyviosios energetikos plėtra Rusijoje nėra labai aktyvi, tam tikra sėkmė buvo pasiekta. Šiuo metu kelios organizacijos daugiausia užsiima saulės energijos plokščių kūrimuįvairių sričių mokslo institutai ir gamyklos elektros įrangos gamybai.
- NPF „Kvarkas“.
- OJSC Kovrovo mechaninė gamykla.
- Visos Rusijos žemės ūkio elektrifikavimo tyrimų institutas.
- NVO inžinerija.
- AO VIEN.
- OJSC „Riazanės metalo keramikos įrenginių gamykla“.
- JSC Pravdinsky bandomoji energijos š altinių gamykla Pozit.
Tai tik maža dalis įmonių, aktyviai dalyvaujančių alternatyviosios energetikos plėtroje Rusijoje.
Poveikis aplinkai
Anglių ir naftos energijos š altinių atsisakymas yra susijęs ne tik su tuo, kad šie ištekliai anksčiau ar vėliau baigsis. Faktas yra tas, kad jie labai kenkia aplinkai – teršia dirvą, orą ir vandenį, prisideda prie žmonių ligų išsivystymo ir mažina imunitetą. Štai kodėl alternatyvūs energijos š altiniai turi būti nekenksmingi aplinkai.
Silicis, naudojamas fotovoltinių elementų gamybai, yra saugus, nes yra natūrali medžiaga. Tačiau jį išvalius lieka atliekos. Tai yra tie, kurie gali pakenkti žmonėms ir aplinkai, jei naudojami netinkamai.
Be to, zonoje, kurioje pilna saulės baterijų, gali sutrikti natūralus apšvietimas. Tai lems esamos ekosistemos pokyčius. Tačiau apskritai įrenginių, skirtų saulės energijai konvertuoti, poveikis aplinkai yra minimalus.
Ekonomika
Didžiausios saulės baterijų gamybos sąnaudos siejamos su aukšta žaliavų kaina. Kaip jau išsiaiškinome, specialios plokštės kuriamos naudojant silicį. Nepaisant to, kad šis mineralas yra plačiai paplitęs gamtoje, su jo gavyba kyla didelių problemų. Faktas yra tas, kad silicis, kuris sudaro daugiau nei ketvirtadalį žemės plutos masės, nėra tinkamas saulės elementų gamybai. Šiems tikslams tinka tik gryniausia medžiaga, gauta pramoniniu būdu. Deja, gauti gryniausią silicį iš smėlio yra labai sudėtinga.
Šio ištekliaus kaina panaši į atominėse elektrinėse naudojamo urano kainą. Štai kodėl saulės kolektorių kaina šiuo metu išlieka gana didelė.
Šiuolaikinės technologijos
Pirmieji bandymai prisijaukinti saulės energiją pasirodė seniai. Nuo tada daugelis mokslininkų aktyviai įsitraukė į efektyviausios įrangos paieškas. Jis turėtų būti ne tik ekonomiškas, bet ir kompaktiškas. Jo efektyvumas turėtų būti maksimalus.
Pirmieji žingsniai idealaus saulės energijos priėmimo ir konvertavimo įrenginio link buvo padaryti išradus silicio baterijas. Žinoma, kaina nemaža, tačiau plokštes galima dėti ant stogų ir namų sienų, kur jos niekam netrukdys. Ir tokių baterijų efektyvumas neabejotinas.
Tačiau geriausias būdas padidinti saulės energijos populiarumą yra ją atpiginti. Vokiečių mokslininkai jau pasiūlė silicį pakeisti sintetiniais pluoštais, į kuriuos galima integruotiaudinio ar kitų medžiagų. Tokios saulės baterijos efektyvumas nėra labai didelis. Tačiau iš sintetinio pluošto perpinti marškiniai gali bent jau tiekti elektrą išmaniajam telefonui ar grotuvui. Taip pat aktyviai dirbama nanotechnologijų srityje. Tikėtina, kad jie leis saulei tapti populiariausiu šio šimtmečio energijos š altiniu. „Scates AS“specialistai iš Norvegijos jau pareiškė, kad nanotechnologijos saulės kolektorių kainą sumažins 2 kartus.
Saulės energija namams
Savalaikis būstas – daugelio svajonė: jokios priklausomybės nuo centralizuoto šildymo, jokių problemų apmokėti sąskaitas ir jokios žalos aplinkai. Jau dabar daugelis šalių aktyviai stato būstus, kuriuose suvartojama tik iš alternatyvių š altinių gaunama energija. Ryškus pavyzdys yra vadinamasis saulės namas.
Statybos proceso metu reikės daugiau investicijų nei tradicinė. Tačiau po kelių metų eksploatacijos visos išlaidos atsipirks – nereikės mokėti už šildymą, karštą vandenį ir elektrą. Saulės name visos šios komunikacijos yra pririštos prie specialių ant stogo dedamų fotovoltinių plokščių. Be to, tokiu būdu gauti energijos ištekliai ne tik išleidžiami einamiesiems poreikiams, bet ir kaupiami naudoti naktį bei debesuotu oru.
Šiuo metu tokių namų statyba vykdoma ne tik šalia pusiaujo esančiose šalyse, kur saulės energijos gauti lengviausia. Jie taip pat yra pastatytiKanada, Suomija ir Švedija.
Pliusai ir trūkumai
Technologijų, leidžiančių visur naudoti saulės energiją, plėtra galėtų būti aktyvesnė. Tačiau yra tam tikrų priežasčių, kodėl tai vis dar nėra prioritetas. Kaip minėjome aukščiau, gaminant plokštes susidaro aplinkai kenksmingos medžiagos. Be to, gatavoje įrangoje yra galio, arseno, kadmio ir švino.
Būtinybė perdirbti fotovoltines plokštes taip pat kelia daug klausimų. Po 50 eksploatavimo metų jie taps netinkami naudoti ir turės būti kažkaip sunaikinti. Ar tai padarys didžiulę žalą gamtai? Taip pat verta manyti, kad saulės energija yra nepastovus išteklius, kurio efektyvumas priklauso nuo paros laiko ir oro. Ir tai yra didelis trūkumas.
Bet, žinoma, yra ir pliusų. Saulės energiją galima išgauti beveik bet kurioje Žemės vietoje, o įranga, skirta jai gaminti ir konvertuoti, gali būti pakankamai maža, kad tilptų ant išmaniojo telefono galinės dalies. Dar svarbiau, kad tai yra atsinaujinantis išteklius, tai yra, saulės energijos kiekis išliks nepakitęs dar mažiausiai tūkstantį metų.
Perspektyvos
Technologijų plėtra saulės energijos srityje turėtų sumažinti elementų kūrimo sąnaudas. Jau atsiranda stiklo plokštės, kurias galima montuoti ant langų. Nanotechnologijų plėtra leido išrasti dažus, kurie bus purškiami ant saulės baterijų ir gali pakeisti silicio sluoksnį. Jei saulės energijos kaina tikrai sumažės kelis kartus, jos populiarumas taip pat išaugs daug kartų.
Sukūrę mažas plokštes individualiam naudojimui, žmonės galės naudoti saulės energiją bet kurioje aplinkoje – namuose, automobilyje ar net už miesto ribų. Dėl jų paskirstymo sumažės centralizuoto elektros tinklo apkrova, nes žmonės galės patys įkrauti smulkią elektroniką.
Shell ekspertai mano, kad iki 2040 m. maždaug pusė pasaulio energijos bus pagaminta iš atsinaujinančių išteklių. Jau dabar Vokietijoje saulės energijos suvartojimas aktyviai auga, o akumuliatoriaus galia siekia daugiau nei 35 gigavatus. Japonija taip pat aktyviai plėtoja šią pramonės šaką. Šios dvi šalys yra saulės energijos vartojimo lyderės pasaulyje. Tikėtina, kad netrukus prie jų prisijungs JAV.
Kiti alternatyvūs energijos š altiniai
Mokslininkai nesiliauja mįslingi, ką dar galima panaudoti elektros ar šilumos gamybai. Pateikiame perspektyviausių alternatyvių energijos š altinių pavyzdžių.
Vėjo malūnų dabar galima rasti beveik bet kurioje šalyje. Net daugelio Rusijos miestų gatvėse įrengiami žibintai, kurie elektrą aprūpina iš vėjo energijos. Žinoma, jų kaina yra didesnė nei vidutinė, bet laikui bėgant jie kompensuos šį skirtumą.
Gana seniai buvo išrasta technologija, leidžianti gauti energijos naudojantVandens temperatūros skirtumas vandenyno paviršiuje ir gylyje. Kinija aktyviai ketina plėtoti šią kryptį. Artimiausiais metais prie Vidurio Karalystės krantų jie ketina statyti didžiausią elektrinę, veikiančią pagal šią technologiją. Yra ir kitų būdų, kaip panaudoti jūrą. Pavyzdžiui, Australijoje jie planuoja sukurti elektrinę, kuri generuotų energiją iš srovių jėgos.
Yra daug kitų elektros ar šilumos gamybos būdų. Tačiau, atsižvelgiant į daugybę kitų galimybių, saulės energija tikrai yra perspektyvi mokslo vystymosi kryptis.
