XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Ключевые слова: Переработка солнечной энергии в электричество, работа солнечных панелей, солнечная энергия на ферме, влияние микроклимата, карты фотоэлектрического потенциала, “счастливые” панели, Агриволтайское будущее.

 

АННОТАЦИЯ

В данной работе был рассмотрен ряд вопросов, необходимых для получения солнечной энергии в умеренных широтах, а именно в сельскохозяйственной отрасли. Были изучены такие аспекты как: переработка солнечной энергии, принцип работы солнечных панелей, совмещение современных технологий для получения электричества и размещение ферм на благоприятных для этого территориях.

ВВЕДЕНИЕ

Солнце – основной источник энергии на земле. Как и любой другой процесс, преобразование солнечного света в тепловую и электрическую энергию происходит по принципу прямого превращения световой энергии в тепловую или электрическую – солнечный свет, попадая, на специальную поверхность запускает процесс превращения световой энергии в электрическую или тепловую. Во многом, использование бесплатной и возобновляемой, а соответственно наиболее перспективной энергии солнца сегодня от теоретических изысканий уже давно перешло в практическую плоскость. Огромное количество предложений коммерческих фирм делают такую энергию доступной практически для всех, при этом основными направлениями использования такой энергии в повседневной жизни выступают во многом привычные вещи.

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

В основе этого способа получения электричества лежит солнечный свет, названный в учебниках как солнечное излучение, солнечная радиация, световой поток или поток элементарных частиц – Фотонов. Для нас он интересен тем, что, так же, как и движущийся воздушный поток, световой поток обладает энергией! На расстоянии в одну астрономическую единицу (149 597 870,66 км) от Солнца, на котором и располагается наша Земля, плотность потока солнечного излучения составляет 1360 Вт/м². А пройдя через земную атмосферу, поток теряет свою интенсивность из-за отражения и поглощения, и у поверхности Земли уже равен ~ 1000 Вт/м². Здесь и начинается наша работа: использовать энергию светового потока и преобразовать её в необходимую нам в быту энергию – электрическую. Таинство этого преобразования происходит на небольшом псевдоквадрате со скошенными углами, который вырезан из кремниевого цилиндра (рис. 2), диаметром 125 мм, и имя ему - фотоэлектрический преобразователь (ФЭП).

Рисунок 1 Принцип преобразования солнечной энергии в электричество	Рисунок 2

Первым шагом для преобразования солнечной энергии в электричество является установка фотоэлектрических (PV) ячеек или солнечных элементов. Фотоэлектричество означает свет и электричество. Эти клетки задерживают солнечную энергию и превращают ее в электричество. Эти солнечные элементы изготовлены из материалов, которые показывают фотогальванический эффект, то есть когда солнечные лучи ударяют по фотогальванической ячейке, фотоны света пугают электроны внутри ячейки, заставляя их начать течь, в конечном итоге производя электричество.Покупая солнечные батареи, было бы полезно знать варианты, доступные на рынке. Вот схема основных:

Поликристаллический - в нем используется многокристаллический кремний

Монокристаллический - идеально подходит для небольших помещений

Тонкая пленка - обычно более крупная по размеру и более эффективная в течение дня

Различие между материалом, используемым для производства монокристаллического и поликристаллического, заключается в создании кремниевой подложки, используемой для производства солнечных элементов и, в конечном счете, солнечных панелей. Как следует из названия, поликристаллический означает многочисленные кристаллы, а монокристаллический - монокристалл. Чем больше размеры кристаллов, тем эффективнее солнечные элементы, что объясняет, почему монокристаллические клетки обычно на 10-15% эффективнее поликристаллических кристаллов.

ПРИНЦИП РАБОТЫ СОЛНЕЧНЫХ ПАНЕЛЕЙ

Панель солнечных батарей должна быть установлена на открытой площадке, которая не засоряется деревьями или какой-либо установкой. Лучшая ставка - крыша. Затем он подключается к зданию через инвертор. Инвертор - это устройство, которое преобразует переменный ток (переменный ток) в постоянный (постоянный ток). Таким образом, в этом случае переменный ток представляет собой энергию, создаваемую солнечными батареями. Эта солнечная энергия преобразуется в переменную. Причина преобразования постоянного тока в переменный ток заключается в том, чтобы обеспечить использование энергии различными бытовыми приборами именно так, как вы питаете электронику с нормальным электричеством.

Рисунок 3 Схема подключения солнечных батарей для дачи и частного дома.

Солнечная батарея является совокупностью компонентов одного типа, соединенных в единую систему. Сегодня эти устройства становятся доступными широкому потребителю, появляются новые модели, демонстрирующие высокую эффективность. Подобные батареи обеспечивают необходимой энергией не только высокотехнологичные объекты, такие как космические станции или спутники. Их применение позволяет обеспечить работу бытовых приборов, автотранспорта, дома. Сегодня такие батареи нашли широкое применение, их используют для строительства полноценных электрических станции, способных вырабатывать большие объемы энергии

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ НА ФЕРМЕ

Смешанная «агриволтская» ферма и пастбище овец в кампусе Орегонского государственного университета. [Изображение: Марк Флойд, Орегонский государственный университет]

В современном обществе думают, что переработка солнечной энергии в электричество происходит на огромных участках пустынных территорий, которые покрыты полями фотоэлектрических (PV) панелей, собирающих солнечные фотоны для питания отдаленных городских центров. Но американская команда инженеров считает, что мы все можем использовать другие места для переработки солнечной энергии.

Рисунок 4 Смешанная «агриволтская» ферма и пастбище овец в кампусе Орегонского государственного университета. [Изображение: Марк Флойд, Орегонский государственный университет]

Команда, в которую вошли исследователи из Университета штата Орегон (OSU), Университета Юты и частной фирмы Carollo Engineers, подсчитала, что наибольший потенциал для фотоэлектрического оборудования лежит не в залитых солнцем пустынях, а над пахотными землями. Исследователи подсчитали, что даже менее 1% сельскохозяйственных угодий, преобразованных в то, что они называют «агротехнической» системой двойного назначения, могли бы полностью компенсировать глобальный спрос на энергию. И большая часть теории проста: солнечные панели просто нужнее на ферме.

Влияние микроклимата

В фотоэлектрической лаборатории разработчики часто концентрируются на нескольких факторах, в основном на эффективности преобразования энергии, количестве электрической энергии от заданного количества падающего света. Но ученые из нового исследования, возглавляемого Чедом Хиггинсом из OSU, отмечают, что в реальном мире множество других важных факторов, таких как температура воздуха, относительная влажность и даже ветер. Все это может влиять на производительность солнечных панелей, измеряемую в ваттах/единицу на квадратный метр панели.

Влияние этих факторов окружающей среды, которые в совокупности определяют «микроклимат», испытываемый солнечной панелью, - легко понять. Например, скорость ветра и температура воздуха помогают определить объем конвективного переноса тепла вокруг панели и, следовательно, ее рабочую температуру. А относительная влажность влияет на баланс длинноволнового излучения и, следовательно, на спектр входящего солнечного излучения, который испытывает панель.

Карты фотоэлектрического потенциала

Команда Хиггинса свела эти факторы в простую модель энергетического баланса, связывающую микроклимат с эффективностью солнечной панели. Затем исследователи сделали модель, собирая данные об изменениях поступающей солнечной радиации и климатических переменных, с интервалом в одну минуту. Исследования проводились в течение двух лет на фотоэлектрической установке, связывая данные с показаниями по производству энергии из солнечной батареи

Рисунок 5 карта средней потенциальной мощности фотоэлектрических систем

Исследовательская группа использовала модель эффективности солнечной панели, которая учитывала поступающую солнечную радиацию и факторы «микроклимата», такие как температура воздуха, скорость ветра и влажность, для создания карт средней потенциальной мощности фотоэлектрических систем. Когда эти данные карты были привязаны к другим данным о земном покрове, оказалось, что пахотные земли, луга и постоянные водно-болотные угодья возглавляли список по потенциалу солнечной энергии.

После проверки модели команда применила ее к глобальным данным о солнечной радиации, температуре, скорости ветра и влажности, чтобы получить карты средней эффективности солнечной фотоэлектрической системы и потенциала мощности. Затем исследователи использовали данные спектрометра с умеренным разрешением (MODIS) НАСА для определения типов растительного покрова, соответствующих лучшим точкам на карте. Анализ показал, что тремя наиболее подходящими видами земель для получения солнечной энергии являются пахотные земли, луга и водно-болотные угодья - с бесплодными землями, обычно приоритетными для крупных солнечных установок, только пятый в списке.

К более “счастливым” панелям

Исследователи полагают, что предположения о том, что пахотные земли будут очень пригодными для сбора солнечной энергии, не слишком удивительны, поскольку, в некотором смысле, фермеры уже выбрали лучшие места для этого. «Оказывается, что 8000 лет назад, - отметил руководитель группы Хиггинс в пресс-релизе, сопровождающем исследование, - фермеры нашли лучшие места для сбора солнечной энергии на Земле».

Совместное размещение панелей с сельскохозяйственными угодьями также может иметь преимущества, связанные с факторами микроклимата, помимо входящих солнечных фотонов, которые влияют на эффективность панелей. «Солнечные батареи похожи на людей и погоду», - сказал Хиггинс. «Они счастливее, когда прохладно, свежо и сухо».

Агриволтайское будущее?

Принимая все это во внимание, исследователи отстаивают «агриволтскую» систему, в которой часть пахотных земель используется для производства солнечной энергии. Пользуясь своими картами и моделями, команда рассчитывает, что весь мировой спрос на энергию - 21 петаватт-час - можно было бы компенсировать, если бы менее 1% существующей сельскохозяйственной земли было занято солнечными батареями (учитывая средний потенциал мощности 28 Вт / м ² для подходящих сельскохозяйственных панелей PV).

Даже эта небольшая доля может побудить некоторых беспокоиться о конкуренции за использование земли между производством продуктов питания и энергии. Но Хиггинс и его команда считают, что это не обязательно должна быть игра с нулевой суммой. В частности, авторы отмечают, что в статье было показано, что отдельные культуры - от томатов и салата до пастбищных трав - все еще могут быть выращены в «прерывистом оттенке», создаваемом тщательно установленными фотоэлектрическими установками в районах пахотных земель. И для некоторых культур, как показывают ранние работы, урожайность может даже увеличиться под солнечными батареями.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

https://zen.yandex.ru/media/id/5b30cdd2b0e64500a89f8505/kak-solnechnaia-energiia-preobrazuetsia-v-elektrichestvo-5b30d9c30ef18000a9016634

https://studopedia.net/4_73741_fizicheskie-printsipi-preobrazovaniya-solnechnoy-energii-v-elektrichestvo.html

Код для цитирования: Скопировать