Pēdējos gados zinātniekus īpaši interesē alternatīvie enerģijas avoti. Nafta un gāze agri vai vēlu beigsies, tāpēc ir jādomā, kā mēs tagad izdzīvosim šajā situācijā. Eiropā aktīvi tiek izmantotas vējdzirnavas, kāds mēģina iegūt enerģiju no okeāna, un mēs runāsim par saules enerģiju. Galu galā zvaigzne, ko gandrīz katru dienu redzam debesīs, var mums palīdzēt ietaupīt neatjaunojamos resursus un uzlabot vidi. Saules vērtību Zemei ir grūti pārvērtēt – tā dod siltumu, gaismu un ļauj funkcionēt visai dzīvībai uz planētas. Kāpēc gan tam neatrast citu pielietojumu?
Mazliet vēstures
19. gadsimta vidū fiziķis Aleksandrs Edmonds Bekerels atklāja fotoelektrisko efektu. Un līdz gadsimta beigām Čārlzs Fritss izveidoja pirmo ierīci, kas spēj pārveidot saules enerģiju elektroenerģijā. Šim nolūkam tika izmantots selēns, kas pārklāts ar plānu zelta kārtu. Efekts bija vājš, taču šis izgudrojums bieži tiek saistīts ar saules enerģijas laikmeta sākumu. Daži zinātnieki nepiekrīt šim formulējumam. Viņi sauc par saules enerģijas laikmeta dibinātāju pasaulslaveno zinātnieku Albertu Einšteinu. 1921. gadāgadā viņš saņēma Nobela prēmiju par ārējā fotoelektriskā efekta likumu skaidrošanu.
Šķiet, ka saules enerģija ir daudzsološs attīstības veids. Bet ir daudz šķēršļu, lai tas iekļūtu katrā mājā - galvenokārt ekonomiskajos un vides. Par to, kas veido saules paneļu izmaksas, kādu kaitējumu tie var nodarīt videi un kādi citi enerģijas ieguves veidi, mēs uzzināsim tālāk.
Taupīšanas metodes
Vissteidzamākais uzdevums, kas saistīts ar saules enerģijas pieradināšanu, ir ne tikai tās saņemšana, bet arī uzkrāšana. Un tas ir visgrūtākais. Pašlaik zinātnieki ir izstrādājuši tikai 3 veidus, kā pilnībā pieradināt saules enerģiju.
Pirmais ir balstīts uz paraboliskā spoguļa izmantošanu un ir mazliet kā spēle ar palielināmo stiklu, kas visiem pazīstama kopš bērnības. Gaisma iziet cauri objektīvam, pulcējoties vienā punktā. Ja šajā vietā ievietosiet papīra lapu, tas iedegsies, jo krustoto saules staru temperatūra ir neticami augsta. Paraboliskais spogulis ir ieliekts disks, kas atgādina seklu bļodu. Šis spogulis, atšķirībā no palielināmā stikla, nevis pārraida, bet atstaro saules gaismu, savācot to vienā punktā, kas parasti tiek novirzīts uz melnu cauruli ar ūdeni. Šo krāsu izmanto, jo tā vislabāk absorbē gaismu. Ūdeni caurulē silda saules gaisma, un to var izmantot, lai ražotu elektroenerģiju vai apsildītu mazas mājas.
Plakanais sildītājs
Šī metode tiek izmantotapavisam cita sistēma. Saules enerģijas uztvērējs izskatās kā daudzslāņu struktūra. Tās darbības princips izskatās šādi.
Izejot cauri stiklam, stari skar aptumšoto metālu, kas, kā zināms, labāk absorbē gaismu. Saules starojums pārvēršas siltumenerģijā un uzsilda ūdeni, kas atrodas zem dzelzs plāksnes. Turklāt viss notiek tāpat kā pirmajā metodē. Uzkarsēto ūdeni var izmantot gan telpu apkurei, gan elektroenerģijas ražošanai. Tiesa, šīs metodes efektivitāte nav pietiekami augsta, lai to izmantotu visur.
Šādā veidā iegūtā saules enerģija parasti ir siltums. Elektroenerģijas ražošanai daudz biežāk izmanto trešo metodi.
Saules baterijas
Visvairāk mēs esam pazīstami ar šo enerģijas iegūšanas veidu. Tas ietver dažādu bateriju vai saules bateriju izmantošanu, ko var atrast uz daudzu mūsdienu māju jumtiem. Šī metode ir sarežģītāka nekā iepriekš aprakstītā, taču daudzsološāka. Tieši viņš rūpnieciskā mērogā ļauj pārveidot saules enerģiju elektroenerģijā.
Īpaši paneļi, kas paredzēti staru uztveršanai, ir izgatavoti no bagātinātiem silīcija kristāliem. Saules gaisma, krītot uz tiem, izsit elektronu no orbītas. Cits uzreiz cenšas ieņemt savu vietu, tādējādi tiek iegūta nepārtraukta kustīga ķēde, kas rada strāvu. Ja nepieciešams, tas tiek nekavējoties izmantots ierīču nodrošināšanai vai uzkrāts formāelektrība īpašos akumulatoros.
Šīs metodes popularitāte ir attaisnojama ar to, ka tā ļauj iegūt vairāk nekā 120 vatus tikai no viena kvadrātmetra saules paneļiem. Tajā pašā laikā paneļiem ir salīdzinoši mazs biezums, kas ļauj tos novietot gandrīz jebkur.
Silīcija paneļu veidi
Ir vairāki saules elementu veidi. Pirmie ir izgatavoti, izmantojot viena kristāla silīciju. To efektivitāte ir aptuveni 15%. Šie saules paneļi ir visdārgākie.
No polikristāliskā silīcija izgatavoto elementu efektivitāte sasniedz 11%. Tie maksā mazāk, jo materiāls tiem tiek iegūts, izmantojot vienkāršotu tehnoloģiju. Trešais veids ir visekonomiskākais un tam ir minimāla efektivitāte. Tie ir paneļi, kas izgatavoti no amorfa silīcija, tas ir, nekristāliski. Papildus zemajai efektivitātei tiem ir vēl viens būtisks trūkums - trauslums.
Daži ražotāji izmanto abas saules paneļa puses, lai palielinātu efektivitāti – aizmugurē un priekšpusē. Tas ļauj uzņemt gaismu lielos apjomos un palielina saņemtās enerģijas daudzumu par 15-20%.
Iekšzemes ražotāji
Saules enerģija uz Zemes kļūst arvien izplatītāka. Pat mūsu valstī viņi ir ieinteresēti pētīt šo nozari. Neskatoties uz to, ka alternatīvās enerģijas attīstība Krievijā nav īpaši aktīva, daži panākumi ir gūti. Šobrīd ar saules enerģijas paneļu izveidi nodarbojas vairākas organizācijas – galvenokārtdažādu nozaru zinātniskie institūti un rūpnīcas elektroiekārtu ražošanai.
- NPF "Kvark".
- OJSC Kovrovas mehāniskā rūpnīca.
- Viskrievijas Lauksaimniecības elektrifikācijas pētniecības institūts.
- NVO Inženierzinātnes.
- AO VIEN.
- OJSC "Rjazaņas metālkeramikas iekārtu rūpnīca".
- JSC Pravdinsky Pilot Plant of Power Sources Pozit.
Šī ir tikai neliela daļa no uzņēmumiem, kas aktīvi iesaistīti alternatīvās enerģijas attīstībā Krievijā.
Ietekme uz vidi
Ogļu un naftas enerģijas avotu noraidīšana ir saistīta ne tikai ar to, ka šie resursi agri vai vēlu beigsies. Fakts ir tāds, ka tie ļoti kaitē videi - piesārņo augsni, gaisu un ūdeni, veicina slimību attīstību cilvēkiem un samazina imunitāti. Tāpēc alternatīvajiem enerģijas avotiem ir jābūt videi draudzīgiem.
Silīcijs, ko izmanto fotoelektrisko elementu ražošanai, pats par sevi ir drošs, jo ir dabisks materiāls. Bet pēc tā tīrīšanas paliek atkritumi. Tie ir tie, kas var kaitēt cilvēkiem un videi, ja tos izmanto nepareizi.
Turklāt zonā, kas pilnībā piepildīta ar saules paneļiem, var tikt traucēts dabiskais apgaismojums. Tas novedīs pie izmaiņām esošajā ekosistēmā. Taču kopumā saules enerģijas pārveidošanai paredzēto ierīču ietekme uz vidi ir minimāla.
Ekonomika
Lielākās saules paneļu ražošanas izmaksas ir saistītas ar augstajām izejvielu izmaksām. Kā jau esam noskaidrojuši, speciāli paneļi tiek veidoti, izmantojot silīciju. Neskatoties uz to, ka šis minerāls ir plaši izplatīts dabā, ar tā ieguvi ir saistītas lielas problēmas. Fakts ir tāds, ka silīcijs, kas veido vairāk nekā ceturto daļu no zemes garozas masas, nav piemērots saules bateriju ražošanai. Šiem nolūkiem ir piemērots tikai tīrākais materiāls, kas iegūts ar rūpniecisku metodi. Diemžēl tīrākā silīcija iegūšana no smiltīm ir ārkārtīgi problemātiska.
Šī resursa cena ir salīdzināma ar atomelektrostacijās izmantoto urānu. Tāpēc saules paneļu izmaksas pašlaik saglabājas diezgan augstā līmenī.
Mūsdienu tehnoloģijas
Pirmie mēģinājumi pieradināt saules enerģiju parādījās jau sen. Kopš tā laika daudzi zinātnieki ir aktīvi iesaistījušies visefektīvākā aprīkojuma meklējumos. Tam jābūt ne tikai ekonomiskam, bet arī kompaktam. Tās efektivitātei ir jācenšas sasniegt maksimumu.
Pirmie soļi ceļā uz ideālu ierīci saules enerģijas uztveršanai un konvertēšanai tika veikti, izgudrojot silīcija baterijas. Protams, cena ir diezgan augsta, bet paneļus var likt uz māju jumtiem un sienām, kur tie nevienam netraucēs. Un šādu akumulatoru efektivitāte ir nenoliedzama.
Bet labākais veids, kā palielināt saules enerģijas popularitāti, ir padarīt to lētāku. Vācu zinātnieki jau ir ierosinājuši aizstāt silīciju ar sintētiskām šķiedrām, kuras var integrētaudums vai citi materiāli. Šādas saules baterijas efektivitāte nav ļoti augsta. Bet krekls, kas mijas ar sintētiskām šķiedrām, var vismaz nodrošināt elektrību viedtālrunim vai atskaņotājam. Aktīvi tiek strādāts arī nanotehnoloģiju jomā. Visticamāk, tie ļaus saulei kļūt par populārāko enerģijas avotu šajā gadsimtā. Scates AS speciālisti no Norvēģijas jau paziņojuši, ka nanotehnoloģijas saules paneļu izmaksas samazinās 2 reizes.
Saules enerģija mājām
Pašpietiekams mājoklis ir daudzu sapnis: nav atkarības no centralizētās apkures, nav problēmu ar rēķinu apmaksu un nav kaitējuma videi. Jau tagad daudzas valstis aktīvi būvē mājokļus, kas patērē tikai no alternatīviem avotiem iegūto enerģiju. Spilgts piemērs ir tā sauktā saules māja.
Būvniecības procesā tas prasīs lielākus ieguldījumus nekā tradicionālais. Taču pēc vairāku gadu ekspluatācijas visas izmaksas atmaksāsies – nebūs jāmaksā par apkuri, karsto ūdeni un elektrību. Saules mājā visas šīs komunikācijas ir piesietas pie speciāliem fotoelementu paneļiem, kas novietoti uz jumta. Turklāt šādi iegūtie energoresursi tiek tērēti ne tikai aktuālajām vajadzībām, bet arī uzkrāti lietošanai naktī un mākoņainā laikā.
Šobrīd šādu māju celtniecība tiek veikta ne tikai valstīs, kas atrodas tuvu ekvatoram, kur visvieglāk iegūt saules enerģiju. Tie ir arī uzstādītiKanāda, Somija un Zviedrija.
Prusi un mīnusi
Varētu būt aktīvāka tādu tehnoloģiju attīstība, kas ļauj visur izmantot saules enerģiju. Taču ir daži iemesli, kāpēc tā joprojām nav prioritāte. Kā jau teicām iepriekš, paneļu ražošanas laikā rodas videi kaitīgas vielas. Turklāt gatavais aprīkojums satur galliju, arsēnu, kadmiju un svinu.
Daudz jautājumu rada arī nepieciešamība pārstrādāt fotoelektriskos paneļus. Pēc 50 darbības gadiem tie kļūs nelietojami un kaut kā būs jāiznīcina. Vai tas nodarīs milzīgu kaitējumu dabai? Ir arī vērts padomāt, ka saules enerģija ir nepastāvīgs resurss, kura efektivitāte ir atkarīga no diennakts laika un laikapstākļiem. Un tas ir būtisks trūkums.
Bet, protams, ir plusi. Saules enerģiju var iegūt gandrīz jebkur uz Zemes, un aprīkojums tās ražošanai un pārveidei var būt pietiekami mazs, lai ietilptu viedtālruņa aizmugurē. Vēl svarīgāk ir tas, ka tas ir atjaunojams resurss, proti, saules enerģijas daudzums paliks nemainīgs vēl vismaz tūkstoš gadus.
Izredzes
Tehnoloģiju attīstībai saules enerģijas jomā būtu jāsamazina elementu izveides izmaksas. Jau parādās stikla paneļi, kurus var uzstādīt uz logiem. Nanotehnoloģiju attīstība ir devusi iespēju izgudrot krāsu, kas tiks izsmidzināta uz saules paneļiem un var aizstāt silīcija slāni. Ja saules enerģijas izmaksas patiešām samazināsies vairākas reizes, arī tās popularitāte pieaugs vairākas reizes.
Mazu paneļu izveide individuālai lietošanai ļaus cilvēkiem izmantot saules enerģiju jebkurā vidē – mājās, automašīnā vai pat ārpus pilsētas. Pateicoties to sadalei, samazināsies slodze uz centralizēto elektrotīklu, jo cilvēki varēs paši uzlādēt mazo elektroniku.
Shell eksperti uzskata, ka līdz 2040. gadam aptuveni puse pasaules enerģijas tiks saražota no atjaunojamiem resursiem. Jau šobrīd Vācijā saules enerģijas patēriņš aktīvi pieaug, un akumulatora jauda ir vairāk nekā 35 gigavati. Arī Japāna aktīvi attīsta šo nozari. Šīs divas valstis ir pasaules līderes saules enerģijas patēriņa ziņā. Amerikas Savienotās Valstis, visticamāk, drīz tām pievienosies.
Citi alternatīvie enerģijas avoti
Zinātnieki nebeidz prātot par to, ko vēl var izmantot elektrības vai siltuma ražošanai. Šeit ir sniegti daudzsološāko alternatīvo enerģijas avotu piemēri.
Vēja dzirnavas tagad var atrast gandrīz jebkurā valstī. Pat daudzu Krievijas pilsētu ielās ir uzstādītas laternas, kas nodrošina sev elektrību no vēja enerģijas. Protams, to izmaksas ir augstākas par vidējo, taču laika gaitā tie kompensēs šo starpību.
Diezgan sen tika izgudrota tehnoloģija, kas ļauj iegūt enerģiju, izmantojotūdens temperatūras atšķirības okeāna virsmā un dziļumā. Ķīna aktīvi gatavojas attīstīt šo virzienu. Tuvākajos gados pie Vidējās karalistes krastiem viņi gatavojas būvēt lielāko spēkstaciju, kas darbojas ar šo tehnoloģiju. Ir arī citi veidi, kā izmantot jūru. Piemēram, Austrālijā viņi plāno izveidot spēkstaciju, kas ģenerē enerģiju no straumju spēka.
Ir daudzi citi veidi, kā ražot elektrību vai siltumu. Taču uz daudzu citu iespēju fona saules enerģija patiešām ir daudzsološs virziens zinātnes attīstībā.
