Существует несколько видов кондиционеров, тем или иным образом использующих солнечную энергию, чтобы снизить или полностью отказаться от потребления электроэнергии из сети. О принципе работы таких устройств, получивших название «солнечные кондиционеры», и пойдет речь в этой статье.
Несмотря на некоторую абсурдность понятия «солнечный кондиционер» (традиционно солнце ассоциируется с теплом, а кондиционер — с холодом), оно вполне объяснимо, ведь именно в солнечный день потребность в кондиционировании наиболее велика. Таким образом, привязать работу кондиционера к солнцу было бы весьма логично: есть солнце — нужно охлаждение, нет — нет и потребности в холоде.
Принципиально солнечные кондиционеры можно разделить на две группы. Представители первой, активные солнечные кондиционеры, используют солнечную энергию напрямую — как тепловую. В свою очередь, пассивные солнечные кондиционеры используют энергию Солнца, преобразованную, как правило, в электричество.
Солнечные кондиционеры с влагопоглотителями
Обычно около 30 % полезной холодильной мощности кондиционера (а в некоторых случаях до 50 %) тратится впустую — на образование конденсата, который затем просто сливается в канализацию.
Избежать появления конденсата, которое происходит из-за того, что температура испарителя ниже точки росы поступающего из помещения воздуха, можно, либо повысив температуру испарителя, либо понизив точку росы. Первый способ приводит к менее эффективному охлаждению воздуха, а потому требует увеличения его расхода. К тому же лишнюю влагу из воздуха все равно нужно удалять.
Второй способ — понижение точки росы воздуха в помещении — можно реализовать несколькими путями, и один из них — предварительно осушить подаваемый в кондиционер воздух.
Солнечные кондиционеры с влагопоглотителями (десикантами) относятся к активным солнечным кондиционерам и имеют повышенную энергоэффективность за счет невыпадения конденсата. Влага удаляется из потока воздуха влагопоглотителями перед испарителем. Таким образом, в испаритель попадает осушенная воздушная масса с точкой росы ниже температуры испарителя, чем и обеспечивается гарантия невыпадения конденсата.
Влагопоглотитель (это может быть, например, силикагель) вращается на диске. Поглотив влагу из внутреннего воздуха, десикант диском выносится на открытое для лучей солнца пространство, где выпаривается впитанная влага. Тем самым влагопоглотитель регенерируется, и диск возвращает его к контакту с внутренним воздухом.
Дополнительно отметим, что при описанной выше схеме в солнечные дни режим осушения воздуха не требует включения парокомпрессионного холодильного цикла кондиционера, что ведет к существенному энергосбережению: электроэнергия затрачивается только на вращение диска с влагопоглотителем.
Абсорбционные солнечные кондиционеры
Другим примером активных солнечных холодильных машин являются абсорбционные чиллеры, использующие солнечное тепло. Как известно, в абсорбционных машинах рабочим веществом является раствор из двух, иногда трех компонентов. Наиболее распространены бинарные растворы из поглотителя (абсорбента) и хладагента, отвечающие двум главным требованиям: высокая растворимость хладагента в абсорбенте и значительно более высокая температура кипения абсорбента по сравнению с хладагентом.
Для получения холода в абсорбционных холодильных машинах требуется тепловая энергия (как правило, используется бросовое тепло предприятий), которая подводится к генератору, где из рабочего вещества выкипает практически чистый хладагент, ведь его температура кипения гораздо ниже, чем у абсорбента.
Несмотря на то что абсорбционные чиллеры — весьма перспективная область развития холодильной техники, их применение ограничивается, как правило, промышленными объектами, так как только там есть достаточное количество бросового тепла.
В то же время в абсорбционных солнечных кондиционерах тепловую энергию, подводимую к генератору, получают от Солнца. Это позволяет расширить область применения абсорбционных машин и использовать их не только в промышленном секторе. Учитывая, что тепловая энергия, получаемая от Солнца, бесплатна, экономичность подобных решений в эксплуатации очевидна.
Фотоэлектрический солнечный кондиционер
В принцип работы фотоэлектрических солнечных кондиционеров заложено, пожалуй, наиболее очевидное использование солнечной энергии: питание кондиционера от солнечной батареи.
Действительно, о солнечных электростанциях, использующих возобновляемый источник энергии — энергию Солнца, известно достаточно давно, и сказано о них очень многое. Ряд проектов уже воплощен в жизнь и успешно эксплуатируется в различных странах.
В более скромных масштабах солнечные батареи используются для энергоснабжения небольших объектов, например, коттеджей: от установленных, как правило, на кровле фотоэлектрических панелей получают электричество, расходуемое на бытовые нужды.
Кондиционер для грузовика, работающий на солнечной энергии
Еще реже от солнечных батарей предлагается запитывать различное оборудование. Если учесть, что в отличие от другой бытовой техники кондиционеры используются именно в солнечные дни, то было бы логично подключить к солнечной батарее именно кондиционер.
Подобные решения уже предлагаются многими зарубежными производителями оборудования для кондиционирования воздуха, например, Sanyo, Mitsubishi, LG. Однако очевидно, что кондиционер, будучи энергоемким оборудованием, потребует размещения достаточно большого количества фотоэлектрических панелей. Поэтому разные производители используют солнечные батареи по-разному: для запитывания только вентиляторов, для частичного электроснабжения кондиционера или для его полного обеспечения электроэнергией.
В любом случае к кондиционеру подводится силовой кабель от электросети, однако приоритет по источнику энергии отдается солнечным батареям. Например, для питания солнечных кондиционеров компаний GREE и MIDEA используется постоянный ток. В обычном режиме ток поступает от фотоэлектрических панелей, а при отсутствии солнца — через выпрямитель из электросети здания.
Однако отметим, что КПД современных фотоэлектрических панелей не превышает 25 %, что нельзя назвать эффективным преобразованием энергии. Даже несмотря на разработку комбинированных батарей на основе кристаллического кремния, КПД которых достигает 43 %, по-прежнему более половины энергии теряется в процессе ее конвертации. Именно поэтому считается, что фотоэлектрические солнечные кондиционеры уступают в эффективности, например, абсорбционным.
Экологичность как двигатель солнечного кондиционирования
Сегодня большое внимание уделяется экологичности тех или иных решений. Особо остро экологический вопрос стоит в области кондиционирования.
Пока солнечные климатические системы еще мало распространены. Однако направленность мировых усилий на снижение выбросов углекислого газа в атмосферу и рост цен на традиционные энергоносители могут стать хорошим стимулом для развития солнечной климатической техники.
Очевидно, что энергопотребление системы кондиционирования при параллельном использовании солнечной энергии снизится. Кроме того, использование тепловой энергии Солнца может расширить область применения абсорбционных холодильных машин, работающих на безопасных рабочих жидкостях — воде или соляных растворах.
Помните, когда идея использования Солнца в качестве источника энергии была не чем иным, как красивой утопией? Мир меняется, и благодаря напряженной работе ученых и инженеров мы уже стоим на пороге новой энергетической революции. Давайте совершим небольшое путешествие по истории фотоэлектрических технологий, от простых экспериментов до мощных и эффективных солнечных батарей, используемых в повседневной жизни многими домохозяйствами. Неудивительно, что солнечная энергия стала для нас столь важной. Ведь солнце способно обеспечить нас чистой и безопасной энергией на долгие годы.
Физическая основа фотоэлектрического эффекта
Впереди нас ждет тайна. Как можно преобразовать обычный свет, который мы видим каждый день, в электричество? Ответ лежит глубоко в квантовой механике. Когда фотоны попадают на поверхность полупроводника, происходит удивительное явление.
Эти маленькие частицы света «будят» электроны, заставляя их двигаться. А когда электроны начинают бурно двигаться, они создают электрический ток.
Это процесс преобразования света в электричество. Хотя этот процесс кажется сложным, его результаты очевидны — солнечные панели помогают нам заботиться о нашей планете и делают нашу жизнь более комфортной.
Структура солнечного элемента
Вы когда-нибудь задумывались, из чего на самом деле состоит солнечная панель? На самом деле, на первый взгляд, это просто плоская пластина черного или синего цвета. Но внутри этого лежит чудесный мир технологий. Два основных слоя: n-типа и p-типа.
Это сердце каждого солнечного элемента. Когда свет падает на эти слои, между ними образуется pn-переход, играющий решающую роль в производстве электричества. Но это не все! На поверхность солнечного элемента часто наносится специальное светоотражающее покрытие. Это может показаться просто «украшением», но на самом деле такое покрытие помогает ячейке получать больше света и снижает потери на отражение. Таким образом, благодаря такому покрытию эффективность солнечного элемента значительно возрастает.
| тип батареи | особенности | преимущества | недостатки |
| монокристаллический | из однородного кристалла | высокая эффективность; длительный срок службы | высокая цена; большие размеры |
| поликристалл | из кристаллов поликремния | меньшая стоимость, чем у монокристалла; надежность | несколько меньший КПД |
| тонкая пленка (CIGS, CdTe, a-Si) | из аморфного кремния или других материалов | недорогой; гибкий | низкая эффективность; меньший срок службы |
| перовскит | новый тип с высоким потенциалом эффективности | высокая эффективность; комбинация с другими видами | технология в развитии; проблемы долговечности |
Электрические процессы в солнечном элементе
Продолжим наше путешествие в мир солнечных батарей. Помните, мы говорили о том, как фотоны управляют электронами? Таким образом, когда электроны начинают двигаться, они создают электрический ток. Этот ток, генерируемый внутри солнечного элемента, называется постоянным током. Но есть одна проблема: большая часть нашей бытовой техники работает на переменном токе. Здесь на помощь приходит инвертор. Его задача — преобразовывать постоянный ток от солнечной панели в переменный. Итак, благодаря этому небольшому, но очень важному устройству, солнечная энергия делает нашу жизнь удобнее.
Факторы, влияющие на эффективность солнечных батарей
Вы, наверное, заметили, что солнечные панели не работают с одинаковой эффективностью каждый день. Почему это происходит? Есть несколько ключевых факторов, которые играют важную роль в этом процессе.
Во-первых, это температура. Можно подумать, что чем горячее солнечные панели, тем лучше. Однако очень высокие температуры могут снизить их эффективность.
Во-вторых, угол падения света. Чем ближе угол падения к 90 градусам, тем больше энергии могут поглотить панели.
В-третьих, играет роль и спектральный состав солнечного излучения. Современные технологии призваны оптимизировать работу аккумулятора с учетом всех этих факторов.
Исследования и инновации постоянно направлены на повышение эффективности солнечных панелей, делая их более привлекательными для потребителей.
Краткое содержание и перспективы развития фотовольтаики
Фотовольтаика: раздел науки на стыке физики, фотохимии и электрохимии, изучающий процесс возникновения электрического тока в различных материалах под действием падающего на них света. Этот процесс известен как фотоэлектрический или фотовольтаический эффект. Особое практическое значение фотовольтаики состоит в преобразовании в электрическую энергию энергии солнечного света для целей солнечной энергетики.
С каждым годом фотоэлектрика становится важной частью мировой энергетической отрасли. Инновации в производстве и совершенствовании солнечных панелей делают их более эффективными, дешевыми и доступными. Но это только начало! Представьте себе мир, где каждый дом, каждое здание оснащено солнечными батареями, обеспечивающими чистую и непрерывную энергию. Эта идея уже не кажется утопической, не так ли? Интеграция солнечных панелей в современные энергетические системы — это не только экономично, но и важный шаг на пути к устойчивому и экологически чистому будущему нашей планеты. На пороге новой энергетической эры мы все являемся свидетелями замечательных достижений в области возобновляемых источников энергии.
