Солнечная энергетика виды. Преимущества и недостатки солнечной энергии. Солнечные электростанции солнечно-вакуумного типа

Энергия солнца – это всего лишь поток фотонов. И вместе с тем это – один из основополагающих факторов, обеспечивающих само существование жизни в нашей биосфере. Поэтому вполне естественно, что солнечный свет активно используется человеком не только в климатическом аспекте, но и в качестве альтернативного источника энергии.

Где используется солнечная энергия

Сфера применения энергии солнца очень обширна, и с каждым годом она становится все больше. Так, еще совсем недавно дачный душ с солнечным нагревателем воспринимался как нечто необыкновенное, а возможность использования солнечного света для домашних электросетей и вовсе казалась фантастикой. Сегодня же никого не удивишь не только автономной гелиостанцией, но и мобильными зарядками на солнечных батареях и даже мелкой техникой (например, часами), работающей на фотогальваническом эффекте.

Вообще же использование солнечной энергии очень востребовано в таких областях, как:

Сельское хозяйство;
Энергоснабжение санаториев и пансионатов;
Космическая отрасль;
Природоохранная деятельность и экотуризм;
Электрификация отдаленных и сложнодоступных регионов;
Уличное, садовое и декоративное освещение;
Сфера ЖКХ (ГВС, придомовое освещение);
Мобильная техника (гаджеты и зарядные модули на солнечных батареях).

Ранее энергия солнца использовалась главным образом в космической отрасли (энергоснабжение спутников, станций и т.д.) и в промышленности, но со временем альтернативную энергетику начали активно развивать и в быту. Одними из первых объектов, оснащенных солнечными установками, стали южные пансионаты и санатории, особенно расположенные в уединенных районах.

Солнечные установки и их преимущества

Успешное применение первых гелиомодулей доказало, что энергия солнечных лучей обладает массой преимуществ перед традиционными источниками. Ранее главными достоинствами гелиоустановок называли лишь экологичность и неисчерпаемость (а также бесплатность) солнечного света.

Но на самом деле список достоинств гораздо шире:

Автономность, так как не требуется никаких внешних энергокоммуникаций;
Стабильность подачи питания, в силу специфики солнечный ток не подвержен скачкам напряжения;
Экономичность, так как средства тратятся только один раз, при монтаже установки;
Солидный ресурс эксплуатации (свыше 20 лет);
Всесезонное использование, солнечные установки эффективно работают даже в морозы и облачную погоду (с незначительным снижением КПД);
Простота и удобство сервисного обслуживания, так как требуется только изредка очищать лицевые стороны панелей от загрязнений.

Единственным недостатком можно назвать только зависимость от солнца и тот факт, что такие установки не работают ночью. Но эта проблема решается за счет подключения специальных аккумуляторов, в которых накапливается выработанная за день энергия солнечного света.

Фотоэнергия

Фотоэнергия – это один из двух способов использования излучения солнца. Это постоянный ток, вырабатываемый под действием солнечных лучей. Происходит такое преобразование в так называемых фотоячейках, которые, по сути, представляют собой двухслойную структуру из двух полупроводников разного типа. Нижний полупроводник относится к p-типу (с недостатком электронов), верхний – к n-типу с избытком электронов.

Электроны n-проводника поглощают энергию падающих на них лучей солнца и покидают свои орбиты, причем энергетического импульса достаточно для того, чтобы они перешли в зону p-проводника. При этом образуется направленный электронный поток, называемый фототоком. Иными словами, вся структура работает как своеобразные электроды, в которых под воздействием солнца генерируется электроэнергия.

Для производства таких фотоячеек применяют кремний. Объясняется это тем, что кремний во-первых, широко распространен, а во-вторых, его промышленная обработка не требует больших затрат.

Фотоячейки из кремния бывают:

Монокристаллическими. Изготавливаются из монокристаллов и отличаются равномерной структурой с чуть более высоким КПД (примерно 20%), но при этом дороже стоят.
Поликристаллическими. Имеют неравномерную структуру за счет использования поликристаллов и несколько более низкий КПД (15-18%), но гораздо дешевле моновариантов.
Тонкопленочными. Изготавливаются методом напыления аморфного кремния на тонкопленочную подложку. Отличаются гибкой структурой и самой низкой себестоимостью производства, однако имеют вдвое больше габариты по сравнению с кристаллическими аналогами той же мощности.

Сферы применения каждого типа ячеек весьма обширны и определяются их эксплуатационными особенностями.

Солнечные коллекторы

Гелиоколлекторы также используются как преобразователи солнечной энергии, но принцип их действия совершенно иной. Они преобразуют падающий свет не в электрическую, а в тепловую энергию за счет нагрева жидкого теплоносителя. Применяют их либо для ГВС, либо для отопления домов. Главный элемент любого коллектора – абсорбер, он же – теплопоглотитель. Абсорбер представляет собой либо плоскую пластину, либо трубчатую вакуумированную систему, внутри которой циркулирует теплоноситель (это или простая вода, или антифриз). Причем абсорбер обязательно красится в черный цвет специальной краской для увеличения коэффициентов поглощения.

Именно по типу абсорберов коллекторы делят на плоские и вакуумные. У плоских теплопоглотитель выполняют в виде металлической пластины, к которой снизу припаян металлический же змеевик с теплоносителем. У вакуумных абсорбер изготавливается их нескольких соединенных между собой на концах стеклянных трубок. Трубки делают двойными, между стенками создают вакуум, а внутри помещают стержень с теплоносителем. Все стержни сообщаются между собой посредством специальных соединителей в местах стыков труб.

Абсорберы обоих типов помещают в прочный легкий корпус (обычно – из алюминия или ударопрочных пластиков) и надежно теплоизолируют от стенок. Лицевая же сторона корпуса закрывается прозрачным ударостойким стеклом с максимальной проницаемостью для фотонов. Это обеспечивает лучшее поглощение солнечной энергии.

Особенности функционирования

Принцип работы обоих типов коллекторов аналогичен. Нагреваясь в коллекторе до высоких температур, теплоноситель проходит по соединительным шлангам в теплообменный бак, который наполнен водой. Через бак он проходит по змеевидной трубке, отдавая свое тепло воде. Остывший теплоноситель выходит из бака и подается обратно в коллектор. По сути, это – своеобразный «солнечный» кипятильник», только вместо нагревательной спирали используется змеевик в баке, а вместо электросети – солнечный свет.

Конструктивные различия определяют и разницу в применении вакуумных и плоских коллекторов. Использование солнечного излучения при помощи вакуумных моделей возможно круглый год, в том числе и зимой, и в межсезонье. Плоские же варианты лучше работают в летний период. Однако они дешевле и проще вакуумных, поэтому оптимально подходят именно для сезонных целей.

Солнечная энергия в городах (экодома)

Гелиоэнергетика активно применяется не только для частных домов, но и для городских строений. Как человек использует солнечную энергию в мегаполисах, догадаться не сложно. Она также применяется для обогрева и ГВС зданий, причем нередко – целых кварталов.

В последние годы активно развиваются и воплощаются концепции экодомов, полностью работающих на альтернативных источниках энергии. В них используются комбинированные системы, обеспечивающие эффективное получение солнечной, ветровой и тепловой энергии земли. Нередко такие дома не только целиком покрывают свои энергетические нужды, но и передают излишки в городские сети. Причем совсем недавно проекты таких экозданий появились и в России.

Гелиостанции и их виды

В южных регионах с высокой инсоляцией строят не просто отдельные гелиоустановки, но целые станции, вырабатывающие энергию в промышленных масштабах. Количество солнечной энергии, производимое ими, весьма велико и многие страны с подходящим климатом уже начали постепенный перевод всей энергосистемы на такой альтернативный вариант. По принципу работу станции делят на фототермические и фотоэлектрические. Первые работают по методу коллекторов и подают в дома разогретую воду для ГВС, вторые же вырабатывают непосредственно электричество.

Существует несколько видов гелиостанций:

Башенные. Позволяют получать сверхнагретый водяной пар, подаваемый на генераторы. В центре станции базируется башня с водным резервуаром, вокруг нее размещают гелиостаты (зеркальные), которые фокусируют лучи на резервуаре. Это достаточно эффективные станции, главный их недостаток – сложность точного позиционирования зеркал.
Тарельчатые. Состоят из приемника гелиоэнергии и отражателя. Отражатель – тарелкообразное зеркало, концентрирующее излучение на приемнике. Такие концентраторы солнечной энергии располагаются на небольшом удалении от приемника, а их количество определяется требуемой мощностью установки.
Параболические. Трубки с теплоносителем (обычно – маслом) помещают в фокусе длинного параболического зеркала. Разогретое масло отдает тепло воде, та вскипает и вращает генераторы.
Аэростатные. По сути, это самые эффективные и мобильные гелиостанции на Земле. Их главный элемент – аэростат с фотоэлектрическим слоем, наполненный водяным паром. Он поднимается высоко в атмосферу (обычно выше облаков). Разогретый пар из шара по гибкому паропроводу подается на турбину, на выходе из нее конденсируется и вода насосом поднимается обратно в шар. Попав в шар, вода испаряется и цикл продолжается.
На фотобатареях. Это уже привычные всем установки на солнечных батареях, которые используются для частных домов. Они обеспечивают получение электроэнергии и подогрев воды в нужных объемах.

Сегодня разного рода гелиостанции (в том числе и комбинированные, объединяющие несколько типов) играют все большую роль в энерговыработке многих стран. А некоторые государства перестраивают свою энергетику таким образом, чтобы через несколько лет вообще практически полностью перейти на альтернативные системы.

В последние годы ученых особенно интересуют альтернативные источники энергии. Нефть и газ рано или поздно закончатся, поэтому подумать о том, как мы будем выживать в этой ситуации, приходится уже сейчас. В Европе активно используются ветряки, кто-то пытается извлечь энергию из океана, а мы поговорим о солнечной энергии. Ведь звезда, которую мы практически каждый день видим в небе, может помочь нам сберечь и улучшить экологическую обстановку. Значение солнца для Земли трудно переоценить - оно дает тепло, свет и позволяет функционировать всему живому на планете. Так почему бы не найти ему еще одно применение?

Немного истории

В середине 19 века физик Александр Эдмон Беккерель открыл фотогальванический эффект. А к концу столетия Чарльз Фриттс создал первый прибор, способный перерабатывать солнечную энергию в электричество. Для этого использовался селен, покрытый тонким слоем золота. Эффект был слабым, но именно это изобретение зачастую связывают с началом эры солнечной энергии. Некоторые ученые не согласны с такой формулировкой. Они называют родоначальником эры солнечной энергии всемирно известного ученого Альберта Эйнштейна. В 1921 году он получил Нобелевскую премию за объяснение законов внешнего фотоэффекта.

Казалось бы, солнечная энергия - это перспективный путь развития. Но существует немало препятствий для того, чтобы она вошла в каждый дом - в основном, экономических и экологических. Из чего складывается стоимость солнечных батарей, какой вред они могут нанести окружающей среде и какие еще существуют способы получения энергии, узнаем ниже.

Способы накопления

Самой актуальной задачей, связанной с приручением энергии солнца, является не только ее получение, но и аккумуляция. И именно это является самым сложным. В настоящее время учеными было разработано только 3 способа полноценного приручения солнечной энергии.

Первый основан на использовании параболического зеркала и немного напоминает игру с лупой, которая всем знакома с детства. Сквозь линзу свет проходит, собираясь в одной точке. Если в этом месте положить кусочек бумаги, она загорится, поскольку температура скрещенных солнечных лучей невероятно высока. Параболическое зеркало представляет собой вогнутый диск, напоминающий неглубокую чашу. Это зеркало, в отличие от лупы, не пропускает, а отражает солнечный свет, собирая его в одной точке, которая обычно направлена на черную трубу с водой. Такой цвет используют потому, что он лучше всего поглощает свет. Вода в трубе под действие солнечных лучей нагревается и может использоваться для получения электричества или для отопления небольших домов.

Плоский нагреватель

В этом способе используется совсем другая система. Приемник солнечной энергии выглядит как многослойная конструкция. Принцип его работы выглядит так.

Проходя через стекло, лучи попадают на затемненный металл, который, как известно, лучше поглощает свет. Солнечная радиация превращается в и нагревает воду, которая находится под железной пластиной. Далее все происходит как в первом способе. Нагретую воду можно использовали либо для отопления помещений, либо для получения электрической энергии. Правда, эффективность такого метода не настолько высока, чтобы использовать его повсеместно.

Как правило, полученная таким образом солнечная энергия - это тепло. Для получения электричества гораздо чаще используют третий способ.

Солнечные элементы

Больше всего мы знакомы именно с таким способом получения энергии. Он подразумевает использование различных батарей или солнечных панелей, которые можно встретить на крышах многих современных домов. Такой способ сложнее ранее описанных, но является намного более перспективным. Именно он дает возможность солнца в электричество в промышленных масштабах.

Специальные панели, предназначенные для улавливания лучей, делают из обогащенных кристаллов кремния. Солнечный свет, попадая на них, сбивает электрон с орбиты. На его место тут же стремится другой, таким образом получается непрерывная подвижная цепочка, которая и создает ток. Он при необходимости сразу используется для обеспечения приборов или накапливается в виде электроэнергии в специальных аккумуляторах.

Популярность этого способа обоснована тем, что он позволяет получить более 120 Вт всего с одного квадратного метра солнечной батареи. При этом панели имеют сравнительно небольшую толщину, что позволяет размещать их практически везде.

Типы кремниевых панелей

Существует несколько видов солнечных батарей. Первые выполнены с использованием монокристаллического кремния. Их коэффициент полезного действия составляет примерно 15%. Такие являются наиболее дорогими.

КПД элементов, изготовленных из поликристаллического кремния, достигает 11%. Стоят они меньше, поскольку материал для них получают по упрощенной технологии. Третий тип является наиболее экономичным и отличается минимальным КПД. Это панели из аморфного кремния, то есть некристаллического. Кроме низкой эффективности, они имеют еще один существенный недостаток - недолговечность.

Некоторые производители для увеличения КПД задействуют обе стороны панели солнечной батареи - тыльную и фронтальную. Это позволяет улавливать свет в больших объемах и увеличивает количество получаемой энергии на 15-20%.

Отечественные производители

Солнечная энергия на Земле получает все большее распространение. Даже в нашей стране заинтересованы в изучении этой отрасли. Несмотря на то что в России не очень активно идет развитие альтернативной энергетики, определенных успехов удалось добиться. В настоящее время созданием панелей для получения солнечной энергии занимаются несколько организаций - в основном это научные институты различной направленности и заводы по производству электрооборудования.

НПФ "Кварк".
ОАО «Ковровский механический завод».
Всероссийский НИИ электрификации сельского хозяйства.
НПО машиностроения.
АО ВИЭН.
ОАО «Рязанский завод металлокерамических приборов».
АООТ Правдинский опытный завод источников тока «Позит».

Это только небольшая часть предприятий, принимающих активное участие в развитии альтернативной

Влияние на окружающую среду

Отказ от угольных и нефтяных источников энергии связан не только с тем, что эти ресурсы рано или поздно закончатся. Дело в том, что они сильно вредят окружающей среде - загрязняют почву, воздух и воду, способствуют развитию заболеваний у людей и снижению иммунитета. Именно поэтому альтернативные источники энергии должны быть безопасны с экологической точки зрения.

Кремний, который используется для производства фотоэлементов, сам по себе безопасен, поскольку является природным материалом. Но после его очистки остаются отходы. Именно они могут нанести вред человеку и окружающей среде при неправильном использовании.

Кроме того, на участке, полностью заставленном солнечными батареями, может нарушиться естественное освещение. Это приведет к изменениям в существующей экосистеме. Но в целом влияние на окружающую среду устройств, предназначенных для преобразования солнечной энергии, минимально.

Экономичность

Самые большие затраты по связаны с дороговизной сырья. Как мы уже выяснили, специальные панели создаются с использованием кремния. Несмотря на то что этот минерал широко распространен в природе, с его добычей связаны большие проблемы. Дело в том, что кремний, который составляет более четверти массы земной коры, не подходит для производства солнечных батарей. Для этих целей пригоден только чистейший материал, получаемый промышленным способом. К сожалению, из песка получить чистейший кремний крайне проблематично.

По цене данный ресурс сравним с ураном, использующимся на АЭС. Именно поэтому стоимость солнечных батарей в настоящее время остается на довольно высоком уровне.

Современные технологии

Первые попытки приручить солнечную энергию появились достаточно давно. С тех пор многие ученые активно заняты поисками максимально эффективного оборудования. Оно должно быть не только экономически выгодным, но также компактным. Его КПД должен стремиться к максимуму.

Первые шаги к идеальному прибору для получения и преобразования солнечной энергии были сделаны с изобретением кремниевых батарей. Конечно, цена достаточно высока, но зато панели могут быть размещены на крышах и стенах домов, где они никому не будут мешать. А эффективность таких батарей неоспорима.

Но лучший способ увеличить популярность солнечной энергии - сделать ее более дешевой. Немецкие ученые уже предложили заменить кремний синтетическими волокнами, которые могут быть интегрированы в ткань или другие материалы. КПД такой солнечной батареи не очень высок. Но рубашка с вкраплением синтетических волокон сможет, по крайней мере, обеспечить электроэнергией смартфон или плеер. Активно ведутся работы и в области нанотехнологий. Вероятно, именно они позволят солнцу стать наиболее популярным источником энергии уже в этом столетии. Специалисты компании Scates AS из Норвегии уже заявили, что нанотехнологии позволят сократить стоимость солнечных панелей в 2 раза.

Солнечная энергия для дома

О жилье, которое само себя будет обеспечивать, наверняка мечтают многие: нет зависимости от централизованного отопления, сложностей с оплатой счетов и вреда для окружающей среды. Уже сейчас во многих странах активно строится жилье, потребляющее только энергию, полученную из альтернативных источников. Яркий пример - так называемый солнечный дом.

В процессе строительства он потребует больших вложений, чем традиционный. Но зато после нескольких лет эксплуатации все затраты окупятся - не придется платить за отопление, горячую воду и электричество. В солнечном доме все эти коммуникации привязаны к специальным фотоэлектрическим панелям, размещенным на крыше. Причем полученные таким образом энергетические ресурсы не только расходуются на текущие нужды, но и накапливаются для использования в ночное время и при пасмурной погоде.

В настоящее время строительство таких домов ведется не только в странах, приближенных к экватору, где добывать солнечную энергию проще всего. Их возводят также и в Канаде, Финляндии и Швеции.

Плюсы и минусы

Развитие технологий, позволяющих повсеместно использовать солнечную энергию, могло бы вестись более активно. Но существую определенные причины, по которым это все еще не является приоритетной задачей. Как мы уже говорили выше, при производстве панелей вырабатываются вредные для окружающей среды вещества. Кроме того, готовое оборудование содержит в своем составе галлий, мышьяк, кадмий и свинец.

Немало вопросов вызывает и необходимость утилизации фотоэлектрических панелей. Через 50 лет работы они станут непригодными для службы, и их придется каким-то образом уничтожать. Не нанесет ли это колоссальный вред природе? Стоит также учитывать, что солнечная энергия - это непостоянный ресурс, эффективность получения которого зависит от времени суток и погоды. А это является существенным недостатком.

Но и плюсы, конечно, есть. Солнечную энергию можно добывать практически в любой точке Земли, а оборудование для ее получения и преобразования может быть настолько маленьким, что поместится на тыльной стороне смартфона. Что еще немаловажно, это возобновляемый ресурс, то есть количество солнечной энергии будет оставаться неизменным еще как минимум тысячи лет.

Перспективы

Развитие технологий в области солнечной энергетики должно привести к снижению затрат на создание элементов. Уже сейчас появляются стеклянные панели, которые могут быть установлены на окнах. Развитие нанотехнологий позволило изобрести краску, которая будет напыляться на солнечные батареи и сможет заменить кремниевый слой. Если стоимость солнечной энергии действительно снизится в несколько раз, ее популярность также вырастет многократно.

Создание маленьких панелей для индивидуального применения позволит людям в любых условиях использовать солнечную энергию - дома, в машине или даже за городом. Благодаря их распространению снизится нагрузка на централизованные электросети, поскольку люди смогут самостоятельно зарядить мелкую электронику.

Специалисты компании Shell полагают, что к 2040 году около половины энергии в мире будет создаваться за счет возобновляемых ресурсов. Уже сейчас в Германии потребление солнечной энергии активно растет, а мощность батарей составляет более 35 Гигаватт. Япония также активно развивает эту отрасль. Две эти страны - лидеры потребления солнечной энергии в мире. Вероятно, скоро к ним присоединятся и Соединенные Штаты.

Другие альтернативные источники энергии

Ученые не перестают ломать голову над тем, что еще можно использовать для получения электричества или тепла. Приведем примеры наиболее перспективных альтернативных источников энергии.

Ветряки сейчас можно встретить практически в любой стране. Даже на улицах многих российских городов устанавливают фонари, которые сами обеспечивают себя электричеством за счет энергии ветра. Наверняка их себестоимость выше средней, но зато со временем они эту разницу возместят.

Достаточно давно была придумана технология, позволяющая получать энергию, используя разницу температур воды на поверхности океана и на глубине. Китай активно собирается развивать это направление. В ближайшие годы у берегов Поднебесной собираются построить крупнейшую электростанцию, работающую по этой технологии. Существуют и другие способы использования моря. Например, в Австралии планируют создать электростанцию, генерирующую энергию из силы течений.

Есть и многие другие или тепла. Но на фоне многих других вариантов солнечная энергия - это действительно перспективное направление развития науки.

Становились ли вы участником обсуждений альтернативной энергии? Практически каждый человек хоть что-то, но слышал об этом. И многим даже выпадало воочию наблюдать солнечные батареи или ветровые электростанции. Сейчас развитие данной сферы энергоснабжения очень важно для дальнейшего комфортного существования человечества.

Так как основную часть традиционных ресурсов, таких как полезные ископаемые, мы практически исчерпали, приходится искать более долговечные источники. Одним из таких нетрадиционных источников энергии является солнечная энергия. Этот ресурс один из наиболее распространенных и легкодоступных, поскольку солнечный свет в том или ином количестве есть в любом уголке нашей планеты. Поэтому разработки, связанные с аккумуляцией солнечной энергией, начались достаточно давно и активно проводятся и по сей день.

Как источник энергии солнечный свет отличная альтернатива традиционным ресурсам. И при грамотном использовании вполне может вытеснить все другие энергоресурсы в будущем.

Чтобы найти наиболее эффективные методы преобразования энергии Солнца, ученым нужно было понять, какое превращение является источником солнечной энергии. Для получения ответа на данный вопрос было проведено огромное количество опытов и исследований. Существуют разные гипотезы, призванные объяснить это явление. Но экспериментальным путем в процессе долгих исследований было доказано, что реакция, во время которой с помощью ядер углерода водород превращается в гелий, выступает тем самым основным источником солнечной энергии.

Мы уже знаем, что источником солнечной энергии являются водород и гелий, но ведь и сама солнечная энергия – это источник для определенных процессов. Все земные природные процессы осуществляются благодаря энергии, полученной от Солнца.

Без солнечных излучений был бы невозможным:

Круговорот воды в природе. Именно благодаря воздействию Солнца испаряется вода. Именно этот процесс запускает циркуляцию влаги на Земле. Повышение и понижение температуры влияет на образование облаков и выпадение осадков.
Фотосинтез. Процесс, благодаря которому поддерживается баланс углекислого газа и кислорода, образуются необходимые для развития и роста растений вещества также происходит с помощью солнечных лучей.
Циркуляция атмосферы. Солнце влияет на процессы перемещения воздушных масс и теплорегуляции.

Солнечная энергия – это основа существования жизни на Земле. Но на этом ее благотворное воздействие не заканчивается. Для человечества солнечная энергия может быть полезной как альтернативный источник энергии.

В настоящее время активное развитие технологий сделало возможным преобразование энергии Солнца в другие применяющиеся человеком виды. Как возобновляемый источник энергии солнечная энергия получила широкое распространение и активно используется, как в промышленных масштабах, так и локально на небольших частных участках. И с каждым годом сфер, где применение гелиотермальной энергии является обыденным делом, становится все больше.

Сегодня солнечный свет как источник энергии используется:

В сельском хозяйстве для отопления и электроснабжения различных хозяйственных построек таких, как теплицы, ангары и прочие.
Для обеспечения электричества в медицинских центрах и зданий спортивного назначения.
Для снабжения электроэнергией населенных пунктов.
Для обеспечения более дешевого освещения на улицах городов.
Для поддержания налаженной работы всех коммуникационных систем в жилых домах.
Для ежедневных бытовых потребностей населения.

Исходя из этого, мы видим, что солнечная энергия в действительности может стать отличным источником питания практически в каждой сфере человеческой деятельности. Поэтому продолжение исследований в данной отрасли могут изменить привычное нынешнее существование в корни.

На сегодняшний день благодаря различным разработкам и методам солнечная энергия как альтернативный источник энергии может быть преобразована и аккумулирована разными способами. Сейчас существуют системы активного использования гелиоэнергии, и пассивные системы. В чем их суть?

Пассивные (подбор стройматериалов и проектировка помещений для максимального применения энергии солнечного света) по большей части направлены на использование прямой солнечной энергии. Пассивные системы – это здания, в которых проектирования происходило таким способом, чтобы как можно больше световой и тепловой энергии получать от Солнца.
Активные (фотоэлектрические системы, солнечные электростанции и коллекторы), в свою очередь, подразумевают действительно переработку полученной солнечной энергии в другие необходимые человеку виды.

Оба вида подобных систем применяются в тех или иных случаях в зависимости от потребностей, которые они должны удовлетворять. Будь то строительство экологически чистого солнечного дома или установка коллектора на участке – это в любом случае даст свой результат и будет выгодным вложением.

Что такое солнечная электростанция? Это специально организованное инженерное сооружение, благодаря которому происходят процессы преобразования солнечной радиации для дальнейшего получения электроэнергии. Конструкции подобных станций могут быть совершенно различными в зависимости от того, какой способ переработки будет применяться.

Разновидности солнечных электростанций:

СЭС, в основе сооружения которой находится башня.
Станция, сооружающаяся по тарельчатому типу.
Основанная на работе фотоэлектрических модулей.
Станции, работающие с применением параболоцилиндрических концентраторов.
С двигателем Стерлинга, взятым за основу работы.
Станции аэростатного типа.
Электростанции комбинированного типа.

Как мы видим, солнечная электростанция как источник энергии давно перестала быть частью утопических научно-фантастических романов и активно используется во всем мире для удовлетворения энергетических потребностей общества. В ее работе существуют как явные преимущества, так и недостатки. Но их правильный баланс дает возможность получать необходимый результат.

Плюсы и минусы солнечных электростанций

Достоинства:

Солнечная энергия является возобновляемым источником энергии. При этом сама по себе она общедоступная и бесплатная.
Солнечные установки достаточно безопасны в использовании.
Подобные электростанции являются полностью автономными.
Они отличаются экономностью и быстрой окупаемостью. Основные затраты происходят только лишь на необходимое оборудование и в дальнейшем требуют минимальных вложений.
Еще одна отличительная черта – это стабильность в работе. На подобных станциях практически не бывает скачков напряжения.
Они не прихотливы в обслуживании и достаточно просты в использовании.
Также для оборудования СЭС характерный долгий эксплуатационный период.

Недостатки:

Как источник энергии солнечной системы очень чувствительны к климату, погодным условиям и времени суток. Подобная электростанция не будет эффективно и продуктивно работать ночью или в пасмурный день.
Более низкая продуктивность в широтах с яркой сменой сезонов. Максимально эффективны в местности, где количество солнечных дней в году наиболее близко к 100%.
Очень высокая и малодоступная стоимость оборудования для солнечных установок.
Потребность в проведении периодических очисток от загрязнений панелей и поверхностей. Иначе меньшее количество радиации поглощается и падает продуктивность.
Значительное повышение температуры воздуха в пределах электростанции.
Потребность в использовании местности с огромной площадью.
Дальнейшие трудности в процессе утилизации составляющих станции, в особенности фотоэлементов, после окончания срока их эксплуатации.

Как и в любой производственной сфере, в переработке и преобразовании солнечной энергии есть свои сильные и слабые стороны. Очень важно, чтобы преимущества перекрывали недостатки, в таком случае работа будет оправдана.

Сейчас большинство разработок в данной отрасли направлены на оптимизацию и улучшение функционирования и использования уже существующих методов и на разработку новых, более безопасных и продуктивных.

Солнечная энергия – энергия будущего

Чем дальше шагает в своем техническом развитии наше общество, тем больше источников энергии может потребоваться с каждым новым этапом. Но традиционных ресурсов становится все меньше, а цена на них растет. Поэтому люди начали активнее задумываться об альтернативных вариантах энергоснабжения. И тут пришли на помощь возобновляемые источники. Энергия ветра, воды или Солнца – это новый виток, позволяющий и дальше развиваться обществу, снабжая его необходимыми ресурсами.

Плавучие солнечные панели попали в поле зрения экспертов еще в 2011 году, когда французская фирма Ciel & Terre разработала свой первый «поплавок» - систему Hydrelio Floating PV, отмечает сайт EVWind .

Плавучий остров-панель оказался востребованным на рынке чистой энергии, многие страны взяли этот метод получения электроэнергии на вооружение. Например, в Чили , где добыча полезных ископаемых требует постоянных затрат энергии и воды: положив солнечную панель на гладь многочисленных озер, правительство удешевило добычу ископаемых и снизило углеродный след.

Плавучие панели-батареи пока что проходят испытания на шахте Лос-Бронкес, поблизости которой создан экспериментальный энергетический остров - проект «Лос Тортолас» финансируется компаниями из Великобритании и США , площадь солнечных батарей составляет пока 112 квадратных метров, чилийский министр горнодобывающей промышленности Бальдо Прокурица. В апреле Тортолас был торжественно открыт, плавучая батарея обошлась в 250 тысяч долларов , но в случае успеха площадь будет расширена до 40 гектаров.

По мнению экспертов, в Чили у солнечной энергетики огромные перспективы. В стране порядка 800 прудов, которые можно использовать для установки плавучих солнечных электростанций (СЭС). По задумке инженеров, батарею-поплавок помещают в центр водного массива, который используется для хранения «хвостов» (отходов от добычи полезных ископаемых). Таким образом достигается тройная польза:

тень снижает температуру воды пруда;
испарение воды снижается на 80%;
производствоудешевляется многократно, работая на энергии солнца.

Экологи аплодируют такому плану, ведь в шахте остается куда больше воды для естественного баланса, такой подход способен уменьшить региональный расход и без того дефицитной пресной воды.

С помощью этой системы Чили рационализирует потребление свежей воды в соответствии с поставленной целью усовершенствования процесса добычи полезных ископаемых и сокращения потребления пресной воды на 50% к 2030 году. Углеродный след автоматически снижается тоже за счет производства экологически чистой энергии.

Чили постепенно наращивает долю чистой энергии

Шахта Лос-Бронкес расположена в 65 км от столицы Чили на высоте 3,5 км над уровнем моря. Почти 20% энергии, которая в производится и используется в латиноамериканской стране в 2019 году - чистая. В 2013 году показатель был равен всего шести процентам, что демонстрирует уверенный рост доли зеленой энергетики в народном хозяйстве страны и ее приверженность целям Парижского климатического соглашения (2015).

Разработки инженеров из Ciel & Terre, а также финансовая помощь дали Чили возможность расширить горизонты энергетического рынка и вырваться из порочного круга, в котором электроэнергию получают путем сжигания полезных ископаемых. Плавучие солнечные панели просты в монтаже, техобслуживании и управлении. Термопластик высокой плотности, установленный под углом 12 градусов, полностью экологичен и пригоден для вторичной переработки. Плавучая СЭС не вредит природе, экономически выгодна и гибка в настройках.

По словам чилийских инженеров, это простая и доступная альтернатива наземным объектам солнечной энергетики. Это идеальный вариант для водоемких отраслей промышленности, ограниченных в потреблении воды или земельных площадях.

«Хевел» построит в Казахстане солнечную электростанцию мощностью 100 МВт

Энергия холода: "антисолнечная батарея" работает по ночам

Инженеры создали устройство, которое можно назвать солнечной батареей навыворот: оно вырабатывает ток не когда поглощает фотоны, а когда излучает их. Такой источник энергии мог бы питать различное оборудование по ночам, отдавая в космос тепло, запасённое поверхностью Земли .

Как известно, нагретые тела испускают излучение. В этом легко убедиться, поднеся руку к горячей батарее (лучше сбоку, чтобы не мешал восходящий поток тёплого воздуха). Если объект не получает из внешней среды столько же тепловой энергии, сколько излучает, он остывает. Чтобы предмет охлаждался эффективнее, нужно предоставить ему свободно обмениваться фотонами с как можно более холодной средой.

Ещё в XX веке физики теоретически рассчитали, а в последние годы экспериментально продемонстрировали эффект отрицательной освещённости. Он заключается в том, что фотодиод может вырабатывать электричество не только поглощая приходящие из внешней среды фотоны (как в обычной солнечной батарее), но и, наоборот, отдавая их и за счёт этого охлаждаясь. На этот процесс тратится энергия, запасённая в устройстве в виде тепла.

Для работы такого устройства нужна холодная среда, в которую фотоны будут уходить, не возвращаясь обратно. И такая среда у нас под рукой, вернее, над головой: это открытый космос.

Разумеется, если такой излучатель просто запустить на орбиту (и не дать ему нагреваться от Солнца, держа в тени), он быстро высветит всё своё тепло, сравняется по температуре с космическим вакуумом и перестанет вырабатывать энергию.

Однако на Земле можно обеспечить ему тепловой контакт с поверхностью планеты. Как только фотоэлемент станет холоднее окружающих тел, дефицит энергии будет восполнен за счёт теплопроводности. Благодаря этому фотоны будут всё так же исправно улетать в ледяное космическое пространство через атмосферу, которая достаточно прозрачна на длинах волн от 8 до 13 микрометров (узкая полоса в среднем инфракрасном диапазоне). Часть энергии покидающего установку излучения будет преобразовываться в электрическую.

Именно такое устройство и создали авторы новой работы. В качестве материала для фотодиода они выбрали соединение ртути, кадмия и теллура (HgCdTe). Это вещество эффективно излучает именно в нужном диапазоне длин волн. Пройдя сквозь полусферическую линзу из арсенида галлия (GaAs) и окно из феррида бария (BaFe2), фотоны попадают на параболическое зеркало, отправляющее их прямо в небо. Чтобы попасть на диод из внешней среды, излучению требуется пройти такой же путь в обратную сторону. Все эти ухищрения нужны для того, чтобы установка обменивалась фотонами практически исключительно с космосом, а энергию от Земли получала за счёт теплопроводности.

Экспериментальная установка в опытах группы Фаня генерировала 64 нановатта на квадратный метр поверхности. Разумеется, от такой мощности нельзя запитать приборы. Однако, как рассчитали авторы, теоретический предел с учётом влияния атмосферы составляет 4 ватта на квадратный метр. Это гораздо меньше, чем у современных солнечных батарей (100–200 ватт на квадратный метр), но вполне достаточно для питания некоторых устройств.

Чтобы приблизить мощность установки к этой отметке, нужно подобрать для фотодиода материал с более выраженным эффектом отрицательной освещённости. В настоящее время исследователи заняты поисками такого вещества.

2018

Рынок солнечной энергетики ЕС вырос за год на 36%

Опубликованы предварительные данные о развитии солнечной энергетики в европейских странах. По-прежнему лидирует Германия , на второе место вышла Турция, третье место досталось Нидерландам.

Согласно статистике Ассоциации солнечной энергетики SolarPower Europe, европейский рынок значительно вырос в 2018 году. В 28 странах ЕС было введено в эксплуатацию 8 ГВт солнечных электростанций – это на 36% больше, чем в 2017 году. При этом 11 стран уже перевыполнили взятые на себя обязательства по внедрению ВИЭ и вышли на уровень 2020 года. Более широкий еврорынок, включающий Турцию, Россию , Украину, Норвегию, Швейцарию, Сербию, Белоруссию, также показал рост на 11 ГВт, что на 20% больше, чем годом ранее.

Крупнейшим рынком солнечной энергетики на европейском континенте в 2018 году в очередной раз стала Германия с новыми СЭС общей мощностью 3 ГВт. Турция за счет высоких темпов развития рынка за последние два года заняла второе место (1,64 ГВт). Нидерланды, где также был установлен национальный рекорд в 1,4 ГВт введенных в строй СЭС, разместилась по итогам года на третьем месте.

По оценкам экспертов, в 2019 году отрасль вырастет еще больше – на развитие солнечной энергетики в Европе скажутся такие факторы, как отмена пошлин на китайские солнечные панели и конкурентоспособность промышленных фотоэлектрических солнечных электростанций.

Создана молекула на основе железа, способная "захватывать" энергию солнечного света

4 декабря 2018 года стало известно, что некоторые фотокатализаторы и солнечные элементы основаны на технологии, которая включает в себя молекулы, содержащие металлы. Их задача в том, чтобы поглощать лучи и использовать их энергию . На декабрь 2018 года металлы в этих конструкциях являются редкими и дорогими - это, например, рутений, осмий и иридий.

Вместе с коллегами он работал над тем, чтобы найти альтернативу для дорогих металлов. Исследователи сосредоточились на железе, которое значительно легче добывать. Ученые создали свои молекулы на основе железа, его потенциал для использования в солнечной энергии был доказан в предыдущих исследованиях.

На декабрь 2018 года в этом исследовании ученые продвинулись еще на один шаг и разработали молекулу на основе железа, способную "захватывать" и использовать энергию солнечного света в течение достаточно длительного времени, чтобы она могла реагировать с другой молекулой.

Исследование опубликовано в журнале Science. По словам исследователей, молекулу можно использовать в следующих видах фотокатализаторов для производства солнечной энергии. Кроме того, результаты открывают другие потенциальные области применения молекул железа, например, в качестве материалов в светодиодах.

Исследователи приблизили эффективность солнечной батареи к обычной

5 октября 2018 года стало известно, что исследователи приблизили эффективность солнечной батареи к обычной. Солнечная энергия считается наиболее устойчивым вариантом замены ископаемого топлива, но технологии преобразования ее в электричество должны быть очень эффективными и дешевыми. Ученые из отдела энергетических материалов Окинавского института науки и технологий считают, что они нашли формулу для изготовления недорогих высокоэффективных солнечных батарей.

Для этого профессор Яобинг Ци, руководитель исследования, выделил три условия, которые приведут технологию к введению на рынок и успешной коммерциализации. По его словам, скорость преобразования солнечного света в электричество должна быть высокой, недорогой, а также долговечной.

На октябрь 2018 года большинство коммерческих фотоэлементов, которые используются в батареях, сделаны из кристаллического кремния. Он имеет относительно низкую эффективность - около 22%. В конечном итоге это приводит к тому, что продукт оказывается для потребителя дорогим, а его единственная мотивация для покупки - это забота о природе. Японские ученые предлагают решить проблему с помощью перовскита.

SoftBank построит в Саудовской Аравии крупнейшую солнечную электростанцию

Соответствующий меморандум о намерениях подписали в Нью-Йорке наследный принц Саудовской Аравии Мухаммед бин Сальман Аль Сауд и генеральный директор SoftBank Масаеши Сон. Принц находится в с трехнедельным официальным визитом, отмечает телеканал.

Планируемая мощность каскада солнечных батарей в 200 ГВт - это в разы больше, чем у любой существующей солнечной электростанции. Для сравнения, пиковая мощность расположенной в Калифорнии Topaz Solar Farm, одной из крупнейших подобных электростанций, составляет около 550 МВт. Энергию там аккумулируют 9 млн тонкослойных фотоэлектрических модулей.

Голландский стартап Oceans of Energy, специализирующийся на разработке плавучих систем по производству возобновляемой электроэнергии, объединился с пятью крупными компаниями, чтобы построить первую в мире солнечную электростанцию, дрейфующую в открытом море. "Такие электростанции уже работают на водоемах в материковой части разных стран. Но на море их никто не строил - это чрезвычайно трудная задача. Приходится иметь дело с огромными волнами и другими разрушительными силами природы. Однако, мы убеждены, что объединив свои знания и опыт, справимся с этим проектом", - рассказал глава Oceans of Energy Аллард ван Хоекен.

По предварительным расчетам, плавучая электростанция будет на 15% эффективнее существующих установок. Выбирать наиболее подходящие солнечные модули будет Центр исследований энергетики Нидерландов (ECN). Его специалисты считают, что это для проекта можно использовать стандартные солнечные панели, которые работают и на наземных солнечных станциях. "Посмотрим, как они поведут себя в морской воде и в неблагоприятных погодных условиях", - отметил представитель ECN Ян Кроон.

Представители консорциума подчеркивают, что плавучую солнечную электростанцию можно установить прямо между морскими ветровыми турбинами. Там более спокойные волны и уже проведены все линии электропередачи. В ближайшие три года консорциум будет работать над прототипом при финансовой поддержке государственного Агентства предпринимательства Нидерландов. А Утрехтский университет предоставит стартапу материалы своих исследований.

Стоимость солнечной энергии в Австралии упала на 44% с 2012 года

Такое увлечение возобновляемой энергии привело к тому, что люди действительно начали платить меньше за электричество. Плюсом к этому также стало то, что стоимость самой электроэнергии снизилась. С 2012 года издержки на установку и эксплуатацию солнечных панелей упали почти на половину.

В 2017 году в стране частные домовладельцы и бизнес установили панелей суммарной мощностью 1,05 ГВт. Такую оценку дает ведомство, отвечающее за вопросы чистой энергетики в стране. Власти говорят, что это рекордный показатель за всю историю. Сообщается, что в начале этого десятилетия рост возобновляемой энергетики был связан с выгодными субсидиями и налоговыми предложениями, но рост 2017 отличается: жители страны решили таким образом бороться с повышающимися тарифами на электроэнергию, и движение стало массовым.

По прогнозам BNEF, Австралия станет мировым лидером по внедрению солнечных панелей. К 2040 году 25% потребности страны в электроэнергии будет покрываться солнечными панелями на крышах. Это станет возможным из-за того, что сегодня срок окупаемости таких решений сократился до минимального с 2012 года. Пока это не значит, что традиционные электростанции Австралии уходят в прошлое, но люди становятся свободнее в вопросах обеспечения себя электроэнергией.

2017

Южная Корея в 5 раз увеличит солнечную генерацию к 2030 году

Министр торговли, промышленности и энергетики Южной Кореи обнародовал план правительства по пятикратному увеличению выработки солнечной энергии к 2030 году .

Это заявление было сделано вскоре после того, как избранный в этом году президент Мун Чжэ Ин пообещал прекратить государственную поддержку строительства новых атомных электростанций и взять курс на экологически чистые источники электроэнергии. Правительство уже отменило строительство шести ядерных реакторов в Южной Корее .

Всего страна планирует получать к 2030 пятую часть вырабатываемого электричества из возобновляемых источников. В прошлом году этот показатель составлял 7%. Для этого к назначенному сроку планируется добавить 30,8 ГВт солнечных мощностей и 16,5 ГВ ветровых. Дополнительная энергия будет поступать из крупнейших проектов, а также от частных домохозяйств и малого бизнеса, заявил министр Пайк Унгю. "Мы фундаментально изменим путь развития возобновляемой энергетики, создав условия, при которых граждане легко смогут принять участие в торговле возобновляемой энергией", - сказал он.

Это значит, что к 2022 году примерно 1 из 30 домохозяйств должно быть оборудовано солнечными панелями, сообщает Clean Technica.

Тем не менее, пока Южная Корея занимает пятое место в мире по использованию атомной энергии. В стране 24 действующих реактора, обеспечивающих приблизительно треть потребностей страны в электричестве.

BP инвестировала $200 млн в солнечную энергетику

Пустыня Атакама в Чили- одно из самых солнечных и сухих мест на планете. Логично, что именно там решили построить крупнейшую в Латинской Америке солнечную электростанцию El Romero. Гигантские солнечные панели покрывают 280 га площади. Ее пиковая мощность - 246 МВт, а в год электростанция генерирует 493 ГВт-ч энергии - достаточно, чтобы обеспечить электричеством 240 000 домов.

Удивительно, но всего пять лет назад в Чили почти не использовали возобновляемые источники энергии. Страна была зависима от соседей-поставщиков энергоносителей, которые завышали цены и заставляли чилийцев страдать от непомерных счетов за электричество. Однако, именно отсутствие ископаемого топливо привело к серьезному потоку инвестиций в возобновляемые источники, особенно в солнечную энергетику.

Сейчас Чили производит практически самую дешевую солнечную энергию в мире. Компании надеются, что страна станет "Саудовской Аравией для Латинской Америки". Чили уже присоединился к Мексике и Бразилии в первой десятке стран-производителей возобновляемой энергетики, и теперь собирается стать лидером при переходе на "чистую" энергию в Латинской Америке.

"Правительство Мишель Бачелет совершило тихую революцию, - уверен социолог Еугенио Тирони. - Ее заслугу в переходе на возобновляемые источники энергии трудно переоценить, и это определит фактор развития страны на долгие годы".

Теперь, когда олигополистический рынок энергетики в Чили открыт для конкурентной борьбы, правительство поставило новую цель: к 2025 году 20% всей энергии страны должно поступать из возобновляемых источников. А к 2040 году Чили собирается полностью перейти на "чистую" энергетику. Даже экспертам это не кажется утопией, поскольку солнечные электростанции страны при ныне существующих технологиях производят в два раза более дешевое электричество, чем угольные электростанции. Цены на солнечную энергию упали на 75%, достигнув рекордных 2,148 центов за киловатт-час.

Компании-производители сталкиваются с другой проблемой: слишком дешевое электричество не приносит особой прибыли, а содержание и замена солнечных панелей стоит недешево. "Правительству придется строить долгосрочные стратегии, чтобы чудо не стало кошмаром", - заявил генеральный директор испанского конгломерата Acciona Хосе Игнасио Эскобар.

Google полностью переходит на солнечную и ветровую энергию

Компания стала крупнейшим в мире корпоративным покупателем возобновляемой энергии, достигнув суммарной мощности 3 ГВт. Общие инвестиции Google в сферу чистой энергетики достигли $3,5 млрд, пишет в ноябре 2017 года Electrek .

Google официально переходит на стопроцентное использование солнечной и ветряной энергии. Компания подписала контракт с тремя ветровыми электростанциями: Avangrid в Южной Дакоте, EDF в Айове и GRDA в Оклахоме, суммарная мощность которых составляет 535 МВт. Теперь офисы Google по всему миру будут потреблять 3 ГВт возобновляемой энергии.

Общие инвестиции компании в сферу энергетики достигли $3,5 млрд, и 2/3 из них приходится на объекты в . Такой интерес к "чистым" источникам связан, в первую очередь, с падением стоимости солнечной и ветряной энергии на 60-80% за последние годы.

Впервые Google подписал договор о сотрудничестве с солнечной фермой в Айове мощностью 114 МВт еще в 2010 году. К ноябрю 2016 года компания уже была участником 20 проектов по возобновляемой энергетике. Полностью перейти на энергию солнца и ветра она собиралась еще в декабре 2016 года. Сейчас Google самый крупный в мире корпоративный покупатель возобновляемой энергии.

В Швеции изобрели умные стекла для окон

Ученые давно исследуют данную область и ищут применение разработке. В современном мире такая технология актуальна, так как теплопотери домов из-за окон составляют примерно 20%. Ученые считают, что их изобретение сможет также применяться для теплоизоляции различных объектов.

В Иране деревни продают электроэнергию государству

На осень 2017 года «зеленых» деревень в ИРИ более 200. Ожидается, что к весне 2018 года их число достигнет 300. "Иран сегодня сообщает", что в некоторых населенных пунктах страны солнечные батареи стоят уже десять лет. Отмечается, что самые большие объемы энергии из солнца производят в провинциях Керман, Хузестан и Лурестан .

Изначально появление альтернативных источников энергии в деревнях Ирана обуславливалось невозможностью доставки в них электричества из городов. Теперь собственную энергию они продают Министерству энергетики ИРИ. Планируется выработать законодательные нормы, согласно которым закупки электроэнергии в деревнях станут постоянными.

К 2030 году Иран рассчитывает производить 7500 МВт «зеленой» энергии, сегодня этот показатель всего 350 МВт. Однако у страны есть хорошие перспективы для развития солнечной энергетики, потому что на 2/3 территории солнце светит 300 дней в году.

Британские ученые изобрели стеклянные кирпичи с солнечными батареям

Группа ученых Эксетерского университета в Англии разработала стеновые блоки из стекла со встроенными солнечными батареями. Об этом пишет архитектурный портал Archdaily. Блоки можно использовать при строительстве домов вместо обычных кирпичей.

Стройматериал назвали «Solar Squared» («Солнечная квадратная плитка»). Как показали тесты в лаборатории университета, помимо генерации электроэнергии блоки обладают и рядом других полезных свойств. В частности, построенные таким образом стены хорошо пропускают в здание солнечный свет и сохраняют тепло в помещениях.

Для продвижения продукта ученые создали инновационную компанию The Build Solar. В настоящее время ведется поиск инвесторов. Вывод «солнечной плитки» на рынок предварительно запланирован на 2018 год.

В Дубае запустили крупнейшую в мире солнечной электростанции

Установка каждой гелиопанели обошлась в 6 тыс. евро, включая аренду на год, ремонт и техническое оборудование. Планируется, что солнечные батареи будут работать на остановках общественного транспорта около года, после чего будут переданы школам и детсадам.

По словам Петра Свитальского, главы делегации ЕС в Армении, Евросоюз заинтересован в развитии альтернативной энергетики в стране. Остановку с гелиопанелями он назвал «солнечной остановкой Евросоюза ».

О солнечной энергетике и перспективах ее развития ведутся споры и дискуссии уже много лет. Большинство считают солнечную энергетику – энергетикой будущего, надеждой всего человечества. Серьезные инвестиции вкладывает в строительство солнечных электростанций большое количество компаний. Солнечную энергетику стремятся развивать во многих странах мирах, считая ее главной альтернативой традиционным энергоносителям. Германия, являясь далеко не солнечной страной, стала мировым лидеров в этой сфере. Совокупная мощность СЭС Германии растет год от года. Серьезно занимаются разработками в области энергии солнца и в Китае. Согласно оптимистичному прогнозу International Energy Agency, солнечные электростанции к 2050 году смогут производить до 20-25% мировой электроэнергии.
Альтернативный взгляд на перспективы солнечных электростанций базируется на том, что затраты, которые требуются для изготовления солнечных батарей и аккумуляторных систем, в разы превышают прибыль от производимой солнечными электростанциями электроэнергии. Противники этой позиции уверяют, что все как раз наоборот. Современные солнечные батареи способны работать без новых капиталовложений десятки и даже сотни лет, произведенная ими суммарная энергия равна бесконечности. Вот почему в долгосрочной перспективе электроэнергия, полученная с использованием энергии солнца, станет не просто рентабельной, а сверхприбыльной.
Где же истина? Попробуем разобраться в этом вместе с вами, уважаемые читатели. Мы рассмотрим современные подходы в сфере солнечной энергетики и некоторые гениальнейшие идеи, которые на сегодняшний день уже реализованы. Мы попробуем установить КПД солнечных батарей, функционирующих в настоящее время, понять, почему сегодня этот КПД является довольно низким.

Эффективность солнечных батарей в России
Согласно современным исследованиям, солнечная энергия составляет порядка 1367 Ватт на 1 кв.м (солнечная постоянная). На экваторе через атмосферу до земли доходит лишь 1020 Ватт. На территории России с помощью солнечных электростанций (при условии, что КПД солнечных элементов составляет сегодня 16%) в среднем можно получить 163,2 Ватта на квадратный метр.
В с учетом погодных условий, длительности дня и ночи, а также, типа установки солнечных батарей (КПД солнечной батареи не учитывается).
Если в Москве установить квадратный километр солнечных батарей под углом в 40 градусов (что для Москвы оптимально), то годовой объем выработанной электроэнергии составит 1173*0.16 = 187.6 ГВт*ч. При цене на электроэнергию в 3 рубля за кВт/ч, условная стоимость сгенерированной электроэнергии – 561 млн. рублей.

Наиболее распространенные способы генерации электроэнергии с помощью солнца:

Солнечные тепло-электространции
Громадные зеркала таких солнечных электростанций, поворачиваясь, ловят солнце и отражают его на коллектор. Принцип функционирования таких электрогенерирующих станций основан на преобразовании тепловой энергии солнца в механическую электроэнергию термодинамической машины либо с помощью газопоршневого двигателя Стирлинга, либо с помощью нагрева воды и т.п.

В качестве примера рассмотрим электростанцию Ivanpah (мощность 392 мегаватт), в которую вложил свои средства всемогущий Google. В строительство солнечной электростанции, расположенной в калифорнийской пустыне Мохаве, вложено более двух миллиардов долларов США. На 1 кВт установленной мощности СЭС затрачено 5612 долларов. Многие полагают, что эти затраты, хотя и превышают затраты на сооружение угольных электростанций, гораздо ниже, чем затраты на строительство АЭС. Но так ли это? Во первых, на атомной электростанции, на 1 кВт ее установленной мощности расходуется от 2000 до 4000 долларов, что дешевле, чем затраты, которые пошли на строительство Ivanpah. Во вторых, годовая выработка электроэнергии солнечной электростанции – 1079 ГВт*ч, следовательно, ее среднегодовая мощность 123.1МВт. К тому же, солнечная электростанция станция способна генерировать энергию солнца только в дневные часы. Таким образом, «усредненная» стоимость строительства СЭС доходит до 17870 долларов за 1 кВт, а это довольно значительная цена. Пожалуй, дороже обошлась бы разве что выработка электричества в открытом космосе. Затраты на строительство привычных электростанций, работающих, например, на газе, в 20-40 раз ниже. При этом, в отличие от солнечных электростанций, эти электростанции могут функционировать постоянно, производя электроэнергию тогда, когда в ней есть потребность, а не только в те часы, когда светит солнце.
Но мы знаем, что современные солнечные теплоэлектростанции способны генерировать электроэнергию круглосуточно, используя для этого большой объем нагреваемого в течение всего светового дня теплоносителя. Только стоимость строительства этих станций стараются не слишком афишировать, вероятно, потому, что она является значительной. А если в стоимость проектирования и строительства солнечных электростанций включить аккумуляторы, тем более, строительство гидроаккумулирующих электростанций, то сумма возрастет до фантастических размеров.

Кремниевые солнечные батареи
Сегодня для функционирования СЭС применяются полупроводниковые фотоэлементы, которые представляют собой полупроводниковые диоды большой площади. Влетающий в pn-переход световой квант, генерирует пару электрон-дырка, при этом, на выходах фотодиода создается перепад напряжения (порядка 0,5В).
КПД кремниевой солнечной батареи - порядка 16 %. Почему же КПД столь низок? Для того чтобы сформировать электронно-дырочную пару, требуется определенная энергия. Если прилетевший световой квант обладает малой энергией, то генерации пары не произойдет. В этом случае квант света просто пройдет сквозь кремний, как сквозь обыкновенное стекло. Вот почему кремний является прозрачным для инфракрасного света далее 1.2 мкм. Если же световой квант прилетит с большей энергией, чем требуется для генерации (зеленый свет), пара образуется, но избыток энергии просто уйдет в никуда. При синем и ультрафиолетовом свете (энергия которого является очень высокой), квант может не успеть долететь до самых глубин p-n перехода.

Для того чтобы солнечный свет не отражался от поверхности солнечной батареи, на нее наносится специальное противоотражающее покрытие (такое покрытие наносят и на линзы фотообъективов). Текстуру поверхности делают неровной (в виде гребенки). В этом случае световой поток, отразившись от поверхности один раз, возвращается вновь.
КПД фотоэлементов увеличивают, комбинируя между собой фотоэлементы, на основе различных полупроводников и с разной энергией, необходимой для генерации пары электрон-дырка. Для трехступенчатых кремниевых фотоэлементов достигается КПД в 44% и даже выше. Принцип работы трехступенчатого фотоэлемента основан на том, что сначала ставится фотоэлемент, который эффективно поглощает именно синий свет, а красный и зеленый, пропускает. Второй фотоэлемент поглощает зеленый, третий – ИК. Однако трехступенчатые фотоэлементы сегодня очень дороги, поэтому, повсеместно используются более дешевые одноступенчатые фотоэлементы, которые за счет цены опережают трехступенчатые по показателю Ватт/$.
Гигантскими темпами развивает производство кремниевых фотоэлементов Китай, за счет чего стоимость одного ватта снижается. В Китае она составляет примерно 0,5 долларов за Ватт.
Основными типами кремниевых фотоэлементов являются:
Монокристаллические
Поликристаллические
КПД монокристаллических фотоэлементов, которые являются более дорогими, несколько выше (всего лишь на 1 %), чем КПД поликристаллических. Поликристаллические кремниевые фотоэлементы сегодня обеспечивают наиболее дешевую стоимость 1 Ватта генерируемой электроэнергии.
Кремниевые солнечные батареи не могут служить вечно. За 20 лет эксплуатации в условиях агрессивной среды самые совершенные из них теряют до 15-ти процентов своей первоначальной мощности. Есть основания полагать, что в дальнейшем деградациях солнечных батарей замедляется.

Кремниевый фотоэлемент и параболическое зеркало
Изобретатели во всех странах мира предпринимают всевозможные попытки увеличить экономическую рентабельность солнечных электростанций. Если, например, взять маленький эффективный кремниевый фотоэлемент и параболическое зеркало (concentrated photovoltaics), можно достичь КПД в 40 % вместо 16, при этом, зеркало гораздо дешевле, чем солнечная батарея. Но для того чтобы следить за солнцем, требуется надежная механика. Громадная зеркальная поворотная тарелка должна быть надежно укреплена и защищена от мощных ветровых порывов и агрессивных факторов окружающей среды. Вторая проблема заключается в том, что параболические зеркала не могут фокусировать рассеянный свет. Если солнце зашло даже за не плотные тучи, выработка энергии с помощью параболической системы упадет до нуля. У привычных солнечных батарей в этих условиях выработка тепловой энергии тоже серьезно снижается, но не до нуля. Солнечные батареи с параболическими зеркалами слишком дороги по установочной стоимости и затратны в обслуживании.

Круглые солнечные элементы на крышах
Американской компанией Solyndra при поддержки правительства были сконструированы солнечные фотоэлементы круглой формы. Они монтировались на крышах, выкрашенных в белый цвет. Солнечные батареи круглой формы изготавливали путем напыления проводникового слоя (в случае с Solyndra использовался Copper indium gallium (di)selenide) на стеклянные трубы. Фактическая эффективность круглых батарей составляла порядка 8,5 %, что ниже более дешевых кремниевых. Solyndra, получившая государственные гарантии по громадному кредиту, обанкротилась. В технологии, экономическая эффективность от которых была весьма сомнительной с самого начала, американская экономика вложила немалые денежные средства. «Удачное» лоббирование неэффективных технологий – это не только российское ноу хау.

Большая проблема солнечной энергетики!
Известно, что солнечные электростанции генерируют электроэнергию днем, в то время, как огромная потребность в электричестве возникает как раз таки в вечерние часы. Это значит, что без аккумуляторов солнечные электростанции не будут эффективны. В вечерний пик потребления электричества придется задействовать альтернативные (классические) источники электроэнергии. В дневные часы часть традиционных электростанций придется отключить, а часть - держать в горячем резерве на случай плохой погоды. Если над солнечной электростанцией нависнут тучи, недостающую электроэнергию должна давать резервная. В итоге, классические генерирующие мощности стоят в резерве и теряют прибыль.

Есть еще один путь. Он отражен в проекте Desertec – передача электроэнергии из Африки в Европу. С помощью ЛЭП в вечерний пик потребления электричества можно передавать электроэнергию от СЭС, которые находятся в тех районах земного шара, где в это время в разгаре солнечный день. Но этот способ до перехода на сверхпроводники требует огромных финансовых затрат, а также, всевозможных согласований между разными государствами.

Использование аккумуляторов
Мы выяснили, что в среднем стоимость одного Ватта, произведенного солнечной батареей - 0,5 доллара. В течение дня (8 часов) батарея способна сгенерировать в пределах 8-ми Вт*ч. Эту энергию необходимо сохранить до вечернего пика потребления электричества.
Литиевые аккумуляторы, разработанные в Китае, стоят приблизительно 0,4 доллара за Вт*ч, следовательно, для солнечной батареи стоимостью 0,5 доллара, на 1 Вт будут необходимы аккумуляторы стоимостью 3,2 доллара, а это в шесть раз превышает стоимость самой батареи. Если учесть, что литиевый аккумулятор рассчитан максимум на 2000 циклов заряда-разряда, что составляет от трех до шести лет, то можно сделать вывод, - литиевый аккумулятор, это чрезвычайно дорогое решение.
Самыми дешевыми аккумуляторами являются свинцово-кислотные. Оптовая цена этих далеко не самых экологичных систем, порядка 0,08 доллара за Вт*ч. Свинцово-кислотные аккумуляторы также, как и литевые, рассчитаны на 3-6 лет работы. КПД свинцового аккумулятора составляет 75 %. Четвертую часть своей энергии этот аккумулятор теряет в цикле заряд-разряд. Чтобы сохранить дневную выработку солнечной энергии понадобится приобрести свинцово-кислотные аккумуляторы на 0.64 доллара. Мы видим, что это также больше, чем стоимость самих батарей.
Для современных СЭС разработаны гидроаккумулирующие электростанции. В течение светового дня в них закачивается вода, а ночью они функционируют как обычные гидроэлектростанции. Но строительство этих электростанций (КПД 90 %) не всегда возможно и чрезвычайно дорого.
Мы можем сделать неутешительный вывод. На сегодняшний день аккумуляторы обходятся дороже, чем сами СЭС. Для крупных солнечных электростанций они не предусмотрены. По мере генерации электроэнергии, крупные солнечные электростанции продают ее в распределительные сети. В вечернее и ночное время электроэнергию вырабатывают обычные электростанции.

Энергия солнца - какова сегодня ее цена?
Возьмем, к примеру, Германию – мирового лидера в использовании солнечной энергетики. Киловатт солнечной энергии, которая генерируется (даже в дневные часы, а ведь такая электроэнергия дешевле), выкупается в этой стране по цене от 12 до 17,45 евроцентов за кВт*ч. Поскольку газовые электростанции в Германии по прежнему строятся, функционируют или находятся в горячем резерве, солнечные электростанции в этой стране фактически просто помогают экономить российский газ.
Стоимость российского газа на сегодняшний день – 450 долларов за тысячу кубометров. Из этого объема газа (КПД генерации 40%) можно выработать приблизительно 4.32 ГВт электроэнергии. Следовательно, на 1 кВт*ч электричества выработанного от солнца, российского газа экономится на сумму в 0,104 доллара или 7,87 евроцента. Вот справедливая стоимость солнечной нерегулируемой генерации. Таким образом, в настоящее время в Германии солнечная энергетика на 50 % дотируется государством. Хотя, необходимо отметить, что Германия стремительно снижает стоимость генерации электроэнергии от солнца.

Делаем выводы
Самое экономичное солнечное электричество (0,5 долларов за 1 Ватт) получают сегодня с помощью солнечных поликристаллических батарей. Все остальные способы получения электричества с помощью энергии солнца, на порядок дороже.
Проблема, которая является ключевой для солнечной энергетики, это все же не КПД солнечных батарей, не цены, и не EROEI, который теоретически бесконечен. Главная проблема заключается в удешевлении способов генерации энергии солнца, полученной в дневные часы и сбережения этой энергии для вечернего пикового потребления. Ведь в настоящее время аккумуляторные системы, срок службы которых от трех до шести лет, в разы дороже самих солнечных батарей.
Солнечная генерация в значительных масштабах рассматривается сегодня только в виде способа экономии небольшой части традиционного ископаемого топлива в дневное время. Солнечная энергетика пока не в силах полностью взять на себя нагрузку в вечерние пиковые часы энергопотребления и уменьшить число АЭС, угольных, газовых и гидроэлектростанций, которые в дневные часы должны стоять в резерве, а в вечерние, брать на себя значительную энергетическую нагрузку.
Если в результате ужесточения тарифов (при которых, например, производителям водорода и алюминия будет выгодно запускать свое электролизное производство в дневные часы) пик потребления электроэнергии сместится на дневные часы, то у энергии солнца появятся более серьезные перспективы для развития.
Стоимость солнечной генерации, которая является «нерегулируемой», несопоставима со стоимостью генерации электроэнергии на привычных электростанциях, которые могут свободно генерировать ее в любое время, когда в этом есть необходимость.
Стоимость солнечной электроэнергии не должна превышать стоимости ископаемого топлива, сэкономленного с ее помощью. Если, например, газ в Германии стоит 450 долларов, то цена солнечной генерации в этой стране не должна превышать 0,1 доллара за киловатт час, в противном случае солнечная энергетика в этой стране является убыточной. До тех пор пока ископаемое топливо будет оставаться дешевым и легкодоступным, генерация солнечной энергии является невыгодной с экономической точки зрения.
В настоящее время использование энергии солнца и дорогостоящих солнечных аккумуляторных систем является экономически оправданным только для тех регионов и объектов, где нет других возможностей подключения к электросетям. Например, на одиноко стоящей, отдаленной станции сотовой связи.
Однако, не стоит забывать следующих важных факторов, которые вселяют оптимизм при рассмотрении солнечной энергетики:
1. Стоимость ископаемого топлива неуклонно растет по мере уменьшения его запасов.
2. Разумная государственная политика делает использование солнечных электростанций выгоднее.
3. Прогресс не стоит на месте! КПД солнечных электростанций повышается, разрабатываются новые технологии в генерировании и аккумулировании электроэнергии.

Поэтому, хочется верить, через 3-5 лет можно будет написать гораздо более позитивный обзор этой отрасли энергетики!