Солнечная энергетика

Перейти к навигацииПерейти к поиску
Карта солнечного излучения
Карта солнечных ресурсов. Показывает сводку расчетной солнечной энергии, доступной для производства электроэнергии и других энергетических применений.
Прачечная самообслуживания, использующая для работы солнечную энергию

Солнечная энергетика — направление альтернативной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде.

Солнечная энергетика использует Солнце, возобновляемый источник энергии[1], и является «экологически чистой», то есть не производящей вредных отходов во время активной фазы использования[2]. Производство энергии с помощью солнечных электростанций хорошо согласовывается с концепцией распределённого производства энергии.

Гелиотермальная энергетика — нагревание поверхности, поглощающей солнечные лучи, и последующее распределение и использование тепла (фокусирование солнечного излучения на сосуде с водой или солью для последующего использования нагретой воды для отопления, горячего водоснабжения или в паровых электрогенераторах). В качестве особого вида станций гелиотермальной энергетики принято выделять солнечные системы концентрирующего типа (CSP — Concentrated solar power). В этих установках энергия солнечных лучей с помощью системы линз и зеркал фокусируется в концентрированный луч света, этот луч используется как источник тепловой энергии для нагрева рабочей жидкости.

В 2020 году общая установленная мощность всех работающих солнечных панелей на Земле составила 760 ГВт.[3]. В 2019 году общая установленная мощность всех работающих солнечных панелей на Земле составила 635 ГВт[4]; в том году работающие солнечные панели на Земле всего произвели 2,7 % мировой электроэнергии[5].

Земные условия

Карта солнечного излучения — Европа

Поток солнечного излучения, проходящий через площадку в 1 м², расположенную перпендикулярно потоку излучения на расстоянии одной астрономической единицы от центра Солнца (на входе в атмосферу Земли), равен 1367 Вт/м² (солнечная постоянная). Из-за поглощения, при прохождении атмосферной массы Земли, максимальный поток солнечного излучения на уровне моря (на Экваторе) — 1020 Вт/м². Однако среднесуточное значение потока солнечного излучения через единичную горизонтальную площадку как минимум в π раза меньше (из-за смены дня и ночи и изменения угла солнца над горизонтом). Зимой в умеренных широтах это значение в два раза меньше.

Возможная выработка энергии уменьшается из-за глобального затемнения — уменьшения потока солнечного излучения, доходящего до поверхности Земли.

Достоинства и недостатки

Достоинства

  • Перспективность, доступность и неисчерпаемость источника энергии в условиях постоянного роста цен на традиционные виды энергоносителей.
  • Теоретически полная безопасность для окружающей среды, хотя существует вероятность того, что повсеместное внедрение солнечной энергетики может изменить альбедо (характеристику отражательной (рассеивающей) способности) земной поверхности и привести к изменению климата (однако при современном уровне потребления энергии это крайне маловероятно).

Недостатки

  • Зависимость от погоды и времени суток[6].
  • Сезонность в средних широтах и несовпадение периодов выработки энергии и потребности в энергии; нерентабельность в высоких широтах, необходимость аккумуляции энергии.
  • При промышленном производстве — необходимость дублирования солнечных энергетических установок традиционными сопоставимой мощности.
  • Высокая стоимость конструкции, связанная с применением редких элементов (к примеру, индий и теллур).
  • Необходимость периодической очистки, отражающей/поглощающей поверхности от загрязнения.
  • Нагрев атмосферы над электростанцией.
  • Необходимость использования больших площадей[6].
  • Старение фотоэлементов[7]
  • Сложность производства и утилизации самих фотоэлементов в связи с содержанием в них ядовитых веществ, например, свинец, кадмий, галлий, мышьяк и т. д.[6].

Солнечная электроэнергетика

Основная статья: Солнечная генерация
Годовая выработка электроэнергии в мире на СЭС[8][9][10]
ГодЭнергия ГВт·чГодовой приростДоля от всей
20042,6―0,01 %
20053,742 %0,02 %
20065,035 %0,03 %
20076,836 %0,03 %
200811,468 %0,06 %
200919,369 %0,10 %
201031,463 %0,15 %
201160,693 %0,27 %
201296,760 %0,43 %
2013134,539 %0,58 %
2014185,938 %0,79 %
2015253,036 %1,05 %
2016301,033 %1,3 %

В 1985 году все установленные мощности мира составляли 0,021 ГВт.

В 2005 году производство фотоэлементов в мире составляло 1,656 ГВт.

На начало 2010 года общая мировая мощность фотоэлементной солнечной энергетики составляла лишь около 0,1 % общемировой генерации электроэнергии[11].

В 2012 году общая мощность мировых гелиоэнергетических установок выросла на 31 ГВт, превысив 100 ГВт.

Крупнейшие производители фотоэлементов в 2012 году[12], МВт:

  1. Флаг Китайской Народной Республики Yingli — 2300;
  2. Флаг США First Solar — 1800;
  3. Флаг Китайской Народной Республики Trina Solar — 1600;
  4. Флаг Канады Canadian Solar — 1550;
  5. Флаг Китайской Народной Республики Suntech — 1500;
  6. Флаг Японии Sharp — 1050;
  7. Флаг Китайской Народной Республики Jinko Solar — 900;
  8. Флаг США SunPower — 850;
  9. Флаг Норвегии REC Group — 750;
  10. Флаг Республики Корея Hanwha SolarOne — 750.

В 2013 году глобально было установлено 39 ГВт фотоэлектрических мощностей. В результате общая мощность фотоэлектрических установок на начало 2014 года оценивалась в 139 ГВт[13].

Лидером по установленной мощности является Евросоюз[14], среди отдельных стран — Китай. По совокупной мощности на душу населения лидер — Германия.

В 2010 году 2,7 % электроэнергии Испании было получено из солнечной энергии[15].

В 2011 году около 3 % электроэнергии Италии было получено из фотоэлектрических установок[16].

В декабре 2011 года на Украине завершено строительство последней, пятой, 20-мегаваттной очереди солнечного парка в Перово, в результате чего его суммарная установленная мощность возросла до 100 МВт[17]. Солнечный парк Перово в составе пяти очередей стал крупнейшим парком в мире по показателям установленной мощности. За ним следуют канадская электростанция Sarnia (97 МВт), итальянская Montalto di Castro (84,2 МВт) и немецкая Finsterwalde (80,7 МВт). Замыкает мировую пятерку крупнейших фотоэлектрических парков — 80-мегаваттная электростанция Охотниково в Сакском районе Крыма.

В 2018 г. Саудовская Аравия заявила о намерении построить крупнейшую в мире солнечную электростанцию мощностью 200 ГВт[18].

Рабочие места

В середине 2011 года в фотоэлектрической промышленности Германии было занято более 100 тысяч человек. В солнечной энергетике США работали 93,5 тысяч человек[19].

Перспективы солнечной электроэнергетики

В мире ежегодный прирост энергетики за последние пять лет составлял в среднем около 50 %[20]. Полученная на основе солнечного излучения энергия гипотетически сможет к 2050 году обеспечить 20—25 % потребностей человечества в электричестве и сократит выбросы углекислоты. По данным Международного энергетического агентства, к середине XXI века при соответствующем уровне распространения передовых технологий будет вырабатывать около 9 тысяч ТВ·ч, или 20—25 % всего необходимого электричества, что обеспечит сокращение выбросов углекислого газа на 6 млрд тонн ежегодно[11].

Перспективы использования солнца для получения электричества ухудшаются из-за высоких издержек. Так, СТЭС Айвонпа обходится вчетверо дороже, а генерирует гораздо меньше электроэнергии, по сравнению с газовыми электростанциями. По подсчётам экспертов, в будущем электроэнергия, вырабатываемая этой станцией, будет стоить вдвое дороже, чем получаемая от обычных источников энергии, а расходы, очевидно, будут переложены на потребителей[21].

Тем не менее, по прогнозам, себестоимость генерации электроэнергии солнечными электростанциями к 2020 году снизится до себестоимости генерации с использованием ископаемого топлива и переход к использованию солнечных электростанций станет экономически выгодным[22].

Из-за низкой эффективности преобразования солнечной энергии в электричество (к. п. д. не более 30%) большая часть солнечной энергии идут на нагрев солнечных батарей, температура которых достигает 50—70 °C.[23].

Экономика солнечной энергетики

Себестоимость

Типичные факторы стоимости для солнечной энергии для случая фотовольтоники включают стоимость модулей, конструкций для их размещения, проводки, инверторов, стоимости рабочей силы, любой земли, которая может потребоваться, подключение к сети, техническое обслуживание и масштабы солнечную инсоляцию, которую место установки СЭС.

Фотоэлектрические системы не используют топливо, а срок службы модулей обычно составляет от 25 до 40 лет. Таким образом, первоначальные капитальные и финансовые затраты составляют от 80 до 90 % стоимости солнечной энергии[24].

Цены на установку мощностей

Расходы на солнечные модули высокой мощности со временем значительно снизились. В США, начиная с 1982 года стоимость за кВт составляла примерно 27 000 $, а в 2006 году стоимость снизилась примерно до 4000 $/кВт. Фотоэлектрическая система в 1992 году стоила примерно 16 000 $/кВт, а в 2008 году она упала примерно до 6000 $/кВт[25].

В 2021 году в США солнечная энергия для жилых домов стоила от 2 до 4 $ за ватт (но солнечная черепица стоила значительно больше)[26], а стоимость солнечных батарей в установках, обслуживающих коммунальные нужды составляла около 1 $/Вт[27].

Зависимость производительности от местоположения станции

Производительность солнечной энергии в регионе зависит от солнечной радиации, которая меняется в течение дня и года и зависит от широты и климата. Выходная мощность фотоэлектрической системы также зависит от температуры окружающей среды, скорости ветра, солнечного спектра, местных условий загрязнения и других факторов.

Энергия ветра на суше, как правило, является самым дешевым источником электроэнергии в Северной Евразии, Канаде, некоторых частях Соединенных Штатов и Патагонии в Аргентине, тогда как в других частях мира в основном используется солнечная энергия (или реже комбинация ветра, солнца и других видов энергия с низким содержанием углерода[28].

Места с наибольшей годовой солнечной радиацией находятся в засушливых тропиках и субтропиках. Пустыни, лежащие в низких широтах, обычно имеют мало облаков и могут получать солнечный свет более десяти часов в день[29].[30]

Освещение зданий

Основная статья: Световой колодец
Световой колодец в Пантеоне, Рим.

С помощью солнечного света можно освещать помещения в дневное время суток. Для этого применяются световые колодцы. Простейший вариант светового колодца — отверстие в потолке юрты. Световые фонари применяются для освещения помещений, не имеющих окон: подземные гаражи, станции метро, промышленные здания, склады, тюрьмы и т. д. Световой колодец диаметром 300 мм способен освещать площадь 8 м². Один колодец позволяет в европейских условиях предотвратить ежегодный выброс в атмосферу до 7,4 тонн СО2. Световые колодцы с оптоволокном разработаны в 2004 году в США. В верхней части такого колодца применяются параболические коллекторы. Применение солнечных колодцев позволяет сократить потребление электроэнергии, в зимнее время — сократить дефицит солнечного света у людей, находящихся в здании[31].

Солнечная термальная энергетика

Основные статьи: Гелиотермальная энергетика, Солнечный водонагреватель и Солнечный коллектор

Солнечная энергия широко используется как для нагрева воды, так и для производства электроэнергии. Солнечные коллекторы производятся из доступных материалов: сталь, медь, алюминий и т. д., то есть без применения дефицитного и дорогого кремния. Это позволяет значительно сократить стоимость оборудования, и произведенной на нём энергии. В настоящее время именно солнечный нагрев воды является самым эффективным способом преобразования солнечной энергии.

В 2001 году стоимость электроэнергии, полученной в солнечных коллекторах составляла 0,09—0,12 $ за кВт·ч. Департамент энергетики США прогнозирует, что стоимость электроэнергии, производимой солнечными концентраторами снизится до 0,04—0,05 $ к 2015—2020 годам.

В 2007 году в Алжире началось строительство гибридных электростанций. В дневное время суток электроэнергия производится параболическими концентраторами, а ночью из природного газа.

На начало 2010 года общая мировая мощность солнечной термальной энергетики (концентраторных солнечных станций) достигла одного гигаватта[11]. К 2020 году страны Евросоюза планируют построить 26,3 ГВт солнечных термальных мощностей[32].

Солнечная кухня

Солнечная жаровня
Основная статья: Солнечная печь

Солнечные коллекторы могут применяться для приготовления пищи. Температура в фокусе коллектора достигает 150 °С. Такие кухонные приборы могут широко применяться в развивающихся странах. Стоимость материалов необходимых для производства простейшей «солнечной кухни» составляет $3—$7.

Традиционные очаги для приготовления пищи имеют термическую эффективность около 10 %. В развивающихся странах для приготовления пищи активно используются дрова. Использование дров для приготовления пищи приводит к массированной вырубке лесов и вреду для здоровья. Например, в Индии от сжигания биомассы ежегодно поступает в атмосферу более 68 млн т СО2. В Уганде среднее домохозяйство ежемесячно потребляет 440 кг дров. Домохозяйки при приготовлении пищи вдыхают большое количество дыма, что приводит к увеличению заболеваемости дыхательных путей. По данным Всемирной организации здравоохранения в 2006 году в 19 странах южнее Сахары, Пакистане и Афганистане от заболеваний дыхательных путей умерло 800 тысяч детей и 500 тысяч женщин.

Существуют различные международные программы распространения солнечных кухонь. Например, в 2008 году Финляндия и Китай заключили соглашение о поставках 19 000 солнечных кухонь в 31 деревню Китая. Это позволит сократить выбросы СО2 на 1,7 млн т в 2008—2012 годах. В будущем Финляндия сможет продавать квоты на эти выбросы

Использование солнечной энергии в химическом производстве

  • Израильский Weizmann Institute of Science в 2005 году испытал технологию получения неокисленного цинка в солнечной башне. Оксид цинка в присутствии древесного угля нагревался зеркалами до температуры 1200 °С на вершине солнечной башни. В результате процесса получался чистый цинк. Далее цинк можно герметично упаковать и транспортировать к местам производства электроэнергии. На месте цинк помещается в воду, в результате химической реакции получается водород и оксид цинка. Оксид цинка можно ещё раз поместить в солнечную башню и получить чистый цинк. Технология прошла испытания в солнечной башне канадского Institute for the Energies and Applied Research.
  • Швейцарская компания Clean Hydrogen Producers (CHP) разработала технологию производства водорода из воды при помощи параболических солнечных концентраторов. Площадь зеркал установки составляет 93 м². В фокусе концентратора температура достигает 2200 °С. Вода начинает разделяться на водород и кислород при температуре более 1700 °С. За световой день 6,5 часов (6,5 кВт·ч/м²) установка CHP может разделять на водород и кислород 94,9 литров воды. Производство водорода составит 3800 кг в год (около 10,4 кг в день).
  • Водород может использоваться для производства электроэнергии или в качестве топлива на транспорте.

Солнечный транспорт

Беспилотный самолёт NASA Pathfinder Helios с фотоэлементами на крыльях
Основная статья: Электромобили на солнечных батареях

Фотоэлектрические элементы могут устанавливаться на различных транспортных средствах: лодках, электромобилях и гибридных автомобилях, самолётах, дирижаблях и т. д.

Фотоэлектрические элементы вырабатывают электроэнергию, которая используется для бортового питания транспортного средства или для электродвигателя электрического транспорта.

В Италии и Японии фотоэлектрические элементы устанавливают на крыши железнодорожных поездов. Они производят электричество для кондиционеров, освещения и аварийных систем.

Компания Solatec LLC продаёт тонкоплёночные фотоэлектрические элементы для установки на крышу гибридного автомобиля Toyota Prius. Тонкоплёночные фотоэлементы имеют толщину 0,6 мм, что никак не влияет на аэродинамику автомобиля. Фотоэлементы предназначены для зарядки аккумуляторов, что позволяет увеличить пробег автомобиля на 10 %.

В 1981 году летчик Paul Beattie MacCready совершил полет на самолёте Solar Challenger[англ.], питающемся только солнечной энергией, преодолев расстояние в 258 км со скоростью 48 км/ч[33]. В 2010 году солнечный пилотируемый самолет Solar Impulse продержался в воздухе 24 часа. Военные испытывают большой интерес к беспилотным летательным аппаратам (БПЛА) на солнечной энергии, способным держаться в воздухе чрезвычайно долго — месяцы и годы. Такие системы могли бы заменить или дополнить спутники.

См. также

Примечания

  1. ↑ Калифорнийская электростанция «Million Solar Roofs» суммарной мощностью 3 ГВт Архивная копия от 6 октября 2014 на Wayback Machine 15.12.2005
  2. ↑ Геополитика солнца. Частный корреспондент (22 ноября 2008). Дата обращения: 22 ноября 2008. Архивировано 22 августа 2011 года.
  3. ↑ Источник. Дата обращения: 12 августа 2021. Архивировано 15 июня 2021 года.
  4. ↑ PHOTOVOLTAICS REPORT 4. Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (16 сентября 2020). Дата обращения: 15 июля 2021. Архивировано 9 августа 2014 года.
  5. ↑ BP Global: Solar energy. Дата обращения: 27 января 2018. Архивировано 6 декабря 2018 года.
  6. ↑ 1 2 3 Лапаева Ольга Федоровна. Трансформация энергетического сектора экономики при переходе к энергосберегающим технологиям и возобновляемым источникам энергии // Вестник Оренбургского государственного университета. — 2010. — Вып. 13 (119). Архивировано 6 августа 2016 года.
  7. ↑ 15 % солнечных электростанций в Германии необходимо менять из-за раннего старения, на их замену необходимо 2 млрд евро
  8. ↑ "BP Statistical Review of World Energy June 2015, Renewables section" (PDF). BP. 2015-06. Архивировано (PDF) 7 июля 2015. Дата обращения: 25 сентября 2015.
  9. ↑ "BP Statistical Review of World Energy June 2015, Electricity section" (PDF). BP. 2015-06. Архивировано (PDF) 23 сентября 2015. Дата обращения: 25 сентября 2015.
  10. ↑ "Статистическое обозрение Всемирной энергетической организации 2017 года". BP. 2017-06. Архивировано 6 декабря 2018. Дата обращения: 27 января 2018.
  11. ↑ 1 2 3 Солнечные технологии обеспечат четверть электричества.
  12. ↑ Graph of the Day: World’s top ten solar PV suppliers. 15 April 2013 // RE neweconomy
  13. ↑ Необходимо задать параметр title= в шаблоне {{cite web}}. [1]. Дата обращения: 23 июня 2014. Архивировано из оригинала 12 ноября 2020 года.
  14. ↑ Геро Рютер, Андрей Гурков. Мировая солнечная энергетика: переломный год. Deutsche Welle (29 мая 2013). Дата обращения: 15 июня 2013. Архивировано 19 июня 2013 года.
  15. ↑ Paul Gipe Spain Generated 3 % of its Electricity from Solar in 2010 28 Январь 2011 г. Дата обращения: 31 января 2011. Архивировано 29 декабря 2014 года.
  16. ↑ Paul Gipe Italy Passes 7,000 MW of Total Installed Solar PV 22 Июль 2011 г. Дата обращения: 3 августа 2011. Архивировано 15 июля 2014 года.
  17. ↑ Activ Solar построила в Крыму крупнейшую солнечную электростанцию в мире. Дата обращения: 2 марта 2012. Архивировано из оригинала 19 июня 2013 года.
  18. ↑ Саудовская Аравия заменит нефть солнечными батареями Архивная копия от 3 апреля 2018 на Wayback Machine, Deutsche Welle, 30.03.2018
  19. ↑ Stephen Lacey Green Jobs Are Real: German and American Solar Industry Both Employ More People Than U.S. Steel Production 17 Июнь 2011 г. Дата обращения: 30 июня 2011. Архивировано 17 июня 2013 года.
  20. ↑ Дмитрий Никитин. Трудный путь к солнцу: согреет ли Россию солнечная энергетика. РБК (17 июня 2013). Дата обращения: 15 июня 2013. Архивировано из оригинала 20 июня 2013 года.
  21. ↑ Суит К. (перевёл А. Невельский). Гигантская солнечная электростанция в Калифорнии убивает птиц. Гелиотермальная станция стоимостью 2,2 млрд $ может стать последним таким проектом: она нагревает воздух до 540 °C, регуляторы и биологи считают это причиной смерти десятков птиц. Ведомости, перевод из The Wall Street Journal (13 февраля 2014). Дата обращения: 6 июня 2016. Архивировано 4 сентября 2016 года.
  22. ↑ Органическое топливо — на свалку истории? // Наука и жизнь. — 2018. — № 3. — С. 65. Архивировано 8 марта 2018 года.
  23. ↑ David Szondy. Stanford researchers develop self-cooling solar cells. (англ.). gizmag.com (25 июля 2014). Дата обращения: 6 июня 2016. Архивировано 23 мая 2016 года.
  24. ↑ Renewables 2021 – Analysis (англ.). IEA. Дата обращения: 3 июня 2022. Архивировано 3 декабря 2021 года.
  25. ↑ Govinda R. Timilsina, Lado Kurdgelashvili, Patrick A. Narbel. Solar energy: Markets, economics and policies (англ.) // Renewable and Sustainable Energy Reviews. — 2012-01. — Vol. 16, iss. 1. — P. 449—465. — doi:10.1016/j.rser.2011.08.009. Архивировано 18 июня 2022 года.
  26. ↑ Solar Shingles Vs. Solar Panels (Cost, Efficiency & More 2022) (амер. англ.). EcoWatch. Дата обращения: 3 июня 2022. Архивировано 3 июня 2022 года.
  27. ↑ Solar Farms: What Are They and How Much Do They Cost? (амер. англ.). EnergySage Blog (9 ноября 2021). Дата обращения: 3 июня 2022. Архивировано 18 апреля 2022 года.
  28. ↑ Dmitrii Bogdanov, Manish Ram, Arman Aghahosseini, Ashish Gulagi, Ayobami Solomon Oyewo. Low-cost renewable electricity as the key driver of the global energy transition towards sustainability (англ.) // Energy. — 2021-07. — Vol. 227. — P. 120467. — doi:10.1016/j.energy.2021.120467. Архивировано 20 июня 2022 года.
  29. ↑ Wayback Machine. web.archive.org (22 августа 2017). Дата обращения: 3 июня 2022. Архивировано 22 августа 2017 года.
  30. ↑ sunshine. web.archive.org (23 сентября 2015). Дата обращения: 3 июня 2022. Архивировано 23 сентября 2015 года.
  31. ↑ BBC News — Alfredo Moser: Bottle light inventor proud to be poor. Дата обращения: 7 февраля 2017. Архивировано 6 ноября 2013 года.
  32. ↑ Tildy Bayar Solar Thermal Holds Steady in Europe 15 Октябрь 2012 г. Дата обращения: 14 ноября 2012. Архивировано 16 апреля 2013 года.
  33. ↑ Britannica Book of the Year 2008 Архивная копия от 13 января 2017 на Wayback Machine: «MacCready, Paul Beattie», p. 140

Литература

  • Д. Мак-Вейг. Применение солнечной энергии. — М.: Энергоиздат, 1981. — 210 с.
  • Умаров Г. Я., Ершов А. А. Солнечная энергетика. — М.: Знание, 1974. — 64 с.
  • Алексеев В. В., Чекарев К. В. Солнечная энергетика. — М.: Знание, 1991. — 64 с.
  • А. Ершов. XX век: у порога солнечной эпохи // «Вокруг света». — 1975. — № 11. — С. 46—51.
  • Алфёров Ж. И., Андреев В. М., Румянцев В. Д. Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики // Физика и техника полупроводников. — 2004. — Т. 38. — Вып. 8. — С. 937—948.