Развитие солнечной энергетики в мире

Содержание

Воздушные солнечные коллекторы

Использование воздуха в качестве теплоносителя в коллекторах (рис. 13) имеет свое преимущество: это позволяет напрямую сушить, например, сельскохозяйственные продукты или отапливать помещения. Кроме этого, при создании такой гелиоустановки возникает значительно меньше проблем, т. к. неполная герметичность не ставит под угрозу функционирование коллектора, а также не существует опасности замерзания жидкого теплоносителя.

Рис. 13. Конструкция солнечного воздушного коллектора

Учитывая теплоемкость воздуха, которая в 3400 раз меньше теплоемкости воды, требуется относительно большой объем циркулирующего воздуха, соответственно большое поперечное сечение трубы и мощность привода вентиляторов.

Как видно из рис. 13 поступающий воздух из окружающей среды проходит через воздушные каналы коллектора и нагревается солнечными лучами через прозрачное покрытие, пропускающее тепловую часть спектра солнечного излучения. Для улучшения теплопередачи обратная сторона поглотителя может оснащаться ребристыми тепловыми дефлекторами.

Препятствия к развитию солнечной энергетики

Солнечная энергетика имеет свою специфику. Основная сложность заключается в том, что в отдельные периоды эффективность работы станции сильно снижается. Есть способы, обеспечивающие работу станций ночью, но они бессильны, когда солнца нет в течение нескольких дней. Если долго стоит пасмурная погода, выработка электричества прекращается. В условиях, когда от солнечной электростанции зависит целый город, это привело бы к катастрофе. Но эту проблему можно обойти, применяя основной и резервный источники энергии.

Вторая сложность — высокие расходы на строительство станций. В их конструкцию входят редкие и дорогие элементы. Не каждая страна может позволить себе потратить средства на строительство СЭС, когда есть более мощные АЭС и ТЭС. Кроме ТОО, чтобы разместить станцию, нужно много свободного пространства, причём в таком регионе, где уровень солнечного излучения достаточно высок.

Солнечная энергетика в мире

По данным Европейской ассоциации солнечной энергетики SolarPower Europe, сегодня доля энергии солнца в выработке мировой электроэнергии составляет около 2,6%. А по установленным мощностям солнечных фотоэлектрических электростанций в 2019 году лидируют Китай, Япония, США и Германия, подсчитывает International Renewable Energy Agency (IRENA) в докладе ‎Renewable capacity statistics.

Антон Усачев, заместитель генерального директора ГК «‎Хевел», поясняет, что термином «‎солнечная энергетика» или «‎фотовольтаика‎» называют отрасль электроэнергетики или сегмент промышленности. Их основу составляют генерирующие мощности с использованием солнечной энергии и комплекс производств по выпуску оборудования для строительства генерации.

Существуют различные способы преобразования солнечной энергии.

Наиболее распространённый из них — фотоэлектрический, в котором солнечная энергия преобразуется непосредственно в электрическую.
Вторым по популярности направлением является концентраторная солнечная энергетика (CSP — concentrated solar power). В этом случае солнечная энергия преобразуется в тепловую, а та — в электрическую. Чаще всего таким образом нагревают жидкость, получают пар и направляют его на турбину с генератором, как на обычной тепловой электростанции.

Солнечная энергетика активно развивается во всех частях света: от Норвегии до Австралии. Причем, по данным SolarPower Europe, эта отрасль стала крупнейшим сектором мировой электроэнергетики по объемам ежегодно привлекаемых инвестиций и вводимых мощностей.

«‎В 2019 году прирост мощностей фотоэлектрической солнечной энергетики был в 2,5 раза выше, чем угольных и газовых вместе взятых‎», — цитирует ассоциацию Институт энергетики НИУ ВШЭ.

Методы вырабатывания электричества их солнца

Фотовольтарика

Фотовольтарический эффект обеспечивает преобразование солнечной энергии в электроток. В процессе участвует фотоэлемент. Когда на него попадают лучи солнца, энергия частиц света поглощается электронами. Они приходят в движение, и создаётся напряжение. По такому принципу действуют солнечные панели. Они устроены таким образом, что фотоэлементы повёрнуты в сторону солнца и в дневное время поглощают его свет.

Фотоэлектрический эффект.

Панели удобны в использовании, они изготавливаются разных размеров. Их не нужно защищать от перепадов температур и атмосферного воздействия. Устройства для преобразования солнечной энергии в электрический ток выпускают несколько компаний, одна из них — SistineSolar. Её продукция отличается тем, что имеет разные расцветки и текстуру. В этом панели превосходят традиционные, окрашенные в синий цвет. Они не только выполняют основную функцию, но и служат элементом оформления кровли.

Плавающая солнечная электростанция.

Фотовольтарика — перспективная технология, и эксперты считают. что через несколько десятков лет она будет обеспечивать около 20% от общемировой потребности в электричестве.

Гелиотермальная энергетика

Эффективность этой технологии немного ниже по сравнению с фотовольтарикой. Выработка энергии происходит так:

сосуд с водой нагревается пол солнцем;
жидкость превращается в пар;
пар под высоким давлением подаётся на турбину;
в процессе вращения вырабатывается электричество.

Гелиотермальная энергетика.

Таким образом, технология включает в себя несколько этапов. Тепловые электростанции действуют по подобному принципу: жидкость нагревается и превращается в пар, который приводит в действие турбину. Разница в том, что в тепловых электростанциях для нагрева жидкости сжигается уголь.Крупнейшая в мире гелиотермальная станция, вырабатывающая электрический ток из солнечных лучей, находится в пустыне Мохаве и называется Иванпа Солар. Это показательный пример эффективного применения технологии. Станция была запущена в 2014 году, и все эти годы работает только на солнечной энергии, исправно производя электричество. В конструкцию входят несколько башен. В них помещён большой котёл, наполненный водой. По окружности установлены зеркала. Солнечные лучи попадают на них, затем отражаются и поглощаются поверхностью котла. Вода внутри нагревается и превращается в пар. Зеркала установлены так, что они подвижны. Вращением управляет компьютер, поэтому поверхность всегда повёрнута в ту сторону, где находится солнце.

Мощность солнечной электростанции Иванпа Солар составляет 392 МВт. Примерно столько же электроэнергии вырабатывает средняя московская ТЭЦ.

Электростанция Ivanpah Solar Electric Generating System которая отныне будет носить статус крупнейшей в мире. Ее общая номинальная мощность составляет 392 МВт.

Ночью солнце не светит, однако работа гелиотермальной станции не прекращается, потому что днём используется не весь пар. Часть его отводится в специальные резервуары, а ночью расходуется. Таким образом, электрический ток вырабатывается равномерно.

Аэростатные электростанции

Станции этого типа нельзя назвать распространёнными, но кое-где они применяются. Конструктивно в аэростатную установку входят 4 элемента:

Аэростатные электростанции

Специальный шар — аэростат. Он висит в небе и поглощает лучи солнца. Внутри находится вода.Паропровод. Нагреваясь, вода превращается в пар, который по паропроводу поступает в турбину, приводя её в движение.

Турбина — основной элемент, вырабатывающий электроэнергию. Насос и конденсатор — когда пар выполняет свою задачу, он остывает и конденсируется. Насос поднимает воду обратно в аэростат. Так цикл повторяется бесконечно.

Аэростатные электростанции.

Солнечная энергетика в XXI веке

Хотя солнечная энергия существует уже давно, самые инновационные разработки появились относительно недавно. Технологический скачок в 1970-х годах привёл к увеличению количества солнечных систем, но 20 долларов за ватт по-прежнему оставались слишком высокой ценой для среднестатистического обывателя. В последнее время произошли важные технологические и производственные изменения, и теперь солнечные элементы стали более эффективными, хотя стоимость чистой энергии составляет всего 0,50 доллара за ватт.

Солнечные панели используются чаще, чем когда-либо прежде. Только в Соединённых Штатах установлено более двух миллионов солнечных установок в домах и на предприятиях, и на долю солнечной энергии приходится 1,6% от общего объёма производства электроэнергии.

Сферы применения солнечной энергии

Направлений использования довольно много. Ниже рассматриваются самые востребованные и распространённые.

Энергоснабжение частного дома

Здесь стоит сказать, что современные панели вырабатывают электричество даже в сумерках и пасмурную погоду. Заряда аккумуляторных батарей хватает на тёмное время суток. Кроме того, солнечные панели подключаются как вспомогательные, и при необходимости их подменяет основная энергетическая система.

Солнечный коллектор для отопления и горячего водоснабжения

Здесь энергия солнца преобразуется в тепловую. Наверное, у многих на дачном участке есть душ с металлическим баком наверху. Он нагревается от солнца и можно мытья нагретой водой. Это простейший вариант такого коллектора.

Но современные системы работают значительно эффективнее. В них есть поглощающий элемент, который передаёт тепловую энергию теплоносителю. Есть варианты с водой и воздухом в качестве теплоносителя.

Портативные источники энергии

Этот вид устройств предназначен для получения электрической энергии при отсутствии электрических сетей. Такие переносные аккумуляторы с возможностью зарядки от солнечной панели популярны среди туристов, дачников и т. п. Об этих устройствах можно прочитать в статьях:

Солнечная батарея для ноутбука;
Аккумулятор на солнечных батареях для телефона;
Солнечная батарея для зарядки автомобильного аккумулятора.

Транспорт

Это пока также экзотическая сфера применения. Но уже сейчас проводятся гоночные соревнования в Австралии на солнечных карах. Однако в последнее время конструкторам удалось нарастить скорость таких транспортных средств до 80 км/час. И также проводятся испытания самолёта на солнечных батареях с облётом планеты.

Солнечное излучение и его характеристики

Солнечная энергия излучается в пространство благодаря термоядерной реакции, которая протекает внутри звезды.

На землю падает поток энергии, равный 174·1015 Вт. Основной величиной, характеризующей этот вид энергии, является солнечная постоянная, т. е. плотность потока излучения, падающего на площадку, перпендикулярную этому излучению и расположенную над атмосферой. Ее численное значение составляет около 1353 Вт/м2.

Проходя через атмосферу, солнечное излучение ослабляется, частично пронизывает атмосферу прямыми лучами и достигает земной поверхности в виде прямого и рассеянного излучения (рис. 1, 2). На уровне Земли солнечная постоянная не превышает 1000 Вт/м2.

Рис. 1. Процессы, происходящие при прохождении солнечного излучения через атмосферу

Как видно из рис. 2 только примерно половина энергии (89 из 174 пента Вт) достигает поверхности земли. Остальная часть энергии, как уже упоминалось, отражается атмосферой, облаками, поверхностью земли. 17 пента Вт энергии адсорбируется атмосферой. Энергия также излучается в околоземное пространство атмосферой и поверхностью земли.

Рис. 2. Количественные характеристики солнечной энергии: (earth – земля; clouds – облака; latent heat – латентная (скрытая) теплота; PW – peta (penta) watt (1015 ватт); absorbed by land and oceans – абсорбировано землей и океанами)

Солнечное излучение, достигающее земной поверхности, неоднородно по своему составу и его можно разделить на три диапазона: ультрафиолетовый, видимое излучение и инфракрасный диапазон.

Каждый участок спектра вносит свою долю излучения: ультрафиолетовый – 7 %, видимый – 47 %, инфракрасный – 46 %.

Облученность рассматриваемой площадки зависит от географической широты, времени года, суток, наличия облаков и загрязнений в атмосфере, от угла наклона к горизонту.

Как уже упоминалось выше, солнечное излучение состоит из прямого и рассеянного (диффузного) излучения. Последнее возникает от солнечного света, который рассеивается через облака, за счет испарения и др. и попадает на поверхность земли по различным направлениям. Некоторые солнечные системы (гелиоустановки) используют прямое излучение (яркое солнце), в большинстве случаев можно использовать как прямое, так и диффузное излучение.

Солнце является основным поставщиком энергии на нашей планете. Его излучение превышает нынешнее мировое потребление энергии в 7 тыс. раз. Если бы солнечное излучение в Сахаре использовалось на 10 %, то на площадь приблизительно 700 км на 700 км можно было бы производить нынешнюю мировую потребность в энергии (рис. 3). Однако, при современном развитии техники и технологий невозможно экономически выгодно обеспечить передачу энергии потребителям, находящимся в различных местах земного шара.

На географической широте Республики Беларусь солнечное излучение намного меньше, чем в Сахаре: в республике в год излучается до 1200 кВт·ч/м2. Это соответствует количеству энергии, содержащемуся в 60 литрах нефти. В целом ежегодное солнечное излучение на всей территории Беларуси составляет такое количество энергии, которое превышает в 20 раз потребность в газе для выработки энергии.

Рис. 3. Потенциальные возможности использования солнечной энергии в пустыне Сахара

Величина солнечной радиации, приходящейся на квадратный метр поверхности, зависит в значительной степени от угла падения и, соответственно, от времени года. Как видно из табл. 2, месячное излучение на территории г. Минска изменяется примерно от 12 кВт·ч/м2 (декабрь) до 158 кВт·ч/м2.

Таблица 2. Ежемесячное солнечное излучение на территории г. Минска и г. Василевичи (кВт ч/м2)

Местоположение	Минск	Василевичи
Январь	23,10	25,80
Февраль	35,27	38,88
Март	81,38	71,38
Апрель	90,27	83,05
Май	132,22	125,55
Июнь	147,50	138,67
Июль	141,38	128,33
Август	115,27	117,44
Сентябрь	85,27	91,61
Октябрь	44,44	49,72
Ноябрь	15,55	18,61
Декабрь	12,22	11,94

Проблемы

Разработка и внедрение любого нового перспективного источника энергии сопряжены с серьезными проблемами. И признается, что использование космической солнечной энергии на Земле может быть особенно сложным ввиду принципиального отличия.
Основные проблемы воспринимаются как:

Несоответствие с традиционными энергетическими ресурсами.
Тот факт, что космическая мощь по своей сути глобальна и требует корпоративных моделей, которые дают каждому игроку подходящую долю и адекватные гарантии.
Возможность возникновения опасений по поводу надежности, безопасности и экологических последствий.
Необходимость получения больших ресурсов, выделяемых государством.
Преобладающий менталитет, который склонен рассматривать будущую энергетическую инфраструктуру как экстраполяцию нынешней.

Как бы ни были велики проблемы, важно развивать перспективы солнечной энергетики, чтобы они работали на благо всех народов Земли

Утверждается, что благоразумным было бы уделить серьезное внимание всем возможным вариантам и подготовиться к осуществлению нескольких из них. Хорошо известно, что нечто столь обширное, как глобальная солнечная энергетическая система, может изменяться медленно

На самом деле, требуется от 50 до 75 лет, чтобы один источник утратил доминирующее положение и был заменен другим. Даже если будет признано и согласовано, что необходим переход к другим источникам, переход к другим электрическим сетям будет медленным.

Временной горизонт для реализации перспективной космической солнечной энергетики составит не менее пары десятилетий. Текущая работа указывает на то, что демонстрация передачи энергии из космоса на Землю может произойти в начале следующего десятилетии, а первоначальная коммерческая поставка энергии-примерно через 20 лет. Очевидно, что для внесения значительного вклада в мировую энергетику потребуется значительно больше времени.

Проблему, связанную с этим несоответствием, можно решить двумя способами:

Во-первых, правительствам необходимо будет в значительной степени финансировать опытные работы (НИОКР), необходимые для доведения до зрелости соответствующих технологий. Правительства традиционно поддерживают усилия в области НИОКР в качестве стимула для перспективы солнечной энергетики. Примеры можно найти в развитии систем железнодорожного и воздушного транспорта, компьютеров, интернета.
Во-вторых, следует поощрять краткосрочное участие потребителей (электроэнергетических компаний и их поставщиков)

Это очень важно для этих потенциальных пользователей, чтобы быть в курсе прогресса, как технология созревает.

Глобальный охват перспективной солнечной энергетики будет представлять собой еще одну серьезную проблему с точки зрения соответствующих моделей предприятий, которые дают каждому игроку соответствующую долю и адекватные гарантии. Международное сотрудничество в области энергетики является обычным явлением, и действительно, энергетическая инфраструктура во всем мире очень взаимозависима. Приобретение, распределение и использование энергии, как правило, связаны с несколькими странами и разветвленными сетями, по которым протекают различные формы энергии. Аналогичным образом международное сотрудничество играет важную роль в крупных космических проектах, примером которых, безусловно, могут служить перспективы солнечной энергетики.

Короче говоря, есть несколько причин для международного сотрудничества. Наиболее убедительными являются:

Потребность в увеличении поставок энергоносителей является глобальной потребностью.
Воздействие на окружающую среду нынешней энергетической практики вызывает озабоченность во всем мире.
Международная координация в области энергоснабжения является общей сегодня, и взаимозависимость будет только расти в будущем.
Необходимая технология широко распространена, и ни одна страна не обладает всеми возможностями.
Большие масштабы космической солнечной энергетики потребуют международного финансирования.

Достоинства перспективной космической солнечной энергетики:

Энергия доставляется в любую точку мира.
Нулевая стоимость топлива.
Нулевые выбросы CO2.
Минимальное долгосрочное воздействие на окружающую среду.
Солнечное излучение может быть более эффективно собрано в космосе.

Ущерб:

Затраты на запуск.
Капитальные затраты даже с учетом дешевых пусковых установок.
Потребуется сеть из сотен спутников.
Возможные опасности для здоровья.
Размер антенн и ректенн.
Геосинхронные спутники будут занимать большие участки пространства.
Помехи для спутников связи.

Ранняя история солнечной энергетики

Стекло использовалось для разжигания костров ещё в седьмом веке до нашей эры, считают учёные. В третьем веке греки и римляне использовали стекло и солнечный свет для зажигания факелов в религиозных целях. В Китае также есть записи об использовании солнечной энергии и стекла для зажигания огня во время религиозных церемоний.

А во время осады Сиракузы (II век до н. э.) древнегреческий учёный Архимед фокусировал солнечный свет через увеличительное стекло, чтобы поджечь римские корабли.

В Америке предки пуэблоанцев в XIII веке спроектировали и построили величественные жилища на скалах. Эти дворцы были обращены на юг, чтобы улавливать солнечный свет, который использовался для обогрева всего комплекса. В 1700-х и 1800-х годах солнечный свет использовался для работы печей.

Часто задаваемые вопросы

Сколько солнца в России?

Как работает солнечная электростанция?

Солнечные электростанции состоят из солнечных модулей, подключённых в единую цепь, инверторов и другого оборудования.

Существуют два основных типа солнечных электростанций: сетевые – отпускающие всю вырабатываемую электроэнергию в сеть и автономные.

На автономных станциях за счёт установки аккумуляторов есть возможность накапливать электроэнергию для использования, например, в тёмное время суток.

Как посчитать окупаемость солнечной энергоустановки?

Как развивается солнечная энергетика в России?

Установленная мощность солнечных электростанций в России достигает порядка 500 МВт, а до 2024 года планируется довести эти показатели до 1,5 ГВт. Развивается и розничный рынок – сегодня в России практически в каждом российском регионе есть компании, которые предлагают солнечные решения.

Со второго квартала 2017 года группа компаний «Хевел» приступила к производству солнечных модулей нового поколения по гетероструктурной технологии – это наиболее перспективная из существующих сегодня технологий.

Один из наиболее перспективных новых сегментов, который Россия успешно освоила – гибридная генерация с использованием возобновляемых источников энергии. В 2013 году в Республике Алтай запущена первая в мире автономная гибридная энергоустановка, работающая на солнечной и дизельной генерации. Такие решения перспективны не только для труднодоступных и изолированных российских территорий, но и как технология на экспорт – в странах Африки и Азии, по разным оценкам, более 1,2 млрд людей не имеют доступа к электроэнергии и тратят ежегодно более 27 млрд долларов на керосин и свечи.

Когда солнечная энергетика будет доступна каждому?

Во всём мире поддержка солнечной энергетики начиналась именно «с крыш» – потребители после установки частных солнечных установок получали либо существенную скидку на оплату электроэнергии, либо специальный «зелёный» тариф, по которому они могли отпускать электроэнергию в сеть. Это обеспечило ускоренный рост технологий, а развитие конкуренции, экономия масштаба и автоматизация производств привели к тому, что капитальные затраты на строительство СЭС в мире за последние 8 лет снизились в 5 раз. В России уже локализовано производство компонентов, поэтому вне зависимости от курса валют солнечная энергетика продолжит дешеветь для российских потребителей.

Сегодня в силу в силу технологических особенностей энергосистемы и нормативного регулирования рынка, 90% всех «зелёных» энергоустановок небольшой мощности – до 10 кВт – это автономные или гибридные системы, не включённые в единую энергосистему. Технологическое включение частных владельцев солнечных установок в работу розничного рынка электроэнергии сегодня хотя и не запрещено формально, на практике труднореализуемо – в российском законодательстве нет положений, определяющих статус такого потребителя-производителя, а у энергосбытовых компаний нет обязательств по покупке «солнечных» объёмов электроэнергии. Тем не менее, в ряде российских регионов уже есть примеры покупки «зелёной» электроэнергии у простых потребителей энергосбытовыми компаниями.

Сейчас правительство поручило проработать вопрос об упрощении продажи зелёной электроэнергии от частных домохозяйств в общую сеть. В 2017 году будем следить за развитием событий.

Другая форма поддержки возобновляемой энергетики – субсидирование кредитов на покупку солнечных энергоустановок. В России этот сегмент кредитования только начинает развиваться, но это вопрос 2-3 лет и скоро купить солнечную установку для дачи в рассрочку или по льготному кредиту будет не сложнее, чем бытовую технику.

Какие перспективы у солнечной энергетики сегодня?

Так что перспективы самые радужные – инвестиции в солнечную энергетику растут, и Россия просто не сможет оставаться в стороне. У нас огромное количество энергодефицитных и изолированных от общей сети территорий с высоким уровнем инсоляции, где развитие солнечной энергетики не просто эффективно, но и позволит сэкономить миллионы бюджетных средств, которые сейчас идут на сдерживание роста тарифов на электроэнергию.

Выводы

Нет никаких сомнений в том, что в ближайшие десятилетия энергоснабжение должно быть резко увеличено. Кроме того, представляется почти несомненным, что произойдет переход к возобновляемым источникам энергии и что перспективы солнечной энергетики огромны.

Утверждается, что для того, чтобы энергетическая система мира работала на благо всех своих народов и была достаточно устойчивой, необходимо иметь несколько вариантов развития в стремлении к расширению поставок.

Хотя вариант использования космической солнечной энергии в настоящее время может показаться футуристическим, он технологически осуществим и при соответствующих условиях может стать экономически жизнеспособным.

Наконец, следует подчеркнуть, что если мы не сумеем разработать устойчивые и чистые источники энергии и попытаемся прихрамывать, экстраполируя существующую практику, то результатом этого, скорее всего, будет срыв развития экономических возможностей для многих людей Земли и, почти наверняка, неблагоприятные изменения в окружающей среде планеты.