Установки солнечной энергии: Солнечная электростанция — Википедия – Солнечная энергетика — Википедия

Содержание

Солнечная энергетика — Википедия

Карта солнечного излучения

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

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 следует учесть, что 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[править | править код]

  • 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[править | править код]

  • Зависимость от погоды и времени суток[3].
  • 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[3].
  • Сложность производства и утилизации самих фотоэлементов в связи с содержанием в них ядовитых веществ, например, свинец, кадмий, галлий, мышьяк и т. д.
    [3]
    .
Годовая выработка электроэнергии в мире на СЭС
Год Энергия ГВт·ч Годовой прирост Доля от всей
2004 2,6 0,01 %
2005 3,7 42 % 0,02 %
2006 5,0 35 % 0,03 %
2007 6,8 36 % 0,03 %
2008 11,4 68 % 0,06 %
2009 19,3 69 % 0,10 %
2010 31,4 63 % 0,15 %
2011 60,6 93 % 0,27 %
2012 96,7 60 % 0,43 %
2013 134,5 39 % 0,58 %
2014 185,9 38 % 0,79 %
2015 253,0 36 % 1,05 %
2016 301,0 33 % 1,3 %
Источник — BP Statistical Review of World Energy, 2015, 2017[4][5][6]
Power of solar energy by country.jpg Solar capacity.jpg

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

[7].

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

Крупнейшие производители фотоэлементов в 2012 году[8]:

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

В 2013 году глобально было установлено 39 ГВт фотоэлектрических мощностей. В результате общая мощность фотоэлектрических установок на начало 2014 года оценивалась в 139 ГВт[9].

Лидером по установленной мощности является Евросоюз[10], среди отдельных стран — Китай. По совокупной мощности на душу населения лидер — Германия.

В 2010 году 2,7 % электроэнергии Испании было получено из солнечной энергии[11].

В 2011 году около 3 % электроэнергии Италии было получено из фотоэлектрических установок

[12].

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[13]. 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[14].

Рабочие места[править | править код]

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

[15].

Перспективы солнечной электроэнергетики[править | править код]

В мире ежегодный прирост энергетики за последние пять лет составлял в среднем около 50 %[16]. Полученная на основе солнечного излучения энергия гипотетически сможет к 2050 году обеспечить 20—25 % потребностей человечества в электричестве и сократит выбросы углекислоты. Как полагают эксперты Международного энергетического агентства (IEA), солнечная энергетика уже через 40 лет при соответствующем уровне распространения передовых технологий будет вырабатывать около 9 тысяч тераватт-часов — или 20—25 % всего необходимого электричества, и это обеспечит сокращение выбросов углекислого газа на 6 млрд тонн ежегодно[7].

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

[17].

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[18].

Из-за своей низкой эффективности, которая в лучшем случае достигает 20 процентов, солнечные батареи сильно нагреваются. Остальные 80 процентов энергии солнечного света нагревают солнечные батареи до средней температуры порядка 55 °C. С увеличением температуры фотогальванического элемента на 1°, его эффективность падает на 0,5 %. Эта зависимость не линейна и повышение температуры элемента на 10° приводит к снижению эффективности почти в два раза. Активные элементы систем охлаждения (вентиляторы или насосы) перекачивающие хладагент, потребляют значительное количество энергии, требуют периодического обслуживания и снижают надёжность всей системы. Пассивные системы охлаждения обладают очень низкой производительностью и не могут справиться с задачей охлаждения солнечных батарей

[19].

Флаг Республики Корея

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 СО

2. 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[20].

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 г.

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[7]. К 2020 году страны Евросоюза планируют построить 26,3 ГВт солнечных термальных мощностей[21].

Флаг Республики Корея Солнечная жаровня

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 тонн 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 г. Финляндия и Китай заключили соглашение о поставках 19 000 солнечных кухонь в 31 деревню Китая. Это позволит сократить выбросы СО2 на 1,7 млн тонн в 2008—2012 гг. В будущем Финляндия сможет продавать квоты на эти выбросы.

Использование солнечной энергии в химическом производстве[править | править код]

Солнечная энергия может применяться в различных химических процессах. Например:

  • 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/кв.м.) 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.

Флаг Республики Корея Беспилотный самолёт NASA Pathfinder Helios с фотоэлементами на крыльях

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[en], питающемся только солнечной энергией, преодолев расстояние в 258 километров со скоростью 48 км/час[22]. 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.

  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 (неопр.). Частный Корреспондент. chaskor.ru (22 ноября 2008). Дата обращения 22 ноября 2008. Архивировано 22 августа 2011 года.
  3. 1 2 3 Лапаева Ольга Федоровна. Трансформация энергетического сектора экономики при переходе к энергосберегающим технологиям и возобновляемым источникам энергии (рус.) // Вестник Оренбургского государственного университета. — 2010. — Вып. 13 (119).
  4. ↑ BP Statistical Review of World Energy June 2015, Renewables section, BP (June 2015).
  5. ↑ BP Statistical Review of World Energy June 2015, Electricity section, BP (June 2015).
  6. ↑ Статистическое обозрение Всемирной энергетической организации 2017 года, BP (June 2017).
  7. 1 2 3 BFM.RU Солнечные технологии обеспечат четверть электричества.
  8. ↑ Graph of the Day: World’s top ten solar PV suppliers. 15 April 2013// RE neweconomy
  9. ↑ http://www.ren21.net/Portals/0/documents/Resources/GSR/2014/GSR2014_full%20report_low%20res.pdf
  10. Геро Рютер, Андрей Гурков. Мировая солнечная энергетика: переломный год (неопр.). Deutsche Welle (29 мая 2013). Дата обращения 15 июня 2013. Архивировано 19 июня 2013 года.
  11. Paul Gipe Spain Generated 3 % of its Electricity from Solar in 2010 28 Январь 2011 г
  12. Paul Gipe Italy Passes 7,000 MW of Total Installed Solar PV 22 Июль 2011 г.
  13. ↑ Activ Solar построила в Крыму крупнейшую солнечную электростанцию в мире (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения 2 марта 2012. Архивировано 19 июня 2013 года.
  14. ↑ Deutsche Welle 30.03.2018 Саудовская Аравия заменит нефть солнечными батареями
  15. Stephen Lacey Green Jobs Are Real: German and American Solar Industry Both Employ More People Than U.S. Steel Production 17 Июнь 2011 г.
  16. Дмитрий Никитин. Трудный путь к солнцу: согреет ли Россию солнечная энергетика (неопр.). РБК (17 июня 2013). Дата обращения 15 июня 2013. (недоступная ссылка)
  17. Кассандра Суит (перевёл Алексей Невельский). Гигантская солнечная электростанция в Калифорнии убивает птиц.. Гелиотермальная станция стоимостью $2,2 млрд может стать последним таким проектом: она нагревает воздух до 540 градусов по Цельсию, регуляторы и биологи считают это причиной смерти десятков птиц (рус.). Ведомости, перевод из The Wall Street Journal (13 февраля 2014). Дата обращения 6 июня 2016.
  18. ↑ Органическое топливо — на свалку истории? // Наука и жизнь. — 2018. — № 3. — С. 65.
  19. David Szondy. Stanford researchers develop self-cooling solar cells. (англ.). gizmag.com (25 July 2014). Дата обращения 6 июня 2016.
  20. ↑ BBC News — Alfredo Moser: Bottle light inventor proud to be poor
  21. Tildy Bayar Solar Thermal Holds Steady in Europe 15 Октябрь 2012 г.
  22. ↑ Britannica Book of the Year 2008: «MacCready, Paul Beattie», page 140
  • Д. Мак-Вейг Применение солнечной энергии. — М.: Энергоиздат, 1981. — Тираж 5 600 экз. — 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.
⛭

Отрасли промышленности

Солнечные электростанции | Журнал Популярная Механика

Более полувека солнечная энергетика больше радовала исследователей своими сказочными перспективами, чем конкретным электричеством, текущим в энергосеть. Сегодня солнечные электростанции становятся серьезным источником энергии.

Пустыня Нью-Мексико неподалеку от Альбукерка. Шесть установок единой экспериментальной солнечной электростанции, построенной Национальными лабораториями Сандиа, немного напоминают тарелки спутниковой связи, только размером они побольше и блестят посильнее. Каждый отражатель представляет собой мозаику из 82 зеркал, выклеенных на параболической тарелке диаметром 13 м. Идеально рассчитанная кривизна тарелки концентрирует лучи в пятно диаметром 18 см. Здесь, в самой горячей точке, тепловыделение эквивалентно 13 000 солнц, а тепловой поток в 13 раз превышает тот, которому подвергается космический челнок, возвращающийся в плотные слои атмосферы. «Здесь можно расплавить почти всякое вещество, известное человеку», — говорит инженер Чак Андрака.

Получаемое здесь тепло используют для питания «машины Стирлинга» — изящного устройства 192 лет от роду. В этой машине механическую энергию получают за счет внешнего источника тепла, что принципиально отличается от действия двигателей внутреннего сгорания, работающих под капотами большинства автомобилей. Внутри четырех цилиндров объемом по 95 см³ содержится газообразный водород — при нагревании и охлаждении он расширяется и сжимается, поршни в цилиндрах движутся туда-сюда, а от них вращается небольшой электрогенератор. И параболическая тарелка, и данный двигатель — плоды целого десятилетия упорной работы, которая проводилась в сотрудничестве с аризонской компанией Stirling Energy Systems.

В прошлом январе Андрака с коллегами запустил энергоустановку при тарелке № 3. В пустыне стоял морозец около нуля, а небо было на 8% прозрачнее, чем обычно. Чем больше разница между холодным воздухом и жарким солнцем, тем эффективнее работает эта машина. И вот 25-киловаттная система начала выдавать электроэнергию. Коэффициент преобразования оказался самым высоким из всех, когда-либо достигнутых в коммерческих солнечных установках: 31,25% солнечной энергии, падающей на зеркальную тарелку, отдавалось в виде тока в электросеть.

Брюс Осборн, президент компании Stirling Energy, считает этот результат просто дополнительным подтверждением тому, что он давно уже знал: система SunCatcher достаточно созрела, чтобы выйти из стен лаборатории. «Этап, который можно назвать интеллектуальным прорывом, позади, — говорит президент. — Нам остается только взять полученные прототипы и сделать из них недорогие конструкции для массового производства. Слово за инженерами». Для этой цели компания Stirling Energy заключила крупномасштабные контракты с двумя предприятиями из Южной Калифорнии. Те обещают построить 70 000 установок, которые дадут энергию для миллионов жилищ. Производство будет запущено в будущем году.

Камера видеонаблюдения запечатлела взрыв на ТЭЦ в Мытищах

Электростанция по схеме параболического желоба Длинные зеркала в параболических желобах фокусируют падающий свет на тонкую трубку, тянущуюся параллельно желобу. В трубке циркулирует жидкость-теплоноситель. Затем ее нагревают до 400 °C и подают в теплообменник (1), где принимающая тепло вода доводится до кипения, а пар крутит турбину (2). На таких электростанциях нового поколения неизрасходованную тепловую энергию накапливают в термосах с расплавленной солью (3). Это тепло пригодится для работы в ночную смену или в случае облачной погоды.

После изобретения в 1954 году кремниевого фотоэлемента компания AT&T крутила рекламно-пропагандистский фильм, в котором говорилось: «Наша магистральная цель — погрузить руку прямо в солнечные глубины и зачерпнуть оттуда искру бессмертного огня, который согреет людские души. В наш продвинутый век людям удалось взнуздать само солнце».

Можно, конечно, сказать и так. Солнечная батарея Белла, как ее тогда называли, имела некоторый успех — в частности, давала энергию для первого спутника связи, который запустили в 1962 году. Но надежда на бездонный источник недорогой энергии так и не воплотилась в жизнь.

С тех пор в развитии двух главных направлений солнечной энергетики произошли значительные сдвиги. Это полупроводниковые солнечные батареи и установки для концентрации солнечного тепла. Правда, рост стоимости кремния и два десятилетия низких цен на рынке ископаемых видов топлива привели к тому, что общий объем солнечной энергетики остался в пределах 0,08% общего энергопотребления в стране. Кроме того, целый ряд новых технологических решений, которые выглядели многообещающими в лабораторных условиях, при выходе на рынок продемонстрировали свою непрактичность. В результате эпоха солнечной энергетики все время как-то незаметно отодвигалась за следующий поворот.

Солнечная электростанция В большинстве солнечных электростанций огромные конструкции из зеркал концентрируют солнечную энергию, отдают ее теплоносителю, а тот приводит в действие большую центральную турбину. В установках компании Stirling Energy каждая 13-метровая тарелка питает энергией свою машину Стирлинга, расположенную прямо в фокусе зеркала. Такая машина сама по себе выдает свои 25 кВт электричества. Таким образом, подобная установка может работать как автономно, так и в составе ансамбля из 30 000 себе подобных.

Между тем разработчики не теряли времени, оттачивая технологические решения по наиболее перспективным направлениям. Так появились солнечные батареи, в которых вообще не используется кремний. Они оказались вдвое дешевле традиционных, и на их производстве аризонская компания First Solar стремительно выдвинулась в лидеры среди всех производителей солнечных батарей. Параллельно компания Stirling Energy развивала свою идею SunCatcher. Новые конструкции в семействе CST (Concentrated Solar Thermal, солнечных концентраторов) будут способны преобразовывать солнечное тепло в непрерывный поток электроэнергии, не прерывающийся даже в ночное время.

Солнечное тепло

Крупным энергокомпаниям нынешние принципы CST нравятся по двум причинам: во‑первых, установки имеют достаточно крупный масштаб, а во-вторых, они, как правило, работают с паром, то есть технические решения не слишком отличаются от давно привычных турбогенераторов на газе и угле. Таково мнение Риса Тисдейла, старшего аналитика исследовательской группы, занимающейся в Кембридже, штат Массачусетс, новыми направлениями в энергетике. Эта идея не так уж и нова — девять электростанций на основе концентраторов с общей энергоотдачей в 354 мегаватта уже работают в пустыне Мохаве, а построены они были с 1984 по 1991 год. Они обеспечивают энергией 500 000 индивидуальных жилых домов и успели подтвердить надежность и эффективность новой конструкции (для сравнения: стандартная теплоэлектростанция, работающая на угле, выдает примерно 670 МВт). Светоконцентратор на этих электростанциях устроен по схеме «параболического желоба»: 900 000 зеркал установлены на внутренней поверхности полуцилиндра, напоминающей скейтбордистский «халф-пайп». Длинные ряды таких желобов занимают в пустыне площадь 600 га. Зеркальные конструкции поворачиваются вокруг оси, отслеживая движение солнца по небу. Солнечные лучи, отражаясь, концентрируются на проходящей по оси трубе с циркулирующей внутри жидкостью. Горячая жидкость (в данном случае это минеральное масло) отдает тепло воде, которая закипает, а полученный таким образом пар крутит турбину.

Машина Стирлинга — это система замкнутого цикла. В ней под воздействием солнечного тепла расширяется газообразный водород, он толкает поршень, от которого крутится кривошип, приводящий в движение электрогенератор. Затем водород охлаждается и конденсируется в радиаторе, после чего возвращается в рабочий цилиндр.

В 1990-е годы после резкого падения цен на природный газ работы были сокращены вдвое. Очередная из запланированных в США солнечных электростанций была запущена только в прошлом году — это 64-мегаваттная система типа «параболического желоба», смонтированная в Баулдер-Сити, штат Невада. Она построена силами испанской компании Acciona и получила название Nevada Solar One. Сейчас ускоренно проектируется еще 13 подобных электростанций суммарной мощностью 5100 МВт. Они будут строиться во Флориде, Аризоне и Калифорнии, и по большей части это будут конструкции типа «параболического желоба». Компания Stirling Energy продвигает другую систему, которая сулит большую гибкость и энергоотдачу.

Уже спроектированная 900-мегаваттная электростанция Stirling Solar Two состоит из 36 000 одинаковых тарелок-отражателей, каждая из которых содержит 82 зеркальные панели всего двух разновидностей. Такое решение, чуть-чуть снижая общую энергоотдачу, позволяет реализовать преимущества массового производства.

Модульная структура станции имеет и другое важное достоинство. Поскольку каждый 25-киловаттный SunCatcher работает на собственную машину Стирлинга и вырабатывает электроэнергию совершенно автономно, система не имеет таких узлов, которые в случае отказа угрожали бы работоспособности всей системы. В альтернативной конструкции с параболическим желобом все эти тысячи зеркал работают на одну центральную турбину, так что при остановке турбины хотя бы для профилактики подача электроэнергии сразу должна прекратиться. И еще один момент: вариант SunCatcher позволяет начать отпуск энергии задолго до того, как строительство электростанции будет закончено. Достаточно будет собрать первые 40 тарелок — «солнечную группу» — и станция начнет давать ток, для начала хотя бы 1 МВт.

Революционное преимущество новой технологии состоит в том, что солнечные лучи концентрируются в одном очень небольшом пятне. Это позволяет достичь средней температуры 800 °C (сравните с 400 °C, которые достигаются в рабочем режиме установки на базе параболического желоба). Кроме того, кривая, отражающая коэффициент полезного действия машины Стирлинга, имеет относительно длинное плоское плато. Иначе говоря, энергоотдача будет близка к максимуму, даже если солнце склоняется к закату или его прикрывают облачка. Рекордный показатель коэффициента полезного действия, достигнутый в этом году (его удерживали в течение часа) на установке SunCatcher, составил 31,25%. При этом усредненный коэффициент по всему времени от рассвета до заката, причем рассчитанный за год эксплуатации, все равно достигает вполне благопристойных 24−25%. Это примерно вдвое больше, чем в системах с параболическими желобами.

И еще одна проблема, которая изрядно обесценивает все варианты солнечной энергетики: солнышко село — рабочий день закончен. А ведь в Аризоне летом жарко, как в пекле, так что кондиционеры у людей крутятся до 9−10 часов вечера. Зато горячую жидкость хранить гораздо проще, чем электроэнергию. Как сказал один из промышленников, в пятидолларовом термосе с горячей водой хранится столько же энергии, сколько в 150-дол-ларовой батарее ноутбука. Только в одном случае это тепловая энергия, а в другом — электрическая, переведенная в электрохимические связи. Принцип хранения тепловой энергии будет реализован в двух 50-мегаваттных электростанциях, которые к концу этого года должны быть построены в Испании. При них будут гигантские термосы, заполненные расплавленной солью. В США один такой тепловой энергоаккумулятор планируется ввести в эксплуатацию к 2011 году. Его построят в Джила-Бенд, штат Аризона. 280-мегаваттная электростанция Solana, которую строит испанская компания Albengoa Solar, тоже спроектирована по схеме параболического желоба. При ней также предполагается установить термос-теплохранилище, который позволит электростанции работать без всякого солнца в течение шести часов. «Мы можем построить станцию, которая будет работать круглые сутки, — говорит Фред Морзе, консультант из Albengoa Solar, — но только в этом нет никакого коммерческого смысла». Ведь электростанция должна удовлетворять потребность в электроэнергии в те часы, когда эта потребность существует и когда цена на электричество наиболее высока.

Солнечные батареи Когда свет падает на определенные материалы, фотоны могут выбивать электроны из кристаллической решетки. В полупроводниковом фотоэлементе потоком этих электронов можно управлять благодаря специфическим свойствам таких элементов, как, скажем, кремний. Новые «тонкопленочные» варианты, например кадмий-теллуридовые панели, которые производит компания First Solar, основаны на том же эффекте — просто в них используются другие материалы.

К вопросу о масштабах

Грандиозные масштабы электростанций Albengoa и Stirling Energy должны убедить скептиков, которые обоснованно сомневаются, что солнечные батареи, раскиданные там и сям по крышам жилых домов, могут играть хоть сколько-нибудь заметную роль в мировом энергетическом балансе. Правда, такая гигантомания рождает свои проблемы. С одной стороны, электроэнергию нужно доставить туда, где она необходима. С другой — бескрайние пустыни, подходящие для постройки солнечных электростанций, располагаются обычно «на отшибе». Электростанция, которую компания Stirling Energy должна построить для потребителей из Сан-Диего, уже обладает линиями электропередачи на 300 МВт, то есть способна распорядиться энергией от 12 000 тарелок. Остальные 24 000 тарелок будут смонтированы только в том случае, если компания San Diego Gas & Electric сможет провести обещанную 250-километровую линию электропередачи между электростанцией и городом.

Еще одна проблема — потребность в воде. Солнечные электростанции на паровых турбинах требуют миллионов тонн воды для охлаждения своих конденсаторов, а в пустынных районах такую проблему решить непросто. В этом отношении водородная система компании Stirling Energy имеет явное преимущество, поскольку на этой станции вода требуется только для того, чтобы раз в несколько недель ополаскивать зеркала.

Солнечные энергоустановки промышленного масштаба требуют огромных капиталовложений, так что еще долго останутся недоступными в развивающихся странах, где именно такие решения насущно необходимы. Для удовлетворения этих запросов одно подразделение Массачусетского технологического института разработало систему RawSolar. В этой системе тарелка имеет диаметр всего 4 м, а весь механизм дешев и прост, так что его можно использовать в автономном режиме. Еще одно детище Массачусетского технологического, некоммерческая организация Solar Turbine Group, прошлым летом в Лесото построила еще более примитивную мини-электростанцию. Ее тепловая машина сконструирована из автозапчастей.

Впрочем, наиболее естественным вариантом для мелкомасштабных установок солнечной энергетики остается, конечно же, старая добрая полупроводниковая солнечная батарея. Она принимает солнечный свет, отдает электрический ток и не имеет при этом никаких движущихся частей, не нуждается в воде и может располагаться в любом месте — прямо там, где требуется ее электроэнергия. Солнечные батареи способны вырабатывать вполне весомые количества энергии даже в условиях слабого солнечного света северных широт, где устанавливать крупномасштабные солнечные электростанции просто нерентабельно.

Тонкопленочные фотоэлементы

Компания коммунальных услуг Edison, действующая в Южной Калифорнии, в июле начала покрывать крыши своих зданий солнечными батареями. По завершении этой работы компания планирует получить источник энергии мощностью 250 МВт прямо на собственной территории. Новизна здесь в том, что вместо фотоэлементов на кремниевой основе использовалась тонкая пленка из теллурида кадмия (для краткости ее называют Cad-Tel — «кад-тел»). Разработчики уже давно экспериментируют с пленочными фотоэлементами, пытаясь создать замену традиционным полупроводниковым элементам на кремниевой основе. «Технология ‘кад-тел’ полностью изменила наши представления о том, чего можно добиться от пленочных материалов», — говорит Лари Казмерски, руководитель Национального центра по разработке фотоэлементов при Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии в Колорадо.

Выпуском солнечных батарей на пленочной основе занялась компания First Solar. Себестоимость их продукции составляет $1,14 в пересчете на один ватт, то есть вдвое меньше, чем стоимость аналогичных батарей на кремниевой основе, причем этот показатель продолжает снижаться. В результате, как утверждает Казмерски, «мы присутствуем при настоящем перевороте». С 2006 по 2007 год First Solar увеличила объемы производства в четыре раза. Сейчас суммарная мощность выпускаемых за год батарей составляет 396 МВт, а в будущем году должна достигнуть 1000 МВт. Компания вышла на биржу всего два года назад, но теперь ее капитализация составляет свыше $20 млрд, то есть вдвое больше, чем у General Motors. «Кад-тел» — не единственное перспективное предложение на этом рынке. У новых батарей, изготовленных на основе полупроводника CIGS (селенид меди, индия, галлия), энергоотдача почти на 30% выше, чем у батарей, которые изготавливает First Solar по технологии «кад-тел». Вокруг этой перспективной идеи сейчас клубится целый рой перспективных молодых компаний.

Кто же первым сумеет довести до практических результатов технологию CIGS? Калифорнийская компания Nanosolar тоже участвует в этой гонке. Как и First Solar, она в основном сбывает свою продукцию в такие европейские государства, как Германия и Испания, поскольку там действует долгосрочная политика, нацеленная на стабильные, гарантированные цены в области солнечной энергетики.

В конце концов, пусть солнечная энергетика сама платит за себя и самостоятельно доказывает свое право на жизнь. В случае ее успеха рынок охотно пойдет ей навстречу. В министерстве энергетики США предсказывают, что уже к 2015 году электроэнергия от солнечных установок станет дешевле, чем электричество, получаемое просто из сети. Более того, цены на природный газ за последние пять лет выросли вдвое, на уголь — втрое, а новые атомные электростанции не начнут вступать в строй еще по крайней мере семь лет. На этом фоне долгосрочная ставка на солнечные электростанции, у которых топливо не кончится никогда, — вернейший залог энергетической безопасности. «Относительно солнечной энергии можно не сомневаться, — говорит Морзе, — цена на нее расти не будет».

«Какие плюсы и минусы солнечных панелей?» – Яндекс.Кью

На сегодняшний день преимущества и недостатки солнечных батарей, позволяют говорить об этих источниках энергии, как о самых перспективных на ближайшее будущее.

Преимущества солнечных батарей

  • Самый первый плюс — это неиссякаемость и вседоступность источника энергии. Солнце есть практически в любой точке планеты и в ближайшее время, оно не собирается никуда пропадать. Если этот источник энергии пропадёт, то нас уже точно не будет волновать вопрос откуда взять электроэнергию.
  • Второе достоинство солнечных батарей — это их экологичность. Каждый потребитель, борющийся за здоровье родной планеты, считает своим долгом приобрести экологичные источники энергии типа ветряка или, в нашем случае — солнечные панели. Но здесь так же как с электромобилями. Сами-то по себе батареи экологичны, но при их производстве, а также при производстве аккумуляторов, электростанций и различных проводников, используются токсичные вещества, которые загрязняют окружающую среду.
  • Кстати, говоря о сравнении с ветряками, солнечные панели намного тише. Они вообще не издают никаких звуков в сравнении с шумными ветряками.
  • Износ батарей происходит очень медленно, ведь здесь нет подвижных частей, если только Вы не используете в своей системе приводы, которые поворачивают солнечные элементы в сторону источника энергии. Тем не менее, даже с такой системой, солнечные панели служат до 25 лет и даже больше. Только после этого срока, если батареи качественные, у них начинает падать КПД и постепенно их нужно заменять на новые. Кто знает какие технологии будут через четверть века? Возможно, следующих батарей Вам хватит до конца жизни.
  • Устанавливая такой источник энергии для дома, вы не будете думать о том, что поставщик энергии внезапно по техническим причинам отрежет ваш дом от энергоснабжения. Вы всегда сам себе хозяин. Точнее своей системе подачи электричества. Нет проблем ни с внезапным повышением цен, ни с транспортировкой энергии.
  • После того, как ваша энергетическая солнечная электростанция окупится, вы будете получать по сути бесплатную энергию в дом. Конечно, сначала за определённый период, нужно отбить вложения.
  • Ещё одно преимущество солнечных электростанций — возможность наращивания. Вопрос упирается только в доступную для Вас площадь. Именно модульность батарей позволяет беспрепятственно в случае необходимости увеличивать мощность системы. Необходимо просто добавить новые солнечные панели и запитать их в систему.  Хотя эти преимущества солнечных электростанций перекрываются существенной проблемой, а именно необходимостью оборудования больших площадей. Речь идёт о квадратных километрах солнечных элементов.
  • Солнечная панель не потребляет никакого топлива, а значит вы не зависите от цен на топливо, также как не зависите от поставок топлива. Плюсы солнечных батарей также в беспрерывной подаче электроэнергии.

Минусы и недостатки солнечных батарей

Несмотря на все вышеперечисленные плюсы, есть у батарей и масса недостатков, которые необходимо оценить при выбореисточника энергии. Важно понимать все минусы до покупки, чтобы потом быть готовым к тому, с чем придётся столкнуться. По ряду причин солнечные панели используются чаще как вспомогательный источник, а не как основной.

  • Самый первый недостаток — необходимость первоначальных больших инвестиций, которые не требуются при обычном подключении к центральной электросети. Также срок окупаемости вложений, в электросеть с солнечными батареями, весьма размытый, ведь всё зависит от факторов, которые не зависят от потребителя.
  • Низкий уровень КПД. Один квадратный метр солнечной батареи средней производительности выдаёт всего лишь около 120 Вт мощности. Такой мощности не хватит даже для того, чтобы нормально поработать за лэптопом. Солнечные панели имеют значительно меньший КПД в сравнении с традиционными источниками энергии — около 14-15%. Однако этот недостаток можно считать достаточно условным, ведь новые технологии постоянно увеличивают этот показатель и развитие не стоит на месте, выжимая всё больше и больше энергоэффективности из тех же самых площадей.
  • В странах СНГ солнечные батареи достаточно дорогое удовольствие, ведь государство не поддерживает покупку таких источников энергии и никак не дотирует стремление своих граждан к “зелёной” энергии. Конечно, за рубежом ситуация значительно лучше. Ведь те же США заинтересованы в переходе страны на экологически чистые источники энергии.
  • Ещё один недостаток — эффективность работы зависимая от погодных условий и климата. Например, солнечные батареи теряют свою эффективность во время пасмурной погоды или в тумане. Также при низких температурах, в зимнее время, КПД солнечных батарей падает. А если панель недостаточно хорошего качества, то и при высоких температурах. Поэтому всё же необходимо поддерживать солнечные батареи какими-то основными источниками энергии, либо использовать гибридные солнечные батареи. Также немаловажно, что солнечные панели могут по разному работать в разных широтах планеты. В каждой отдельно взятой местности, за год выходит разное количество солнечной энергии. Поэтому эффективность солнечной системы также зависит и от месторасположения вашего дома. Впрочем как и от времени суток, ведь ночью солнца нет, а значит и нет выработки энергии.
  • Батареи невозможно использовать как источник энергии для техники, которая потребляет большую мощность.
  • Система электроснабжения от солнца требует большого количества вспомогательной техники. Аккумуляторы для накопления энергии, инверторы, а также специального помещения для установки системы. Например, никель-кадмиевые аккумуляторы значительно теряют свою мощность при понижении температуры ниже нуля по Цельсию.
  • Для того, чтобы выдать большую мощность от солнечной энергии, необходимы большие площади. Если говорить про солнечную электростанцию промышленного масштаба, то это квадратные километры. Конечно, при бытовом использовании панелей, Вам такие площади не понадобятся, но всё же учитывайте этот момент, если захотите расширятся.

Солнечная энергетика: технологии, достоинства и недостатки

Мы живём в мире будущего, хотя не во всех регионах это заметно. В любом случае возможность развития новых источников энергии сегодня всерьёз обсуждается в прогрессивных кругах. Одним из самых перспективных направлений выступает солнечная энергетика.

На данный момент около 1% электроэнергии на Земле получается вследствие переработки солнечного излучения. Так почему мы до сих пор не отказались от других «вредных» способов, и откажемся ли вообще? Предлагаем ознакомиться с нашей статьей и попытаться самостоятельно ответить на этот вопрос.

Как солнечная энергия преобразуется в электричество

Начнём с самого важного – каким образом солнечные лучи перерабатываются в электроэнергию.

Сам процесс носит название «Солнечная генерация». Наиболее эффективные пути его обеспечения следующие:

  • фотовольтарика;
  • гелиотермальная энергетика;
  • солнечные аэростатные электростанции.

Рассмотрим каждый из них.

Фотовольтарика

В этом случае электрический ток появляется вследствие фотовольтарического эффекта. Принцип такой: солнечный свет попадает на фотоэлемент, электроны поглощают энергию фотонов (частиц света) и приходят в движение. В итоге мы получаем электрическое напряжение.

Подробнее можете почитать на Википедии: Фотовольтарический эффект

Именно такой процесс происходит в солнечных панелях, основу которых составляют элементы, преобразующие солнечное излучение в электричество.

Сама конструкция фотовольтарических панелей достаточно гибкая и может иметь разные размеры. Поэтому в использовании они очень практичны. К тому же панели имеют высокие эксплуатационные свойства: устойчивы к воздействию осадков и перепадам температур.

А вот как устроен отдельный модуль солнечной панели:

О применении солнечных батарей в качестве зарядных устройств, источников питания частных домах, для облагораживания городов и в медицинских целях можно почитать в отдельной статье.

Современные солнечные панели и электростанции

Из недавних примеров можно отметить солнечные панели компании SistineSolar. Они могут иметь любой оттенок и текстуру в отличие от традиционных тёмно-синих панелей. А это значит, что ими можно «оформить» крышу дома так, как Вам заблагорассудится.

Другое решение предложили разработчики Tesla. Они выпустили в продажу не просто панели, а полноценный кровельный материл, перерабатывающий солнечную энергию. Черепица Solar Roof содержит встроенные солнечные модули и также может иметь самое разнообразное исполнение. При этом сам материал гораздо прочнее обычной кровельной черепицы, у Solar Roof даже гарантия бесконечная.

Ещё много интересного в наших соцсетях