Что такое солнечная энергетика
Солнечная энергетика сегодня и перспективы её дальнейшего развития
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:
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.
В качестве примера полноценной СЭС можно привести недавно построенную в Европе станцию с двусторонними панелям. Последние собирают как прямое солнечное излучение, так и отражающее. Это позволяет повысить эффективность солнечной генерации на 30%. Эта станция должна вырабатывать в год около 400 МВт*ч.
Интерес вызывает и крупнейшая плавучая СЭС в Китае. Её мощность составляет 40 МВт. Подобные решения имеют 3 важных преимущества:
Кстати, эта плавучая СЭС была построена на месте заброшенного угледобывающего предприятия.
Технология, основанная на фотовольтарическом эффекте, является наиболее перспективной на сегодня, и по оценкам экспертов солнечные панели уже в ближайшие 30-40 лет смогут производить около 20% мировой потребности электроэнергии.
Гелиотермальная энергетика
Тут подход немного другой, т.к. солнечное излучение используется для нагревания сосуда с жидкостью. Благодаря этому она превращается в пар, который вращает турбину, что приводит в выработке электричества.
По такому же принципу работают тепловые электростанции, только жидкость нагревается посредством сжигания угля.
Самый наглядный пример использования данной технологии – это станция Иванпа Солар в пустыне Мохаве. Она является крупнейшей в мире солнечной гелиотермальной электростанцией.
Работает она с 2014 года и не использует никакого топлива для производства электричества – только экологически чистая солнечная энергия.
Котёл с водой располагается в башнях, которые Вы можете видеть в центре конструкции. Вокруг расположено поле из зеркал, направляющих солнечные лучи на вершину башни. При этом компьютер постоянно поворачивает эти зеркала в зависимости от расположения солнца.
Под воздействием концентрированной солнечной энергии вода в башне нагревается и становится паром. Так возникает давление, и пар начинает вращать турбину, вследствие чего выделяется электричество. Мощность этой станции – 392 мегаватт, что вполне можно сопоставить со средней ТЭЦ в Москве.
Интересно, что подобные станции могут работать и ночью. Это возможно благодаря помещению части разогретого пара в хранилище и постепенном его использовании для вращения турбины.
Солнечные аэростатные электростанции
Это оригинальное решение хоть и не получило широкого применения, но всё же имеет место быть.
Сама установка состоит из 4 основных частей:
В чём преимущества солнечной энергетики
Проблемы развития солнечной энергетики
Несмотря на реализацию идей по поддержанию работы солнечных электростанций в ночное время, никто не застрахован от капризов природы. Затянутое облаками небо в течение нескольких дней значительно понижает выработку электричества, а ведь населению и предприятиям необходима его бесперебойная подача.
Строительство солнечной электростанции – удовольствие не из дешёвых. Это обусловлено необходимостью применять редкие элементы в их конструкции. Не все страны готовы растрачивать бюджеты на менее мощные электростанции, когда есть рабочие ТЭС и АЭС.
Для размещения таких установок необходимы большие площади, причём в местах, где солнечное излучение имеет достаточный уровень.
Как развита солнечная энергетика в России
К сожалению, в нашей стране пока во всю жгут уголь, газ и нефть, и наверняка Россия будет в числе последних, кто полностью перейдёт на альтернативную энергетику.
На сегодняшний день солнечная генерация составляет всего 0,03% энергобаланса РФ. Для сравнения в той же Германии этот показатель составляет более 20%. Частные предприниматели не заинтересованы во вложении средств в солнечную энергетику из-за долгой окупаемости и не такой уж высокой рентабельности, ведь газ у нас обходится гораздо дешевле.
В экономически развитых Московской и Ленинградской областях солнечная активность на низком уровне. Там строительство солнечных электростанций просто нецелесообразно. А вот южные регионы довольно перспективны.
Так одной из крупнейших в нашей стране является Орская СЭС. Она состоит из 100 тыс. модулей, выдающих суммарную мощность 25 МВт. Выработанное электричество подаётся в Единую энергетическую систему России (ЕЭС).
Самой мощной сегодня является СЭС Перово, расположенная в Республике Крым. Она выдаёт более 105 МВт, что на момент открытия станции было мировым рекордом. СЭС Перово состоит из 440 000 фотоэлектрических модулей и занимает площадь 259 футбольных полей.
Вообще в Крыму солнечная энергетика неплохо развита – там более десятка солнечных электростанций мощностью от 20 МВт. Правда, вся полученная электроэнергия уходит сугубо на нужды полуострова.
К 2020 году в России планируется построить 4 крупных СЭС, мощность которых позволит увеличить долю солнечной энергии до 1% от всего энергобаланса страны.
Таким образом, уже сегодня можно с уверенностью сказать, что солнечная энергетика способна в недалёкой перспективе выступить полноценной альтернативой традиционным способам получения электроэнергии. И даже в России эта отрасль хоть и медленно, но развивается.
О выходе новых статей рассказываем в соцсетях
Мода на альтернативную энергетику набирает обороты. Причем в центре внимания оказываются возобновляемые источники энергии – приливы, ветер, солнце. Солнечная энергетика (или фотоэнергетика) считается одним из наиболее динамично развивающихся отраслевых секторов. Нередки совсем уж оптимистичные заявления вроде того, что вся энергетика грядущих времен будет, ни много ни мало, базироваться на солнечной энергетике.
Строго говоря, энергия звезды по имени Солнце в «законсервированном» виде присутствует во всех видах ископаемого топлива – угле, нефти, газе. Энергия эта начала накапливаться еще на стадии роста растений, потребляющих солнечный свет и тепло, которые вследствие сложных биологических процессов превратились в углеродные ископаемые. Энергию воды, ее кругооборот также поддерживает Солнце.
Плотность солнечной энергии у верхней границы атмосферы составляет 1350 Вт/м2, она носит название «солнечная постоянная». При прохождении солнечных лучей через атмосферу Земли часть излучения рассеивается. Но и у самой поверхности Земли его плотность достаточна для возможного использования, причем даже в облачную погоду.
Фотогальванический эффект (т.е. возникновение стационарного тока в однородном материале при его однородном фотовозбуждении) был открыт в 1839 году французским физиком Александре-Эдмондом Бекверелом. Немногим позже англичанин Уиллобай Смит и немец Генрих-Рудольф Герц независимо друг от друга открыли фотопроводимость селена и ультрафиолетовую фотопроводимость.
В 1888 году в Америке было запатентовано первое «устройство утилизации солнечного излучения». Первые достижения российских ученых в области фотопроводимости относятся к 1938 году. Тогда в лаборатории академика Абрама Иоффе впервые был создаэлемент для преобразования солнечной энергии, который планировалось применять в солнечной энергетике.
Абрам Иоффе стал также автором популярного нынче решения устанавливать фотоэлементы на крышах (хотя поначалу идея широко не прижилась лишь по той причине, что недостатка в ископаемом топливе в то время никто не испытывал). Сегодня же такие страны, как Германия, США, Япония, Израиль, все активнее ставят на крышах зданий солнечные батареи, создавая таким образом «энергосберегающие дома».
Более оживленный интерес солнечная энергетика начала вызывать во второй половине XX века. Благодаря практическим разработкам в этой области были созданы теплоэлектростанции, где теплоноситель нагревался за счет прямого солнечного излучения, а турбоэлектрогенератор приводил в действие образующийся в котле пар.
По мере накопления знаний и продвижения от теории к практике возник вопрос рентабельности солнечной генерации. Поначалу задачи солнечной энергетики не простирались дальше энергообеспечения локальных объектов, например труднодоступных или удаленных от центральной энергосистемы. Еще в 1975 г. суммарная мощность всех солнечных установок на планете составляла всего 300 кВт, а стоимость пикового киловатта мощности достигала 20 тыс. долларов.
Принцип действия солнечных электростанций:
Выпуск солнечных батарей освоили крупные мировые компании – такие, как Siemens, Kyocera, Solarex, BP Solar, Shell и другие. Стоимость одного ватта установленной электрической мощности на полупроводниковых фотоэлементах снизилась до 2 долларов.
Еще в советское время было рассчитано, что установленные в районе Аральского моря 4 тыс. км 2 солнечных модулей способны обеспечить покрытие годовой потребности в электроэнергии всего земного шара. А КПД тогдашних батарей не превышал 6%.
В прошлом веке 10-мегаваттные солнечные электростанции (СЭС) были созданы в США, Франции, Испании, Италии и других «солнечных» странах. В СССР первая экспериментальная солнечная станция мощностью 5 МВт была построена на Керченском полуострове, где количество солнечных дней в году одно из самых высоких в регионе.
Некоторые из этих станций еще работают, многие прекратили функционирование, но можно с уверенностью утверждать, что они не могут принципиально конкурировать с современными солнечными фотоэлектрическими системами.
Сильные стороны солнечной энергетики всем очевидны и в пространных пояснениях не нуждаются.
Во-первых, ресурсов Солнца хватит надолго – продолжительность существования звезды оценивается учеными примерно в 5 млрд. лет.
Во-вторых, использование солнечной энергии не грозит выбросами парниковых газов, глобальным потеплением и общим загрязнением окружающей среды, т.е. не влияет на экологический баланс планеты.
К узким местам солнечной энергетики относятся, во-первых, все еще недостаточно высокий КПД, во-вторых, недостаточно низкая себестоимость киловатт-часа – то, что вызывает вопросы в связи с широким использованием любого возобновляемого источника энергии.
К этому добавляется тот факт, что изрядное количество солнечных излучений у поверхности Земли рассеивается неконтролируемо.
Экологическая безопасность тоже, строго говоря, под вопросом – ведь как быть с утилизацией отработанных элементов, пока неясно.
Ну и, наконец, степень изученности солнечной энергетки – что бы ни говорили – пока далека от совершенства.
Наиболее «слабым звеном» солнечной энергетки является низкий КПД батарей, решение этой проблемы – вопрос лишь времени.
Да, получение энергии из Солнца – проект не самый дешевый. Но, во-первых, за последние тридцать лет один ватт, выработанный посредством фотоэлементов, подешевел в десятки раз. А во-вторых, «на руку» солнечной энергетике играет стремление европейских стран снизить зависимость от традиционных энергоносителей. Кроме того, не стоит забывать о Киотском протоколе. Сейчас можно сказать, что солнечная энергетика развивается уверенными темпами и с точки зрения науки, и с точки зрения коммерции.
Сегодня солнечная энергия наиболее активно используется в трех целях:
отопление и горячее водоснабжение, а также кондиционирование воздуха;
конвертация в электрическую энергию с помощью солнечных фотоэлектрических преобразователей;
масштабное производство электроэнергии на основе теплового цикла.
Солнечную энергию не обязательно конвертировать в электрическую, а вполне можно использовать как тепловую. Например, для отопления и горячего водоснабжения жилых и промышленных объектов.
В основе принципа работы конструкции солнечных нагревательных систем – нагревание антифриза. Затем тепло передается в баки-аккумуляторы, расположенные обычно в подвале, и расходуется оттуда.
Одним из крупнейших потенциальных потребителей фотоэнергетики является сельскохозяйственный сектор, который самостоятельно способен потреблять сотни мегаватт пиковой энергии фотоэнергосистем в год. К этому можно добавить навигационное обеспечение, энергообеспечение систем телекоммуникаций, систем для курортно-оздоровительного и туристического бизнеса, а также коттеджей, уличных солнечных фонарей и т. д.
Сегодня всерьез рассматривается возможность абсолютно фантастических, с точки зрения обывателя, способов применения солнечной энергетики. Например, проекты орбитальных солнечных станций или, что еще фантастичнее, солнечных электростанций на Луне.
И такие проекты действительно есть. В космосе концентрация солнечной энергии значительно выше по сравнению с нашей голубой планетой. Передача энергии на Землю возможна с помощью направленного светового (лазерного) или сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Солнечная энергия — огромный, неисчерпаемый и чистый ресурс
Солнечная выработка электроэнергии представляет собой чистую альтернативу электроэнергии из добываемого топлива, без загрязнения воздуха и воды, отсутствием глобального загрязнения окружающей среды и без каких-либо угроз для нашего общественного здравоохранения. Всего 18 солнечных дней на Земле содержит такое же количество энергии, какая хранится во всех запасах планеты угля, нефти и природного газа. За пределами атмосферы, солнечная энергия содержит около 1300 ватт на квадратный метр. После того, как она достигнет атмосферы, около одной трети этого света отражается обратно в космос, в то время как остальные продолжают следовать к поверхности Земли.
Усредненные по всей поверхности планеты, квадратный метр собирает 4,2 киловатт-часов энергии каждый день, или приблизительный энергетический эквивалент почти барреля нефти в год. Пустыни, с очень сухим воздухом и небольшим количеством облачности, могут получить более чем 6 киловатт-часов в день на квадратный метр в среднем в течение года.
Преобразование солнечной энергии в электричество
Фотоэлектрические (PV) панели и концентрация солнечной энергии (CSP) объектов захвата солнечного света могут превратить его в полезную электроэнергию. Крыши PV панели делают солнечную энергию жизнеспособной практически в каждой части Соединенных Штатов. В солнечных местах, таких как Лос-Анджелес или Феникс, система 5 киловатт производит в среднем 7000 до 8000 киловатт-часов в год, что примерно эквивалентно использованию электроэнергии типичного домохозяйства США.
В 2015 году почти 800 000 фотоэлектрических систем были установлены на крышах домов по всей территории Соединенных Штатов. Крупномасштабные PV проекты используют фотоэлектрические панели для преобразования солнечного света в электричество. Эти проекты часто имеют выходы в диапазоне сотен мегаватт, а это миллионы солнечных панелей, установленных на большой площади земли.
Как работают панели солнечных батарей
Солнечные фотоэлектрические (PV) панели на основе высокой, но удивительно простой технологии, которая преобразует солнечный свет непосредственно в электричество.
В 1839 году французский ученый Эдмонд Беккерель обнаружил, что некоторые материалы будут испускать искры электричества при ударе с солнечным светом. Исследователи обнаружили, что в ближайшее время это свойство, называемое фотоэлектрический эффект, может быть использовано; первая фотоэлектрическая (PV) ячейка изготовлена была из селена в конце 1800-х годов. В 1950 году ученые в Bell Labs пересматривали технологии и, используя кремний, произведенный в фотоэлементы, смогли преобразовать энергию солнечного света непосредственно в электричество.
Компоненты PV ячейки
Наиболее важными компонентами PV ячейки являются два слоя полупроводникового материала, обычно состоящего из кристаллов кремния. Сам по себе кристаллизирующийся кремний является не очень хорошим проводником электричества, поэтому в него намеренно добавляют примеси — процесс, называемый допинг-этап.
Нижний слой из фотоэлементов обычно состоит из легированного борома, который в связке с кремнием создает положительный заряд (p), в то время как верхний слой, легированный фосфором, взаимодействуя с кремнием — отрицательный заряд (n).
Лишние электроны из n-слоя могут покидать свои атомы, тогда как p-слой эти электроны захватывает. Лучи света «выбивают» электроны из атомов n-слоя, после чего они летят в p-слой занимать пустующие места. Таким способом электроны бегут по кругу, выходя из p-слоя, проходя через нагрузку и возвращаясь в n-слой.
беспилотные самолеты на солнечной энергии
Каждая ячейка генерирует очень мало энергии (несколько ватт), поэтому они сгруппированы в виде модулей или панелей. Панели затем либо используются как отдельные единицы или сгруппированы в более крупные массивы.
Переход к электрической системе с большим количеством солнечной энергии дает много преимуществ.
Перовскит «удешевит» солнечную энергию
Еще в 2013 году новость разнеслась по просторам сети: минерал перовскит произведет революцию в солнечной энергетике. Применение вместо кремния перовскита позволит снизить стоимость производства электроэнергии при помощи солнечных батарей. Перовскит (титанат кальция) был обнаружен в начале 19 века в Уральских горах, назван в честь Л.А. Перовского (известного любителя минералов). Как компонент фотоэлемента начал использоваться в 2009 году.
Батареи покрываются инновационным недорогим фотоэлементом, основное достоинство которого в том, что он может конвертировать в энергию намного большее количество частей солнечного света. Перовскиты представляют собой кристаллическую структуру, которая позволяет с максимальной эффективностью впитывать солнечный свет. По предварительным оценкам использование батарей на основе перовскита может снизить стоимость киловатта энергии в семь раз.
«Главное преимущество новых фотоэлементов заключается не столько в эффективности, сколько в том, что материал чертовски дешев. Батареи на основе перовскита, в которых не используется кремний, могут сделать солнечную энергетику по-настоящему массовой».
Солнечная энергия для ЦОД
10 % всей производимой в мире электроэнергии потребляют серверные фермы. Так как энергоэффективные сети и возобновляемые источники энергии сейчас внедряются во всех отраслях, ЦОД не остались в стороне. Негативное влияние серверных ферм на окружающую среду давно уже на устах экологов. Поэтому владельцы дата-центров стремятся к снижению негативного воздействия своих ЦОД, прибегая к передовым энергосберегающим и «зеленым» технологиям выработки электроэнергии, сюда можно отнести фрикулинг, системы локальных генерирующих мощностей на базе возобновляемых источников энергии.
Как выход — солнечная электростанция рядом с серверной фермой, в тех странах, где это позволяют климатические условия. Она идеальна для серверных ферм, которые развернуты в тропиках или субтропиках. Ведь использование солнечных панелей на крыше ЦОД, кроме того что предоставит «зеленую энергию», так еще и поможет уменьшить тепловую нагрузку на здание, так как создаваемая ими тень минимизирует количество поглощаемого крышей тепла. Гелиоэлектростанция снизит общий негативный эффект дата-центра на экологию, и повысит надежность ЦОД расположенных в регионах, где наблюдаются перебои в работе центральной электросети.
крупная электростанция на базе возобновляемых источников энергии рядом с дата-центром Apple в городе Мейден, штат Северная Каролина (США)
Switch совместно с энергетической компанией Nevada Power начала сооружение рядом с Лас-Вегасом солнечной станции Switch Station мощностью 100 МВт. В американских СМИ компанию Switch называют «возмутителям спокойствия» на рынке коммерческих ЦОД, это один из крупнейших игроков, данной отрасли. Компания занимается сооружением и поддержкой datacenter facilities – зданий и и инженерной инфраструктуры без собственно вычислительной аппаратуры, ее основная модель взаимодействия с клиентами – colocation.
крупнейшая в мире гелиотермальная электростанция Айванпа мощностью 400 МВт
В 2015 году США и Япония начали разрабатывать новый механизм электроснабжения ЦОД за счет солнечной энергии. Проект предполагает исследование новых возможностей «… использования связки генерирующих мощностей на базе солнечной энергии и систем класса HVDC (высокое напряжение постоянного тока), применяемых для распределения генерируемой солнечными батареями электроэнергии на уровне ЦОД». Такое комбинирование HVDC и солнечных панелей даст возможность развернуть единую систему резервного электропитания на базе аккумуляторных батарей, при этом можно будет экономить на капитальных и эксплуатационных расходах.
Интересно
Немецкий архитектор Андре Броезель из компании Rawlemon создал солнечую батарею в форме движущего стеклянного шара. Он называет его генератором нового поколения, который будет ловить максимальное количество лучей, так как он оснащен системой отслеживания перемещения солнца и датчиками смены погоды, а это на 35 % эффективней в сравнении с стандартными солнечными батареями.
Японская энергетическая компания Shimizu Corporation в 2015 году обьявила о своем намерение построить крупную солнечную электростанцию на естественном спутнике нашей планеты — Луне. Электростанция в виде колец с солнечными батареями будет опоясывать Луну по примеру планеты Сатурн и передавать энергию на Землю. От такой солнечной станции Shimizu Corporation ожидает 13 тысяч тераватт энергии/ год. Еще не известна стоимость и дата начала такого космического строительства.
В институте прогрессивной архитектуры в Каталонии разработали солнечную панель, которая может функционировать на растениях, мхе и почве. Плюсом такой технологии является отказ от опасных токсичных материалов и тяжелых металлов в производстве солнечных панелей. Тут используются специальные бактерии в крохотных топливных ячейках, размещенных в земле под корнями растений. Бактерии нужны для выработки дешевой энергии в мини-батареях. Растения будут обеспечивать жизненный цикл бактерий, а вода служить в качестве подпитки для всей системы. Такая инновационная система может работать на территориях, где солнечного света не так уж и много, если заменить растения мхом, так как он может расти в тени.