Солнечная генерация

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
На переднем плане три единицы солнечной электростанции Solnova (Испания)

Со́лнечная генера́ция — одно из направлений альтернативной энергетики основанное на получении электрической энергии за счёт энергии солнца. Солнечная генерация осуществляется за счёт преобразования солнечного света в электричество как непосредственно с помощью фотоэлектрических устройств (фотовольтаика), так и косвенно с использованием концентрированной солнечной энергии (гелиотермальная энергетика). В системах для концентрирования солнечной энергии применяют линзы или зеркала, а также системы слежения, которые позволяют устройству максимально использовать площадь пятна солнечного света. Фотопреобразователи преобразовывают солнечный свет в электрический ток методом фотоэлектрического эффекта[1].

Солнечная генерация рассматривается как способ получения электроэнергии, достоинством которого является отсутствие вредных выбросов в процессе эксплуатации[2].

Направления научных исследований[править | править вики-текст]

Фундаментальные исследования[править | править вики-текст]

  • Из-за теоретических ограничений в преобразовании спектра в полезную энергию (около 30 %), для фотоэлементов первого и второго поколения требуется использование больших площадей земли под электростанции. Например, для электростанции мощностью 1 ГВт это может быть несколько десятков квадратных километров (для сравнения, — гидроэнергетика, при таких же мощностях, выводит из пользования заметно большие участки земли), но строительство солнечных электростанций такой мощности может привести к изменению микроклимата в прилегающей местности и поэтому в основном устанавливаются фотоэлектрические станции мощностью 1 — 2 МВт недалеко от потребителя или даже индивидуальные и мобильные установки. Фотоэлектрические элементы на крупных солнечных электростанциях устанавливаются на высоте 1,8—2,5 метра, что позволяет использовать земли под электростанцией для сельскохозяйственных нужд, например, для выпаса скота. Проблема нахождения больших площадей земли под солнечные электростанции решается в случае применения солнечных аэростатных электростанций, пригодных как для наземного, так и для морского и для высотного базирования.
  • Поток солнечной энергии, падающий на установленный под оптимальным углом фотоэлемент, зависит от широты, сезона и климата и может различаться в два раза для заселённой части суши (до трёх с учётом пустыни Сахары)[3]. Атмосферные явления (облака, туман, пыль и др.) не только изменяют спектр и интенсивность падающего на поверхность Земли солнечного излучения, но и изменяют соотношение между прямым и рассеянным излучениями, что оказывает значительное влияние на некоторые типы солнечных электростанций, например, с концентраторами или на элементах широкого спектра преобразования.

Прикладные исследования[править | править вики-текст]

  • Фотоэлектрические преобразователи работают днём и с меньшей эффективностью работают в утренних и вечерних сумерках. При этом пик электропотребления приходится именно на вечерние часы. Кроме того, производимая ими электроэнергия может резко и неожиданно колебаться из-за смены погоды. Для преодоления этих недостатков на солнечных электростанциях используются эффективные электрические аккумуляторы (на сегодняшний день это недостаточно решённая проблема), либо преобразуют в другие виды энергии, например, строят гидроаккумулирующие станции, которые занимают большую территорию, или концепцию водородной энергетики, которая недостаточно экономически эффективна. На сегодняшний день эта проблема просто решается созданием единых энергетических систем, которые перераспределяют вырабатываемую и потребляемую мощность. Проблема некоторой зависимости мощности солнечной электростанции от времени суток и погодных условий решается также с помощью солнечных аэростатных электростанций.
  • Сравнительно высокая цена солнечных фотоэлементов. С развитием технологии и ростом цен на ископаемые энергоносители этот недостаток преодолевается. В 19902005 гг. цены на фотоэлементы снижались в среднем на 4 % в год.
  • Поверхность фотопанелей и зеркал (для тепломашинных ЭС) нужно очищать от пыли и других загрязнений. В случае крупных фотоэлектрических станций, при их площади в несколько квадратных километров это может вызвать затруднения, но применение отполированного стекла на современных солнечных батареях решает эту проблему.
  • Использование одно- и двухосевых трекеров (следящих систем) и систем с изменяемым углом наклона фотоэлектрических модулей позволяет оптимизировать угол падения солнечных лучей на модули в зависимости от времени суток и времени года. Однако практика показала низкую эффективность этих систем ввиду их высокой стоимости (относительно стремительно дешевеющих фотомодулей), дополнительных затрат энергии (для трекеров) либо на работы по изменению угла наклона (для систем с изменяемым углом), невысокой надёжности, в частности — ввиду постоянных атмосферных воздействий, необходимости регулярного обслуживания и ремонтов, а также повреждений модулей и электрического оборудования, вызванных регулярными механическими операциями[4].
  • Эффективность фотоэлектрических элементов падает при их нагреве (в основном это касается систем с концентраторами), поэтому возникает необходимость в установке систем охлаждения, обычно водяных. Также в фотоэлектрических преобразователях третьего и четвёртого поколений используют для охлаждения преобразование теплового излучения в излучение наиболее согласованное с поглощающим материалом фотоэлектрического элемента (так называемое up-conversion), что одновременно повышает КПД.
  • Через 30 лет эксплуатации эффективность фотоэлектрических элементов начинает снижаться. Отработавшие своё фотоэлементы, хотя и незначительная их часть, в основном специального назначения, содержат компонент (кадмий), который недопустимо выбрасывать на свалку. Нужно дополнительное расширение индустрии по их утилизации.

Экологические проблемы[править | править вики-текст]

При производстве фотоэлементов уровень загрязнений не превышает допустимого уровня для предприятий микроэлектронной промышленности. Современные фотоэлементы имеют срок службы 30—50 лет. Применение кадмия, связанного в соединениях, при производстве некоторых типов фотоэлементов с целью повышения эффективности преобразования, ставит сложный вопрос их утилизации, который тоже не имеет пока приемлемого с экологической точки зрения решения, хотя такие элементы имеют незначительное распространение, и соединениям кадмия при современном производстве уже найдена достойная замена.

В последнее время активно развивается производство тонкоплёночных фотоэлементов, в составе которых содержится всего около 1 % кремния, по отношению к массе подложки, на которую наносятся тонкие плёнки. Из-за малого расхода материалов на поглощающий слой, здесь кремния, тонкоплёночные кремниевые фотоэлементы дешевле в производстве, но пока имеют меньшую эффективность и неустранимую деградацию характеристик во времени. Кроме того, развивается производство тонкоплёночных фотоэлементов на других полупроводниковых материалах, в частности Смиг, достойный конкурент кремнию. Так, например, в 2005 году компания Shell приняла решение сконцентрироваться на производстве тонкоплёночных элементов, и продала свой бизнес по производству монокристаллических (нетонкоплёночных) кремниевых фотоэлектрических элементов.

Солнечные концентраторы вызывают большие по площади затенения земель, что приводит к сильным изменениям почвенных условий, растительности и т. д. Нежелательное экологическое действие в районе расположения станции вызывает нагрев воздуха при прохождении через него солнечного излучения, сконцентрированного зеркальными отражателями. Это приводит к изменению теплового баланса, влажности, направления ветров; в некоторых случаях возможны перегрев и возгорание систем, использующих концентраторы, со всеми вытекающими отсюда последствиями. Применение низкокипящих жидкостей и неизбежные их утечки в солнечных энергетических системах во время длительной эксплуатации могут привести к значительному загрязнению питьевой воды. Особую опасность представляют жидкости, содержащие хроматы и нитриты, являющиеся высокотоксичными веществами.

Способы[править | править вики-текст]

Способы получения электричества из солнечного излучения:

  • фотовольтаика — прямое преобразование фотонов в электроэнергию с помощью фотоэлементов;
  • 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, которая расходуется для электрогенерации по аналогии с обычными ТЭЦ или накапливается для сохранения энергии. Преобразование солнечной энергии в электричество осуществляется с помощью тепловых машин:
  • термовоздушные электростанции (преобразование солнечной энергии в энергию воздушного потока, направляемого на турбогенератор).
  • солнечные аэростатные электростанции (генерация водяного пара внутри баллона аэростата за счет нагрева солнечным излучением поверхности аэростата, покрытой селективно-поглощающим покрытием). Преимущество — запаса пара в баллоне достаточно для работы электростанции в темное время суток и в ненастную погоду
  • Solar fuel

Развитие[править | править вики-текст]

Годовая выработка электроэнергии в мире на СЭС
Год Энергия ТВт·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%
Источник — BP Statistical Review of World Energy, 2015[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. First Solar — 1800 МВт
  3. Trina Solar — 1600 МВт
  4. Canadian Solar — 1550 МВт
  5. Suntech — 1500 МВт
  6. Sharp — 1050 МВт
  7. Jinko Solar — 900 МВт
  8. SunPower — 850 МВт
  9. REC Group — 750 МВт
  10. 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.

Распространение солнечной электроэнергетики[править | править вики-текст]

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. Ещё одна солнечная электростанция мощностью 100 кВт была запущена в сентябре 2010 года в Белгородской области[14][15].

Рабочие места[править | править вики-текст]

В середине 2011 года в фотоэлектрической промышленности Германии было занято более 100 тысяч человек. В солнечной энергетике США работали 93,5 тысяч человек[16].

Перспективы солнечной электроэнергетики[править | править вики-текст]

В мире ежегодный прирост энергетики за последние пять лет составлял в среднем около 50 %[17]. 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].

Процент обеспечения потребностей человечества к 2050 году электроэнергией, полученной на СЭС — это вопрос стоимости 1 кВт·ч при установке солнечной электростанции «под ключ» и развитости мировой энергетической системы, а также сравнительной привлекательности других способов получения электроэнергии. Гипотетически это может быть от 1 % до 80 %. Одно из чисел в этом диапазоне точно будет соответствовать истине.

В 2005 году мир прошел пик добычи нефти и с тех пор углеводородное сырье постепенно и неуклонно иссякает с ускоряющимися темпами в 5—7% в год, поэтому через 15—25 лет нефть и газ уже не будут массово использовать как топливо, и мир вынужден будет переходить полностью на альтернативные источники энергии.[18]

Энергоокупаемость солнечной электростанции значительно меньше 30 лет. Для США, при средней мощности солнечного излучения в 1700 кВт·ч на м² в год, энергоокупаемость поликристаллического кремниевого модуля с КПД 12 % составляет менее 4 лет (данные на январь 2011)[19].

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[20].

В России перспективы развития солнечной энергетики остаются неопределёнными, страна многократно отстаёт от уровня генерации европейских стран. Доля солнечной генерации составляет менее 0,001 % в общем энергобалансе. К 2020 году запланирован ввод около 1,5—2 ГВт мощностей. Общая мощность солнечной генерации может увеличиться в тысячу раз, однако составит менее 1 % в энергобалансе. Директор Ассоциации солнечной энергетики России Антон Усачев выделяет Республику Алтай, Белгородскую область и Краснодарский край как наиболее развитые регионы с точки зрения солнечной энергетики. В перспективе планируется помещать установки в изолированных от энергосетей районах[17].

Типы фотоэлектрических элементов[править | править вики-текст]

Твердотельные[править | править вики-текст]

Солнечная электростанция установленной мощностью 200Вт на основе батарей поликристаллических элементов

В настоящее время принято различать три поколения ФЭП[21]:

  • Кристаллические (первое поколение):
    • монокристаллические кремниевые;
    • поликристаллические (мультикристаллические) кремниевые;
    • технологии выращивания тонкостенных заготовок: EFG (Edge defined film-fed crystal growth technique), S-web (Siemens), тонкослойный поликремний (Apex).
  • Тонкоплёночные (второе поколение):
    • кремниевые: аморфные, микрокристаллические, нанокристаллические, CSG (crystalline silicon on glass);
    • на основе теллурида кадмия (CdTe);
    • на основе селенида меди-индия-(галлия) (CI(G)S);
  • ФЭП третьего поколения:
    • фотосенсибилизированные красителем (dye-sensitized solar cell, DSC);
    • органические (полимерные) ФЭП (OPV);
    • неорганические ФЭП (CTZSS);
  • ФЭП на основе каскадных структур.

В 2005 году на тонкоплёночные фотоэлементы приходилось 6 % рынка. В 2006 году тонкоплёночные фотоэлементы занимали 7 % долю рынка. В 2007 году доля тонкоплёночных технологий увеличилась до 8 %. В 2009 году доля тонкоплёночных фотоэлементов выросла до 16,8 %[22].

За период с 1999 года по 2006 год поставки тонкоплёночных фотоэлементов росли ежегодно в среднем на 80 %.

Наноантенны[править | править вики-текст]

В последнее время наметился прогресс в создании ФЭП на основе наноантенн, напрямую преобразующих электромагнитную энергию светового излучения в электрический ток. Перспективность наноантенн обусловлена их высоким теоретическим КПД (до 85 %) и потенциально более низкой стоимостью[23].

Солнечный транспорт[править | править вики-текст]

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 ж/д 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, питающемся только солнечной энергией, преодолев расстояние в 258 километров со скоростью 48 км/час[24]. В 2010 году солнечный пилотируемый самолет Solar Impulse продержался в воздухе 24 часа. Военные испытывают большой интерес к беспилотным летательным аппаратам (БПЛА) на солнечной энергии, способным держаться в воздухе чрезвычайно долго — месяцы и годы. Такие системы могли бы заменить или дополнить спутники.

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Energy Sources: Solar (англ.). Department of Energy. energy.gov. Проверено 2 апреля 2015.
  2. Фомичева, Анастасия. «Солнечная генерация будет расти», - Сари Балдауф, председатель совета директоров энергохолдинга Fortum. Ведомости (03.12.2013). Проверено 3 апреля 2015.
  3. Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS)
  4. Philip Wolfe Solar Photovoltaic Projects in the Mainstream Power Market. // Oxford: Routledge. — 2012. — С. 240. — ISSN 978-0-415-52048-5.
  5. BP Statistical Review of World Energy June 2015, Renewables section, BP (June 2015).
  6. BP Statistical Review of World Energy June 2015, Electricity section, BP (June 2015).
  7. 1 2 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. Deutsche Welle (29 мая 2013). Проверено 15 июня 2013. Архивировано из первоисточника 19 июня 2013.
  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
  14. Солнце приходит в дома
  15. В Белгородской области работает первая в России солнечная электростанция
  16. Stephen Lacey Green Jobs Are Real: German and American Solar Industry Both Employ More People Than U.S. Steel Production 17 Июнь 2011 г.
  17. 1 2 Дмитрий Никитин. Трудный путь к солнцу: согреет ли Россию солнечная энергетика. РБК (17 июня 2013). Проверено 15 июня 2013. Архивировано из первоисточника 19 июня 2013.
  18. Пик нефти.
  19. Энергоокупаемость фотовольтаики (eng)
  20. 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). Проверено 6 июня 2016.
  21. ИАА Cleandex — Россия и Украина. Обзор рынка фотовольтаики 2011
  22. Top 10: Ten Largest Solar PV Companies 29 Июнь 2010 г.
  23. Краснок А Е, Максимов И С, Денисюк А И, Белов П А, Мирошниченко А Е, Симовский К Р, Кившарь Ю С Оптические наноантенны // Успехи физических наук. — 2013. — Т. 183, № 6. — С. 561–589. — DOI:10.3367/UFNr.0183.201306a.0561.
  24. Britannica Book of the Year 2008: «MacCready, Paul Beattie», page 140

Литература[править | править вики-текст]

  • Butti, Ken. A Golden Thread (2500 Years of Solar Architecture and Technology). — Van Nostrand Reinhold, 1981. — ISBN 0-442-24005-8. (англ.)
  • Carr, Donald E. Energy & the Earth Machine. — W. W. Norton & Company, 1976. — ISBN 0-393-06407-7. (англ.)
  • Halacy, Daniel. The Coming Age of Solar Energy. — Harper and Row, 1973. — ISBN 0-380-00233-7. (англ.)
  • Martin, Christopher L. Solar Energy Pocket Reference. — International Solar Energy Society, 2005. — ISBN 0-9771282-0-2. (англ.)
  • Mills, David (2004). «Advances in solar thermal electricity technology». Solar Energy 76 (1–3): 19–31. DOI:10.1016/S0038-092X(03)00102-6. Bibcode2004SoEn...76...19M. (англ.)
  • Perlin, John. From Space to Earth (The Story of Solar Electricity). — Harvard University Press, 1999. — ISBN 0-674-01013-2. (англ.)
  • Tritt, T. (2008). «Thermoelectrics: Direct Solar Thermal Energy Conversion». MRS Bulletin 33 (4): 355–372. (англ.)
  • Yergin, Daniel. The Prize: The Epic Quest for Oil, Money, and Power. — Simon & Schuster, 1991. — P. 885. — ISBN 978-0-671-79932-8. (англ.)

Ссылки[править | править вики-текст]