Вы здесь

Общемировые перспективы развития солнечной энергетики

Опубликовано ср, 02/10/2016 - 18:49 пользователем Людмила Иванова

Солнечная энергетика — это один из новых видов добычи энергии, основанных на возобновляемых источниках, в частности, на энергии Солнца. Основная цель состоит в преобразовании солнечного излучения в другие технологические виды энергии, используемые человеком для своих нужд. Этот вид энергии неисчерпаем и может рассматриваться потенциально как энергоресурс, способный перевернуть современные представления об энергообеспечении и полностью удовлетворить потребности человечества.

 

Воплощение оптимистических прогнозов в реальность во многом связано с уровнем технологического развития. В настоящий момент существует технологическая возможность извлечения из солнечного света только незначительной части энергии, но даже этот объем уже является существенным для европейской энергетической инфраструктуры, где возобновляемым источникам, включая солнечные электростанции, отводится не менее 20% уже к 2020 году.

Мировая солнечная энергетика развивается высокими темпами, солнечные электростанции становятся частью энергетической инфраструктуры, стремительный рост количества и общей мощности электростанций, работающих на гелиосырье, предполагает также рост влияния солнечных технологий на экономику. Прежде всего, в ближайшие десятилетия солнечная энергетика станет стимулом для экономического развития экваториальных стран, обладающих максимальным «солнечным» ресурсом.

На сегодняшний день независимо развивается несколько технологических направлений, одним из любопытных решений являются планы по строительству солнечных электростанций на орбите Земли. На первый взгляд такие проекты кажутся утопическими, если не учитывать, что уже анонсировано строительство пяти орбитальных электростанций.

Технологии по получению солнечной энергии

По данным Информационного энергетического агентства, с 1990 года по 2007 год потребление электроэнергии увеличилось на 40%, за следующие 25 лет прогнозируется увеличение потребления еще на 50%. Современные технологии жизнеобеспечения требуют все больше энергии, в качестве энергоресурса рассматривается любой эффективный энергоисточник, безусловно, солнце в списке возможных энергетических источников занимает одну из первых позиций.

В настоящий момент существуют две гелиотехнологии, которые могут претендовать на развитие в будущем. Одна основана на извлечении тока в результате фотоэлектрического эффекта (photovoltaic, PV). Вторая состоит в преобразовании тепловой энергии солнца (concentrated solar power, CSP), эта технология основана на нагреве теплоносителя от концентрированного солнечного луча.

Фотоэлектрический эффект

Общая идея преобразования света в электрический ток состоит в следующем — на полупроводниковую пластину падает поток фотонов, то есть свет, в результате поглощения фотонов атомами поверхностного слоя полупроводника электроны «выпрыгивают» с последних орбит атома на соседний слой проводимости, где пучок электронов образует электрический ток. Техническая сложность эффективного применения данного эффекта связана со сложностью преобразования всего солнечного спектра, то есть с использованием мультичастотных методов, так как определенный полупроводник улавливает фотоны только определенной частоты и не более. Современные фотопреобразователи рассчитаны на незначительную часть видимого солнечного спектра, КПД промышленных фотоэлементов не превышает 7-15%. Этого чрезвычайно мало, чтобы удовлетворить современные потребности в электроэнергии.

Для производства солнечных панелей используют полупроводниковый кремний высокой очистки, производство которого освоено во многих странах мира, что увеличивает технологическую адаптацию технологии. Фотовольтаические электростанции (PV-станции) на базе фотоэлементов монтируются по модульному принципу и могут наращиваться в зависимости от потребностей. Высокая стоимость панелей компенсируется простотой установки и обслуживания, как правило, мощные солнечные электростанции требуют минимум обслуживающего персонала. Срок эксплуатации солнечных батарей превышает 25 лет. В мире насчитывается несколько крупнейших фотовольтаических солнечных электростанций, которые имеют превосходные показатели эффективности и показывают стабильную работу с минимальным техническим обслуживанием.

На сегодняшний день стоимость солнечных батарей составляет 1,6-4 дол./Вт, в некоторых случаях может достигать 10 долларов за Вт мощности, включая установку. При высокой стоимости панелей самые эффективные солнечные установки не в состоянии производить электрическую энергию дешевле 0,12 дол./кВтч, что в несколько раз превышает стоимость электроэнергии, полученной с использованием традиционного сырья. Чем севернее установлена солнечная установка, чем хуже погодные условия, тем выше себестоимость солнечной энергии.

Эффективность солнечной панели зависит от многих условий — ее положения по отношению к солнцу, солнечные батареи резко снижают свою эффективность при перегреве, дают меньшее количество электроэнергии в пасмурную и облачную погоду.

Основные усилия производителей направлены на повышение эффективности, снижение стоимости и создание универсальной панели, которая способна воспринимать широкую область солнечного спектра с высоким КПД. К новейшим моделям, которые будут скоро доступны в продаже, можно отнести тонкопленочные солнечные батареи Nanosolar, по заявлениям производителя они будут иметь быстрый срок окупаемости, а также голографические солнечные панели Prism Solar Technologies, которые позволяют улавливать солнечный свет в статическом состоянии при любом положении солнца, не снижая эффективности. Производители Prism Solar уже в ближайшем будущем обещают, что их солнечные панели не будут превышать стоимость в 1,5 дол./Вт.

Гелиотермальная технология

CSP-электростанции преобразуют концентрированное солнечное излучение в тепловую энергию, которая в дальнейшем используется для получения электроэнергии. Большей частью оборудование, используемое на электростанциях CSP-типа, является частью обычной ТЭС. Общая концепция этой технологии состоит в нагреве теплоносителя — воды, масла, соляного раствора, с помощью концентрированного солнечного света, полученного посредством сфокусированных зеркал-гелиостатов. С помощью теплоносителя, нагретого до температуры фазового перехода, получают водяной пар, который запускает паровую турбину, вырабатывающую электрический ток. Существуют два вида электростанций этого типа: башенного и параболического.

Гелиотермальная технология является экономически-эффективной по сравнению с фотовольтаическими солнечными электростанциями, при этом достигаемая эффективность составляет не менее 50%, с учетом, что такой тип солнечных электростанций устанавливается только в экваториальной зоне, характерной большим объемом солнечной энергии. Количество вырабатываемой энергии гелиотермальными электростанциями, установленными в пустынях, намного выше, чем мощность фотовольтаических солнечных электростанций. В период с 1984 по 1991 год в пустыне Мохаве (США) было построено девять гелиотермальных электростанций с общей мощностью 354 МВт, это был первый успех и прорыв солнечной энергетики в мировую энергетическую систему.

Стоит отметить, что гелиотермальная технология является биологически опасной для людей, находящихся в поле мощного концентрированного солнечного луча, поэтому применяется большей частью на промышленных электростанциях.

Орбитальная солнечная электростанция как альтернатива земной энергетике

Земная атмосфера в солнечный день задерживает более четверти мощного солнечного излучения. Возможность использования солнечной энергии вне зависимости от погодных условий и времени суток давно привлекает к себе внимание, поэтому строительство электростанции на орбите Земли обсуждается учеными с прошлого столетия. Высокая стоимость космической транспортировки не предполагала развитие орбитальных энергетических технологий, но, возможно, резкое сокращение ископаемых ресурсов заставило пересмотреть подходы. На сегодняшний день анонсировано строительство пяти электростанций на орбите Земли: проекта Solarbird (Митсубиши), орбитальной электростанции Пентагона, японского проекта Space Solar Power Systems, проекта Pacific Gas and Electric Company для штата Калифорния, а также проекта американской космической компании EADS Astrium.

Если преобразование солнечной энергии во многом уже не вызывает технических сложностей, то передача электроэнергии на дальние расстояния возможна только по высоковольтным линиям. Данная технология неприемлема для космоса, наиболее перспективными методами передачи считаются лазерное и радиоизлучение, которые имеют высокую биологическую опасность. Поэтому орбитальные проекты вызывают значительные опасения, прежде всего, связанные с проблемой безопасной передачи электроэнергии на Землю. С другой стороны, очевидно, что орбитальные электростанции будут вырабатывать дорогую электроэнергию, которая, скорее всего, будет реализовываться «орбитальным» потребителям и не будет включена в земную энергетическую инфраструктуру. Открытие солнечных электростанций на орбите вызывает как живой интерес, так и значительные опасения, связанные с безопасностью.

Крупнейшие солнечные электростанции мира

Эксперименты с преобразованием солнечной энергии в электричество в промышленных объемах начались с 1984 года, но основной пик роста количества солнечных электростанций пришелся на последнее десятилетие. Коммерческие результаты первых солнечных электростанций были впечатляющими настолько, что это способствовало массовому развитию новых проектов. В настоящий момент лидером в производстве солнечной энергии является совсем не солнечная страна — Германия, совокупная мощность солнечных электростанций которой составляет на 2011 год 19 ГВт. Основной прирост немецких солнечных электростанций пришелся на 2010 год и составил 10 ГВт.