Солнечная энергетика

Использование излучаемой энергии солнца для выработки электричества и тепла всё больше и больше набирает силу на протяжении последних 50 лет. Причина здесь кроется в том, что солнечная общемировая энергетика выступает одним из самых перспективных экономических драйверов в области внедрения возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в практику мирового энергетического хозяйствования.

Что такое солнечная энергия

Единственная звезда нашей планетарной системы вследствие термоядерного синтеза (процесса соединения атомов водорода, ведущего к образованию гелия), выступающего в роли основного источника энергии нашего светила – Солнца, постоянно испускает в окружающее пространство поток мощности величиной в 4∙10²³ кВт.

При этом расстояние от Солнца до Земли составляет 150 млн км. Не весь этот поток достигает поверхности планеты, составляющей 5∙10⁸ кв. км. Наибольшая часть его уходит в космическое пространство.

На земную поверхность попадает лишь 1,2∙10¹⁴ кВт (мощность российской энергосистемы составляет 2,2∙10⁸ кВт) вырабатываемой энергии, что существенным образом превосходит ресурсный энергетический потенциал остальных ВИЭ. Солнечная энергия – это поток (рассматриваем лишь то, что достигает Земли):

• ультрафиолетового излучения, достигающего 9% интенсивности в области солнечного спектра,
• видимого излучения – 45% интенсивности,
• инфракрасного (теплового) излучения, составляющего 46% интенсивности.

В значительной степени поток солнечного излучения (ПСИ) поглощается атмосферой: инфракрасное излучение – присутствующими в ней парами воды, ультрафиолетовое – озоном, видимое рассеивается пылью, аэрозолями, газовыми молекулами, что пребывают в составе воздуха. В результате:

• максимум ПСИ можно наблюдать в открытом космосе, где он достигает 1367 Вт/м;
• на уровне океанов и морей ПСИ доходит до 1020 Вт/м;
• в течение дня в средних широтах ПСИ составляет летом 800 Вт/м, зимой – 250-300 Вт/м, ночью – 0 Вт/м.

Бесплатное и легкодоступное энергетическое богатство и определяет факт существования солнечной энергетики. Однако на процесс солнечного излучения оказывают существенное влияние:

• координаты местности: долгота и широта,
• климат и особенности географии,
• атмосфера, часто подвергая загрязнениям и погодным изменениям,
• высота Солнца относительно горизонта,
• место расположения приёмника ПСИ,
• угол наклона и иные установочные факторы приёмника солнечного излучения.

Как используют солнечную энергию

Использование солнечной энергии в современном виде стало возможным благодаря возникновению и развитию солнечной энергетики. Сама солнечная энергетика – это технические средства и созданные на их базе конструкции, а также комплексы, предназначенные для преобразования энергии солнца в иные виды энергии (электрическую и тепловую).

Описываемое явление происходит в результате инициации процессов генерации электрической энергии, нагрева воды и воздуха, а также при взаимодействии усваивающих солнечную энергию устройств с системами отопления и кондиционирования воздуха.

Преобразование в электрическую энергию: фотовольтаические системы и косвенное использование средств гелиотермальной энергетики

Основным средством преобразования солнечной энергии непосредственно в энергию электрическую выступают фотоэлектрические устройства, представляющих собой объединение фотоэлементов (фотоэлектрических преобразователей) в солнечную батарею (панель). Это и есть фотовольтаические системы (ФВС) на основе кремниевых ячеек, выпускающие под воздействием света электроны, движение которых позволяет вырабатывать электрический ток. Применяются они в качестве источника питания отдельных устройств (от микрокалькуляторов до космических аппаратов), так и для создания мощных солнечных электростанций.

Другим – косвенным способом получения электроэнергии (преимущественно в промышленных масштабах) является гелиотермальная энергетика. Процессы поэтапного преобразования сначала солнечной радиации в нагретую воду или в легкокипящий теплоноситель (пребывающий первоначально в жидком состоянии), а затем выработка на их основе электрической энергии.

Преобразование в тепловую энергию: тепловые системы

Тепловые системы солнечной энергетики (СЭС) опять же используют принцип гелиотермальной энергетики, часто реализуемой с помощью солнечных коллекторов. Что в отличие от солнечных батарей нагревают теплоноситель (воду, воздух).

Способы применения СЭС могут носить как активный, так и пассивный характер. В первом случае они, практически воплощаемые в виде стен и окон, обеспечивают естественную циркуляцию воздуха в помещениях, посредством передачи ему захваченного и сохраняемого тепла. Здесь они выступают в роли подогревателей. Во втором тепловые системы работают в отопительных или вырабатывающих пар схемах с целью обеспечения там нагрева циркулирующего теплоносителя.

История развития солнечной энергетики

Энергия солнца находила себе применение с тех самых пор, когда наши предки освоили купание в тёплых, нагретых под воздействием солнечных лучей водах, научились высушивать продукты питания и даже пользовались горячим песком с целью приготовления пищи. Последующие хроники человеческой цивилизации упоминают то ли в качестве легенды, то ли в виде действительного факта, сжигание кораблей римского флота, с помощью обустроенных Архимедом фокусирующих солнечные лучи зеркал (ряд последующих экспериментов вполне подтвердил возможность подобного действия).

Хронология событий последних двух столетий, что позволили солнечной энергетике обрести современный вид, такова:

• 1839 год. Французский исследователь Эдмонд Беккерель открывает фотоэлектрический эффект и создаёт первую ячейку, генерирующую электричество под воздействием света.
• 1876 год. Профессор из Лондона Уильямс Гриллс Адамс совместно со своим учеником Ричардом Эвансом Деем доказывают возможность создания фотогальванической ячейки на основе твёрдых материалов (селена).
• 1883 год. Первая, работающая с КПД, равным 1%, фотогальваническая ячейка из покрытого тонким слоем золота селена была изготовлена изобретателем из США Чарльзом Фриттсем.
• 1905 год. Великий Альберт Эйнштейн публикует теорию «квантов света», позднее называемых «фотонами». В 1921 году знаменитый учёный удостаивается Нобелевской премии «за открытие закона фотоэлектрического эффекта».

• 1954 год – год рождения солнечной энергетики. Учёные из компании Bell Labs доводят КПД первой кремниевой ячейки до 6%. Что позволило компании наладить серийный выпуск солнечных батарей, предназначенных для питания космических аппаратов.
• 1963 год. Разработка компанией Sharp солнечных батарей для обычных клиентов.
• 1970-е годы. Используя средства компании Exxon, доктор Эллиот Берман доводит стоимость поликристаллических батарей до 20 $ за один ватт. Ранее она составляла 100 $ за ватт.
• 1974 год. В США создаётся Ассоциация солнечной энергетики (SEIA). Тремя годами позднее там же Министерством энергетики открывается Исследовательский институт солнечной энергетики, позднее переименованный в Национальную лабораторию возобновляемой энергетики (NREL).
• 1998 год. Исследователь Субенду Гуха открывает первый гибкий тонкоплёночный солнечный модуль, названный им «дранкой». Вследствие чего появляется возможность строительства зданий, оснащённых системами солнечной генерации.
• 2008 год. Компания Enphase демонстрирует первый коммерческий солнечный сетевой микроинвертер.
• 2020 год. Суммарная установленная мощность работающих на нашей планете солнечных батарей достигает 760 ГВт. Однако в предыдущем 2019 году им удаётся сгенерировать лишь 2,7% всего мирового производства электрической энергии. 

С историей развития и будущим солнечной энергетики можно ознакомиться, посмотрев следующее видео:

Энергия солнца | Техногеника 3 | Discovery Channel

Типы солнечных энергетических систем

Современная солнечная энергетика располагает четырьмя типами систем, способных вырабатывать и распределять электрическую энергию в самых разных условиях:

• Локальные маломощные системы, создаваемые для круглосуточного питания отдельных потребителей, типа уличных фонарей, насосов, систем сигнализации. Обычно в своём составе они имеют аккумулирующее электроэнергию устройство, что даёт возможность отпускать её при простое источников ночью или во время непогоды.
• Системы, выдающие электрическую энергию, произведённую из энергии солнечной, в сеть. Решение, достаточно интересное с экономической точки зрения.
• Широко распространённые в труднодоступных и отдалённых местах гибридные системы. Используя целый ряд источников энергии, таких как ВИЭ и традиционные виды углеводородного и иного органического топлива, они обеспечивают надёжность и стабильность в процессе эксплуатации.
• Промышленные солнечные электростанции значительной установленной мощности. Оснащённые блоками, состоящими из солнечных панелей и системами отслеживания максимума потока солнечного излучения, они способны вырабатывать большое количество энергии. Что имеет значение в случаях необходимости электроснабжения крупных инфраструктур и представляет коммерческий интерес для энергетических компаний. Примером служат 6 солнечных электростанций, выстроенных компанией Aktiv Solar на Крымском полуострове.

Плюсы и минусы солнечной энергетики

Солнечная энергия, как и все остальные виды энергии, проявляет при использовании свои плюсы и минусы. Положительные стороны использования солнечной энергетики:

• возобновляемость и повсеместная доступность ресурса,
• экономическая целесообразность: по мере развития источники преобразования солнечной энергии в иные виды энергии становятся всё более дешёвыми и доступными,
• независимость от систем централизованного электро- и теплоснабжения,
• малые эксплуатационные расходы,
• экологичность, объясняемая отсутствием вредных воздействий на окружающую среду.

Отрицательные стороны определяются следующими факторами:

• высокими первоначальными затратами на приобретение, монтаж и запуск в эксплуатацию оборудования,
• занятием больших площадей в случаях выработки значительных объёмов энергии,
• зависимость от времени года, времени суток, погодных условий (нестабильность), оказывающих существенное влияние на формирование потока солнечного излучения,
• необходимость использования средств аккумулирования энергии, что снижает эффективность работы систем и резко повышает их цену

Распространение солнечной энергетики в мире

И, тем не менее, несмотря на все трудности, солнечная энергетика – это достаточно развитый долговременный энергетический тренд. Процесс её становления идёт гораздо более быстрыми темпами, чем наращивание мощностей всех остальных ВИЭ. Международное агентство по возобновляемым источникам энергии (IRENA) сообщает, что за прошедшее второе десятилетие XXI века она смогла увеличить свою установленную мощность почти в 20 раз.

К апрелю 2022 года потенциал всей мировой солнечной энергетики измеряется 1 ТВт установленной мощности. Ведущие позиции здесь удерживают:

• Китай, где в 2021 году солнечные мощности составили 306 973 МВт (35,8%).
• США – 95 209 МВт (11,1%).
• Япония – 74 191 МВт (8,7%).
• Германия – 58 461 МВт (6,8%).
• Индия – 56 951 МВт (6,6%).
• Италия – 22 698 МВт (2,6%).
• Австралия – 19 076 МВт (2,2%).
• Южная Корея – 18 161 МВт (2,1%).
• Вьетнам – 16 600 МВт (1,9%).
• Испания – 15 952 МВт (1,9%).

Солнечная энергетика в России

По целому ряду причин объективного характера, Российская Федерация сильно отстаёт от ведущих мировых игроков в сфере солнечной генерации. Сказывается высокоширотное расположение территорий, сезонные колебания погоды и значительная конкуренция со стороны традиционных энергоносителей. Любопытный видеоматериал на тему зимней работы солнечных электростанций России:

Солнечная электростанция в России. Работа солнечных панелей зимой

По причине невысокого спроса и отсутствия должной поддержки со стороны государственных органов производством фотоэлектрических модулей в нашей стране заняты не так уж много компаний. Это – «Хевел» из Новочебоксарска, ЗАО «Телеком-СТВ» из Зеленограда, Рязанский ЗМКП и «Сатурн» из Краснодара.

К 2022 году эксплуатируемые российские солнечные мощности достигали лишь 1 186 МВт, что позволило в течение того же года сгенерировать 2 109 млн кВт∙ч электрической энергии (0,2% суммарной выработки Единой энергосистемы России).   По оценкам исследователей солнечный энергетический потенциал нашей страны составляет свыше 2 300 млрд т.у.т. (тонн условного топлива), но только 12,5 млн т.у.т. из них пригодны к экономически оправданному освоению. Интерес здесь представляют южные территории нашей страны.

Перспективы солнечной энергетики

Перспективы гелиоэнергетики РФ начали просматриваться к окончанию 2020 годов. Когда произошло объединение в «Ассоциацию солнечной энергетики России» 9 энергетических холдингов. Параллельно с чем Минэнерго РФ инициировало три вектора дальнейшего развития солнечной энергетики:

1. Привлечение инвестиций, путём зарабатывания на эксплуатации гелиоэнергетических мощностей с передачей энергии в сеть. Для чего инвесторам разрешено подключение к сетевым монополиям. По расчётам экономистов, заключённый в таком случае договор гарантирует полный возврат вложенных средств на протяжении 15 лет.
2. Предпочтение отдалённым регионам, где планируется к широкому внедрению нацпроект по строительству автономных солнечно-дизельных модулей мощностью до 100 кВт. В перспективе ожидается повсеместное распространение таких станций мощностью в 10-15кВт на территории Сибири и Дальнего Востока.
3. Поддержка частных инициатив, направленных на установку в индивидуальных хозяйствах и домовладениях панелей до 15 кВт мощности, с целью реализации выработанной энергии через сетевые компании.

К сказанному можно добавить пятикратное увеличение научных публикаций на протяжении последних 10 лет, посвящённых вопросам солнечной энергетики. Более существенных практических результатов остаётся только ждать, не снижая при этом активности в вопросах совершенствования нормативно-правовой базы и в деле создания наиболее благоприятных условий для дальнейшего развития солнечных мощностей России.