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:
- 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.
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:
- нет необходимости занимать большие наземные территории, что актуально для Китая;
- в водоёмах уменьшается испаряемость воды;
- сами фотоэлементы меньше нагреваются и работают эффективнее.
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:
- Аэростат – располагается в небе, собирая солнечное излучение. Внутрь шара поступает вода, которая быстро нагревается, становясь паром.
- Паропровод – по нему пар под давлением спускается к турбине, заставляя её вращаться.
- Турбина – под воздействием потока пара она вращается, вырабатывая электрическую энергию.
- Конденсатор и насос – пар, прошедший через турбину, конденсируется в воду и поднимается в аэростат с помощью насоса, где снова разогревается до парообразного состояния.
В чём преимущества солнечной энергетики
- Солнце будет давать нам свою энергию ещё несколько миллиардов лет. При этом людям не нужно тратить средства и ресурсы для её добычи.
- Генерация солнечной энергии – полностью экологичный процесс, не имеющий рисков для природы.
- Автономность процесса. Сбор солнечного света и выработка электроэнергии проходит с минимальным участием человека. Единственное, что нужно делать, это следить за чистотой рабочих поверхностей или зеркал.
- Выработавшие свой ресурс солнечные панели могут быть переработаны и снова использованы в производстве.
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
Источник
Новые технологии в солнечной энергии
Главный источник энергии для всего живого на Земле – Солнце. Именно на этом в последнее время делают акцент разработчики инноваций в сфере энергетики. Применение солнечной энергии находит новые сферы с каждым днём, поэтому актуальность таких разработок постоянно повышается.
Энергетика, медицина, автомобилестроение, обустройство жилых и офисных помещений, осветительная техника – все области, в которых задействованы разработки, связанные с потреблением солнечной энергии, сложно перечислить. Свои новинки компании-разработчики представляют на разнообразных конференциях, эксповыставках и научных семинарах.
Кровельная плитка на фотоэлементах
Разработан новый многофункциональный кровельный материал, который обладает всеми необходимыми качествами для герметичной кровли крыш и сочетает в себе встроенные фотоэлементы.
Подобная черепица оснащена капсулами из прозрачного прочного стекла, в которых размещаются ультратонкие солнечные батареи, с точностью повторяющие форму наружной поверхности черепицы. Коэффициент эффективности такой кровельной плитки очень высокий – до 17,5%, что является впечатляющим значением с области данного типа батарей.
В зависимости от площади крыши такая кровля может решить все энергетические проблемы частного дома. Строительные компании уже заинтересовались этой новинкой, поэтому в скором будущем можно ожидать быстрого распространения фотоэлектрической плитки в строительстве многих объектов.
Двухсторонние батареи
Настоящий фурор произвела совместная идея германских и сингапурских учёных, представивших двухсторонний солнечный модуль. Новшество касается того, что на той же площади батарей почти с теми же затратами можно вырабатывать на 30% больше электроэнергии, чем это было возможно ранее.
Принцип основан на том, что фотоэлементы должны располагаться как на поверхности, обращённой к солнцу, так и на теневой стороне, которая в это же время поглощает солнечный свет. Кроме того, такие установки имеют длительный срок эксплуатации за счёт надёжности каждого из элементов. По самым скромным прогнозам использовать такие двухсторонние модули можно будет не менее 30 лет.
Мощность модулей значительно превосходит те, которые до сих пор имелись на энергосберегающем рынке, а это позволит монтировать их даже в регионах с малым количеством солнечных дней и с сильными морозами, где использование солнечной энергии в прежние годы не было целесообразно.
На данный момент ведутся переговоры с промышленными предприятиями, на которых начнётся массовый выпуск двухсторонних модулей. Выход товара на строительный рынок ожидается уже через 1,5-2 года.
Батареи на основе перовскита
Для преобразования фотоэлектрической энергии используются тонкоплёночные технологии на основе кремнийсодержащих составов. Напыление таких составов производится в условиях вакуума, что делает их изготовление дорогостоящим и ведёт к выделению загрязняющих веществ.
Группа английских учёных предложила новое решение, которое удешевляет этот процесс. В фотоэлементах вместо кремния содержится сложный минерал – перовскит. При помощи этого вещества можно эффективно преобразовывать энергию солнца в электричество не только под прямыми лучами, но и в условиях пасмурной или дождливой погоды.
С повсеместным внедрением перовскита можно ожидать стабильного использования фотоэлементов на протяжении круглого года в любых климатических условиях.
Гибкие элементы
Ещё одна инновационная технология в преобразовании солнечной энергии коснулась стоимости получения электричества с помощью особого химического соединения, используемого в фотоэлементах. При массовом выпуске разница в цене составит 5-6 раз.
Основная разница заключается в том, что классические кремниевые элементы для преобразования солнечной энергии очень жёсткие, хрупкие и довольно тяжёлые. Изготовленные с использованием нового сплава батареи настолько тонкие, что по толщине сопоставимы с газетной бумагой, которую можно свернуть в рулон или придать ей любую сложно изогнутую форму.
Такое новшество резко расширяет возможность применения гибких элементов. Во-первых, новый состав очень недорогой, а во-вторых, элементы для таких батарей можно изготавливать на простых принтерах, что исключает сложные производства.
Инновации в автотранспорте
Самым удачным опытом применения солнечной энергии во время авиаперелётов стал лайнер Solar Impuls-2. Используя исключительно энергию света, он смог провести в полёте более 510 часов, что стало абсолютным рекордом в этой области. Самолёт облетел вокруг света, пересёк несколько океанов и совершил за это время всего пару посадок из-за плохих погодных условий. 120 часов он безостановочно пребывал в воздухе, что считается невозможным для авиасредств на жидком топливе.
Элемент, расположенный на верхней панели самолёта, использует систему «сэндвич», совмещающую 8 слоёв. По каскадам этих прослоек свет проходит путь преобразования в электроток. Раньше слои соединялись последовательно, меняя полярность. В данном проекте применили параллельное соединение, что сразу подняло КПД системы почти в 1,5 раза.
Защитное покрытие
Одной из основных проблем солнечной энергетики с первых шагов являлся фактор пылевого и грязевого загрязнения. При использовании под открытым небом модули быстро покрывались небольшим слоем пыли, который становился толще с каждым днём. Это снижало эффективность системы в разы.
В этом году презентована разработка панелей, оснащённых защитным покрытием. Фотоэлементы на верхней поверхности имеют добавочный двойной слой, половина которого защищает от пыли и грязи, а вторая часть снижает бликовую активность, что позволяет участвовать в процессе большему количеству самых ярких и эффективных лучей.
Бытовые приборы
Новинки солнечной энергетики не обошли стороной и бытовую технику. Презентовано несколько интересных новинок, самая впечатляющая из которых представляет собой гриль GoSun. С его помощью легко можно тушить, варить, жарить и готовить на пару блюда на 8 персон с использованием чистой природной энергии.
В таких приборах тепло аккумулируется внутри вакуумной трубки благодаря наличию алюминиевых листов-концентраторов, которые разогревают внутреннюю часть печки-гриль до 200°С за 2 минуты.
Ещё одним позитивным моментом является то, что при приготовлении таким способом не вырабатывается вредный дым, который загрязняет атмосферу и способствует развитию парникового эффекта.
Авто на солнечных батареях
Ещё одной новинкой в технологиях солнечной энергии стала разработка семейного авто Stella, которое может перевозить небольшое семейство из 4 человек. Попытки создать подобную машину были и раньше, но только сейчас технологии позволили сделать её конкурентоспособной на авторынке.
Устранены главные недостатки: медленная скорость и небольшой запас энергии. Теперь авто может ехать со скоростью 110 км/час, чего более чем достаточно для семейного транспорта. После наступления темноты накопленной световой энергии хватит ещё на 600 км пути – это действительно впечатляющая цифра.
Если ко всем достоинствам присоединить то, что Stella работает практически бесшумно и совершенно не производит вредных выхлопных газов, то становится понятно, что развитие такого типа автотранспорта является очень перспективным направлением для энергетики.
Оконное отопление
Очередное открытие позволило превратить поверхность окон в эффективную батарею. На стекло наносят специальный состав, который активно поглощает лучи солнца. Свет аккумулируется и преобразовывается в электроэнергию.
Нанесение состава не делает стекло непрозрачным, поскольку плёнка очень тонкая и совершенно бесцветная. Кроме того, разработка позволяет потреблять не только прямые лучи, но и рассеянный свет при пасмурной погоде. Такие фотоэлементы не портят внешний вид здания и не требуют добавочного места для монтажа.
Таким образом, становится понятно, что технологии солнечной энергетики проникли во все сферы жизни и промышленности, делая её удобнее и заменяя невозобновляемые ресурсы, которые постоянно увеличиваются в стоимости.
Источник