Перспективы солнечной энергетики

О солнечной энергетике и перспективах ее развития ведутся споры и дискуссии уже много лет. Большая часть считают солнечную энергетику – энергетикой грядущего, надеждой всего населения земли. Суровые инвестиции вносит в строительство солнечных электрических станций огромное количество компаний. Солнечную энергетику стремятся развивать в почти всех странах мирах, считая ее главной кандидатурой обычным энергоэлементам. Германия, являясь далековато не солнечной государством, стала мировым фаворитов в этой сфере. Совокупная мощность СЭС Германии вырастает год от года. Серьезно занимаются разработками в области энергии солнца и в Китае. Согласно оптимистичному прогнозу International Energy Agency, солнечные электростанции к Две тыщи 50 году сумеют создавать до 20-25% мировой электроэнергии.

Другой взор на перспективы солнечных электрических станций базируется на том, что издержки, которые требуются для производства солнечных батарей и аккумуляторных систем, в разы превосходят прибыль от производимой солнечными электрическими станциями электроэнергии. Противники этой позиции убеждают, что все как раз напротив. Современные солнечные батареи способны работать без новых финансовложений 10-ки и даже сотки лет, произведенная ими суммарная энергия равна бесконечности. Вот почему в длительной перспективе электроэнергия, приобретенная с внедрением энергии солнца, станет не просто выгодной, а сверхприбыльной.

Где же правда? Попробуем разобраться в этом вкупе с вами, почетаемые читатели. Мы разглядим современные подходы в сфере солнечной энергетики и некие гениальнейшие идеи, которые на сегодня уже реализованы. Мы попробуем установить КПД солнечных батарей, функционирующих в текущее время, осознать, почему сейчас этот КПД является достаточно низким.

Эффективность солнечных батарей в РФ

Согласно современным исследованиям, солнечная энергия составляет порядка Одна тыща триста шестьдесят семь Ватт на Один кв.м (солнечная неизменная). На экваторе через атмосферу до земли доходит только Одна тыща 20 Ватт. На местности РФ при помощи солнечных электрических станций (при условии, что КПД солнечных частей составляет сейчас 16%) в среднем можно получить 163,2 Ватта на квадратный метр.

Солнечная генерация в значимых масштабах рассматривается сейчас исключительно в виде метода экономии маленький части обычного ископаемого горючего в дневное время. Солнечная энергетика пока не способен вполне взять на себя нагрузку в вечерние пиковые часы энергопотребления и уменьшить число АЭС, угольных, газовых и гидроэлектростанций, которые в дневные часы должны стоять в резерве, а в вечерние, брать на себя значительную энергетическую нагрузку.

Если в Москве установить квадратный километр солнечных батарей под углом в 40 градусов (что для Москвы нормально), то годичный объем выработанной электроэнергии составит 1173*0.16 = 187.6 ГВт*ч. При стоимости на электроэнергию в Три рубля за кВт/ч, условная цена сгенерированной электроэнергии – 500 шестьдесят один млн. рублей.

Более всераспространенные методы генерации электроэнергии при помощи солнца:

Солнечные тепло-электространции

Большенные зеркала таких солнечных электрических станций, делая поворот, ловят солнце и отражают его на коллектор. Принцип функционирования таких электрогенерирующих станций основан на преобразовании термический энергии солнца в механическую электроэнергию термодинамической машины или при помощи газопоршневого мотора Стирлинга, или при помощи нагрева воды и т.п.

В качестве примера разглядим электрическую станцию Ivanpah (мощность Триста девяносто два мегаватт), в которую вложил свои средства всевластный Гугл. В строительство солнечной электростанции, расположенной в калифорнийской пустыне Мохаве, вложено более 2-ух млрд баксов США. На Один кВт установленной мощности СЭС затрачено 5 тыщ 600 двенадцать баксов. Многие считают, что эти издержки, хотя и превосходят издержки на сооружение угольных электрических станций, еще ниже, чем издержки на строительство АЭС. Но так ли это? Во первых, на атомной электростанции, на Один кВт ее установленной мощности расходуется от Две тыщи до Четыре тыщи баксов, что дешевле, чем издержки, которые пошли на строительство Ivanpah. Во вторых, годичная выработка электроэнергии солнечной электростанции – Одна тыща 70 девять ГВт*ч, как следует, ее среднегодовая мощность 123.1МВт. К тому же, солнечная электрическая станция станция способна генерировать энергию солнца исключительно в дневные часы. Таким макаром, «усредненная» цена строительства СЭС доходит до Семнадцать тыщ восемьсот 70 баксов за Один кВт, а это достаточно значимая стоимость. Пожалуй, дороже обошлась бы разве что выработка электричества в открытом космосе. Издержки на строительство обычных электрических станций, работающих, к примеру, на газе, в 20-40 раз ниже. При всем этом, в отличие от солнечных электрических станций, эти электростанции могут работать повсевременно, производя электроэнергию тогда, когда в ней есть потребность, а не только лишь в те часы, когда светит солнце.

Перспективы солнечной энергетики

Но мы знаем, что современные солнечные теплоэлектростанции способны генерировать электроэнергию круглые сутки, используя для этого большой объем нагреваемого в течение всего светового дня теплоносителя. Только цена строительства этих станций стараются не очень афишировать, возможно, так как она является значимой. А если в цена проектирования и строительства солнечных электрических станций включить батареи, тем паче, строительство гидроаккумулирующих электрических станций, то сумма вырастет до умопомрачительных размеров.

Кремниевые солнечные батареи

Сейчас для функционирования СЭС используются полупроводниковые фотоэлементы, которые представляют собой полупроводниковые диоды большой площади. Влетающий в pn-переход световой квант, генерирует пару электрон-дырка, при всем этом, на выходах фотодиода создается перепад напряжения (порядка 0,5В).

Для современных СЭС разработаны гидроаккумулирующие электростанции. В течение светового дня в их закачивается вода, а ночкой они работают как обыденные гидроэлектростанции. Но строительство этих электрических станций (КПД Девяносто %) не всегда может быть и очень недешево.

Для того чтоб солнечный свет не отражался от поверхности солнечной батареи, на нее наносится особое противоотражающее покрытие (такое покрытие наносят и на линзы фотообъективов). Текстуру поверхности делают неровной (в виде гребенки). В данном случае световой поток, отразившись от поверхности один раз, ворачивается вновь.

Циклопическими темпами развивает создание кремниевых фотоэлементов Китай, за счет чего цена 1-го ватта понижается. В Китае она составляет приблизительно 0,5 баксов за Ватт.

КПД фотоэлементов наращивают, сочитая меж собой фотоэлементы, на базе разных полупроводников и с разной энергией, нужной для генерации пары электрон-дырка. Для трехступенчатых кремниевых фотоэлементов достигается КПД в 44% и даже выше. Механизм работы трехступенчатого фотоэлемента основан на том, что поначалу ставится фотоэлемент, который отлично поглощает конкретно голубий свет, а красноватый и зеленоватый, пропускает. 2-ой фотоэлемент поглощает зеленоватый, 3-ий – ИК. Но трехступенчатые фотоэлементы сейчас очень дороги, потому, везде употребляются более дешевенькие одноступенчатые фотоэлементы, которые за счет цены опережают трехступенчатые по показателю Ватт/$.

Но, не следует забывать последующих принципиальных причин, которые вселяют оптимизм при рассмотрении солнечной энергетики:

• Монокристаллические

• Поликристаллические

КПД монокристаллических фотоэлементов, которые являются более дорогими, несколько выше (всего только на Один %), чем КПД поликристаллических. Поликристаллические кремниевые фотоэлементы сейчас обеспечивают более дешевенькую цена Один Ватта генерируемой электроэнергии.

Кремниевые солнечные батареи не могут служить вечно. За 20 лет эксплуатации в критериях брутальной среды самые совершенные из их теряют до 15-ти процентов собственной начальной мощности. Есть основания считать, что в предстоящем деградациях солнечных батарей замедляется.

Кремниевый фотоэлемент и параболическое зеркало

Круглые солнечные элементы на крышах

Изобретатели во всех странах мира решают различные пробы прирастить экономическую рентабельность солнечных электрических станций. Если, к примеру, взять небольшой действенный кремниевый фотоэлемент и параболическое зеркало (concentrated photovoltaics), можно достигнуть КПД в 40 % заместо 16, при всем этом, зеркало еще дешевле, чем солнечная батарея. Но для того чтоб смотреть за солнцем, требуется надежная механика. Огромная зеркальная поворотная тарелка должна быть накрепко укреплена и защищена от массивных ветровых порывов и брутальных причин среды. 2-ая неувязка состоит в том, что параболические зеркала не могут фокусировать растерянный свет. Если солнце зашло даже за не плотные тучи, выработка энергии при помощи параболической системы свалится до нуля. У обычных солнечных батарей в этих критериях выработка термический энергии тоже серьезно понижается, но не до нуля. Солнечные батареи с параболическими зеркалами очень дороги по установочной цены и накладны в обслуживании.

Американской компанией Solyndra при поддержки правительства были сконструированы солнечные фотоэлементы круглой формы. Они монтировались на крышах, выкрашенных в белоснежный цвет. Солнечные батареи круглой формы изготавливали методом напыления проводникового слоя (в случае с Solyndra употреблялся Copper indium gallium (di)selenide) на стеклянные трубы. Фактическая эффективность круглых батарей составляла порядка 8,5 %, что ниже более дешевеньких кремниевых. Solyndra, получившая муниципальные гарантии по огромному кредиту, разорилась. В технологии, финансовая эффективность от которых была очень непонятной с самого начала, южноамериканская экономика вложила немалые деньги. «Удачное» лоббирование неэффективных технологий – это не только лишь русское ноу хау.

Большая неувязка солнечной энергетики!

Понятно, что солнечные электростанции генерируют электроэнергию деньком, в то время, как большая потребность в электричестве появляется как раз таки в вечерние часы. Это означает, что без аккумов солнечные электростанции не будут эффективны. В вечерний пик употребления электричества придется использовать другие (традиционные) источники электроэнергии. В дневные часы часть обычных электрических станций придется отключить, а часть — держать в жарком резерве на случай нехороший погоды. Если над солнечной электрической станцией нависнут тучи, недостающую электроэнергию должна давать запасная. В конечном итоге, традиционные генерирующие мощности стоят в резерве и теряют прибыль.

Еще есть один путь. Он отражен в проекте Desertec – передача электроэнергии из Африки в Европу. При помощи ЛЭП в вечерний пик употребления электричества можно передавать электроэнергию от СЭС, которые находятся в тех районах земного шара, где в это время в разгаре солнечный денек. Но этот метод до перехода на сверхпроводники просит больших денежных издержек, также, различных согласований меж различными государствами.

Внедрение аккумов

Мы узнали, что в среднем цена 1-го Ватта, произведенного солнечной батареей — 0,5 бакса. В течение дня (8 часов) батарея способна сгенерировать в границах 8-ми Вт*ч. Эту энергию нужно сохранить до вечернего пика употребления электричества.

Литиевые батареи, разработанные в Китае, стоят примерно 0,4 бакса за Вт*ч, как следует, для солнечной батареи ценой 0,5 бакса, на Один Вт будут нужны батареи ценой 3,2 бакса, а это в 6 раз превосходит цена самой батареи. Если учитывать, что литиевый аккумулятор рассчитан максимум на Две тыщи циклов заряда-разряда, что составляет от 3-х до 6 лет, то можно прийти к выводу, — литиевый аккумулятор, это очень драгоценное решение.

Самыми дешевенькими аккумами являются свинцово-кислотные. Оптовая стоимость этих далековато не самых экологичных систем, порядка 0,08 бакса за Вт*ч. Свинцово-кислотные батареи также, как и литевые, рассчитаны на 3-6 лет работы. КПД свинцового аккума составляет 70 5 %. Четвертую часть собственной энергии этот аккумулятор теряет в цикле заряд-разряд. Чтоб сохранить дневную выработку солнечной энергии пригодится приобрести свинцово-кислотные батареи на 0.64 бакса. Мы лицезреем, что это также больше, чем цена самих батарей.

Перспективы солнечной энергетики

КПД кремниевой солнечной батареи — порядка Шестнадцать %. Почему же КПД настолько низок? Для того чтоб сформировать электронно-дырочную пару, требуется определенная энергия. Если прилетевший световой квант обладает малой энергией, то генерации пары не произойдет. В данном случае квант света просто пройдет через кремний, как через обычное стекло. Вот почему кремний является прозрачным для инфракрасного света дальше 1.2 мкм. Если же световой квант прилетит с большей энергией, чем требуется для генерации (зеленоватый свет), пара появляется, но излишек энергии просто уйдет в никуда. При голубом и ультрафиолетовом свете (энергия которого является очень высочайшей), квант может не успеть долететь до самых глубин p-n перехода.

Мы можем сделать неутешительный вывод. На сегодня батареи обходятся дороже, чем сами СЭС. Для больших солнечных электрических станций они не предусмотрены. По мере генерации электроэнергии, большие солнечные электростанции продают ее в распределительные сети. В вечернее и ночное время электроэнергию вырабатывают обыденные электростанции.

Энергия солнца — какова сейчас ее стоимость?

Возьмем, например, Германию – мирового фаворита в использовании солнечной энергетики. Кв солнечной энергии, которая генерируется (даже в дневные часы, а ведь такая электроэнергия дешевле), выкупается в этой стране по стоимости от Двенадцать до 17,45 евроцентов за кВт*ч. Так как газовые электростанции в Германии по прежнему строятся, работают либо находятся в жарком резерве, солнечные электростанции в этой стране практически просто помогают сберегать русский газ.

Цена русского газа на сегодня – Четыреста 50 баксов за тыщу кубометров. Из этого объема газа (КПД генерации 40%) можно выработать примерно 4.32 ГВт электроэнергии. Как следует, на Один кВт*ч электричества выработанного от солнца, русского газа экономится на сумму в 0,104 бакса либо 7,87 евроцента. Вот справедливая цена солнечной нерегулируемой генерации. Таким макаром, в текущее время в Германии солнечная энергетика на 50 % дотируется государством. Хотя, стоит отметить, что Германия быстро понижает цена генерации электроэнергии от солнца.

Делаем выводы

Самое экономное солнечное электричество (0,5 баксов за Один Ватт) получают сейчас при помощи солнечных поликристаллических батарей. Все другие методы получения электричества при помощи энергии солнца, на порядок дороже.

Неувязка, которая является главный для солнечной энергетики, это все таки не КПД солнечных батарей, не цены, и не EROEI, который на теоретическом уровне нескончаем. Основная неувязка заключается в удешевлении методов генерации энергии солнца, приобретенной в дневные часы и сбережения этой энергии для вечернего пикового употребления. Ведь в текущее время аккумуляторные системы, срок службы которых от 3-х до 6 лет, в разы дороже самих солнечных батарей.

В этих таблицах приводится годичная инсоляция для городов РФ с учетом погодных критерий, продолжительности дня и ночи, также, типа установки солнечных батарей (КПД солнечной батареи не учитывается).

Если в итоге ужесточения тарифов (при которых, к примеру, производителям водорода и алюминия будет прибыльно запускать свое электролизное создание в дневные часы) пик употребления электроэнергии сместится на дневные часы, то у энергии солнца появятся более суровые перспективы для развития.

Цена солнечной генерации, которая является «нерегулируемой», несопоставима со ценой генерации электроэнергии на обычных электрических станциях, которые могут свободно генерировать ее в хоть какое время, когда в этом есть необходимость.

В текущее время внедрение энергии солнца и дорогостоящих солнечных аккумуляторных систем является экономически оправданным только для тех регионов и объектов, где нет других способностей подключения к электросетям. К примеру, на сиротливо стоящей, отдаленной станции сотовой связи.

Цена солнечной электроэнергии не должна превосходить цены ископаемого горючего, сэкономленного с ее помощью. Если, к примеру, газ в Германии стоит Четыреста 50 баксов, то стоимость солнечной генерации в этой стране не должна превосходить 0,1 бакса за кв час, в неприятном случае солнечная энергетика в этой стране является убыточной. До того времени пока ископаемое горючее будет оставаться дешевеньким и вседоступным, генерация солнечной энергии является нерентабельной с экономической точки зрения.

Основными типами кремниевых фотоэлементов являются:

1. Цена ископаемого горючего непреклонно вырастает по мере уменьшения его припасов.

2. Разумная муниципальная политика делает внедрение солнечных электрических станций прибыльнее.

3. Прогресс не стоит на месте! КПД солнечных электрических станций увеличивается, разрабатываются новые технологии в генерировании и аккумулировании электроэнергии.

Потому, охото веровать, через 3-5 лет можно будет написать еще более положительный обзор этой отрасли энергетики!