Развитие солнечной энергетики – одно из важнейших направлений прогресса всего человечества. Уже сейчас очевидно, что дешевые, но «грязные» технологии не могут жить вечно. У них если не закончатся невосполнимые ресурсы, то как минимум планета рано или поздно загрязнится настолько, что самому человеку на ней жить станет попросту некомфортно или еще хуже – опасно.
Солнечная энергетика является экологически-чистой, она использует исключительно восполнимый ресурс солнечного теплового излучения. Единственный недостаток этого вида энергии заключается лишь в том, что он пока недостаточно эффективен, чтобы закрывать все потребности современного человека в энергии.
Тем не менее, технологии постоянно улучшаются, становятся эффективнее и надежнее. Поэтому уже сейчас можно встретить большое количество проектов именно не экспериментального характера, а для постоянного использования. Это и различные удаленные станции (арктические, космические, морские), и корабли, лодки, даже самолеты (первая экспериментальная модель уже поднималась в воздух в конце 20 века), и даже обыкновенное энергоэффективное жилье.
Уже в наши дни есть все основания думать о том, что со временем человек увеличит долю солнечной энергии во всей энергетике планеты до доминирующих цифр. Когда это случится, сказать точно пока не получится, но очевидно, что движение в этом направлении уже видно даже не в отдельных странах, а в мире в целом.
Солнечная энергетика основана на следующих технологиях
Практически все используемые человеком технологии получения электроэнергии предполагают преобразование тепловой энергии в электричество. Как правило, это достигается за счет вращения огромных турбин в электромагнитном поле. Для того, чтобы крупные детали стали вращаться, приходится что-то сжигать, причем в огромных же количествах. Сгорая, топливо естественным образом выбрасывает в атмосферу сажу, гарь, вредные химические элементы. Такова суровая реальность.
Солнце – ближайшая к Земле звезда, внутри которой непрерывно происходят термоядерные реакции. В связи с этим, в открытый космос выделяется огромное количество световой и тепловой энергии. Но лишь малая их часть доходит до нашей планеты. Малая – не малая, но для выработки электричества нам, людям, тоже хватит.
Вычислено, что на орбите земли общая оценка тепла от солнечного излучения равняется примерно 1367 Вт/м2. А уже на поверхности земли в районе экватора – меньше, 1020 Вт/м2. Такие же показатели в умеренном поясе падают примерно в 2 раза.
То есть можно проследить зависимость солнечной энергетики от смены дня и ночи, сезонов на планете, территориального положения электростанции. Это еще определенные виды сложностей, с которыми сталкивается человек, планируя увеличение мощностей по выработке электричества от энергии солнца.
На сегодня есть три основных направления добычи энергии из солнечного излучения, достигающего земли:
1. Фотоэлементы
Один из основных и простейших методов – преобразование солнечного излучения в электричество с помощью специальных фоточувствительных элементов.
Принцип работы заключается в том, что на панели образуется разность потенциалов, когда на нее попадает солнечный свет. Эта способность заметна только при использовании особых редкоземельных элементов. Сегодня выпускаются самые разные солнечные панели: монокристаллические, поликристаллические, кремниевые. У них примерно одинаковая эффективность в плане получения энергии. Различаться они могут разве что своими габаритами. Чем больше площадь, на которую попадает солнечный свет, тем больше электричества за единицу времени произведет панель.
2. Концентрированная солнечная энергия
Второй способ более редкий, так как он подразумевает аккумулирование солнечного тепла, нагревание какой-либо жидкости (воды), а потом использование энергии пара для вращения турбин. Уже турбины, вращаясь, вырабатывают электричество.
Способ более эффективен в плане выработки электроэнергии, нежели использование солнечных панелей. Но для технологии требуются огромные площади для расположения зеркал и линз, а это серьезная конструктивная трудность: нужен подходящий равнинный ландшафт, сложная система управления зеркалами.
Принцип работы при использовании тепла такой. Сначала на станции строится целая система вращающихся зеркал и линз. Все они концентрируют солнечный поток в одну точку – там располагается резервуар с водой. Концентрированный луч солнца имеет огромную температуру, что естественным образом способствует нагреву воды. Вода доводится до кипения, превращается в пар, который и вращает лопасти электрогенератора. Автоматика управляет зеркалами и линзами таким образом, чтобы станция в течение дня работала с максимальной эффективностью.
3. Вакуумные солнечные коллекторы
Наконец, самый редкий способ – использование специальных вакуумных трубок. Их располагают таким образом, чтобы они находились на солнце и естественным путем нагревались в течение дня.
Внутри трубок специальная жидкость, которая закипает и испаряется быстрее, чем вода (при менее 100оС температуры). А дальше все как обычно. Пар вращает лопасти большого или маленького электрогенератора, из-за чего получается электрическая энергия.
Так как солнечная энергетика пока непрочно вошла в нашу жизнь и в какой-то степени до сих пор является экспериментальной моделью, то каждый из способов находит применение только в конкретных ситуациях. Где-то выгоднее и дешевле использовать панели. Где-то имеет смысл поставить целую станцию (таким сейчас занимаются на юге Испании, в южных штатах Америки, в Австралии, на юге Китая и в гористой местности страны).
Солнечная энергетика в мире
Уже в наши дни существуют страны, которые самое пристальное внимание уделяют альтернативным способам получения энергии. В том числе – солнечной энергетике.
Уже несколько лет подряд флагманом в плане выработки электроэнергии является Германия. Суммарно страна производит от 38 ГВт энергии ежегодно. И мощности постоянно растут.
Догоняет Китай, который также является и лидером по производству батарей и иных компонентов для солнечных электростанций. В сумме страна производит около 28-29 ГВт солнечной электроэнергии в году.
Далее следуют Япония (23 ГВт), Италия (18-19 ГВт), США (18 ГВт), Франция (5-6 ГВт), Испания (5 ГВт), Австралия (около 4 ГВт), Бельгия (3 ГВт), Южная Корея (2 ГВт).
Россия не является флагманом в области получения электроэнергии из возобновляемых источников. На данный момент, обладая огромными по мировым меркам запасами более дешевых энергоресурсов, наша страна уделяет солнечным электростанциям очень мало внимания. Примерная доля энергии, добытой с помощью солнечного света и тепла, в нашей стране составляет не более 0,03% от всего потребленного электричества. Это меньше, чем в среднем по миру (около 1%).
Самые крупные по выработке электростанции расположены в республике Крым. В сумме 13 действующих там электростанций выдает около 289МВт энергии. А это составляет около 25% от всего энергопотребления полуострова.
Меньшие по выработке солнечные электростанции в России расположены также: в Якутии, Забайкальском крае, Башкортостане, Хакасии, Белгородской и Оренбургской областях, на Алтае. Но на сегодняшние дни в разработке и на стадии строительства сразу около 56 станций, что после ввода их в эксплуатацию обеспечит качественный скачок солнечной электроэнергетики в нашей стране. Возможно, получится обогнать средние общемировые цифры по доле солнечной энергетики в системе страны.
Преимущества и недостатки солнечной энергетики
Существует целый ряд сильных качеств, которые присущи солнечной энергетике:
- Полная безопасность для экосистем от использования солнечных панелей или других способов получения энергии от солнечного излучения.
- Превосходные перспективы развития данного направления энергетики и поддержка со стороны экологов, политиков, мирового сообщества в целом.
- Возобновляемый характер используемых ресурсов, практически неисчерпаемость солнечного излечения в огромной перспективе на миллионы лет вперед.
- Низкая себестоимость полученной электроэнергии.
- Превосходные перспективы в плане постоянного развития технологий и повышения эффективности солнечных батарей.
Но есть и ряд серьезных недостатков, которые современные технологии пока не способны перекрыть полностью:
- Достаточно невысокий уровень КПД, особенно в сравнении с традиционными методами добычи электроэнергии (атомная промышленность, ГЭС, ТЭЦ, угольные электростанции). Плюс несовершенство технологий. Так, нагреваясь, панели вырабатывают все меньше энергии, поэтому их необходимо постоянно охлаждать, затрачивая на это часть электрической энергии. Замкнутый круг.
- Неспособность электростанций покрывать необходимость в электроэнергии сколь-либо стоящих объектов расселения людей: городов, поселков и т.д. На данный момент солнечной энергией могут питаться лишь отдельные базы, либо точечно расположенные дома, фермы.
- Серьезная зависимость количества выработанной энергии от погодных условий, сезона, климата и т.д. Значительное влияние географического положения территории, на которой предполагается получать солнечную энергию. Например, на экваторе коэффициент теплового излучения солнца выше, чем в умеренном поясе в 2 раза. А на орбите земли – еще выше, почти в 3 раза.
- Высокие затраты на строительство солнечной станции или монтаж солнечных панелей. Плюс необходимость постоянного обслуживания панелей – протирать их перед каждым сезоном и после дождей, сильного ветра и т.д.
- Имеющие сложности с утилизацией элементов и деталей электростанций.
- Необходимость использования огромных площадей для зеркал или панелей. Плюс тепловой эффект, который образуется над поверхностью станций (под призмой мирового глобального потепления – проблема серьезная).
Получается, что недостатки от использования солнечной энергии пока серьезны, чтобы делать технологию массовой. Скорее всего, нужно еще много времени, прежде чем человек научиться рационально использовать ресурсы, да и прогресс скакнет вперед.
Но пока, в наши дни, солнечная энергетика – прекрасная возможность экономить. Она пока не способна покрыть все потребности даже отдельной семьи в течение года. Но в определенные дни сможет заменить традиционные методы получения электроэнергии. Это факт.
Возможные перспективы
Нет никаких сомнений, что человек не откажется от использования энергии солнца. Более того, есть все основания полагать, что в будущем этот вид энергетики станет основным.
Но факт остается фактом. У традиционных методов получения энергии становится все больше минусов. А благодаря инженерам и ученым, солнечная энергетика избавляется от минусов, растет в эффективности, становится все более доступной для простого обывателя.
Среди основных факторов развития солнечной энергетики назовем:
- Постоянное сокращение запасов классических ископаемых ресурсов на планете Земля.
- Развитие технического прогресса не стоит на месте. Во всех отраслях энергетики появляются технологии, которые удешевляют производство электричества и повышают КПД. Для солнечной энергии, где используется неисчерпаемый ресурс солнечного излучения, это только плюс.
- Постепенное понимание человечеством того, что экология – не пустой звук. Процесс перехода к альтернативным источникам энергии не может быть быстрым, но старт ему уже положен.
Наконец, чтобы четче понимать перспективу развития солнечных электростанций, нет ничего лучше, чем обратиться к динамике исторической ретроспективы. В 1985 году доля полученной энергии от солнца на планете Земля составляла не больше 0,021 ГВт. В 2005 – уже 1,656 ГВт. В 2014 году только за один год было установлено станций с суммарной мощностью около 139 ГВт. А в 2018 Саудовская Аравия начала строительство только на своей территории электростанции, работающей на энергии солнца, с планируемой мощностью около 200 ГВт.
