Энергия солнца. Часть 3. Экономические и экологические аспекты

William B. Stine, Michael Geyer

Продолжение
Начало читайте здесь:

Часть 1. Системы преобразования солнечной энергии
Часть 2. Солнечные коллекторы

1.4 Необходимость в аккумулировании энергии

Солнечная электростанция, как и любая другая, должна удовлетворять требованиям энергетического рынка. В пиковые периоды спроса на электроэнергию цена киловатт-часа высока и стимулирует получать прибыль от продажи электроэнергии. Солнечная установка зависит от суточных, сезонных и погодных изменений, связанных с уровнем инсоляции. Для того чтобы справиться с этими колебаниями, солнечная станция может быть подстрахована за счет электростанции на ископаемом топливе, или изменения солнечной активности могут быть уменьшены путем буферизации системы аккумулирования энергии. Выбор зависит от требований, типа системы и местных условий. Зависимость между емкостью системы аккумулирования и площадью коллектора обсуждается в главе 10.

В тепловых солнечных электростанциях система хранения тепла и/или резервный источник электроэнергии на твердом топливе выступают в качестве:

• инструмента управления выработкой энергии, способного продлить работу после заката и сдвинуть продажу энергии от низкодоходного времени малого потребления к высокодоходному времени в час-пик, гарантировав, таким образом, непрерывность выработки энергии;
• внутреннего буфера электростанции для сглаживания колебаний инсоляции, отвечающего за стабилизацию рабочего цикла и внутренних эксплуатационных требований, таких как производство пара, систем предварительного нагрева и защиты от обмерзания.

Фотоэлектрические станции не нуждаются во внутренней буферной системе, и оптимизация выработки электроэнергии может быть достигнута с помощью электрохимических батареей, накопительной ГЭС, или с помощью резервного дизель-генератора. Значение аккумулирования энергии рассматривается в главе 10.

Надписи на рисунке

Firm Capacity Line

Линия генерируемой мощности

Резервное твердое топливо

Прямая солнечная энергия

От системы аккумулирования

1.5 Интеграция циклов производства энергии

Из-за своей тепловой природы, все солнечные технологии могут быть объединены с традиционными энергетическими системами. Объединение очень важно для повышения значимости солнечных тепловых технологий из-за их доступности и управляемости, снижения стоимости энергии (за счет более эффективного использования энергетического оборудования), и уменьшения технологических рисков при использовании обычных видов топлива, когда это необходимо.

Хотя объединения полей солнечных тепловых коллекторов и систем хранения тепла может быть достаточно для обеспечения высокой температуры у потребителя тепловой энергии, в процессе проектирования должны быть предусмотрены и подсистемы генерации энергии, если результатом работы этой системы являются механическая работа или электрическая энергия. Глава 11 рассматривает технологии производства энергии с особым акцентом на энергоблоки, подходящие для взаимодействия с подсистемой солнечной тепловой энергетики. Введение системы выработки электроэнергии в конструкцию солнечной тепловой электростанции представляет собой проблему в части выбора соответствующих параметров проекта. Эффективность производства электроэнергии обычно увеличивается с повышением рабочей температуры цикла, в то же самое время, повышение КПД солнечных коллекторов связано с уменьшением температуры. Необходимо найти компромиссное решение, чтобы при разработке системы определить лучший вариант.

1.6 Классификация мест размещения

Технологии производства электроэнергии, основанные на концентрации солнечной энергии, требуют достаточного потока прямого солнечного света, который излучается Солнцем и проходит через атмосферу без отклонений и преломления. Следовательно, соответствующие места расположения солнечных объектов, как правило, находятся в засушливых или полузасушливых регионах. Ресурсы солнечной энергии в таких регионах очень высоки. Производство солнечного электричества по приемлемым ценам обычно выгодно там, где уровень инсоляции превышает 1700 кВтч/м² в год, что соответствует уровню солнечной радиации во многих областях, показанных на рисунке 1.4. Такими регионами являются юго-запад Соединенных Штатов, север Мексики, пустыни Северной Африки, Аравийский полуостров, основная часть Индии, Центральная и Западная Австралия, высокогорное плато Анд и северо-восток Бразилии. Наиболее перспективными местами размещения электростанций в Европе являются юг Испании и ряд островов Средиземного моря.

Затраты на сооружение проектируемой солнечной электростанции, да и вообще осуществимость проекта сильно зависят от выбора ее месторасположения. Оно должно иметь высокий годовой уровень инсоляции для выработки максимального количества солнечной электроэнергии. Место для строительства должно быть достаточно ровным, чтобы разместить солнечные поля без непомерно дорогих земляных работ. Оно также должно быть близко к электрической подстанции, чтобы избежать строительства дорогих линий электропередачи для транспортирования энергии. Необходимо достаточное количество воды, чтобы обеспечить охлаждение пара в цикле выработки электроэнергии. Также необходим резервный источник энергии для обеспечения выработки энергии в период отсутствия солнечного излучения. Подъездные пути должны быть пригодны для транспортировки тяжелого оборудования, например, турбин генераторов. Наличие квалифицированного персонала также немаловажный фактор для успешного строительства и эксплуатации установок. Глава 13 раскрывает критерии, методологию и примеры выбора места для солнечных электростанций.

1.7 Экономические и экологические соображения

Наиболее важными факторами при создании солнечной энергетической системы являются экономические показатели. Существуют и другие аспекты, влияющие на решение об использования солнечной энергии, такие как отсутствие загрязнения и выбросов газов, влияющих на парниковый эффект, безопасность и т.д. Но в момент принятия решения о начале проектирования исключительно преобладает фактор уровня стоимости энергии. Этот, или подобный экономический показатель, получают расчетом количества ожидаемых затрат на строительство и эксплуатацию системы и количества произведенной солнечной энергии за весь период ее работы. В следующих главах мы подробнее расскажем об этом расчете.

Коммерчески обоснованные энергетические системы от нескольких киловатт до сотен мегаватт достаточно жизнеспособны, электростанции мощностью 354 МВт эксплуатируются в Калифорнии с 1980 года. Объекты солнечной энергетики могут функционировать, как подключенными к общей сети, так и в распределенных, автономных сетях. Они подходят для гибридного производства энергии, и могут включать в себя экономически эффективные системы хранения энергии. Они могут работать во всем мире в районах с высоким уровнем инсоляции, в том числе, в большинстве районов юго-запада США, Центральной и Южной Америки, Африки, Австралии, Китая, Индии, Средиземноморского региона и Ближнего Востока. Коммерческие гелиоустановки давно достигли уровня затрат на производство энергии около 12-15 центов/кВтч, и снижение этого показателя, как ожидается, в конечном счете, приведет к самому низкому уровню в 5 центов/кВтч.

Надписи на рисунке

Источник

Использование солнечной энергии, солнечная энергетика — история развития, плюсы и минусы

Мода на альтернативную энергетику набирает обороты. Причем в центре внимания оказываются возобновляемые источники энергии – приливы, ветер, солнце. Солнечная энергетика (или фотоэнергетика) считается одним из наиболее динамично развивающихся отраслевых секторов. Нередки совсем уж оптимистичные заявления вроде того, что вся энергетика грядущих времен будет, ни много ни мало, базироваться на солнечной энергетике.

Строго говоря, энергия звезды по имени Солнце в «законсервированном» виде присутствует во всех видах ископаемого топлива – угле, нефти, газе. Энергия эта начала накапливаться еще на стадии роста растений, потребляющих солнечный свет и тепло, которые вследствие сложных биологических процессов превратились в углеродные ископаемые. Энергию воды, ее кругооборот также поддерживает Солнце.

Плотность солнечной энергии у верхней границы атмосферы составляет 1350 Вт/м2, она носит название «солнечная постоянная». При прохождении солнечных лучей через атмосферу Земли часть излучения рассеивается. Но и у самой поверхности Земли его плотность достаточна для возможного использования, причем даже в облачную погоду.

Фотогальванический эффект (т.е. возникновение стационарного тока в однородном материале при его однородном фотовозбуждении) был открыт в 1839 году французским физиком Александре-Эдмондом Бекверелом. Немногим позже англичанин Уиллобай Смит и немец Генрих-Рудольф Герц независимо друг от друга открыли фотопроводимость селена и ультрафиолетовую фотопроводимость.

В 1888 году в Америке было запатентовано первое «устройство утилизации солнечного излучения». Первые достижения российских ученых в области фотопроводимости относятся к 1938 году. Тогда в лаборатории академика Абрама Иоффе впервые был создаэлемент для преобразования солнечной энергии, который планировалось применять в солнечной энергетике.

Развитию наземной солнечной энергетики предшествовала большая работа ученых (в том числе ленинградско-петербургской научной школы – физтеховцев Бориса Коломийца и Юрия Маслаковца) в области солнечных батарей космического назначения. Они создали в Ленинградском физикотехническом институте серноталлиевые фотоэлементы, КПД которых равнялся 1% — настоящий рекорд для того времени.

Абрам Иоффе стал также автором популярного нынче решения устанавливать фотоэлементы на крышах (хотя поначалу идея широко не прижилась лишь по той причине, что недостатка в ископаемом топливе в то время никто не испытывал). Сегодня же такие страны, как Германия, США, Япония, Израиль, все активнее ставят на крышах зданий солнечные батареи, создавая таким образом «энергосберегающие дома».

Более оживленный интерес солнечная энергетика начала вызывать во второй половине XX века. Благодаря практическим разработкам в этой области были созданы теплоэлектростанции, где теплоноситель нагревался за счет прямого солнечного излучения, а турбоэлектрогенератор приводил в действие образующийся в котле пар.

По мере накопления знаний и продвижения от теории к практике возник вопрос рентабельности солнечной генерации. Поначалу задачи солнечной энергетики не простирались дальше энергообеспечения локальных объектов, например труднодоступных или удаленных от центральной энергосистемы. Еще в 1975 г. суммарная мощность всех солнечных установок на планете составляла всего 300 кВт, а стоимость пикового киловатта мощности достигала 20 тыс. долларов.

Принцип действия солнечных электростанций:

Но, конечно, для старта солнечной энергетики – даже без учета экономической составляющей – требовалась существенно большая эффективность. И ее удалось в какой-то степени добиться. КПД современных кремниевых полупроводниковых генераторов равен уже 15-24% (смотрите — Эффективность солнечных элементов и модулей), благодаря чему (а также падению их в цене) сегодня наблюдается устойчивый спрос.

Выпуск солнечных батарей освоили крупные мировые компании – такие, как Siemens, Kyocera, Solarex, BP Solar, Shell и другие. Стоимость одного ватта установленной электрической мощности на полупроводниковых фотоэлементах снизилась до 2 долларов.

Еще в советское время было рассчитано, что установленные в районе Аральского моря 4 тыс. км 2 солнечных модулей способны обеспечить покрытие годовой потребности в электроэнергии всего земного шара. А КПД тогдашних батарей не превышал 6%.

В прошлом веке 10-мегаваттные солнечные электростанции (СЭС) были созданы в США, Франции, Испании, Италии и других «солнечных» странах. В СССР первая экспериментальная солнечная станция мощностью 5 МВт была построена на Керченском полуострове, где количество солнечных дней в году одно из самых высоких в регионе.

Некоторые из этих станций еще работают, многие прекратили функционирование, но можно с уверенностью утверждать, что они не могут принципиально конкурировать с современными солнечными фотоэлектрическими системами.

Сильные стороны солнечной энергетики всем очевидны и в пространных пояснениях не нуждаются.

Во-первых, ресурсов Солнца хватит надолго – продолжительность существования звезды оценивается учеными примерно в 5 млрд. лет.

Во-вторых, использование солнечной энергии не грозит выбросами парниковых газов, глобальным потеплением и общим загрязнением окружающей среды, т.е. не влияет на экологический баланс планеты.

Фотоэлектрическая станция мощностью 1 МВт за год производит порядка 2 млн. кВт . ч. Тем самым предотвращается эмиссия углекислого газа по сравнению с топливной электростанцией в следующих объемах: на газе около 11 тыс. тонн, на нефтепродуктах 1,1-1,5 тыс. тонн, на угле 1,7-2,3 тыс. тонн.

К узким местам солнечной энергетики относятся, во-первых, все еще недостаточно высокий КПД, во-вторых, недостаточно низкая себестоимость киловатт-часа – то, что вызывает вопросы в связи с широким использованием любого возобновляемого источника энергии.

К этому добавляется тот факт, что изрядное количество солнечных излучений у поверхности Земли рассеивается неконтролируемо.

Экологическая безопасность тоже, строго говоря, под вопросом – ведь как быть с утилизацией отработанных элементов, пока неясно.

Ну и, наконец, степень изученности солнечной энергетки – что бы ни говорили – пока далека от совершенства.

Наиболее «слабым звеном» солнечной энергетки является низкий КПД батарей, решение этой проблемы – вопрос лишь времени.

Да, получение энергии из Солнца – проект не самый дешевый. Но, во-первых, за последние тридцать лет один ватт, выработанный посредством фотоэлементов, подешевел в десятки раз. А во-вторых, «на руку» солнечной энергетике играет стремление европейских стран снизить зависимость от традиционных энергоносителей. Кроме того, не стоит забывать о Киотском протоколе. Сейчас можно сказать, что солнечная энергетика развивается уверенными темпами и с точки зрения науки, и с точки зрения коммерции.

Сегодня солнечная энергия наиболее активно используется в трех целях:

отопление и горячее водоснабжение, а также кондиционирование воздуха;

конвертация в электрическую энергию с помощью солнечных фотоэлектрических преобразователей;

масштабное производство электроэнергии на основе теплового цикла.

Солнечную энергию не обязательно конвертировать в электрическую, а вполне можно использовать как тепловую. Например, для отопления и горячего водоснабжения жилых и промышленных объектов.

В основе принципа работы конструкции солнечных нагревательных систем – нагревание антифриза. Затем тепло передается в баки-аккумуляторы, расположенные обычно в подвале, и расходуется оттуда.

Одним из крупнейших потенциальных потребителей фотоэнергетики является сельскохозяйственный сектор, который самостоятельно способен потреблять сотни мегаватт пиковой энергии фотоэнергосистем в год. К этому можно добавить навигационное обеспечение, энергообеспечение систем телекоммуникаций, систем для курортно-оздоровительного и туристического бизнеса, а также коттеджей, уличных солнечных фонарей и т. д.

Сегодня всерьез рассматривается возможность абсолютно фантастических, с точки зрения обывателя, способов применения солнечной энергетики. Например, проекты орбитальных солнечных станций или, что еще фантастичнее, солнечных электростанций на Луне.

И такие проекты действительно есть. В космосе концентрация солнечной энергии значительно выше по сравнению с нашей голубой планетой. Передача энергии на Землю возможна с помощью направленного светового (лазерного) или сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник