Как на Земле развивается использовании энергии Солнца?
Небесное светило дарит нам бесплатно огромное количество энергии. Всего за 15 минут звезда отдаёт нашей планете объём энергии, которого человечеству хватит для обеспечения электричеством на один год. Качество и эффективность солнечных батарей постоянно совершенствуются и становятся дешевле. Однако до массового использования энергии солнца пока далеко. Есть ряд проблем, из которых особенно остро стоит эффективность оборудования для преобразования солнечного излучения. В основном это касается фотоэлектрических элементов, эффективность которых лежит в интервале 12─17 процентов. Но ещё в середине прошлого столетия она составляла около 1%. Так, что прогресс постепенно идёт, хотя и не быстро. Поэтому в будущем энергия солнца должна занять достойное место в мировой энергетике. В этом материале речь пойдёт об использовании солнечной энергии в хозяйственной деятельности на Земле. Поговорим о проблемах и перспективах, а также приведём примеры оборудования.
Общая информация о поступающей от Солнца энергии
Солнце служит первоначальным источником всех энергетических процессов на Земле. Звезда отправляет в сторону нашей планеты 20 миллионов эксаджоулей за год. Поскольку Земля круглой формы на неё попадает примерно 25%. Из этой энергии примерно 70 процентов поглощается атмосферой, отражается и уходит на прочие потери. На поверхность Земли попадает 1,54 миллиона эксаджоулей в год. Эта цифра в несколько тысяч раз больше, чем энергопотребление на планете. Кроме того, эта величина в 5 раз превышает весь энергетический потенциал углеводородного топлива, накопленных на Земле за миллионы лет.
Солнце – неиссякаемый источник энергии
Растения на Земле потребляют всего лишь 0,5 процента энергии, доходящей до Земли. Поэтому, даже если человечество будет существовать только за счёт энергии солнца, они будут потреблять лишь малую её долю. Энергии Солнца на Земле вполне достаточно для энергетических потребностей цивилизации. При этом мы возьмём лишь небольшую часть энергии, и это никак не скажется на биосфере. Солнце отправляет на Землю огромное количество энергии. За несколько дней её количество превышает энергетический потенциал всех разведанных запасов топлива. Даже треть от этого количества, которое попадает на Землю, в тысячи раз превышает все традиционные источники энергии.
Солнечная энергия экологически «чистая». Конечно, ядерные реакции, проходящие на Солнце, порождают радиоактивное загрязнение. Но оно находится на безопасном расстоянии от Земли. А вот сжигание углеводородов и атомные электростанции создают загрязнения на Земле. Кроме того, энергия Солнца постоянна и присутствует в избыточном количестве.
Солнечная энергия практически неиссякаема
Какие есть проблемы при использовании солнечной энергии?
Казалось бы, всё прекрасно и нужно переходить на использование энергии солнца. Оказывается, есть ряд проблем. Каких же? Основная проблема заключается в том, что поступающая энергия сильно рассеивается. На один квадратный метр попадает примерно 100─200 ватт. Точное количество зависит от расположения этого места на Земле. Кроме того, Солнце светит днём, и мощность в это время достигает 400—900 ватт на квадратный метр. А ночью энергии не поступает, а пасмурную погоду поступает значительно меньше. То есть, в какие-то моменты нужно собирать весь этот энергетический поток и накапливать. А когда солнечный свет на землю не падает, использовать накопленную энергию.
Использование солнечной энергии на Земле
Но в целом гелиосистемы являются очень перспективной сферой энергетики. Стоит ещё немного подрасти в цене энергоносителям, и они станут очень востребованы. На Земле много районов, где практически постоянно светит солнце. Это степи, пустыни. При установке там солнечных электростанций и получения электроэнергии можно обустроить эту землю и сделать её плодородной. Энергия будет расходоваться на подвод воды и нужды населения.
Экскурс в прошлое
Когда-то в глубокой древности язычники воспринимали Солнце в качестве божества. Конечно, в те времени использование солнечной энергии отсутствовало, как таковое. Это было нечто магическое. Но первые попытки использования солнечной энергии предпринимались уже довольно давно. Если не брать во внимание легенду о сожжённом с помощью концентрированной солнечной энергии флоте в Древней Греции, то настоящее использование энергии Солнца началось в XIX─XX веках. В 1839 году учёный Беккерель открыл фотогальванический эффект. Спустя несколько десятилетий Чарльз Фриттс разработал солнечный модуль, основой которого стал селен, покрытый золотом. Первые солнечные панели, которые были выпущены в XX веке имели КПД не более 1%. Но на тот момент это было настоящим прорывом. В результате для учёных открылись новые горизонты для исследований и новых открытий.
Одна из первых гелиосистем
Альберт Эйнштейн также внёс значительный вклад в развитие солнечной энергетики. Конечно, среди его достижений чаще всего упоминают теорию относительности. Но свою Нобелевскую премию он получил за изучение явления внешнего фотоэффекта. Технология производства солнечных панелей для получения электричества постоянно совершенствуется. Поэтому есть надежда, что скоро мы станем свидетелями новых потрясающих открытий в этой области.
Сферы использования солнечной энергии
Область использования энергии солнца довольно широкая и постоянно расширяется. Здесь можно упомянуть даже такую простую вещь, как летний душ баком наверху. Он нагревается от солнца и можно мыться. Использование гелиосистем для частных домов ещё совсем недавно казалось фантастикой, а сегодня стали реальностью. Сейчас выпускается много солнечных коллекторов для обогрева бытовых и производственных помещений. Уже есть модели, которые способны работать при отрицательных температурах. Кроме того, полно всевозможных мобильных power bank на солнечных батареях для зарядки мобильных гаджетов, калькуляторов, часов и другой техники с питанием от фотоэлектрических панелей.
Энергия солнца на сегодняшний день используется в таких сферах народного хозяйства, как:
- Энергоснабжение частных домов, пансионатов, санаториев;
- Энергоснабжение населённых пунктов, находящихся вдали от городской инфраструктуры;
- Сельское хозяйство;
- Космонавтика;
- Экотуризм;
- Уличное освещение, декоративная подсветка на дачных участках;
- Жилищно-коммунальное хозяйство;
- Зарядные устройства.
Установки для преобразования солнечной энергии
Давайте, рассмотрим два основных типа установок, которые являются самыми распространёнными на сегодняшний день.
Гелиосистема для получения электрической энергии
Наиболее распространённые системы для преобразования энергии солнца в электричество. Стоят такие системы немало, но после того, как они окупятся, их использование даёт хорошую экономию в расходах на электроэнергию. Частный дом реально обеспечить электропитанием от автономной солнечной электростанции с несколькими фотоэлектрическими панелями. Срок окупаемости установки в российском климате составляет 5 лет, а срок службы солнечных батарей до 30 лет. Можете прочитать подробнее о том, что представляют собой солнечные электростанции.
Гелиосистема для частного дома
Главным минусом таких солнечных систем остаётся низкий КПД. Он лежит в пределах 12─15 процентов. В облачную погоду и того меньше. Но уже разработаны фотоэлектрические панели, которые работают в сумерках и облачную погоду, выдавая необходимый ток. И для обеспечения электроэнергией небольшого дома вполне хватает. В основном солнечные батареи собирают с расчётом на выработку напряжения 12 и 24 вольта. Они объединяются последовательно и параллельно для достижения необходимой мощности. Электроэнергия накапливается в аккумуляторах, а затем подаётся в сеть через инвертор.
Солнечные коллекторы
Солнечные батареи для отопления дома или коллекторы излучение солнца в тепловую энергию. По типу теплоносителя различают воздушные и жидкостные коллекторы. В воздушных циркулирует воздух и они являются гораздо менее эффективными, чем жидкостные. Они способны работать на обогрев помещения только до 5─10 градусов тепла на улице. Воздушные солнечные коллекторы часто применяются для отопления хозяйственных построек и сушки овощей.
В жидкостных коллекторах в роли теплоносителя используется вода или антифриз. Они имеют гораздо большую эффективность, чем воздушные. Самыми распространёнными видами таких коллекторов являются плоские и вакуумные.
Плоские имеют простую конструкцию и наиболее распространены. Их часто изготавливают самостоятельно в домашних условиях. Они могут быть использованы, как для горячего водоснабжения, так и для отопления помещения. Основным элементом в них является абсорбер, который накапливает тепловую энергию и отдаёт её теплоносителю. Такие установки довольно эффективны, но в зимний период на территории России их использовать проблематично.
Источник
Солнце и предубеждение: почему солнечная энергетика не приживается в России?
В начале февраля 2019 года в Госдуме прошел первое чтение законопроект, который разрешает частным владельцам солнечных панелей сдавать излишки полученной электроэнергии и экономить на оплате счетов. Для остального мира это давно не новость. Например, в Германии аналогичный закон был принят 28 лет назад и сейчас наравне с физлицами дает преференции даже владельцам коммерческой недвижимости.
Рынок альтернативной энергетики растет. По данным аналитиков SolarPower Europe и PV Market Alliance, в минувшем году в мире было возведено порядка 104,1 ГВт солнечных электростанций. Это на 5% больше показателя 2017 года.
Европейский рынок вырос еще внушительнее. В 2018 году в странах ЕС появилось на 36% больше солнечных электростанций, чем годом ранее. Лидером стала Германия, которая ввела в строй порядка 3 ГВт станций. За ней следуют Турция, Нидерланды и Франция.
Растущий спрос на новые технологии объясним: солнечная энергетика сегодня стоит дешевле, чем другие источники энергии. Чтобы не быть голословным, приведем результаты недавнего тендера на строительство солнечного парка в Саудовской Аравии. По его результатам победила местная компания, предложившая цену в 2,36 цента за кВт/ч. (эквивалентно 1,56 рубля). При этом цена для покупателей будет зафиксирована на 25 лет. Для сравнения, в Москве потребитель платит за электроэнергию в 3,5 раза больше (5,47 руб./кВт.ч), в Краснодарском крае — в 3 раза (4,69 руб./кВт.ч), в Омской области — в 2,5 раза (3,92 руб./кВт.ч). И это без учета дополнительных затрат на получение технических условий (ТУ) на подключение здания, а также скорости возведения станции.
Почему солнечную энергетику выбирают в странах мира
За исключением России, спрос на солнечные панели примерно одинаковый по всему миру. Однако причины его возникновения везде разные.
В Африке спрос обусловлен недостатком ресурсов, обилием солнца и отсутствием энергетической инфраструктуры как таковой. Строительство солнечной электростанции с нуля в сравнении с традиционными тепловыми электростанциями обходится дешевле настолько, что поддерживается даже на уровне госпрограмм.
В странах Европы, Америки и Азии дела обстоят иначе, и спрос подталкивают уже высокая стоимость электроэнергии и стремление сократить операционные расходы. Например, в Германии киловатт-час обойдется владельцу недвижимости в 30 центов (19,8 руб.), в США — от 9 до 30 центов (от 5,9 до 19,8 руб.), в Японии — 26 центов (17,2 руб.) При таких ценах инвестиции в солнечные панели окупаются за 2-3 года и позволяют владельцам получить требуемую мощность для своего здания.
Ускорить возврат инвестиций в энергообеспечение недвижимости помогают и системы накопления энергии на базе Li-ion- аккумуляторов. Эти батареи могут использоваться даже без солнечных панелей, исключительно для компенсации мощности в часы пиковых нагрузок. В течение ночи аккумуляторы заряжаются от сети по низкому тарифу, а затем используются днем, когда киловатт-час обходится дороже.
Увеличивать площадь участка или недвижимости для установки солнечных панелей и аккумуляторов не нужно, поскольку в мире есть масса решений, интегрирующих их в элементы здания. Уже сейчас при строительстве объектов недвижимости используются разноцветные фасады и кровли, которые вместе с основным предназначением генерируют электроэнергию. Из таких материалов два года назад был построен кампус международной школы в Копенгагене общей площадью 6048 квадратных метров. А к 2020 году солнечные электростанции на кровле двух логистических центров установит автоконцерн Audi.
А как в России?
Как мы увидели, в мире уже давно идут по пути локальной генерации, в то время как Россия до сих пор централизованно производит тепло и электроэнергию, доставляя ее через полстраны. За неимением других решений в XX веке это было оправдано. Но сейчас, когда энергоресурсы продолжают дорожать, а компании по всему миру питают здания от солнечных панелей, происходящее в России вызывает недоумение.
В своей практике участники рынка солнечной энергетики сталкиваются с противодействием на каждом этапе работы, но не со стороны собственников недвижимости, а со стороны тех, кто отвечает за исполнение: энергетиков, проектировщиков, монтажников. Основная причина — недостаточная компетентность технических специалистов в России, большинство из которых до сих пор живут в парадигме той информации, которую усвоили в вузах 20-30 лет назад.
Вот некоторые из их заблуждений:
Стереотип №1: «Пока это стоит дорого»
Так можно было сказать в 80-е. Сегодня же солнечная энергетика стоит дешевле традиционных источников энергии, а операционные затраты стремятся к нулю. В этом вы могли убедиться выше.
Стереотип №2 «В России мало солнца»
Правда заключается в том, что в России гораздо больше солнца, чем во многих странах Европы, в частности в Германии. Например, в Воронежской, Челябинской, Новосибирской области и Хабаровском крае солнечная электростанция с правильным углом наклона выдаст порядка 1150 кВт*ч на 1 киловатт установленной мощности в год. В Ростовской области, Краснодарском крае или на Дальнем Востоке этот показатель уже 1300 кВт*ч на 1 кВт, что сопоставимо с Болгарией, Испанией и Францией.
Стереотип №3 «Это опасно и неизвестно»
Мировой опыт показывает, что в применении солнечной энергетики заинтересованы собственники: они экономят свои деньги. В России же сегодня позиция большинства отвечающих за это главных энергетиков простая: «Вы эти буржуйские штучки бросьте! Я не знаю, что это такое, и на себя ответственность не возьму». Тем не менее объекты, где используется солнечная энергетика, в России есть.
В качестве примера можно привести завод L’Oréal в Калужской области. Здание оборудовано солнечной электростанцией мощностью 500 киловатт. Еще один пример из нашей практики — солнечная электростанция мощностью 200 кВт для коммерческого объекта сельскохозяйственного назначения в Краснодарском крае. Огромную роль в принятии решения на этом объекте сыграла осведомленность главного энергетика о принципах работы солнечного оборудования, а также позиция собственника, бизнес которого работает по всему миру.
Что поможет изменить ситуацию?
Как мы смогли убедиться, даже если завтра Госдума разрешит сдавать излишки солнечной электроэнергии, перспективы этого сектора в России туманны. И они останутся таковыми до тех пор, пока не будут решены две проблемы:
1. Энергетики и главные инженеры проектов должны быть погружены в общемировую коммуникационную среду и знать английский. С этим у многих проблемы — они читают лишь ту информацию, что есть на русском языке, а ее актуальность весьма сомнительна.
2. Должно прийти новое поколение молодых энергетиков и главных инженеров проекта. Принципиально важно, чтобы это поколение не обучалось у специалистов старой закалки, знало английский, бывало на проектах за границей и интересовалось новыми технологиями. Зачастую приехавшие на стажировку выпускники иностранных вузов знают о технологиях в современной энергетике больше, чем специалисты, проработавшие в России десятки лет.
Пойдут ли наши соотечественники по этому пути? Для перспектив солнечной энергетики в России это вопрос первостепенной важности.
Источник