Солнце проблема использования солнечной энергии
Для коэффициента полезного действия действующих солнечных батарей характерны значения около нескольких десятков процентов. Тогда для элемента с площадью порядка одного квадратного дециметра получаемая мощность будет немного более 1 Вт. Способность по использованию солнечных электростанций на экваторе весьма эффективна, а в других местах Земли не такая большая вследствие изменяющихся атмосферных условий, а также небольшой интенсивности солнечной радиации , которую здесь даже в солнечные дни сильнее поглощает атмосфера, а также колебаний, обусловленных чередованием дня и ночи [1, 2] .
Солнечная энергия является восстанавливаемым источником энергии 5. Сейчас ученые по всему миру занимаются разработкой систем, которые изменяют возможности использования солнечной энергии.
Есть преимущество солнечных батарей, связанное с тем, что у них весьма простая конструкция, а также простой монтаже, и минимальные требования к облуживанию и большой сроке эксплуатации. Когда происходит их установка, то они не требуют дополнительного пространства. Следует стремиться к тому, чтобы они не были долгое время в тени.
Сформированные на настоящий момент солнечные батареи имеют возможности сохранения работоспособности для очень долгого времени.
Для солнечных батарей можно отметить такие недостатки:
– есть чувствительность от загрязнения рабочих поверхностей.
– существует зависимость от значений высоких температур.
– довольно высокая стоимость [7].
Среди достоинств солнечных батарей можно отметить такие [8]:
– они довольно просты при изготовлении.
– имеют довольно небольшой вес.
– их надежность довольно хорошая, могут быть легко отремонтированы.
– имеют длительный срок службы.
– их использование не ведет к нанесению вреда для окружающей среды.
– они бесшумны в работе.
– нет подвижных частей, нет износостойких деталей.
Источник
Глобальные проблемы солнечной энергетики
Электроэнергетика
78 млн тонн токсичных отходов от отживших свой век солнечных батарей накопится на Земле к 2050 году. Колумнист Forbes и эксперт в области охраны окружающей среды Майкл Шелленбергер уверен: чтобы предотвратить настоящую экологическую катастрофу в будущем, решать эту проблему нужно уже сегодня.
В последние годы всё чаще раздаются вопросы о том, что происходит с солнечными панелями после того, как они отслужат свой срок. На этот счёт можно услышать такие мнения:
«Проблема переработки солнечных панелей встанет в полный рост через 20–30 лет и разрушит окружающую среду, ведь переработать эту гору мусора не так-то просто».
«Это стало проблемой уже сейчас, и ситуация будет только ухудшаться, если солнечная индустрия продолжит развиваться теми же темпами, что и последние 10 лет».
«Наиболее токсичные компоненты солнечных батарей – свинец и кадмий – могут быть полностью вымыты из ячеек за несколько месяцев, например, дождевой водой».
Сделаны ли эти выводы аналитиками правого Heritage Foundation? Или спонсируемыми Koch Industries противниками концепции глобального потепления? Или, быть может, редколлегией Wall Street Journal? Ничего подобного. Эти цитаты принадлежат видному китайскому чиновнику, отвечающему за развитие солнечной энергетики, американскому ветерану солнечной индустрии с 40-летним стажем и учёному Штутгартского института фотовольтаики.
Поскольку не так много журналистов, занимающихся проблемами окружающей среды, готовы написать о ВИЭ хоть что-то плохое, бить тревогу приходится учёным и промышленникам, выпускающим солнечные панели.
«Я работаю в солнечной индустрии с 1976 года и отчасти признаю свою вину, – рассказал изданию Solar Power World владелец консалтинговой компании Solar CowboyZ Сэм Вандерхуф. – Я участвовал в установке миллионов солнечных панелей, и сейчас все они разрушаются».
В 2016 году Международное агентство по возобновляемой энергетике (IRENA) оценило объём отходов от солнечных панелей в 250 тыс. метрических тонн. По мнению экспертов агентства, к 2050 году эта цифра может достичь 78 млн метрических тонн.
Солнечные панели нередко содержат свинец, кадмий и другие токсичные элементы, которые невозможно удалить, не демонтируя саму панель.
«Примерно на 90% фотоэлектрические модули состоят из стекла, – отмечает профессор государственного университета Сан-Хосе Дастин Малвани. – Однако переработать такое стекло обычным способом невозможно из-за присутствующих в нём примесей – пластмассы, свинца, кадмия и сурьмы».
Учёные Института электрической энергии (EPRI) провели исследование по заказу американских энергетических компаний, владеющих СЭС, и пришли к выводу, что «демонтаж (утилизация) солнечных панелей на обычных полигонах нежелателен из-за опасности протекания токсичных веществ в почву».
Правительство Калифорнии активно обсуждает, как удалить отработанные фотоэлектрические элементы с обычных мусорных полигонов, куда они поступали до сих пор. Калифорнийский Департамент по контролю за токсичными веществами (DTSC) в августе прошлого года провёл совместное совещание с представителями компаний, занимающихся переработкой мусора и производством солнечных панелей. На нём чиновники и промышленники в один голос говорили о том, насколько трудно тот или иной тип панелей отнести к опасным или безопасным отходам. В итоге было решено создать базу данных, содержащую информацию о степени токсичности всех известных моделей фотоэлектрических элементов.
Тот факт, что кадмий может быть просто вымыт из солнечных батарей обычной дождевой водой, всё сильнее тревожит американских защитников окружающей среды. Среди них – общественная организация «Обеспокоенные граждане Озера Фоун» из Вирджинии, где планируется построить СЭС площадью 25,7 км².
«Речь идёт почти о 2 млн панелей, содержащих 100 тыс. фунтов кадмия, – говорит экологический активист Шон Фогерти. – Всё это может попасть в почву, например, в результате шторма, торнадо или землетрясения».
Опасения экологов не напрасны: в 2015 году торнадо разрушил 200 тыс. солнечных модулей в южной Калифорнии на СЭС Desert Sunlight. По словам Дастина Малвани, множество токсичных осколков тогда просто смешалось с грунтом и камнями и не было должным образом переработано. Похожая ситуация сложилась в сентябре прошлого года в Пуэрто-Рико, где ураган «Мария» разметал вторую по величине СЭС в стране.
Разрушенная солнечная электростанция в Пуэрто-Рико
Многие отраслевые эксперты настаивают на обязательной переработке солнечных отходов и их последующем использовании. Основной вывод в отчете IRENA 2016 годасостоял в том, что «если систематически возвращать утилизированные и восстановленные компоненты панелей к жизни, к 2050 году мировая экономика дополнительно получит $15 млрд».
Однако исследование не содержит сравнения стоимости восстановленных материалов с затратами на новые компоненты СЭС. К тому же эксперты агентства признали, что сама по себе доступность сырья для панелей не будет проблемой в ближайшей перспективе.
Нынешняя стоимость переработки превосходит будущие доходы от восстановленных материалов – именно поэтому солнечные панели по большей части заканчивают свой жизненный цикл на обычной свалке.
«Если фабрики по переработке будут действовать строго по инструкции, их конечная продукция будет намного дороже вновь добытого сырья», – рассказал руководитель перерабатывающей компании Nanjing Fangrun Materials Тиан Мин в интервью изданию The South China Morning Post.
Кто заплатит за переработку?
В 2012 году компания First Solar прекратила перечислять часть от прибыли в Фонд долгосрочного управления отходами.
«Потребители могут воспользоваться нашими услугами, когда их панели отслужат свой срок, – прокомментировал это решение пресс-секретарь компании. – Мы эти панели переработаем, а они за это заплатят». Или не заплатят.
«Рыночные методы тут не сработают, процедура должна быть отрегулирована законодательно, – убеждена технический руководитель по солнечной энергетике Исследовательского института электрической энергии (EPRI) Кара Либби.
В июле прошлого года Вашингтон стал первым штатом США, потребовавшим от производителей солнечных панелей разработать план их переработки. В то же время законодатели не стали настаивать на том, чтобы сами компании за эту переработку и платили.
«В написании этого закона помогала компания Itek Energy, выпускающая солнечные панели», – отмечает издание Solar Power World.
«Обременение производителей строительством перерабатывающих центров или хранилищ для солнечных модулей во многих случаях может привести к финансовому краху этих компаний», – увереныв компании Milliman, предоставляющей актуарные и страховые услуги.
Финансирование затрат на переработку фотоэлектрических модулей за счёт текущих прибылей их производителей нельзя признать устойчивым решением, ведь когда темпы роста отрасли снизятся, эти издержки лягут на компании непереносимым бременем. В конечном счёте эту проблему всё равно придётся решать обществу.
Исследователи Штутгартского института фотовольтаики также выражают озабоченность ситуацией, складывающейся в бедных и развивающихся странах, где попросту нет инфраструктуры для переработки токсичных отходов.
«Это особенно актуально для так называемого глобального юга, который сама природа подталкивает к строительству СЭС», – пишут учёные.
Отношение к проблеме некоторых китайских мусоропереработчиков только подтверждает озабоченность экспертного сообщества.
«Мы можем перепродать их (панели) куда-нибудь на Ближний Восток, – признавалсяодин из «мусорщиков» Поднебесной изданию South China Morning News. – Наши покупатели там ясно дали понять, что им нужны не суперэффективные или современные, а дешёвые панели. В результате все будут довольны».
Иными словами, множество фирм могут рекламировать себя как переработчиков солнечных панелей, а на самом деле просто перепродавать отработанные модули в развивающиеся страны.
По данным доклада, подготовленного в рамках Программы ООН по защите окружающей среды в 2015 году, от 60 до 90% всех электронных отходов, включая лучевые трубки, батареи питания и пластиковые корпуса, незаконно перевозятся и складируются в беднейших странах.
Основная проблема солнечных отходов в том, что их слишком много. Для СЭС нужны сотни тысяч фотоэлектрических панелей, и по физическим причинам эта ситуация в обозримом будущем не изменится.
Солнечная энергетика требует в 15 раз больше материалов, чем ядерная
Переработка этой лавины из стекла, свинца, кадмия требует согласованных действий на международном, национальном и местном уровнях. Первым шагом на пути к решению проблемы могло бы стать введение дополнительного налога на солнечные панели. Поступающие таким образом средства следует перечислять в специальных фонд, из которого национальные и локальные правительства впоследствии будут финансировать переработку или долгосрочное хранение солнечных отходов.
Во-вторых, федеральное правительство должно поощрять граждан, контролирующих соблюдение законодательства в сфере эксплуатации, хранения и переработки солнечных батарей, с тем чтобы отработавшие панели не оказывались на обычных полигонах.
В-третьих, ответственным структурам ООН (Программа по защите окружающей среды, Глобальное партнёрство по управлению отходами) следует более внимательно отслеживать движение электронных отходов и стимулировать страны, импортирующие использованные солнечные батареи, к введению дополнительного налога на их переработку.
Безусловно, организовать всё это непросто, тем более что капитаны солнечной индустрии наверняка будут вставлять палки в колёса. Они будут справедливо указывать на то, что в мире полно и другого электронного мусора. На это можно возразить, что многие современные виды электронных отходов, например смартфоны iPhone, обладают заменяемыми частями (GPS-модулями, стереосистемами) и тем самым снижают свою долю в общем мусорном потоке. При этом ни одна другая отрасль электронной промышленности, кроме производства солнечных батарей, не притворяется экологически чистой.
«Если проблема отходов не будет превентивно решена, солнечная промышленность рискует повторить разрушительные для окружающей среды ошибки электронной индустрии, – предупреждает Дастин Малвани. – Если же производители солнечных батарей будут действовать предусмотрительно, это может привести к созданию целого ряда прорывных технологий, включая фотоэлектрические модули без вредоносных элементов и переработку редкоземельных металлов».
Источник
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