Солнечная энергетика – сегодня и завтра

Растущие потребности человечества в энергии, катастрофически тающие запасы ископаемых энергоносителей, загрязнение окружающей среды вызвали бурное развитие альтернативной энергетики. Правительства стран всего мира, стимулируя максимально возможное использование возобновляемых источников энергии, изыскивают способы максимально привлечь инвестиции в эту отрасль. Это и льготное налогообложение, и кредитование, и стимулирование расширения сети домашних электростанций, работающих от энергии ветра или от солнечных батарей. Доклад о перспективах развития альтернативной энергетики в условиях, если даже будет отменено льготное налогообложение производителей компонентов альтернативной энергетики, опубликовали SEIA и BNEF – Solar Energy Industry Association и Bloomberg New Energy Finance.

Типы солнечных электростанций

Во всем мире сегодня работают множество солнечных электростанций. Мощность и конструкция их различны, так же, как и различны способы преобразования энергии солнца в энергию электрическую. Есть солнечные электростанции, которые снабжают электричеством целые города, а есть миниатюрные, способные запитать только несколько электроприборов в доме. Гелиевая электроэнергетика развивается такими бурными темпами, что доля электричества, производимого солнечными электростанциями во всем мире, за десять лет выросла от 2.6 тераватт/часов в 2004 году до 253 тераватт/часов в 2015 году. В процентном отношении это составляет соответственно 0.01% в 2004 году и 1.05% в 2015 году от общего мирового производства электроэнергии.

В зависимости от климатических и геофизических условий того или иного региона устанавливаются солнечные электростанции различных типов. Это могут быть электростанции башенного типа, тарельчатые, параболоцилиндрические, фотоэлектрические и другие.

Растущие потребности человечества в энергии, катастрофически тающие запасы ископаемых энергоносителей, загрязнение окружающей среды вызвали бурное развитие альтернативной энергетики. Правительства стран всего мира, стимулируя максимально возможное использование возобновляемых источников энергии, изыскивают способы максимально привлечь инвестиции в эту отрасль. Это и льготное налогообложение, и кредитование, и стимулирование расширения сети домашних электростанций, работающих от энергии ветра или от солнечных батарей. Доклад о перспективах развития альтернативной энергетики в условиях, если даже будет отменено льготное налогообложение производителей компонентов альтернативной энергетики, опубликовали SEIA и BNEF – Solar Energy Industry Association и Bloomberg New Energy Finance.

Типы солнечных электростанций

Во всем мире сегодня работают множество солнечных электростанций. Мощность и конструкция их различны, так же, как и различны способы преобразования энергии солнца в энергию электрическую. Есть солнечные электростанции, которые снабжают электричеством целые города, а есть миниатюрные, способные запитать только несколько электроприборов в доме. Гелиевая электроэнергетика развивается такими бурными темпами, что доля электричества, производимого солнечными электростанциями во всем мире, за десять лет выросла от 2.6 тераватт/часов в 2004 году до 253 тераватт/часов в 2015 году. В процентном отношении это составляет соответственно 0.01% в 2004 году и 1.05% в 2015 году от общего мирового производства электроэнергии.

В зависимости от климатических и геофизических условий того или иного региона устанавливаются солнечные электростанции различных типов. Это могут быть электростанции башенного типа, тарельчатые, параболоцилиндрические, фотоэлектрические и другие.

Электростанции башенного типа используют тепловую энергию солнца для выработки перегретого пара высокого давления, который вращает турбину электрогенератора. Башенной такая электростанция называется потому, что в центре площади, занимаемой этой установкой, размещена башня высотой до 24 метров, в верхней части которой находится резервуар с водой и насосная группа. Резервуар, как правило, окрашен специальной термостойкой краской в черный цвет. Вокруг башни концентрическими кругами на подвижных фермах расположены зеркала, фокусирующие солнечный свет на резервуаре. Подвижные фермы нужны для позиционирования зеркал на солнце.

СЭС башенного типа

Температура в резервуаре может достигать 700°С. Поскольку такие температурные параметры стандартны для обычных тепловых электростанций, то для башенных солнечных энергоустановок не требуется конструировать специальные турбогенераторы. Коэффициент полезного действия таких электростанций может достигать 20%.
Аналогичный принцип действия у тарельчатых СЭС. Разница заключается только в конструкции.

Электростанции этого типа состоят из отдельных электрогенерирующих установок. Каждая такая установка представляет собой параболический отражатель, смонтированный из нескольких десятков зеркал. В фокусе этого параболоида находится приемник. В качестве приемника может быть резервуар, наполненный водой или двигатель Стирлинга. Вся эта конструкция монтируется на ферме, причем специальные следящие устройства обеспечивают позиционирование параболоида на солнце как по вертикали, так и по горизонтали. Вырабатываемый установкой пар вращает турбину электрогенератора.

СЭС тарельчатого типа

Параболоцилиндрические СЭС представляют собой конструкцию, состоящую из большого количества длинных (до 50 метров) параболических зеркал. В фокусе этих зеркал располагается трубка с жидким теплоносителем, например, маслом. Этот теплоноситель, циркулируя в системе, попадает в теплообменник резервуара с водой, нагревает воду, полученный пар вращает турбину электрогенератора.

Параболоцилиндрическая СЭС

Если вышеописанные СЭС преобразовывают солнечную энергию в тепло и только затем в электричество, то фотоэлектрические солнечные электростанции производят электричество напрямую. Эти энергоустановки состоят из огромного количества гелиевых батарей, изготовленных на базе кристаллического кремния. Каждая из таких батарей состоит из небольших кремниевых ячеек, соединенных между собой токопроводящими шинами. Далее все батареи объединяются в единую систему, которая и генерирует электроэнергию. Мощность подобных гелиевых установок впечатляет.

СЭС мощностью 648 мегаватт в Индии

Так, например, в Индии, на юге страны, в штате Тамилнад, за восемь месяцев построили самую крупную в мире СЭС. Ее мощность составляет 648 мегаватт.

От гелиевой электростанции к потребителю

Отличительной чертой всех гелиевых электроустановок является то, что они производят электричество только в светлое время суток. При этом, если башенные, тарельчатые, параболоцилиндрические электростанции могут отдавать энергию в общую электросеть напрямую, то фотоэлектрические энергоустановки нуждаются в дополнительном оборудовании. Ведь солнечные модули вырабатывают только постоянный ток. С помощью специальных инверторов постоянный ток преобразуется в стандартный переменный ток 220 ÷ 230 вольт, который затем подается в общую сеть.

Постоянный ток имеет то преимущество, что его можно накапливать в аккумуляторах, чтобы затем использовать по мере необходимости. Именно этим и пользуются владельцы домашних солнечных электростанций. Различные фирмы специально для индивидуальных пользователей разработали и выпускают аккумуляторы большой емкости, которые, будучи полностью заряженными в ясную, солнечную погоду, обеспечивают электричеством загородный дом в течение нескольких суток.

Аккумулятор TESLA — Powerwall 2

Одним из таких аккумуляторов является аккумулятор концерна TESLA — Powerwall 2. Этот аккумулятор уже снабжен внутренним инвертором, преобразующий постоянный ток в стандартный переменный, для увеличения мощности может быть интегрирован в систему из нескольких таких аккумуляторов, имеет свою систему охлаждения и может быть установлен как в помещении, так и вне его. Эта разработка TESLA – для индивидуальных потребителей. Что же касается мощных солнечных электростанций, то по всему миру сейчас ведутся разработки и изготавливаются аккумуляторные системы огромной мощности.

Так, в Южной Австралии, близ города Джеймстаун концерном TESLA MOTORS сооружена литий-ионная аккумуляторная батарея мощностью 100 мегаватт. Эта аккумуляторная батарея была построена и сдана в эксплуатацию благодаря спору в Twitter Илона Маска — генерального директора концерна TESLA. Он поспорил, что построит такой мощный аккумулятор за 100 дней, а если не уложится в эти сроки, то подарит его Австралии.

Аккумуляторная батарея 100 мегаватт в Австралии

Строители уложились в срок, и первого декабря 2017 года этот гигантский аккумулятор был официально введен в эксплуатацию. Ввод в действие этой аккумуляторной батареи позволил обеспечить бесперебойную подачу электроэнергии в целый регион материка.

В настоящее время повсеместно наблюдается тенденция к снижению цен на литий-ионные аккумуляторы. Это явилось стимулом к разработке новых гигантских накопителей электроэнергии. К концу 2017 года должны быть представлены к рассмотрению проекты циклопических аккумуляторов емкостью в 1650 мегаватт/часов. А в городе Ульсан в Южной Корее компания Hyundai Electric & Energy Systems уже устанавливает гигантский аккумулятор мощностью 150 мегаватт.

По прогнозам экспертов, если развитие солнечной энергетики будет продолжаться нынешними темпами, то к 2050 году можно ожидать увеличение доли солнечного электричества в общемировом производстве до 25%.