Îmbrățișând Soarele
Candidatul științelor geografice Mikhail Beryozkin, Facultatea de Geografie, Universitatea de Stat din Moscova. MV Lomonosov Universitatea de Stat din Moscova, Laboratorul de Cercetări pentru Surse de Energie Regenerabilă
Conform estimărilor existente, energia solară care intră pe Pământ în fiecare minut este suficientă pentru a satisface nevoile curente anuale ale omenirii pentru energie.
Conform estimărilor existente, energia solară care intră pe Pământ în fiecare minut este suficientă pentru a satisface nevoile curente anuale ale omenirii pentru energie. Fără panouri solare, nici o navă spațială nu o poate face, dar nu numai pentru spațiu. În anii 1970, acest tip de centrală electrică a fost utilizat (deși nu prea larg) în regiunile deșertice ale URSS. Cu toate acestea, până de curând, energia solară a fost percepută, mai degrabă, ca o curție față de ecologiști, decât ca o etapă justificată din punct de vedere economic. Ce a constrâns dezvoltarea energiei solare și de ce se dezvoltă atât de dinamic?
Colectorul solar din Karakum, anii 1970. Fotografie de Igor Konstantinov.
Photocell din siliciu policristalin.
Fotocuntele cu film subțire sunt utilizate pe scară largă datorită costului lor relativ scăzut. În imagine: instalarea panourilor solare flexibile din panouri subțiri pe acoperișul casei (California, SUA). Foto: Ken Fields (SUA).
Planta solară "Planta Solar 10" lângă Sevilia din Spania este prima stație termodinamică comercială a tipului de turn din lume. 624 de oglinzi rotative mari - heliostați produc electricitate cu o capacitate totală de 11 MW.
Astăzi, în mixul energetic la nivel mondial nu mai este posibil să se aloce sursa de bază de energie: ponderea gazelor și a surselor regenerabile de energie, a redus cota de cărbune și petrol, nu există nici o creștere a energiei nucleare. Energia mondială este din ce în ce mai diversificată, ceea ce contribuie la dezvoltarea concurenței între diferitele tipuri de energie.
Pe fondul amenințării iminente de epuizare a rezervelor de hidrocarburi, creșterea valorii producției și transportului acestora, lipsa de noi descoperiri tehnologice în competitivitatea sectorului energetic tradițional al surselor regenerabile de energie a fost în creștere.
Evoluția materialelor "solare" Și prețul energiei
Creșterea accelerată a energiei solare ar fi imposibilă fără dezvoltarea electronicii, a științei materialelor, a tehnologiei. Întrucât singurul material pentru producerea celulelor solare a fost în prealabil siliciul policristalin, acum se utilizează și un singur cristal, siliciul amorf și alte semiconductori. Pentru o lungă perioadă de timp, costul siliciului ultrapure a fost prohibitiv ridicat și doar puțin inferior costului uraniului, datorat utilizării tehnologiei clorosilanului învechit pentru producerea de siliciu. Dezvoltat cu aproximativ patruzeci de ani în urmă, nu sa schimbat în prezent, păstrând caracteristicile negative ale tehnologiilor chimice din anii 1960 - intensitate energetică ridicată, randament scăzut al produsului, în acest caz siliciu, producție care poluează mediul.
Prima celulă solară cu film subțire bazată pe siliciu amorf (o alternativă la celule de siliciu cristalin costisitoare) a fost dezvoltat în anii 1980. Din cauza costurilor mai mici de celule solare de tip film subțire producția lor a început să crească rapid. În plus față de utilizarea lor în siliciu arseniură de galiu, cadmiu-telur, cupru diselenide indiu. In acest moment, pentru siliciu elementele de tip film subțire ocupă aproximativ 80% din volumul pieței mondiale de celule solare de tip film subțire, aproximativ 18% provine dintr-un film bazat pe telurură de cadmiu și 2% - în elementele de tip film subțire de indiu cupru galiu selenide.
Cea mai importantă sarcină a energiei solare este creșterea eficienței fototransformării. În prezent, valoarea sa medie este de aproximativ 16%. În același timp, multe laboratoare din lume au raportat deja despre realizarea eficienței conversiei directe a energiei solare în energie electrică de la 34 la 45%. (Eficiența teoretică a conversiei fotoelectrice a energiei solare, conform Academicianului Zh. I. Alferov, 87%).
Transformări ale razelor soarelui
Energia solară are trei direcții principale de dezvoltare: energia fotoelectrică, energia solară termică și colectoarele solare pentru furnizarea de energie termică.
Energia fotoelectrică implementează o metodă de transformare directă a energiei solare în energie electrică utilizând convertoare fotoelectrice (FEP). Astfel de fotoconvertoare au primit cea mai largă distribuție în lume. Ele sunt numite și module fotoelectrice, baterii solare, module solare.
Convertoarele fotoelectrice sunt de obicei echipate cu module de până la câteva sute de wați, care pot fi combinate în baterii mai mari. Acestea sunt utilizate atât pentru alimentarea energiei consumatorilor individuali (sisteme autonome), cât și pentru rețelele electrice. În sistemele autonome, de exemplu în stațiile meteorologice, în clădirile independente sau neavizate cu zone de alimentare cu energie, acestea sunt destul de competitive și rentabile.
Capacitatea instalată a modulelor solare conectate la sistemele de alimentare este concentrată în special în Japonia, Germania și SUA.
Așa-numitele convertoare termodinamice sunt utilizate în ingineria energetică termică solare. În ele, energia solară este transformată mai întâi în căldură, care apoi este transformată în energie mecanică și apoi în energie electrică.
Transformarea energiei solare în SES termodinamic include patru etape principale. Concentratorul percepe radiația solară și îl concentrează asupra receptorului, care absoarbe lumina soarelui concentrată, îl transformă în căldură și transferă căldura fluidului de lucru. Lichidul încălzit intră în sistemul de conversie a energiei. Aceste stații pot fi utilizate atât pentru producerea de energie electrică, cât și pentru furnizarea de energie termică.
Stațiile termodinamice solare sunt de mai multe tipuri. În instalațiile tipului de turn, lumina soarelui reflectată de oglinzile plane se concentrează pe receptorul central. Centralele solare de tip disc (parabolic) constau din module separate, numărul cărora poate atinge câteva zeci. Modulul include un suport pe care se montează receptorul și structura reflectorizantă. Receptorul se află la o anumită distanță de reflector și în acesta se concentrează razele reflectate ale soarelui. Reflectorul este un sistem de oglinzi cu un diametru de 1-2 m sub formă de plăci (de aici numele), amplasate radial în fermă.
Un alt tip de stații termodinamice sunt sistemele care utilizează concentratoare cilindrice parabolice. În centrul parabolei este plasat un tub cu agent de răcire. Răcirea încălzită transferă căldură în apă din schimbătorul de căldură, unde apa este transformată în abur și alimentată într-un turbogenerator.
Unul dintre tipurile de centrale termoelectrice termoelectrice de tip turn este centralele electrice cu vid solar. Ei folosesc diferența de temperatură a aerului în apropierea suprafeței pământului și la o anumită înălțime. Terenul este acoperit cu sticlă, iar din mijlocul acestei "serii" se află un turn înalt. Soarele, încălzind "sera", creează o pantă constantă, iar fluxul de aer prin turn rotește turbina construită la bază cu un generator. Cu cât este mai mare turnul, cu atât este generată mai multă energie. Avantajul acestui sistem este că acesta funcționează aproape în sensul acelor de ceasornic, deoarece pământul de sub turn păstrează căldura absorbită în timpul zilei și o dă treptat pentru a lucra în staționare pe timp de noapte.
Condiții optime pentru centralele electrice solare termodinamice au regiuni cu regiuni aride sau semi-aride: Europa de Sud, Africa de Nord și de Sud, Orientul Mijlociu, vestul Indiei, Australia de Vest, la nord-estul Braziliei, nordul Mexicului și sud-vestul Statelor Unite.
Cea mai mare centrală termoenergetică cu capacitate de 300 MW este în prezent construită în Spania (provincia Andaluzia). În SUA, cele mai mari centrale solare sunt în statele Nevada (60 MW), California (250 MW) și Arizona (280 MW).
Pentru a compensa variabilitatea radiației solare, se folosesc acumulatori de căldură sau combustibil de rezervă. Centralele solare pot fi, de asemenea, utilizate ca parte a unui sistem diversificat de aprovizionare cu energie. Compatibilitatea sistemelor depinde de caracteristicile curbei de sarcină. În regiunile solare, unde sarcina de vârf scade în zilele de vară (adesea cauzată de aer condiționat), contribuția energiei solare la acoperirea încărcărilor de vârf poate fi semnificativă. Condiții similare sunt tipice pentru latitudinile tropicale. La latitudini mai mari, unde încărcătura de vârf se încadrează într-o dimineață de iarnă, contribuția energiei solare este nesemnificativă, ceea ce necesită o creștere a capacității de rezervă.
Avantajul tehnologiilor solare termodinamice este posibilitatea integrării în centrale termice tradiționale. De exemplu, o centrală termoelectrică din Nevada este suplimentată de un generator de turbine cu gaz. Acest lucru permite acumularea de căldură sau o capacitate de rezervă fiabilă fără construirea unor stații de așteptare separate și modificări ale sistemului de alimentare. În acest fel, este posibil să se completeze puterea de ieșire în schimbare a "cuptorului solar" și să se aprovizioneze consumatorii cu energie electrică în mod durabil.
Dezavantajul acestor sisteme combinate este costul ridicat.
Costurile de capital pentru construirea și funcționarea centralelor termice solare sunt foarte mari, iar ritmul îmbunătățirii tehnologiei este mai mic decât în cazul energiei fotoelectrice.
Colectoarele solare pentru alimentarea cu energie termică (energia termică helio) au primit o distribuție foarte largă. În prezent, liderul mondial în capacitatea instalată a colectorilor solare este China. În Europa, Germania, Grecia și Austria conduc. Cea mai mare suprafață specifică a colectorilor pe cap de locuitor este înregistrată în Cipru - 582 m 2. în spatele acestuia, cu o marjă mare este Austria - 297 m 2.
Colectoarele solare pentru alimentarea cu căldură sunt cele mai potrivite pentru sistemele locale de încălzire. Utilizarea lor permite consumatorului să nu depindă de alimentarea centralizată a căldurii. Principala problemă a energiei helio-termice (precum și a întregii energii solare) - conservarea energiei termice (sau electrice) - este asociată cu inconsecvența fluctuațiilor diurne și sezoniere ale radiațiilor solare care intră.
Sistemele moderne de stocare a energiei în absența soarelui vă permit să dați încărcătura numai câteva ore. Prin urmare, inginerii se confruntă cu sarcina de a crea un nou tip de baterie cu o capacitate semnificativ mai mare. În plus, este necesară rezolvarea problemei murdăririi din punct de vedere ecologic a producției și eliminării bateriilor.
Aici este de remarcat o mai frecvent menționată "ecologică" lipsă de energie solară prezentată de oponenții săi, o respingere semnificativă a resurselor funciare pentru panourile solare. Dar este ușor de calculat că, chiar dacă întreaga transferul de energie la nivel mondial pentru energia solară, proporția terenurilor agricole ocupate de către centrala electrică să fie mai mică de 2% din total (51 milioane km 2) de teren agricol. Într-adevăr, astăzi lumea consumă aproximativ 18 miliarde de tone de combustibil. tone de combustibil convențional. Pe suprafața pământului, în funcție de latitudinea locului, vine de la 0,1 până la 0,3 kW / m 2 de energie solară. Aceasta este echivalentă cu 0,1-0,3 tone echivalent de combustibil. adică o medie de 0,2 tone de echivalent de combustibil. Luând eficiența stațiilor solare de numai 10%, obținem acest lucru pentru producția de 18 miliarde de tone de combustibil echivalent. acesta va necesita 0,9 milioane km 2 de teren.
Se adaugă că energia solară este avantajoasă pentru a se dezvolta în zonele cu cea mai mare insolare, iar acest lucru este în mare parte nepotrivit pentru utilizarea agricolă a teritoriului.
De la pionieri la cei din afară
Primele celule solare din țara noastră au fost dezvoltate acum o jumătate de secol - în special pentru vehiculele spațiale. Pe lângă baza științifică și tehnică, țara noastră are un potențial natural semnificativ pentru dezvoltarea energiei solare. Cele mai promițătoare domenii în acest sens sunt în Rusia - Primorye, sudul Siberiei și Transbaikalia, Caucazul de Nord. De exemplu, media anuală a consumului de energie al Soarelui în Transbaikalia este mai mare decât în Spania.
Cu toate acestea, potențialul tehnic și natural disponibil al energiei solare în Rusia este utilizat foarte slab. În prezent, volumul total al capacității de producere a energiei solare introdus în Rusia, conform diferitelor estimări, nu depășește 5 MW. Puterea celei mai mari centrale fotovoltaice a țării, situată în regiunea Belgorod, este de numai 0,15 MW. Pentru comparație: fiecare dintre cele trei mari fabrici fotovoltaice din lume, din SUA, China și India, are o capacitate de peste 200 MW. În Ucraina, în vecinătate, în Crimeea, fabricate fotovoltaice cu o capacitate de 80 și 100 MW. În Rusia, există proiecte pe mai multe zeci de capacitate de megawați instalat „solare“ (teritoriile Krasnodar și Stavropol, Daghestan, Khakassia, Buriația), dar ele sunt încă într-un stadiu preliminar de dezvoltare.
Pentru dezvoltarea completă a energiei solare, este nevoie de sprijin de stat. Există o gamă largă de mecanisme pentru stimularea industriei prin tarife speciale, impozite preferențiale etc. introducerea cărora a dus la o creștere semnificativă a industriei în țările străine. La noi în țara programului exact de stat de dezvoltare a puterii reînnoite, inclusiv a energiei solare, în timp ce nu este prezent.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: