Солнце обеспечивает Землю примерно 100 000 тераваттами (ТВт) энергии, что приблизительно в десять тысяч раз больше, чем нынешний уровень мирового потребления энергии (14 ТВт). Фотоэлектрические (ФЭ) элементы, также известные как солнечные батареи и панели, все чаще используются для использования этого огромного ресурса и будут играть ключевую роль в будущих системах устойчивой энергетики.
Действительно, наши нынешние потребности могут быть удовлетворены путем покрытия 0,5% поверхности Земли ФЭ установками, которые достигают эффективности преобразования энергии в 10%. Таким образом, солнечная энергетика обладает огромным потенциалом и мощностью для обеспечения наших энергетических потребностей.
Что такое солнечная энергия
Солнечная энергия создается путем ядерного синтеза, который происходит на Солнце. Она необходима для жизни на Земле и может быть использована в интересах человека, например, для выработки электроэнергии.
В широком смысле солнечная энергия – это свет и тепло, производимые солнцем, которые мы можем использовать для наших целей. Солнечная энергия или солнечное электричество – это возобновляемый источник энергии, который мы преобразуем для выработки электричества.
Использование человеком солнца в качества источника энергии начинается задолго до тренда на возобновляемые источники энергии. О ключевых этапах развития солнечной энергетики от древности до наших дней мы подробно рассказывали в статье об истории солнечной энергии.
Солнечная энергия находит широкое применение в различных сферах жизни. Она эффективно используется для генерации электричества посредством солнечных батарей, обеспечивая питание бытовых приборов и промышленных объектов. Кроме того, солнечные коллекторы позволяют нагревать воду и воздух, что применяется в системах отопления домов и бассейнов.
Интеграция солнечных технологий с традиционными системами кондиционирования открывает новые возможности для экологичного контроля климата в помещениях. Масштабы использования солнечной энергии варьируются от небольших домашних установок до крупных солнечных электростанций, демонстрируя универсальность и перспективность этого возобновляемого источника энергии.
Типы и технологии солнечной энергии
Существует две категории солнечной энергии: пассивная и активная. Оба типа основаны на способе преобразования. Пассивная солнечная энергия предполагает улавливание энергии солнца без использования механических устройств, в то время как активная солнечная энергия использует механические устройства для сбора, распределения и хранения солнечной энергии. Примерами пассивной солнечной энергии являются пассивная солнечная архитектура, такая как солнечные окна или системы тепловой массы, такие как кирпич, бетон, камень и плитка, которые поглощают, хранят и медленно выделяют тепловую энергию. Примеры активной солнечной энергии: фотоэлектрические солнечные панели, системы солнечной тепловой энергии или солнечные насосы.
Технологии солнечной энергии. Три типа технологий солнечной энергии – это солнечное отопление и охлаждение, концентрирующая солнечная энергия и фотоэлектрические элементы. Первые две используют генерируемое солнцем тепло, но для разных целей: системы обеспечивают отопление воды и помещений, в то время как установки используют тепло для работы турбин, производящих электричество. Между тем фотоэлектрические элементы используют электронный процесс для генерации электричества непосредственно от солнца для питания электроники большой и малой мощности.
Помимо чисто солнечных установок, существуют также гибридные системы солнечно-ветровой энергетики, объединяющие преимущества обоих видов возобновляемых источников энергии (ВИЭ).
Солнечные системы по типу подключения. Существуют два основных типа солнечных систем: подключенные к сети (неавтономные) и автономные. Системы, подключенные к сети, соединены с местной электросетью и могут как отдавать избыточную энергию в сеть, так и получать ее при необходимости. Это позволяет владельцам пользоваться преимуществами чистой энергии, при этом имея доступ к стабильному электроснабжению. Такие системы часто проще в установке и обслуживании, а также могут быть финансово выгодными благодаря возможности продажи излишков энергии.
Автономные системы, напротив, полностью независимы от электросети. Они генерируют и хранят всю необходимую энергию на месте, обычно используя комбинацию солнечных панелей и аккумуляторов. Это обеспечивает полную энергетическую независимость и защиту от перебоев в работе сети, но требует более значительных начальных инвестиций и тщательного управления энергопотреблением. Автономные системы идеально подходят для тех, кто стремится к полной самодостаточности, но они также сопряжены с определенными вызовами в плане обеспечения стабильного энергоснабжения.
Фотовольтаические солнечные системы
Наиболее распространенный способ преобразования солнечного света в электричество – с помощью фотоэлектрических элементов. Это технический термин для солнечных панелей, которые становятся все более распространенными во всем мире. Это включает в себя панели на крышах домов и предприятий. На более крупных фотоэлектрических электростанциях солнечные панели расположены почти край к краю для улавливания концентрированного солнечного света на больших полях.
Ячейки, из которых состоит панель, изготавливаются из полупроводниковых материалов, обычно кремния. Когда лучи солнца попадают на солнечные элементы, они высвобождают электроны из их атомов. Это позволяет электронам протекать через солнечный элемент и генерировать электричество.
ФЭ системы преобразуют энергию солнечного света напрямую в электричество. КПД современных солнечных панелей достигает 20-25%. Мощность солнечных батарей измеряется в ваттах (Вт) и зависит от интенсивности солнечного излучения, размера и типа панелей.
Фотовольтаика впервые широко использовалась на космических кораблях. Многие спутники, включая Международную космическую станцию (МКС), имеют широкие, отражающие «крылья» солнечных панелей. МКС имеет два солнечных крыла (SAW), каждое из которых использует около 33 000 солнечных батарей. Эти фотоэлектрические элементы поставляют всю электроэнергию на МКС, позволяя астронавтам управлять станцией, безопасно жить в космосе в течение нескольких месяцев и проводить научные и инженерные эксперименты.
Преимущества и недостатки солнечной энергии
Ниже представлена сравнительная таблица основных преимуществ и недостатков солнечной энергии. Хотя у этой технологии есть определенные ограничения, ее потенциальные выгоды весьма значительны. Далее мы подробно рассмотрим ключевые преимущества солнечной энергии, чтобы лучше понять, почему она играет все более важную роль в нашем энергетическом будущем.
| Преимущества солнечной энергии | Недостатки солнечной энергии |
|---|---|
| Снижает счета за электроэнергию | Дорогостоящие первоначальные вложения |
| Экологически чистая | Не работает ночью |
| Приближает нас к энергетической независимости | Ограниченное хранение энергии |
| Устойчивая | Ограничение по пространству |
| Низкие затраты на обслуживание | Не является полностью безвредной для окружающей среды |
| Полезна для электросети | Зависит от местоположения |
Экологические преимущества
В эпоху, когда городские пейзажи часто затянуты смогом и промышленными выбросами, потребность в более чистых решениях становится первостепенной. Солнечная энергия выступает одним из наиболее эффективных и немедленных ответов на этот запрос. В отличие от традиционного ископаемого топлива, производство солнечной энергии не выбрасывает в атмосферу вредных загрязняющих веществ, таких как углекислый газ, оксиды азота и твердые частицы. Уменьшая нашу зависимость от угля, нефти и природного газа, солнечная энергия играет ключевую роль в снижении загрязнения воздуха, улучшении общественного здоровья и сохранении окружающей среды для будущих поколений.
Замедление изменения климата
Пожалуй, одним из самых острых экологических кризисов нашего времени является изменение климата. По мере того как температура Земли продолжает повышаться из-за парникового эффекта, мы наблюдаем более частые и суровые погодные явления, повышение уровня моря и нарушение природных экосистем. Солнечная энергия по своей природе не выделяет парниковых газов после установки. Каждый киловатт-час, произведенный солнцем вместо ископаемого топлива, предотвращает выброс значительного количества углерода в нашу атмосферу, делая солнечную энергию основным оружием в борьбе с глобальным потеплением.
Сохранение воды
Вода – один из самых ценных ресурсов нашей планеты. Традиционные методы производства энергии, особенно те, которые используют уголь или ядерное топливо, требуют огромного количества воды для охлаждения. Эти методы могут привести к загрязнению воды, повреждению экосистем и усилению конкуренции за водные ресурсы в регионах, уже испытывающих нехватку воды. Солнечные фотоэлектрические элементы, напротив, не требуют воды для производства электричества. Внедряя солнечную энергию, мы не только сохраняем воду, но и снижаем нагрузку на местные водные ресурсы.
Сохранение среды обитания и биоразнообразия
Несмотря на то, что солнечные фермы требуют земельных площадей, их воздействие на окружающую среду значительно менее разрушительно, чем у других форм производства энергии. В отличие от горнодобывающих операций или гидроэлектростанций, которые могут опустошить местные среды обитания, солнечные установки можно спроектировать так, чтобы они гармонично сосуществовали с местной окружающей средой. Существует множество примеров многоцелевых солнечных ферм, где сельскохозяйственная деятельность или охрана дикой природы осуществляются одновременно с производством энергии. Выбирая солнечную энергию, мы берем на себя обязательство сохранить сложное переплетение жизни, которое содержат наши экосистемы.
Снижение шумового загрязнения
Хотя шумовое загрязнение часто игнорируется, оно является ощутимой проблемой, особенно в густонаселенных районах. Традиционные электростанции и генераторы производят значительный шум, который может быть разрушительным как для людей, так и для дикой природы. Солнечные установки, напротив, работают практически бесшумно. Принимая солнечную энергию, мы способствуем созданию более тихих и спокойных городских и сельских ландшафтов.
Экономическая выгода
На заре солнечной революции первоначальные затраты, связанные с солнечными установками, были заметно высокими, что делало их менее привлекательным вариантом для среднего потребителя. Однако по мере развития технологий и созревания солнечной индустрии затраты резко снизились. Сегодня использование энергии солнца – это не только экологически сознательное решение, но и весьма экономически эффективное.
Снижение стоимости установки
Одним из самых значительных изменений в солнечной индустрии стало существенное снижение стоимости солнечных панелей и сопутствующего оборудования. Инновации в производстве, глобальные цепочки поставок и усиление конкуренции привели к снижению цен, сделав солнечные установки более доступными для домовладельцев, предприятий и коммунальных служб. Эта тенденция не показывает признаков замедления, гарантируя, что солнечная энергия останется экономически выгодным выбором на многие годы вперед.
Самодостаточность
Представьте будущее, где ежемесячные счета за коммунальные услуги – вещь прошлого. С солнечной энергией эта мечта ближе к реальности, чем можно подумать. Производя собственное электричество, вы не только становитесь менее зависимым от сети, но и защищаете себя от постоянно растущих цен на энергию. Этот уровень самодостаточности предлагает непревзойденный уровень экономической свободы.
Стимулы, скидки и налоговые льготы
Правительства по всему миру признают важность перехода на возобновляемые источники энергии. В результате многие предлагают привлекательные стимулы, скидки и налоговые льготы тем, кто решил инвестировать в солнечную энергию. Эти финансовые инструменты могут значительно компенсировать затраты на установку и ускорить возврат инвестиций, делая солнечную энергию еще более привлекательным выбором для экономически мыслящих людей.
Снижение затрат
В отличие от многих других форм производства электроэнергии, солнечные энергосистемы требуют минимального обслуживания. После установки солнечные панели могут прослужить 25 лет и более, требуя лишь периодической очистки и проверок. Эта долговечность в сочетании с низкими затратами на обслуживание гарантирует, что экономические преимущества солнечной энергии распространяются далеко за пределы первоначальной экономии на счетах за электричество.
Повышение стоимости недвижимости
По мере роста осведомленности об экологических проблемах, объекты недвижимости, оснащенные солнечными энергосистемами, становятся все более желанными. Многочисленные исследования показали, что дома с солнечными установками продаются быстрее и по более высоким ценам, чем те, у которых их нет. Инвестиции в солнечную энергию – это не только экономия на ежемесячных счетах, но и повышение общей стоимости имущества.
Создание рабочих мест и экономический рост
В более широком масштабе, рост солнечной энергетики привел к значительному созданию рабочих мест в сферах производства, установки, обслуживания и исследований. Это не только предоставляет экономические возможности для бесчисленного количества людей, но и стимулирует местную экономику. Рост солнечной индустрии обещает более яркое экономическое будущее для сообществ по всему миру.
Солнечная энергетика в мире и России
Солнечная энергетика – одно из самых динамично развивающихся направлений возобновляемой энергетики в мире. По данным Международного энергетического агентства (МЭА), установленная мощность солнечных электростанций в мире выросла с 41 ГВт в 2010 году до 708 ГВт в 2020 году.
Этот глобальный переход к солнечной энергии привел к тому, что несколько стран вышли в лидеры, подавая пример во внедрении солнечных технологий, технологических инновациях и формировании политики. Лидерами по развитию солнечной энергетики являются Китай, США, Япония, Германия и Индия. Эти страны не просто выступают за возобновляемую энергию; они воплощают видение устойчивого будущего, демонстрируя преобразующую силу солнечной энергии в национальном масштабе.
Солнечная энергетика в России
Россия пока отстает от мировых лидеров по развитию солнечной энергетики, но имеет значительный потенциал в этой сфере. По оценкам Института энергетики НИУ ВШЭ, технический потенциал солнечной генерации в России составляет 2314 млрд кВт·ч в год. На начало 2021 года суммарная установленная мощность солнечной генерации в России достигла 1,7 ГВт.
Ключевыми игроками российского рынка солнечной энергетики являются компании «Хевел» (совместное предприятие ГК «Ренова» и АО «Роснано»), ГК «Солар Системс», «Вершина Девелопмент». В рамках государственной программы поддержки ВИЭ до 2024 года в России запланировано строительство около 1 ГВт новых солнечных электростанций.
Российская ассоциация солнечной энергетики видит перспективы как в промышленной генерации, так и в частных солнечных установках. По прогнозу ассоциации, к 2030 году мощность промышленной солнечной генерации в РФ может вырасти до 3-5 ГВт, а мощность частных солнечных систем – до 1-2 ГВт. Драйверами роста должны стать удешевление технологий, рост «зелёного» сознания потребителей и необходимость энергоснабжения удалённых территорий.
Солнечная энергетика в Германии
Германия – пионер солнечного движения. Известная своими инженерными чудесами и давней приверженностью устойчивому развитию, Германия постоянно находится на переднем крае солнечной революции. Несмотря на относительно пасмурный климат, солнечные мощности страны впечатляют, что обусловлено мощным сочетанием дальновидной политики, общественного энтузиазма и технологического мастерства.
Политика Германии “Energiewende” или “энергетический переход”, реализованная в начале 2000-х годов, была направлена на резкое увеличение внедрения возобновляемых источников энергии. Этот агрессивный переход к возобновляемым источникам энергии в сочетании с благоприятной системой льготных тарифов побудил как отдельных домовладельцев, так и предприятия инвестировать в солнечные установки.
Но помимо политики и мощностей, роль Германии как лидера во внедрении солнечной энергии закрепляется ее акцентом на исследованиях, инновациях и образовании. Страна проводит многочисленные международные конференции по солнечной энергетике, способствуя глобальному обмену идеями и лучшими практиками, обеспечивая яркое горение солнечного факела для будущих поколений.
Солнечная энергетика в Китае
Если Германия признана пионером солнечного движения, то Китай выделяется масштабами своего внедрения. За последнее десятилетие Китай превратился из страны с минимальной солнечной инфраструктурой в крупнейшего в мире производителя фотоэлектрических панелей и мирового лидера по солнечным мощностям.
Несколько факторов способствовали стремительному росту Китая в солнечной сфере. Во-первых, амбициозные цели правительства в области возобновляемых источников энергии в сочетании со значительными финансовыми стимулами стимулировали как внутренний спрос, так и международный экспорт. Во-вторых, китайские производители добились значительной экономии за счет масштаба, снижая глобальную цену на солнечные панели и делая внедрение солнечной энергии более доступным во всем мире.
Однако солнечный путь Китая – это не только огромные солнечные фермы и массовое производство. Предпринимаются сознательные усилия по беспрепятственной интеграции солнечных установок в городские ландшафты, а такие инновации, как солнечные автострады и плавучие солнечные фермы, становятся символами возобновляемых амбиций страны.
Солнечная энергетика в Индии
Индия, с ее обильным солнечным светом и быстро растущими энергетическими потребностями, представляет собой уникальное полотно для внедрения солнечной энергии. Приверженность страны солнечной энергии – это не просто кивок в сторону устойчивых практик, а жизненно важная стратегия решения проблем энергетической безопасности, сокращения выбросов углерода и обеспечения электричеством отдаленных районов.
Амбициозная цель правительства Индии достичь 100 ГВт солнечных мощностей к 2022 году говорит о многом в отношении ее солнечных устремлений. Создание Международного солнечного альянса (ISA) в партнерстве с Францией еще больше подчеркивает намерение Индии возглавить глобальное сотрудничество в области солнечной энергетики, особенно среди богатых солнцем экваториальных стран.
От огромных солнечных парков в западных пустынях до инновационных солнечных установок на крышах каналов, предотвращающих испарение воды, подход Индии к солнечной энергетике разнообразен, адаптивен и глубоко укоренен в ее социально-экономической структуре.
Солнечная энергетика в США
История солнечной энергетики в Соединенных Штатах многогранна, отражая огромное географическое и культурное разнообразие страны. В то время как федеральные инициативы, такие как Инвестиционный налоговый кредит на солнечную энергию (ITC), обеспечили общенациональный импульс, реальный импульс солнечному движению в США часто исходит от инициатив на уровне штатов и частного предпринимательства.
Такие штаты, как Калифорния, с ее прогрессивными мандатами на возобновляемые источники энергии, и Техас, использующий свои обширные залитые солнцем земли, стали региональными лидерами во внедрении солнечной энергии. Кроме того, американские корпорации, университеты и некоммерческие организации все чаще инвестируют в солнечную энергию как из-за ее экономических выгод, так и в качестве обязательства по обеспечению устойчивого развития.
Заключение
Солнечная энергетика уверенно развивается как в мире, так и в России. Хотя наша страна пока не входит в число глобальных лидеров, у нее есть все шансы нарастить использование энергии солнца и приблизиться к передовым державам в этой перспективной и экологичной отрасли.
Солнце, постоянная и мощная сила природы, признавалось и почиталось многими древними цивилизациями. В современную эпоху его огромная мощь была использована для решения одной из самых насущных проблем нашего времени: устойчивого производства энергии. По мере того как усиливаются опасения по поводу изменения климата, истощения ископаемого топлива и энергетической безопасности, страны по всему миру обратили свой взор к солнцу в поисках решений, которые были бы одновременно экологически и экономически жизнеспособными.
