Термин возобновляемые источники энергии (ВИЭ) применяется по отношению к тем источникам энергии, запасы которых восполняются естественным образом. По-другому ее называют «зеленой» энергетикой. Прежде всего, это солнечная энергия и производные от нее: энергия ветра, энергия водных потоков, растительной биомассы.
Если энергию, поставляемую на нашу планету Солнцем за год, перевести в условное топливо, то эта цифра составит около 100 триллионов тонн. Это в десять тысяч раз превышает современный уровень энергопотребления в масштабах планеты.
Кто сейчас в лидерах
Солнечная энергия занимает лидирующее положение среди ВИЭ и в 2021 году она побила очередной рекорд: мощность всех новых установок достигла 139 ГВт. Таким образом, суммарная установленная мощность солнечных установок во всем мире достигла 760 ГВт. Для сравнения, установленные мощности мировой атомной энергетики составляют 397 ГВт.
Как распределена солнечная энергетика в мире
Все больше и больше стран в мире переходят с традиционной энергетики на солнечную. Так около 17% годовой выработки электроэнергии в Нидерландах и Германии обеспечивает солнце, в Испании ее доля составляет 16%, в Греции и Италии – 13%. На пять ведущих национальных рынков – Китай, США, Вьетнам, Япония и Германия – в 2020 году приходилось 66% новых вводимых мощносте
Бесспорным лидером по вводу новых солнечных мощностей в Азии является Китай, на долю которого приходится более 35% мировой мощности. Благодаря энергии солнца и ветра КНР рассчитывает достичь углеродной нейтральности к 2060 году.
На долю Северной и Южной Америки приходится около 20% мирового рынка солнечной энергии, в основном благодаря США. Ежегодный рост солнечной энергии в США в среднем за последнее десятилетие составил 45%. И уже через 4 года США планируют довести установленную мощность до впечатляющих 250 ГВт.
По приросту мощностей Европа не уступает Америке. Общая установленная мощность солнечных электростанций Европы к 2025 году должна составить 252 ГВт.
Установленная мощность солнечных электростанций в России достигает порядка 1.8 ГВт. Самая крупная солнечная электростанция в России мощностью 105 МВт располагается на территории Республики Крым.
ТОП-5 самых больших солнечных ферм в мире
Где находятся самые большие солнечные фермы в мире? Солнечная ферма в деревне Бхадла в районе Джодхпур индийского штата Раджастхан является солнечной фермой номер один в мире. Она занимает площадь 5700 гектаров и выдает в сеть 2.25 ГВт электроэнергии. Второе место занимает солнечная станция мощностью 2.2 ГВт в провинции Цинхай в Китае, введенная в строй в сентябре 2020 года. В долгосрочной перспективе мощность этого проекта достигнет ошеломляющих 16 ГВт. Индия является родиной и третьей по мощности солнечной электростанции в мире. Солнечная станция Павагада мощность 2.05 ГВт способна обеспечивать электричеством около 700 000 домов. Солнечный парк Бенбан является крупнейшей солнечной фермой в Африке и четвертой по величине в мире в целом. Мощность станции составляет 1.65 ГВт. Пятую позицию в рейтинге занимает солнечная электростанция в пустыне Тенгер (Китай). Она имеет мощность 1.55 ГВт.
Как это работает?
Солнечные энергетические технологии превращают электромагнитное излучение Солнца в формы тепла и электроэнергии. Существуют три основных технологии использования солнечной энергии: солнечные коллекторы для нагрева жидкого или газообразного теплоносителя; технология концентрированной солнечной энергии, преобразующая солнечное тепло в пар – рабочее тело турбин; фотоэлектрические технологии, напрямую преобразующие солнечное излучение в электричество.
Общее количество солнечной энергии, подсчитанное за день или за год, называется иррадиацией. Иррадиация показывает, насколько мощным было солнечное излучение и измеряется в [Вт∙ч/м2] в день или за другой период. Около поверхности Земли среднее значение интенсивности солнечной радиации в умеренных широтах составляет примерно 700-1200 кВт/м2 в год, в тропических и экваториальных широтах – 900-2500 кВт∙ч/м2.
В России, вопреки распространенному мнению, очень много мест, где выгодно использовать солнечную энергию вместо традиционной. Потенциал солнечной энергии наиболее велик на Северном Кавказе и в Крыму.
Солнечная батарея и фотоэффект
Для получения электроэнергии от солнечной батареи необходимо осуществить фотоэффект. Когда солнечные лучи попадают на кремниевые пластины, покрытые фосфором и бором, то на пластине с фосфором образуются свободные электроны и «дырки». Освободившиеся электроны свободно блуждают по кристаллической решетке как носители постоянного электрического тока. Встретив очередную «дырку», они заполняют ее. Кремний, дополненный атомами фосфора, является электронным полупроводником n-типа (от слова «negative», из-за отрицательного заряда электронов). В кремний также добавляют бор, в результате получается полупроводник p-типа (от слова «positive»), в котором возникают свободные положительно заряженные «дырки». Если приложить металлические контакты к верху и к низу фотоэлемента, можно направить полученный ток по проводам и использовать его для работы различных устройств.
Из чего это сделано
Наибольшее распространение в фотоэлектрических установках получили кремниевые элементы трех видов на основе монокристаллического (КПД до 22.8%), поликристаллического (КПД 14-17%) и аморфного кремния (КПД 5-8%). Различие между этими видами в том, как организованы атомы кремния в кристалле. Основное сырье для производства батарей – кварцевый песок, в котором содержится двуокись кремния. Песок подвергается высокотемпературной плавке, синтезу и добавлению химических веществ. Кремний очищается до 99.9% – именно такая чистота требуется солнечным панелям.
Когда размер имеет значение
Один солнечный элемент не производит достаточного количества электроэнергии, поэтому несколько таких элементов собирают в солнечные панели, чтобы производить больше электричества. Эффективность панели рассчитывается путем деления номинальной мощности на общую площадь панели, поэтому больший размер панели не всегда означает более высокую эффективность. Однако большая панель с элементами большего размера = увеличение площади поверхности элементов = повышение общей эффективности.
В большинстве самых распространенных панелей для частных домов используются стандартные 6-дюймовые (156 мм) квадратные 60-ячеечные панели, а в коммерческих системах – более крупные 72-ячеечные панели. Стандартная 60-ячеечная панель стандартного размера (1 м x 1.65 м) с КПД 18-20% обычно имеет мощность 300-330 Вт.
Гонка за КПД
Коэффициент полезного действия (КПД) является самым распространенным параметром, по которому можно сравнить производительность двух солнечных элементов. Он определяется как отношение мощности, вырабатываемой солнечным элементом, к мощности падающего солнечного излучения. С точки зрения экологии, высокий КПД означает, что солнечная панель окупает затраченную энергию (на добычу сырья и производство панели) за меньшее время. Большинство панелей на основе кремния окупают затраченную энергию уже через 2 года. Увеличение эффективности панелей на 20% сокращает время окупаемости до 1.5 лет.
На рынке лидируют панели SunPower с КПД 22.8% и LG (КПД 22.0%), использующие элементы IBC(англ. Interdigitated Back Contact cells – ячейки с обратным контактом). Гетероструктурные панели (англ. Heterojunction with intrinsic thin-layer technology, HJT) REC Alpha Pure с КПД 21.9 очень близки к уровню ведущих элементов IBC.
Одним из путей повышения КПД солнечных панелей является использование перовскита. Компания Oxford PV (Великобритания) недавно разработала первоскитовую ячейку с рекордным КПД 29.5%, а польская компания Saule Technologies научилась печатать перовскитовые ячейки с помощью струйных принтеров.
