Электроэнергия от солнечных батарей атмосфера

Вредны ли солнечные батареи?

В мире сокращается запас природных ископаемых для производства электричества. В поисках

альтернативных источников энергии человечество давно обратило свой интерес к Солнцу. Ежедневно Земля получает огромное количество солнечной энергии — 173000 Тераватта. Это в 10000 раз больше всей электроэнергии, потребляемой населением планеты. Но для ее преобразования нужно специальное оборудование.

Существующие способы использования солнечной энергии для получения электричества и тепла.

1. Применение систем солнечных батарей и электростанций;
2. Использование коллекторов, нагреваемых солнечными лучами, для использования разогретой воды в отоплении и электрогенераторах;
3. Термовоздушные электростанции, преобразующие солнечную энергию для раскручивания турбогенераторов;
4. Аэростатные солнечные электростанции.

Солнечная энергия доступна и бесплатна, ее не нужно добывать, она неисчерпаема. Но есть у гелиоэнергетики и недостатки.

Недостатки использования солнечной энергии

• Неравномерное распределение энергии Солнца по поверхности планеты. Одни области более солнечные, чем другие;
• В пасмурные дни и ночью солнечная энергия недоступна;
• Необходимость использования больших площадей под солнечные источники энергии;
• Содержание токсичных веществ в фотоэлементах;
• Низкий КПД солнечных батарей, среднее значение эффективности не превышает 20%;
• Высокая стоимость солнечных фотоэлементов;
• Поверхность солнечных панелей и зеркал (для термовоздушных ЭС) нужно очищать от попадающих загрязнений;
• При нагреве солнечных элементов, значительно падает эффективность их работы;
• Сложная утилизация солнечных панелей.

Несмотря на имеющиеся недостатки, солнечная энергетика является самой быстрорастущей альтернативной энергетической отраслью, она составляет лишь 1% энергии, используемой сегодня. Но, по оценкам Международного энергетического агентства, солнечная энергия может обеспечить 20-25% глобальной энергии к 2050 году.

Создание солнечных батарей

Солнечные батареи – относительно новая технология получения электрической и тепловой энергии, берущая свое начало с 70-х годов прошлого столетия. Но человечество научилось пользоваться силой Солнца уже очень давно. Еще древние греки и римляне использовали энергию Солнца для получения огня с помощью увеличительного стекла и специально изогнутых зеркал. Так они могли зажигать факелы для религиозных ритуалов, и даже топить корабли врагов. Направляя зеркала под определенным углом, подогревали воду в термах и освещали темные помещения.

Создатель солнечных панелей Беккерель

В 1839 году французский ученый Беккерель обнаружил фотогальванический эффект. Экспериментируя с электролитами он заметил, что больше электричества было произведено, если гальванические элементы были подвержены солнечному свету.

Процесс создания и первые прототипы солнечных панелей

Первая солнечная батарея, похожая на современную, была выпущена в 1908 году, через 3 года после публикации статьи о фотоэлектрическом эффекте, за которую Эйнштейн получил Нобелевскую премию. В 1954 году был создан первый кремниевый фотогальванический элемент. В 1970 году была введена менее дорогая версия кремниевого солнечного элемента, что ознаменовало начало коммерциализации солнечных батарей. С начала 2000 годов, ученые сосредоточили внимание на способах сделать солнечные панели более эффективными и удобными. В результате технология стала более доступной для всех. Конечная цель — сделать солнечную энергию столь недоргой, как традиционные источники энергии, поскольку она по-прежнему недостаточно конкурентоспособна.

Производство и утилизация солнечных панелей

Производство солнечных панелей является энергоемким процессом. В настоящее время большая часть энергии, используемой для создания солнечных панелей, связана с переработкой ископаемого сырья, поэтому даже производство этих экологически полезных продуктов может способствовать загрязнению и глобальному потеплению.

Приблизительно 600 кВтч энергии используется для производства каждого квадратного метра солнечных батарей, чего достаточно для освещения 1000 лампочек мощностью 60 Вт в течение десяти часов. Средняя энергосистема использует около двух или трех панелей, каждая из которых имеет площадь около 2 м2. При установке в выгодном месте солнечная панель может производить до 200 кВтч на квадратный метр электроэнергии в год. Поэтому энергия, используемая в процессе производства панели, компенсируется только через несколько лет эксплуатации.

Исходным материалом для изготовления солнечных батарей служит трихлорсилан, ядовитый и взрывоопасный продукт. При его перегонке и восстановлении при помощи водорода, получают чистый кремний. Побочным продуктом, на этом этапе производства, является соляная кислота. Далее, кремний плавят и получают слитки, из которых делают элементы солнечных батарей.

Для производства солнечных панелей требуется использование многих опасных химических веществ. Яды, такие как мышьяк, хром и ртуть, также являются побочными продуктами производственного процесса. Эти химические вещества могут нанести серьезный ущерб окружающей среде, если их правильно не утилизировать.

Утилизация вредных элементов солнечных панелей должна сопровождаться специалистами по переработке

При соблюдении технологий улавливания и очистки токсичных газов и жидкостей, производство не будет вредным, но часто, особенно в развивающихся странах, такое оборудование не устанавливается на предприятиях, что приводит к загрязнению окружающей среды.

Энергия, используемая в производстве солнечных панелей, не является единственной энергетической затратой. Необходимо также учитывать энергию, используемую для их транспортировки, особенно если панели импортируются из другой части мира. Утилизация солнечных батарей — большая проблема. Многие из материалов, используемых для их изготовления, трудно перерабатывать, а сам процесс рециркуляции требует большого количества энергии.

Вред экологии

Несмотря на экологическую безвредность применения солнечных батарей, их производство и утилизация может навредить окружающей среде и здоровью людей. Солнечные панели содержат металлы, такие как свинец, медь, галлий и кадмий, синтетические материалы. Их основа изготавливается из алюминия. Все это требует грамотной утилизации. Также, размещенные на больших площадях, они могут влиять на климат, нарушая естественный температурный режим.

Само производство фотоэлементов и панелей является химически грязным. Стоки и отработанные газы пагубно влияют на экологию. Земля, вода и воздух могут содержать вредные вещества, что является угрозой для всего живого вокруг этих предприятий.

Так стоит ли причислять солнечные панели к предметам причиняющим вред экологии?

Количество солнечных электростанций растет. Если технологии не будут развиваться в сторону наименьшего причинения вреда планете и людям, человечество ждет еще одна рукотворная экологическая проблема.

Источник

Светить всегда, светить везде (солнечная энергетика: окупаемость, налоги, целесообразность)

Проблема выбора самых эффективных энергоресурсов заботит человечество уже не одну сотню лет. Многие сегодня пророчат близкий конец углеводородной эры и параллельной ей эпохе ядерной энергетики, утверждая, что уже в ближайшие десятилетия им на смену придет повальное доминирование альтернативной энергетики. Вопрос, дескать, состоит лишь в том, какая разновидность и в какие сроки завоюет мировой энергетический ландшафт быстрее: ветровая или солнечная. Попробуем присмотреться к перспективам гелиоэнергетики.

Безусловные достоинства

Звезда по имени Солнце – великолепный источник энергии, запасы которой просто трудно себе вообразить. С точки зрения человеческой цивилизации излучаемая в космос энергия этой скромной по вселенским масштабам звезды поистине неисчерпаемы. Испускаемые Солнцем фотоны позволяют произрастать квадриллиону тонн растительной биомассы и 10 триллионам тон массы животной (правда, большая часть этих животных, разумеется, одноклеточные организмы).

За несколько геологических эпох солнечная энергия трансформировалась на Земле в могучие запасы углеводородов (нефть, природный газ и торф). Для удовлетворения насущных потребностей необходимо порядка 10 миллиардов тонн условного топлива (я имею в виду докризисные показатели, ковид внес свои коррективы).

Насколько хватит человечеству этих запасов? При нынешних темпах (будем надеяться, что через пару лет мировая экономика начнет восстанавливаться) угля людям хватит на 200 лет; нефти и природного газа – на 36 лет; ядерного топлива на 36 лет. Вроде бы в среднесрочной перспективе волноваться не о чем, но ведь стоит подумать и о следующих поколениях. Кроме того, тот же уголь – жутко не экологичное топливо. Так что пора посмотреть на Солнце.

Для сравнения: наша звезда обрушивает на поверхность Земли ежегодно столько энергии, что в переводе на условное топливо этот показатель будет равняться 100 триллионам тонн. И по прогнозам астрофизиков этот чудодейственный термоядерный реактор будет бесперебойно работать еще примерно шесть миллиардов лет. Весь вопрос: как эту энергию можно использовать?

Теория и практика

Явление фотоэффекта было открыто еще в позапрошлом веке, а теоретическое объяснение ему дал более 100 лет тому назад Эйнштейн. Во второй половине прошлого века от теории смогли перейти к практике: физики научились получать электрический ток при помощи этого эффекта. Свою лепту в это внесли советские и американские ученые. Изначально КПД таких установок был очень низок, порядка 1 процента. Но прогресс не стоит на месте. КПД современных гелиопанелей составляет уже свыше 15 процентов. Вполне приличный показатель. А сколько это удовольствие стоит?

Экономический фактор

Современные технологии позволяют изготавливать солнечные батареи на основе кремния. С одной стороны, это здорово: кремний второй после кислорода химический элемент, содержащийся в земной коре. Но с ним проблема примерно такая же, как когда-то с алюминием: в чистом виде кремний не встречается, а извлечение этого элемента из его двуокиси (того самого песка, которого на Земле многие Кара-Кумы/Сахары навалено) стоит немалых денег. Конечно, история с алюминием настраивает на оптимистичный лад. Когда-то ложечки из этого вещества были дороже золотых, но после изобретения соответствующих технологий все стало на свои места. Будем надеяться, что с кремнием случится примерно то же самое, но пока стоимость добычи этого элемента делает солнечную энергетику развлечением не из дешевых.

Просто пример. В США солнечная установка мощностью 1 кВт обойдется вам примерно в три тысячи долларов, а окупится она только лет через 15. Что делать потребителю, пока дожидаются нового технологического прорыва? В Москве 1 кВт обойдется в среднем от 80-150 рублей, срок окупаемости (опять же в среднем) 8-15 лет.

Не только фотоэффект

Любой двоечник советских времен изучал древнюю историю по мультикам. Помню, в одном из них рассказывалась история про Архимеда. Когда его родные Сиракузы осадили римляне во главе со злобным Марцеллом, великий инженер придумал множество остроумных оборонительных изобретений. В том числе – хитрые зеркала, которые поджигали деревянные галеры на большом расстоянии.

Сегодня изобретение Архимеда используют и в мирных целях. Например, так работают гелиоэлектростанции. Специальные зеркала, которые разворачиваются в соответствии с местонахождением светила на небосклоне, концентрируют солнечные лучи и направляют тепловую энергию на емкость с водой. Потом – как в самой типичной ТЭС: вода превращается в пар и крутит турбину. Температура пара в подобных установках может достигать 370 градусов, а его давление – порядка 100 атмосфер.

Подобная станция работала в Крыму в советские времена, потом была закрыта ввиду нерентабельности. А вот в тех же США такие гибридные станции (ночью они переходят на газ) в той же Калифорнии применяются достаточно широко. И себестоимость выдаваемой ими электроэнергии примерно в два раза ниже, чем у АЭС.

Подобные автономные источники энергии применяются на Западе для обслуживания энергоэффективных домов. Это становится там правилом хорошего тона, но цена подобного жилища в США примерно на 10 тысяч дороже, чем у менее продвинутых аналогов (стоимость солнечных элементов составит примерно 7 тысяч зеленых).

Лидерами по внедрению солнечной энергетики являются сегодня Германия, США и Япония. Страны, мягко говоря, не самые бедные. Американцы, например, собираются инвестировать на подобные цели порядка 6 миллиардов за десять лет. И результатами в целом довольны. Сегодня в США уже функционирует порядка полутора миллионов «солнечных» домов, что позволяет сэкономить 1,4 МВт электроэнергии, это эквивалентно сжиганию пяти миллионов тонн нефти.

Но впереди планеты всей, как и полагается, обитатели Страны восходящего солнца. Именно здесь пользователи получают более половины мирового объема энергии солнечных станций.

Опыт возведения прогрессивных домов имеется и в России (Краснодарский край, Свердловская область, Приморский край, Москва). Но наши результаты пока гораздо скромнее. В чем дел? Снова отстаем от Запада?

Не все так просто. Во-первых, у солнечной энергетики имеются не только достоинства, но и недостатки. И, кроме того, энергетический ландшафт России отличается уникальными особенностями.

Пятна на Солнце

Достоинства солнечных электростанций, наверное, достаточно очевидны: солнечная энергия относится к числу возобновляемых (практически неисчерпаемых) энергоресурсов. И она считается экологически чистой. Еще один плюс (не такой очевидный) – позитивное влияние на развитие солнечной отрасли научно-технического прогресса. В конце концов, СЭС активно развивают каких-то 30 – 40 лет, на исследования направлены относительно небольшие деньги. Вот японские инженеры разработали солнечные панели, которые можно использовать при остеклении.

Тот же Жорес Алферов как-то сказал, что, если бы на солнечную энергетику направили хотя бы процентов 10 от того, что имеет энергетика атомная, сегодня мы бы имели совсем другие результаты. А пока КПД солнечных установок существенно отстает от традиционных энергетических установок (зато превосходит своих конкурентов в сфере альтернативной энергетики).

Еще одно важное достоинство – автономность. Вы строите дом на краю света, но у вас имеется собственная СЭС. Вам больше ничего (кроме яркого солнышка) не потребуется.

А теперь о недостатках. Об одном я уже упоминал – высокая стоимость . Она объясняется не в последнюю очередь тем, что для изготовления гелиопанелей применяется не только кремний, но и ряд других, достаточно дорогих металлов (тот же индий).

Кстати, когда говорят об экологичности солнечной энергетики, почему-то забывают упомянуть о том, что при изготовлении самих гелиопанелей используются не самые «чистые» технологии и источники энергии. Кроме того, для сбора солнечных лучей с последующим производством электроэнергии в масштабах, близких к промышленным, потребуются большие площади .

Вроде бы сегодня на нашей планете неиспользуемых территорий хватает (те же гигантские пустыни наподобие Сахары). Но дело в том, что слишком большие площади, занятые под солнечные панели, способны изменить альбедо (отражающая способность) планеты, что может вызвать не совсем пока понятные климатические последствия.

Но это так, мелочи. Теперь о серьезных недостатках. Зависимость от состояния земной атмосферы. В пасмурную погоду получить энергию солнца очень непросто . Одно дело – солнечная Калифорния, и совсем другое – Санкт-Петербург.

Нерегулярность . Солнце, как известно, ночью не светит. И если житель дома с автономной СЭС просто может лечь поспать и резко сократить потребление энергии, то для промышленного применения такой подход не годится. Проблема выравнивания уровня выдаваемой установкой энергии в разные периоды, от пиковых до минимальных, в классической энергетике решается довольно просто: сжигаем топлива меньше или больше, по потребностям. Для альтернативной энергетики задача будет решена только с разработкой эффективных аккумуляторных устройств . А пока упор делается на комплексные устройства: солнечная электростанция днем, газовая – ночью.

Еще один минус – солнечные батареи вырабатывают только постоянный ток . Если вам требуется ток переменный – дополнительные затраты на преобразование.

Очистка . Большие поверхности солнечных батарей требуется очищать от пыли, снега, загрязнений иного рода.

Обратите внимание, перечисленные недостатки не относятся к категории принципиально неустранимых. А запасов традиционного топлива пока достаточно для их устранения. Между тем, темпы развития солнечной энергетики, как я уже отмечал, в разных странах и регионах серьезно отличаются.

Почему немцы и японцы так активны на этом направлении, а Россия отстает?

Что русскому хорошо, то немцу Сталинград

Указанные мной выше недостатки солнечной энергетики в Германии решили преодолеть самым эффективным путем: перекладывая затраты на внедрение «чистой» энергетики на потребителя. Правительство всячески поощряет производителей солнечной и иных видов альтернативной энергии, а средства на это получает за счет повышения платы за электроэнергию . То есть потребитель фактически платит эколого-энергетический налог. Немцы, судя по всему, с этим соглашаются. Это как с экологически чистыми продуктами питания: хочешь потреблять такую пищу – плати. Психология нашего массового потребителя немножко другая. И ведь речь идет не только о гражданах, но и о бизнесе.

Но немцам, похоже, деваться особенно некуда. Сегодня у них выбор: или дальнейшее развитие альтернативной энергетики, или выбор между российским Северным потоком-2 и американским СПГ (сжиженным природным газом).

А теперь Россия. Наша страна, как известно, углеводородный гигант. А на газовом рынке сегодня происходят очень интересные вещи. В связи с пандемией ковида и снижением темпов экономического роста цены на голубое топливо упали до рекордно низких отметок (в Европе до 40 – 50 долларов за тысячу кубометров газа из СПГ). Между тем, именно в прошлом году были сделаны рекордные инвестиции именно по СПГ-проектам: 60 миллиардов долларов, а производственные мощности СПГ вышли на уровень 70 миллионов тонн в год.

Кто от этого пострадал? Россию этот шквал тоже не обошел стороной. Тот же «Обской проект» был отложен Новатэком на несколько лет. Но вот для поставок нашего трубопроводного газа наступила передышка. Сегодня цена поставок трубопроводного газа на экспорт составляет 120 – 130 долларов за тысячу кубометров. Это чуть выше окупаемости поставок (примерно 100 долларов).

Американский СПГ по крайней мере на несколько лет стал неконкурентоспособным. Предполагается, что уровень потребления энергии начала 2020 года будет достигнут в мире не раньше конца следующего, а то и вообще 2022 года. А потом станет сказываться инвестиционная яма нынешнего года, и цена на газ, наконец-то, снова пойдет вверх.

И вот тут как раз должен заработать наш проект «Арктик СПГ-2». Обратите внимание на сообщения о скорейшем наращивании мощностей ледокольного флота России. Уже сегодня объемы перевозок по Северному морскому пути превысили советские. И основными грузами в этом транспортном коридоре становятся как раз полезные ископаемые, добываемые (планируемые к добыче) в Арктике. В том числе и сжиженный природный газ, который предназначается для быстро растущих азиатских экономик. Не все же, как японцы, сделают ставку на солнечную энергию. Зато во многих азиатских странах планируют замещение угольной энергетики именно газовой.

Масштабы вложений в подобные проекты трудно переоценить. И вы все еще считаете, что при инвестициях такого масштаба серьезные люди на самом деле задумаются над внедрением альтернативной энергетики? Многие полагают, что разумно делать упор именно на природный газ , самый чистый из всех видов невозобновляемых природных ресурсов. Как я уже говорил, его можно использовать и в качестве резервного компонента для объектов альтернативной энергетики.

Если немного помечтать

Но уже сегодня имеются сферы, где применение солнечной энергии просто незаменимо. Это энергоснабжение космических объектов. Именно солнечные батареи снабжают энергией ту же МКС. В космосе нет атмосферы, это устраняет, пожалуй, самый серьезный недостаток солнечной энергетики. И сегодня разрабатываются пока еще фантастические проекты по снабжению Земли энергией Солнца, полученной в космосе. Причем не обязательно на околоземной орбите. Почему бы не построить солнечные энергоустановки на поверхности Луны? Тем более, что кремния хватает и на естественном спутнике нашей планеты. Но как организовать передачу полученной электроэнергии на Землю? Ученые предлагают использовать для этого специальный СВЧ-луч, который при прохождении через атмосферу Земли теряет не более двух процентов своей мощности. Солнечные станции можно построить по экватору Луны таким образом, чтобы энергия на Землю поступала бесперебойно.

Но этого, возможно, не потребуется. По некоторым прогнозам, стоимость солнечного электричества сравняется с электричеством традиционным уже лет через десять.

А напоследок – вообще фантастика. Российские ученые в Дубне разработали супербатарею на основе нового фотоэлемента. Его себестоимость ниже, чем у привычной солнечной батареи. Для создания фотоэлемента было применено новое вещество – гетероэлектрик . Это позволяет использовать для получения электричества не только свет Солнца, но и других космических объектов. Причем независимо от погодных условий. Кстати, масса «звездной» батареи на один вырабатываемый Ватт электроэнергии в 1000 раз меньше, чем у солнечной батареи. Это снимает проблему больших площадей, занимаемых солнечными батареями.

Прямо по Маяковскому получается: светить всегда, светить везде до дней последних донца. Светить – и никаких гвоздей…

Налог на солнце

Федеральный закон от 27 декабря 2019 года N 471-ФЗ «Об Электроэнергетике» В ЧАСТИ РАЗВИТИЯ МИКРОГЕНЕРАЦИИ

«Технологическое присоединение объектов микрогенерации должно предусматривать обеспечение технического ограничения выдачи электрической энергии в сеть с максимальной мощностью, не превышающей величину максимальной мощности принимающих устройств потребителя электрической энергии, которому принадлежат на праве собственности или ином законном основании объекты микрогенерации, и составляющей не более 15 киловатт.»

Реализация физическими лицами электрической энергии, произведенной на объектах микрогенерации, не является предпринимательской деятельностью.

Источник