Тема 8. Проблемы и перспективы развития гелиоэнергетики в

Тема 8. Проблемы и перспективы развития гелиоэнергетики в России и мире.
Перспективы развития отрасли.
В производстве фотоэлементов (прямое преобразование солнечной энергии в
электрическую) и систем на их основе наблюдается настоящий бум. В 1999 г.
годовое производство в мире составило 200 МВт. Годовые темпы роста за
последние 5 лет составляют 30%. Страны-лидеры: Япония - 80 МВт, США - 60 МВт,
Германия - 50 МВт, Россия - 0,5 МВт.
Япония поставила перед собой задачу - достичь к 2020 году 28 ГВт
установленных PV и к 2030 году - 53 ГВт установленных PV. По мнению же
экспертов более реалистичной цифрой является 7 - 12 ГВт к 2014 году.
Обещающими выглядят планы США и Индии. Кроме того, Канада и Австралия, а
также ЮАР, Бразилия, Мексика, Египет, Израиль и Марокко - в списке, на который
с надеждой смотрит EPIA в своем ежегодном отчете.
Общая площадь солнечных водонагревателей (солнечных коллекторов) в мире
превысила по неполным данным 21 млн. м2, при этом годовое производство
солнечных коллекторов превышает 1,7 млн. м2. Страны-лидеры: Япония - 7 млн. м2,
США - 4 млн. м2, Израиль - 2,8 млн. м2, Греция - 2,0 млн. м2, Россия - 0,1 млн. м2
рис.8.1.
Рисунок 8.1. Карта солнечного излучения.
Сгенерированная на основе солнечного излучения энергия сможет к 2050 году
обеспечить 20-25 % потребностей человечества в электричестве и сократит выбросы
углекислоты. Как полагают эксперты Международного энергетического агентства
(IEA), солнечная энергетика уже через 40 лет при соответствующем уровне
распространения передовых технологий будет вырабатывать около 9 тысяч
тераватт-часов — или 20-25 % всего необходимого электричества, и это обеспечит
сокращение выбросов углекислого газа на 6 млрд тонн ежегодно
Лучистая энергия Солнца используется биосферой со времен появления жизни
на
планете.
Потенциальные
возможности
энергетики,
основанной
на
использовании непосредственно солнечного излучения, чрезвычайно велики.
Заметим, что использование всего лишь 0,0125 % этого количества энергии Солнца
могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а
использование 0,5 % – полностью покрыть потребности на перспективу. К
сожалению, вряд ли когда-нибудь эти огромные потенциальные ресурсы удастся
реализовать в больших масштабах.
Одним из наиболее серьезных препятствий такой реализации является низкая
интенсивность солнечного излучения. Даже при наилучших атмосферных условиях
(южные широты, чистое небо) плотность потока солнечного излучения составляет
не более 1250 Вт/м2. Поэтому, чтобы коллекторы солнечного излучения собирали за
год энергию, необходимую для удовлетворения всех потребностей человечества,
нужно разместить их на территории 130 000 км2! Необходимость использовать
коллекторы огромных размеров влечет за собой значительные материальные
затраты. Согласно расчетам изготовление коллекторов солнечного излучения
площадью 1 км2 требует примерно 10 000 т алюминия. Доказанные же на сегодня
мировые запасы этого металла оцениваются в 1,17·109 т. Из написанного ясно, что
существуют разные факторы, ограничивающие мощность солнечной энергетики.
Предположим, что в будущем для изготовления коллекторов станет возможным
применять не только алюминий, но и другие материалы. Изменится ли ситуация в
этом случае?
Солнечная
энергетика
относится
к
наиболее
материалоемким
видам
производства энергии. Крупномасштабное использование солнечной энергии влечет
за собой гигантское увеличение потребности в материалах, а следовательно, и в
трудовых ресурсах для добычи сырья, его обогащения, получения материалов,
изготовление гелиостатов, коллекторов, другой аппаратуры, их перевозки.
Пока
еще электрическая энергия, рожденная солнечными лучами, обходится намного
дороже, чем получаемая традиционными способами. Ученые надеются, что
эксперименты, которые они проведут на опытных установках и станциях, помогут
решить не только технические, но и экономические проблемы.
Первые попытки использования солнечной энергии на коммерческой
основе относятся к 80-м годам прошлого столетия. Крупнейших успехов в этой
области добилась фирма «LooseIndustries» (США). Ею в декабре 1989 г. введена в
эксплуатацию солнечно-газовая станция мощностью 80 МВт. Здесь же, в
Калифорнии, в 1994 г. введено еще 480 МВт электрической мощности, причем
стоимость 1 кВт·ч энергии 7…8 центов. Это ниже, чем на традиционных станциях.
В ночные часы и зимой энергию дает в основном газ, а летом и в дневные часы –
солнце. Электростанция в Калифорнии продемонстрировала, что газ и солнце,
какосновные источники энергии ближайшего будущего, способны эффективно
дополнять друг друга. Поэтому не случаен вывод, что в качестве партнера
солнечной энергии должны выступать различные виды жидкого или газообразного
топлива. Наиболее вероятной «кандидатурой» является водород. Его получение с
использованием солнечной энергии, например, путем электролиза воды может быть
достаточно дешевым, а сам газ, обладающий высокой теплотворной способностью,
легко транспортировать и длительно хранить. Отсюда вывод: наиболее экономичная
возможность использования солнечной энергии, которая просматривается сегодня, –
направлять ее для получения вторичных видов энергии в солнечных районах
земного шара.
Быстрое развитие гелиоэнергетики стало возможным благодаря
снижению стоимости фотоэлектрических преобразователей в расчете на 1 Вт
установленной мощности с 1000 долл. в 1970 г. до 3…5 долл. в1997 г. и повышению
их КПД с 5 до 18 %. Уменьшение стоимости солнечного Ватта до 50 центов
позволит гелиоустановкам конкурировать с другими автономными источниками
энергии,
например
с
дизельными
электростанциями.
Одним
из
лидеров
практического использования энергии Солнца стала Швейцария. Здесь построено
примерно 2600 гелиоустановок на кремниевых фотопреобразователях мощностью
от 1 до 1000 кВт и солнечных коллекторных устройств для получения тепловой
энергии. Программа, получившая наименование «Солар-91» и осуществляемая под
лозунгом «За энергонезависимую Швейцарию!», вносит заметный вклад в решение
экологических проблем и энергетическую независимость страны, импортирующей
сегодня более 70 % энергии.
Программа «Солар-91» осуществляется практически без поддержки
государственного бюджета, в основном за счет добровольных усилий и средств
отдельных граждан, предпринимателей и муниципалитетов. Гелиоустановку на
кремниевых фотопреобразователях, чаще всего мощностью 2…3 кВт, монтируют на
крышах и фасадах зданий. Она занимает примерно 20…30 м2. Такая установка
вырабатывает в год в среднем 2000 кВт·ч электроэнергии, что достаточно для
обеспечения бытовых нужд среднего швейцарского дома и зарядки бортовых
аккумуляторов
электромобиля.
Дневной
избыток
энергии
в
летнюю
порунаправляют в электрическую сеть общего пользования. Зимой же, особенно в
ночные часы, энергия может быть бесплатно возвращена владельцу гелиоустановки.
Крупные фирмы монтируют на крышах производственных корпусов
гелиостанции мощностью до 300 кВт. Одна такая станция может покрыть
потребности предприятия в энергии на 50…70 %. В районах альпийского
высокогорья, где нерентабельно прокладывать линии электропередач, строятся
автономные
гелиоустановки
с
аккумуляторами.
Опыт
эксплуатации
свидетельствует, что Солнце уже в состоянии обеспечить энергопотребности, по
меньшей мере, всех жилых зданий в стране. Гелиоустановки, располагаясь на
крышах и стенах зданий, на шумозащитных ограждениях автодорог, на
транспортных и промышленных сооружениях, не требуют для размещения
дорогостоящей сельскохозяйственной или городской территории.
Несмотря на относительно низкую плотность лучистой энергии, солнечная
энергетика интенсивно развивается именно в последние годы. В США введены 8
крупных солнечных электростанций модульного типа общей мощностью около 450
МВт, энергия при этом поступает в энергосистемы штатов. Мощность выпущенных
солнечных фотоэлектрических преобразователей в мире достигла 300 МВт в год. В
настоящее время в мире работают более 2 млн гелиоустановок теплоснабжения.
Площадь солнечных теплофикационных коллекторов на территории США
составляет 10 млн м2, в Японии – 8 млн м2.
Ввиду расположения России (между 41 и 82 градусами северной широты)
уровень солнечной радиации существенно варьируется: от 810 кВт-час/м2 в год в
отдаленных северных районах до 1400 кВт-час/м2 в год в южных районах. На
уровень солнечной радиации оказывают влияние и большие сезонные колебания: на
ширине 55 градусов солнечная радиация в январе составляет 1,69 кВт-час/м2, а в
июле – 11,41 кВт-час/м2 в день.
Потенциал солнечной энергии наиболее велик на юго-западе (Северный
Кавказ, район Черного и Каспийского морей) и в Южной Сибири и на Дальнем
Востоке. Наиболее перспективные регионы в плане использования солнечной
энергетики: Калмыкия, Ставропольский край, Ростовская область, Краснодарский
край, Волгоградская область, Астраханская область и другие регионы на юго-западе,
Алтай, Приморье, Читинская область, Бурятия и другие регионы на юго-востоке.
Причем некоторые районы Западной и Восточной Сибири и Дальнего Востока
превосходит уровень солнечной радиации южных регионов.
Таким образом, в мире уже сегодня солнечная энергетика весьма интенсивно
развивается и занимает заметное место в топливно-энергетическом комплексе ряда
стран.
Принимаются
на
государственном
уровне
законы,
которые
дают
существенную поддержку развитию солнечной энергетики. Без принятия указанных
законодательных актов использование энергии Солнца было бы практически
невозможно, особенно на начальных этапах становления.
Вопросы для самоконтроля.
1.
Страны-лидеры
в
области
освоения
технологий
преобразования
солнечной энергии.
2.
Основные препятствия в развитии систем солнечного энергоснабжения.
3.
Примеры использования солнечной энергии на коммерческой основе.
4.
Потенциал использования энергии солнца на территории РФ.
5.
Перспективы развития и планы выработки энергии за счет солнечного
излучения.