Солнечный генератор является отличной альтернативой: он безопасен, может работать долго, в нем не нужно заменять топливо, плюс он не наносит вреда окружающей среде. Переносной солнечный генератор вполне можно собрать своими руками, стоит только следовать этим инструкциям.

Основой генератора является батарея, которая заряжается с помощью солнечных панелей. Батарея может запитать 12В лампу и одну электрическую розетку, используя преобразователь. В отличие от бензиновых или дизельных генераторов этот генератор может быть использован прямо в помещении, он не дает выхлопа и работает совершенно бесшумно. Количество генерируемой энергии регулируется исключительно емкостью батареи, поэтому вы можете собрать именно такой генератор, который вам нужен.

Можно собрать два типа генератора: "все-в-одном", где являются частью самого генератора, или раздельный вариант, в котором солнечная панель прикреплена к стене или крыше дома, а остальной механизм подключается к ней, когда нужно зарядить батарею. В обоих случаях сборка одинаковая, отличается только кожух. Раздельный генератор лучше выбирать, если вам нужно снабдить электроэнергией дачный домик или гараж, тогда как "все-в-одном" предпочтительнее, когда электроэнергия вам нужна буквально "на ходу".

Для сборки солнечного генератора вам понадобятся:

· Солнечная фотогальваническая панель - собирает солнечный свет и преобразует его в электроэнергию;

· Батарея 12В - аккумулирует энергию для дальнейшего использования;

· Контроллер заряда - останавливает работу панели, чтобы не допустить избыточной зарядки батареи;

· Преобразователь напряжения 12В-240Вт - преобразовывает полученное напряжение в переменный ток 240Вт;

· Энергосберегающая лампа на 12В (опционально) - энергоэффективный способ обеспечить яркое освещение;

· Кейс от набора инструментов (опционально) - исполняет роль кожуха для генератора.

Расчет требуемой мощности

Размер различных частей зависит от того, сколько электроэнергии вы хотите получить на выходе и как долго ваш генератор должен работать. Типичное отключение электроэнергии обычно длится меньше одного часа и в совсем редких случаях - меньше 4 часов. Во время этого отключения большинство жителей современных домов хочет, чтобы продолжал работать холодильник, и было освещение. С этими требованиями может справиться даже самая небольшая солнечная батарея.

В течение 24 часов среднестатистический домовладелец тратит около 800-1000 Вт в час . В чрезвычайных ситуациях это потребление снижается до 75-200 Вт в час - этого как раз хватает на освещение и питание таких требующих непрерывной подачи электроэнергии приборов, как холодильник или морозильная камера. На каждые 100 Вт*час вам требуется батарея емкостью 10 А*час . Таким образом, для получения 200 В т в течение четырех часов вам нужна батарея емкостью 80 A *час .

Нам понадобится свинцово-кислотная батарея (называемая также тяговой батареей). Такие батареи выглядят так же, как автомобильные аккумуляторы, но имеют другой химический и механический состав. Для нашего генератора нельзя использовать автомобильные аккумуляторы, потому что их конструкция не предполагает полную разрядку, и они испортятся, как только это произойдет. Свинцово-кислотные батареи можно купить в специализированных магазинах, где продаются батареи и автомастерских.

Когда вы рассчитаете емкость батареи, можно вычислить размер солнечной панели. Он будет зависеть от того, как часто вы планируете использовать генератор, насколько велика емкость батареи и сколько солнечного света проникает в ту местность, где вы планируете его использовать. Если солнечная панель будет установлена снаружи в южном направлении под углом приблизительно 45°С, она будет производить зимой за день примерно в 2-2.5 раза больше , чем указано в технических характеристиках, а летом - больше в 4-8 раз .

Обязательным требованием является быстрая подзарядка, чтобы генератор достаточно скоро снова стал готов к использованию. Однако если вы выберете слишком большую солнечную панель, ее будет очень сложно окупить, а большинство вырабатываемой ею энергии будет уходить в никуда. Компромиссным решением будет приобретение батареи, полная подзарядка которой будет занимать около 10-15 дней . Не пытайтесь заряжать батарею частично, это быстро приведет ее в негодность. Всегда можно дополнить солнечную панель другим источником питания, чтобы быстрее зарядить батарею.

Чтобы рассчитать мощность солнечной панели, возьмите емкость батареи в А*час и умножьте ее на количество В (обычно 12). Разделите полученное число на 2.5 (часа на подзарядку солнечной энергией в день в зимнее время) и разделите на количество дней, за которое вы предполагаете полностью заряжать батарею. Число, которое получится в результате, и есть мощность солнечной панели (в Вт).

Например, батарея с показателями 12В 80А*час дает 960Вт*час энергии.

960/2.5 часа = 384.

384/15 дней = 25.6 Вт - такова требуемая мощность солнечной панели.

Преобразователи напряжения

Преобразователи берут напряжение 12В из батареи и преобразовывают его в переменный ток 240В. Существует множество вариантов преобразователей мощностью от 75Вт до 3КВт, и очень важно не перегружать их. Преобразователи могут сильно нагреваться во время работы, поэтому если вы хотите поместить детали генератора в кейс, очень важно оставить достаточно места вокруг преобразователя, чтобы не перегреть остальные элементы. Во время покупки преобразователя рекомендуем выбирать тот, в котором есть защита от недостатка мощности. Когда заряда в батарее останется совсем мало, преобразователь выключится, вместо того, чтобы разряжать батарею полностью. Полная разрядка свинцово-кислотной батареи опасна тем, что может повредить или разрушить батарею, так что лучше этого избегать.

Сколько мощности потребляют устройства

Вы можете узнать, сколько мощности потребляют используемые вами устройства, прочитав информацию либо на задней панели или дне устройства, либо на наклейке на адаптере. Чаще всего эти данные указываются в вольтах и амперах. Например, преобразователь ноутбука может иметь напряжение 19.5В и силу тока 4.5А. Перемножив две эти величины, можно узнать, сколько ватт в час использует устройство - таким образом, получим, что ноутбук потребляет максимум 88Вт*час .

Сложно привести здесь таблицу потребления электроэнергии, так как требования сильно различаются от модели к модели даже одного устройства. Кроме того, многое зависит от класса энергоэффективности устройства. Примерный расход основных приборов указан в таблице 1:

Таблица 1. Потребление энергии различными приборами.

Энергосберегающая лампа
Холодильник класса А
Морозильная камера класса А
Холодильник класса F	150-180В*час
Барабанная сушилка	1200-1400В*час
Посудомоечная машина класса А
Посудомоечная машина класса Е	150-200В*час
Персональный компьютер с монитором	350-450В*час
24" ЭЛТ телевизор
15" телевизионная плоская панель
32" телевизионная плоская панель	240-300В*час
Маленькая микроволновая печь
Большая микроволновая печь
Энергоэффективный пылесос
Вентилятор
Энергоэффективный чайник

Как видно из этой таблицы, в каждом доме находятся приборы, которые потребляют очень много электроэнергии. Когда вы планируете свой генератор, таких приборов по возможности нужно избегать. Например, вместо того чтобы разрабатывать солнечную батарею больших размеров, гораздо эффективнее перейти на обогрев помещения и приготовление пищи с помощью газа.

Выбор солнечной фотогальванической панели.

Существует два вида солнечных панелей - аморфные и кристаллические.

Аморфные панели больше по размеру, так как они наименее эффективны под прямыми солнечными лучами. Зато такие панели генерируют большую часть энергии в условиях слабого освещения и могут заряжаться даже от лунного света и уличных фонарей.

Кристаллические панели меньше аморфных примерно в 3 раза, что делает их портативными и более простыми в установке. Их цена выше, чем у аморфных панелей, однако можно найти варианты, сходные по цене.

Сборка генератора

Шаг 1 - монтаж генератора

Для начала мы взяли старый источник бесперебойного питания без батареи, вскрыли его и вынули все части из кожуха. Вы, конечно, можете оставить кожух: между нами, это гораздо безопаснее, чем валяющиеся тут и там провода, подключенные к 230В. Но мы хотели поместить генератор в пластиковый кейс для инструментов, чтобы генератор было удобно переносить. В ИБП первым делом нужно отключить сигнал, который непрерывно пищит при отключении электроэнергии. Это было достигнуто путем отсоединения спикера с помощью небольшой отвертки. После чего все батареи были соединены параллельно между собой и присоединены к ИБП.

При присоединении батарей очень важно соблюдать полярность. Так как они присоединены параллельно, наш генератор будет работать даже в случае неверной полярности некоторых из них, но тогда батареи быстро будут выходить из строя.

Проверка шага 1

Прежде чем присоединять солнечную панель, необходимо убедиться в том, что генератор работает. У нас было 2 12В батареи, одна емкостью 14А*час, вторая - 4.5А*час, что в сумме дало 18А*час , с которыми можно было работать. Принимая во внимание КПД батарей и утечки через преобразователь, мы должны были получить приблизительно 200Вт мощности - достаточно для того, чтобы запитать дом в чрезвычайной ситуации на 2 часа .

После включения ИБП в сеть и полной зарядки батарей мы отключили устройство от сети, подключили к нему телевизор, ноутбук и настольную лампу и оставили эти приборы включенными до тех пор, пока батареи не сели. Суммарная мощность, которая требовалась этим приборам, равнялась 189Вт . Генератор смог поддерживать питание 1 час 4 минуты до полной разрядки - всего 201Вт мощности .

Шаг 2 - присоединение солнечной батареи

Контроллер заряда - один из самых важных частей этого набора, он не дает батареям перезарядиться. Избыточный заряд очень опасен для батарей, так как может их испортить. В самом худшем случае батареи могут загореться или взорваться. Контроллер и панель были подключены, как указано на рисунке:

Проверка шага 2

Мы вынесли генератор наружу, так как день был достаточно солнечным, и проверили его тестером, чтобы никто не ударился током о корпус ИБП. Наша панель посылала приблизительно 720-780мА на батареи, что эквивалентно примерно 9Вт мощности при 17.2В - вполне достаточно для подзарядки 12В батарей. Исходя из этого, было подсчитано, что полная зарядка батарей займет от 3 до 7 дней , если панель будет получать хотя бы немного прямого солнечного света каждый день.

Шаг 3 - окончательная сборка

Последним шагом является помещение всей конструкции в кейс. Нашей целью была переносная система, поэтому очень важно убедиться в том, что батареи уложены тщательно. Мы использовали широкие липучки, чтобы все хорошо закрепить. Солнечная панель была прикреплена к внешней поверхности кейса с помощью строительного цемента. После чего все остальные детали были уложены в кейс так, чтобы снаружи нельзя было получить смертельный заряд от проводов.

Проверка шага 3

Мы еще раз проверили все с помощью тестера. После чего запитали батареи и попробовали поработать на свежем воздухе дрелью. Все работало так, как ожидалось.

Подводя итог

Для устройства стоимостью менее £50 у нас получился отличный солнечный генератор. Его можно взять с собой куда угодно, использовать как снаружи, так и в помещении. Он может быть заряжен быстро от сети и медленно от солнечной батареи. Он может как выдавать много энергии сразу - до 10А в случае необходимости - так и обеспечивать меньшую мощность для поддержания работы необходимых электроприборов в течение 2 часов в случае отключения электроэнергии. Также он удобен при переноске, поэтому можно легко получить электроэнергию там, где это необходимо, например, в саду. А благодаря отсутствию вредных выхлопов его можно использовать в неснабженных электричеством помещениях, что намного безопаснее, чем протянутые по полу провода.

Статья переведена с английского языка специально для интернет-портала "Энергоэффективная Россия"

Направления научных исследований [ | ]

Фундаментальные исследования [ | ]

Прикладные исследования [ | ]

• Фотоэлектрические преобразователи работают днём и с меньшей эффективностью работают в утренних и вечерних сумерках. При этом пик электропотребления приходится именно на вечерние часы. Кроме того, производимая ими электроэнергия может резко и неожиданно колебаться из-за смены погоды. Для преодоления этих недостатков на солнечных электростанциях используются эффективные электрические аккумуляторы (на сегодняшний день это недостаточно решённая проблема), либо преобразуют в другие виды энергии, например, строят гидроаккумулирующие станции , которые занимают большую территорию, или концепцию водородной энергетики , которая недостаточно экономически эффективна. На сегодняшний день эта проблема просто решается созданием единых энергетических систем, которые перераспределяют вырабатываемую и потребляемую мощность. Проблема некоторой зависимости мощности солнечной электростанции от времени суток и погодных условий решается также с помощью солнечных аэростатных электростанций.
• Сравнительно высокая цена солнечных фотоэлементов. С развитием технологии и ростом цен на ископаемые энергоносители этот недостаток преодолевается. В - гг. цены на фотоэлементы снижались в среднем на 4 % в год.
• Поверхность фотопанелей и зеркал (для тепломашинных ЭС) нужно очищать от пыли и других загрязнений. В случае крупных фотоэлектрических станций, при их площади в несколько квадратных километров это может вызвать затруднения, но применение отполированного стекла на современных солнечных батареях решает эту проблему.
• Использование одно- и двухосевых трекеров (следящих систем) и систем с изменяемым углом наклона фотоэлектрических модулей позволяет оптимизировать угол падения солнечных лучей на модули в зависимости от времени суток и времени года. Однако практика показала низкую эффективность этих систем ввиду их высокой стоимости (относительно стремительно дешевеющих фотомодулей), дополнительных затрат энергии (для трекеров) либо на работы по изменению угла наклона (для систем с изменяемым углом), невысокой надёжности, в частности - ввиду постоянных атмосферных воздействий, необходимости регулярного обслуживания и ремонтов, а также повреждений модулей и электрического оборудования, вызванных регулярными механическими операциями .
• Эффективность фотоэлектрических элементов падает при их нагреве (в основном это касается систем с концентраторами), поэтому возникает необходимость в установке систем охлаждения, обычно водяных. Также в фотоэлектрических преобразователях третьего и четвёртого поколений используют для охлаждения преобразование теплового излучения в излучение наиболее согласованное с поглощающим материалом фотоэлектрического элемента (так называемое up-conversion), что одновременно повышает КПД .
• Через 30 лет эксплуатации эффективность фотоэлектрических элементов начинает снижаться. Отработавшие своё фотоэлементы, хотя и незначительная их часть, в основном специального назначения, содержат компонент (кадмий), который недопустимо выбрасывать на свалку. Нужно дополнительное расширение индустрии по их утилизации .

Экологические проблемы [ | ]

При производстве фотоэлементов уровень загрязнений не превышает допустимого уровня для предприятий микроэлектронной промышленности. Современные фотоэлементы имеют срок службы 30-50 лет. Применение кадмия , связанного в соединениях, при производстве некоторых типов фотоэлементов с целью повышения эффективности преобразования, ставит сложный вопрос их утилизации , который тоже не имеет пока приемлемого с экологической точки зрения решения, хотя такие элементы имеют незначительное распространение, и соединениям кадмия при современном производстве уже найдена достойная замена.

В последнее время активно развивается производство тонкоплёночных фотоэлементов, в составе которых содержится всего около 1 % кремния , по отношению к массе подложки, на которую наносятся тонкие плёнки. Из-за малого расхода материалов на поглощающий слой, здесь кремния, тонкоплёночные кремниевые фотоэлементы дешевле в производстве, но пока имеют меньшую эффективность и неустранимую деградацию характеристик во времени. Кроме того, развивается производство тонкоплёночных фотоэлементов на других полупроводниковых материалах, в частности Смиг , достойный конкурент кремнию. Так, например, в 2005 году компания Shell приняла решение сконцентрироваться на производстве тонкоплёночных элементов, и продала свой бизнес по производству монокристаллических (нетонкоплёночных) кремниевых фотоэлектрических элементов.

Солнечные концентраторы вызывают большие по площади затенения земель, что приводит к сильным изменениям почвенных условий, растительности и т. д. Нежелательное экологическое действие в районе расположения станции вызывает нагрев воздуха при прохождении через него солнечного излучения, сконцентрированного зеркальными отражателями. Это приводит к изменению теплового баланса, влажности, направления ветров; в некоторых случаях возможны перегрев и возгорание систем, использующих концентраторы, со всеми вытекающими отсюда последствиями. Применение низкокипящих жидкостей и неизбежные их утечки в солнечных энергетических системах во время длительной эксплуатации могут привести к значительному загрязнению питьевой воды. Особую опасность представляют жидкости, содержащие хроматы и нитриты, являющиеся высокотоксичными веществами.

Способы [ | ]

Способы получения электричества из солнечного излучения:

Развитие [ | ]

Годовая выработка электроэнергии в мире на СЭС
Год	Энергия ТВт·ч	Годовой прирост	Доля от всей
2004	2,6	―	0,01%
2005	3,7	42%	0,02%
2006	5,0	35%	0,03%
2007	6,8	36%	0,03%
2008	11,4	68%	0,06%
2009	19,3	69%	0,10%
2010	31,4	63%	0,15%
2011	60,6	93%	0,27%
2012	96,7	60%	0,43%
2013	134,5	39%	0,58%
2014	185,9	38%	0,79%
2015	253,0	36 %	1,05 %
2016	301,0	33 %	1,3 %
Источник - Statistical Review of World Energy, 2015 - 2017

В 1985 году все установленные мощности мира составляли 0,021 ГВт.

В 2005 году Производство фотоэлементов в мире составляло 1,656 ГВт.

На начало 2010 года общая мировая мощность фотоэлементной солнечной энергетики составляла лишь около 0,1 % общемировой генерации электроэнергии .

В 2012 году общая мощность мировых гелиоэнергетических установок выросла на 31 ГВт, превысив 100 ГВт.

Крупнейшие производители фотоэлементов в 2012 году :

В 2013 году глобально было установлено 39 ГВт фотоэлектрических мощностей. В результате общая мощность фотоэлектрических установок на начало 2014 года оценивалась в 139 ГВт .

Лидером по установленной мощности является Евросоюз , среди отдельных стран - Китай: с января по сентябрь 2017 года в стране ввели в эксплуатацию 42 ГВт новых объектов фотоэлектрической генерации. По совокупной мощности на душу населения лидер - Германия.

Распространение солнечной электроэнергетики [ | ]

В 2010 году 2,7 % электроэнергии Испании было получено из солнечной энергии .

В 2011 году около 3 % электроэнергии Италии было получено из фотоэлектрических установок .

В декабре 2011 года на Украине завершено строительство последней, пятой, 20-мегаваттной очереди солнечного парка в «Перово », в результате чего его суммарная установленная мощность возросла до 100 МВт . Солнечный парк «Перово» в составе пяти очередей стал крупнейшим парком в мире по показателям установленной мощности. За ним следуют канадская электростанция (97 МВт), итальянская Montalto di Castro (84,2 МВт) и немецкая (80,7 МВт). Замыкает мировую пятерку крупнейших фотоэлектрических парков - 80-мегаваттная электростанция «Охотниково » в Сакском районе Крыма .

В 2018 г. Саудовская Аравия заявила о намерении построить крупнейшую в мире солнечную электростанцию мощностью 200 ГВт .

Рабочие места [ | ]

Перспективы солнечной электроэнергетики [ | ]

В мире ежегодный прирост энергетики за последние пять лет составлял в среднем около 50 % . Полученная на основе солнечного излучения энергия гипотетически 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 .

Процент обеспечения потребностей человечества к 2050 году электроэнергией, полученной на СЭС - это вопрос стоимости 1 кВт·ч при установке солнечной электростанции «под ключ» и развитости мировой энергетической системы, а также сравнительной привлекательности других способов получения электроэнергии. Гипотетически это может быть от 1 % до 80 %. Одно из чисел в этом диапазоне точно будет соответствовать истине.

В 2005 году мир прошел пик добычи нефти и с тех пор углеводородное сырье постепенно и неуклонно иссякает с ускоряющимися темпами в 5-7% в год, поэтому через 15-25 лет нефть и газ уже не будут массово использовать как топливо, и мир вынужден будет переходить полностью на альтернативные источники энергии.

солнечной электростанции значительно меньше 30 лет. Для США, при средней мощности солнечного излучения в 1700 кВт·ч на м² в год, энергоокупаемость поликристаллического кремниевого модуля с КПД 12 % составляет менее 4 лет (данные на январь 2011) .

Перспективы использования солнца для получения электричества ухудшаются из-за высоких издержек. Так, СТЭС Айвонпа обходится вчетверо дороже, а генерирует гораздо меньше электроэнергии, по сравнению с газовыми электростанциями. По подсчётам экспертов, в будущем электроэнергия, вырабатываемая этой станцией, будет стоить вдвое дороже, чем получаемая от обычных источников энергии, а расходы, очевидно, будут переложены на потребителей .

В России перспективы развития солнечной энергетики остаются неопределёнными, страна многократно отстаёт от уровня генерации европейских стран. Доля солнечной генерации составляет менее 0,001 % в общем энергобалансе. К 2020 году запланирован ввод около 1,5-2 ГВт мощностей. Общая мощность солнечной генерации может увеличиться в тысячу раз, однако составит менее 1 % в энергобалансе. Директор Ассоциации солнечной энергетики России Антон Усачев выделяет Республику Алтай , Белгородскую область и Краснодарский край как наиболее развитые регионы с точки зрения солнечной энергетики. В перспективе планируется помещать установки в изолированных от энергосетей районах .

Типы фотоэлектрических элементов [ | ]

Твердотельные [ | ]

Солнечная электростанция установленной мощностью 200Вт на основе батарей поликристаллических элементов

В настоящее время принято различать три поколения ФЭП :

• Кристаллические (первое поколение):
  • монокристаллические кремниевые;
  • поликристаллические (мультикристаллические) кремниевые;
  • технологии выращивания тонкостенных заготовок: EFG (Edge defined film-fed crystal growth technique), S-web (Siemens), тонкослойный поликремний (Apex).
• Тонкоплёночные (второе поколение):
  • кремниевые: аморфные, микрокристаллические, нанокристаллические, CSG (crystalline silicon on glass);
  • на основе теллурида кадмия (CdTe);
  • на основе селенида меди-индия-(галлия) (CI(G)S);
• ФЭП третьего поколения:
  • фотосенсибилизированные красителем (dye-sensitized solar cell, DSC);
  • органические (полимерные) ФЭП (OPV);
  • неорганические ФЭП (CTZSS);
• ФЭП на основе каскадных структур.

Солнечный транспорт [ | ]

Фотоэлектрические элементы могут устанавливаться на различных транспортных средствах: лодках, электромобилях и гибридных автомобилях , самолётах, дирижаблях и т. д.

Фотоэлектрические элементы вырабатывают электроэнергию, которая используется для бортового питания транспортного средства, или для электродвигателя электрического транспорта.

В Италии и Японии фотоэлектрические элементы устанавливают на крыши ж/д поездов. Они производят электричество для кондиционеров, освещения и аварийных систем.

Компания Solatec LLC продаёт тонкоплёночные фотоэлектрические элементы для установки на крышу гибридного автомобиля Toyota Prius . Тонкоплёночные фотоэлементы имеют толщину 0,6 мм, что никак не влияет на аэродинамику автомобиля. Фотоэлементы предназначены для зарядки аккумуляторов, что позволяет увеличить пробег автомобиля на 10 %.

В 1981 году летчик Paul Beattie MacCready совершил полет на самолёте Solar Challenger , питающемся только солнечной энергией, преодолев расстояние в 258 километров со скоростью 48 км/час . В 2010 году солнечный пилотируемый самолет Solar Impulse продержался в воздухе 24 часа. Военные испытывают большой интерес к беспилотным летательным аппаратам (БПЛА) на солнечной энергии, способным держаться в воздухе чрезвычайно долго - месяцы и годы. Такие системы могли бы заменить или дополнить спутники.

См. также [ | ]

Примечания [ | ]

1. (англ.) . Department of Energy . energy.gov. Проверено 2 апреля 2015.
2. Фомичева, Анастасия. «Солнечная генерация будет расти», - Сари Балдауф, председатель совета директоров энергохолдинга Fortum (неопр.) . Ведомости (03.12.2013). Проверено 3 апреля 2015.
3. Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS)
4. Philip Wolfe. Solar Photovoltaic Projects in the Mainstream Power Market. // Oxford: Routledge. - 2012. - С. 240 . - ISSN 978-0-415-52048-5 .
5. BP Statistical Review of World Energy June 2015, Renewables section , (June 2015).
6. Статистическое обозрение Всемирной энергетической организации 2017 года , (June 2017).
7. BFM.RU Солнечные технологии обеспечат четверть электричества.
8. Graph of the Day: World’s top ten solar PV suppliers. 15 April 2013 // RE neweconomy
9. Геро Рютер, Андрей Гурков. Мировая солнечная энергетика: переломный год (неопр.) . Deutsche Welle (29 мая 2013). Проверено 15 июня 2013. Архивировано 19 июня 2013 года.
10. Владимир Сидорович . В текущем году в Китае будет введено более 50 ГВт солнечных электростанций , RenEn (17.10.2017).
11. Paul Gipe Spain Generated 3 % of its Electricity from Solar in 2010 28 Январь 2011 г
12. Paul Gipe Italy Passes 7,000 MW of Total Installed Solar PV 22 Июль 2011 г.
13. Activ Solar построила в Крыму крупнейшую солнечную электростанцию в мире

Солнце является первичным и основным источником энергии для нашей планеты. Именно благодаря ему на 3емле накоплены запасы углеводородов, то есть нефти, угля, торфа, которые в настоящее время человечеством активно потребляются. Следует так же учитывать, что энергия ветра формируется за счет перепадов температур, обусловленных тепловым воздействием Солнца на землю, поэтому Солнце так же является первоисточником ветрогенерации.

Каждую секунду солнце излучает 3,75х10 26 Дж. На Землю попадает примерно 2 миллиардных доли этой энергии, из которых ~37% сразу отражается обратно в космос. Т.о. на Землю попадает лишь 6,3х10 17 Дж (за год 7х10 17 кВтч). Один Киловатт-час - это то количество энергии, которое требуется для работы одной лампочки накаливания мощностью 100 Вт в течение 10 часов. От всех источников энергии человечество потребляет приблизительно 2.5х10 16 кДж/год. Таким образом, энергия получаемая Землей от Солнца за счет излучения, в 8000 раз больше чем необходимо человечеству для удовлетворения всех его потребностей.

Учёные подсчитали, что запасы различных углеводородов на 3емле составляют примерно 6 триллионов тонн. Если исходить из этой цифры, то содержащуюся в них энергию Солнце отдает нашей планете всего за три недели. При этом резервы его настолько велики, что в таком режиме оно сможет функционировать еще около 5 миллиардов лет. Подсчитано, что земные растения и морские водоросли утилизируют примерно 34% поступающей от Солнца энергии, остальная же практически полностью теряется.

Исходя из расчетов, если покрыть 0,7% земной поверхности солнечными батареями, КПД которых составляет 10% (а в среднем КПД современных батарей 15%-40%), то полученная энергия обеспечит потребности всего человечества более чем на 100%. Если бы человек сумел взять для удовлетворения своих потребностей хотя бы один процент поступающей от Солнца энергии, то это решило бы энергетические проблемы человечества на много веков вперёд.

Что влияет на количество выработанного электричества?

Географическое положение. Количество солнечной энергии зависит и от географического месторасположения участка: чем ближе к экватору, тем оно больше.

Время года. Объём солнечной энергии, достигающей поверхности Земли, отличается от среднегодового значения: в зимнее время его показатель минимален, в то время как летом достигает максимального значения.

Природные явления (осадки). Во время дождя или снега небо плотно затянуто тучами, и вследствие этого количество солнечной радиации, достигающей поверхности земли, уменьшается.

Тень от деревьев, домов. В тени количество солнечной радиации меньше, чем непосредственно на солнце. Это объясняется тем, что, попав на препятствие в виде дома или дерева, она рассеивается.

КПД солнечной фотовольтаической панели. Он определяется путём деления мощности электрической энергии на мощность солнечного света, падающего на панель. На сегодняшний день среднее значение этого показателя на практике составляет 12-25%.

Солнечная установка для дома

Солнечная электростанция для дома необходима в следующих случаях:

• Когда имеется ограничение по выделенной мощности у поставщика электроэнергии, например, ограничения в СНТ, в связи с ограниченной мощностью вводного трансформатора;
• Когда дома удалены от трансформаторной подстанции настолько, что протянуть к ним кабель или провода окажется по стоимости несоизмеримо с приобретением автономного источника электроэнергии;
• Когда надо обеспечить бесперебойное питание какой-нибудь системы, например, компьютерной сети или охранной сигнализации. В этом случае, необходимо уделить особое внимание емкости банка АКБ.

Несмотря на низкий пока еще КПД, солнечные батареи являются эффективным источником электроэнергии среди автономных и альтернативных источников питания. Одна батарея солнечных элементов площадью 10 квадратных метров способна дать больше 1 кВтч мощности, а это обеспечит нормальную работу нескольких лампочек, телевизора и компьютера.

Для загородного дома, в котором проживают 3-4 человека, в весенне-летний период и в светлое время дня может оказаться достаточно 20 квадратных метров площади солнечных батарей (это примерная ежемесячная выдаваемая мощность — 200-300 кВтч, для Московской Области летом больше, зимой меньше).

Покупая устройства для преобразования солнечной энергии в электрическую, хозяин дома обретает частичную независимость от поставщика энергии и может в перспективе, расширяя систему получает столько электроэнергии, сколько ему может понадобиться в будущем.

Для обретения полной энергонезависимости, вероятно потребуется выбрать более мощную солнечную установку, по сравнению с большинством типовых предложений на рынке, еще один вариант - установить дополнительный дизель- или газовый генератор, который будет включаться если «все совсем плохо» - пасмурно несколько дней подряд или засыпало снегом. Но, возможно, это и не нужно?

Солнечная установка для предприятия

Солнечное электричество возможно использовать для обеспечения электроэнергией разного рода предприятий - вокзалы, торговые центры, парковки, дата-центры - перечень объектов можно продолжить на несколько страниц.

При создании солнечных установок для промышленных объектов, применяют сетевые (on grid) трехфазные инверторы, мощностью от 10 кВА и выше, в зависимости от требований. Данный тип инверторов работает исключительно при наличии напряжения в сети, синхронизация выходной мощности по напряжению и частоте основной сети электроснабжения.

В случае отключения основного электропитания, остановится и солнечная генерация. Поэтому нет возможности использования таких инверторов в качестве резервного источника питания.

Оборотная сторона этого обстоятельства - отсутствие необходимости в банке АКБ, который может стоить не менее 1/3 от стоимости всей системы. Косвенно, это ускоряет окупаемость проекта на 30-40%.

Основное преимущество установки солнечных панелей на предприятиях - это конечно же существенная экономия электроэнергии. Расчеты показывают, что при условии корректной установки и эксплуатации, для большинства случаев, любая промышленная установка вернет вложенные средства в течение 3-5 лет. Эта цифра получена для московского региона. За счет чего экономия?

• Коммерческий объект потребляет большое количество электроэнергии, это означает, что практически все солнечное электричество будет использовано;
• Часто, пик потребления коммерческого объекта совпадает с пиком солнечной генерации. Пример: лето, солнце в зените, магазин продуктов, максимальное потребление электроэнергии системами кондиционирования и холодильным оборудованием;
• Стоимость киловатт часа для юридических лиц, до настоящего момента была всегда выше, чем для физических - это косвенный фактор, но он уменьшает срок окупаемости;
• Возможность увеличения подключенной мощности, без согласования с энергосбытовой компанией.

Солнечные электростанции

Солнечная электростанция - инженерное сооружение, служащее для преобразования солнечной радиации в электрическую энергию.

Солнечные электростанции разделяются на два больших класса:

Солнечные электростанции, использующие для преобразования энергии фотовольтаические ячейки, объединенные в батареи солнечных элементов (панели). Это наиболее распространенный вид преобразования. Все что было написано выше - относится к данным электростанциям. Объем генерации станции зависит от количества установленных солнечных панелей.

Этот вид электростанций подойдет либо для сетевых генерирующих компаний, представители которых навряд ли будут читать данный материал, либо для отдельно стоящих населенных пунктов с хорошей годовой инсоляцией.

Большое количество людей, проживающих в отдаленных уголках нашей родины, отрезаны от основных генерирующих мощностей. Электричество вырабатывается с помощью дизель-генераторов, а это очень дорогое электричество. Установка солнечной электростанции - приносит немедленный экономический эффект.

Основной недостаток фотовольтаической генерации - невозможность работы в ночное время суток и необходимость установки либо дополнительного генератора, либо большого банка АКБ.

Второй большой класс - солнечные электростанции, использующие тепловую энергию . Идея метода - нагревание теплоносителя с помощь солнечного излучения и подача получаемого пара на лопатки турбины генератора. Электростанции этого класса могут быть башенного и модульного типа.

В башенных солнечных электростанциях (СЭС) используется центральный приемник (емкость с теплоносителем) окруженный сфокусированной на нем обширной системой зеркальных элементов. Для максимальной передачи тепла, каждый зеркальный элемент оснащен следящей за солнцем системой. «Солнечные зайчики» фокусируются на центральном приемнике и превращаю теплоноситель пар. Пар подается на лопатки генератора, а его избыток аккумулируется внутри дополнительного резервуара, этот избыток используется для генерации электроэнергии в ночное время суток. Главным недостатком башенных солнечных электростанций являются их высокая стоимость и большая занимаемая площадь, но если с площадь в избытке, то строительство такой СЭС экономически оправдано.

Идея, лежащая в основе работы солнечных электростанций башенного типа, была высказана более 350 лет назад, однако первое строительство СЭС этого типа состоялось только в 1965г., а в 80-х годах был построен ряд мощных солнечных электростанций в США, Западной Европе, СССР и в других странах.

Одной из крупнейших башенных станций на сегодня является станция Ivanpah Solar Electric Generating System в Калифорнии. Она включает в себя три башни высотой с 40-этажные здания, а также 350 000 зеркал размером с дверь гаража. Зеркала отражают солнечный свет на котлы на вершинах башен, создавая пар, который заставляет работать генераторы. Пиковая мощность электростанции 392 мВт, она может снабжать электричеством 140 тысяч домохозяйств.

В модульных солнечных электростанциях используется большое число модулей, в каждом из которых имеется параболо-цилиндрический концентратор солнечного излучения и физически соединенный с электрогенератором приемник. Физический принцип аналогичен башенным СЭС, но технически, каждый модуль теперь является миниэлектростанцией, подключающейся к сети генерирующей компании.

Стоимость установки солнечной генерации. И когда это все окупится?

Объективно, имеется тенденция к постоянному уменьшению стоимость солнечных электростанций, это приводит к постоянному удешевлению выработанной ими электроэнергии и снижению сроков окупаемости подобных проектов. На сегодняшний день наблюдается постепенное уравнивание цен на «солнечные» киловатт-часы и киловатт-часы, полученные традиционным способом.

Анализ окупаемости учитывает такие факторы как: тип и целевое назначение солнечной электростанции, ее географическое место расположения, мощность, а также стоимость альтернативных решений, с которыми она будет сравниваться.

Стоимость существенно зависит от поставленных задач. Для дачного дома с летним проживанием и небольшими подключенным мощностями стоимость будет одна, для коттеджа с круглогодичным проживанием, стоимость увеличится пропорционально подключаемой мощности. Для коммерческого объекта стоимость подключенного киловатта часто ниже, т.к. во многих случаях отсутствует необходимость в батарее АКБ.

Срок окупаемости электростанции коммерческого объекта 3 - 5 лет, дачная система, при использовании только по выходным, окупаться будет значительно дольше (не менее 15 лет). Солнечная установка коттеджа с постоянным проживанием окупится за 7-10 лет.

Многое зависит от стоимости кВт*ч, по которому заказчик покупает электроэнергию у государства и региона установки.

Иногда компании-инсталляторы стремятся «продавать мечту», обещая практически мгновенную окупаемость солнечной установки в домохозяйстве. В каком-то проценте случаев - так и получится, но таких случаев по опыту - меньше 20%. Срок окупаемости в большей степени зависит не от цены установки, не от производителя и даже не от цены киловатт часа, а от того как именно вы потребляете электроэнергию. Если потребление небольшое, то окупаться она будет долго. Хорошая новость в том, что при малом потреблении можно существенно уменьшить первоначальные затраты.

Солнечная установка в небольшом домохозяйстве - в первую инструмент комфорта и независимости, во вторую - способ экономии.

Преимущества и недостатки

К преимуществам солнечных батарей следует отнести:

• Общедоступность и неисчерпаемость источника энергии (солнца);
• 100% экологическая безопасность;
• Возможность длительного использования - срок эксплуатации составляет 25 и более лет;
• Электричество от солнечных батарей поступает полностью автономно;
• После установки - бесплатная энергия;
• Для установки солнечных батарей не требуется никаких согласований.

Одновременно с этим они имеют и ряд недостатков:

• высокие первоначальные затраты и недостаточный КПД.
• Низкая эффективность в зимнее время, а также при пасмурной и туманной погоде.
• Потребность в дополнительном оборудовании (аккумуляторах, инверторах и т. д.) и вспомогательных помещениях для его размещения.
• Зависимость от времени года в определенных климатических поясах.

По мнению Международного энергетического агентства, б ыстро сокращающиеся затраты на производство делают солнечные панели самым дешевым способом генерации электричества. По итогам прошлого года рост солнечной генерации превысил по темпам развития другие сектора электроэнергетики. С 2010 г. стоимость нового солнечного модуля снизилась на 70%, тогда как на оборудование в ветроэнергетике на 25% и расходы на аккумуляторы для электрокаров на 40%.

Согласно прогнозам независимых экспертов Bernreuter Research, к концу 2017 г. прирост мощностей в солнечной энергетике в глобальном масштабе достигнет 100 ГВт. Совокупная мощность установленных в мире СЭС по итогам 2016 г. составляла 74 ГВт. Самый большой прирост в этом сегменте приходится на Китай. Суммарная мощность новых солнечных станций достигла в КНР – 52 ГВт, на втором и третьем местах расположились США (12,5 ГВт) и Индия (9 ГВт). За год прирост составил более 30%: сейчас общие мощности солнечной электроэнергетики, по данным экспертов, составляют 300 ГВт.

По оценкам МЭА, в перспективе развитие солнечной энергетики получит особенно широкое распространение в Китае и Индии. Так, в последней недавно запустили специальную программу по электрификации, которая охватит 40 млн домохозяйств только до конца 2018 г. Решать проблемы снабжения электричеством будут в основном за счет дешевой солнечной энергии.

Однако, в отличие от АТР, в европейских странах доминирует ветроэнергетика. Согласно прогнозу МЭА, после 2030 г. именно она станет главным источником для выработки электроэнергии в европейских странах. «Солнечная энергетика быстро завоевывает рынки, включая Китай и Индию, поскольку именно она становится самым дешевым источником производства электроэнергии. Элекротранспорт, благодаря государственной поддержке и снижению затрат на выпускаемые аккумуляторы, быстро развивается», - утверждает исполнительный директор МЭА Фатих Бироль.

В период после 2030 г. в Европейском союзе на ВИЭ придется порядка 80% вводимых новых мощностей, а энергия ветра станет ведущим источником производства электроэнергии. Быстрое развитие солнечной энергетики, в особенности в Китае и Индии, позволит ей стать крупнейшим источником генерации к 2040 г. К этому времени доля всех возобновляемых источников энергии в общем объеме производства электроэнергии достигнет 40%.

МЭА отмечает быстрое развертывание мощностей и снижение затрат на экологически чистые энергетические технологии. Эксперты особо подчеркивают высокие темпы электрификации. По итогам прошлого года, расходы потребителей на электричество в глобальном масштабе достигли паритета с их расходами на нефтепродукты.

Вплоть до 2040 г. развитие возобновляемой энергетики будет по-прежнему поддерживаться со стороны государства. Однако трансформация энергетического сектора будет происходить главным образом благодаря миллионам домашних хозяйств, поселений и предприятий, инвестирующих в создание собственных распределенных мощностей возобновляемой энергетики.

Без учета крымских СЭС сегодня в России действует 10 станций общей мощностью около 100 МВт. В Крыму есть пять солнечных электростанций общей мощностью 300 МВт. В ноябре в России введена в строй первая Бичурская солнечная электростанция в Бурятии. Пока стоимость сооружения одной такой СЭС в стране составляет порядка 1 млрд рублей, при 70% локализации использованного оборудования. В сентябре компания «Хевел» запустила Майминскую СЭС на Алтае, мощностью в 20 МВт, стоимостью в 2 млрд рублей с использованием новых гетероструктурных моделей с повышенной эффективностью. Это уже четвертая СЭС на Алтае у «Хевел». Всего российским компаниям предстоит построить к 2024 г. 57 СЭС общей мощностью в 1,5 ГВт.

Нина Маркова

Начиная с нефтяного кризиса 1970-х годов, общество начало задумаваться о поиске альтернативы традиционной углеводородной энергетике. Потенциал солнечной энергии, как самый большой и доступный для человечества, всегда приковывал внимание научного сообщества. Использование возобновляемой энергии легло в основу концепции целых социальных и политических движений. В последние десять-пятнадцать лет солнечная энергетика быстро развивалась и получила некоторое распространение в секторе электрогенерации. В целом, можно говорить об экспонециальном тренде роста электрогенерации фотовольтаики в последние двадцать лет :

Казалось бы, сейчас уже достаточно эмпирических данных, а значит можно оценить возможности отрасли отнюдь не теоретически. Но несмотря на это, мнения остаются крайне полярны. Одна сторона отмечает, что себестоимость электроэнергии солнечных электростанций дороже традиционных, отсутствуют рентабельные технологии хранения электроэнергии, необходимые по причине суточных колебаний генерации и многое другое. Другая же сторона рапортует об экспоненциальном росте электрогенерации СЭС, снижении себестоимости ниже уровня традиционной тепловой электроэнергетики. Кто же прав? Как мы часто отмечаем, истина посередине. На наш взгляд, причина разногласий в оценках достаточно проста и разрешает спор противоречащих сторон: актуальность солнечной энергетики очень сильно варьируется по множеству параметров и в зависимости от ситуации оказывается прав то лагерь сторонников, то наоборот. Здесь и далее под солнечной энергетикой подразумевается фотоэвольтаика, применение гелиотермальных технологий пока дороже и такие электростанции менее распространены.

Концептуальный уровень - нишевый подход

По каким причинам возник сыр-бор разногласий?
Инсоляция. Если сравнивать Калифорнию и северные области России, то можно говорить о четырёхкратной разнице с пропорциональным влиянием на себестоимость.
Последние 35 лет цены на фотоэлементы сокращались и даже появилась эмпирическая закономерность: каждые 5 лет цена падает в два раза. Таким образом, оценки себестоимости солнечной генерации постоянно устаревают и этот фактор должен учитываться в обсуждении.
Сложность электрораспределительных сетей, необходимость в технологиях хранения генерируемой электроэнергии, маневровых мощностях, росте пропускной способности магистральных электросетей увеличивается с ростом доли солнечной энергетики в электробалансе.
Себестоимость традиционной электроэнергетики сильно варьируется в зависимости от выбора исследуемого государства и временного периода.
Можно ещё долго продолжать, но очевидно, что если рассмотреть вариант с высокой инсоляцией, с предпологаемыми низкими ценами ближайшего будущего, небольшой долей в электробалансе и дорогой местной традиционной электроэнергетикой, то солнечная энергетика значительно превзойдёт традиционную по рентабельности и не потребует особых инвестиций в инфраструктуру. Для обратной же ситуации солнечная энергетика будет выглядеть неприемлемо.

Таким образом, нельзя “рубить с плеча” и бросаться тезисами о солнечной энергетике без оглядки на территориальные, климатические и другие условия конкретного случая. На наш взгляд, следует применять “нишевый” подход, чтобы понять приемлемость солнечной электрогенерации.

Количественные оценки - себестоимость электроэнергии

Оценки себестоимости электрогенерации фотовольтаики зависят от выбранной методологии, стоимости капитала и других параметров, поэтому для получения общей картины стоит опираться на множество независимых оценок:

Верхние границы традиционной энергетики, не говоря уже о генерации из нефтепродуктов, пересекаются с нижними границами оценок себестоимости электроэнергии фотовольтаики. Совместно с другими нюансами это и создаёт ниши привлекательности солнечной энергетики. По нашим оценкам, на сегодня их размер составляет примерно 3-5% мировой электрогенерации. Вне этих узких ниш солнечная энергетика, в целом и на сегодня, экономически не целесообразна.

Размер ниш незначителен относительно всей мировой электрогенерации, но он всё ещё превышает установленые мощности в три раза, что предоставляет солнечной энергетике возможности для дальнейшего многолетнего роста. Учитывая факторы роста потребления электроэнергии в развивающихся странах, снижения стоимости солнечной электрогенерации и увеличения стоимости традиционой генерации, логично предположить, что “ниши” будут со временем увеличиваться. Рассмотрим примеры.

Архипелаг солнечной энергетики

Если смотреть на общем уровне, то на сегодня и в целом применение солнечной энергетики достаточно малообосновано. Но среди океана традиционной энергетики есть место и отдельным островам фотовольтаики. Перечислим причины, по которым появились ниши для солнечной энергетики:

Замещение нефтепродуктов . Во-первых, уже упомянутая себестоимость. Например, Япония, которая занимает третье место в мировой электрогенерации, 10% электроэнергии производит из нефтепродуктов и это не следствие фукусимской трагедии - так было и ранее. По данным Всемирного Банка, в 43 странах доля нефтеподуктов (мазут, дизельное топливо) в электрогенерации выше 10% . Обычно, такая электрогенерация применяется временно, для прохождения дневных пиков потребления электроэнергии, так как ночью электропотребление существенно ниже. Эту дорогую во всех смыслах пиковую дневную генерацию, $100/МВт*ч и выше в случае нефтепродуктов, удобно и дешево заменить солнечной ($100 и ниже), чем Япония и начала заниматься. Аналогичная ситуация может наблюдаться и в случае дорогого импорта природного газа.

Дефицит собственных энергоресурсов . Другим наглядным примером является Индия. В стране имеется катастрофический дефицит как электроэнергии, так и собственной добычи энергоресурсов, о чём красноречиво говорили предвыборные обещания премьер-министра: “Электричество в каждый дом!”. Столь острая нехватка мотивирует решать вопрос любыми путями, да и помимо базовой генерации, нужна и пиковая. Но в стране недостаточные ресурсы угля и не проложено ни одного газопровода - США много лет грозят Пакистану санкциями за согласие войти в проект транспортировки газа из Ирана в Индию через свою территорию, хотя недавно дело сдвинулось с мёртвой точки.

Итогом хронического энергодефицита, политических игр внешних игроков, импортозависимости и т.п. стало решение нарастить долю солнечной электрогенерации, благо высокая инсоляция и дешевая рабочая сила позволят сделать это относительно дёшево, пусть и дороже угольной энергетики. В условиях бешенной динамики экономики (рост 7,5% за 2014г) и вышеперечисленных причин это лучше чем текущее полное отсутствие доступа к электроэнергии у 250 млн. граждан Индии. Министерство Новой и Возобновляемой Энергетики запустило программу проектов с символичным названием “ультра мега солнечные электростанции”, в рамках которой выделены территории под парки солнечных электростанций, подведена инфраструктура и т.п. Ближайшая цель - 100 ГВт к 2022 году .

Экологические факторы . Себестоимость тепловой генерации в большинстве стран ниже солнечной, особенно в Китае. Но, например, здоровье за деньги не купишь. Загрязнение воздуха ежегодно уносит жизни порядка 0,5-1 млн жителей Китая и негативно влияет на социальную и политическую обстановку. Вдобавок, две трети мировых производственных мощностей фотоэлементов находятся именно в поднебесной . Так появилась очередная ниша для солнечной энергетики и Национальный Центр Возобновляемой Энергетики Китая ставит целью 100 ГВт установленной мощности к 2020г и 400 ГВт к 2030 . Учитывая, что за первый квартал 2015 года установленная мощность фотовольтаики в Китае увеличилась на 5 ГВт и достигла 33 ГВт , цели выглядят вполне адекватно.

Есть и комплексные случаи, например Австралия. Пока генерирующие компании и политические силы спорят кто виноват в высоких розничных ценах на электроэнергию, а именно $250-350/МВт*ч, 14% домохозяйств уже используют фотоэлементы . И так далее.

Таким образом, при использовании нишевого подхода становится очевидно, что в случае конкретных узких ниш правда на стороне приверженцев солнечной энергетики, а в остальных случаях справедливы уже тезисы противников. Но, по-прежнему, упрощения велики и нюансы корректного подхода будут рассмотриваться и ниже.

Перспективы. Себестоимость как функция от времени.

Вопрос развития энергетики не должен ориентироваться на тактические факторы и текущую себестоимость. Срок службы АЭС приближается к столетию, капитальные расходы на разработку отдельных месторождений углеводородов вышли на порядок сотен миллиардов долларов с соответствующим масштабом сроков окупаемости, себестоимость электроэнергии фотоэлементов снижается ежегодно на 15% и так далее. То есть, подход обязан быть стратегичным и с горизонтом планирования в несколько десятилетий, а в случае Франции и России, где особая роль отводится атомной энергетике, горизонт планирования выходит на исторический масштаб - век. А значит контрпродуктивно ориентироваться на текущую себестоимость электрогенерации.

Прогноз, как известно, дело неблагодарное. Тем не менее, это лучше чем ничего. Технологический прогресс позволял экспоненциально удешевлять производство фотоэлементов (в 200 раз за последние 35 лет), инверторов и т.п., а развитие рынка толкает вниз и цены установки и обслуживания. Маловероятно, что прогресс остановится, а рабочие станут менее квалифицированными, поэтому ожидается и дальнейшее снижения цен на фотоэлементы и сопутствующие услуги, в то время как цены на энергоресурсы “при прочих равных” будут расти. Общая суть всех прогнозов одинакова - экспоненциальное снижение себестоимости, которое отмечалось последние 35 лет, продолжится и видимых причин для остановки прогресса пока нет:

В рамках “нишевого подхода” логично опираться на нижнюю границу себестоимости, так как своё развитие солнечная энергетика начинает с наиболее рентабельных ситуаций и будет долго и медленно заполнять их. Заполнение даже 5% мировой электрогенерации займёт около 10 лет.

В соответствии с прогнозами Международного Энергетического Агентства, членом которого является и Россия, и немецкого Института Солнечной Энергетики им. Фраунгофера, солнечная энергия дешевеет, но не становится “дармовой”. Дешёвая традиционная энергетика таких стран как Россия, США, Китай, Норвегия и т.п., предположительно, будет дешевле солнечной в течение многих лет.

Сетевой контекст

Проблема интеграции солнечной энергетики большого масштаба в единую энергосеть сегодня не решена и, более того, решения нет даже на горизонте. “Солнце” это удобный вариант справиться с дневными пиками потребления, но в ряде случаев существует проблема вечернего пика не говоря уже о зиме. Даже неожиданный летний утренний туман, скрывший солнце от нескольких гигаватт фотовольтаики Германии, может озадачить инженеров электросетей - примеры имеются . На данный момент, например Европа, решает свои “сетевые” дисбалансы с помощью импорта и экспорта электроэнергии, но на наш взгляд возможности этого инструмента ограничены. На концептуальном уровне есть ряд подходов:

Резервирование . Удобный пример это Германия. Из-за описанных выше проблем приходится держать “в боевой готовности” 10 ГВт генерации на газовом топливе, то есть резервировать солнечную генерацию, хотя применение солнечной генерации позволило летом почти полностью отказаться от этой дорогой генерации на дневных пиках. Основная часть себестоимости электроэнергии газовой ТЭС это топливо, и общество, в какой-то степени выиграло, сэкономив на импорте природного газа, несмотря на простаивание ТЭС в летнее время.

Обратная ситуация наблюдается в случае маневровых угольных ТЭС, где основная доля себестоимости это капитальные расходы. В этом случае всё наоборот: топливо занимает небольшую долю себестоимости и при снижении коэффициента использования установленной мощности (КИУМ) электроэнергия в целом обойдётся для общества дороже, так как придётся платить и за солнечную генерацию и за простаивающие мощности угольных ТЭС, которые намного дороже газовых .

Аккумуляция . К вопросу сетевых проблем возможно подойти и через аккумуляцию электроэнергии. В странах, где летняя инсоляция значительно превышает зимнюю (напр. Германия), проблемы интеграции начинаются когда фотовольтаика формирует 7% среднегодовой электрогенерации. В этом случае летом среднесуточная доля поднимается к 10%, а в дневные часы - до 30% , что представляет серьёзную проблему для энергосистемы. Аккумуляция - напрашивающийся выход для дальнейшего развития ситуации, несмотря на то, что на данный момент в ней пока нет необходимости . Более того, сомнения о масштабном развитии солнечной энергетики редуцируемы к вопросу дешёвой аккумуляции, так как проблема высокой себестоимости электрогенерации фотоэлементов с высокой вероятностью рано или поздно перестанет существовать и останется только проблема интеграции в сеть.

На 2014 год мировая установленная мощность аккумулирующих систем составляет 145 ГВт, 99% представлены гидроаккумулирующими электростанциями (ГАЭС) . Аккумулирующие системы на сжатом воздухе (АССВ) применяются не одно десятилетие, но пока не получили распространения - текущее исполнение обоих систем критично к географическим и геологическим условиям.

Текущий нижний порог составляет $80/МВт*ч и есть основания полагать, что АССВ и другие технологии способны его понизить, но скорее это реальность как минимум следующего десятилетия. Дополнительные $80/МВт*ч аккумулирующих мощностей неподъёмны для солнечной энергетики, но в какой-то степени это вопрос методологии. Аккумуляторные батареи свинцово-кислотного и других типов на данный момент и в среднесрочной перспективе не целесообразны в роли аккумулирующих систем для промышленной фотовольтаики.

EROEI фотовольтаики - энергетическая рентабельность

Вкратце про энергетическую рентабельность, с примерами и рассчётами, рассказывалось в предыдущей статье, поэтому опустим повторение основ. EROEI фотовольтаики не является “тайной за семью печатями” и существует множество исследований на этот счёт. Если суммировать 38 исследований , то можно получить следующий диапазон EROEI для разных технологий:

На наш взгляд, это хорошие результаты. Соответственно, энергетически, солнечные фотоэлементы окупаются за 0,5-4 года.

Территориальные аспекты

Территориальный вопрос для фотовольтаики это ещё один отличный пример “серединной истины” - cтраны сильно различаются по потреблению электроэнергии на единицу своей площади. Ребята из Массачусетсткого Технологического Института оценивают необходимую площадь фотовольтаики для удовлетворения потребности США в электроэнергии как квадрат 170х170 км . Эту же цифру можно получить и эмпирическим путём: например, современная солнечная электростанция Solar Star имеет мощность 579 МВт и площадь 13 кв.км, система слежения за солнцем позволяет поднять коэффициент использования установленной мощности (КИУМ) до 30%, а всё потребление электроэнергии в США составляет 4,1*10^15 Вт*ч - ряд несложных вычислений приведёт любознательного читателя к тому же числу. Для примера, ниже карта США, на которую мы нанесли необходимую площадь солнечных электростанций (с учётом поправки на КИУМ) для удовлетворения всего электропотребления США:

По материалам GoogleMaps

Как видно, несложно отделаться небольшой частью пустынь Аризоны и Невады. Интересно добавить, что суммарная площадь всех крыш в США это квадрат 140х140 км . А вот Япония имеет всего лишь в четыре раза меньшее энергопотребление по сравнению с США и в 25 раз меньшую площадь, поэтому для Японии территориальный нюанс фотовольтаики намного острее и лишних 90х90 км там нет.

Уроки истории: эволюция оценок потенциала фотовольтаики

Парадокс Гегеля гласит, что “история учит человека тому, что человек ничему не учится из истории”. Несмотря на молодость солнечной энергетики, к сегодняшнему дню уже имеется опыт, который “сын ошибок трудных”, и стоит обратить внимание на предыдущие ошибки, чтобы не множить собственные. Суммируя прогнозы по солнечной энергетике многолетней давности двух ведущих энергетических агентств:

Вывод очевиден - фотовольтаика систематически недооценивалась, причём очень сильно: в 2006 году МЭА прогнозировало 87 ГВт на 2030, но этот уровень был превзойдён уже через шесть лет. Базовый прогноз 2009 года (208 ГВт) будет превзойдён в 2015-2016. Аналогичны были и прогнозы АЭИ (EIA), подразделения Минэнерго США. Суть прогнозов была одинакова - замедление текущего экспоненциального развития, но развитие фотовольтаики систематически опровергало эти предпосылки.
Таким образом, смотреть на развитие фотовольтаики в пессимистичных красках будет, скорее, ошибкой, чему и учит ретроспектива. Следует упомянуть и эффект низкой базы: несмотря на то, что солнечная генерация увеличивалась на 50% ежегодно, в абсолютных числах это составляет около 30 ТВт*ч для последних лет. В то время как мировое потребление электроэнергии увеличивается, в среднем, на 650 ТВт*ч ежегодно . То есть вклад фотовольтаики пока ничтожно мал - 1% мировой электрогенерации и 0,2% мирового производства первичной энергии (этот параметр включает в себя вообще все источники энергии: углеводороды и т.п.).

Выводы

Истина посередине, между двумя обозначенными в начале материала позициями.

• Электрогенерация фотовольтаики растёт с высокой скоростью и тенденция продолжится
• Существенный вклад в мировую электрогенерацию из-за низкой текущей базы произойдёт в лучшем случае в 2030-х

Таким образом, несмотря на существенный прогресс как фотовольтаики, так и возобновляемых источников энергии в целом, придётся ещё достаточно долго использовать ископаемые топлива, а трудности перехода на новый энергоуклад - впереди. Развитие в целом и увеличение энергопотребления в частности это неизменные атрибуты человечества на протяжении сотен лет и общество, несомненно, продолжит совершенствоваться. По данным Всемирного Банка, миллиард человек находится без доступа к электроэнергии и задача обеспечить человечество электроэнергией является вызовом для солнечной энергетики. Учитывая, что мировое потребление электроэнергии растёт со скоростью 3% в год, а к 2040 году вырастет вдвое, размер ниш будет увеличиваться как в относительных, так и в абсолютных цифрах.
Интересно взглянуть на результаты и в цивилизационном аспекте :

В рамках предложенного подхода можно утверждать, что искусственно созданная ниша в Европе, в целом, заполнилась и дальнейшее развитие туманно и будет определяться экономической конъюктурой. Поэтому европейская ассоциация фотовольтаики прогнозирует развитие фотовольтаики в широком диапазоне: 120-240 ГВт к 2020 году . Вектор и производства и применения фотоэлементов за последние два года перенаправлен в Азию, где в течение двух лет установленная мощность фотоэлементов превысит соответствующую для стран Европы.