Использование энергии солнца на земле: способы применения и преимущества солнечных установок

Ранняя история солнечной энергетики

Стекло использовалось для разжигания костров ещё в седьмом веке до нашей эры, считают учёные. В третьем веке греки и римляне использовали стекло и солнечный свет для зажигания факелов в религиозных целях. В Китае также есть записи об использовании солнечной энергии и стекла для зажигания огня во время религиозных церемоний.

А во время осады Сиракузы (II век до н. э.) древнегреческий учёный Архимед фокусировал солнечный свет через увеличительное стекло, чтобы поджечь римские корабли.

В Америке предки пуэблоанцев в XIII веке спроектировали и построили величественные жилища на скалах. Эти дворцы были обращены на юг, чтобы улавливать солнечный свет, который использовался для обогрева всего комплекса. В 1700-х и 1800-х годах солнечный свет использовался для работы печей.

Солнечная энергия — общие понятия и принципы

Прежде всего, стоит отметить, что ресурсом для солнечной энергетики служит энергия солнечного света (солнечная энергия). Преобразовать которую можно либо в электрическую или же в тепловую энергию. Делается это при помощи специальных установок.

Исходя из расчётов учёных, можно сделать вывод, что за неделю на поверхность земли с солнца попадает такое количество энергии, которое в несколько раз превышает количество энергии вырабатываемой различными источниками на земле.

Несомненно, солнечная энергетика, это отрасль подающие большие надежды, но всё-таки она имеет две стороны медали.

С плюсами более или мене всё ясно. Это всеобщая доступность и неисчерпаемость ресурса. То к минусам стоит отнести такие аспекты как:

• относительная зависимость от условий погоды и времени суток;
• необходимость использовать аккумуляторы при получении солнечной энергии;
• дороговизна оборудования при эксплуатации;
• перепады температур в сторону повышения на поверхности установок для сбора энергии солнечного света.

Числа и показатели для излучения энергии солнца

Разберёмся для начала в терминах и основных показателях. Прежде всего, это солнечная постоянная, значение которой равняется 1367 Вт. Как раз такая цифра в соотношении с поступившим количеством энергии попадает на один квадратный метр поверхности нашей планеты. Естественно в виду того, что лучам солнца препятствуют слои атмосферы, проникает несколько меньшее количество энергии. К примеру, в экваториальной зоне оно равняется 1020 Вт. Прибавив к этому частые смены времени дня и ночи, угол падения лучей солнца, можно увидеть, что показатели снижаются ещё как минимум в три раза.

Ни раз, задавая себе вопрос: «откуда берётся солнечная энергия?», учёные разных стран и в разное время пытались ответить на него, применяя различные гипотезы и теории. Но, уже начиная с 19 века, подобный интерес приобрёл иной характер. И на сегодняшний день обозначились более конкретные и чёткие постулаты в отношении солнечных источников энергии. Удалось установить, что в ходе процесса взаимодействия четырёх атомов водорода с последующим переходом в состоянии ядра гелия и происходит это превращение с выделением большого количества энергии.

Рассмотрим для наглядности энергию, выделяемую при формировании одного грамма водорода. Соотнести её можно с энергией полученной при сжигании пятнадцати тонн бензина. Цифры говорят сами за себя.

В чём преимущества солнечной энергетики

• Солнце будет давать нам свою энергию ещё несколько миллиардов лет. При этом людям не нужно тратить средства и ресурсы для её добычи.
• Генерация солнечной энергии – полностью экологичный процесс, не имеющий рисков для природы.
• Автономность процесса. Сбор солнечного света и выработка электроэнергии проходит с минимальным участием человека. Единственное, что нужно делать, это следить за чистотой рабочих поверхностей или зеркал.
• Выработавшие свой ресурс солнечные панели могут быть переработаны и снова использованы в производстве.

Сферы применения солнечной энергетики

О том, чтобы использовать солнечную энергию в своих целях, человек начал задумываться сравнительно недавно, хотя на практике пользовался ей на протяжении всей своей истории. Идея об аккумулировании и практическом применении возникла в начале XX века, но технологических возможностей для этого на то время не было. Прорыв совершился в конце века, когда появились фотоэлектрические панели, способные производить электроэнергию в ощутимых количествах. Вопрос важный и заслуживает подробного рассмотрения.

Спектр применения энергии солнца крайне широк. Уже сейчас её используют на заводах, при строительстве, успешно применяют в химической промышленности, реализуют проекты отопительных установок воды для зданий и это лишь не многие примеры. Многие считаю, что применение солнечной энергетики — это процесс сравнительно недавний. Но, уже начиная с 1955 года, эти методы успешно применялись в строительстве автомобилей. Тогда и был выпущен первый прародитель нынешних электрокаров, которые успешно производят такие авто-гиганты как Honda, Toyota, Mitsubishi и другие.

Уже сегодня по всему миру в обиход входят установки при помощи, которых можно нагревать воду дома, готовить пищу и освещать жилые помещения. Ярким примером могут служить солнечные печи, состоящие из фольгированного картона, которые по инициативе ООН были предоставлены беженцам в разных странах переживающих сложную политическую обстановку. А на территории Узбекистана, например находится крупнейшая печь, успешно используемая при плавке различных металлов и термической обработке, но это уже совсем иные масштабы в отличие от бытовых.

Самыми необычными примерами где использовалась энергия, полученная от солнца являются:

• Футляр с фотоэлементом для телефона, который одновременно является и зарядкой;
• Сумка для похода (рюкзак), на задней стороне которой прикреплена солнечная панель, при помощи неё можно зарядить планшет, телефон, да и вообще любое устройство средних размеров;
• Одежда с применением специального материала, который генерирует энергию от солнечного света, а затем при помощи специальных устройств направляет её в подключенные устройства.

Тепловые коллекторы

Эти устройства используют излучение солнца для преобразования его в тепло. Можно выделить следующие основные виды коллекторов:

Плоские. Они наиболее распространены. Их используют как для отопления, так и для горячего водоснабжения. Обычно такие коллекторы используют только в летнее время, поскольку зимой их эффективность резко падает. Об изготовлении таких солнечных коллекторов своими руками можно прочитать по ссылке;

• Вакуумные. Сфера их использования, как и у плоских. Но они используются, когда требуется горячая вода более высокой температуры. В них трубки теплообменника находятся в вакууме внутри стеклянных трубок. Внутри циркулирует теплоноситель. Как правило, такие установки делаются на производстве, а не в домашних условиях. Они функционируют круглый год, даже в российском климате;
• Воздушные. Сфера использование таких устройств – это воздушное отопление и осушительные установки. Могут использоваться при температуре на улице не ниже 5─10 градусов Цельсия;
• Интегрированные коллекторы. Наиболее простая конструкция. Это специальные баки с теплоизоляцией, где нагревается вода. В дальнейшем она используется на хозяйственные нужды.

В большинстве случаев все эти установки устанавливаются на крышах или фасадах зданий. Иногда для них выделяется площадка, где присутствует максимальное солнечное освещение.

Солнечные батареи

Эти устройства используют излучение солнца для преобразования его в электрическую энергию. Для этого используются фотоэлектрические элементы. При попадании на них света они вырабатывают электрическую энергию. Один такой фотоэлемент имеет маленькую мощность. Поэтому их последовательно соединяют в батареи. Часто умельцы занимаются созданием таких солнечных батарей своими руками. Подробнее об этом можно прочитать по ссылке.

Солнечные батареи просты в использовании, долговечны и используют бесплатный источник энергии. При этом они не работают по ночам, имеют низкий КПД и довольно высокую стоимость. Часто такие устройства можно встретить на крышах и фасадах частных домов на юге Европы, США, в Израиле и других регионах с высокой солнечной инсоляцией. Они являются дополнением к основной системе энергоснабжения дома и позволяют экономить на электричестве.

Энергоснабжение дома

Еще пару лет назад система солнечных батарей для освещения дома была чем-то из области фантастики, а сегодня вполне реально установить на балконе или наружной стене комплект солнечных панелей способных обеспечить энергоснабжение отдельной квартиры или загородного дома.

Технология использования солнечной энергии для получения электричества пока не позволяет получить слишком большой КПД – в среднем он составляет около 13%, а вырабатываемый ток равен 12 В, но и такого количества энергии вполне достаточно чтобы бесплатно пользоваться освещением в квартире или доме.

Во многом скепсиса оборудовать дом солнечными батареями добавляет возможность работы панелей в пасмурный день или в сумерках, однако, это уже давно забытый этап – все представленные солнечные панели работают даже в глубоких сумерках, а аккумуляторных батарей вполне хватает для питания током потребителей до следующей зарядки.

Портативные солнечные батареи

Еще один вид источников электрического тока в отсутствие стационарной электрической сети. Переносные панели, легкие и удобные незаменимы для тех, чья жизнь связана с постоянными перемещениями вдали от цивилизации, туристов, путешественников, да и для дачников у кого нет электричества на участке очень нужная вещь для зарядки телефона или питания радиоприемника.

Солнечные электростанции

В тех регионах мира, где высокая солнечная инсоляция, делают не просто одиночные гелиостанции, а настоящие электростанции промышленного масштаба. Они вырабатывают электричество, объёма которого хватает для обеспечения энергией небольших населённых пунктов. Многие южные страны уже имеют большой процент использования солнечной энергии в своих национальных энергосистемах. Солнечные электростанции вырабатывают электричество или горячую воду. То есть, работают как батареи и коллекторы. К примеру, власти Калифорнии (США) собираются до 2020 года довести долю выработки электричества с гелиоэлектростанций в энергосистеме штата до 30%.

Солнечная электростанция

Электротранспорт на солнечных батареях

Постепенно идёт внедрение солнечных батарей на автомобильном транспорте. Образцы, которые целиком работают от солнечных батарей, пока ещё существуют только в виде концепт-каров. Использование их в массовом масштабе на данный момент невозможно.

В них гелиопанели устанавливаются на поверхность кузова и заряжают аккумуляторы. Те, в свою очередь, обеспечивают питание электромотора. Использование батарей в серийных моделях ограничивается тем, что их используют для питания отдельных узлов автомобиля.

Солнечные концентраторы

Довольно экзотичный, хотя и древний вид аппаратов для использования энергии светила. Использование концентрированных в одной точке солнечных лучей отсчитывается со времени Древней Греции, когда Архимед, с помощью зеркал сжег флот неприятеля.

Сегодня в основном солнечные концентраторы используются в качестве походных экологически чистых кухонь для приготовления нехитрых блюд и в солнечной энергетике, когда на больших площадях параболические зеркала концентрируют солнечный свет на трубопроводах с теплоносителем.

Прочие направления

Ниже приводятся ещё некоторые примеры того, как человек использует солнечную энергию. Все перечисленные предметы существуют в исполнении, работающем от гелиобатарей:

• Термометр;
• Детские игрушки;
• Фонтан;
• Power bank на солнечных батареях для зарядки различных гаджетов;
• Всевозможные светильники;
• Походные солнечные батареи;
• Радиоприёмник;
• Двигатель;
• Есть даже самолёт на солнечных батареях.

Так, что перспективы использования солнечной энергии есть, и отрасль продолжает развиваться.

Пригодна ли для обычного дома

• Для бытового использования гелиоэнергетика — перспективный вид энергетики.
• В качестве источника электрической энергии, для жилых домов, используют солнечные электрические станции, которые выпускают промышленные предприятия в России и за ее пределами. Установки выпускаются различной мощности и комплектации.
• Использование теплового насоса — обеспечит жилой дом горячей водой, подогреет воду в бассейне, нагреет теплоноситель в системе отопления или воздух внутри помещений.
• Гелиоколлекторы — можно использовать в системах отопления домов и горячего водоснабжения. Более эффективны, в этом случае, вакуумные трубчатые коллекторы.

Как развита солнечная энергетика в России

К сожалению, в нашей стране пока во всю жгут уголь, газ и нефть, и наверняка Россия будет в числе последних, кто полностью перейдёт на альтернативную энергетику.

На сегодняшний день солнечная генерация составляет всего 0,03% энергобаланса РФ. Для сравнения в той же Германии этот показатель составляет более 20%. Частные предприниматели не заинтересованы во вложении средств в солнечную энергетику из-за долгой окупаемости и не такой уж высокой рентабельности, ведь газ у нас обходится гораздо дешевле.

В экономически развитых Московской и Ленинградской областях солнечная активность на низком уровне. Там строительство солнечных электростанций просто нецелесообразно. А вот южные регионы довольно перспективны.

Так одной из крупнейших в нашей стране является Орская СЭС. Она состоит из 100 тыс. модулей, выдающих суммарную мощность 25 МВт. Выработанное электричество подаётся в Единую энергетическую систему России (ЕЭС).

Самой мощной сегодня является СЭС Перово, расположенная в Республике Крым. Она выдаёт более 105 МВт, что на момент открытия станции было мировым рекордом. СЭС Перово состоит из 440 000 фотоэлектрических модулей и занимает площадь 259 футбольных полей.

Вообще в Крыму солнечная энергетика неплохо развита – там более десятка солнечных электростанций мощностью от 20 МВт. Правда, вся полученная электроэнергия уходит сугубо на нужды полуострова.

К 2020 году в России планируется построить 4 крупных СЭС, мощность которых позволит увеличить долю солнечной энергии до 1% от всего энергобаланса страны.

Таким образом, уже сегодня можно с уверенностью сказать, что солнечная энергетика способна в недалёкой перспективе выступить полноценной альтернативой традиционным способам получения электроэнергии. И даже в России эта отрасль хоть и медленно, но развивается.

Факторы, которые способствуют развитию рынка

Программа поддержки возобновляемой генерации

Среди таких инициатив — программа поддержки возобновляемой генерации — ДПМ ВИЭ (договоры на поставку мощности). В ее рамках проектам возобновляемой энергетики, прошедшим отбор, гарантируется возврат инвестиций за счет повышенных платежей оптовых потребителей в течение 15 лет.

Программа предусматривает квоту на создание 5,4 ГВт мощностей ВИЭ до 2024 года. «Благодаря ее действию удалось построить фундамент для развития отрасли солнечной энергетики в России — были созданы высокотехнологичные производства основного оборудования для солнечных электростанций. В том числе на базе разработанных отечественных технологий‎», — комментирует Антон Усачев.

По словам Олега Перцовского, именно с помощью инструментов поддержки со стороны государства установленная мощность солнечной энергетики стремительно выросла с 130 МВт в 2016 году до 1,2 ГВт в первом квартале 2020-го.

«‎Это очень немного в абсолютном выражении, но динамика хорошая. Что будет происходить в кратко- и среднесрочной перспективе, зависит от развития ситуации с пандемией и динамики последующего восстановления экономики. Однако я думаю, что долгосрочное развитие ВИЭ в целом и солнечной энергетики в частности будет уверенно продолжаться, и этот тренд уже вряд ли изменится‎».

Развитие микрогенерации

Вторая крупная государственная инициатива по поддержке российской солнечной энергетики — развитие микрогенерации. В соответствии с законом, принятым в 2019 году, потребители могут продавать излишки электроэнергии, выработанные в том числе с помощью солнца, в сеть. После принятия актов, регламентирующих взаимодействие потребителей с сетями, у людей появится дополнительный стимул устанавливать у себя солнечные модули, считает заместитель генерального директора ГК «‎Хевел‎».

«‎Мы оцениваем текущий объем рынка микрогенерации в 10-15 МВт, а его годовой оборот — в 1 млрд рублей. Он увеличивается примерно на 5-7 МВт ежегодно‎».

Татьяна Андреева не разделяет оптимистичную позицию коллег касательно программ государственной поддержки. По мнению эксперта eclareon, закон о микрогенерации в России недостаточно проработан, как и поправки в Налоговом Кодексе РФ и в других законодательных актах.

«‎И очень жаль, что «Зеленый тариф» для владельцев микрогенерационных систем сделали столь низким. Уровень оптовой цены даже ниже той, что платит потребитель за энергию от привычной электросети. Этот факт не очень сильно повышает инвестиционную привлекательность проекта, хотя все же позволяет окупать оборудование быстрее.

В этом плане меры, принятые в Германии 20 лет назад, такие как программа «‎10 000 солнечных крыш» наряду с законом о ВИЭ, были более эффективными и привели к настоящему буму солнечной микрогенерации‎».

Факторы, мешающие развитию российского рынка солнечной энергетики

Среди факторов, замедляющих развитие солнечной энергетики в России, Сергей Пикин выделяет прежде всего доступность других энергоресурсов. По его расчетам, газовая генерация в России гораздо бюджетнее солнечной, в то время как в Европе ВИЭ приблизилась к стоимости традиционной энергетики.

Еще одна причина — высокая кредитная ставка в России для малого и среднего бизнеса. Если, например, в Германии она составляет около 2-3%, то в России достигает 10-20% в зависимости от банка и от региона.

Будет ли в будущем ситуация меняться в пользу солнечной энергетики, а отечественная экономика — отходить от традиционных углеродов? Как показывает практика, замечает директор Фонда энергетического развития, в России глобальные вещи меняются двумя способами.

1. Первый — многое зависит от позиции политической фигуры, которая занимается солнечной энергетикой. Сегодня это председатель правления «‎Роснано‎» Анатолий Чубайс, который, по словам Сергея, активно продвигает эту отрасль.
2. Второй путь — это влияние извне. Например, введение общемирового налога на углеводороды поспособствовало бы развитию ВИЭ в России. Причем такой ход событий вполне возможен в обозримом будущем. Так, в июле 2020 года Европейский Союз опубликовал свою водородную стратегию.

Согласно ей, приоритетом будет являться разработка возобновляемого водорода, который производится с использованием энергии ветра и солнца. К 2050 году совокупные инвестиции в возобновляемый водород могут составить до нескольких сотен миллиардов евро.

Другая масштабная инициатива со стороны европейских соседей — экологическая программа European Green Deal, принятая в 2019 году. Ее цель заключается в том, чтобы к 2050 году добиться стопроцентного снижения выбросов парниковых газов во всех странах Европейского Союза.

Более того, в организации уже идет обсуждение деталей по введению таможенных пошлин на импортируемые из России товары с высоким углеродным следом. Аналитики KPMG предоставили три сценария: при оптимистичном раскладе российские поставщики заплатят за свою неэкологичность €6 млрд, а при худшем варианте — все €50 млрд. Аудиторы также отмечают, что Европа является самым крупным регионом сбыта российских товаров — 46% экспорта.

К факторам, замедляющим развитие российской солнечной энергетики, Татьяна Андреева также добавляет нехватку знаний в этой области.

«‎Большинство людей до сих пор считают, что солнечный модуль — это дорого, что это космические непонятные технологии и что в России это не будет работать».

Проекты eclareon в России и других странах нацелены как раз на то, чтобы эти мифы развенчивать. Так, в 2019 году появились «‎Солнечные Школы‎». В рамках этой социо-образовательной программы школьники изучают принципы работы ВИЭ на примере солнечной энергетики.

Солнечная энергетика: развитие за рубежом

Компания Tesla предлагает ещё более прогрессивное решение. Её продукция представляет собой материал для покрытия кровли, способный преобразовывать лучи солнца в электроток. Продукт представляет собой черепицу с функционалом солнечных панелей. В каждое изделие встроены специальные модули. По внешнему виду и цвету черепица разная, так что можно выбрать ту, что будет сочетаться с другими элементами дома. Кровельный материал выпускается под названием Solar Roof, и производитель даёт на него бесконечную гарантию.

Солнечная энергетика повышает эффективность. Теперь для солнечной генерации применяют и двусторонние панели. Они поглощают прямые и отражённые лучи солнца, за счёт чего КПД повышается на 30%. На таких панелях работает станция, недавно построенная в Европе. Предполагается, что она будет производить 400 МВт*ч в год.

Ещё одна необычная установка построена в Китае. При мощности 40 МВт она не занимает места на суше, а для Китая это весомое преимущество. Плавучая станция располагается в водоёме. Она закрывает собой некоторую площадь воды, в результате снижается испаряемость. Высокая эффективность работы фотоэлементов достигается за счёт того, что они меньше нагреваются.

Как можно заработать на солнечной энергетике?

Производство солнечных модулей — процесс технологически сложный и дорогостоящий. Здесь достаточно высокий порог входа для физического лица или небольшой компании.

А вот сектор проектирования и строительства солнечных электростанций, а также других объектов ВИЭ, особенно небольшой мощности, сейчас активно развивается. Это направление открывает много перспектив для желающих заняться солнечной энергетикой.

1. В первую очередь речь идет о представителях малого и среднего бизнеса, частных предпринимателях, которые встраиваются в производственную цепочку солнечной электростанции. Это может быть обеспечение поставок, проектирование, производство отдельных элементов, таких как опорные конструкции для установки солнечных модулей, или, например, производство инверторов.
2. Ещё один вариант заработать на ВИЭ — финансовая поддержка фондов «‎зеленой‎» энергетики: акции, долгосрочные обязательства, облигации. Сейчас такие инвестиции активно набирают популярность в России. Каждый желающий может вложить свои средства и получить доход. Также таким способом вы можете поддержать экологически чистые компании.
3. И последний способ заработка — установка солнечной электростанции у себя на предприятии или дома. Это позволит получать доход за счет экономии на счетах за электроэнергию. Внутренняя норма доходности таких проектов составляет от 10% до 20% в зависимости от тарифа и региона.

Впрочем, если вы задумываетесь о более глобальном подходе, а именно — о строительстве солнечной электростанции, то сейчас благоприятное время — в России уже есть дефицит «‎зеленых мощностей», так как потребителей больше, чем производителей. В среднем, строительство объекта займет около шести месяцев.

Проблемы использования солнечной энергии

Применение солнечной энергии имеет и некоторые проблемы. Основными из них являются отсутствие Солнца в ночное время и возможность возникновения облачности, осадков и прочих неблагоприятных погодных условий. Есть и еще важная и существенная проблема — низкая эффективность оборудования, в сочетании с высокой ценой. Эта проблема считается разрешимой, многие ученые и инженеры постоянно работают над ее решением.

Как вам статья?