На большей части территории России единственными источниками энергии выступают дизельные или бензиновые электростанции. Для развития производства энергии на основе использования солнечной и ветровой энергетики, отвечающего современным подходам к экологии, государству необходимо заинтересовать инвесторов.

Чистый евроэксперимент

Страны Евросоюза стали внедрять использование солнечной энергии в рамках уменьшения зависимости от углеводородов и в целях снижения выбросов в атмосферу парниковых газов. Суммарная установленная мощность солнечных электростанций (СЭС) в мире к 2019 году может достичь 500 ГВт, следует из аналитического отчета международной консалтинговой компании IHS. По итогам 2014 года объем солнечной генерации составил 180 ГВт. На сегодня в солнечную энергетику во всем мире инвестировано уже более $150 млрд, ежегодно этот объем увеличивается на 15-20%.

Одним из мировых лидеров на рынке солнечной генерации является Германия, на долю которой приходится 31% совокупной мощности. Уникальная особенность производства солнечной энергии в этой стране состоит в том, что 90% всех панелей расположены на крышах домов. Причем половина солнечных электростанций принадлежит частным лицам, а не генерирующим компаниям.

Как следует из отчета международной Ассоциации производителей солнечной энергии (Solar Energy Industries Association, SEIA) и GTM Research, в Соединенных Штатах к концу этого года будет работать более миллиона солнечных установок — их количество увеличится на 36% по сравнению с 2014 годом. За последние два года в США было введено в действие больше солнечных станций, чем за предыдущие 38 лет.

Китай и Япония сейчас занимают в совокупности 50% мирового рынка солнечной энергетики. Индия в среднесрочной перспективе планирует увеличить мощность солнечных установок с 2 ГВт до 20 ГВт.

Российская альтернатива

В России доля солнечной генерации составляет лишь 0,5-0,8% от общего объема мощности электростанций. По данным заместителя министра энергетики Алексея Текслера, которые он привел в сентябре в интервью телеканалу «Россия 24», до 2024 года в России планируется ввести порядка 1,6 ГВт мощностей солнечной генерации. Первая солнечная электростанция запущена на Алтае, этой осенью ее мощность увеличена в два раза, до 10 МВт. В течение пяти ближайших лет в регионе планируется возвести еще четыре подобные электростанции. На данный момент массив солнечных батарей работает в Белгородской области. В Крыму до 20% энергии добывается за счет ВИЭ — в первую очередь солнечных батарей и ветряных электростанций.

Совокупная мощность проектов солнечных электростанций, ввод которых в эксплуатацию запланирован до конца 2015 года, составляет 175,2 МВт. В Астраханской области должны появиться солнечные электростанции совокупной установленной мощностью 90 МВт, в Оренбургской области — 30 МВт, в Белгородской области и Башкирии — по 15 МВт.

Возврат инвестиций в строительство солнечных электростанций осуществляется на основе договора о поставке мощности (ДПМ) по аналогии с традиционной генерацией. В соответствии с этим документом генерирующая компания получает плату за мощность, которую она поставляет на оптовый рынок. Параметры тарифа для каждого объекта рассчитываются отдельно.

При господдержке строятся заводы по производству компонентов для солнечных электростанций. Это позволяет выполнить требования законодательства, в соответствии с которыми до 70% оборудования для СЭС должно производиться в России. Строительство таких заводов планируется в Подмосковье и Татарстане. На данный момент уже построен завод «Хевел» по производству тонкопленочных солнечных модулей в Чувашии.

По мнению экспертов, такое оборудование слишком дорого для использования в частном секторе экономики, срок его окупаемости составляет четыре—семь лет. Поэтому киловатт электроэнергии, получаемой с применением солнечных батарей, по-прежнему значительно дороже, чем электричество по государственному тарифу.

В таких условиях рынок может эффективно развиваться только при поддержке государства. Например, Великобритания в 2013 году провела эксперимент — солнечные батареи были запущены в продажу в торговой сети. Стоимость 18 панелей составляла £5,7 тыс. ($9,2 тыс.), на их приобретение выдавались госсубсидии. В дальнейшем пользователи получали возможность продавать излишки электроэнергии государству.

Несмотря на экономический кризис, аналитики высоко оценивают потенциал отрасли. Как отмечает президент Ассоциации солнечной энергетики России Антон Усачев, в последние пять лет технологии и оборудование для производства солнечной энергетики заметно подешевели, одновременно выросла эффективность солнечных модулей. Благодаря этому уже сегодня можно говорить о возможности полноценной конкуренции солнечной энергетики с традиционной генерацией.

Инвесторам неинтересно

Применение энергии ветра в России развивается еще медленнее, чем солнечная энергетика. Единственная промышленная ветроэлектростанция находится в Калининградской области, есть электростанции на Чукотке, в Башкирии, Калмыкии и Коми. В прошлом году Россия получила от ветропарков всего 16,8 МВт мощности. Схему их строительства на территории России в 2013 году утвердил премьер-министр Дмитрий Медведев. Согласно этим планам за 15 лет в стране должно быть построено 16 ветряных электростанций.

Однако инвесторов не устраивают условия, которые сложились на этом рынке. Здесь действуют те же правила, что и для солнечной генерации, предполагающие высокую квоту для отечественного оборудования. Но у нас в стране нет производства компонентов для ветроэлектростанций, их приходится закупать за рубежом. Поэтому желающих строить «ветряки» пока не нашлось.

Российские власти давно пытались привлечь внимание инвесторов к созданию на севере Дальнего Востока крупного ветропарка суммарной мощностью 50-70 ГВт. О том, что этот вопрос прорабатывается с иностранными партнерами, говорил в феврале текущего года глава Минэнергетики Александр Новак. 10 сентября РАО «ЭС Востока» сообщило об открытии в поселке Усть-Камчатск самого крупного на Дальнем Востоке ветропарка. Комплекс возводится при участии японской правительственной организации по разработке новых энергетических и промышленных технологий NEDO, которая безвозмездно предоставила оборудование для парка. Японцы в этом проекте преследуют научную цель — испытывают работоспособность установок в условиях холодного климата.

Усть-камчатский комплекс состоит из трех ветроэнергетических установок суммарной мощностью 900 кВт. Прогнозируется, что он, частично заместив выработку энергии дизельной электростанцией поселка, позволит экономить более 550 т топлива в год. Его сдача в эксплуатацию планируется в конце 2015 года. Предусмотрена возможность строительства впоследствии еще семи ВЭУ, в результате чего мощность комплекса достигнет 3 МВт.

Кроме Дальнего Востока и Севера в густонаселенных районах европейской части России имеется довольно много мест, где использование ветростанций можно считать перспективным. Это северо-запад страны — Мурманская, Архангельская и Ленинградская области. А также южные регионы — Краснодарский край, Карачаево-Черкесия, Ростовская, Волгоградская, Астраханская области, Калмыкия, считает президент Российской ассоциации ветровой индустрии Игорь Брызгунов.

В конце июля текущего года глава правительства Дмитрий Медведев своим распоряжением продлил действие программы поддержки ветрогенерации на оптовом рынке электрической энергии и мощности. Поддержка продлена на четыре года — с 2020 по 2024 год. Всего до 2024 года планируется ввести объектов ветрогенерации на 3600 МВт мощности, в 2015-2016 годах — на 50 и 51 МВт соответственно. «Документ направлен на поддержание необходимого уровня конкуренции на рынке ветроэнергетики и инвестирование в развертывание нового производственного оборудования», — говорится в пояснительной записке.

Мы живём в мире будущего, хотя не во всех регионах это заметно. В любом случае возможность развития новых источников энергии сегодня всерьёз обсуждается в прогрессивных кругах. Одним из самых перспективных направлений выступает солнечная энергетика.

На данный момент около 1% электроэнергии на Земле получается вследствие переработки солнечного излучения. Так почему мы до сих пор не отказались от других «вредных» способов, и откажемся ли вообще? Предлагаем ознакомиться с нашей статьей и попытаться самостоятельно ответить на этот вопрос.

Как солнечная энергия преобразуется в электричество

Начнём с самого важного – каким образом солнечные лучи перерабатываются в электроэнергию.

Сам процесс носит название «Солнечная генерация» . Наиболее эффективные пути его обеспечения следующие:

• фотовольтарика;
• гелиотермальная энергетика;
• солнечные аэростатные электростанции.

Рассмотрим каждый из них.

Фотовольтарика

В этом случае электрический ток появляется вследствие фотовольтарического эффекта . Принцип такой: солнечный свет попадает на фотоэлемент, электроны поглощают энергию фотонов (частиц света) и приходят в движение. В итоге мы получаем электрическое напряжение.

Именно такой процесс происходит в солнечных панелях, основу которых составляют элементы, преобразующие солнечное излучение в электричество.

Сама конструкция фотовольтарических панелей достаточно гибкая и может иметь разные размеры. Поэтому в использовании они очень практичны. К тому же панели имеют высокие эксплуатационные свойства: устойчивы к воздействию осадков и перепадам температур.

А вот как устроен отдельный модуль солнечной панели :

О применении солнечных батарей в качестве зарядных устройств, источников питания частных домах, для облагораживания городов и в медицинских целях можно почитать в .

Современные солнечные панели и электростанции

Из недавних примеров можно отметить солнечные панели компании SistineSolar . Они могут иметь любой оттенок и текстуру в отличие от традиционных тёмно-синих панелей. А это значит, что ими можно «оформить» крышу дома так, как Вам заблагорассудится.

Другое решение предложили разработчики Tesla. Они выпустили в продажу не просто панели, а полноценный кровельный материл, перерабатывающий солнечную энергию. содержит встроенные солнечные модули и также может иметь самое разнообразное исполнение. При этом сам материал гораздо прочнее обычной кровельной черепицы, у Solar Roof даже гарантия бесконечная.

В качестве примера полноценной СЭС можно привести недавно построенную в Европе станцию с двусторонними панелям. Последние собирают как прямое солнечное излучение, так и отражающее. Это позволяет повысить эффективность солнечной генерации на 30%. Эта станция должна вырабатывать в год около 400 МВт*ч.

Интерес вызывает и крупнейшая плавучая СЭС в Китае . Её мощность составляет 40 МВт. Подобные решения имеют 3 важных преимущества:

• нет необходимости занимать большие наземные территории, что актуально для Китая;
• в водоёмах уменьшается испаряемость воды;
• сами фотоэлементы меньше нагреваются и работают эффективнее.

Кстати, эта плавучая СЭС была построена на месте заброшенного угледобывающего предприятия.

Технология, основанная на фотовольтарическом эффекте, является наиболее перспективной на сегодня, и по оценкам экспертов солнечные панели уже в ближайшие 30-40 лет смогут производить около 20% мировой потребности электроэнергии.

Гелиотермальная энергетика

Тут подход немного другой, т.к. солнечное излучение используется для нагревания сосуда с жидкостью. Благодаря этому она превращается в пар, который вращает турбину, что приводит в выработке электричества.

По такому же принципу работают тепловые электростанции, только жидкость нагревается посредством сжигания угля.

Самый наглядный пример использования данной технологии – это станция Иванпа Солар в пустыне Мохаве. Она является крупнейшей в мире солнечной гелиотермальной электростанцией.

Работает она с 2014 года и не использует никакого топлива для производства электричества – только экологически чистая солнечная энергия.

Котёл с водой располагается в башнях, которые Вы можете видеть в центре конструкции. Вокруг расположено поле из зеркал, направляющих солнечные лучи на вершину башни. При этом компьютер постоянно поворачивает эти зеркала в зависимости от расположения солнца.

Солнечный свет концентрируется на башне

Под воздействием концентрированной солнечной энергии вода в башне нагревается и становится паром. Так возникает давление, и пар начинает вращать турбину, вследствие чего выделяется электричество. Мощность этой станции – 392 мегаватт, что вполне можно сопоставить со средней ТЭЦ в Москве.

Интересно, что подобные станции могут работать и ночью. Это возможно благодаря помещению части разогретого пара в хранилище и постепенном его использовании для вращения турбины.

Солнечные аэростатные электростанции

Это оригинальное решение хоть и не получило широкого применения, но всё же имеет место быть.

Сама установка состоит из 4 основных частей:

• Аэростат – располагается в небе, собирая солнечное излучение. Внутрь шара поступает вода, которая быстро нагревается, становясь паром.
• Паропровод – по нему пар под давлением спускается к турбине, заставляя её вращаться.
• Турбина – под воздействием потока пара она вращается, вырабатывая электрическую энергию.
• Конденсатор и насос – пар, прошедший через турбину, конденсируется в воду и поднимается в аэростат с помощью насоса, где снова разогревается до парообразного состояния.

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.

Проблемы развития солнечной энергетики

Несмотря на реализацию идей по поддержанию работы солнечных электростанций в ночное время, никто не застрахован от капризов природы. Затянутое облаками небо в течение нескольких дней значительно понижает выработку электричества, а ведь населению и предприятиям необходима его бесперебойная подача.

Строительство солнечной электростанции – удовольствие не из дешёвых. Это обусловлено необходимостью применять редкие элементы в их конструкции. Не все страны готовы растрачивать бюджеты на менее мощные электростанции, когда есть рабочие ТЭС и АЭС.

Для размещения таких установок необходимы большие площади, причём в местах, где солнечное излучение имеет достаточный уровень.

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.

• Устройство и принцип работы
• Где применяются?
• Преимущества устройства

В настоящее время актуальной становится обеспеченность энергоресурсами отдаленных и труднодоступных районов. Причин этому несколько. Во-первых, электричество - незаменимый элемент комфортного существования современного человека. Во-вторых, снижение затрат за пользование электричеством и постоянная бесперебойная его подача имеют большое значение в наше время. Солнечный генератор - это прибор, с помощью которого можно решить вопросы энергообеспеченности и экономии энергоресурсов.

Устройство и принцип работы

Солнечный генератор представляет собой металлический корпус-моноблок со съемной крышкой. Он состоит из нескольких несложных элементов:

1. Фотопанели, которые создают постоянный ток.
2. Аккумулятор для накопления энергии.
3. Инвертор, преобразующий постоянный ток в переменный.
4. Контроллер заряда, накапливающий энергию в аккумуляторе.

Принцип работы: солнечная панель собирает энергию от солнца и сохраняет её в аккумуляторе для использования в дальнейшем. При этом вырабатывается постоянный ток. Также батареи обеспечивают питание максимальной нагрузки, то есть ток нагрузки обеспечивает сумма токов от солнечной батареи и аккумулятора.

Если нужно получить 220В переменного тока, то следует использовать преобразователи постоянного тока в переменный. Энергия солнца в генераторе может применяться также напрямую разными нагрузками постоянного тока.

Солнечный генератор электроэнергии имеет предохранительные модули, защищающие от превышения допустимых значений тока и напряжения. Что важно - если в какое-то время нет солнечных лучей, то генератор можно подзарядить от обыкновенной электросети.

Где применяются?

Солнечные генераторы бывают разных моделей и имеют различные характеристики (а именно производительность, ёмкость аккумулятора, время, необходимое для зарядки и т.д.). Но чаще всего у них у всех выходные параметры - розетки на 220 В и выходы на 12 В, а также в наличии дисплей, отображающий работу прибора.
Несмотря на свою универсальность, генераторы на солнечных батареях зависят от погодных условий. А потому могут применяться только в качестве резервного или вспомогательного источника электроэнергии. Особую актуальность это имеет для жилых домов, тем более в отдаленных уголках страны и районах с нестабильным электроснабжением.

Солнечные батареи устанавливаются на улице в местах с наибольшим доступом солнечных лучей, ведь их эффективность напрямую зависима от освещенности. Чаще всего ставят их на крышах домов либо на других подходящих участках. При этом желательно предусмотреть возможность менять угол наклона фотоэлементов. Например, увеличив её до 75-80 градусов, получаем то, что лучи солнца в 12-00 дня практически перпендикулярны поверхности батареи. Солнечные батареи устанавливаются и подключаются очень просто, их удобно обслуживать. К генератору они подключаются с помощью специального сетевого шнура.

Солнечный генератор создан для использования в качестве основного и дополнительного (резервного, аварийного) источника тока частных домов и коттеджей, дач, объектов торговли, демонстрационных площадок, туристических баз и тому подобное. У него весьма обширный спектр использования. Можно применять для обеспечения электричеством осветительных и бытовых приборов (холодильников, телевизоров, ноутбуков, компьютеров, оргтехники), электроинструмента, дренажных и циркуляционных насосов, отопительных котлов и так далее. Время автономной работы у всех моделей разное, но практически все они довольно производительны и могут работать непрерывно до 10-12 часов.

Преимущества устройства

Солнечный генератор имеет такие преимущества:

1. Не зависит от электросети, заряд от энергии солнца.
2. Возможность подзарядки от сети 220 В (или даже от прикуривателя).
3. Выходная мощность переменного тока до 1500 Вт.
4. На выходе 220 В переменного и 12 В постоянного тока.
5. Не боится короткого замыкания.
6. Не зависит от топлива (бензин, дизельное топливо), так как его не потребляет.
7. Работа без шумов.
8. Отсутствие вредных выбросов, альтернативный источник электроэнергии.
9. Возможность применения в помещениях без вентиляции.
10. Эстетичный дизайн, компактность и удобство использования.
11. Наличие светодиодного индикатора зарядки аккумулятора.
12. Регулируемый кронштейн для крепления солнечных панелей.
13. Легко транспортируется.
14. Экономит электроэнергию.

Свой генератор электричества - удовольствие не из дешевых. На начальном этапе придётся понести определенные затраты на его приобретение и установку. Он дороже привычных топливных моделей. Но не стоит об этом беспокоиться, так эти первоначальные инвестиции достаточно быстро окупятся, и уже спустя несколько лет Вы будете наслаждаться бесперебойным электроснабжением, экономя при этом свои деньги.

Можно ли собрать устройство самостоятельно?

Сейчас можно приобрести любую модификацию солнечного генератора, а можно сделать его своими руками. Для этого достаточно иметь необходимые знания по его строению и принципу работы. Можно собрать генератор электрической энергии с любым напряжением и током на выходе путем соединения цепочек фотоэлементов или батарей в последовательно-параллельные комбинации. При этом важно помнить, что параллельное подключение увеличивает мощность, а последовательное - напряжение.

Ни для кого не секрет, что природные ресурсы, используемые человеком, начинают заканчиваться. А благодаря альтернативным источникам энергии, таким как солнечный генератор можно сохранить природные ресурсы и восстанавливать их запасы. В наше время появились технологии, позволяющие использовать на пользу человека щедрый источник энергии - солнечные лучи.

Солнце - это безвозмездный совершенно чистый и неиссякаемый источник энергии. Генератор электрической энергии, несомненно, будет способствовать сохранению экологии на нашей планете и жизни будущих поколений.

Все комментарии о перспективах солнечной энергетики делятся на 2 категории: «Вот молодцы, а мы только нефть жгем» и "EROEI ! Производство солнечных батарей требует больше энергии чем они производят!".

Въедливый читатель наверняка подумает: Как это производит меньше, чем требуется на производство? Их же поставил - они работают, каши не просят, 10 лет, 50 лет, 100 лет - значит суммарная произведенная энергия равна бесконечности, и они должны быть выгодны при любой стоимости постройки…

Как обстоит все на самом деле, какие есть подходы к солнечной генерации, что ограничивает КПД солнечных элементов, какие гениальные идеи уже были реализованы и почему солнечная энергетика как-то не активно захватывает мир - см. ниже.

Сколько энергии мы получаем от солнца?

На каждый квадратный метр от солнца приходит 1367 Ватт энергии (солнечная постоянная). До земли через атмосферу - доходит порядка 1020 Ватт (на экваторе). Если у нас КПД солнечного элемента 16% - то с квадратного метра мы можем получать в лучшем случае 163,2 Ватта электричества. Но ведь у нас есть погода, солнце не в зените, иногда бывает ночь (разной длительности) - как это все посчитать?

Годовая инсоляция все это учитывает, включая и тип установки солнечной батареи (параллельно земле, под оптимальным углом, со слежением за солнцем) и дает нам понять, сколько электричества можно будет выработать за год в среднем (в кВт*ч/м 2 , без учета КПД солнечной батареи):

Т.е. мы видим, что если мы возьмем 1 км2 солнечных батарей, установим под оптимальным углом в Москве (40.0°), то за год сможем выработать 1173*0.16 = 187.6 ГВт*ч. При цене 3 рубля за кВт/ч _условная_ стоимость сгенерированной энергии будет - 561 млн рублей. Почему условная - выясним ниже.

Основные подходы к получению энергии от солнца

Солнечные тепло-электространции

Огромное поле поворачиваемых зеркал отражает солнце на солнечный коллектор, где тепло превращается в электроэнергию двигателем Стирлинга, или нагревом воды и далее - обычные паровые турбины как на ТЭЦ. КПД - 20-30%.

Также существует вариант с линейным параболическим зеркалом (поворачивать нужно только вокруг одной оси):

Какова цена вопроса? Если посмотреть на электростанцию Ivanpah (392 МВт) в которую опосредованно вложился Google - стоимость её строительства составила 2.2 млрд $, или 5612$ на кВт установленной мощности. В Википедии даже радостно написано, что это хоть и дороже угольных электростанций, но якобы дешевле атомных.

Однако тут есть пара нюансов - 1кВт установленной мощности на АЭС стоит на самом деле 2000-4000$ (в зависимости от того кто строит), т.е. Ivanpah на самом деле уже получается дороже АЭС. Затем, если посмотреть на годовую оценку выработки электроэнергии - 1079 ГВт*ч, и разделить на количество часов в году, то среднегодовая мощность получается 123.1МВт (ведь станция у нас генерирует только днем).

Это доводит «усредненную» стоимость строительства до 17871 $/кВт, что не просто дорого, а фантастически дорого. Дороже наверное только в космосе электричество вырабатывать. Обычные электростанции на газе обходятся в 500-1000$/кВт, т.е. в 18-36 раз дешевле , и работают всегда, а не как повезет.

И последнее - в стоимость строительства не включены аккумуляторы, вообще. Если сюда добавить аккумуляторы (о них ниже) или строительство гидроаккумулирующей электростанции - стоимость вылезет через крышу.

У солнечных теплоэлектростанций есть возможность генерировать электричество круглосуточно, используя большой объем нагретого за день теплоносителя. Такие станции тоже есть, но стоимость их стараются не писать, видимо чтобы никого не пугать.

Полупроводниковые фотоэлементы (фотовольтаика, PV) - идея очень простая, берем полупроводниковый диод большой площади. Когда квант света влетает в pn-переход - генерируются пара электрон-дырка, которые создают перепад напряжения на выводах этого диода (около 0.5В для кремниевого фотоэлемента).

КПД у кремниевых солнечных батарей - около 16%. Почему так мало?

На формирование электронно-дырочной пары требуется определенная энергия, не больше и не меньше. Если квант света прилетает с энергией меньшей, чем нужно - то он не может вызвать генерацию пары, и проходит через кремний как через стекло (потому кремний прозрачен для инфракрасного света дальше 1.2мкм). Если квант света прилетает с энергией большей чем нужно (зеленый свет и короче) - пара генерируется, но лишняя энергия теряется. Если энергия еще выше (синий и ультрафиолетовый свет) - квант может просто не успеть долететь до глубины залегания p-n перехода.

Помимо этого, свет может отразиться от поверхности - чтобы избежать этого на поверхность наносят анти-отражающее покрытие (как на линзах в фотообъективах), и могут поверхность сделать в виде гребенки (тогда после первого отражения у света будет еще один шанс).

Увеличить КПД выше 16% у фотоэлементов можно комбинируя несколько разных фотоэлементов (на основе других полупроводников, и соответственно с другой энергией требуемой для генерации пары электрон-дырка) - сначала ставим тот, что эффективно поглощает синий свет, а зеленый, красный и ИК - пропускает, затем зеленый, и на конец красный и ИК. Именно на таких 3-х ступенчатых элементах и достигаются рекордные показатели эффективности в 44% и выше.

К сожалению, 3-х ступенчатые фотоэлементы оказываются очень дорогими, и сейчас балом правят обычные дешевые одноступенчатые кремниевые фотоэлементы - именно за счет очень низкой цены они вырываются вперед по показателю Ватт/$, Стоимость одного ватта для кремниевых фотоэлементов с вводом гигантских производств в Китае опустилась до ~0.5$/Ватт (т.е. за 500$ можно купить солнечных элементов на 1000 Ватт).

Основные типы кремниевых элементов - монокристаллические (более дорогие, чуть выше КПД) и поликристаллические (дешевле в производстве, буквально на 1% меньше КПД). Именно поликристаллические солнечные батареи сейчас дают самую низкую стоимость 1 Ватта генерируемой мощности.

Из проблем - солнечные батареи не вечные. Даже если не брать в расчет пыль и грязь (надеемся на дождь и ветер), за счет фотодеградации за 20 лет эксплуатации лучшие кремниевые элементы теряют ~15% мощности. Возможно дальше деградация замедляется, но это все равно нужно учитывать.

Пройдемся теперь по основным попыткам увеличить экономическую эффективность:

А давайте возьмем маленький высокоэффективный фотоэлемент и параболическое зеркало
Это называется concentrated photovoltaics. Идея в принципе неплоха - зеркало дешевле, чем солнечная батарея, да и КПД можно иметь 40% а не 16… Проблема только с тем, что теперь нужна (ненадежная) механика для слежения за солнцем, и наша огромная поворотная тарелка должна быть достаточно прочной, чтобы противостоять порывам ветра. Другая проблема - когда солнце заходит за не слишком плотные тучи - выработка энергии падает до нуля, т.к. параболическое зеркало не может рассеянный свет фокусировать (у обычных солнечных батарей выработка конечно падает, но не до 0).

С падением цен на кремниевые солнечные батареи этот подход оказался слишком дорогим (как по установочной стоимости, так и обслуживанию)

А давайте сделаем солнечные элементы круглыми, разместим на крыше, а крышу покрасим в белый цвет
Этим занималась печально известная нынче компания Solyndra, с подачи Барака Обамы получившая гос.гарантию по кредиту в 535 миллионов долларов от американского министерства энергетики… и внезапно объявившая банкротство. Круглые солнечные батареи делали, напыляя слой полупроводника (в их случае Copper indium gallium (di)selenide) на стеклянные трубы. Эффективность солнечных батарей получалась 8.5% (да, получилось хуже простых и дешевых кремниевых).

Яркий пример того, как американский капитализм при должном лоббировании способен по инерции вкачать огромные ресурсы в принципиально не эффективные технологии. По результатам работы никого не посадили.

Дорога ложка к обеду

Теперь после этого буйства непрерывного усовершенствования технологий открываем грустную страницу истории. Солнечные электростанции генерируют электричество днем, а оно больше всего нужно вечером:

Это значит, что если аккумуляторов у нас нет, электростанции на вечерний пик потребления все равно строить придется, а днем - часть должны быть выключены, а часть - находиться в горячем резерве, чтобы если тучки соберутся над солнечной электростанцией - мгновенно заместить выпавшую солнечную генерацию.

Получается, если мы обязываем покупать электричество у солнечных электростанций по обычной цене тогда, когда оно у них генерируется - мы фактически перераспределяем прибыль от существующих классических генерирующих мощностей, которые вынуждены днем простаивать в резерве в пользу солнечных.

Есть и такой интересный вариант - если где-то вечерний пик потребления - где-то на земле разгар дня. Может строить солнечную электростанцию именно там, а электричество передавать по ЛЭП? Это возможно, но требует передачи энергии на расстояния порядка 5-8 тыс км, что также требует огромных капитальных затрат (по крайней мере пока мы не перешли на сверхпроводники) и согласований с кучей стран. Примерно в этом направлении развивался проект Desertec - генерация в Африке, передача в Европу.

Аккумуляторы

Итак, 1 Вт солнечная батарея стоит 0.5$. За день она сгенерирует допустим 8Вт*ч электричества (за 8 солнечных часов). Как нам эту энергию сохранить до вечера, когда она будет больше всего нужна?

Китайские литиевые аккумуляторы стоят примерно 0.4$ за Вт*ч, соответственно, на 1Вт солнечной батареи (ценой в 0.5$) нам понадобится аккумуляторов на 3.2$, т.е. аккумулятор получается в 6 раз дороже солнечной батареи! Помимо этого нужно учитывать, что через 1000-2000 циклов заряд-разряд аккумулятор придется заменить, а это всего 3-6 лет службы. Может есть аккумуляторы дешевле?

Самые дешевые - свинцово-кислотные (которые естественно далеко не «зеленые»), их оптовая цена - 0.08$ за Вт*ч, соответственно, на сохранение дневной выработки нам нужно аккумуляторов на 0.64$, что снова больше стоимости самих солнечных батарей. Свинцовые аккумуляторы также быстро умирают, 3-6 лет службы в таком режиме. Ну и на десерт - КПД свинцовых аккумуляторов - 75% (т.е. четверть энергии теряется в цикле заряд-разряд).

Существует также вариант с гидроаккумулирующими электростанциями (днем - закачиваем воду «вверх» насосом, ночью - работаем как обычная гидроэлектростанция) - но их строительство также обходится дорого, и не везде возможно (КПД - до 90%).

Из-за того, что аккумуляторы получаются дороже самой солнечной электростанции, в крупных электростанциях их и не предусматривают, продавая электричество в распределительную сеть сразу по мере генерации, рассчитывая ночью и вечером на обычные электростанции.

Какова же справедливая цена нерегулируемой солнечной генерации?

Возьмем например Германию, как лидера по развитию солнечной энергетики. Каждый кВт сгенерированный солнечными электростанциями там выкупают по 12.08-17.45 евроцентов за кВт*ч, не взирая на то, что генерируют они в дневной минимум потребления. Все чего они добиваются этим - экономия Российского газа, т.к. газовые электростанции все равно должны быть построены и быть в горячем резерве (и все их остальные расходы остаются неизменными - зарплаты, кредиты, обслуживание).

С экономической точки зрения, было бы справедливо, если бы солнечные электростанции получали ровно столько, сколько они позволяют сэкономить на топливе газовым электростанциям.

Допустим стоимость российского газа - 450 $ за 1 тыс. м3. Из этого объема можно выработать 39000 ГДж ≈10.8*0,4 GWh ≈ 4.32 GWh электричества (при КПД генерации 40%), соответственно, на 1 кВт*ч солнечного электричества мы экономим российского газа на 0.104$ = 7.87 евроцента. Именно такая должна быть справедливая стоимость нерегулируемой солнечной генерации, и похоже Германия постепенно идет к этой цифре, но на данный момент солнечная энергетика в Германии получается на 50% дотируемой.

Резюме

Поликристаллические солнечные батареи дают самое дешевое солнечное электричество, порядка 0.5$/Ватт, остальные способы намного дороже.

Проблема солнечной энергетики не в КПД солнечных элементов, не в EROEI (он действительно в теории бесконечен), и не в их цене - а в том, что сгенерированную энергию очень дорого хранить до вечера. Т.е. основная проблема - аккумуляторы, которые сейчас уже дороже, чем солнечные батареи и при этом имеют короткий срок службы (3-6 лет).

На данный момент крупномасштабную солнечную генерацию без аккумуляторов можно рассматривать только как способ сэкономить днем небольшую часть ископаемого топлива, она принципиально не может уменьшить количество необходимых классических электростанций (газовых, угольных, АЭС, гидро) - они все равно должны стоять в резерве днем, и полностью брать на себя нагрузку в вечерний пик потребления.

Если в будущем с помощью (жестоких) тарифов удасться сместить пик потребления на день - строительство солнечных электростанций обретет бОльший смысл (например, если тарифы будут такие, что будет выгодно включать электролизное производство алюминия и водорода только днем).

Стоимость «нерегулируемой» солнечной генерации нельзя сопоставлять со стоимостью генерации на классических электростанциях - т.к. они генерируют когда получится, а не когда нужно. Справедливая стоимость нерегулируемой солнечной электроэнергии должна быть равна стоимости сэкономленного ископаемого топлива, и не более - для газа по 450$ справедливая цена солнечной генерации не выше 0.1$ за 1кВт*ч (соответственно, в Германии солнечная генерация дотируется на ~50%).

«Честная» солнечная энергетика (с аккумуляторами) сегодня может быть экономически оправданна лишь в удаленных районах, где нет возможности подключиться к сети (как например в случае отдаленной, одиноко стоящей базовой станции сотовой связи).

Самая большая проблема солнечной энергетики - ископаемое топливо пока слишком дешевое, чтобы солнечная генерация была экономически оправданной.