Глава VI. Альтернативные источники

6.1 СЭС

ПРИНЦИП РАБОТЫ

Принцип работы современных солнечных электростанций (СЭС) основан на сборе сконцентрированной солнечной энергии при помощи зеркал и отражении солнечных лучей на приемники, которые собирают солнечную энергию и преобразуют его в тепло. Эта тепловая энергия может быть использована для производства электроэнергии с помощью паровой турбины или теплового двигателя, который приводит в действие генератор.

Фотоэлектрические элементы, названные в ученой среде как солнечные элементы, являются устройствами из полупроводниковых материалов и служат для выработки электричества. Фотоэлектрические элементы бывают разных размеров, объемов и форм. Их чаще всего объединяют между собой в фотоэлектрические модули, а модули — соединяют в фотоэлектрические батареи.

ПЛЮСЫ

• Возобновляемость

Говоря о солнечной энергии, в первую очередь, необходимо упомянуть, что это - возобновляемый источник энергии, в отличие от ископаемых видов топлива - угля, нефти, газа, которые не восстанавливаются. По данным NASA еще порядка 6.5 млрд. лет жителям Земли не о чем беспокоиться - приблизительно столько Солнце будет согревать нашу планету своими лучами до тех пор, пока не взорвется.

• Обильность

Потенциал солнечной энергии огромен - поверхность Земли облучается 120 тыс. тераваттами солнечного света, а это в 20 тыс. раз превышает общемировую потребность в ней.

• Постоянство

Кроме того, солярная энергия неисчерпаема и постоянна - ее нельзя перерасходовать в процессе удовлетворения нужд человечества в энергоносителях, так что ее хватит в избытке и на долю будущих поколений.

• Доступность

Помимо прочих достоинств солнечной энергии, она доступна в каждой точке мира - не только в экваториальной зоне Земли, но и в северных широтах. Скажем, Германия на данный момент занимает первое место в мире по использованию энергии солнца и обладает максимальным ее потенциалом.

• Экологическая чистота

В свете последних тенденций в борьбе за экологическую чистоту Земли, солнечная энергетика - это наиболее перспективная отрасль, которая частично заменяет энергию, получаемую от невозобновляемых топливных ресурсов и, тем самым, выступает принципиальным шагом на пути защиты климата от глобального потепления. Производство, транспортировка, монтаж и использование солнечных электростанций практически не сопровождается вредными выбросами в атмосферу. Даже если они и присутствуют в незначительной мере, то по сравнению с традиционными источниками энергии - это почти что нулевое воздействие на окружающую среду.

• Бесшумность

За счет того, что в системах на солнечном ресурсе нет никаких движущихся узлов, как, например, в генераторах, выработка электроэнергии происходит бесшумно.

• Экономичность, низкие эксплуатационные расходы

Перейдя на солнечные батареи в качестве автономного источника энергии, собственники частых домов получают ощутимую экономию. Немаловажно и то, что обслуживание систем энергоснабжения на солнечных батареях характеризуется низкими затратами - необходимо лишь несколько раз в год подвергать чистке солнечные элементы, а гарантия производителя на них, как правило, составляет 20-25 лет.

• Обширная область применения

Солнечная энергия обладает широким спектром приложений - это и выработка электроэнергии в регионах, где отсутствует подключение к централизованной системе электроснабжения, и опреснение воды в Африке, и даже снабжение энергией спутников на околоземной орбите. Не напрасно солярную энергию последнее время называют "народной" - это название отражает простоту ее интегрирования в систему электроснабжения дома, как в случае с фотоэлектрическими, так и с тепловыми элементами.

МИНУСЫ

• Высокая стоимость

Бытует мнение, что солнечная энергия относится к разряду дорогостоящего ресурса - это, пожалуй, самый спорный вопрос из всех положительных и отрицательных аспектов ее использования. За счет того, что обустройство дома солнечными накопительными элементами обходится в немалую сумму на начальном этапе, многие государства (но пока не Россия) поощряют использование данного экологически чистого источника энергии путем выдачи кредитов и оформления договоров о лизинге.

• Непостоянство

За счет того, что солнечный свет отсутствует в ночное время, а также в пасмурные и дождливые дни, солнечная энергия не может служить основным источником электроэнергии. Но, по сравнению с ветрогенераторами, это, все-таки, более стабильный вариант.

• Высокая стоимость аккумулирования энергии

Аккумуляторные батареи, позволяющие накапливать энергию и сглаживать, в какой-то мере, нестабильность поступления солнечной энергии, отличает высокая цена, доступная не каждому домовладельцу. Упрощает ситуацию тот факт, что пик потребления электроэнергии приходится как раз на светлое время суток.

• Незначительное загрязнение окружающей среды

Несмотря на то, что по сравнению с производством и переработкой других видов энергоресурсов солнечная энергия наиболее дружественна к природной среде, некоторые технологические процессы изготовления солнечных панелей сопровождаются выбросом парниковых газов, трифторида азота и гексафторида серы.

• Применение дорогостоящих и редких компонентов

Выпуск тонкопленочных солнечных панелей требует введения теллурида кадмия (CdTe) или селенида меди индия галлия (CIGS), которые являются редкими и дорогостоящими - это влечет за собой удорожание системы альтернативного энергоснабжения в целом.

• Малая плотность мощности

Одним из важных параметров источника электроэнергии выступает средняя плотность мощности, измеряемая в Вт/м2 и характеризующая количество энергии, которое можно получить с единицы площади энергоносителя. Данный показатель для солнечного излучения составляет 170 Вт/м2 - это больше, чем у прочих возобновляемых природных ресурсов, но ниже, чем у нефти, газа, угля и в атомной энергетике. По этой причине, для выработки 1 кВт электроэнергии из солнечного тепла требуется значительная площадь солнечных панелей.

• Вред для окружающей среды при производстве

Во время производства элементов для солнечных батарей происходит огромный выброс токсичных веществ в атмосферу.

В данный момент на СЭС приходится всего 1 % от всей вырабатываемой электроэнергии, однако прирост за последние 10 лет увеличился на 400 %, что несомненно является прекрасным показателем. Лидерами в выработке электроэнергии являются:

1.Германия

Установленная мощность: 35,3 ГВт

Доля в общемировой солнечной генерации: 25,5% Германия уже который год является «флагманом» мировой солнечной энергетики, однако в 2013 году рост мощностей в стране был минимальным. Связано это с сокращением государственных дотаций производителям солнечной энергии. Впрочем, планов к 2050 году вырабатывать 80% потребляемой энергии с помощью возобновляемых источников энергии руководство страны не отменяет. Уникальной особенностью производства солнечной энергии в Германии является то, что 90% всех панелей расположены на крышах домов. Кроме того, половина солнечных электростанций принадлежит частным лицам, а не генерирующим компаниям. 2.Китай Установленная мощность: 19,9 ГВт.

Доля в общемировой солнечной генерации: 14,3%. В 2013 году Китай совершил настоящий прорыв в использовании солнечной энергетики, заняв первое место в мире по суммарному увеличению мощности (12,9 ГВт). Этого удалось достичь благодаря огромным капиталовложениям в высокотехнологичное производство. Планы руководства КНР на 2015 год еще более амбициозны: довести мощность солнечных электростанций до 35 ГВт.

3.Италия Установленная мощность: 17,5 Гвт.

Доля в общемировой солнечной генерации: 12,5%. Бум солнечной энергетики в стране начался в 2003 году. Ежегодные дотации в эту отрасль доходили до 10 млрд евро, что делало их самыми большими в мире. С 2005 по 2010 год в Италии законодательно субсидировалась электроэнергия, вырабатываемая с помощью солнечных станций. В последний год темпы роста существенно снизились, но Италия по-прежнему остается одним из главных производителей солнечной энергии, обеспечивая с ее помощью 7% потребностей страны в электроэнергии. 4.Япония Установленная мощность: 13,5 ГВт.

Доля в общемировой солнечной генерации: 9,7%. После аварии на АЭС Фукусима Япония взяла курс на развитие возобновляемых источников энергии (ВИЭ). В 2011 году был принят закон, по которому энергетические компании обязали в течение 20 лет закупать электричество, полученное с помощью ВИЭ. К 2020 году в планах Страны восходящего солнца довести мощность солнечных электростанций до 28 ГВт.

5.США Установленная мощность: 12,2 ГВт

Доля в общемировой солнечной генерации: 8,7% США являются лидером в области финансирования исследований солнечной энергии. Кроме того, производители электроэнергии из ВИЭ пользуются широкой государственной поддержкой. Согласно оценкам Министерства энергетики США, на солнечную энергию к 2050 году будет приходиться 27% всей вырабатываемой страной электроэнергии (сейчас 1%). 

6.2 ВЭС

ПРИНЦИП РАБОТЫ

Ветряные электростанции производят электричество за счет энергии перемещающихся воздушных масс — ветра. Для ветряных электростанций с горизонтальной осью вращения минимальная скорость ветра составляет:

• 4-5 м/сек — при мощности >= 200 кВт

• 2-3 м/сек — если мощность <= 100 кВт.

Ветроэлектростанция -  это мачта, наверху которой размещается контейнер с генератором и редуктором. К оси редуктора ветряной электростанции прикреплены лопасти. Контейнер электростанции поворачивается в зависимости от направления ветра.

Ветряные электростанции с вертикальной осью вращения менее популярны. Сам генератор находится под мачтой, и главное, необходимость ориентации на ветер отсутствует. Ветряные электростанции с вертикальной осью вращения требуют для стабильной работы более высоких скоростей ветра и предварительного запуска от внешнего источника энергии.

ПЛЮСЫ

1. Отсутствие загрязнения окружающей среды - производство энергии из ветра не приводит к выбросам вредных веществ в атмосферу или образованию отходов.

2. Использование возобновляемого, неисчерпаемого источника энергии, экономия на топливе, на процессе его добычи и транспортировки.

3. Территория в непосредственной близости может быть полностью использована для сельскохозяйственных целей.

4. Стабильные расходы на единицу полученной энергии, а также рост экономической конкурентоспособности по сравнению с традиционными источниками энергии.

5. Минимальные потери при передаче энергии – ветряная электростанция может быть построена как непосредственно у потребителя, так и в местах удаленных, которые в случае с традиционной энергетикой требуют специальных подключений к сети.

6. Простое обслуживание, быстрая установка, низкие затраты на техническое обслуживание и эксплуатацию.

МИНУСЫ

1. Высокие инвестиционные затраты - они имеют тенденцию к снижению в связи с новыми разработками и технологиями. Также стоимость энергии из ветра постоянно снижается.

2. Изменчивость мощности во времени - производство электроэнергии зависит, к сожалению, от силы ветра, на которую человек не может повлиять.

3. Шум – исследования шума, выполненные с использованием новейшего диагностического оборудования, не подтверждают негативного влияния ветряных турбин. Даже на расстоянии 30-40 м от работающей станции, шум достигает уровня шума фона, то есть уровня среды обитания.

4. Угроза для птиц - в соответствии с последними исследованиями, вероятность столкновения лопастей ветряка с птицами не больше, чем в случае столкновения птицы с высоковольтными линиями традиционной энергетики.

5. Возможность искажения приема сигнала телевидения - незначительна.

6.Изменения в ландшафте.

ВЭС является вторым по популярности альтернативным источником электроэнергии

Его доля вдвое меньше в 2 раза, чем у СЭС. Страны лидеры по данному показателю являются Дания 42 % всего электричества; Португалии — 27 %; Никарагуа — 21 %; Испании — 20 %; Ирландии — 19 %; Германии — 8 %.