Получение электроэнергии
В отличие от тепловых коллекторов, электричество обычно преобразуется из солнечного излучения в так называемых солнечных батареях — полупроводниковых пластинках, последовательно соединенных между собой. Электричество вырабатывается за счет фотоэффекта. Это наиболее узнаваемый вид преобразователей, именно такие обычно располагаются на крышах домов, иногда автомобилей, в различных технических устройствах вроде калькуляторов. Также такие преобразователи — один из основных способов получения электроэнергии на космических аппаратах, они работают долгое время и без расхода каких-либо материалов.
Большинство современных видов применяемых солнечных батарей имеют КПД немногим больше 20%. Рекорд КПД для созданной в лабораторных условиях солнечной батареи составляет 24,7 %. Таким образом, грубо говоря, полезная мощность солнечной батареи может составлять 160 ватт на квадратный метр (для Центральной Европы). При этом следует также учитывать фактор старения: в среднем за 25 лет КПД солнечной батареи уменьшаетя на 10%.
В качестве материала для производства солнечных элементов сегодня используется кремний. Второй по распространенности на Земле, после кислорода, элемент. На кремний приходится более четверти общей массы земной коры. Минус в том, что встречается он в виде окиси - SiO2. Это тот самый песок, которым наполняют детские песочницы и используют при замешивании цементного раствора. Извлечь из него чистый кремний весьма сложно. Настолько сложно, что стоимость силициума (так химики называют кремний), в котором не более 1 грамма примесей на 10 килограммов продукта, сопоставима со стоимостью обогащенного урана, используемого на атомных электростанциях. 3апасы кремния превышают запасы урана почти в 100 000 раз, однако хорошего «солнечного» вещества человечество добывает в шесть раз меньше, чем хорошего атомного урана.
Из тонны кварцевого песка, в котором находится около 500 кг кремния при самой распространенной на сегодняшний день технологии электродугового извлечения и хлорсилановой очистке получают 50-90 кг солнечного силициума. При этом на получение 1 кг расходуется столько энергии, что «киловаттный» чайник мог бы на ней непрерывно работать в течение 250 часов. Все это тем более странно оттого, что новые, гораздо более удачные технологии давно существуют. Еще в 1974 году немецкая фирма Siemens научилась получать чистый кремний с помощью карботермического цикла, который энергозатраты уменьшают на порядок, а выход продукта увеличивается в 10-15 раз. Соответственно, и стоимость получаемого кремния падает до 5-15 долларов за килограмм.
Здесь-то и кроется особая выгода для России. Для немецкой технологии простой песок уже не подходит, тут нужны так называемые «особо чистые кварциты», самые крупные залежи которых находятся в нашей стране, причем наши кварциты наиболее качественные и их запасов хватит на всех.
Преимуществами солнечных батарей являются отсутствие потребности в топливе, отсутствие шума и эмиссии вредных веществ, отсутствие механического износа, минимальное обслуживание (низкие амортизационные отчисления), отсутствие промежуточных фаз преобразования энергии. Недостатками солнечных батарей является перманентная зависимость мощности от местных условий, времени суток и года, относительная дороговизна, маленький коэффициент полезного действия и чувствительность к механическим повреждениям.
Второй способ — производство электроэнергии в традиционном роторном генераторе, используя солнечное тепло для его работы. Солнечное излучение собирается коллекторами и полученное тепло погощается теплоносителем. В качестве теплоносителей используются обычно масла или растворы солей. Теплоноситель в таких системах разогревается до 500 градусов Цельсия.
Первая промышленная солнечная электростанция была построена в 1985 году в СССР в Крыму, недалеко от города Щелкино. СЭС-5 имела пиковую мощность 5 МВт. Столько же, сколько у первого ядерного реактора. За 10 лет работы она выработала всего 2 миллиона кВт.час электроэнергии, однако стоимость ее электричества оказалась довольно высокой, и в середине 90-х ее закрыли. В это время работы активизировались в Штатах, где компания Loose lndustries в самом конце 1989 года запустила 80-мегаваттную солнечно-газовую электростанцию. За следующие 5 лет та же компания, только в Калифорнии, построила таких СЭС еще на 480 МВт и довела стоимость одного «солнечно-газового» кВт.часа до 7-8 центов. Что совсем неплохо по сравнению с 15 центами за кВт.час энергии - во столько обходится электричество, производимое на АЭС.
Самым главным недостатком таких конструкция является их размер. Они занимают большие площади и поэтому их строительство перспективно только в пустынях. Также для строительство необходимо большое количество металла (по некоторым данным в 10-15 раз больше в пересчете на единицу производимой энергии). Однако стоимость энергии в 5-7 раз меньше, чем при использовании полупроводниковых панелей.
Так, к югу от Лос-Анджелеса построена СЭС мощностью 80 МВт, причем затраты на ее строительство быстро окупились, получаемая энергия на 1/3 дешевле, чем энергия АЭС.
Помимо этого, в Калифорнии продолжается строительство 2-х крупнейших в мире солнечных электростанций. В сумме два объекта занимают площадь 32, 37 кв. км и имеют производственную мощность 800 МВт. Это эквивалентно энергии, вырабатываемой крупной электростанцией на угле или небольшой АЭС.
Большую часть энергии, 550 МВт, будет вырабатывать станция, строящаяся компанией Optisolar. Станция, строящаяся компанией SunPower, будет производить 250 МВт энергии, при этом ее эффективность будет увеличена на 30% благодаря возможности солнечных панелей поворачиваться вслед за солнцем. Строительство гигантских солнечных электростанций должно завершиться в 2013 г.
Как отмечается в исследовании компании РосБизнесКонсалтинг «Рынок фотовольтаики: солнечные батареи», при оптимистическом сценарии развития мирового рынка фотоэлектричества, к 2013 г. мощность ежегодно устанавливаемых фотоэлектрических систем превысит 17 ГВт!
Как показывает начало 2010 г., мировой рынок фотовольтаики развивается именно по оптимистическому сценарию. Так, в США началось финансирование проекта Ivanpah. Компания BrightSource Energy сообщила о предоставлении ей Министерством энергетики США займа в размере 1, 37 млрд долл. для поддержки проекта. Предполагается, что проект будет совмещать технологии солнечных фотоэлектрических и тепловых электростанций. Общая мощность проекта составляет порядка 400 МВт.
Воздействие на окружающую среду
Механическое и химическое воздействие.
Как обсуждалось выше установки солнечных электростанций некоторых типов могут быть весьма масштабными и массивными. Поэтому обычно располагаются за пределами крупных населенных пунктов. Солнечные электростанции не оказывают вибрационного и шумового воздействий, как ветряные станции. Однако, как любые капитальные сооружения должны строиться с учетом геологического строения.
Солнечные электростанции характерны тем, что во время непосредственного использования эмиссия загрязняющих веществ практически равна нулю. Самые «грязные» этапы солнечной энергетики — это производство полупроводниковых элементов и их утилизация после окончания срока службы.