Солнечная энергетика – одна из наиболее динамически развивающихся отраслей альтернативной (возобновляемой) энергии. Она основана на преобразовании энергии, излучаемой Солнцем, в другие типы энергии, например, в электричество или тепло. Солнечная энергетика – исключительно экологична, она не оказывает никакого влияния на окружающую среду. 

Её развитие стимулируется как чисто экономическими факторами (к таким можно отнести постоянно растущие цены на традиционные (уголь, нефть, торф, газ) источники энергии, снижение стоимости оборудования для станций, работающих на возобновляемых (альтернативных) источниках энергетики при увеличении их производительности, что в целом приводит к снижению себестоимости вырабатываемой электроэнергии.

Солнечная электростанция – инженерное сооружение, служащее преобразованию солнечной радиации в электрическую энергию. 

Способы преобразования солнечной радиации различны и зависят от конструкции электростанции.

СЭС башенного типа

Данные электростанции основаны на принципе получения водяного пара с использованием солнечной радиации. В центре станции стоит башня высотой от 18 до 24 метров (в зависимости от мощности и некоторых других параметров высота может быть больше либо меньше), на вершине которой находится резервуар с водой. Этот резервуар покрашен в чёрный цвет для поглощения теплового и видимого излучения. Также в этой башне находится насосная группа, доставляющая воду в резервуар от турбогенератора, который находится вне башни. По кругу от башни на некотором расстоянии располагаются гелиостаты. Гелиостат – зеркало площадью в несколько квадратных метров, закреплённое на опоре и подключённое к общей системе позиционирования. То есть, в зависимости от положения солнца, зеркало будет менять свою ориентацию в пространстве. Основная и самая трудная задача – это позиционирование всех зеркал станции так, чтобы в любой момент времени все отражённые лучи от них попали на резервуар. В ясную солнечную погоду температура в резервуаре может достигать 700 оC. Такие температурные параметры используются на большинстве традиционных тепловых электростанций, поэтому для получения энергии используются стандартные турбины. Фактически на станциях такого типа можно получить сравнительно большой КПД (около 20 %) и высокие мощности.

СЭС тарельчатого типа

Данный тип СЭС использует принцип получения электроэнергии, схожий с таковым у башенных СЭС, но есть отличия в конструкции самой станции. Станция состоит из отдельных модулей. Модуль состоит из опоры, на которую крепится ферменная конструкция приемника и отражателя. Приёмник расположен примерно в области концентрации отражённого солнечного света. Отражатель состоит из зеркал в форме, напоминающей тарелки (отсюда название), радиально расположенных на ферме. Диаметры этих зеркал достигают 2 метров, а количество зеркал – нескольких десятков (в зависимости от мощности модуля). Такие станции могут состоять как из одного модуля (автономные), так и из нескольких десятков (работа параллельно с сетью).

СЭС, использующие фотоэлектрические модули

СЭС этого типа в настоящее время очень распространены, так как в общем случае СЭС состоит из большого числа отдельных модулей (фотобатарей) различной мощности и выходных параметров. Данные СЭС широко применяются для энергообеспечения как малых, так и крупных объектов (частные коттеджи, пансионаты, санатории, промышленные здания и т. д.). Фотоэлектрические модули и массивы производят электричество постоянного тока. Они могут быть подключены как в последовательном, так и в параллельном электрическом устройстве к инвертору, для получения любой требуемой комбинации напряжения и тока. Устанавливаться фотобатареи могут практически везде, начиная от кровли и фасада здания и заканчивая специально выделенными территориями. Установленные мощности тоже колеблются в широком диапазоне, начиная от снабжения отдельных насосов, заканчивая электроснабжением городов.

СЭС, использующие параболоцирические концентраторы

Принцип работы данных СЭС заключается в нагревании теплоносителя до параметров, пригодных к использованию в турбогенераторе. Конструкция СЭС: на ферменной конструкции устанавливается длинное параболоцилиндрическое зеркало, а в фокусе параболы устанавливается трубка, по которой течет теплоноситель (чаще всего масло). Пройдя весь путь, теплоноситель разогревается и в теплообменных аппаратах отдаёт теплоту воде, которая превращается в пар и поступает на турбогенератор.

СЭС, использующие двигатель Стирлинга

Представляют собой СЭС с параболическими концентраторами, у которых в фокусе установлен двигатель Стирлинга. Существуют конструкции двигателей Стирлинга, которые непосредственно преобразуют колебания поршня в электрическую энергию, без использования кривошипно-шатунного механизма. Это позволяет достичь высокой эффективности преобразования энергии. Эффективность таких электростанций достигает 31,25 %. В качестве рабочего тела используется водород или гелий.

Аэростатные СЭС

Аэростатные солнечные станции (СЭС) бывают 2 типов: первый – солнечные элементы располагаются на поверхности аэростата. При этом КПД не превышает КПД солнечных батарей и составляет около 15 % (в пределе может достигать 40 %). В конструкции второго типа в качестве рефлектора используется параболическая, вогнутая давлением газа, металлизированная плёнка, которая служит для концентрации солнечной энергии. Стоимость квадратного метра которой мала в сравнении с солнечными батареями и любыми отражающими поверхностями. Располагаясь на высоте более 20 км аэростат не боится затенения при облачной погоде, а двигаясь с воздушными потоками не испытывает ветровых нагрузок. Верхняя часть выполнена из прозрачной плёнки с армировкой, посредине парабола пленочного концентратора из армированной металлизированной плёнки, а в фокусе – термопреобразователь, охлаждаемый легким газом-водород, для системы с разложением воды, либо гелий в случае наличия системы дистанционной передачи энергии- например радио- или свч-излучением. Ориентировка шара на солнце осуществляется за счёт перекачки балластной жидкости (вода для водородного цикла), точная ориентировка – гироскопами. При необходимости в одном дирижабле может находиться несколько плавающих шаровидных модулей.

Комбинированные СЭС

Часто на СЭС различных типов дополнительно устанавливают теплообменные аппараты для получения горячей воды, которая используется как для технических нужд, так и для горячего водоснабжения и отопления. В этом и состоит суть комбинированных СЭС. Также на одной территории возможна параллельная установка концентраторов и фотобатарей, что тоже считается комбинированной СЭС.

Солнечно-вакуумные электростанции

Используют энергию воздушного потока, искусственно создаваемого путём использования разности температур воздуха в приземном слое воздуха, нагреваемого солнечными лучами в закрытом прозрачными стёклами участке, и на некоторой высоте. Состоят из накрытого стеклянной крышей участка земли и высокой башни, у основания которой расположена воздушная турбина с электрогенератором. Вырабатываемая мощность растет с ростом разности температур, которая увеличивается с высотой башни. Путём использования энергии нагретой почвы способны работать почти круглосуточно, что является их серьёзным преимуществом.

Электростанции, работающие на основе солнечной энергии, являются, пожалуй, одной из самых перспективных отраслей, занимающихся выработкой экологически чистой энергии. Однако есть у них один весьма существенный недостаток: в облачную погоду или ночью они «простаивают». А можно ли заставить их работать и в темное время суток? Давайте разбираться.

Благодаря совместным усилиям специалистов из Университета Кертин (Австралия), а также компаний United Sun Systems и ITP Thermal был разработан новый тип термальной батареи, который и поможет электростанциям работать на полную мощность даже в условиях ночи.

Термальная батарея может запасать энергию и хранить ее до тех пор, пока, грубо говоря, «энергии солнца не окажется недостаточно». В этот момент ранее накопленная энергия идет на работу электростанции вместо энергии солнца. После того, как солнце снова сможет обеспечивать полноценную работу турбин станции, батарея снова начнет накапливать заряд.

На самом деле, идея разработки подобной батареи не нова. На сегодняшний день в солнечных электростанциях уже используются литиевые батареи. Но они применяются лишь в качестве запаса и отдают ее для нужд питаемых объектов также, как и ваш телефон начинает терять заряд после того, как вы отключите его от источника питания. В случае с термальной батареей же все гораздо интереснее.

Сохранение энергии происходит следующим образом: когда солнечная энергия имеется в избытке, она запасается в топливных элементах на основе газообразного водорода. В тот момент, когда наступает ночь или небо застилается тучами, водород вступает во взаимодействие с ионами металлов. Из-за разницы в температурах между водородом и металлом, происходит реакция с образованием гидрида (то есть соединение металла с водородом), в результате которой выделяется тепло. Именно оно и идет на питание турбины электростанции. После остывания водород и металл разъединяются, позволяя вновь накапливать солнечную энергию.

Таким образом получается, что солнечная энергия просто «запасается» для работы установки и позволяет получать электричество (с минимальными потерями) в темное или пасмурное время суток.

Крупнейшая в мире термальная солнечная электростанция построена на дне пересохшего озера Айвонпа, расположенного в пустыне Мохаве, на границе Невады и Калифорнии.  Площадь "зеленого" объекта составляет 14 км².

Запуск  СТЭС состоялся в феврале 2014 года.  Айвонпа принадлежит компаниям NRG Energy, Google и BrightSource Energy и обеспечивает электроэнергией 140000 домов в Калифорнии. Её заявленная мощность составляет 392 МВт. На возведение электростации ушло три года и обошлась  владельцам она в сумму свыше 2,2 млрд долларов.

Электростанция выполнена по двухконтурному принципу, первый из них осуществляет теплообмен с солнечными концентраторами, используя в качестве рабочего тела расплав термической соли. 347000 саморегулируемых зеркал (гелиостатов) направляют свет на три 140-метровые башни, на вершинах которых расположены огромные резервуары. После получения разогретого сплава, процесс перетекает из первого контура во второй (паровой), где используется турбогенераторами в течение суток. В случае неблагоприятных погодных условий для получения пара используется сжигание природного газа. Для уменьшения потерь воды используется сухое охлаждение второго контура. Обслуживанием станции занимаются около 100 сотрудников.

По заявлениям специалистов, эта термальная солнечная электростанция позволяет серьезно сократить выбросы углекислого газа. По примерным оценкам положительный для экологии эффект сравним с  сокращением автомобильного траффика в Калифорнии на 72000 транспортных средств. В таких «солнечных» штатах, как Аризона, Невада, Калифорния и других уже выделено 17 участков под строительство аналогичных солнечных электростанций.

Разумеется, не обходится и без критики. По сравнению с газовыми электростанциями СТЭС Айвонпа обходится вчетверо дороже, а генерирует гораздо меньше электроэнергии. Согласно подсчетам ряда экспертов, в будущем электроэнергия, вырабатываемая этой станцией, будет стоить вдвое дороже, чем получаемая от обычных источников энергии, и расходы, очевидно, будут переложены на потребителей. Также во время строительства СТЭС не обошлось без протестов со стороны защитников природы. 

Безусловно, сам метод добычи энергии экологичен и в долгосрочной перспективе эффективен, но огромная территория, которую занимает Айвонпа и процесс ее строительства лишил черепах и других представителей фауны пустыни привычных мест обитания. Еще одной проблемой стали сфокусированные солнечные лучи, которые обжигают птиц, пролетающих над станцией. 

Гелиоелектростанция Gemasolar первой в мире смогла производить энергию круглосуточно. Конструкция вышки состоит из центральной вышки и 2600 зеркал, расположенных вокруг нее. Заявленная мощность в 19,9 МВт позволяет обеспечивать электричеством 25000 домов. Станция является совместным проектом Испании и Арабских Эмиратов, в который вложено более 410000000 долларов. Станция была удостоена двух премий: Коммерческая Технологическая Инновация 2011 года и Наиболее Эффективная Разработка Проекта 2011 года от US CSP Today.

Энергия, которую вырабатывает станция, по высоковольтным линиям электропередач направляется на подстанцию в Вильянуэва-дель-Рей (Андалузия, Испания), после чего вливается в общую энергосеть.

Фотоэлектрическая солнечная электростанция Батагайская официально признана ассоциацией Guinness World Records самым северным в мире объектом фотовольтаики. Заявленная мощность станции составляет 1 МВт. В конструкцию станции входят 3360 поликристаллических панелей по 300 Вт каждая.

Батагай расположен в Якутском Верхоянском улусе. В регионе крайне плохо развита инфраструктура, что усложняет доставку горючего для функционирования энергетических объектов. Возведение станции позволило значительно покрыть энергетические требования.

Солнечный парк Тэнгэр (Tengger Desert Solar Park) – крупнейшая СЭС в мире. Объект расположен в Китае и занимает площадь в 43 км². Заявленная мощность станции составляет 1547 МВт.

Солнечный парк Тэнгэр называют "Великой солнечной стеной". Размер СЭС более, чем в десять раз превышает размеры Центрального парка в Нью-Йорке. Максимальная мощность в 1,5 гигаватт сопоставима с показателями большинства атомных электростанций. 

Китайская компания Panda Power Plant создала самую милую солнечную электростанцию в мире. С высоты птичьего полета становится очевидным, что СЭС построена в форме панды – животного, которое пользуется в стране особой любовью. Найти станцию можно неподалеку от города Датун. Заявленная мощность станции составляет 50 МВт, но в будущем планируется увеличение выработки энергии вдвое. В конструкции СЭС используются монокристаллические силиконовые элементы черного цвета и белые тонкопленочные солнечные батарею. Именно таким образом удалось добиться характерного рисунка.

Самые большие солнечные электростанции на Земле

Для некоторых частей света использование солнечной энергии имеет наибольший смысл. Возьмем для примера пустыни Египта и Индии. При интенсивном солнечном свете в течение всего дня почти круглый год солнце может стать ключом к удовлетворению постоянно растущих потребностей этих стран в электроэнергии.

В 1968 году итальянский профессор Джованни Франсия (Giovanni Francia) построил Сант-Иларио, Италия, первую электростанцию на основе концентратора солнечной энергии. В то время солнечная энергия концентрировалась с помощью группы зеркал, а затем сохранялась в различных устройствах для накопления энергии. За последние 50 лет солнечные технологии значительно изменились, но одно можно сказать наверняка: популярность солнечной энергии продолжает расти. Строительство крупномасштабных солнечных электростанций переживает период подъема.

Определение крупномасштабного солнечного проекта будет различным в зависимости от того, кого вы об этом спросите. Этот термин применялся к проектам с генерируемой мощностью от 25 кВт до более чем 50 МВт, а также к любым проектам с промежуточной мощностью. Ассоциация солнечной энергетики (SEIA) называет крупномасштабным любой проект с генерируемой мощностью более 1 МВт в год. Для простоты мы согласимся с этим определением.

Проще говоря, крупномасштабный проект солнечной энергетики означает очень, очень большую солнечную электростанцию. Эти объекты появляются практически на всех континентах (за исключением Антарктиды, хотя там также есть небольшой солнечный проект). Станции ежегодно производят от 500 до 5000 МВт чистой солнечной энергии.

Крупнейшие в мире проекты в настоящее время находятся в стадии разработки, и это выглядит как всеобщая гонка за первенство. Ниже мы приводим список крупнейших в мире солнечных ферм по регионам в порядке возрастания.

Крупнейшая солнечная электростанция в США

Благодаря наличию обширных, преимущественно необитаемых пустынных районов, в Калифорнии построены крупнейшие солнечные электростанции в США. Среди них – Topaz Solar Star и Desert Sunlight, каждая из которых производит 550 МВт солнечной энергии в год. Однако ни одна из них не превосходит Solar Star в Розамонд, штат Калифорния (ранее известную как Antelope Valley Solar Projects). Solar Star вырабатывает 579 МВт в год. Станция была запущена в эксплуатацию в июне 2015 года, и по проектной мощности являлась в то время крупнейшей действующей солнечной фермой. На станции установлено 1.7 млн солнечных панелей, расположенных на 3200 акрах в самой западной части долины пустыни Мохаве. Solar Star достигла такой мощности благодаря использованию более эффективных солнечных панелей из кристаллического кремния, которые вырабатывают больше мощности, чем стандартные маломощные тонкопленочные теллурид-кадмиевые (CdTe) фотогальванические панели, используемые на солнечных электростанциях Topaz и Desert Sunlight. Solar Star производит достаточно электроэнергии, чтобы обеспечить 255000 домов. Станция расположена в 90 минутах езды от Лос-Анджелеса. 

Крупнейшая солнечная ферма на американских континентах

Мексика посвятила себя экологически чистой энергии. Страна планирует к 2024 году получать 35% своей энергии из возобновляемых источников. Для достижения этой цели Мексика неуклонно расширяет солнечный парк Villanueva в Коауила. Villanueva вырабатывает 754 МВт в год и включает в себя две солнечные фермы: Villanueva 1 мощностью 427 МВт и Villanueva 3 мощностью 327 МВт. Предприятие планирует ежегодно увеличивать выработку солнечной энергии, чтобы достичь конечной цели – 1700 ГВт·ч в год. Villanueva станет крупнейшей станцией компании Enel Green Power.

Крупнейшая солнечная ферма в Азии

Китай имеет наибольшую мощность солнечных электростанций по сравнению с любой другой страной мира. В целом с помощью солнечных электростанций страна вырабатывает 130 ГВт энергии в год. И это впечатляет. Для сравнения: этого количества более чем достаточно, чтобы питать чистой энергией все Соединенное Королевство. Китай не только располагает наибольшими генерирующими мощностями, но также имеет крупнейшую солнечную электростанцию в мире с точки зрения ее размеров и количества производимой энергии. Tengger Desert генерирует впечатляющие 1500 МВт в год. Ферма, прозванная «Великая солнечная стена», протянулась на 745 миль и заняла 3.2% всей пустыни Тэнгэр. В Китае также есть несколько других крупных солнечных ферм, включая расположенную на Тибетском плато Longyangxia Dam с выработкой 850 МВт.

Средний восток

Египет также участвует в гонке за создание крупнейшей солнечной фермы в мире, развивая свой новый проект солнечной энергетики стоимостью 2.8 млрд долларов. К югу от Каира в Нубийской пустыне Египет строит солнечную электростанцию, мощность которой составит 1.8 ГВт. Новая солнечная ферма строится на участке пустыни площадью 235 акров. Она будет состоять примерно из 200000 фотогальванических панелей, для большей эффективности поворачивающихся вслед за движением солнца. Проект был запущен, чтобы помочь нации в достижении поставленной цели: увеличить к 2022 году долю возобновляемой энергии в 20%. По завершении строительства это будет крупнейшая солнечная ферма в мире, при условии, что строительство завершится раньше, чем в Индии, или по этому поводу не скажут что-нибудь ОАЭ.

Pavagada Solar Park

Ни Китаю, ни Египту не удастся долго удерживать титул обладателя крупнейшей солнечной фермы в Азии. На это место претендует Индия, создавая солнечную ферму площадью 20 квадратных миль в техническом центре Карнатака. Для создания парка потребуется 2 млрд долларов. После завершения строительства парк мощностью 2 ГВт, как ожидается, будет обеспечивать энергией 700000 домов. Первая фаза проекта уже завершена и выдает энергию. Работы продолжаются, хотя и достаточно медленно из-за проблем, связанных с высокой стоимостью проекта. Тем не менее, готовый проект станет крупнейшим в Азии. Стоит также отметить, что в Индии находятся одни из самых больших солнечных парков на земле.

Солнечный парк Mohammed bin Rashid Al Maktoum

Мы оставили лучшее напоследок. Самым впечатляющим проектом солнечной энергетики на планете на сегодняшний день является солнечный парк имени Мохаммеда бин Рашида Аль Мактума в Объединенных Арабских Эмиратах (ОАЭ), расположенный в 50 милях к югу от Дубая. Парк назван в честь премьер-министра ОАЭ. Предполагается, что по завершении проекта в 2030 году он будет вырабатывать 5000 МВт электроэнергии в год, что позволит Дубаю к 2050 году достичь конечной цели и получать из чистых источников 75% энергии. Этот солнечный парк не только является самым амбициозным на планете, но также и самым крутым. Уже находящийся в стадии разработки, он будет представлять собой самую большую солнечную башню в мире высотой более 850 футов, которая будет давать 700 МВт чистой энергии. Станция развивается поэтапно. Предполагается, что к 2030 году мощность станции составит 5000 МВт. 

Гигантские солнечные электростанции являются относительно новым начинанием. В июне 2010 года в мире действовало всего 34 крупных солнечных проекта. Сегодня их сотни. Нас впечатляет энтузиазм, с которым страны всего мира стремятся к созданию будущего, основанного на чистой энергии, но солнечная энергетика не обходится без проблем.

В краткосрочной перспективе солнечным фермам нужны обширные участки земли и значительное количество воды. Это создает угрозу для природных экосистем, флоры и фауны в этих районах. Недавнее исследование также показало, что температура под солнечными панелями понижается на 5 °C, что может значительно повлиять на местное сельское хозяйство. Солнечные батареи также создают в 300 раз больше токсичных отходов на единицу, чем атомная энергетика, и при неправильной утилизации могут привести к опасным последствиям для здоровья человека. Это особенно важно для солнечных электростанций в развивающихся странах, таких как Индия и Руанда.

Другие недостатки солнечной энергии связаны с ее использованием. То, что солнечные фермы могут вырабатывать несколько гигаватт энергии, не означает, что всей этой энергии можно найти применение. Солнечные фермы требуют обширного пространства и располагаются вдали от крупных городов, которым требуется электроэнергия. Таким образом, большая часть собранной солнечной энергии не используется. В Китае в среднем 30% солнечной энергии тратится впустую из-за инфраструктурных проблем.

Предлагаемое в настоящее время решение этой проблемы предполагает создание суперсетей, которые могут брать энергию из отдаленных мест и распределять ее по крупным городским районам. Так, например, предложена суперсеть, которая будет охватывать большую часть Азии и России, а также суперсеть, объединяющая ЕС.