Солнечная энергия

Первые три блока концентрированной солнечной энергии (CSP) испанской солнечной электростанции Solnova на переднем плане, с солнечными электростанциями PS10 и PS20 на заднем плане.

Эта карта солнечных ресурсов представляет собой сводную информацию о предполагаемой солнечной энергии, доступной для производства электроэнергии и других энергетических приложений. Он представляет собой среднюю дневную / годовую сумму производства электроэнергии подключенной к сети солнечной фотоэлектрической электростанцией с пиковой мощностью 1 кВт за период с 1994/1999/2007 (в зависимости от географического региона) до 2015 года. Источник: Global Solar Atlas

Часть серии о
Устойчивая энергия
Обзор
Углеродно-нейтральное топливо Поэтапный отказ от ископаемого топлива
Энергосбережение
Когенерация Эффективное использование энергии Хранилище энергии Зеленое здание Тепловой насос Микрогенерация
Возобновляемая энергия
Гидроэлектроэнергия Солнечная Ветер Биоэнергетика Геотермальный Морская энергия
Экологичный транспорт
Электромобиль Зеленый автомобиль Подключаемый гибрид
Портал возобновляемой энергии  Портал окружающей среды
v т е

Солнечная энергия является преобразование энергии от солнечного света в электричество , либо непосредственно с помощью фотовольтаики (PV), косвенно с использованием концентрированной солнечной энергии , или комбинацию. Концентрированные солнечные энергетические системы используют линзы или зеркала и системы слежения за солнцем, чтобы сфокусировать большую площадь солнечного света в небольшой луч. Фотоэлектрические элементы преобразуют свет в электрический ток с помощью фотоэлектрического эффекта . ^[1]

Первоначально фотоэлектрические элементы использовались исключительно в качестве источника электроэнергии для малых и средних предприятий, от калькулятора с питанием от одного солнечного элемента до удаленных домов с питанием от автономной солнечной фотоэлектрической системы на крыше. Коммерческие концентрированные солнечные электростанции были впервые разработаны в 1980-х годах. Поскольку стоимость солнечной электроэнергии упала, количество соединенных с сетью солнечных фотоэлектрических уже выросла в миллионы и коммунальных предприятий фотоэлектрических электростанций с сотнями мегаватт строятся. Солнечные фотоэлектрические панели быстро превращаются в недорогую низкоуглеродную технологию для использования возобновляемых источников энергии.с Солнца. В настоящее время крупнейшая фотоэлектрическая электростанция в мире - это солнечная электростанция Павагада , Карнатака, Индия, с генерирующей мощностью 2050 МВт. ^[2]

Международное энергетическое агентство по прогнозам , в 2014 году , что в его сценарии «высокие возобновляемые источники энергии», к 2050 году, солнечных батарей и концентрированной солнечной энергии будет способствовать около 16 и 11 процентов, соответственно, мировое потребление электроэнергии и солнечной будет самым большим источником в мире электричество. Большинство солнечных установок будет в Китае и Индии . ^[3] В 2019 году солнечная энергия обеспечивала 2,7% от общего мирового производства электроэнергии, что на 24% больше, чем в предыдущем году. ^[4] По состоянию на октябрь 2020 года несубсидируемая приведенная стоимость электроэнергии для солнечной энергии в коммунальном масштабе составляет около 36 долларов за МВтч. ^[5]

Основные технологии

Многие промышленно развитые страны установили значительные мощности солнечной энергии в свои сети, чтобы дополнить или предоставить альтернативу традиционным источникам энергии, в то время как все большее число менее развитых стран обратились к солнечной энергии, чтобы снизить зависимость от дорогого импортного топлива (см. Солнечную энергию по странам ) . Передача на большие расстояния позволяет удаленным возобновляемым источникам энергии заменить потребление ископаемого топлива. Солнечные электростанции используют одну из двух технологий:

• В фотоэлектрических (PV) системах используются солнечные панели на крышах домов или на наземных солнечных фермах , которые преобразуют солнечный свет непосредственно в электроэнергию.
• Концентрированные солнечные электростанции (CSP, также известные как «концентрированные солнечные тепловые») используют солнечную тепловую энергию для производства пара, который затем преобразуется в электричество с помощью турбины.

Фотоэлектрические элементы

Солнечные батареи или фотоэлемент (PV), представляет собой устройство , которое преобразует свет в электрический ток , используя фотоэлектрический эффект . Первый солнечный элемент был построен Чарльзом Фриттсом в 1880-х годах. ^[7] Немецкий промышленник Эрнст Вернер фон Сименс был среди тех, кто осознал важность этого открытия. ^[8] В 1931 году немецкий инженер Бруно Ланге разработал ячейку фотографий с использованием селенида серебра вместо оксида меди , ^[9] , хотя прототип селен клетки превращают менее 1% падающего света в электричество. По произведениям Рассела ОляВ 1940-х годах исследователи Джеральд Пирсон, Кэлвин Фуллер и Дэрил Чапин создали кремниевый солнечный элемент в 1954 году. ^[10] Эти первые солнечные элементы стоили 286 долларов США за ватт и достигли эффективности 4,5–6%. ^[11] В 1957 году Мохамед М. Аталла разработал процесс пассивации поверхности кремния путем термического окисления в Bell Labs . ^{[12] [13]} С тех пор процесс пассивации поверхности имеет решающее значение для эффективности солнечных элементов . ^[14]

Массив фотоэлектрической системы питания или фотоэлектрической системы вырабатывает мощность постоянного тока (DC), которая колеблется в зависимости от интенсивности солнечного света. Для практического использования обычно требуется преобразование в определенные желаемые напряжения или переменный ток (AC) с помощью инверторов . ^[6] Внутри модулей подключено несколько солнечных элементов. Модули соединяются вместе, образуя массивы, а затем подключаются к инвертору, который вырабатывает мощность с желаемым напряжением, а для переменного тока - с желаемой частотой / фазой. ^[6]

Многие бытовые фотоэлектрические системы подключены к сети везде, где это возможно, особенно в развитых странах с большими рынками. ^[15] В этих подключенных к сети фотоэлектрических системах использование накопителей энергии не является обязательным. В некоторых приложениях, таких как спутники, маяки или в развивающихся странах, батареи или дополнительные генераторы энергии часто добавляются в качестве резервных. Такие автономные системы питания позволяют работать в ночное время и в другое время с ограниченным солнечным светом.

Концентрированная солнечная энергия

Концентрированная солнечная энергия (CSP), также называемая «концентрированной солнечной тепловой энергией», использует линзы или зеркала и системы слежения для концентрации солнечного света, а затем использует полученное тепло для выработки электричества от обычных паровых турбин. ^[16]

Существует широкий спектр технологий концентрирования: среди самых известных - параболический желоб , компактный линейный отражатель Френеля , тарелка Стирлинга и солнечная энергетическая башня . Для отслеживания солнца и фокусировки света используются различные методы. Во всех этих системах рабочая жидкость нагревается концентрированным солнечным светом, а затем используется для выработки или хранения энергии. ^[17] Тепловой накопитель позволяет производить до 24 часов электроэнергии. ^[18]

Параболический желоб состоит из линейного параболического отражателя , что концентраты света на приемник , расположенные вдоль фокальной линии отражателя. Приемник представляет собой трубку, расположенную вдоль фокальных точек линейного параболического зеркала и заполненную рабочей жидкостью. Рефлектор должен следовать за солнцем в дневное время, отслеживая его по одной оси. Системы параболических желобов обеспечивают лучший коэффициент землепользования среди всех солнечных технологий. ^[19] В солнечные генерирующие энергетические системы растений в Калифорнии и Acciona в Неваде Solar One возле Боулдер - Сити, штат Невада , представители этой технологии. ^{[20] [21]}

Компактные линейные отражатели Френеля - это CSP-установки, которые используют множество тонких зеркальных полос вместо параболических зеркал для концентрации солнечного света на двух трубках с рабочей жидкостью. Это имеет то преимущество, что можно использовать плоские зеркала, которые намного дешевле, чем параболические зеркала, и что на том же пространстве можно разместить больше отражателей, что позволяет использовать больше доступного солнечного света. Концентрирующие линейные отражатели Френеля могут использоваться как на крупных, так и на более компактных установках. ^{[22] [23]}

В Стирлинга солнечные блюдо сочетает в себе параболические концентрируя блюдо с двигателем Стирлинга , который обычно приводит в действие электрический генератор. Преимуществами солнечных батарей Стирлинга перед фотоэлектрическими элементами являются более высокая эффективность преобразования солнечного света в электричество и более длительный срок службы. Системы параболической тарелки обеспечивают наивысшую эффективность среди технологий CSP. ^[24] Большая тарелка мощностью 50 кВт в Канберре , Австралия, является примером этой технологии. ^[20]

Башни солнечной энергии использует массив отслеживания отражателей ( гелиостатов ) сконцентрировать свет на центральный приемник на вершине башни. Силовые башни могут достичь более высокой эффективности (преобразование тепла в электричество), чем схемы CSP с линейным отслеживанием, и лучшей способности аккумулировать энергию, чем технологии перемешивания тарелок. ^[20] PS10 Солнечная электростанция и PS20 солнечной электростанции являются примерами этой технологии.

Гибридные системы

Гибридная система сочетает (C) PV и CSP друг с другом или с другими формами генерации, такими как дизельное топливо, ветер и биогаз . Комбинированная форма генерации может позволить системе модулировать выходную мощность в зависимости от спроса или, по крайней мере, уменьшить неустойчивый характер солнечной энергии и потребление невозобновляемого топлива. Гибридные системы чаще всего встречаются на островах.

Система CPV / CSP

Была предложена новая гибридная солнечная система CPV / CSP, сочетающая в себе фотоэлектрические концентраторы с не-фотоэлектрической технологией концентрированной солнечной энергии, также известной как концентрированная солнечная энергия. ^[25]

Интегрированная система солнечного комбинированного цикла (ISCC)

Электростанция Хасси R'Mel в Алжире является примером объединения CSP с помощью газовой турбины, где в 25 мегаватт CSP- параболические корыта добавки массива гораздо больше 130 МВт комбинированного цикла газовой турбины завода. Другой пример - электростанция Йезд в Иране.

Фотоэлектрический тепловой гибридный солнечный коллектор (PVT)

Также известный как гибридный фотоэлектрический преобразователь, преобразователь солнечного излучения в тепловую и электрическую энергию. Такая система дополняет друг друга солнечным (PV) модулем и солнечным тепловым коллектором .

Концентрированные фотоэлектрические и тепловые (CPVT)

Концентрированная фотоэлектрическая термогибридная система похожа на PVT-систему. Он использует концентрированную фотоэлектрическую энергию (CPV) вместо традиционной фотоэлектрической технологии и сочетает ее с солнечным тепловым коллектором.

Фотоэлектрическая дизельная система

Он сочетает в себе фотоэлектрическую систему с дизельным генератором . ^[26] Возможны комбинации с другими возобновляемыми источниками энергии , включая ветровые турбины . ^[27]

PV- термоэлектрическая система

Термоэлектрические или «термоэлектрические» устройства преобразуют разницу температур между разнородными материалами в электрический ток. Солнечные элементы используют только высокочастотную часть излучения, а низкочастотную тепловую энергию тратят впустую. Было зарегистрировано несколько патентов на использование термоэлектрических устройств в тандеме с солнечными элементами. ^[28]

Идея состоит в том, чтобы повысить эффективность комбинированной солнечной / термоэлектрической системы для преобразования солнечного излучения в полезное электричество.

Разработка и внедрение

Первые дни

Раннее развитие солнечных технологий, начавшееся в 1860-х годах, было обусловлено ожиданием того, что скоро уголь станет дефицитом. Чарльз Фриттс установил первую в мире фотоэлектрическую солнечную батарею, использующую селеновые элементы с эффективностью 1% , на крыше Нью-Йорка в 1884 году. ^[37] Однако развитие солнечных технологий застопорилось в начале 20-го века перед лицом растущей доступности , экономика и полезность угля и нефти . ^[38] В 1974 году было подсчитано, что только шесть частных домов во всей Северной Америке полностью отапливались или охлаждались с помощью действующих систем солнечной энергии. ^[39] 1973 нефтяного эмбарго и 1979 энергетический кризисвызвали реорганизацию энергетической политики во всем мире и привлекли повышенное внимание к развитию солнечных технологий. ^{[40] [41]} Стратегии развертывания были сосредоточены на программах стимулирования, таких как Федеральная программа утилизации фотоэлектрических систем в США и Программа Sunshine в Японии. Другие усилия включали создание исследовательских центров в США (SERI, теперь NREL ), Японии ( NEDO ) и Германии ( Fraunhofer ISE ). ^[42] Между 1970 и 1983 годами количество установок фотоэлектрических систем быстро росло, но падение цен на нефть в начале 1980-х замедлило рост фотоэлектрических систем с 1984 по 1996 год.

С середины 1990-х до начала 2010-х годов

В середине 1990-х годов развитие как жилых, так и коммерческих солнечных станций на крыше, а также фотоэлектрических электростанций в коммунальном масштабе снова начало ускоряться из-за проблем с поставками нефти и природного газа, проблем глобального потепления и улучшения экономического положения фотоэлектрических станций по сравнению с другие энергетические технологии. ^[43] В начале 2000-х годов принятие зеленых тарифов - политического механизма, который отдает приоритет возобновляемым источникам энергии в сети и определяет фиксированную цену на производимую электроэнергию - привело к высокому уровню безопасности инвестиций и к резкому росту числа развертываний фотоэлектрических систем в Европе.

Текущее состояние

В течение нескольких лет мировой рост солнечных фотоэлектрических систем был обусловлен развертыванием в Европе , но с тех пор переместился в Азию, особенно в Китай и Японию , а также во все большее число стран и регионов по всему миру, включая, помимо прочего, Австралию , Канада , Чили , Индия , Израиль , Мексика , Южная Африка , Южная Корея , Таиланд и США . В 2012 году Токелаустала первой страной, которая полностью питалась от фотоэлектрических элементов, с системой мощностью 1 МВт, использующей батареи в ночное время. ^[44]

Мировой рост фотоэлектрической энергии в среднем составлял 40% в год с 2000 по 2013 год ^[45], а общая установленная мощность достигла 303 ГВт в конце 2016 года, при этом наибольшее совокупное количество установок было в Китае (78 ГВт) ^[46], а в Гондурасе - самый высокий теоретический процент. годового потребления электроэнергии, которое может быть произведено солнечными фотоэлектрическими батареями (12,5%). ^{[46] [45]} Крупнейшие производители находятся в Китае. ^{[47] [48]}

Концентрированная солнечная энергия (CSP) также начала быстро расти, увеличив ее мощность почти в десять раз с 2004 по 2013 год, хотя и с более низкого уровня и вовлекая меньше стран, чем солнечные фотоэлектрические системы. ^{[49] : 51} По состоянию на конец 2013 года мировая совокупная мощность CSP достигла 3 425 МВт.

Прогнозы

В 2010 году Международное энергетическое агентство прогнозировало, что к 2050 году глобальные фотоэлектрические мощности могут достичь 3 000 ГВт или 11% от прогнозируемого мирового производства электроэнергии - этого достаточно для выработки 4 500  ТВтч электроэнергии. ^[50] Четыре года спустя, в 2014 году, агентство прогнозировало, что в соответствии со сценарием «высоких возобновляемых источников энергии» солнечная энергия может обеспечивать 27% мирового производства электроэнергии к 2050 году (16% от фотоэлектрических и 11% от CSP). ^[3]

Фотоэлектрические электростанции

Desert Sunlight Solar Farm является электростанция 550 МВт в округе Риверсайд, штат Калифорния , который использует тонкопленочных CdTe солнечных модулей , сделанных First Solar . ^[51] По состоянию на ноябрь 2014 года солнечная электростанция Topaz мощностью 550 мегаватт была крупнейшей фотоэлектрической электростанцией в мире. Этот показатель превзошел комплекс Solar Star мощностью 579 МВт . В настоящее время крупнейшая фотоэлектрическая электростанция в мире - это солнечная электростанция Павагада , Карнатака, Индия, с генерирующей мощностью 2050 МВт. ^[2]

Концентрационные солнечные электростанции

Коммерческие концентрирующие солнечные электростанции (CSP), также называемые «солнечными тепловыми электростанциями», были впервые разработаны в 1980-х годах. Солнечная электростанция Иванпа мощностью 377 МВт , расположенная в пустыне Мохаве в Калифорнии, является крупнейшим в мире проектом солнечной тепловой электростанции. Другие крупные электростанции CSP включают солнечную электростанцию ​​Сольнова (150 МВт), солнечную электростанцию ​​Andasol (150 МВт) и солнечную электростанцию ​​Extresol (150 МВт), все в Испании. Основным преимуществом CSP является возможность эффективного добавления аккумуляторов тепла, что позволяет отправлять электроэнергию в течение 24-часового периода. Поскольку пиковая потребность в электроэнергии обычно приходится на 17:00, многие электростанции CSP используют от 3 до 5 часов хранения тепла. ^[77]

Экономика

Расходы

Типичные факторы стоимости для солнечной энергии включают стоимость модулей, раму для их размещения, проводку, инверторы, затраты на рабочую силу, любую землю, которая может потребоваться, подключение к сети, техническое обслуживание и солнечную инсоляцию, которую будет получать это место. С поправкой на инфляцию, в середине 1970-х годов он стоил 96 долларов за ватт для солнечного модуля. Согласно данным Bloomberg New Energy Finance, благодаря усовершенствованию технологических процессов и очень значительному увеличению производства в феврале 2016 года этот показатель снизился до 68 центов за ватт. ^[81] Пало-Альто Калифорния подписала соглашение об оптовых закупках в 2016 году, по которому солнечная энергия была поставлена ​​по цене 3,7 цента за киловатт-час. И в солнечном Дубаев 2016 году крупномасштабная солнечная электроэнергия была продана всего по цене 2,99 цента за киловатт-час - «конкурентоспособна с любой формой электроэнергии на основе ископаемого топлива - и дешевле, чем большинство других». ^[82] В 2020 году в рамках проекта ПРООН «Повышение устойчивости сельских районов в Йемене» (ERRY), в котором используются солнечные микросети, находящиеся в собственности местных сообществ, удалось снизить затраты на электроэнергию до 2 центов в час (тогда как стоимость электроэнергии, произведенной на дизельном топливе, составляет 42 цента в час). ). ^[83]

В фотоэлектрических системах не используется топливо, а срок службы модулей обычно составляет от 25 до 40 лет. Таким образом, капитальные затраты составляют большую часть стоимости солнечной энергии. Затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание новых солнечных электростанций для коммунальных предприятий в США оцениваются в 9 процентов от стоимости фотоэлектрической электроэнергии и 17 процентов от стоимости солнечной тепловой электроэнергии. ^[84] Правительства создали различные финансовые стимулы для поощрения использования солнечной энергии, такие как программы льготных тарифов . Кроме того, стандарты портфеля возобновляемых источников энергии налагают правительственный мандат на то, чтобы коммунальные предприятия производили или приобретали определенный процент возобновляемой энергии независимо от увеличения затрат на закупку энергии. В большинстве штатов цели RPS могут быть достигнуты с помощью любой комбинации солнечной энергии, ветра, биомассы,свалочный газ , океан, геотермальные источники, твердые бытовые отходы , гидроэнергетика, водород или технологии топливных элементов. ^[85]

Нормированная стоимость электроэнергии

Эта статья нуждается в обновлении . Причина: данные за 2009-2012 гг. Затраты значительно снизились за последние годы. . Обновите эту статью, чтобы отразить недавние события или новую доступную информацию. ( Февраль 2021 г. )

В фотоэлектрической отрасли в качестве единицы стоимости принята нормированная стоимость электроэнергии (LCOE). Вырабатываемая электроэнергия продается в киловатт-часах (кВтч). Как показывает опыт, и в зависимости от местной инсоляции , установленная мощность фотоэлектрических панелей мощностью 1 ватт позволяет вырабатывать от 1 до 2 кВтч электроэнергии в год. Это соответствует коэффициенту мощности около 10–20%. Произведение местных затрат на электроэнергию и инсоляцию определяет точку безубыточности для солнечной энергии. Международная конференция по инвестициям в солнечную фотоэлектрическую систему, организованная EPIA , подсчитала, что фотоэлектрические системы окупят своих инвесторов через 8–12 лет. ^[86]В результате с 2006 года для инвесторов было экономически выгодно устанавливать фотоэлектрические элементы бесплатно в обмен на долгосрочное соглашение о покупке электроэнергии . 50% коммерческих систем в США были установлены таким образом в 2007 г. и более 90% к 2009 г. ^[87]

Ши Чжэнжун сказал, что по состоянию на 2012 год несубсидируемая солнечная энергия уже конкурирует с ископаемым топливом в Индии, на Гавайях, в Италии и Испании. Он сказал: «Мы находимся на переломном этапе. Возобновляемые источники энергии, такие как солнце и ветер, больше не являются роскошью для богатых. Теперь они начинают конкурировать в реальном мире без субсидий». «Солнечная энергия сможет без субсидий конкурировать с традиционными источниками энергии в половине мира к 2015 году». ^[88]

Текущие цены на установку

В своем выпуске « Дорожная карта технологий: солнечная фотоэлектрическая энергия» за 2014 год Международное энергетическое агентство (МЭА) опубликовало цены на фотоэлектрические системы для жилых, коммерческих и коммунальных предприятий для восьми основных рынков по состоянию на 2013 год (см. Таблицу ниже) . ^[3] Тем не менее, SunShot Initiative Министерства энергетики США сообщила о гораздо более низких ценах на установку в США. В 2014 году цены продолжили снижение. Согласно модели SunShot Initiative, цены системы в США находятся в диапазоне от 1,80 до 3,29 доллара за ватт. ^[90] Другие источники указывают схожие ценовые диапазоны от 1,70 до 3,50 долларов США для различных сегментов рынка в США, ^[91]а на немецком рынке с высокой степенью проникновения цены на жилые и небольшие коммерческие крышные системы мощностью до 100 кВт снизились до 1,36 доллара США за ватт (1,24 евро / Вт) к концу 2014 года. ^[92] В 2015 году Deutsche Bank оценил затраты на небольшие системы. системы крыш для жилых домов в США - около 2,90 долларов за ватт. Стоимость систем коммунального обслуживания в Китае и Индии оценивалась всего в 1 доллар США за ватт. ^[93]

Сетевой паритет

Сетевой паритет, точка, в которой стоимость фотоэлектрической электроэнергии равна или дешевле, чем цена сетевой электроэнергии , легче достигается в районах с обильным солнечным светом и высокими затратами на электроэнергию, например, в Калифорнии и Японии . ^[94] В 2008 году приведенная стоимость электроэнергии для солнечных фотоэлектрических систем в большинстве стран ОЭСР составляла 0,25 доллара США / кВтч или меньше . К концу 2011 года прогнозировалось, что стоимость полной загрузки упадет ниже 0,15 доллара США / кВтч для большинства стран ОЭСР и достигнет 0,10 доллара США / кВтч в более солнечных регионах. Эти уровни затрат являются движущей силой трех новых тенденций: вертикальная интеграция цепочки поставок, заключение договоров купли-продажи электроэнергии.(PPA) компаний солнечной энергетики и неожиданный риск для традиционных генерирующих компаний, операторов сетей и производителей ветряных турбин . ^[95]

Впервые паритет энергосистемы был достигнут в Испании в 2013 году ^{[96], на} Гавайях и других островах, которые иначе используют ископаемое топливо ( дизельное топливо ) для производства электроэнергии, и, как ожидается, большая часть США достигнет паритета энергосистемы к 2015 году. ^{[97] [ провал проверки ] [98]}

В 2007 году главный инженер General Electric прогнозировал паритет энергосистемы без субсидий в солнечных частях США примерно к 2015 году; другие компании предсказывали более раннюю дату ^[99]: стоимость солнечной энергии будет ниже паритета сети для более чем половины бытовых потребителей и 10% коммерческих потребителей в ОЭСР , если цены на сетевую электроэнергию не снизятся до 2010 года. ^{[ 95]}

Производительность по местоположению

Производительность солнечной энергии в регионе зависит от солнечного излучения , которое меняется в течение дня и зависит от широты и климата . Это также зависит от температуры и местных условий загрязнения .

Места с самой высокой годовой солнечной радиацией находятся в засушливых тропиках и субтропиках. В пустынях, лежащих в низких широтах, обычно мало облаков, и солнечный свет может длиться более десяти часов в день. ^{[100] [101]} Эти жаркие пустыни образуют Глобальный солнечный пояс, окружающий мир. Этот пояс состоит из обширных участков земли в Северной Африке , Южной Африке , Юго-Западной Азии , Ближнем Востоке и Австралии , а также гораздо меньших пустынь Северной и Южной Америки . ^[102] Восточная пустыня Сахара в Африке , также известная какПо данным НАСА, Ливийская пустыня считается самым солнечным местом на Земле. ^{[103] [104]}

Ниже показаны различные измерения солнечной освещенности (прямая нормальная освещенность, общая горизонтальная освещенность):

• Северная Америка

• Южная Америка

• Европа

• Африка и Ближний Восток

• Южная и Юго-Восточная Азия

• Австралия

• Мир

Самостоятельное потребление

В случае самостоятельного потребления солнечной энергии срок окупаемости рассчитывается исходя из того, сколько электроэнергии не покупается из сети. Например, в Германии при ценах на электроэнергию 0,25 евро / кВтч и инсоляции 900 кВтч / кВт один кВтч сэкономит 225 евро в год, а при стоимости установки 1700 евро / кВтч стоимость системы будет возвращена менее чем за семь лет. ^[105]Однако во многих случаях модели производства и потребления не совпадают, и часть или вся энергия возвращается в сеть. Электроэнергия продается, а в остальное время, когда энергия берется из сети, электричество покупается. Полученные относительные затраты и цены влияют на экономику. На многих рынках цена, уплачиваемая за проданную фотоэлектрическую электроэнергию, значительно ниже, чем цена покупной электроэнергии, что стимулирует собственное потребление. ^[106] Кроме того, отдельные стимулы для собственного потребления использовались, например, в Германии и Италии. ^[106] Регулирование взаимодействия с сетью также включало ограничения на подключение к сети в некоторых регионах Германии с большим количеством установленной фотоэлектрической мощности. ^{[106] [107]}Увеличивая потребление самого, сетку подачу в может быть ограниченно без секвестра , что отходы электроэнергии. ^[108]

Хорошее соответствие между производством и потреблением является ключом к высокому собственному потреблению, и его следует учитывать при принятии решения о том, где установить солнечную энергию и как определить размер установки. Матч можно улучшить с помощью батареек или регулируемого потребления электроэнергии. ^[108] Однако батареи дороги, и рентабельность может потребовать от них предоставления других услуг, помимо увеличения собственного потребления. ^[109] Резервуары для хранения горячей воды с электрическим нагревом с помощью тепловых насосов или резистивных нагревателей могут обеспечить экономичное хранение для собственного потребления солнечной энергии. ^[108]Сменные нагрузки, такие как посудомоечные, сушильные и стиральные машины, могут обеспечивать контролируемое потребление с ограниченным влиянием на пользователей, но их влияние на собственное потребление солнечной энергии может быть ограничено. ^[108]

Ценообразование и льготы на энергию

Политическая цель политики стимулирования фотоэлектрической энергии состоит в том, чтобы облегчить первоначальное маломасштабное развертывание, чтобы начать рост отрасли, даже если стоимость фотоэлектрической энергии значительно выше паритета сети, чтобы позволить отрасли достичь экономии за счет масштаба, необходимой для выхода в сеть. паритет. Эта политика направлена ​​на содействие энергетической независимости страны, создание рабочих мест в сфере высоких технологий и сокращение выбросов CO ₂ . В качестве инвестиционных субсидий часто используются три механизма стимулирования: власти возмещают часть стоимости установки системы, электроэнергетическая компания покупает фотоэлектрическую электроэнергию у производителя по многолетнему контракту по гарантированной ставке и сертификаты солнечной возобновляемой энергии (SRECs). )

Скидки

При инвестиционных субсидиях финансовое бремя ложится на налогоплательщика, в то время как при использовании льготных тарифов дополнительные расходы распределяются между клиентскими базами коммунальных предприятий. Хотя управление инвестиционной субсидией может быть проще, основным аргументом в пользу зеленых тарифов является поощрение качества. Инвестиционные субсидии выплачиваются в зависимости от паспортной мощности установленной системы и не зависят от ее фактической выработки мощности с течением времени, таким образом вознаграждая завышенную мощность и терпя плохую долговечность и плохое обслуживание. Некоторые электрические компании предлагают своим клиентам скидки, например Austin Energy в Техасе , которая предлагает 2,50 доллара за установленный ватт до 15 000 долларов. ^[110]

Чистый учет

При чистом учете цена произведенной электроэнергии совпадает с ценой, поставляемой потребителю, и потребителю выставляется счет на разницу между производством и потреблением. Чистое измерение обычно может быть выполнено без каких-либо изменений в стандартных счетчиках электроэнергии , которые точно измеряют мощность в обоих направлениях и автоматически сообщают о разнице, а также потому, что это позволяет домовладельцам и предприятиям вырабатывать электроэнергию в разное время от потребления, эффективно используя сеть в качестве гигантская аккумуляторная батарея. При чистом измерении дефициты выставляются ежемесячно, а излишки переносятся на следующий месяц. Передовой опыт требует бессрочного пролонгации кредитов за кВт / ч. ^[111]Избыточные кредиты при прекращении обслуживания либо теряются, либо оплачиваются по ставке от оптовой до розничной или выше, как и избыточные годовые кредиты. В Нью-Джерси ежегодные избыточные кредиты выплачиваются по оптовой ставке, как и оставшиеся кредиты, когда клиент прекращает обслуживание. ^[112]

Зеленые тарифы (FIT)

Этот раздел необходимо обновить . Обновите эту статью, чтобы отразить недавние события или новую доступную информацию. ( Август 2018 г. )

При использовании зеленых тарифов финансовое бремя ложится на потребителя. Они вознаграждают за количество киловатт-часов, произведенных за длительный период времени, но поскольку ставка устанавливается властями, это может привести к кажущейся переплате. Цена, уплачиваемая за киловатт-час по зеленому тарифу, превышает цену сетевой электроэнергии. Чистое измерение относится к случаю, когда цена, уплачиваемая коммунальным предприятием, совпадает с взимаемой ценой.

Сложность разрешений в Калифорнии, Испании и Италии помешала росту, сопоставимому с Германией, даже несмотря на то, что окупаемость инвестиций выше. ^{[ необходима цитата ]} В некоторых странах предлагаются дополнительные стимулы для фотоэлектрических систем, интегрированных в здания (BIPV), по сравнению с автономными фотоэлектрическими модулями: ^{[ необходима цитата ]}

• Франция + 0,16 евро / кВтч (по сравнению с полуинтегрированным) или + 0,27 евро / кВтч (по сравнению с автономным)
• Италия + 0,04–0,09 евро за кВтч
• Германия + 0,05 евро / кВтч (только фасады)

Кредиты на солнечную возобновляемую энергию (SREC)

В качестве альтернативы сертификаты солнечной возобновляемой энергии(SREC) позволяют рыночному механизму устанавливать цену субсидии на электроэнергию, генерируемую солнечной энергией. В этом механизме устанавливается цель производства или потребления возобновляемой энергии, и коммунальное предприятие (более технически Обслуживающая организация) обязано покупать возобновляемую энергию или сталкивается с штрафом (альтернативный платеж за соответствие или ACP). Производителю начисляется SREC за каждые 1000 кВтч произведенной электроэнергии. Если коммунальное предприятие покупает этот SREC и выводит его из эксплуатации, они избегают оплаты ACP. В принципе, эта система обеспечивает самую дешевую возобновляемую энергию, поскольку все солнечные установки имеют право и могут быть установлены в большинстве экономичных мест. Неопределенность относительно будущей стоимости SREC привела к появлению на рынках долгосрочных контрактов SREC, чтобы прояснить их цены и позволить разработчикам солнечной энергии предварительно продавать и хеджировать свои кредиты.

Финансовые стимулы для фотоэлектрических систем различаются в разных странах, включая Австралию , Китай , ^[113] Германию , ^[114] Израиль , ^[115] Японию и США, и даже в разных штатах США.

Правительство Японии через свое Министерство международной торговли и промышленности с 1994 по 2003 год реализовало успешную программу субсидий. К концу 2004 года Япония лидировала в мире по установленной фотоэлектрической мощности с более чем 1,1  ГВт . ^[116]

В 2004 году правительство Германии ввело первую крупномасштабную систему зеленых тарифов в соответствии с Законом Германии о возобновляемых источниках энергии , что привело к взрывному росту фотоэлектрических установок в Германии ^{[ необходима цитата ]} . Вначале FIT превышал розничную цену в 3 раза или в 8 раз превышал промышленную цену. Принцип, лежащий в основе немецкой системы, - это 20-летний контракт с фиксированной ставкой. Запрограммировано, что стоимость новых контрактов будет уменьшаться каждый год, чтобы побудить промышленность переложить более низкие затраты на конечных пользователей. Программа оказалась более успешной, чем ожидалось: в 2006 году было установлено более 1 ГВт, и усиливается политическое давление с целью снижения тарифа, чтобы уменьшить будущую нагрузку на потребителей ^{[ необходима цитата ]} .

Впоследствии Испания , Италия , Греция, которые добились раннего успеха с бытовыми солнечно-тепловыми установками для нужд горячего водоснабжения, и Франция ввели льготные тарифы ^{[ цитата необходима ]} . Однако ни один из них не повторил запланированное снижение FIT в новых контрактах, что сделало стимулы для Германии относительно менее и менее привлекательными по сравнению с другими странами. Французский и греческий FIT предлагают высокую надбавку (0,55 евро / кВтч) за создание интегрированных систем ^{[ необходима цитата ]}. В Калифорнии, Греции, Франции и Италии инсоляция на 30–50% больше, чем в Германии, что делает их более привлекательными с финансовой точки зрения. Греческая домашняя программа «солнечная крыша» (принятая в июне 2009 года для установок мощностью до 10 кВт) имеет внутреннюю норму доходности 10–15% при текущих коммерческих затратах на установку, что, кроме того, не облагается налогом ^{[ цитата необходима ]} .

В 2006 году Калифорния одобрила « Калифорнийскую солнечную инициативу », предлагая на выбор инвестиционные субсидии или льготный тариф для малых и средних систем и льготный тариф для крупных систем ^{[ цитата необходима ]} . FIT для малых систем в размере 0,39 долл. США за кВтч (намного меньше, чем в странах ЕС) истекает всего через 5 лет, а альтернативный стимул для инвестиций в жилищное строительство «EPBB» является скромным, в среднем составляя около 20% стоимости. Планируется, что в будущем все льготы Калифорнии будут уменьшены в зависимости от количества установленных фотоэлектрических мощностей.

В конце 2006 года Управление энергетики Онтарио (OPA, Канада) начало программу стандартных предложений, предшественницу Закона о зеленой энергии и первую в Северной Америке для проектов распределенных возобновляемых источников энергии мощностью менее 10 МВт ^{[ необходима цитата ]} . Зеленый тариф гарантировал фиксированную цену в размере 0,42 канадских долларов за кВтч в течение двадцати лет. В отличие от нетто-учета, вся произведенная электроэнергия продавалась OPA по заданному тарифу.

Интеграция с сеткой

Подавляющее большинство электроэнергии, производимой во всем мире, используется немедленно, поскольку ее хранение обычно дороже, а традиционные генераторы могут адаптироваться к потребностям. И солнечная энергия и энергия ветра является переменной возобновляемыми источниками энергии , а это означает , что все имеющиеся выход должны быть приняты , когда он доступен, перемещаясь через передачу линии , где он может быть использован в настоящее время . Поскольку солнечная энергия недоступна в ночное время, хранение ее энергии является потенциально важной проблемой, особенно вне сети, и для будущих сценариев использования 100% возобновляемых источников энергии, чтобы обеспечить постоянную доступность электроэнергии. ^[120]

Солнечное электричество по своей природе изменчиво и предсказуемо в зависимости от времени суток, местоположения и сезонов. Кроме того, солнечная энергия непостоянна из-за смены дня и ночи и непредсказуемой погоды. То, насколько серьезной проблемой является солнечная энергия в каждой конкретной электроэнергетической компании, значительно варьируется. В летний пик потребления солнечная энергия хорошо согласуется с потребностями дневного охлаждения. Во время зимних пиковых нагрузок солнечная энергия вытесняет другие формы генерации, снижая их коэффициенты мощности .

В электроэнергетической системе без сетевого накопителя энергии производство из хранимого топлива (угля, биомассы, природного газа, ядерной энергии ) должно увеличиваться и уменьшаться в ответ на рост и падение солнечной электроэнергии (см. Нагрузку, следующую за электростанцией ). В то время как гидроэлектростанции и станции, работающие на природном газе, могут быстро реагировать на изменения нагрузки, угольные, биомассовые и атомные электростанции обычно требуют значительного времени, чтобы отреагировать на нагрузку, и их можно запланировать только в соответствии с предсказуемым изменением. В зависимости от местных условий, за пределами примерно 20-40% от общей выработки, подключенные к сети периодически возобновляемые источники, такие как солнечная энергия, как правило, требуют инвестиций в определенную комбинацию межсетевых соединений , накопления энергии или управления со стороны спроса.. Интеграция больших объемов солнечной энергии с существующим генерирующим оборудованием в некоторых случаях вызывала проблемы. Например, в Германии, Калифорнии и на Гавайях цены на электроэнергию, как известно, становятся отрицательными, когда солнечная энергия вырабатывает много энергии, заменяя существующие контракты на генерацию базовой нагрузки . ^{[121] [122]}

Обычная гидроэлектроэнергия очень хорошо работает в сочетании с солнечной энергией; воду можно удерживать или выпускать из резервуара по мере необходимости. Там, где подходящая река недоступна, гидроэлектростанция с гидроаккумулятором использует солнечную энергию для перекачки воды в высокий резервуар в солнечные дни, затем энергия восстанавливается ночью и в плохую погоду путем выпуска воды через гидроэлектростанцию ​​в низкий резервуар, где цикл может начаться снова. ^[123] Этот цикл может привести к потере 20% энергии из-за неэффективности в обоих направлениях, это плюс затраты на строительство добавляют к расходам на внедрение высоких уровней солнечной энергии.

Концентрированные солнечные электростанции могут использовать теплоаккумуляторы для хранения солнечной энергии, например, в виде высокотемпературных расплавленных солей. Эти соли являются эффективной средой хранения, поскольку они дешевы, обладают высокой удельной теплоемкостью и могут отдавать тепло при температурах, совместимых с обычными энергосистемами. Этот метод хранения энергии используется, например, на электростанции Solar Two , что позволяет ей хранить 1,44  ТДж в резервуаре для хранения 68 м ³ , чего достаточно для обеспечения полной выработки в течение почти 39 часов с эффективностью около 99%. . ^[124]

В автономных фотоэлектрических системах батареи традиционно используются для хранения избыточной электроэнергии. С подключенной к сети фотоэлектрической системой , избыток электроэнергии может быть отправлен в электрическую сеть . Программы чистых измерений и зеленых тарифов дают этим системам кредит на производимую ими электроэнергию. Этот кредит компенсирует электроэнергию, поставляемую из сети, когда система не может удовлетворить спрос, эффективно торгуя с сетью вместо хранения избыточной электроэнергии. Кредиты обычно пролонгируются от месяца к месяцу, а оставшиеся излишки оплачиваются ежегодно. ^[125] Когда ветровая и солнечная энергия составляют небольшую часть энергии сети, другие методы генерации могут соответствующим образом регулировать свою мощность, но по мере роста этих форм переменной мощности требуется дополнительный баланс в сети. Поскольку цены быстро снижаются, в фотоэлектрических системах все чаще используются перезаряжаемые батареи для хранения излишков, которые впоследствии могут быть использованы в ночное время. Батареи, используемые для хранения в сети, стабилизируют электрическую сеть , выравнивая пиковые нагрузки обычно на несколько минут, а в редких случаях - на часы. В будущем менее дорогие батареи могут сыграть важную роль в электрической сети, поскольку они могут заряжаться в периоды, когда выработка превышает спрос, и передавать накопленную энергию в сеть, когда спрос превышает выработку.

Хотя это и не допускается в соответствии с США National Electric Code, это технически возможно иметь « подключи и играй » PV microinverter. В недавней обзорной статье было обнаружено, что тщательное проектирование системы позволило бы таким системам соответствовать всем техническим, но не всем требованиям безопасности. ^[126] Есть несколько компаний, продающих солнечные системы plug and play, доступные в Интернете, но есть опасения, что, если люди установят свои собственные, это уменьшит огромное преимущество солнечной энергии по сравнению с ископаемым топливом в плане занятости . ^[127]

Общие аккумуляторные технологии, используемые в современных домашних фотоэлектрических системах, включают свинцово-кислотные аккумуляторы с регулируемым клапаном - модифицированную версию обычных свинцово-кислотных аккумуляторов , никель-кадмиевые и литий-ионные аккумуляторы. Свинцово-кислотные батареи в настоящее время являются преобладающей технологией, используемой в небольших домашних фотоэлектрических системах из-за их высокой надежности, низкого саморазряда, а также капиталовложений и затрат на техническое обслуживание, несмотря на более короткий срок службы и более низкую плотность энергии. Литий-ионные батареи потенциально могут заменить свинцово-кислотные батареи в ближайшем будущем, поскольку они интенсивно развиваются, и ожидается снижение цен из-за эффекта масштаба, обеспечиваемого крупными производственными объектами, такими какГигафабрика 1 . Кроме того, литий-ионные аккумуляторы подключаемых к электросети электромобилей могут служить в будущем в качестве запоминающих устройств в системе от транспортного средства к электросети . Поскольку большинство транспортных средств припарковано в среднем 95% времени, их батареи можно использовать для передачи электричества от автомобиля к линиям электропередач и обратно. Другие перезаряжаемые батареи, используемые для распределенных фотоэлектрических систем, включают натрий-серные и ванадиевые окислительно-восстановительные батареи, два известных типа расплавленной соли и проточную батарею, соответственно. ^{[128] [129] [130]}

Комбинация солнечной и ветровой фотоэлектрической энергии имеет то преимущество, что два источника дополняют друг друга, поскольку пиковые периоды работы каждой системы приходятся на разное время дня и года. Таким образом, выработка электроэнергии такими гибридными солнечными энергосистемами более постоянна и колеблется меньше, чем в каждой из двух компонентных подсистем. ^[27] Солнечная энергия носит сезонный характер, особенно в северном / южном климате, вдали от экватора, что предполагает необходимость длительного сезонного хранения в такой среде, как водород или гидроэлектростанция. ^[131] Институт технологий солнечной энергии при Кассельском университете провел пилотные испытания комбинированной электростанции, объединяющей солнечную, ветровую, биогазовую игидроаккумулирующая гидроэлектроэнергия для обеспечения энергией из возобновляемых источников в соответствии с нагрузкой. ^[132]

Исследования также проводятся в области искусственного фотосинтеза . Он включает использование нанотехнологий для хранения солнечной электромагнитной энергии в химических связях, путем расщепления воды для производства водородного топлива или последующего объединения с диоксидом углерода для получения биополимеров, таких как метанол . Многие крупные национальные и региональные исследовательские проекты по искусственному фотосинтезу в настоящее время пытаются разработать методы, объединяющие улучшенный захват света, методы квантовой когерентности для переноса электронов и дешевые каталитические материалы, которые работают в различных атмосферных условиях. ^[133]Старшие исследователи в этой области выдвинули аргументы государственной политики в пользу Глобального проекта по искусственному фотосинтезу, направленного на решение важнейших проблем энергетической безопасности и экологической устойчивости. ^[134]

Воздействие на окружающую среду

В отличие от технологий, основанных на ископаемом топливе , солнечная энергия не приводит к каким-либо вредным выбросам во время работы, но производство панелей приводит к некоторому загрязнению.

Парниковые газы

В выбросах жизненного цикла парниковых газов солнечной энергии находятся в диапазоне от 22 до 46 грамм (г) в расчете на киловатт-час (кВт · ч) в зависимости от того, если солнечных теплового или солнечных фотоэлектрического анализируются, соответственно. При этом в будущем эта цифра может быть снижена до 15 г / кВтч. ^{[135] [ нуждается в обновлении ]} Для сравнения (средневзвешенных значений) газовая электростанция с комбинированным циклом выделяет около 400–599 г / кВтч, ^[136] дизельная электростанция - 893 г / кВтч, ^[136] a угольная электростанция 915–994 г / кВтч ^[137] или с улавливанием и хранением углерода около 200 г / кВтч, ^{[ цитата необходима ]} игеотермальный высокотемпературный. электростанция 91–122 г / кВтч. ^[136] Интенсивность выбросов в течение жизненного цикла гидроэнергетики , ветра и ядерной энергетики ниже, чем у солнечной энергии по состоянию на 2011 год ^{[ нуждается в обновлении ],} как опубликовано МГЭИК и обсуждается в статье « Выбросы парниковых газов из источников энергии в течение жизненного цикла» . Подобно всем источникам энергии, где их общие выбросы в течение жизненного цикла в основном связаны с этапами строительства и транспортировки, переход на низкоуглеродную энергиюпри производстве и транспортировке солнечных устройств еще больше сократит выбросы углерода. BP Solar владеет двумя заводами, построенными Solarex (один в Мэриленде, другой в Вирджинии), на которых вся энергия, используемая для производства солнечных панелей, вырабатывается солнечными панелями. Система мощностью 1 киловатт исключает сжигание примерно 170 фунтов угля, 300 фунтов углекислого газа, выбрасываемого в атмосферу, и экономит до 400 литров (105 галлонов США) воды ежемесячно. ^[138]

Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии США ( NREL ), согласовывая разрозненные оценки выбросов парниковых газов в течение жизненного цикла для солнечных фотоэлектрических систем, обнаружила, что наиболее важным параметром является солнечная инсоляция объекта: коэффициенты выбросов парниковых газов для фотоэлектрических солнечных батарей обратно пропорциональны инсоляции. . ^[139] Для участка с инсоляцией 1700 кВтч / м2 / год, типичного для южной Европы, исследователи NREL оценили выбросы парниковых газов в 45 г CO.
2э / кВтч. Используя те же предположения, в Фениксе, США, при инсоляции 2400 кВтч / м2 / год коэффициент выбросов парниковых газов будет снижен до 32 г CO _2- экв / кВтч. ^[140]

Новой Зеландии Парламентский уполномоченный по охране окружающей среды обнаружили , что солнечные фотоэлектрические будет иметь незначительное влияние на выбросы парниковых газов в стране. Страна уже вырабатывает 80 процентов своей электроэнергии из возобновляемых источников (в первую очередь гидроэлектроэнергии и геотермальной энергии), и пики потребления электроэнергии в стране достигаются зимними вечерами, в то время как солнечная генерация достигает пиков летом после полудня, а это означает, что широкое распространение солнечных фотоэлектрических систем в конечном итоге приведет к вытеснению других возобновляемых генераторов до ископаемых -топливные электростанции. ^[141]

Для производства солнечных панелей требуется трифторид азота (NF ₃ ), который является мощным парниковым газом, и с увеличением производства фотоэлектрических панелей его использование увеличилось более чем на 1000% за последние 25 лет. ^[142]

Окупаемость энергии

Время окупаемости энергии (EPBT) энергогенерирующей системы - это время, необходимое для выработки такого количества энергии, которое потребляется во время производства и эксплуатации системы в течение всего срока службы. Благодаря совершенствованию производственных технологий срок окупаемости постоянно сокращается с момента появления фотоэлектрических систем на рынке энергии. ^[143] В 2000 году срок окупаемости фотоэлектрических систем оценивался от 8 до 11 лет ^[144], а в 2006 году он составлял от 1,5 до 3,5 лет для фотоэлектрических систем с кристаллическим кремнием ^[135] и от 1 до 1,5 лет для тонкопленочных. технологии (Южная Европа). ^[135]Эти цифры упали до 0,75–3,5 года в 2013 году, в среднем около 2 лет для фотоэлектрических систем и систем CIS на основе кристаллического кремния. ^[145]

Еще одна экономическая мера, тесно связанная со сроком окупаемости энергии, - это энергия, возвращаемая на вложенную энергию (EROEI), или возврат энергии на инвестиции (EROI), ^[146], который представляет собой отношение произведенной электроэнергии к энергии, необходимой для создания и поддержания оборудование. (Это не то же самое, что экономическая рентабельность инвестиций (ROI), которая варьируется в зависимости от местных цен на энергию, доступных субсидий и методов измерения.) При ожидаемом сроке службы 30 лет ^[147] EROEI фотоэлектрических систем находится в диапазоне от 10 до 30, таким образом генерируя достаточно энергии в течение своей жизни, чтобы воспроизводиться много раз (6–31 репродукция) в зависимости от типа материала,баланс системы (BOS) и географическое положение системы. ^[148]

Водопользование

Солнечная энергия включает в себя установки с одним из самых низких показателей потребления воды на единицу электроэнергии (фотоэлектрические), а также электростанции с одним из самых высоких показателей потребления воды (концентрирующие солнечную энергию с системами влажного охлаждения).

Фотоэлектрические электростанции используют очень мало воды для работы. Потребление воды в течение жизненного цикла для коммунальных предприятий оценивается в 45 литров (12 галлонов США) на мегаватт-час для плоских фотоэлектрических солнечных батарей. Только энергия ветра, которая практически не потребляет воду во время работы, имеет меньшую интенсивность водопотребления. ^[149]

С другой стороны, концентрирующие солнечные электростанции с системами мокрого охлаждения имеют самую высокую интенсивность водопотребления среди электростанций любого обычного типа; только станции, работающие на ископаемом топливе с улавливанием и хранением углерода, могут иметь более высокую водопотребность. ^[150] Исследование 2013 года, сравнивающее различные источники электроэнергии, показало, что среднее потребление воды во время работы концентрирующих солнечных электростанций с влажным охлаждением составляло 3,1 кубических метра на мегаватт-час (810 галлонов США / МВт-ч) для электростанций с башней и 3,4 м ^3. / МВтч (890 галлонов США / МВтч) для желобов. Это было выше, чем эксплуатационное потребление воды (с градирнями) для атомных электростанций и составляло 2,7 м ³ / МВт-ч (720 галлонов США / МВт-ч), угля - 2,0 м ^3./ МВт · ч (530 галлонов США / МВт · ч), или природный газ в 0,79 м ³ / МВт · ч (210 галлонов США / МВт · ч). ^[149] Исследование, проведенное в 2011 году Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии, пришло к аналогичным выводам: для электростанций с градирнями потребление воды во время работы составляло 3,27 м ³ / МВт-ч (865 галлонов США / МВт-ч) для желоба CSP, 2,98 м ³ / МВт-ч. (786 галлонов США / МВт-ч) для градирни CSP, 2,60 м ³ / МВт-ч (687 галлонов США / МВт-ч) для угля, 2,54 м ³ / МВт-ч (672 галлона США / МВт-ч) для атомной энергетики и 0,75 м ³ / МВт-ч (198 долл. США). галлонов / МВтч) для природного газа. ^[151] Ассоциация предприятий солнечной энергетики отметила, что завод CSP в Неваде Solar One потребляет 3,2 м ³ / МВтч (850 галлонов США / МВтч). ^[152]Проблема потребления воды обостряется, потому что заводы CSP часто расположены в засушливых средах, где воды не хватает.

В 2007 году Конгресс США поручил Министерству энергетики отчитаться о способах сокращения потребления воды с помощью CSP. В последующем отчете отмечалось, что доступна технология сухого охлаждения, которая, хотя и является более дорогой в строительстве и эксплуатации, может снизить потребление воды CSP на 91–95 процентов. Гибридная система влажного / сухого охлаждения может снизить потребление воды на 32–58 процентов. ^[153] В отчете NREL за 2015 год отмечалось, что из 24 действующих электростанций CSP в США 4 использовали системы сухого охлаждения. Четыре системы с сухим охлаждением - это три электростанции на объекте солнечной энергии Иванпа недалеко от Барстоу, Калифорния , и проект Genesis Solar Energy в округе Риверсайд, Калифорния.. Из 15 проектов CSP, строящихся или разрабатываемых в США по состоянию на март 2015 года, 6 относились к мокрым системам, 7 - к сухим системам, 1 - к гибридным и 1 - к неопределенным.

Хотя многие старые ТЭЦ с прямоточными охлаждающими бассейнами или прудами-охладителями используют больше воды, чем CSP, это означает, что через их системы проходит больше воды, большая часть охлаждающей воды возвращается в водоем, доступный для других целей, и они потребляют меньше воды за счет испарение. Например, средняя угольная электростанция в США с прямоточным охлаждением использует 138 м ³ / МВт-ч (36 350 галлонов США / МВт-ч), но только 0,95 м ³ / МВт-ч (250 галлонов США / МВт-ч) (менее одного процента). теряется при испарении. ^[154] С 1970-х годов большинство электростанций США использовали рециркуляционные системы, такие как градирни, а не прямоточные системы. ^[155]

Землепользование, вырубка лесов и жилое противостояние

Плотность солнечной энергии в течение жизненного цикла оценивается в 6,63 Вт / м2, что на два порядка меньше, чем у ископаемого топлива и ядерной энергии . ^[156] Коэффициент мощности фотоэлектрической системы также относительно низок, обычно ниже 15%. ^[157]В результате для фотоэлектрических систем требуется гораздо большее количество поверхности земли для производства того же номинального количества энергии, что и для источников с более высокой удельной поверхностной мощностью и коэффициентом мощности. Согласно исследованию 2021 года, для получения 80% фотоэлектрической энергии к 2050 году потребуется до 2,8% общей площади суши в Европейском союзе и до 5% в таких странах, как Япония и Южная Корея. Захват таких больших площадей для фотоэлектрических ферм, вероятно, вызовет сопротивление населения, а также приведет к обезлесению, удалению растительности и преобразованию сельскохозяйственных земель. ^[158]

В опубликованном в 2014 году анализе жизненного цикла землепользования для различных источников электроэнергии сделан вывод о том, что широкомасштабное внедрение солнечной и ветровой энергии потенциально снижает воздействие на окружающую среду, связанное с загрязнением. Исследование показало, что экологический след от землепользования, выраженный в квадратных метрах в год на мегаватт-час (м ² а / МВт-ч), был самым низким для ветра, природного газа и солнечных панелей на крыше, с 0,26, 0,49 и 0,59 соответственно, солнечные фотоэлектрические установки в коммунальном масштабе с 7.9. Для CSP площадь основания составила 9 и 14 при использовании параболических желобов и солнечных башен соответственно. Наибольшую площадь занимали угольные электростанции с производительностью 18 м ² а / МВтч. Исследование исключило ядерную энергетику и биомассу. ^[159]

Промышленные фотоэлектрические фермы используют огромное пространство из-за относительно низкой удельной мощности на поверхности и иногда сталкиваются с противодействием со стороны местных жителей, особенно в странах с высокой плотностью населения или когда установка включает удаление существующих деревьев или кустарников. Строительство солнечного парка Клив-Хилл в графстве Кент ( Соединенное Королевство ), состоящего из 880 000 панелей высотой до 3,9 м на 490 гектарах земли ^[160], столкнулось с противодействием не только по причине «разрушения местного ландшафта», но и по причине широкомасштабного литий-ионная аккумуляторная батарея , которая была воспринята как взрывоопасная. ^[161] Солнечная ферма, разделенная Гринпис(которые выступали против) и Друзья Земли (которые поддерживали это). ^[162] Аналогичные опасения по поводу обезлесения возникли, когда большое количество деревьев было вырублено для установки солнечных ферм в Нью-Джерси ^[163] и других. ^[164]

Другие вопросы

Одна проблема, которая часто вызывает озабоченность, - это использование кадмия (Cd), токсичного тяжелого металла, который имеет тенденцию накапливаться в экологических пищевых цепях . Он используется в качестве полупроводникового компонента в солнечных элементах CdTe и в качестве буферного слоя для некоторых элементов CIGS в форме сульфида кадмия . ^[165] Количество кадмия, используемого в тонкопленочных солнечных элементах , относительно невелико (5–10 г / м ² ), а при надлежащей переработке и контроле выбросов выбросы кадмия при производстве модулей могут быть почти нулевыми. Текущие фотоэлектрические технологии приводят к выбросам кадмия в размере 0,3–0,9микрограмм / кВтч на протяжении всего жизненного цикла. ^[135] Большая часть этих выбросов возникает из-за использования угольной энергии для производства модулей, а сжигание угля и бурого угля приводит к гораздо более высоким выбросам кадмия. Выбросы кадмия в течение жизненного цикла из угля составляют 3,1 мкг / кВтч, лигнита 6,2 и природного газа 0,2 мкг / кВтч.

В анализе жизненного цикла было отмечено, что если бы электричество, произведенное фотоэлектрическими панелями, использовалось для производства модулей вместо электричества от сжигания угля, выбросы кадмия от использования угольной энергии в производственном процессе можно было бы полностью исключить. ^[166]

В случае модулей из кристаллического кремния материал припоя , который соединяет вместе медные цепочки ячеек, содержит около 36 процентов свинца (Pb). Кроме того, паста, используемая для трафаретной печати передних и задних контактов, содержит следы Pb, а иногда и Cd. По оценкам, около 1000 метрических тонн Pb было использовано для 100 гигаватт солнечных модулей c-Si. Однако принципиальной потребности в свинце в припое нет. ^[165]

Некоторые источники в СМИ сообщили, что солнечные электростанции повредили или убили большое количество птиц из-за сильного жара от концентрированных солнечных лучей. ^{[167] [168]} Этот неблагоприятный эффект не распространяется на фотоэлектрические солнечные электростанции, и некоторые утверждения могут быть завышены или преувеличены. ^[169]

Хотя средний срок службы солнечных панелей превышает 20 лет, высокие температуры, песок или погода могут значительно ускорить процесс старения. Из-за того, что солнечная энергия требует огромного пространства, по оценкам, количество токсичных (например, кадмиевых) отходов, которые необходимо перерабатывать, в 300 раз больше на единицу энергии, чем для ядерной энергетики . Переработка представляет собой серьезную проблему из-за большого количества отходов. В 2013 году солнечная ферма Solyndra в США оставила более 5670 метрических тонн опасных отходов после того, как она обанкротилась после 4 лет работы. ^[142]

Для производства солнечных панелей требуются редкоземельные элементы , поэтому в процессе добычи образуются низкоактивные радиоактивные отходы .

Политические вопросы

Большинство фотоэлектрических панелей производится в Китае с использованием кремния, поступающего из одного конкретного региона Синьцзяна , что вызывает озабоченность по поводу нарушений прав человека ( лагеря для интернированных Синьцзян ), а также зависимости от цепочки поставок. ^[170]

Новые технологии

Концентратор фотоэлектрические

Концентрационные фотоэлектрические системы (CPV) используют солнечный свет, концентрируемый на фотоэлектрических поверхностях, с целью производства электроэнергии . В отличие от обычных фотоэлектрических систем, здесь используются линзы и изогнутые зеркала для фокусировки солнечного света на небольших, но высокоэффективных многопереходных солнечных элементах . Могут использоваться все разновидности солнечных концентраторов, и они часто устанавливаются на солнечном трекере , чтобы удерживать фокус на элементе, когда солнце движется по небу. ^[171] Люминесцентные солнечные концентраторы(в сочетании с фотоэлектрической панелью) также может рассматриваться как система CPV. Концентрированные фотоэлектрические элементы полезны, поскольку они могут значительно повысить эффективность фотоэлектрических панелей. ^[172]

Кроме того, большинство солнечных панелей на космических кораблях также сделаны из высокоэффективных многопереходных фотоэлектрических элементов для получения электричества из солнечного света при работе во внутренней Солнечной системе .

Флотовольтаика

Флотовольтаики - это развивающаяся форма фотоэлектрических систем, которые плавают на поверхности оросительных каналов, водоемов, карьерных озер и хвостохранилищ. Несколько систем существует во Франции, Индии, Японии, Корее, Великобритании и США. ^{[173] [174] [175] [176]} Эти системы уменьшают потребность в ценных земельных участках, экономят питьевую воду, которая в противном случае была бы потеряна из-за испарения, и демонстрируют более высокую эффективность преобразования солнечной энергии , поскольку панели хранятся в температура ниже, чем на суше. ^[177] Другие объекты двойного назначения с солнечной энергией, хотя и не плавучие, включают рыболовство . ^[178]

Солнечная восходящая башня

Башня с восходящим потоком солнечной энергии (SUT) - это проектная концепция электростанции, работающей на возобновляемых источниках энергии, для выработки электроэнергии из низкотемпературного солнечного тепла. Солнечный свет нагревает воздух под очень широкой крытой коллекторной конструкцией, напоминающей оранжерею, окружающей центральное основание очень высокой дымоходной башни. Возникающая в результате конвекция вызывает в градирне восходящий поток горячего воздуха за счет эффекта дымохода . Этот воздушный поток приводит в движение ветряные турбины , размещенные в восходящем потоке дымохода или вокруг основания дымохода, для производства электроэнергии.. По состоянию на середину 2018 года, хотя было построено несколько прототипов, полномасштабных практических единиц в эксплуатации нет. Планируется, что увеличенные версии демонстрационных моделей будут генерировать значительную мощность. Они также могут позволить разработку других приложений, таких как сельское хозяйство или садоводство, добыча или дистилляция воды или уменьшение загрязнения воздуха в городах.

Смотрите также

Викискладе есть медиафайлы по теме солнечной энергии .

Рекомендации

Источники

дальнейшее чтение

• Шиварам, Варун (2018). Укрощение Солнца: инновации для использования солнечной энергии и питания планеты . Кембридж, Массачусетс: MIT Press. ISBN 978-0-262-03768-6.