Использование
энергии солнца
Преобразование
солнечной энергии в электричество
является наиболее перспективным направлением
возобновляемой энергетики. Солнечная
энергия при этом широко доступна,
обладает практически безграничными
ресурсами и при ее фотоэлектрическом преобразовании не
происходит загрязнения окружающей среды.
Однако, анализ характеристик
солнечных электростанций, работающих
в составе отдельных энергетических
систем, показывает их низкую эффективность.
И дело здесь не только в высокой
стоимости преобразователей, но и в непредсказуемости,
неуправляемости выработки энергии такими
источниками. Поэтому для надежности снабжения
энергией потребителей необходимо резервирование
мощностями обычных электростанций, работающих
на органическом топливе, или аккумулирование
энергии различными способами с явными
потерями.
Расчеты показывают, что
для увеличения выработки электроэнергии
в два раза необходимо увеличить
установленную мощность фотоэлементов
в четыре раза. Наращивая, таким образом,
установленную мощность фотоэлементов
можно довести долю выработки солнечной
электроэнергии до 60% от нынешней. Однако
стоить это будет очень дорого.
Другой проблемой солнечной
энергетики является высокая сезонная
зависимость количества выработки
энергии, в особенности на высоких
широтах. Коренным способом улучшения
технико-экономических показателей солнечных
фотоэлектростанций является размещение
их в местах с высокими годовыми потоками
солнечной энергии и на широтах ниже 35
градусов.
Экономический анализ показывает,
например, что размещение их в пустынях
Северной Африки и передача энергии в
Европу может привести к 3 - 4-х кратному
повышению эффективности капиталовложений
по сравнению с размещением таких же мощностей
в Центральной Европе. Очевидно, что для
повышения эффективности солнечной энергетики
необходимо объединить большое количество
солнечных электростанций, расположенных
вокруг Земного шара в экваториальных
областях, в единую кольцевую энергетическую
систему.
Первая очередь ГКЭС может
быть размещена в северной части
пояса наибольшей солнечной освещённости,
между 15 и 35 градусами северной широты.
Южная часть этого пояса расположена между
15 и 20 градусами северной широты на суше
и в экваториальных зонах океана, она наиболее
приемлема в связи с меньшими сезонными
колебаниями продолжительности дня. Местоположение
отдельных электростанций будет выбираться
на основе анализа погодных условий в
конкретном месте. Создание второй очереди
ГКЭС в южном поясе и объединение ее в
единую систему с первой очередью позволит
устранить сезонные колебания мощности
и уменьшит погодную зависимость выработки
электроэнергии.
На территории этих поясов
солнце присутствует свыше 3000 часов
в год. Около 80% площади северного
пояса занимают неиспользуемые и
малоиспользуемые земли пустынь
и водная поверхность океанов. Площадь
только одного пояса, которую можно использовать
для установки фотоэлементов, составляет
около 20-40 млн. кв.км.
Для оценки возможных масштабов
солнечной энергетики, предположим,
что первая очередь ГКЭС к 2050 г. в
целях предотвращения экологического
кризиса должна будет заменить собой
мировой парк тепловых электростанций.
Согласно прогнозам годовая производительность
должна будет составлять к этому году
около 20-25 трлн. кВт. час электроэнергии.
Расчеты показывают, что для выработки
такого количества энергии потребуется
более 65 тыс. кв.км фотоэлементов с суммарной
пиковой мощностью около 12 500 ГВт. Они заменят
собой около 6000 ГВт мощности тепловых
электростанций, необходимых для выработки
того же количества энергии (для сравнения
суммарная установленная мощность всех
электростанций в мире в 2001 г. составляла
около 3400 ГВт)
Для преобразования энергии
солнечного излучения могут использоваться
кремниевые фотоэлементы. Запасов сырья
достаточно для их производства в
любых количествах, так как кремний
- один из самых распространенных химических
элементов на Земле. Технологии изготовления
кремниевых фотоэлементов развиваются
быстрыми темпами. Ожидается, что уже к
2030 году стоимость кремниевых фотоэлементов
может снизиться до 0,5 дол/Вт, а удельная
мощность солнечных модулей достигнет
уровня 200-250 Вт/кв. м. Предполагается, что
к 2030 году в мире фотоэлектрические установки
будут вырабатывать 1000 ТВт. час электроэнергии
в год, а цена единицы их мощности прогнозируется
около 1 евро/Вт.
Большими перспективами
для применения в ГКЭС обладают концентрационные
модули, использующие высокоэффективные
каскадные гетероструктурные фотоэлементы.
Ожидается, что к 2030 году эффективность
преобразования каскадных фотоэлементов
на гетероструктурах может достигнуть
50%. Их относительно высокая конструктивная
сложность не будет иметь значения в условиях
массового производства. Концентрационные
модули будут использоваться на суше,
на территориях с низкой долей рассеянного
излучения.