CC BY
8
УДК 620.9
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЙ СОЛНЕЧНОЙ ГЕНЕРАЦИИ
К. В. Шеремет, А. В. Хетчиков
Сибирский государственный университет науки и технологий имени М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected]
Жизнь в нашем современном мире немыслима без электрической энергии; она присутствует практически во всех сферах человеческой деятельности. Извлечение и использование солнечной энергии является одним из важнейших достижений человека с точки зрения энергетики. В этом исследовании будут рассмотрены методы генерации и накопления солнечной энергии, плюсы и минусы.
Ключевые слова: солнечная генерация, экологичность, эффективность, накопление COMPARATIVE ANALYSIS OF SOLAR GENERATION TECHNOLOGIES
K.V. Sheremet, A.V. Khetchikov
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]
Life in our modern world is unimaginable without electrical energy; it is present in almost all spheres of human activity. The extraction and use of solar energy is one of the most important achievements of man in terms of energy. This study will consider the methods of generation and accumulation of solar energy, the pros and cons.
Key words: Solar generation, environmental friendliness, efficiency, accumulation
Жизнь в нашем современном мире невозможно представить без электрической энергии, она присутствует практически во всех сферах человеческой деятельности. Со временем мировое потребление энергии только растёт, всё это сказывается на окружающей среде. Поэтому перед будущим поколением встанут проблемы запасов энергоносителей, экологии и другие. Но солнечная генерация энергии может уменьшить ущербы и является довольно эффективным способом получения энергии. Добыча и использование энергии Солнца — одно из важнейших достижений человека с точки зрения энергетики. Основная сложность теперь заключается даже не в собирании солнечной энергии, а в её хранении и распределении. Если удастся решить этот вопрос, то традиционные предприятия, работающие на ископаемом топливе, можно будет отправить на пенсию. Это всё очень красиво звучит, но так ли всё хорошо на самом деле.
Самым первым плюсом солнечной генерации является воссоздаваемость. Солнечная энергия является возобновляемым источником энергии, в отличии от таких ископаемых видов топлива как уголь, нефть, газ, которые по последним данным могут восстанавливаться, но с очень маленькой скоростью, что в будущем их уже не будет хватать для снабжения энергией всего населения планеты.
Следующим плюсом является неисчерпаемость. Действительно количество энергии от Солнца на Землю ежегодно поступает около 1 миллиарда тераватт-часов, в то время как
Секция «Моделирование физико-механических и тепловых процессов в машинах и аппаратах»
человечество производит примерно 20 тысяч тераватт-час в год, то есть, 0,002% от солнечной энергии, что приходит на Землю(табл. 1).
Таблица 1
Годовой потенциал солнечной энергии по регионам (ЭДж)_
Регион Северная Америка Латинская Америка и Карибы Западная Европа Центральная и Восточная Европа Страны бывшего Советского Союза Ближний Восток и Северная Африка Африка Тихоокеанская Азия Южная Азия Центральная Азия Тихоокеанский регион
Минимум 181,1 112,6 25,1 4,5 199,3 412,4 371,9 41,0 38,8 115,5 72,6
Максимум 7410 3385 914 154 8655 11060 528 994 1339 4135 2263
Но в свою очередь встаёт проблема экологии, одна из самых острых проблем в современном мире. С экологической проблемой человечество борется всеми силами, но преимущественное использование невозобновляемого топлива приводит к обширному загрязнению окружающей среды, огромное количество отходов складируются на огромных территориях, что уже пагубно сказывается на природе и здоровье человека. Но в наших умах закрепилось устойчивое мнение о безопасности и экологичности солнечной энергии и технологии СЭС вообще. Действительно, панели не дымят, не требуют топлива и не повышают радиационный фон, но безопаснее ли это? Стоит признать, что всё-таки солнечная энергия является самым экологически чистим видом энергии. Но для ее добычи необходимо производить солнечные панели, при производстве которых в атмосферу выбрасываются парниковые газы, и химические соединения, опасные для окружающей среды и человека, но если обеспечен полный цикл переработки и утилизации ядохимикатов -влияние на экосистему минимизируется в несколько раз и не идет в сравнение с ТЭС и АЭС, которые отравляют гектары земли и миллионы тонн пресной воды. Кроме того, совершенствуется и сама технология производства - те же тонкопленочные модули требуют при производстве в 10 раз меньше кремния, чем твердотельные аналоги.
Как подсчитали в Национальной лаборатории возобновляемой энергетики США (ККЕЬ), к 2030 году объём солнечных батарей с закончившимся сроком эксплуатации превысит 1 млн. тонн, а к 2050 году - 78 млн. тонн. При этом их переработка фактически не ведётся -отжившие свой срок батареи в основном просто складируют на полигонах, как особо опасные отходы или как обычное стекло [1].
«Чтобы получить полезных элементов на 2$, мы должны потратить $15-25 на разбор панели», - говорит вице-президент компании WeRecycleSolar Эй ДжейОрбен.Но всё не так потеряно, уверяет старший научный сотрудника ККЕЬ Гарвин Хит: «Чем больше будет продаваться и устанавливаться солнечных панелей, тем дешевле будет их перерабатывать -просто за счёт эффекта масштаба».
Американские ученые в качестве проблемы даже называют обеспечение достаточного количества воды для мытья панелей, но вряд ли для СЭС потребуется 150 000 м3 воды в сутки - именно столько потребляет средней мощности ТЭС для образования пара и охлаждения системы.
Действительно, солнечная энергетика не так "чиста", как ее пытаются представить производители солнечных панелей и владельцы СЭС, однако данная технология превосходит по экологичности все существующие на данный момент аналоги. Состоянием на 2013-й год СЭС вырабатывали 160 тВт/ч электроэнергии в год. При генерации такого же количества энергии на традиционных ТЭС в атмосферу уходит порядка 140 000 000 тонн загрязняющих веществ. По прогнозам в 2019-м производительность СЭС возрастет до 390 тВт/часов, а в 2022 до 870 тВт/часов, а это предотвратит выброс еще примерно 700 000 000 тонн загрязняющих веществ в год [2].
Недостатки, связанные с производственным процессом фотоэлектрических модулей, присутствуют, однако:
1. Это технологический вопрос, который затрагивает всю сферу производства. Такие вещества как кадмий выделяются и при изготовлении карманных фонариков, но это мало кого беспокоит. По мере открытия новых материалов технология производства будет совершенствоваться, что минимизирует вред производственного процесса;
2. Опасные побочные продукты характерны для всех отраслей энергетики. И если в СЭС они генерируются только на стадии производства, то АЭС каждый год оставляют такое количество отработанного топлива (плутония), что его хватило бы на создание примитивного ядерного оружия.
Однакосолнечные электростанции компенсируют выбросы и ядохимикаты за счет чистой генерации энергии. Это подтверждают опубликованные результаты
исследований голландских ученых. В них сказано, что СЭС еще в 2011-м выработанной "чистой" энергией компенсировали выбросы, необходимые для их производства. К 2018-му солнечные панели и вовсе позволили снизить общий уровень выбросов в атмосферу.
Теперь, к слову, о хранении солнечной энергии, то есть её аккумуляции. На протяжении вот уже более десяти лет поставщики систем накопления энергии и производители аккумуляторных батарей совершенствуют технологию производства батарей, увеличивая их жизненный цикл, расширяя возможность их работы в неблагоприятных климатических условиях, совершенствуя системы управления и, самое главное, постоянно снижая их стоимость. Но есть и другие способы решения. Одно из них представила 8о1агКе8егуе — компания, предлагающая использовать расплавленную соль в солнечных электростанциях и работающая над альтернативным решением проблем хранения.
Солнечная электростанция (рис. 1) использует 10 347 зеркал (гелиостатов), установленных на 647,5 гектар (это 900 с лишним футбольных полей), чтобы сконцентрировать солнечный свет на центральной башне высотой в 195 метров и заполненной солевой «начинкой». Эта соль нагревается солнечными лучами до 565 °С, и тепло хранится, а затем используется для преобразования воды в пар и для работы генераторов, производящих электричество [3].
Зеркала называются гелиостатами, так как каждое из них может наклоняться и поворачиваться, чтобы точно направлять свой луч света. Расположенные в концентрических кругах, они фокусируют солнечный свет на «приемнике» в верхней части центральной башни. Сама башня не светится, приемник имеет матово-чёрный цвет. Эффект свечения возникает как раз-таки из-за концентрации солнечных лучей, нагревающих ёмкость. Горячая соль стекает в резервуар из нержавеющей стали ёмкостью 16 тыс. м3.
Соль, которая при этих температурах выглядит и течет почти так же, как вода, проходит через теплообменник, чтобы вырабатывать пар для работы стандартного турбогенератора. В баке содержится достаточно расплавленной соли для работы генератора в течение 10 часов. Это составляет 1100 мегаватт-часов хранения, или почти в 10 раз больше, чем самые большие системы ионно-литиевых батарей, которые были установлены для хранения возобновляемой энергии.
Секция «Моделирование физико-механических и тепловых процессов is машинах и аппаратах»
БЛОК ГЕНЕРАТОРА
СИСТЕМА С ЦИРКУЛИРУЮЩИМ РАСПЛАВОМ СОЛЕЙ
ОТРАЖАТЕЛИ
ГСЛиОСТАКы
Ü
Башня примлникв
СнС ILM.I.IKKVMyjIHLJl-LI I trill*.
цепь С РАСПЛАВОМ СОЛЕЙ
Рис. 1. Технология солнечной аккумуляции солевой башни
«Билл и команда действительно впрягли солнце», - сказал Сун-Шионг. «Потенциал для человечества огромен... Потенциал для бизнеса непостижим» [4].
Таким образом, можно сказать, что солнечная энергия имеет огромный потенциал во всем мире, а ее запасы превышают все существующие ресурсы. Солнечной энергии суждено сохранить свою динамику распространения. Вопрос только в том, с какой скоростью это будет происходить.
Библиографические ссылки
1. Инновация в энергетике, возобновляемая энергетике -RenEn [Электронный ресурс]. URL: https://renen.ru/razvitie-solnechnoi-energetiki-v-mire-do-2024-goda/ (дата обращения: 12.04.2022).
2. Akbinfo.ru - информационый сайт об аккумуляторах [Электронный ресурс]. URL:https://akbinfo.ru/alternativa/kpd-solnechnyh-batarei.html (дата обращения: 12.04.2022).
3. NatureNews [Электронный ресурс]. URL: https://www.nature.com/articles/ ncomms13728#abstract (дата обращения: 12.04.2022).
4. Информационно-аналитический портал -Neftegaz.RU [Электронный ресурс]. URL:https://neftegaz.ru/science/Energetika/331520-sovershenstvovanie-solnechnoy-generatsii-na-urovne-massovogo-ispolzovaniya/ (дата обращения: 12.04.2022).
©Шеремет К. В., Хетчиков А.В., 2022
