Энергетический разворот к Солнцу.

В условиях, когда использование углеводородов несет экологические риски, их месторождения истощаются, а мировые цены на них нестабильны, многие страны стремятся обеспечить свою энергобезопасность с опорой на возобновляемые ресурсы. Солнце — мощный и практически неисчерпаемый ресурс. Общий поток солнечной энергии за год составляет около 100 трлн тонн в нефтяном эквиваленте, что в 10 тысяч раз больше всего энергопотенциала Земли. В мире все более заметно развивается гелиоэнергетика, включающая производство электричества (фотовольтаика и системы концентрирования энергии Солнца) и тепла (солнечные коллекторы: плоские, трубчатые вакуумированные и воздушные). Несмотря на впечатляющие перспективы развития солнечной энергетики (только за последние три года суммарные установленные мощности солнечных батарей выросли более чем в 3,5 раза), объем вырабатываемой таким образом энергии еще невелик по сравнению с другими источниками, что связано с относительно высокой стоимостью ее генерации. Снизить ее можно за счет использования тонкопленочных фотоэлементов, плоских солнечных коллекторов и гибридных солнечно-ветровых установок. Этим трем перспективным направлениям технологических разработок посвящен данный выпуск информационного бюллетеня.

ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ СОЛНЕЧНЫЕ ПАНЕЛИ

В современной фотовольтаике чаще всего используются поликремниевые солнечные панели. При достаточно высоком коэффициенте преобразования энергии, они дороги в производстве и требуют большого количества исходного материала (моно- или поликристаллического кремния). Более экономичной альтернативой могут стать тонкопленочные солнечные панели.

Тонкопленочные солнечные панели представляют собой дешевые гибкие фотоэлементы большой площади, в которых полупроводник (аморфный кремний или другие материалы) осаждается слоем толщиной около 1 микрона на подложку из стекла или стали. Такие панели могут быть полупрозрачными и прозрачными, функционировать при рассеянном излучении и вырабатывать большую суммарную мощность (на 10–15%), чем традиционные моно- или поликремниевые панели. Их можно будет покупать в рулонах (как ткань или обои), размещать на зданиях и архитектурных формах, любом транспортном средстве на электрической тяге (самолетах, лодках, автомобилях и др.).

ПЛОСКИЕ СОЛНЕЧНЫЕ КОЛЛЕКТОРЫ

Для получения солнечной тепловой энергии используются различные технологические решения. Одно из самых распространенных — вакуумированные солнечные коллекторы, на которые приходится более 60% производимой в мире солнечной тепловой энергии. Однако они должны устанавливаться под определенным углом для снижения энергопотерь, а очищение их рабочей поверхности требует дополнительных затрат на протяжении всего срока эксплуатации. Минимизировать расходы можно благодаря плоским солнечным коллекторам, для которых характерно более оптимальное сочетание цены и качества (инвестиции, как правило, окупаются за пять лет).

Плоский коллектор представляет собой теплоизолированный металлический ящик, куда помещена окрашенная в черный цвет пластина абсорбера (поглотителя), изготовленного из металла, который хорошо проводит тепло (чаще всего это медь или алюминий). Ящик имеет стеклянную или пластмассовую крышку — прозрачную либо матовую, для снижения потерь тепла. Солнечный свет проходит через остекление и попадает на пластину-поглотитель. Она нагревается, и солнечное излучение превращается в тепловую энергию.

ГИБРИДНЫЕ СОЛНЕЧНО-ВЕТРОВЫЕ УСТАНОВКИ

Ученые во всем мире активно работают над повышением эффективности преобразования энергии солнца и ветра в электричество (сейчас КПД солнечных панелей уже превышает 30%, а ветрогенераторов — 45%) и ищут оптимальную модель комбинирования этих двух технологий. В большинстве районов солнечная радиация и ветер находятся в противофазе (то есть когда светит яркое солнце, обычно нет ветра, и наоборот), благодаря чему может достигаться бесперебойное производство тепловой и электрической энергии.

Для обеспечения стабильной выработки энергии в рамках годового и суточного цикла создаются гибридные электростанции, использующие несколько возобновляемых источников. Наиболее популярны сегодня солнечно-ветровые установки, представляющие собой комбинацию солнечных панелей с ветрогенераторами и часто дополненные дизельным генератором (автоматически запускается при падении уровня выработки энергии, например, при отсутствии ветра и солнца в ночное время суток). Они являются более успешной заменой газотурбинных установок малой мощности, мазутных котельных и дизельных генераторов, особенно расположенных в зоне децентрализованной энергетики.

Источник: Мониторинг глобальных технологических трендов от Института статистических исследований и экономики знаний Высшей школы экономики в рамках Программы фундаментальных исследований НИУ ВШЭ.

Материалы подготовлены с использованием системы интеллектуального анализа больших данных iFORA, созданной ИСИЭЗ НИУ ВШЭ. Более детальную информацию о результатах исследования можно получить в ИСИЭЗ НИУ ВШЭ.