Солнечная энергия , также известная как солнечное электричество , представляет собой преобразование энергии солнечного света в электричество , либо напрямую с использованием фотоэлектрических элементов (PV), либо косвенно с использованием концентрированной солнечной энергии . Солнечные панели используют фотоэлектрический эффект для преобразования света в электрический ток . [2] Концентрированные солнечные энергетические системы используют линзы или зеркала и системы слежения за солнцем для фокусировки большой площади солнечного света в горячую точку, часто для приведения в действие паровой турбины .
Фотоэлектрические системы (PV) изначально использовались исключительно в качестве источника электроэнергии для малых и средних приложений, от калькулятора, работающего от одной солнечной батареи, до удаленных домов, питаемых от автономной фотоэлектрической системы на крыше. Коммерческие концентрированные солнечные электростанции были впервые разработаны в 1980-х годах. С тех пор, поскольку стоимость солнечных панелей упала, мощность и производство сетевых солнечных фотоэлектрических систем удваивались примерно каждые три года . Три четверти новых генерирующих мощностей составляют солнечные батареи [3] , при этом продолжают строиться как миллионы установок на крышах, так и гигаваттные фотоэлектрические электростанции .
В 2023 году солнечная энергия выработала 5,5% (1631 ТВт·ч) мировой электроэнергии и более 1% первичной энергии , добавив вдвое больше новой электроэнергии, чем уголь. [4] [5] Наряду с наземной ветроэнергетикой , солнечная энергия коммунального масштаба является источником с самой низкой приведенной стоимостью электроэнергии для новых установок в большинстве стран. [6] [7] По состоянию на 2023 год 33 страны вырабатывали более десятой части своей электроэнергии за счет солнечной энергии, причем Китай обеспечил более половины роста солнечной энергии. [8] Почти половина солнечной энергии, установленной в 2022 году, была установлена на крышах . [9]
Для электрификации и ограничения изменения климата требуется гораздо больше низкоуглеродной энергии . [3] В 2022 году Международное энергетическое агентство заявило, что необходимы дополнительные усилия для интеграции сетей и смягчения проблем политики, регулирования и финансирования. [10] Тем не менее, солнечная энергия может значительно снизить стоимость энергии. [5]
География влияет на потенциал солнечной энергии, поскольку разные места получают разное количество солнечной радиации. В частности, с некоторыми вариациями, области, которые находятся ближе к экватору, обычно получают большее количество солнечной радиации. Однако солнечные панели , которые могут следовать за положением Солнца, могут значительно увеличить потенциал солнечной энергии в областях, которые находятся дальше от экватора. [11] Дневной облачный покров может уменьшить свет, доступный для солнечных элементов. Доступность земли также оказывает большое влияние на доступную солнечную энергию.
Солнечные электростанции используют одну из двух технологий:
Солнечный элемент , или фотоэлектрический элемент, представляет собой устройство, преобразующее свет в электрический ток с помощью фотоэлектрического эффекта . Первый солнечный элемент был сконструирован Чарльзом Фриттсом в 1880-х годах. [13] Немецкий промышленник Эрнст Вернер фон Сименс был среди тех, кто осознал важность этого открытия. [14] В 1931 году немецкий инженер Бруно Ланге разработал фотоэлемент, используя селенид серебра вместо оксида меди , [15] хотя прототип селеновых элементов преобразовывал менее 1% падающего света в электричество. Следуя за работами Рассела Оля в 1940-х годах, исследователи Джеральд Пирсон, Кэлвин Фуллер и Дэрил Чапин создали кремниевый солнечный элемент в 1954 году. [16] Эти ранние солнечные элементы стоили 286 долларов США за ватт и достигали эффективности 4,5–6%. [17] В 1957 году Мохамед М. Аталла разработал процесс пассивации поверхности кремния путем термического окисления в Bell Labs . [18] [19] С тех пор процесс пассивации поверхности имеет решающее значение для эффективности солнечных элементов . [20]
По состоянию на 2022 год [update]более 90% рынка составляет кристаллический кремний . [21] Массив фотоэлектрической системы , или PV-системы, вырабатывает постоянный ток (DC), который колеблется в зависимости от интенсивности солнечного света. Для практического использования это обычно требует преобразования в переменный ток (AC) с помощью инверторов . [12] Несколько солнечных элементов соединены внутри панелей. Панели соединены вместе, образуя массивы, затем подключены к инвертору, который вырабатывает мощность с требуемым напряжением, а для переменного тока — с требуемой частотой/фазой. [12]
Многие домашние фотоэлектрические системы подключаются к сети, когда они доступны, особенно в развитых странах с крупными рынками. [22] В этих фотоэлектрических системах, подключенных к сети , использование накопителей энергии является необязательным. В некоторых приложениях, таких как спутники, маяки или в развивающихся странах, батареи или дополнительные генераторы энергии часто добавляются в качестве резервных. Такие автономные энергосистемы позволяют работать ночью и в другие периоды ограниченного солнечного света.
В системе «вертикальной агровольтаики » солнечные элементы ориентированы вертикально на сельскохозяйственных угодьях, что позволяет земле выращивать урожай и генерировать возобновляемую энергию. [23] Другие конфигурации включают плавающие солнечные фермы , размещение солнечных навесов над парковками и установку солнечных панелей на крышах. [23]
Тонкопленочный солнечный элемент — это солнечный элемент второго поколения , который изготавливается путем нанесения одного или нескольких тонких слоев или тонкой пленки (ТП) фотоэлектрического материала на подложку, такую как стекло, пластик или металл. Тонкопленочные солнечные элементы коммерчески используются в нескольких технологиях, включая теллурид кадмия (CdTe), диселенид галлия-индия-меди (CIGS) и аморфный тонкопленочный кремний (a-Si, TF-Si). [24]
Перовскитный солнечный элемент (PSC) — это тип солнечного элемента , который включает в себя соединение со структурой перовскита , чаще всего гибридный органо-неорганический материал на основе галогенида свинца или олова в качестве активного слоя, собирающего свет. [25] [26] Перовскитные материалы, такие как галогениды свинца метиламмония и полностью неорганический галогенид свинца цезия, дешевы в производстве и просты в изготовлении.
Эффективность солнечных элементов лабораторных устройств, использующих эти материалы, возросла с 3,8% в 2009 году [27] до 25,7% в 2021 году в однопереходных архитектурах [28] [29] и в тандемных ячейках на основе кремния до 29,8%, [28] [30], что превышает максимальную эффективность, достигнутую в однопереходных кремниевых солнечных элементах. Таким образом, перовскитные солнечные элементы стали самой быстроразвивающейся солнечной технологией по состоянию на 2016 год [update]. [25] Благодаря потенциалу достижения еще более высокой эффективности и очень низким производственным затратам перовскитные солнечные элементы стали коммерчески привлекательными. Основные проблемы и предметы исследований включают их краткосрочную и долгосрочную стабильность. [31]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 электроэнергии с помощью обычных паровых турбин. [32]
Существует широкий спектр технологий концентрации: среди наиболее известных — параболический желоб , компактный линейный отражатель Френеля , тарелка Стирлинга и солнечная башня . Для отслеживания солнца и фокусировки света используются различные методы. Во всех этих системах рабочая жидкость нагревается концентрированным солнечным светом и затем используется для выработки электроэнергии или ее хранения. [33] Тепловое хранение эффективно позволяет производить электроэнергию в течение ночи, [34] таким образом дополняя фотоэлектрические системы. [35] CSP генерирует очень небольшую долю солнечной энергии, и в 2022 году МЭА заявило, что CSP должна получать большую плату за ее хранение. [36]
По состоянию на 2021 год приведенная [update]стоимость электроэнергии от КСЭ более чем в два раза превышает стоимость электроэнергии от фотоэлектрических установок. [37] Однако их очень высокие температуры могут оказаться полезными для содействия декарбонизации отраслей промышленности (возможно, с помощью водорода), которым необходимо быть горячее, чем может обеспечить электричество. [38]
Гибридная система объединяет солнечную энергию с накопителями энергии и/или одной или несколькими другими формами генерации. Гидроэнергия, [39] [40] ветер [41] [42] и батареи [43] обычно сочетаются с солнечной энергией. Комбинированная генерация может позволить системе изменять выходную мощность в зависимости от спроса или, по крайней мере, сглаживать колебания солнечной энергии. [44] [45] Во всем мире много гидроэнергии, и добавление солнечных панелей на существующие гидрорезервуары или вокруг них особенно полезно, поскольку гидроэнергия обычно более гибка, чем ветер, и дешевле в масштабе, чем батареи, [46] и иногда можно использовать существующие линии электропередач. [47] [48]
Раннее развитие солнечных технологий, начавшееся в 1860-х годах, было обусловлено ожиданием того, что уголь вскоре станет дефицитным, например, эксперименты Огюстена Мушо . [53] Чарльз Фриттс установил первую в мире фотоэлектрическую солнечную батарею на крыше, используя селеновые элементы с эффективностью 1%, на крыше Нью-Йорка в 1884 году. [54] Однако развитие солнечных технологий застопорилось в начале 20-го века в условиях растущей доступности, экономичности и полезности угля и нефти . [55] Исследования Bell Telephone Laboratories 1950-х годов использовали кремниевые пластины с тонким покрытием из бора. «Солнечная батарея Белла» была описана как имеющая эффективность 6%, при этом квадратный ярд панелей вырабатывал 50 Вт. [56] Первый спутник с солнечными панелями был запущен в 1957 году . [57]
К 1970-м годам солнечные панели все еще были слишком дороги для чего-либо, кроме спутников . [58] В 1974 году было подсчитано, что только шесть частных домов во всей Северной Америке полностью отапливались или охлаждались функциональными солнечными энергосистемами. [59] Однако нефтяное эмбарго 1973 года и энергетический кризис 1979 года вызвали реорганизацию энергетической политики во всем мире и вновь привлекли внимание к разработке солнечных технологий. [60] [61]
Стратегии развертывания были сосредоточены на программах стимулирования, таких как Федеральная программа использования фотоэлектрических систем в США и Программа солнечного света в Японии. Другие усилия включали формирование исследовательских учреждений в Соединенных Штатах (SERI, теперь NREL ), Японии ( NEDO ) и Германии ( Fraunhofer ISE ). [62] В период с 1970 по 1983 год установки фотоэлектрических систем быстро росли. В Соединенных Штатах президент Джимми Картер поставил цель производить 20% энергии США из солнца к 2000 году, но его преемник Рональд Рейган прекратил финансирование исследований в области возобновляемых источников энергии. [58] Падение цен на нефть в начале 1980-х годов сдержало рост фотоэлектрических систем с 1984 по 1996 год.
В середине 1990-х годов развитие как жилых, так и коммерческих солнечных электростанций на крышах зданий , а также фотоэлектрических электростанций коммунального масштаба снова начало ускоряться из-за проблем с поставками нефти и природного газа, проблем глобального потепления и улучшения экономического положения фотоэлектрических систем по сравнению с другими энергетическими технологиями. [58] [63] В начале 2000-х годов принятие фиксированных тарифов — политического механизма, который отдает приоритет возобновляемым источникам энергии в сети и определяет фиксированную цену на вырабатываемую электроэнергию — привело к высокому уровню инвестиционной безопасности и резкому росту числа установок фотоэлектрических систем в Европе.
В течение нескольких лет рост солнечной фотоэлектрической энергетики во всем мире был обусловлен ее развертыванием в Европе , но затем он переместился в Азию, особенно в Китай и Японию , а также во все большее число стран и регионов по всему миру. Крупнейшие производители солнечного оборудования базировались в Китае. [64] [65] Хотя мощность концентрированной солнечной энергии выросла более чем в десять раз, она оставалась незначительной долей от общего объема, [66] : 51 , поскольку стоимость солнечных фотоэлектрических установок коммунального масштаба упала на 85% в период с 2010 по 2020 год, в то время как затраты на CSP упали только на 68% за тот же период времени. [67]
Несмотря на рост стоимости материалов, таких как поликремний , во время мирового энергетического кризиса 2021–2022 гг . [68] солнечная энергетика коммунального масштаба по-прежнему оставалась наименее дорогим источником энергии во многих странах из-за роста стоимости других источников энергии, таких как природный газ. [69] В 2022 году мировая мощность солнечной генерации впервые превысила 1 ТВт. [70] Однако субсидии на ископаемое топливо замедлили рост мощностей солнечной генерации. [71]
Около половины установленной мощности приходится на коммунальные предприятия. [72]
Прогнозируется, что большая часть новых возобновляемых мощностей в период с 2022 по 2027 год будет приходиться на солнечную энергию, что превзойдет уголь в качестве крупнейшего источника установленной мощности. [73] : 26 Прогнозируется, что к 2050 году коммунальные предприятия станут крупнейшим источником электроэнергии во всех регионах, за исключением стран Африки к югу от Сахары. [72]
Согласно исследованию 2021 года, глобальный потенциал генерации электроэнергии крышными солнечными панелями оценивается в 27 ПВт·ч в год при стоимости от 40 долл. США (Азия) до 240 долл. США за МВт·ч (США, Европа). Однако его практическая реализация будет зависеть от доступности и стоимости масштабируемых решений по хранению электроэнергии. [74]
Фотоэлектрическая электростанция , также известная как солнечный парк, солнечная ферма или солнечная электростанция, представляет собой крупномасштабную подключенную к сети фотоэлектрическую энергетическую систему (PV-систему), предназначенную для поставки коммерческой электроэнергии . Они отличаются от большинства монтируемых на зданиях и других децентрализованных солнечных электростанций, поскольку они поставляют электроэнергию на уровне коммунального предприятия , а не локальному пользователю или пользователям. Для описания этого типа проекта иногда используется термин Utility-scale solar.
Этот подход отличается от концентрированной солнечной энергии , другой крупной технологии крупномасштабной солнечной генерации, которая использует тепло для приведения в действие различных обычных систем генераторов. Оба подхода имеют свои преимущества и недостатки, но на сегодняшний день по разным причинам фотоэлектрическая технология получила гораздо более широкое применение. По состоянию на 2019 год [update]около 97% мощностей солнечной энергии коммунального масштаба приходилось на фотоэлектрические системы. [75] [76]
В некоторых странах паспортная мощность фотоэлектрических электростанций оценивается в мегаватт-пик (МВт п ), что относится к теоретической максимальной выходной мощности постоянного тока солнечной батареи . В других странах производитель указывает поверхность и эффективность. Однако Канада, Япония, Испания и США часто указывают, используя преобразованную нижнюю номинальную выходную мощность в МВт переменного тока , меру, более непосредственно сопоставимую с другими формами генерации электроэнергии. Большинство солнечных парков разрабатываются в масштабе не менее 1 МВт п . По состоянию на 2018 год крупнейшие в мире действующие фотоэлектрические электростанции превысили 1 гигаватт . В конце 2019 года около 9000 солнечных ферм были больше 4 МВт переменного тока (масштаб коммунальных услуг), с общей мощностью более 220 ГВт переменного тока . [75]
Большинство существующих крупных фотоэлектрических электростанций принадлежат независимым производителям электроэнергии и управляются ими , но участие проектов, принадлежащих обществу и коммунальным предприятиям, увеличивается. [77] Раньше почти все они поддерживались, по крайней мере частично, регулирующими стимулами, такими как фиксированные тарифы или налоговые льготы , но поскольку в 2010-х годах нормированные издержки значительно снизились, а на большинстве рынков был достигнут сетевой паритет , внешние стимулы обычно не нужны.Коммерческие концентрирующие солнечные электростанции (CSP), также называемые «солнечными тепловыми электростанциями», были впервые разработаны в 1980-х годах. 377-мегаваттная солнечная электростанция Ivanpah , расположенная в пустыне Мохаве в Калифорнии, является крупнейшим в мире проектом солнечной тепловой электростанции. Другие крупные станции CSP включают солнечную электростанцию Solnova (150 МВт), солнечную электростанцию Andasol (150 МВт) и солнечную электростанцию Extresol (150 МВт), все в Испании. Главным преимуществом CSP является возможность эффективного добавления теплового хранилища, что позволяет распределять электроэнергию в течение 24 часов. Поскольку пик спроса на электроэнергию обычно приходится примерно на 5 часов вечера, многие электростанции CSP используют 3-5 часов теплового хранилища. [78]
Типичные факторы стоимости солнечной энергии включают стоимость модулей, каркаса для их установки, проводки, инверторов, стоимость рабочей силы, любую необходимую землю, подключение к сети, техническое обслуживание и солнечную инсоляцию, которую получит это место.
Фотоэлектрические системы не используют топливо, а модули обычно служат от 25 до 40 лет. [79] Таким образом, первоначальные капитальные и финансовые затраты составляют от 80% до 90% стоимости солнечной энергии, [73] : 165, что является проблемой для стран, где контракты могут не выполняться, например, для некоторых африканских стран. [5] Некоторые страны рассматривают ценовые ограничения , [80] тогда как другие предпочитают контракты на разницу . [81]
Во многих странах солнечная энергия является самым дешевым источником электроэнергии. [82] В Саудовской Аравии в апреле 2021 года было подписано соглашение о покупке электроэнергии (PPA) для новой солнечной электростанции в Аль-Файсалии. Проект зафиксировал самую низкую в мире стоимость производства электроэнергии с помощью солнечных фотоэлектрических систем — 1,04 цента США/кВтч. [83]
Расходы на высокопроизводительные солнечные модули значительно снизились с течением времени. Начиная с 1982 года стоимость за кВт составляла приблизительно 27 000 американских долларов, а в 2006 году она упала приблизительно до 4 000 американских долларов за кВт. В 1992 году стоимость фотоэлектрической системы составляла приблизительно 16 000 американских долларов за кВт, а в 2008 году она упала приблизительно до 6 000 американских долларов за кВт. [84] В 2021 году в США стоимость бытовых солнечных панелей составляла от 2 до 4 долларов за ватт (но солнечная черепица стоит гораздо дороже) [85] , а коммунальные солнечные панели стоили около 1 доллара за ватт. [86]
Производительность солнечной энергии в регионе зависит от солнечного излучения , которое меняется в течение дня и года и зависит от широты и климата . Выходная мощность фотоэлектрической системы также зависит от температуры окружающей среды, скорости ветра, солнечного спектра, местных условий загрязнения и других факторов.
Береговая ветроэнергетика, как правило, является самым дешевым источником электроэнергии в Северной Евразии, Канаде, некоторых частях Соединенных Штатов и Патагонии в Аргентине, тогда как в других частях мира в основном солнечная энергия (или реже комбинация ветра, солнца и другой низкоуглеродной энергии) считается лучшим источником. [87] : 8 Моделирование Эксетерского университета предполагает, что к 2030 году солнечная энергия станет наименее дорогой во всех странах, за исключением некоторых стран северо-восточной Европы. [88]
Места с самой высокой годовой солнечной радиацией находятся в засушливых тропиках и субтропиках. Пустыни, лежащие в низких широтах, обычно имеют мало облаков и могут получать солнечный свет более десяти часов в день. [89] [90] Эти жаркие пустыни образуют Глобальный солнечный пояс, опоясывающий мир. Этот пояс состоит из обширных участков земли в Северной Африке , Южной Африке , Юго-Западной Азии , на Ближнем Востоке и в Австралии , а также гораздо меньших пустынь Северной и Южной Америки . [91]
Таким образом, солнечная энергия является (или, по прогнозам, станет) самым дешевым источником энергии во всей Центральной Америке, Африке, на Ближнем Востоке, в Индии, Юго-Восточной Азии, Австралии и ряде других регионов. [87] : 8
Различные измерения солнечной радиации (прямая нормальная радиация, глобальная горизонтальная радиация) отображены ниже:
В случаях самостоятельного потребления солнечной энергии время окупаемости рассчитывается на основе того, сколько электроэнергии не покупается из сети. [92] Однако во многих случаях схемы генерации и потребления не совпадают, и часть или вся энергия возвращается в сеть. Электроэнергия продается, а в других случаях, когда энергия берется из сети, электроэнергия покупается. Относительные затраты и полученные цены влияют на экономику. На многих рынках цена, уплачиваемая за проданную электроэнергию от фотоэлектрических систем, значительно ниже цены купленной электроэнергии, что стимулирует самостоятельное потребление. [93] Более того, отдельные стимулы для самостоятельного потребления использовались, например, в Германии и Италии. [93] Регулирование взаимодействия сетей также включало ограничения подачи в сеть в некоторых регионах Германии с большим количеством установленной мощности фотоэлектрических систем. [93] [94] Увеличивая собственное потребление, подачу в сеть можно ограничить без урезания , что приводит к потере электроэнергии. [95]
Хорошее соответствие между генерацией и потреблением является ключом к высокому собственному потреблению. Соответствие можно улучшить с помощью батарей или контролируемого потребления электроэнергии. [95] Однако батареи дороги, и прибыльность может потребовать предоставления других услуг от них, помимо увеличения собственного потребления, [96] например, избегания отключений электроэнергии . [97] Баки для хранения горячей воды с электрическим нагревом с тепловыми насосами или резистивными нагревателями могут обеспечить недорогое хранение для собственного потребления солнечной энергии. [95] Сменные нагрузки, такие как посудомоечные машины, сушильные машины и стиральные машины, могут обеспечить контролируемое потребление с ограниченным эффектом для пользователей, но их влияние на собственное потребление солнечной энергии может быть ограниченным. [95]
Первоначальная политическая цель политики стимулирования для PV заключалась в содействии первоначальному мелкомасштабному развертыванию для начала роста отрасли, даже если стоимость PV была значительно выше сетевого паритета, чтобы позволить отрасли достичь экономии масштаба, необходимой для достижения сетевого паритета. После достижения сетевого паритета некоторые политики реализуются для содействия национальной энергетической независимости, [98] созданию высокотехнологичных рабочих мест [99] и сокращению выбросов CO 2. [98]
Финансовые стимулы для фотоэлектрических установок различаются в разных странах, включая Австралию , [100] Китай , [101] Германию , [102] Индию , [103] Японию и США , а также в разных штатах внутри США.
При чистом измерении цена произведенной электроэнергии такая же, как и цена, поставленная потребителю, и потребителю выставляется счет на разницу между производством и потреблением. Чистый учет обычно может быть выполнен без изменений в стандартных счетчиках электроэнергии , которые точно измеряют мощность в обоих направлениях и автоматически сообщают разницу, и потому что он позволяет домовладельцам и предприятиям вырабатывать электроэнергию в разное время от потребления, эффективно используя сеть как гигантскую накопительную батарею. При чистом измерении дефицит выставляется каждый месяц, а излишки переносятся на следующий месяц. Передовая практика требует постоянного переноса кредитов кВтч. [104] Избыточные кредиты по окончании обслуживания либо теряются, либо оплачиваются по ставке от оптовой до розничной или выше, как и избыточные годовые кредиты. [105]
Проект солнечной энергетики сообщества представляет собой установку солнечной энергетики, которая принимает капитал и предоставляет кредит на выход и налоговые льготы нескольким клиентам, включая частных лиц, предприятия, некоммерческие организации и других инвесторов. Участники обычно инвестируют или подписываются на определенную мощность кВт или генерацию кВт/ч удаленного производства электроэнергии. [107]
В некоторых странах на импортируемые солнечные панели налагаются пошлины (импортные налоги) . [108] [109]
Подавляющее большинство электроэнергии, произведенной в мире, используется немедленно, поскольку традиционные генераторы могут адаптироваться к спросу, а хранение обычно обходится дороже. Как солнечная энергия, так и энергия ветра являются источниками переменной возобновляемой энергии , что означает, что весь доступный выход должен использоваться локально, передаваться по линиям электропередач для использования в другом месте или храниться (например, в батарее). Поскольку солнечная энергия недоступна ночью, ее хранение для обеспечения непрерывной доступности электроэнергии является потенциально важной проблемой, особенно в автономных приложениях и для будущих сценариев 100% возобновляемой энергии . [113]
Солнечная энергия непостоянна из-за циклов день/ночь и переменных погодных условий. Однако солнечную энергию можно спрогнозировать в некоторой степени по времени суток, местоположению и сезонам. Проблема интеграции солнечной энергии в любую конкретную электроэнергетическую систему значительно различается. В местах с жарким летом и мягкой зимой солнечная энергия, как правило, хорошо соответствует дневным потребностям в охлаждении. [114]
Концентрированные солнечные электростанции могут использовать тепловые накопители для хранения солнечной энергии, например, в высокотемпературных расплавленных солях. Эти соли являются эффективным средством хранения, поскольку они недороги, имеют высокую удельную теплоемкость и могут отдавать тепло при температурах, совместимых с обычными энергосистемами. Такой метод хранения энергии используется, например, на электростанции Solar Two , что позволяет ей хранить 1,44 ТДж в своем резервуаре для хранения объемом 68 м3 , что достаточно для обеспечения полной мощности в течение почти 39 часов с эффективностью около 99%. [115]
В автономных фотоэлектрических системах батареи традиционно используются для хранения избыточной электроэнергии. С помощью подключенных к сети фотоэлектрических систем избыточная электроэнергия может быть отправлена в электросеть . Программы чистого учета и тарифов на электроэнергию дают этим системам кредит за электроэнергию, которую они производят. Этот кредит компенсирует электроэнергию, поставляемую из сети, когда система не может удовлетворить спрос, эффективно торгуя с сетью вместо того, чтобы хранить избыточную электроэнергию. [116] Когда ветер и солнце составляют небольшую часть мощности сети, другие методы генерации могут соответствующим образом регулировать свой выход, но по мере роста этих форм переменной мощности требуется дополнительный баланс в сети. Поскольку цены быстро снижаются, фотоэлектрические системы все чаще используют перезаряжаемые батареи для хранения излишков, которые будут использоваться позже ночью. Батареи, используемые для хранения в сети, могут стабилизировать электросеть , выравнивая пиковые нагрузки в течение нескольких часов. В будущем менее дорогие батареи могут играть важную роль в электросети, поскольку они могут заряжаться в периоды, когда генерация превышает спрос, и подавать свою накопленную энергию в сеть, когда спрос превышает генерацию.
Распространенные технологии аккумуляторов, используемые в современных домашних фотоэлектрических системах, включают никель-кадмиевые , свинцово-кислотные , никель-металлгидридные и литий-ионные . [117] [118] [ требуется лучший источник ] Литий-ионные аккумуляторы имеют потенциал заменить свинцово-кислотные аккумуляторы в ближайшем будущем, поскольку они интенсивно разрабатываются, и ожидается более низкие цены из-за экономии масштаба, обеспечиваемой крупными производственными предприятиями, такими как Tesla Gigafactory 1 . Кроме того, литий-ионные аккумуляторы подключаемых электромобилей могут служить будущими устройствами хранения в системе «автомобиль-сеть» . Поскольку большинство транспортных средств припаркованы в среднем 95% времени, их аккумуляторы могут использоваться для передачи электроэнергии от автомобиля к линиям электропередач и обратно.
Списанные батареи электромобилей (ЭМ) можно повторно использовать. [119] Другие перезаряжаемые батареи, используемые для распределенных фотоэлектрических систем, включают в себя натрий-серные и ванадиевые окислительно-восстановительные батареи, два известных типа расплавленных солевых и проточных батарей соответственно. [120] [121] [122]
Солнечные электростанции, хотя их можно сократить, обычно просто вырабатывают столько энергии, сколько возможно. Поэтому в электроэнергетической системе без достаточного накопления энергии в сети , генерация из других источников (уголь, биомасса, природный газ, атомная энергия, гидроэлектроэнергия ) обычно то увеличивается, то уменьшается в ответ на рост и падение солнечной электроэнергии и изменения спроса (см. электростанция, следящая за нагрузкой ).
Обычные гидроэлектростанции работают очень хорошо в сочетании с солнечной энергией; вода может быть задержана или выпущена из резервуара по мере необходимости. Там, где нет подходящей географии, гидроаккумулирующие электростанции могут использовать солнечную энергию для перекачивания воды в высокий резервуар в солнечные дни, затем энергия восстанавливается ночью и в плохую погоду путем сброса воды через гидроэлектростанцию в низкий резервуар, где цикл может начаться снова. [124]
В то время как гидроэлектростанции и электростанции на природном газе могут быстро реагировать на изменения нагрузки, угольные, биомассовые и атомные электростанции обычно тратят значительное время на то, чтобы отреагировать на нагрузку, и их можно планировать только так, чтобы они следовали предсказуемым изменениям. В зависимости от местных обстоятельств, за пределами примерно 20–40% от общего объема генерации, сетевые непостоянные источники, такие как солнечные, как правило, требуют инвестиций в некоторую комбинацию сетевых взаимосвязей, хранения энергии или управления спросом . В странах с высокой солнечной генерацией, таких как Австралия, цены на электроэнергию могут стать отрицательными в середине дня, когда солнечная генерация высока, тем самым стимулируя новые аккумуляторные батареи . [125] [126]
Комбинация ветра и солнечных фотоэлектрических систем имеет то преимущество, что эти два источника дополняют друг друга, поскольку пиковые периоды работы каждой системы приходятся на разное время дня и года. [127] Генерация электроэнергии такими гибридными солнечными энергетическими системами, следовательно, более постоянна и колеблется меньше, чем у каждой из двух подсистем-компонентов. [128] Солнечная энергия является сезонной, особенно в северном/южном климате, вдали от экватора, что предполагает необходимость долгосрочного сезонного хранения в среде, такой как водород или гидроэлектроэнергия. [129]
Солнечная энергия чище, чем электричество из ископаемого топлива , [21] , поэтому может быть лучше для окружающей среды. [130] Солнечная энергия не приводит к вредным выбросам во время работы, но производство панелей создает некоторое загрязнение. Углеродный след производства составляет менее 1 кг CO 2 /Втп, [131] и, как ожидается, он будет снижаться, поскольку производители используют больше чистой электроэнергии и переработанных материалов. [132] Солнечная энергия несет первоначальные затраты на окружающую среду через производство со сроком окупаемости выбросов углерода в несколько лет по состоянию на 2022 год [update], [132] но предлагает чистую энергию в течение оставшегося 30-летнего срока службы. [133]
Выбросы парниковых газов за жизненный цикл солнечных электростанций составляют менее 50 грамм (г) на киловатт-час (кВт·ч) [134] [135] [136] , но с аккумуляторными батареями могут достигать 150 г/кВт·ч. [137] Напротив, газовая электростанция комбинированного цикла без улавливания и хранения углерода выбрасывает около 500 г/кВт·ч, а угольная электростанция — около 1000 г/кВт·ч. [138] Подобно всем источникам энергии, где их общие выбросы за жизненный цикл в основном связаны со строительством, переход на низкоуглеродную энергетику при производстве и транспортировке солнечных устройств еще больше сократит выбросы углерода. [136]
Плотность мощности на поверхности жизненного цикла солнечной энергии варьируется [139], но в среднем составляет около 7 Вт/м2, по сравнению с примерно 240 для ядерной энергии и 480 для газа. [140] Однако, если учесть землю, необходимую для добычи и переработки газа, газовая энергия, по оценкам, имеет не намного более высокую плотность мощности, чем солнечная. [21] Для фотоэлектрических систем требуется гораздо большее количество поверхности земли для производства того же номинального количества энергии, что и источники [ какие? ] с более высокой плотностью мощности поверхности и коэффициентом мощности. Согласно исследованию 2021 года, получение от 25% до 80% электроэнергии от солнечных ферм на их собственной территории к 2050 году потребует, чтобы панели покрывали земли в диапазоне от 0,5% до 2,8% в Европейском Союзе , от 0,3% до 1,4% в Индии и от 1,2% до 5,2% в Японии и Южной Корее . [141] Занятие таких больших территорий для фотоэлектрических ферм может вызвать сопротивление со стороны населения, а также привести к вырубке лесов, удалению растительности и преобразованию сельскохозяйственных земель. [142] Однако некоторые страны, такие как Южная Корея и Япония, используют земли для сельского хозяйства под фотоэлектрические установки , [143] [144] или плавучие солнечные батареи, [145] вместе с другими источниками энергии с низким содержанием углерода . [146] [147] Во всем мире землепользование оказывает минимальное воздействие на окружающую среду. [148] Землепользование можно сократить до уровня газовой энергетики, установив ее на зданиях и других застроенных территориях. [139]
Вредные материалы используются при производстве солнечных панелей, но, как правило, в небольших количествах. [149] По состоянию на 2022 год [update]воздействие перовскита на окружающую среду трудно оценить, но есть некоторые опасения, что свинец может представлять собой проблему. [21]
Исследование Международного энергетического агентства за 2021 год прогнозирует, что спрос на медь удвоится к 2040 году. Исследование предупреждает, что предложение должно быстро увеличиваться, чтобы соответствовать спросу в связи с масштабным развертыванием солнечной энергетики и требуемой модернизацией сетей. [150] [151] Также может потребоваться больше теллура и индия . [21]
Переработка может помочь. [21] Поскольку солнечные панели иногда заменяют более эффективными панелями, бывшие в употреблении панели иногда повторно используются в развивающихся странах, например, в Африке . [152] В некоторых странах действуют особые правила переработки солнечных панелей . [153] [154] [155] Хотя стоимость обслуживания уже низкая по сравнению с другими источниками энергии, [156] некоторые ученые призвали проектировать солнечные энергетические системы так, чтобы их было легче ремонтировать . [157] [158]
Солнечные панели могут повышать локальную температуру. В большой установке в пустыне эффект может быть сильнее, чем городской тепловой остров. [159]
Очень малая часть солнечной энергии — концентрированная солнечная энергия . Концентрированная солнечная энергия может использовать гораздо больше воды, чем газовая энергия. Это может быть проблемой, так как этот тип солнечной энергии требует сильного солнечного света, поэтому его часто строят в пустынях. [160]
Солнечная генерация не может быть прекращена геополитикой после ее установки, в отличие от нефти и газа, которые способствуют энергетической безопасности . [162]
По состоянию на 2022 год [update]более 40% мировых мощностей по производству поликремния находятся в Синьцзяне ( Китай) , [163] что вызывает обеспокоенность по поводу нарушений прав человека ( лагеря для интернированных в Синьцзяне ). [164]
По данным Международного общества солнечной энергетики, доминирование Китая в производстве не является проблемой, поскольку, по их оценкам, производство солнечной энергии не может вырасти более чем до 400 млрд долларов США в год, а также потому, что если бы поставки из Китая прекратились, у других стран были бы годы, чтобы создать свою собственную промышленность. [165]
Кажущееся противоречие, которое может возникнуть из-за того, что крупные фотоэлектрические установки занимают больше земли, чем относительно компактные угольные или газовые установки, связано с включением в расчет воздействия на занятие земель, возникающего в результате добычи угля и нефти или газа; если они включены, воздействие на занятие земель больше для ископаемого топлива.
{{cite web}}
: CS1 maint: numeric names: authors list (link)