Солнечная электростанция

Построено солнечных фотоэлектрических станций в 2019 году:^[1]

• Китайская Народная Республика — 30,1 ГВт,
• Страны Европейского Союза 16,0 ГВт,
  • Испания — 4,4 ГВт
  • Германия — 3,9 ГВт
• Соединенные Штаты Америки — 13,3 ГВт,
• Индия — 9,9 ГВт,
• Япония — 7,0 ГВт,
• Вьетнам — 4,8,
• Австралия — 3,7 ГВт,
• Украина — 3,5 ГВт,
• Южная Корея — 3,1 ГВт.

По оценке исследовательской компании Wood Mackenzie в 2023 году в мире были введены в эксплуатацию солнечные электростанции всех типов общей мощностью 358 ГВт, по оценке BloombergNEF — 444 ГВт^[2]. В 2023 году в Китае было введено в строй 216,88 ГВт фотоэлектрических мощностей, что стало абсолютным рекордом^[3][4]. За первое полугодие 2024 года в Китае ввод новых мощностей распределился следующим образом^[3]:

• СЭС — 102,48 ГВт;
• ВЭС — 25,84 ГВт;
• ГЭС — 4,99 ГВт;
• АЭС — 1,19 ГВт.

По итогам первого полугодия 2024 года солнечные и ветровые электростанции Китая по установленной мощности обошли угольные ТЭС: 1180,21 ГВт против 1170 ГВт, но уступали всем тепловым ТЭС — 1405,12 ГВт.^[5] По итогам 2023 года по выработке энергии на угольную генерацию приходилось 60 %, на солнечные и ветровые — 15,5 %^[5].

В январе 2024 года в Черняховске открыто производство фотоэлементов суммарной мощностью до 1,3 ГВт в год^[6].

Солнечные электростанции подразделяют на несколько типов:

• башенного типа
• тарельчатого типа
• фотоэлектрические модули
• использующие параболические концентраторы
• аэростатные
• солнечно-вакуумные.

Фотоэлектрические — самые распространенные солнечные электростанции. Состоят из большого числа модулей — фотоэлементов, объединенных в солнечные батареи. Фотоэлектрические электростанции применяются для энергообеспечения отдельных объектов (частные коттеджи, пансионаты, санатории, промышленные здания, светофоры, резервное питание) так и для выдачи энергии в электрическую сеть.

Фотоэлектрические модули и массивы производят электричество постоянного тока. Они могут быть подключены как в последовательном, так и в параллельном электрическом устройстве к инвертору для получения любой требуемой комбинации напряжения и тока^[7]. В зависимости от подключения к сети фотоэлектрические различаются:

• сетевые солнечные станции (СФЭС, PV) — все крупные электростанции, а также микрогенерация. Самые дешёвые за единицу мощности, поскольку не имеют накопителей. Но не возможна автономная работа при отключении ведущей сети;
• автономные солнечные станции — для снабжения изолированных (удаленных) объектов, а также вся мобильная генерация; Наиболее дорогостоящий вариант за единицу мощности. Срок службы определяется скоростью деградации аккумуляторов, продление (замена аккумулятора) также является дорогостоящим. Летают в космосе с 1958 года. Часто при наличии сети используются в качестве источников бесперебойного питания;
• гибридные солнечные станции — сочетают возможности сетевых и автономных электростанций. Позволяют вырабатывать энергию при отключении сети. За счет использования особых контроллеров-преобразователей являются наиболее сложными в техническом плане. В зависимости от договорных отношений с сетевой организацией гибридные различаются на ограничивающие выработку и выдающие излишки в общую сеть.

Устанавливаются солнечные батареи на кровлях и фасадах зданий, специально выделенных участках земли, в том числе и в виде ограждений. Китай строит электростанции в пустынях, в западных странах существуют проекты размещения на водохранилищах для предотвращения цветения воды. При стационарном размещении учитывается необходимость их периодической очистки и отсутствия затенения от других объектов, включая соседние ряды панелей. В России при размещении учитывается снеговая нагрузка.

Удачным местом размещения крупных сетевых электростанций оказались ГЭС. Это связано с хорошим сочетанием режимов работы двух видов генерации и отсутствием необходимости расширения сетевой инфраструктуры для приёма мощности. Также повышается возможность ГЭС по балансировке солнечных электростанций за счёт общей точки подключения и более стабильной работы единой энергосистемы. Наиболее мощной из них является китайская Kela PV.

Распространение получили мобильные варианты: переносные и для размещения на автомобильном, малом речном и морском транспорте.

Конкурентом солнечных панелей являются солнечные коллекторы. Которые занимают второе место по установленной мощности среди всех солнечных преобразователей. Они непосредственно преобразуют солнечную энергию в тепловую.

Данные электростанции основаны на принципе получения водяного пара с использованием солнечной радиации. В центре станции стоит башня высотой от 18 до 24 метров (в зависимости от мощности и некоторых других параметров высота может быть больше либо меньше), на вершине которой находится резервуар с водой. Этот резервуар покрашен в чёрный цвет для поглощения теплового и видимого излучения. Также в этой башне находится насосная группа, доставляющая воду в резервуар от турбогенератора, который находится вне башни. По кругу от башни на некотором расстоянии располагаются гелиостаты.

Гелиостат — зеркало площадью в несколько квадратных метров, закреплённое на опоре и подключённое к общей системе позиционирования. То есть, в зависимости от положения солнца, зеркало будет менять свою ориентацию в пространстве. Основная и самая трудная задача — это позиционирование всех зеркал станции так, чтобы в любой момент времени все отражённые лучи от них попали на резервуар. Как правило температура в резервуаре подбирается под температурные параметры имеющейся турбины. Фактически на станциях такого типа можно получить сравнительно большой КПД (около 20 %) и высокие мощности.

Данный тип СЭС использует принцип получения электроэнергии, схожий с таковым у башенных СЭС, но есть отличия в конструкции самой станции. Станция состоит из отдельных модулей. Модуль состоит из опоры, на которую крепится ферменная конструкция приемника и отражателя. Приёмник расположен примерно в области концентрации отражённого солнечного света. Отражатель состоит из зеркал в форме, напоминающей тарелки (отсюда название), радиально расположенных на ферме. Диаметры этих зеркал достигают 2 метров, а количество зеркал — нескольких десятков (в зависимости от мощности модуля). Такие станции могут состоять как из одного модуля (автономные), так и из нескольких десятков (работа параллельно с сетью).

Принцип работы данных СЭС заключается в нагревании теплоносителя до параметров, пригодных к использованию в турбогенераторе.

Конструкция СЭС: на ферменной конструкции устанавливается длинное параболоцилиндрическое зеркало, а в фокусе параболы устанавливается трубка, по которой течет теплоноситель (чаще всего масло). Пройдя весь путь, теплоноситель разогревается и в теплообменных аппаратах отдаёт теплоту воде, которая превращается в пар и поступает на турбогенератор.

Представляют собой СЭС с параболическими концентраторами, у которых в фокусе установлен двигатель Стирлинга. Существуют конструкции двигателей Стирлинга, которые непосредственно преобразуют колебания поршня в электрическую энергию, без использования кривошипно-шатунного механизма. Это позволяет достичь высокой эффективности преобразования энергии. Эффективность таких электростанций достигает 31,25 %^[8]. В качестве рабочего тела используется водород или гелий.

Аэростатные солнечные станции (СЭС) бывают 2 типов: первый — солнечные элементы располагаются на поверхности аэростата. При этом КПД не превышает КПД солнечных батарей и составляет около 15 % (в пределе может достигать 40 %). В конструкции второго типа в качестве рефлектора используется параболическая, вогнутая давлением газа, металлизированная плёнка, которая служит для концентрации солнечной энергии. Стоимость квадратного метра которой мала в сравнении с солнечными батареями и любыми отражающими поверхностями. Располагаясь на высоте более 20 км аэростат не боится затенения при облачной погоде, а двигаясь с воздушными потоками не испытывает ветровых нагрузок. Верхняя часть выполнена из прозрачной плёнки с армировкой, посредине парабола пленочного концентратора из армированной металлизированной плёнки, а в фокусе — термопреобразователь, охлаждаемый легким газом-водород, для системы с разложением воды, либо гелий в случае наличия системы дистанционной передачи энергии- например радио- или свч-излучением. Ориентировка шара на солнце осуществляется за счёт перекачки балластной жидкости(вода для водородного цикла), точная ориентировка — гироскопами. При необходимости в одном дирижабле может находиться несколько плавающих шаровидных модулей.

Используют энергию воздушного потока, искусственно создаваемого путём использования разности температур воздуха в приземном слое воздуха, нагреваемого солнечными лучами в закрытом прозрачными стёклами участке, и на некоторой высоте. Состоят из накрытого стеклянной крышей участка земли и высокой башни, у основания которой расположена воздушная турбина с электрогенератором. Вырабатываемая мощность растет с ростом разности температур, которая увеличивается с высотой башни. Путём использования энергии нагретой почвы способны работать почти круглосуточно, что является их серьёзным преимуществом^[9].

По некоторым сведениям, птицы регулярно погибают в воздухе над СЭС башенного типа, если они оказываются слишком близко к зоне концентрации солнечного света вокруг башни^[55], к примеру, на СЭС Айвонпа, в Калифорнии, в среднем одно насекомое или птица погибает каждые 2 минуты^[56].

Установка фотоэлектрических панелей за счет затенения позволяет бороться с антропогенным опустыниванием. Существуют проекты с высоким расположением панелей (1,9 м), позволяющие проводить выпас скота. По состоянию на 2024 год такие проекты реализуются только в Китае, где действуют государственные программы по борьбе с опустыниванием.

• PVSyst — комплексное программное обеспечение для проектирования, моделирования и анализа фотоэлектрических (PV) систем различных масштабов — от небольших автономных установок до крупных сетевых солнечных электростанций. Используется архитекторами, инженерами и исследователями для предварительной оценки энергетической эффективности проектов, анализа затенения, расчёта потерь и финансовой целесообразности будущих установок.