Трудно представить переход к возобновляемой энергетики без развития солнечной энергетики, поскольку неисчерпаемая энергия солнца наряду с другими альтернативными источниками энергии является наиболее распространенной энергией.

Именно солнечная энергия обладает наибольшим энергетическим потенциалом на Земле. Солнце дает нашей планете в 15000 раз больше энергии, чем каждый год потребляется человечеством. За год эта величина составляет 1,5*10²⁴ Дж [39]. Средняя плотность потока солнечного излучения на поверхности Земли составляет около 240 Вт/м² , а максимальная – 1020 Вт/м²  (на экваторе на уровне моря). Даже при современной эффективности преобразования солнечной энергии в тепловую достаточно покрыть солнечными коллекторами только 1 % поверхности пустынь, чтобы на 100 % обеспечить человечество энергией [38 – 36 с.]. Основные достоинства солнечной энергии – общедоступность и неисчерпаемость, а также безопасность гелиоэнергетических установок для окружающей среды.

Еще в древние времена люди нагревали воду с помощью солнечных лучей, для фокусировки которых применяли линзы и зеркала. Однако становление солнечной энергетики началось с открытия фотовольтаического эффекта Александром Беккерелем в 1839 году. Данный эффект показал, что под действием света в веществе возникает напряжение или электрический ток. А первый фотоэлемент был сконструирован из селена американским изобретателям Чарльзом Фриттсом в 1883 году (рисунок 2).

Рисунок 2 – Устройство селенового фотоэлемента

Большой вклад в дальнейшее изучение фотоэффекта внес Альберт Эйнштейн, который сумел объяснить, каким образом происходит испускание электронов под действием света.

Прорыв произошел в 1955 году, когда компания BellTelephone представила солнечную батарею на основе кремния. Ее КПД составлял уже порядка 6%, а в дальнейшем был увеличен до 11%.

Очередной всплеск интереса к солнечной энергетике пришелся на нефтяной кризис 1973–1974 годов, когда многие страны лихорадочно бросились искать альтернативные источники энергии. Только в США за это время было установлено более 3000 фотоэлектрических систем. Производились солнечные часы и калькуляторы, строились дома, использующие исключительно энергию солнца.

Первая попытка производства солнечной энергии в промышленных масштабах была предпринята в США, где в 1981 году заработала солнечная электростанция в пустыне Мохаве. Ее площадь составляла 83 тыс. м², а мощность – 10МВт. Удачный опыт ее использования способствовал дальнейшему развитию солнечной энергетики.

Солнечная электростанция (СЭС) – инженерное сооружение, преобразующее солнечную радиацию в электрическую энергию.

Огромный вклад в развитие отрасли внесла группа советских ученых под руководством Жореса Алферова. В 1970 году она представила первую высокоэффективную солнечную батарею с применением галлия и мышьяка. Воспользовавшись этой идеей, Applied Solar Energy Corporation (ASEC) в 1988 году выпустила батарею с КПД 17%. Большая часть современных батарей, к примеру, имеет коэффициент полезного действия около 20%. Правда, и это уже не предел. В 2011 году компания Boeing наладила выпуск солнечных панелей с КПД 39,2%.

В 1993 году была основана Программа фотоэлектрических систем (PVPS) Международного энергетического агентства (МЭА). В настоящее время в нее входят 32 государства. Программа существует для координации международных совместных усилий, которые повышают роль фотоэлектрической солнечной энергии как краеугольного камня в переходе к устойчивым энергетическим системам.

МЭА PVPS с 1992 года ежегодно публикует отчеты о тенденции развития солнечной энергетики. В соответствии с последним отчетом в 2018 году общая мощность объектов солнечной энергетики в мире составила 512 ГВт. На рисунке 3 представлена диаграмма отражающая темпы роста солнечной энергетики [40].

Рисунок 3 – Общая мощность солнечных электростанций в период с 2007 по 2018 г.

По диаграмме виден интенсивный рост мощности солнечной энергетики. Лидером по установленной мощности является Китай, который только в 2018 году установил 45 ГВт. Наибольшую энергию на душу населения выработала Германия (6 кВт на душу населения).

Таким образом, современной тенденцией является быстрое расширение сфер использования солнечной электроэнергетики как для централизованной выработки электроэнергии на солнечных электростанциях, так и в индивидуальных системах электроснабжения общественных и частных зданий.

В странах, где имеет место высокий уровень развития солнечной энергетики, существуют соответствующие государственные программы, обеспечивающие благоприятные условия, в том числе экономические, для ее использования и развития.

По прогнозам именно в ХХI в. произойдет стремительный рост использования солнечной энергии, и солнечная энергетика может стать одним из основных источников возобновляемой энергии [41].

Получение электроэнергии

На сегодняшний день активно используются два способа извлечения электроэнергии из солнечной радиации: фотоэлектрический и термодинамический метод.

Первый метод основывается на прямом преобразовании энергии фотонов в энергию носителей тока с помощью фотоэлектрических преобразователей (фотоэффект).

Второй метод базируется на последовательном преобразовании солнечного излучения: вначале в теплоту, затем в механическую энергию (с помощью турбины или тепловой машины) и, наконец, в электрическую (в электрогенераторе). Часто в качестве теплоносителя использую воду. Нагрев теплоносителя осуществляют следующими способами:

- фокусированием солнечного излучения на сосуде с теплоносителем. Для того, чтобы солнечной энергоустановка имела мощность более 1 МВт как правило прибегают к двум инженерным решениям: солнечные лучи с помощью многочисленных зеркал (гелиостатов) отражаются на центральный приемник, расположенный на вершине башни, где нагревается рабочее тело [42]; множество небольших солнечных коллекторов ориентируются на Солнце и автономно передают его энергию жидкости – теплоносителю, которая передается в турбинный цех солнечной электростанции;

- генерацией водяного пара внутри баллона аэростата за счет нагрева солнечным излучением его поверхности, покрытой селективнопоглощающим покрытием (солнечная аэростатная энергетика). Ожидаемое преимущество – запаса пара в баллоне должно хватить для работы электростанции в темное время суток и в ненастную погоду [38 – 36 с.];

- использование аномально большого температурного градиента в специальных водоемах – солнечных прудах за счёт градиента концентрации солевого раствора и его плотности. Характерной особенностью таких водоёмов является отсутствие или сильно ослабленное перемешивание слоёв воды. Это резко снижает потери тепла в окружающую среду нижними более солёными и более нагретыми слоями воды, в результате вода в них может нагреваться вплоть до 90-100 ⁰С. Солнечные пруды бывают естественными и искусственными. Примерами природных СП является ряд озёр в Венгрии и Румынии, восточное побережье Красного моря, Аральское море, залив Кара-Богаз-Гол и др. Искусственные солнечные пруды создают растворением в придонных слоях воды в водоёмах с ограниченным объёмом солей (например, NaCl, MgCl2, NaHCO3). [38 – 37 с.]

Обогрев помещений и горячее водоснабжение.

Энергию солнечных лучей можно использовать для обогрева различных помещений, а также горячего водоснабжения. Чтобы удовлетворить данные потребности на практике используют следующие способы утилизации солнечной энергии:

а) нагрев поверхности сосуда с водой, поглощающей солнечные лучи (с фокусированием или без фокусирования лучей), с последующим использованием воды для отопления или горячего водоснабжения. Такую схему называют активной солнечной системой теплоснабжения;

б) обогрев жилых и производственных зданий с использованием естественной циркуляции нагретого воздуха – пассивные солнечные системы теплоснабжения [38 – 37-38 с.].

Иное применение солнечной энергии.

Помимо названных в ограниченных масштабах также применяются другие схемы использования солнечной энергии, обеспечивающие экономию невозобновляемых энергоресурсов:

1) освещение солнечным светом помещений, не имеющих окон (подземные гаражи, станции метро, промышленные здания, склады), с помощью световодов;

2) использование солнечных коллекторов для приготовления пищи. Эти системы, названные «солнечными кухнями», особенно перспективны в южных развивающихся странах, где для приготовления пищи средняя семья сжигает ежегодно несколько тонн дров. Использование «солнечных кухонь» будет способствовать не только сохранению лесов, но и будет предотвращать выбросы вредных веществ в атмосферу (прежде всего СО₂), улучшать санитарные условия быта, (приготовление пищи не будет сопровождаться вдыханием дыма).

3) использование солнечной энергии в химическом производстве:

- производство чистых металлов при высоких температурах в фокусе концентратора солнечных лучей (имеется опыт получения не окисленного цинка);

- получение водорода термолизом воды при температуре выше 2000 ⁰С, достигаемой фокусировкой солнечных лучей;

4) использование электричества, которое было произведено фотоэлектрическими преобразователями, для бортового питания транспортных средств и (или) для приведения в действие движителя транспортного средства. Наколенный опыт использования фотоэлектричества на всех видах транспорта показывает, что при современном уровне технологий солнечная энергия является дополнением к традиционным энергоносителям, позволяющим экономить последние [38 – 39 с.].

Преимущества солнечной энергии

1. Возобновляемость.

В отличие от невозобновляемых источников энергии (уголь, нефть, газ, ядерное топливо и др.), запасы солнечной энергии неисчерпаемы.

2. Обильность.

Среднее количество солнечной энергии, попадающей в атмосферу Земли, огромно – около 1,353 кВт/м², или 178 000 ТВт. Гораздо меньшее её количество достигает поверхности Земли, а доля, которую можно использовать, ещё меньше. Тем не менее, солнечная энергия и возобновляемое сырьё представляют собой такой ресурсный потенциал, который намного превышает потенциал ископаемых ресурсов. Объём энергии, ежегодно даваемый Земле Солнцем, в 15 000 раз больше годового потребления атомной энергии и энергии из ископаемых источников [43].

3. Постоянство.

Солнце является постоянным источником энергии, который способен в полной мере удовлетворить потребности нынешнего и будущих поколений.

4. Доступность.

Одним из главных достоинств солнечной энергии является ее доступность. Использовать ее могут не только страны, расположенные возле экватора. Например, «зеленая энергетика» лучше всего развита в достаточно северной стране – Германии.

5. Экологическая чистота.

В свете последних тенденций в борьбе за экологическую чистоту Земли, солнечная энергетика - это наиболее перспективная отрасль, которая частично заменяет энергию, получаемую от невозобновляемых топливных ресурсов и, тем самым, выступает принципиальным шагом на пути защиты климата от глобального потепления. Производство, транспортировка, монтаж и использование солнечных электростанций практически не сопровождается вредными выбросами в атмосферу. Даже если они и присутствуют в незначительной мере, то по сравнению с традиционными источниками энергии - это почти что нулевое воздействие на окружающую среду.

6. Отсутствие шума.

За счет того, что в системах на солнечном ресурсе нет никаких движущихся узлов, как, например, в генераторах, выработка электроэнергии происходит бесшумно. 

7. Экономичность, низкие эксплуатационные расходы.

Перейдя на солнечные батареи в качестве автономного источника энергии, собственники частых домов получают ощутимую экономию. Немаловажно и то, что обслуживание систем энергоснабжения на солнечных батареях характеризуется низкими затратами - необходимо лишь несколько раз в год подвергать чистке солнечные элементы, а гарантия производителя на них, как правило, составляет 20-25 лет.

8. Обширная область применения.

Солнечная энергия обладает широким спектром приложений - это и выработка электроэнергии в регионах, где отсутствует подключение к централизованной системе электроснабжения, и опреснение воды в Африке, и даже снабжение энергией спутников на околоземной орбите.

9. Инновационные технологии.

С каждым годом технологии в сфере производства солнечных батарей становятся все более совершенными - тонкопленочные модули вводятся непосредственно в строительные материалы еще на этапе возведения сооружений. Японский концерн Sharp - лидер в производстве солнечных панелей, недавно внедрил инновационную систему прозрачных накопительных элементов для оконного остекления. Современные достижения в области нанотехнологий и квантовой физики позволяют говорить о возможном увеличении мощности солнечных панелей в 3 раза.

Недостатки солнечных источников энергии

1. Высокая стоимость.

Многих потребителей отказываются от установки автономной солнечной электростанции дома, поскольку это требует больших финансовых затрат. Например, установка автономной солнечной электростанции на 10 кВт минимально будет стоить 1 млн. тенге. При этом срок окупаемости электростанции составляет около 5-6 лет. Данная проблема частично решается льготными кредитами.

2. Непостоянство.

Существенным недостатком является ограниченность солнечной энергии, которая обусловлена отсутствием солнечного света в ночное время и в пасмурные и дождливые дни. Поэтому для того, чтобы солнечная энергия служила основным источником электроэнергии необходимо внедрять аккумулирующие технологии.

3. Высокая стоимость аккумулирования энергии.

Из предыдущего вытекает следующий недостаток - аккумуляторные батареи, позволяющие накапливать энергию и сглаживать, в какой-то мере, нестабильность поступления солнечной энергии, отличаются высокой ценой, доступной не каждому домовладельцу.

4. Незначительное загрязнение окружающей среды.

Несмотря на то, что по сравнению с производством и переработкой других видов энергоресурсов солнечная энергия наиболее экологически чистая, некоторые технологические процессы изготовления солнечных панелей сопровождаются выбросом парниковых газов, трифторида азота и гексафторида серы.

5. Применение дорогостоящих и редких компонентов.

Выпуск тонкопленочных солнечных панелей требует введения теллурида кадмия (CdTe) или селенида меди индия галлия (CIGS), которые являются редкими и дорогостоящими - это влечет за собой удорожание системы альтернативного энергоснабжения в целом.

6. Малая плотность мощности.

Одним из важных параметров источника электроэнергии выступает средняя плотность мощности, измеряемая в Вт/м² и характеризующая количество энергии, которое можно получить с единицы площади энергоносителя. Данный показатель для солнечного излучения составляет 170 Вт/м² - это больше, чем у прочих возобновляемых природных ресурсов, но ниже, чем у нефти, газа, угля и в атомной энергетике. По этой причине, для выработки 1 кВт электроэнергии из солнечного тепла требуется значительная площадь солнечных панелей.

Солнечная энергетика как отрасль постоянно развивается, появляются новые усовершенствованные технологии позволяющие преодолеть недостатки солнечных электростанций. По оптимистичным прогнозам в будущем солнечные электростанции вытеснят электростанции, работающие на ископаемых видах топлива, и обеспечат электроэнергией многие стран.