Будущее солнечных батарей будет совсем не таким, как кажется сегодня

Naked ScienceHi-Tech

Металлические подсолнухи на выжженном поле

Фотоэлементы на Земле покрывают 3,68 миллиарда квадратных метров территории, и их количество непрерывно растет. Однако будущее солнечных батарей будет совсем не таким, как кажется сегодня.

Александр Березин

На планете сегодня около 500 гигаватт солнечных электростанций. Вырабатывают они порядка 500 миллиардов киловатт-часов в год – половину от всей генерации российской энергетики, или 2,5% от общемировой выработки. На первый взгляд, это огромный успех. Еще десять лет назад все солнечные батареи мира имели только 23 гигаватта мощности – в 20 с лишним раз меньше, чем сейчас. Всего пять лет назад их мощность была 178 гигаватт, в 2,8 раза меньше. Практически все в отрасли уверены: в 2020-х солнечная энергетика превысит 10% от мировой генерации, а в 2030-х – и 25%.

Для такой огромной и медленно меняющейся отрасли, как энергетика, это сверхвысокие темпы развития. С 1880-х, то есть с самого начала промышленной электрогенерации, ее основным источником энергии служит уголь. Природный газ за полвека борьбы с черным королем лишь в последние годы взял на себя четверть мировой выработки электроэнергии. Солнечная энергетика может сравниться по успеху с газом уже в 2030-х, резко ограничив генерацию из ископаемого топлива. И это неплохо, если вспомнить, что от его сжигания только в Соединенных Штатах гибнет 50 тысяч человек в год.

Но во время этого победного шествия у солярных электростанций начали назревать серьезные проблемы: сфера стала такой большой, что не помещается в сложившуюся матрицу мировой энергетики. Использующие ее энергосистемы страдают от избытка энергии в полдень, от ее дефицита – утром и вечером.

Чтобы решить эти проблемы, СЭС переходят к новым и непривычным формам – крупным «щитам» из солнечных батарей на подвижном «стебле», поворачивающем их вслед за движением Солнца по небосводу. Это позволит фотоэлементам захватить регионы, прежде считавшиеся просто недостаточно солнечными. Но обо всем по порядку.

Умение искать выжженное поле

Много лет зеленые энтузиасты рассказывали, что переход к солнечной энергетике разрушит нынешнее «энергетическое неравенство», когда одни страны владеют энергоресурсами – нефтью, газом, ураном, а другие – нет. И поэтому должны их импортировать. Увы, это было и пока остается красивой сказкой. На самом деле, площади, где целесообразно получать электричество от Солнца, – пока такой же энергетический ресурс: у кого-то он есть, а у кого-то практически отсутствует.

Сравним, например, Россию и Чили. В пустыне Атакама заметные облака появляются раз в сотни суток, а над Москвой – раз в несколько суток. Летом 2019 года, как мы все наблюдали, – еще чаще. Атакама находится на экваторе, поэтому более 90% светового дня солнце стоит прямо над солнечной батареей, угол падения его лучей – прямой. В Москве солнце даже летом стоит прямо над головой только в полдень, на порядок меньше времени.

Чем больше угол падения лучей на фотоэлемент отличается от прямого, тем сильнее падает его выработка – фотоны просто отражаются от батарей и уходят вверх. Зимой ситуация еще хуже: светило над Москвой вообще не стоит «прямо над головой» (в декабрьский полдень – всего 11,4 градуса над горизонтом), мы видим его сильно ниже летнего, то есть свет падает на батарею все время под большим углом, а выработка очень низка.

В норме, когда с ясного неба на солнечную батарею падает киловатт на квадратный метр, в электричество превращается 250 ватт. В Москве на квадратный метр поверхности приходится лишь 1174 киловатт-часа солнечной энергии в год, из которых в электричество превращается 290 киловатт-часов. Но даже эти очень небольшие 1174 киловатт-часа приходятся только на солнечную панель, ориентированную наилучшим образом, – наклоненную на юг под углом в 40 градусов. Если положить панель горизонтально, то энергия, за год падающая на нее, снизится до 1021 киловатт-часа на квадратный метр, а выработка – до 250 киловатт-часов.

Проблема в том, что московский «оптимальный угол» тоже не оптимальный: наклонные солнечные батареи создают за собой тень, и чем ниже Солнце над горизонтом, тем она длиннее. Фотоны, падающие на фотоэлемент, генерируют поток электронов, которые и составляют выработку солнечной батареи. Но если часть панели затенена, электроны не уходят с панели в сеть, а частью мигрируют в затененную ее область. Там они рекомбинируются («прицепляются» к другому куску кремниевого полупроводника), испуская фотон в окружающее пространство (как правило, в невидимом глазу инфракрасном диапазоне).

Количество энергии, падающее на квадратный метр горизонтального фиксированного фотоэлемента, резко различается – и из крупных потребителей энергии только США и Китай купаются в солнечном свете.

Так, батарея начинает греть воздух, тратя на это большую часть выработки. Чтобы избежать этого, фотоэлементы надо либо разносить на большое расстояние (из-за этого выше стоимость земли под солнечную электростанцию), либо мириться с прогрессивно падающей утром и вечером (а также весной, зимой и осенью) выработкой.

На последнее никто не пойдет, поэтому на широте Москвы зазор между рядами солнечных батарей должен быть во много раз больше, чем их ширина. Если на экваторе 50% крыши завода или супермаркета может быть покрыто солнечными батареями (еще 50% – для прохода персонала), то в Московской области нет смысла покрывать им более 10-15% крыши. Большие СЭС за городом тоже требуют куда больше земли, чем в более южных местах. Именно поэтому их здесь не бывает.

На квадратный метр Атакамы приходится эквивалент 3500 киловатт-часов, втрое выше московского, причем оптимальным углом для батареи здесь будет ноль градусов. Нет теней от соседних батарей, то есть их можно располагать максимально плотно, поэтому обычная солнечная электростанция одной и той же мощности в Чили за год выработает втрое больше, чем в российской столице, и окупит себя в несколько раз быстрее. Соответственно, в Москве или Московской области солнечная электростанция вырабатывала бы энергию по цене намного более высокой, чем тепловая электростанция. И не надо думать, что Москва – исключение. Достаточно взглянуть на карту инсоляции Великобритании, чтобы выяснить: бывает и хуже.

Все это создало проблему больших масштабов: в экваториальных странах масса солнечного «ресурса», но в силу стабильной бедности энергии они потребляют немного. В высоких широтах люди богаче и солнечная энергия пригодилась бы, но «ресурса» там очень мало – настолько, что СЭС часто не окупаются. Та же проблема наблюдается в России: оптимальные регионы размещения таких электростанций у нас – Калмыкия, Крым, Алтай. Вот только плотность населения там в десятки раз ниже, чем в Московской области.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Сокровища Урарту Сокровища Урарту

Четыре сокровища древнего Урарту

Вокруг света
Воссоздание были Воссоздание были

Соборы возвращаются из небытия и преображают образ российских городов

Огонёк
Рейтинг брендов Рейтинг брендов

Бренды, которые стали заметны на рынке за год

Forbes
История царских спецслужб в период первой мировой войны История царских спецслужб в период первой мировой войны

Отрывок из книги Владимира Хутарева-Гарнишевского

Esquire
Мозг, память и чтение: как стать умнее и знать больше других Мозг, память и чтение: как стать умнее и знать больше других

Ученые сделали вывод, что объем памяти мозга человека составляет 1 петабайт

Популярная механика
Генетики не первый год выводят безрогих быков. Зачем? Генетики не первый год выводят безрогих быков. Зачем?

Попытки закрепить в стадах комолость предпринимаются уже давно

National Geographic
100 самых сексуальных женщин страны 100 самых сексуальных женщин страны

100 самых сексуальных женщин страны

Maxim
Наемники из Израиля: кто стоит за самыми загадочными хакерами, взламывающими Apple и Microsoft за деньги Наемники из Израиля: кто стоит за самыми загадочными хакерами, взламывающими Apple и Microsoft за деньги

В Израиле много хакеров, которые зарабатывают взломами

Forbes
Тайна гибели академика Легасова Тайна гибели академика Легасова

В апреле 1988 года был обнаружен повесившимся Валерий Легасов

Дилетант
Как остановить вымирание силой мысли Как остановить вымирание силой мысли

Ученые призывают на помощь технику и собственную смекалку

National Geographic
Сила мысли Сила мысли

Как можно работать с мыслями — и почему стоит это делать

Yoga Journal
Правда ли «деревенские» продукты отвечают принципам ЗОЖ: 5 нюансов Правда ли «деревенские» продукты отвечают принципам ЗОЖ: 5 нюансов

Выбирая «фермерские» продукты, надо быть внимательным и иметь в виду следующее

Playboy
Дизайнерские дети: ожидать ли нам ГМО-поколения? Дизайнерские дети: ожидать ли нам ГМО-поколения?

Кажется, что мы все ближе к появлению так называемых «спроектированных» детей

Naked Science
Берем глубже: как выбрать погружной насос для колодца? Берем глубже: как выбрать погружной насос для колодца?

Какой насос для колодца лучше выбрать?

CHIP
20 вещей, которые могут тебе пригодиться в постели 20 вещей, которые могут тебе пригодиться в постели

Объекты и явления, при помощи которых твой секс будет еще великолепнее

Maxim
Экстремальный ультрафиолет Экстремальный ультрафиолет

Полупроводниковая промышленность берет курс на экстремальный ультрафиолет

Эксперт
Используй ложку и телефон: 20 способов доставить себе удовольствие Используй ложку и телефон: 20 способов доставить себе удовольствие

Двадцать разных способов мастурбации на любой вкус и цвет

Cosmopolitan
Как у Бритни: 16 стрижек и причесок из 90-х, которые снова в моде Как у Бритни: 16 стрижек и причесок из 90-х, которые снова в моде

Самое время, чтобы вернуться к трендам «прошлого»

Cosmopolitan
Глобальный Рейх Глобальный Рейх

Что, если бы страны «оси» победили во Второй мировой войне

Naked Science
Сделаем красиво Сделаем красиво

Профессионалы в области красоты и здоровья рассказали о новинках рынка

Домашний Очаг
Минный пол Минный пол

20 вещей, которых мы боимся в женщинах

Maxim
Даниил Медведев - русский «теннисист-тролль»: скандальные выходки чемпиона Даниил Медведев - русский «теннисист-тролль»: скандальные выходки чемпиона

Российский теннисист Даниил Медведев еще не очень хорошо известен публике

Cosmopolitan
Передний край науки Передний край науки

Последние новости с научных полей

Naked Science
Данила Савченко: Правила съема, или Почему рынку недвижимости необходимы профессиональные посредники Данила Савченко: Правила съема, или Почему рынку недвижимости необходимы профессиональные посредники

Чему нам стоит поучиться у западных коллег

СНОБ
Судьба разведчика Судьба разведчика

Под покровом секретности на Урале в 1962 году случился международный скандал

Популярная механика
Пока земля еще вертится Пока земля еще вертится

О волнительных переживаниях

Cosmopolitan
Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018» Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Playboy
Джастин и Хейли Бибер довели до слез гостей своей предсвадебной вечеринки Джастин и Хейли Бибер довели до слез гостей своей предсвадебной вечеринки

Гостей вечера растрогал неожиданный выбор фильма жениха и невесты

Cosmopolitan
Пора на охоту: С-70 как ответ доминированию Запада Пора на охоту: С-70 как ответ доминированию Запада

БПЛА С-70 «Охотник» может стать главным проектом в сфере боевой авиации

Naked Science
С самыми чистыми помыслами С самыми чистыми помыслами

Излишнее очищение не идет коже на пользу

Cosmopolitan
Открыть в приложении