Типы и технологии солнечных электростанций: от фотомодулей до аэростатов

Солнечная энергия — один из самых перспективных и экологически чистых источников энергии XXI века. Использование солнечного излучения для производства электроэнергии находит всё большее применение как в промышленности, так и в быту. Современные солнечные электростанции реализуются по различным технологическим схемам, от простых фотоэлектрических модулей до сложных башенных и аэростатных комплексов. В этом материале рассматриваются основные типы солнечных электростанций, их принципы работы, преимущества, недостатки и уникальные инженерные решения.

Первые эксперименты с преобразованием солнечной энергии начались ещё в XIX веке, когда французский физик Огюст Муэшот построил прототип солнечного парового двигателя. В 1954 году в США была создана первая кремниевая солнечная батарея, положившая начало фотоэлектрической энергетике. С конца XX века начинается бурный рост солнечной энергетики, особенно после нефтяных кризисов 1970-х годов.

В 2000-х годах Китай стал мировым лидером по производству солнечных панелей, что резко снизило их стоимость и сделало СЭ доступными во всём мире. В 2010-х годах появились экспериментальные солнечные станции нового типа — аэростатные и вакуумные, расширяющие горизонты применения технологий.

1. Типы солнечных электростанций

Современное развитие солнечной энергетики позволяет выделить два основных инженерных направления, по которым реализуются солнечные электростанции (СЭ): башенного и распределённого типов.

Распределённые солнечные электростанции базируются на применении фотоэлектрических панелей, объединённых в модульные комплексы, подключаемые к локальной или централизованной электросети. Такие системы приобрели широкую популярность благодаря своей модульности, простоте установки и относительной доступности.

Классификация СЭ осуществляется также по типу преобразования солнечной энергии. К ним относят:

• Солнечные электростанции башенного исполнения;
• Станции с тарельчатым концентратором солнечного света;
• Установки на основе фотоэлектрических модулей (ФЭМ);
• Системы с параболическими цилиндрическими концентраторами;
• Комбинированные установки с несколькими видами преобразования энергии;
• Аэростатные станции, использующие солнечные модули в воздухе;
• СЭ, реализующие принцип солнечно-вакуумного нагрева;
• Электростанции, основанные на линзовой концентрации света.

Электростанции башенного типа

Электростанции, реализованные по башенной схеме, используют принцип концентрации солнечной радиации для генерации водяного пара. В центре комплекса устанавливается вертикальная башня, высотой около 18÷24 метров, верхняя часть которой оборудована баком-резервуаром, окрашенным в тёмный цвет для увеличения степени теплопоглощения. Через систему насосов, расположенных внутри башни, вода подаётся в резервуар.

Вокруг башни на специально подготовленных площадках монтируются зеркальные отражатели — гелиостаты. Каждое зеркало имеет площадь несколько квадратных метров и снабжено приводами, обеспечивающими его автоматическую ориентацию на Солнце. Управляющая система отслеживает движение светила в течение дня, корректируя угол наклона каждого гелиостата таким образом, чтобы максимальное количество отражённого света концентрировалось на баке с водой.

При ясной погоде температура в баке может достигать +700 °C. При этом резервуар находится под избыточным давлением, что препятствует преждевременному закипанию воды. Показан внешний вид установки на рис. 1.

Рисунок 1 – Электростанция башенного типа

Температурный режим аналогичен тем, что используются на традиционных тепловых электростанциях (ТЭС), что позволяет интегрировать уже существующее турбинное оборудование. КПД таких СЭ достигает 20 %, а выходная мощность может быть весьма значительной.

Однако воздействие сконцентрированных лучей на природную среду вызывает негативные последствия. В частности, отмечена массовая гибель пернатых, которые попадают в зону термической концентрации. Согласно публикации E&E Publishing, LLC, на станции Ayvonpa (штат Калифорния, США) зафиксирована гибель одной птицы каждые 2 минуты (источник: «SOLAR: Bird deaths at California power plant a PR nightmare for industry«).

Станции тарельчатого типа

Тарельчатые СЭ — это станции модульной конструкции, работающие по принципу, схожему с башенными, но с иным инженерным решением. Каждая установка состоит из несущей опоры, тарельчатого отражателя и центрального приёмника. Отражатель образован множеством радиально ориентированных зеркал, установленных на лёгкой фермовой конструкции.

Зеркала, диаметром до 2 м, концентрируют солнечные лучи в точке фокуса, где размещается приёмник энергии. Приёмник связан с тепловым преобразователем, генерирующим электрический ток. Такие модули могут работать автономно либо группироваться в энергетические поля, подключённые к общей сети. В зависимости от конфигурации станции число модулей может варьироваться от одного до нескольких десятков.

Станции, использующие фотоэлектрические модули

Наибольшее распространение на сегодняшний день получили фотоэлектрические станции, основу которых составляют полупроводниковые солнечные модули (фотобатареи). Такие установки состоят из набора соединённых между собой модулей различной мощности. Их можно размещать на крышах, фасадах зданий, а также на специальных площадках.

а                                                                                            б                                 

Рисунок 2 – Солнечная станция (а), использующая фотоэлектрические модули (б)

Применение таких станций охватывает как малые частные объекты (домовладения, дачи), так и крупные промышленные и социальные учреждения (санатории, гостиницы, производственные здания). Дополнительным направлением применения фотоэлектрических элементов становится транспорт.

В перспективе возможно широкое использование солнечных батарей на наземном и воздушном транспорте. Уже сегодня создаются модели автомобилей, автобусов, судов и даже самолётов, работающих с частичным или полным использованием фотоэлектрической энергии.

Рисунок 3 – Транспортные средства с использованием Фотобатарей (фотоэлектрических модулей)

Станции, использующие параболические концентраторы

Солнечные установки, в конструкции которых используются параболические концентраторы, имеют принципиально иную теплотехническую схему. На специальной раме монтируется параболоцилиндрическое зеркало, способное фокусировать лучи на продольную трубку, проходящую вдоль оси симметрии отражателя. Внутри трубки циркулирует теплоноситель — чаще всего это специальное термостойкое масло, устойчивое к высоким температурам.

Солнечная радиация, отражённая концентратором, разогревает теплоноситель до значительных температур, после чего он передаёт тепло воде через теплообменник. В результате образуется пар, который поступает на вход турбогенератора, обеспечивая выработку электроэнергии. Подобные схемы эффективны в регионах с высокой инсоляцией и обеспечивают стабильную генерацию в дневное время.

Аэростатные солнечные станции

Аэростатные солнечные станции делятся на два основных типа, каждый из которых обладает собственной конструкцией и техническими особенностями.

1. Первый тип аэростатных станций использует размещение тонкопленочных фотоэлементов непосредственно на внешней оболочке аэростатов. Такой способ размещения позволяет достигать КПД, близкого к наземным установкам — около 15 %, максимально возможное значение — 40 %. Эти аэростаты могут подниматься на высоты, превышающие 20 км, благодаря чему они функционируют в условиях стабильного солнечного излучения без затенения облаками. Перемещаясь вместе с воздушными потоками, конструкции не испытывают избыточных ветровых нагрузок.

Для обеспечения точной ориентации по направлению к Солнцу применяется система изменения массы за счет перекачивания балластной жидкости (чаще всего воды), а тонкая юстировка осуществляется с помощью гироскопических механизмов. Конструктивно один дирижабль может включать несколько отдельных плавающих сферических модулей, каждый из которых снабжен собственной системой слежения, рис. 4, в.

Рисунок 4 – Аэростатная солнечная электростанция: а – схема принципа действия; б – аэростатный носитель; в – автономный плавающий шаровидный модуль; 1 – оболочка аэростата; 2 – фотоэлементы на основе тонкопленочной технологии; 3 – трос с кабелем электропередачи; 4 – барабан намотки троса; 5 – электропривод системы управления; 6 – инверторный блок

2. Второй тип отличается применением параболических пленочных концентраторов. Эти устройства состоят из армированной металлизированной пленки, имеющей параболическую форму, способной фокусировать солнечную радиацию на проходящий по центру теплоприемник — трубчатый термоконцентратор. Внутри трубки циркулирует охлаждающий легкий газ (чаще всего гелий или водород), который эффективно отводит тепло, рис. 5.

Рисунок 5 – Пленочные зеркала параболической конфигурации с трубами для нагрева теплоносителя (фото Solucar)

Материальная себестоимость одного м² отражающей пленки существенно ниже, чем стоимость панелей на основе любых современных полупроводниковых фотоэлементов.

Комбинированные станции

Комбинированные солнечные электростанции представляют собой многофункциональные комплексы, в состав которых, помимо основных фотоэлектрических модулей, входят теплообменники, обеспечивающие нагрев воды для хозяйственно-бытовых, технических нужд, а также для отопительных целей. Инфраструктурно возможно размещение на одной территории не только фотоэлектрических систем, но и концентраторов солнечного излучения, что в комплексе создает единую комбинированную станцию.

Такие гибридные подходы к проектированию позволяют более рационально использовать солнечную радиацию, обеспечивая как получение тепловой энергии, так и электричества. Энергоэффективность установки повышается за счет скоординированной работы элементов в течение всего светового дня.

Солнечно-вакуумные станции

Солнечно-вакуумные электростанции используют принцип создания воздушной тяги за счет температурного градиента. Воздух у поверхности земли нагревается под прозрачным покрытием — стеклянной крышей, создающей эффект теплицы, а затем поднимается вверх в высокой вытяжной башне, в основании которой установлена турбина. Поток воздуха вращает лопасти турбины, приводя в действие электрогенератор.

Чем выше башня, тем больше разность температур между нижним и верхним уровнями, тем сильнее восходящий поток и, соответственно, выше мощность станции. Запас тепла в земной поверхности позволяет такой установке функционировать даже ночью, делая её практически круглосуточным источником энергии.

Линзовые солнечные электростанции

Линзовые электростанции используют уникальные оптические системы на основе линз Френеля или сферических линз, которые фокусируют солнечный свет на фотоэлементы. В отличие от плоских панелей, линзовые системы способны концентрировать солнечную (и даже рассеянную лунную) энергию в десятки тысяч раз, повышая эффективность преобразования.

Еще в 1970-х гг. линзы Френеля начали активно применять в солнечных установках, и они были запатентованы в странах Европы, США, Японии и СССР. В 2012 году архитектор Андре Броссел из Германии представил проект концентраторной системы на основе полого стеклянного шара, наполненного водой, способной повысить КПД панели до 35 %, рис. 6.

Рисунок 6 – Сферическая солнечная установка

Однако при установке таких шаров на крыши жилых домов может возникнуть проблема их избыточного веса. Тем не менее, дальнейшие исследования в этом направлении направлены на использование потенциала лунного света, который концентрируется линзами даже в ночной период, рис. 7.

Рисунок 7 – Сферическая установка, работающая в ночное время

Такие архитектурно выразительные конструкции становятся не только источником энергии, но и дизайнерским элементом городской среды. Они способны улавливать рассеянное ночное свечение и преобразовывать его в стабильный электрический ток.

2. Краткая история создания и развития солнечной энергетики

Отправной точкой в истории солнечной энергетики можно считать 1839 год, когда французский физик Александр-Эдмон Беккерель впервые зафиксировал появление электрического тока в освещённой электролитической ячейке. Позже, в 1883 году, инженер из США Чарльз Фриттс разработал первый рабочий солнечный элемент из селена с золотым покрытием, имеющим КПД всего 1 %, но этого было достаточно, чтобы ознаменовать рождение солнечной электроэнергетики.

Существенный научный вклад внёс Альберт Эйнштейн, разработав теоретическую базу для фотоэффекта. В 1921 году он был удостоен Нобелевской премии по физике за объяснение механизма фотоэлектрического эффекта, что стало фундаментом для последующего развития солнечной фотовольтаики (solar photovoltaic).

Первая промышленно пригодная солнечная панель появилась в 1953 году, и уже через пять лет — в 1958 году — солнечные батареи были размещены на третьем советском спутнике и американском спутнике «Авангард-1», относящемся к серии «Explorer», рис. 8.

Рисунок 8 – Солнечные батареи на МКС

В космических условиях, где ограничено место и невозможно транспортировать тяжелое оборудование, эффективность солнечных панелей критически важна. На орбите используются огромные площади панелей (сотни м²), а на Земле их эффективность часто упирается в экономику — высокие затраты на кремний, металлоконструкции, управляющие системы и защитные оболочки. Тем не менее, несмотря на стоимость, в космосе альтернативы солнечной энергии практически нет.

Чтобы достичь ощутимого экономического результата, необходимо стремиться к снижению себестоимости солнечных панелей. В течение последних лет наблюдалась устойчивая тенденция к удешевлению таких панелей, и уже к середине 2016 года их стоимость снизилась до уровня $0,01 за 1 Вт установленной мощности. На сегодняшний день затраты на установку кровли из солнечных панелей Tesla (так называемые солнечные крыши, см. рис. 9) стали сопоставимы, а зачастую даже ниже расходов на монтаж традиционного кровельного покрытия, например, из черепицы.

Рисунок 9 – Здания с «солнечными крышами» (Tesla Powerwall и Solar Roof, США, компания Tesla)

Исторически первыми солнечными фотоэлементами, достигшими эффективности выше 1 % (а именно, 6 %), стали элементы из кристаллического кремния (c-Si), которые, наряду с германийсодержащими фотоэлементами, принято относить к первому поколению. Сегодня такие элементы занимают порядка 90 % мирового рынка фотовольтаики и характеризуются КПД около 20 %. К их недостаткам относят высокую себестоимость, сложность и токсичность производства, а также образование значительных объемов опасных отходов.

Для стандартизации параметров фотовольтаических модулей действует международное соглашение, требующее прохождения единых испытаний: температура солнечного элемента или модуля не должна превышать +25 °C, а интенсивность солнечного облучения должна составлять 1000 Вт/м² при спектре «воздушной массы 1,5» (AM-1,5). Последнее значение обусловлено длиной пути, который проходят солнечные лучи в атмосфере.

Фотовольтаические панели собираются из отдельных элементов, которые дополнительно защищаются стеклянной поверхностью. Их мощность измеряется по пиковой величине (Wp) – т.е. при максимальном уровне освещённости 1000 Вт/м² при температуре 25 °C. Такие условия соответствуют безоблачному небу и максимально высокому положению Солнца. Для выработки 1 Wp необходим фотоэлемент площадью около 100 см². Панели обладают модульной структурой, благодаря чему их можно легко наращивать, увеличивая суммарную мощность. Компактность и мобильность всех компонентов позволяет размещать их в самых разнообразных местах.

За пределами земной атмосферы солнечное излучение имеет плотность около 1365 Вт/м², а его спектральное распределение называется «воздушной массой 0» (AM-0), поскольку лучи не претерпевают атмосферного ослабления.

Во многих регионах, где солнечных дней насчитывается менее половины календарного года, использование солнечных источников энергии актуально преимущественно для индивидуальных потребителей, малых фермерских хозяйств и удалённых поселений (рис. 10).

Рисунок 10 – Кровля, фасад и балкон жилых домов с солнечными батареями

Технологии второго поколения солнечных элементов обеспечивают более рациональное использование сырья, упрощают технологический процесс, требуют меньше затрат энергии на изготовление, а выпускаются в виде гибких, тонкоплёночных конструкций. Эти особенности способствовали широкому применению элементов второго поколения, созданных как на базе Si, так и с использованием многокомпонентных соединений. Средняя цена за 1 кВт энергии, выработанной такими элементами, находится в диапазоне от 0,6 до 0,9 долл. США, что делает эту технологию привлекательной на глобальном уровне.

В то же время у фотоэлементов второго поколения имеются и существенные недостатки:

• технологический процесс сопровождается высокой токсичностью ввиду использования некоторых полупроводников и исходных материалов;
• нестабильность характеристик в условиях длительной эксплуатации;
• повышенная зависимость эффективности от внешних условий (наличие снега, загрязнений, рассеянный свет и др.).

Третье поколение солнечных технологий разрабатывается с целью преодоления этих проблем. Оно включает элементы, основанные на:

• органических и проводящих полимерных материалах;
• пигментах и красителях природного или синтетического происхождения;
• органо-неорганических композитах;
• технологиях с «горячими электронами»;
• многоступенчатом спектральном разделении солнечного излучения.

Создатели третьего поколения фотовольтаики стремятся к снижению стоимости, минимизации использования вредных веществ, сокращению производственных затрат и повышению стабильности устройств в различных климатических условиях. Кроме того, разрабатываются решения, позволяющие упростить технологию изготовления и ускорить весь производственный цикл.

Развитие технологий солнечной энергетики нового поколения продолжается. Исследователи и инженеры по всему миру ищут инновационные материалы и внедряют технические улучшения, повышающие эффективность и устойчивость солнечных элементов.

3. Плюсы и минусы солнечной энергетики

Преимущества солнечных электростанций:

• Экологичность: не выделяют парниковых газов или токсичных выбросов.

• Возобновляемость: используют неиссякаемый ресурс — солнечное излучение.

• Низкие эксплуатационные расходы: не требуют постоянного топлива или сложного технического обслуживания.

• Модульность и масштабируемость: легко адаптируются под разные задачи — от домашних нужд до промышленных объектов.

• Бесшумность работы: особенно актуально в жилых и рекреационных зонах.

Недостатки солнечных электростанций:

• Зависимость от погодных условий и времени суток: в пасмурные дни и ночью выработка энергии снижается или отсутствует.

• Высокая стоимость оборудования (на старте): особенно для башенных и параболических систем.

• Экологические риски: у башенных станций зафиксированы случаи гибели птиц от термического излучения.

• Потребность в больших площадях: особенно актуально для наземных фотоэлектрических и параболических установок.

• Необходимость дополнительной инфраструктуры: для хранения энергии (аккумуляторы) или включения в общую энергосистему.

Заключение

Интересные факты:

1. Одна из крупнейших в мире башенных солнечных электростанций — Ivanpah в Калифорнии — использует более 170 000 гелиостатов для фокусировки солнечного света на три башни.

2. Солнечные панели уже используются в автомобилях, например, в концептах от Toyota и Lightyear, а также в беспилотных самолётах.

3. Аэростатные станции способны работать на высоте более 20 км, где облака и атмосферные явления не мешают солнечной генерации.

4. Гибридные солнечные станции могут одновременно производить электричество и горячую воду, обеспечивая двойную энергоэффективность.

5. Современные солнечные батареи могут иметь КПД выше 40 %, если используют многослойные структуры или концентрацию света линзами.

Солнечные электростанции — это не только экологичная альтернатива традиционным источникам энергии, но и поле для инженерных инноваций. Каждая из представленных технологий имеет свои особенности, области применения и перспективы развития. От доступных фотоэлектрических модулей до сложных аэростатных и концентраторных установок — все они отражают стремление человечества использовать силу Солнца наиболее эффективно. В условиях глобального энергоперехода солнечные станции становятся важной частью будущего энергетики, обеспечивая устойчивость и чистоту энергоснабжения.

• Об авторе
• Недавние публикации

Александр Лавриненко

Александр Лавриненко недавно публиковал (посмотреть все)

• Получение электроэнергии из биогаза: технологии и перспективы - 23.06.2025
• Типы и технологии солнечных электростанций: от фотомодулей до аэростатов - 23.06.2025
• Электроэнергия из ветра: плюсы, минусы и перспективы - 22.06.2025