Использование энергии солнца и ветра: глобальный обзор технологий возобновляемой энергетики

Острая необходимость в решении проблемы изменения климата и обеспечении устойчивого энергетического будущего вывела технологии возобновляемой энергетики на передний план мирового внимания. Среди них солнечная и ветровая энергетика выделяются как наиболее зрелые и широко используемые решения. В этом комплексном обзоре рассматривается текущее состояние технологий солнечной и ветровой энергетики, их достижения, глобальное влияние, преимущества, проблемы и будущий потенциал.

Подъем возобновляемой энергетики: глобальный императив

Наша зависимость от ископаемого топлива имела пагубные последствия для окружающей среды, включая выбросы парниковых газов, загрязнение воздуха и истощение ресурсов. Признавая эти проблемы, страны по всему миру все чаще обязуются переходить к более чистым и устойчивым источникам энергии. Технологии возобновляемой энергетики, такие как солнечная и ветровая, предлагают реальный путь к сокращению выбросов углерода, повышению энергетической безопасности и стимулированию экономического роста. Международное энергетическое агентство (МЭА) прогнозирует значительное увеличение мощностей возобновляемой энергетики в ближайшие десятилетия, обусловленное политической поддержкой, технологическими достижениями и снижением затрат.

Солнечная энергетика: использование богатого потенциала солнца

Солнечная энергетика использует лучистую энергию солнца для выработки электроэнергии или тепла. Двумя основными технологиями солнечной энергетики являются фотоэлектрическая (PV) и концентрированная солнечная энергия (CSP).

Фотоэлектрическая (PV) технология

PV-технология напрямую преобразует солнечный свет в электричество с помощью полупроводниковых материалов. Когда фотоны солнечного света попадают на фотоэлемент, они возбуждают электроны, создавая электрический ток. Фотоэлектрические системы универсальны и могут применяться в различных масштабах, от небольших установок на крышах до крупных солнечных электростанций.

• Типы фотоэлементов: Кристаллические кремниевые (c-Si) ячейки, включая монокристаллические и поликристаллические, доминируют на рынке благодаря своей высокой эффективности и надежности. Тонкопленочные фотоэлементы, изготовленные из таких материалов, как теллурид кадмия (CdTe) и селенид меди-индия-галлия (CIGS), имеют более низкую стоимость, но, как правило, обладают меньшей эффективностью. Перовскитные солнечные элементы — это новая технология с потенциалом высокой эффективности и низких производственных затрат.
• Компоненты фотоэлектрической системы: Типичная фотоэлектрическая система состоит из солнечных панелей, инверторов (которые преобразуют постоянный ток в переменный), монтажных конструкций и систем мониторинга. Аккумуляторные системы хранения часто интегрируются для накопления избыточной энергии для последующего использования, особенно в автономных системах.
• Глобальное развертывание фотоэлектрических систем: Китай лидирует в мире по мощности солнечных фотоэлектрических систем, за ним следуют США, Индия, Япония и Германия. В Европе также наблюдается значительный рост установок солнечных фотоэлектрических систем, чему способствуют благоприятная политика и снижение затрат.

Концентрированная солнечная энергия (CSP)

Технология CSP использует зеркала или линзы для фокусировки солнечного света на приемнике, который нагревает рабочую жидкость (например, масло, расплавленную соль). Нагретая жидкость затем используется для производства пара, который приводит в движение турбину для выработки электроэнергии. Станции CSP обычно включают системы хранения тепловой энергии (TES), что позволяет им вырабатывать электроэнергию даже при отсутствии солнца.

• Типы систем CSP: Параболоцилиндрические системы используют изогнутые зеркала для фокусировки солнечного света на трубке-приемнике. Башенные солнечные электростанции используют гелиостаты (зеркала) для фокусировки солнечного света на центральном приемнике на вершине башни. Тарельчатые системы Стирлинга используют параболические тарельчатые отражатели для фокусировки солнечного света на двигателе Стирлинга, который вырабатывает электричество.
• CSP с хранением тепловой энергии: Системы TES хранят тепловую энергию в таких материалах, как расплавленная соль, что позволяет станциям CSP работать в течение длительных периодов, даже в пасмурную погоду или ночью. Эта возможность делает CSP ценным ресурсом для обеспечения диспетчеризируемой возобновляемой энергии.
• Глобальное развертывание CSP: Испания, США и Марокко входят в число ведущих стран по развертыванию CSP. Регион Ближнего Востока и Северной Африки (MENA) обладает значительным потенциалом для развития CSP благодаря своим богатым солнечным ресурсам.

Преимущества солнечной энергии

• Чистая и устойчивая: Солнечная энергия не производит выбросов парниковых газов или загрязнителей воздуха во время работы.
• Обильный ресурс: Энергия солнца практически неисчерпаема, обеспечивая надежный и устойчивый источник энергии.
• Разнообразные применения: Солнечная энергия может использоваться для выработки электроэнергии, отопления, охлаждения и очистки воды.
• Снижение затрат на энергию: Солнечная энергия может значительно сократить или полностью исключить счета за электричество, обеспечивая долгосрочную экономию.
• Энергетическая независимость: Солнечная энергия может повысить энергетическую безопасность за счет снижения зависимости от импорта ископаемого топлива.

Проблемы солнечной энергии

• Прерывистость: Производство солнечной энергии зависит от наличия солнечного света, который меняется в зависимости от времени суток, погодных условий и времени года.
• Землепользование: Крупномасштабные солнечные электростанции могут требовать значительных земельных участков, которые могут конкурировать с другими видами землепользования.
• Требования к материалам: Производство солнечных панелей требует таких материалов, как кремний, кадмий и индий, что сопряжено с экологическими проблемами и вопросами цепочек поставок.
• Хранение энергии: Необходимы эффективные решения для хранения энергии, чтобы решить проблему прерывистости солнечной энергии и обеспечить надежное электроснабжение.
• Интеграция в сеть: Интеграция больших объемов солнечной энергии в электрическую сеть может создавать проблемы для стабильности и управления сетью.

Ветроэнергетика: использование силы ветра

Ветроэнергетика использует кинетическую энергию ветра для выработки электроэнергии. Ветряные турбины преобразуют энергию ветра в механическую, которая затем используется для привода генератора, производящего электричество. Ветряные электростанции, состоящие из нескольких ветряных турбин, обычно располагаются в районах с сильными и постоянными ветрами.

Типы ветряных турбин

• Ветряные турбины с горизонтальной осью (HAWT): HAWT являются наиболее распространенным типом ветряных турбин, лопасти которых вращаются вокруг горизонтальной оси. Они обычно выше, чем турбины с вертикальной осью, и могут улавливать больше энергии ветра.
• Ветряные турбины с вертикальной осью (VAWT): У VAWT лопасти вращаются вокруг вертикальной оси. Они менее распространены, чем HAWT, но имеют некоторые преимущества, такие как способность улавливать ветер с любого направления и более низкий уровень шума.

Наземная и морская ветроэнергетика

• Наземная ветроэнергетика: Наземные ветряные электростанции расположены на суше, обычно в районах с высокой скоростью ветра. Наземная ветроэнергетика, как правило, дешевле морской.
• Морская ветроэнергетика: Морские ветряные электростанции расположены в водоемах, таких как океан или большие озера. Скорости ветра в море обычно выше и более стабильны, чем на суше, что приводит к более высокой выработке энергии. Проекты морской ветроэнергетики, как правило, дороже из-за сложностей строительства и обслуживания в морских условиях.

Глобальное развертывание ветроэнергетики

Китай, США, Германия, Индия и Испания входят в число ведущих стран по мощности ветроэнергетики. В Европе также наблюдается значительный рост морской ветроэнергетики, особенно в Северном море. Глобальный совет по ветроэнергетике (GWEC) прогнозирует дальнейший рост установок ветроэнергетики во всем мире, обусловленный государственной политикой и снижением затрат.

Преимущества ветроэнергетики

• Чистая и устойчивая: Ветроэнергетика не производит выбросов парниковых газов или загрязнителей воздуха во время работы.
• Обильный ресурс: Ветер является легкодоступным и возобновляемым ресурсом.
• Экономическая эффективность: Ветроэнергетика становится все более конкурентоспособной по стоимости с ископаемым топливом.
• Совместимость с землепользованием: Ветряные электростанции могут сосуществовать с другими видами землепользования, такими как сельское хозяйство и выпас скота.
• Создание рабочих мест: Ветроэнергетическая отрасль создает рабочие места в производстве, установке, обслуживании и исследованиях.

Проблемы ветроэнергетики

• Прерывистость: Производство ветровой энергии зависит от скорости ветра, которая меняется в зависимости от времени суток, погодных условий и местоположения.
• Визуальное воздействие: Ветряные турбины могут быть визуально навязчивыми, особенно в живописных районах.
• Шумовое загрязнение: Ветряные турбины могут создавать шум, который может мешать близлежащим жителям.
• Воздействие на дикую природу: Ветряные турбины могут представлять угрозу для птиц и летучих мышей.
• Интеграция в сеть: Интеграция больших объемов ветровой энергии в электрическую сеть может создавать проблемы для стабильности и управления сетью.

Технологические достижения, способствующие росту возобновляемой энергетики

Постоянные технологические достижения приводят к снижению затрат и повышению производительности технологий солнечной и ветровой энергетики. Эти достижения включают:

• Более эффективные солнечные элементы: Исследователи разрабатывают новые материалы и конструкции солнечных элементов, которые могут преобразовывать больший процент солнечного света в электричество.
• Более крупные и эффективные ветряные турбины: Производители ветряных турбин разрабатывают более крупные турбины с более длинными лопастями, которые могут улавливать больше энергии ветра и вырабатывать больше электроэнергии.
• Передовые системы хранения энергии: Аккумуляторные накопители, гидроаккумулирующие электростанции и другие технологии хранения энергии становятся более доступными и эффективными, обеспечивая лучшую интеграцию переменных возобновляемых источников энергии в сеть.
• Технологии умных сетей (Smart Grid): Технологии умных сетей, такие как передовая инфраструктура учета (AMI) и системы управления сетями, повышают надежность и эффективность электрической сети и обеспечивают лучшую интеграцию возобновляемых источников энергии.
• Прогнозная аналитика и искусственный интеллект: ИИ и машинное обучение используются для улучшения прогнозирования производства солнечной и ветровой энергии, оптимизации работы сети и снижения затрат на обслуживание.

Роль хранения энергии в обеспечении интеграции возобновляемой энергетики

Хранение энергии имеет решающее значение для решения проблемы прерывистости солнечной и ветровой энергии и обеспечения надежного электроснабжения. Системы хранения энергии могут накапливать избыточную энергию, вырабатываемую в периоды высокой производительности, и отдавать ее в периоды низкой производительности. Наиболее распространенные технологии хранения энергии включают:

• Аккумуляторные накопители: Литий-ионные аккумуляторы являются наиболее широко используемой технологией хранения энергии для сетевых приложений. Также разрабатываются другие аккумуляторные технологии, такие как проточные батареи и натрий-ионные батареи.
• Гидроаккумулирующие электростанции: Гидроаккумулирующие станции перекачивают воду из нижнего резервуара в верхний в периоды низкого спроса на электроэнергию и сбрасывают воду обратно для выработки электроэнергии в периоды высокого спроса.
• Хранение энергии на сжатом воздухе (CAES): CAES предполагает сжатие воздуха и его хранение в подземных кавернах. Когда требуется электроэнергия, сжатый воздух высвобождается и используется для привода турбины.
• Хранение тепловой энергии (TES): Системы TES хранят тепловую энергию в таких материалах, как расплавленная соль или вода. TES обычно используется в сочетании со станциями CSP для обеспечения диспетчеризируемой возобновляемой энергии.
• Водородное хранение энергии: Водород можно производить из воды с помощью электролиза и хранить для последующего использования в топливных элементах или газовых турбинах. Водородное хранение энергии предлагает потенциал для долговременного хранения энергии.

Политические и нормативные рамки для возобновляемой энергетики

Государственная политика и нормативные рамки играют решающую роль в ускорении внедрения солнечной и ветровой энергетики. Эффективная политика может создать благоприятную среду для инвестиций в возобновляемую энергетику, способствовать инновациям и снижать затраты. Ключевые политические механизмы включают:

• Стандарты возобновляемого портфеля (RPS): Мандаты RPS требуют от коммунальных предприятий вырабатывать определенный процент своей электроэнергии из возобновляемых источников.
• "Зеленые" тарифы (FIT): FIT гарантируют фиксированную цену на возобновляемую энергию, вырабатываемую мелкими производителями.
• Налоговые льготы: Налоговые кредиты, вычеты и скидки могут снизить стоимость проектов в области возобновляемой энергетики.
• Ценообразование на углерод: Налоги на углерод и системы торговли квотами могут стимулировать сокращение выбросов парниковых газов и делать возобновляемую энергию более конкурентоспособной.
• Правила выдачи разрешений и зонирования: Упрощенные процедуры выдачи разрешений и зонирования могут сократить время и затраты на разработку проектов возобновляемой энергетики.
• Стандарты подключения к сети: Четкие и прозрачные стандарты подключения к сети необходимы для обеспечения эффективного подключения проектов возобновляемой энергетики к электрической сети.

Будущее солнечной и ветровой энергетики: устойчивый энергетический ландшафт

Солнечная и ветровая энергетика готовы играть все более важную роль в мировом энергетическом балансе. По мере развития технологий и дальнейшего снижения затрат эти возобновляемые источники энергии станут еще более конкурентоспособными по сравнению с ископаемым топливом. Устойчивый энергетический ландшафт, вероятно, будет характеризоваться:

• Высокий уровень проникновения возобновляемой энергии: Солнечная и ветровая энергия будут составлять значительную долю в производстве электроэнергии.
• Распределенные энергетические ресурсы: Все больше домов и предприятий будут вырабатывать собственную электроэнергию с помощью солнечных панелей и других распределенных энергетических ресурсов.
• Умные сети (Smart Grids): Умные сети обеспечат лучшую интеграцию переменных возобновляемых источников энергии, повысят надежность сети и расширят возможности потребителей.
• Хранение энергии: Системы хранения энергии будут играть решающую роль в балансировании спроса и предложения и обеспечении надежного электроснабжения.
• Электрификация транспорта и отопления: Электромобили и тепловые насосы станут более распространенными, что снизит зависимость от ископаемого топлива в транспортном и отопительном секторах.
• Международное сотрудничество: Международное сотрудничество будет иметь важное значение для ускорения глобального энергетического перехода и решения проблемы изменения климата.

Заключение

Солнечная и ветровая энергетика являются важными компонентами устойчивого энергетического будущего. При постоянном технологическом прогрессе, поддерживающей политике и растущем общественном осознании эти возобновляемые источники энергии могут преобразить мировой энергетический ландшафт и смягчить последствия изменения климата. Принимая солнечную и ветровую энергию, страны могут создать более чистое, безопасное и процветающее будущее для всех.

Переход к будущему с возобновляемой энергией требует согласованных усилий со стороны правительств, бизнеса и отдельных лиц. Инвестиции в исследования и разработки, внедрение инновационных технологий и принятие устойчивых практик являются решающими шагами в использовании всего потенциала солнечной и ветровой энергии. Вместе мы можем построить мир, работающий на чистой, возобновляемой энергии, обеспечив здоровую планету для будущих поколений.