Использование энергии солнца на Земле

Использование энергии солнца 
Преобразование солнечной энергии в электричество является наиболее перспективным направлением возобновляемой энергетики. Солнечная энергия при этом широко доступна, обладает практически безграничными ресурсами и при ее фотоэлектрическом преобразовании не происходит загрязнения окружающей среды. 
Однако, анализ характеристик солнечных электростанций, работающих в составе отдельных энергетических систем, показывает их низкую эффективность. И дело здесь не только в высокой стоимости преобразователей, но и в непредсказуемости, неуправляемости выработки энергии такими источниками. Поэтому для надежности снабжения энергией потребителей необходимо резервирование мощностями обычных электростанций, работающих на органическом топливе, или аккумулирование энергии различными способами с явными потерями. 
Расчеты показывают, что для увеличения выработки электроэнергии в два раза необходимо увеличить установленную мощность фотоэлементов в четыре раза. Наращивая, таким образом, установленную мощность фотоэлементов можно довести долю выработки солнечной электроэнергии до 60% от нынешней. Однако стоить это будет очень дорого. 
Другой проблемой солнечной энергетики является высокая сезонная зависимость количества выработки энергии, в особенности на высоких широтах. Коренным способом улучшения технико-экономических показателей солнечных фотоэлектростанций является размещение их в местах с высокими годовыми потоками солнечной энергии и на широтах ниже 35 градусов. 
Экономический анализ показывает, например, что размещение их в пустынях Северной Африки и передача энергии в Европу может привести к 3 - 4-х кратному повышению эффективности капиталовложений по сравнению с размещением таких же мощностей в Центральной Европе. Очевидно, что для повышения эффективности солнечной энергетики необходимо объединить большое количество солнечных электростанций, расположенных вокруг Земного шара в экваториальных областях, в единую кольцевую энергетическую систему. 
Первая очередь ГКЭС может быть размещена в северной части пояса наибольшей солнечной освещённости, между 15 и 35 градусами северной широты. Южная часть этого пояса расположена между 15 и 20 градусами северной широты на суше и в экваториальных зонах океана, она наиболее приемлема в связи с меньшими сезонными колебаниями продолжительности дня. Местоположение отдельных электростанций будет выбираться на основе анализа погодных условий в конкретном месте. Создание второй очереди ГКЭС в южном поясе и объединение ее в единую систему с первой очередью позволит устранить сезонные колебания мощности и уменьшит погодную зависимость выработки электроэнергии. 
На территории этих поясов солнце присутствует свыше 3000 часов в год. Около 80% площади северного пояса занимают неиспользуемые и малоиспользуемые земли пустынь и водная поверхность океанов. Площадь только одного пояса, которую можно использовать для установки фотоэлементов, составляет около 20-40 млн. кв.км. 
Для оценки возможных масштабов солнечной энергетики, предположим, что первая очередь ГКЭС к 2050 г. в целях предотвращения экологического кризиса должна будет заменить собой мировой парк тепловых электростанций. Согласно прогнозам годовая производительность должна будет составлять к этому году около 20-25 трлн. кВт. час электроэнергии. Расчеты показывают, что для выработки такого количества энергии потребуется более 65 тыс. кв.км фотоэлементов с суммарной пиковой мощностью около 12 500 ГВт. Они заменят собой около 6000 ГВт мощности тепловых электростанций, необходимых для выработки того же количества энергии (для сравнения суммарная установленная мощность всех электростанций в мире в 2001 г. составляла около 3400 ГВт) 
Для преобразования энергии солнечного излучения могут использоваться кремниевые фотоэлементы. Запасов сырья достаточно для их производства в любых количествах, так как кремний - один из самых распространенных химических элементов на Земле. Технологии изготовления кремниевых фотоэлементов развиваются быстрыми темпами. Ожидается, что уже к 2030 году стоимость кремниевых фотоэлементов может снизиться до 0,5 дол/Вт, а удельная мощность солнечных модулей достигнет уровня 200-250 Вт/кв. м. Предполагается, что к 2030 году в мире фотоэлектрические установки будут вырабатывать 1000 ТВт. час электроэнергии в год, а цена единицы их мощности прогнозируется около 1 евро/Вт. 
Большими перспективами для применения в ГКЭС обладают концентрационные модули, использующие высокоэффективные каскадные гетероструктурные фотоэлементы. Ожидается, что к 2030 году эффективность преобразования каскадных фотоэлементов на гетероструктурах может достигнуть 50%. Их относительно высокая конструктивная сложность не будет иметь значения в условиях массового производства. Концентрационные модули будут использоваться на суше, на территориях с низкой долей рассеянного излучения.