Еще в 1931 году американский изобретатель, предприниматель и инженер Томас Эдисон в разговоре с промышленником Генри Фордом сказал: «Я бы поставил свои деньги на солнце и солнечную энергию. Какая сила! Надеюсь, нам не придется ждать, пока закончатся нефть и уголь, прежде чем мы это поймем».
С тех пор прошло почти 100 лет. Доля солнечных электростанций (СЭС) в общемировой выработке электроэнергии по состоянию на начало 2025 года составила примерно 5,5−7%. К 2028−2030 годам она может вырасти до 13−20%. А к 2050 году, по данным Международного энергетического агентства (МЭА), СЭС могут занять лидирующие позиции в энергетическом секторе. Доля солнечной энергетики в общемировой достигнет 29−44% при значительном росте производства/потребления электроэнергии в мире. Для сравнения, доля атомной энергетики останется примерно на текущем уровне и составит 9−10%. Рассмотрим, как работает солнечная энергетика, какие у нее преимущества и недостатки, а также перспективы развития в России и мире.
Что такое солнечная энергетика и как она работает
Процесс получения электроэнергии из солнечного излучения основан на фотоэлектрическом эффекте. Когда частицы света (фотоны) попадают на поверхность полупроводника (обычно кремния), они «выбивают» электроны, создавая электрический ток. Таким образом солнечная электростанция (СЭС) — это огромный конструктор, где каждый каждый фотоэлемент отвечает за превращение солнечного света в ток.
Различают солнечные электрические и солнечные тепловые станции.
В первом случае станция может работать как в автономном режиме, и тогда она обеспечивает электричеством только отдельный дом или предприятие, либо в промышленном или гибридном. В автономных системах обязательно должен быть контроллер заряда, который управляет процессом зарядки аккумуляторов и защищает их от перезаряда и глубокого разряда. В промышленных — повышающая подстанция (трансформаторы, которые повышают напряжение для передачи электричества на большие расстояния). В гибридных СЭС излишки энергии запасаются в аккумуляторы, а если они полны — отдаются в сеть. В остальном строение солнечных электрических станций идентично. Их основные компоненты:
1. Солнечное поле для генерации
- Солнечные панели (модули) — группы фотоэлементов, которые преобразуют свет в постоянный ток (DC). Бывают монокристаллические (черные, эффективнее) и поликристаллические (синие).
- Опорные конструкции — металлические каркасы, на которых крепятся панели. Бывают стационарные (зафиксированы под одним углом) и трекеры, которые поворачивают панели вслед за солнцем.
2. Силовое оборудование для преобразования
- Инвертор преобразует постоянный ток (DC) от панелей в переменный (AC).
3. Система накопления для хранения
- Аккумуляторные батареи (АКБ) накапливают энергию днем, чтобы отдавать ее ночью или в пасмурную погоду. Чаще всего используются литий-железо-фосфатные (LiFePO4) или свинцово-кислотные (AGM/GEL) модели.
Когда фотон света ударяет в атом кремния в солнечной панели, он «выбивает» электрон. Благодаря электрическому полю на стыке слоев, свободные электроны устремляются в одном направлении. Так рождается постоянный электрический ток (DC), который от каждой панели собирается по проводам в общие магистрали. На этом этапе в работу вступает контроллер заряда (если в системе есть аккумуляторы). Он следит, чтобы ток шел с нужным напряжением, не перегревая батареи и не допуская их перезаряда.
Постоянный ток (как в батарейке) не подходит для большинства бытовых приборов и общей электросети. Поэтому он поступает в инвертор, который преобразует постоянный его в переменный ток (AC) с частотой 50 Гц и напряжением 220 В или 380 В и направляет ток к потребителю.
Солнечная тепловая станция (CSP) работает принципиально иначе, чем фотоэлектрические панели. Если обычная СЭС превращает свет в ток напрямую, то тепловая станция сначала превращает его в тепло, а затем в электричество — по принципу классической ТЭЦ приводит в действие турбину. Ключевое преимущество CSP — встроенная возможность теплового хранения с использованием расплавленных солей, что позволяет генерировать электроэнергию в вечерние часы и ночью, обеспечивая управляемость, недоступную для обычной фотоэлектрической генерации. Однако такие станции требуют огромных открытых пространств с очень высоким уровнем прямого солнечного излучения и большого количества воды для охлаждения турбин.
Солнечная тепловая станция состоит из:
1. Оптической системы, которая собирает солнечные лучи в одну точку. Это могут быть:
- гелиостаты (огромные зеркала, которые поворачиваются за солнцем и направляют свет на вершину центральной башни);
- параболоцилиндрические желоба (длинные изогнутые зеркала в форме желоба, которые фокусируют свет на трубке, проходящей по центру);
- линзы Френеля (плоские зеркальные полосы, имитирующие работу параболы).
2. Приемника (ресивера), на который падают сфокусированные лучи. В нем циркулирует теплоноситель. Температура в приемнике может достигать 400−1000 °C.
3. Системы хранения тепла (теплового аккумулятора) — обычно это два огромных бака с расплавленной солью (горячий и холодный). Днем соль нагревается в приемнике и перекачивается в «горячий» бак. Ночью или в облачность горячая соль отдает тепло для выработки пара.
4. Силового блока (генерация), который включает в себя:
- парогенератор, в котором горячий теплоноситель нагревает воду до состояния пара под высоким давлением;
- паровую турбину, в которой пар под высоким давлением вращает лопатки турбины;
- электрогенератор, который превращает кинетическую энергию турбины в электричество;
- конденсатор, в котором охлаждается отработанный пар и снова превращается в воду, замыкая цикл;
- трансформаторы, которые повышают напряжение для передачи электричества на большие расстояния.
Преимущества использования солнечной энергии
Использование энергии солнца дает целый ряд преимуществ — от глобальной экологии до личной финансовой выгоды.
Экологическая чистота
Солнечные станции не сжигают топливо, а значит нет создают выбросов углекислого газа и парниковых газов, вызывающих глобальное потепление, нет загрязняют воздух оксидами азота или серы и минимально потребляют воду.
Неисчерпаемость и доступность
Солнце — возобновляемый ресурс, который не закончится в ближайшие миллиарды лет. В отличие от нефти или газа он доступен в любой точке планеты, что позволяет развивать такую энергетику даже там, где нет полезных ископаемых.
Долгосрочная экономическая выгода
Во всей экваториальной полосе выработка солнечной энергии уже стала дешевле угля и даже атома, в средних широтах, таких как юг России солнечная энергетика конкурирует по цене с классическими электростанциями, но благодаря постепенному удешевлению производства можно ожидать, что и в наших широтах солнечная энергетика вскоре станет дешевле и начнет вытеснять «грязные» источники энергии.
Хотя установка системы стоит дорого, в процессе эксплуатации получаются:
- бесплатное «топливо» поскольку не нужно платить за солнечный свет;
- низкие эксплуатационные расходы (в панелях нет движущихся частей, если это не трекеры), они редко ломаются и требуют лишь периодической очистки;
- энергонезависимость, поскольку защищены от роста тарифов на электроэнергию и аварий в общих сетях;
- кроме того, можно продавать излишки энергии обратно в сеть энергосбытовым компаниям и зарабатывать на этом.
Уже сейчас, срок окупаемости солнечных электростанций начинается от 4 лет (или 25% годовых). Закон «О микрогенерации», вступивший в силу в России в 2021 году, увеличил эффективность и возвратность этих инвестиций, поскольку доход от продажи электроэнергии от солнечной электростанции не облагается налогом. Также можно «отдавать» энергию в сеть, а ночью «забирать» обратно. Это избавляет от необходимости покупать дорогие аккумуляторы.
Автономность и модульность
Солнечные системы легко масштабируются. Можно легко поставить одну панель на крышу дачи для работы холодильника, а можно построить гигантскую станцию в пустыне для питания целого города. Идеальное решение для удаленных районов, куда тянуть линии электропередачи слишком дорого.
Бесшумность
В отличие от ветрогенераторов или дизельных движков, фотоэлектрические панели работают абсолютно тихо. Это позволяет устанавливать их прямо на крышах жилых домов или офисов.
Недостатки использования солнечной энергии
Несмотря на экологичность, солнечная энергетика имеет ряд серьезных технологических и экономических ограничений.
Прерывистость и нестабильность (интермиттируемость)
Это главный технический вызов. Генерация напрямую зависит от внешних условий. Ночью выработка падает до нуля. Это требует либо подключения к общей сети, либо установки дорогих аккумуляторных систем, что увеличивает стоимость проекта в 1.5−2 раза. Облачность, туман или сильный снегопад могут снизить эффективность панелей на 70−90%. В северных широтах (включая большую часть России) зимой световой день короток, а угол падения лучей неоптимален, что делает солнечную энергию малоэффективной в этот период.
Низкая плотность энергии и занимаемая площадь
Солнечный свет «размазан» по поверхности земли, поэтому для получения большой мощности нужны колоссальные территории. Так промышленная СЭС мощностью 1 ГВт требует от 500 до 1000 гектаров земли. Это часто приводит к конфликтам интересов с сельским хозяйством или требует вырубки лесов. Установка панелей в пустынях может менять микроклимат под ними (создавая тень и удерживая влагу), что влияет на локальную экосистему.
Токсичность и экологический след производства
Хотя сама эксплуатация панелей чиста, их создание и утилизация создают нагрузку на природу. В производстве тонкопленочных панелей используются кадмий (высокотоксичный металл) и теллур. В классических кремниевых панелях могут применяться соединения свинца и мышьяка.
Производство чистого кремния требует огромных температур и электроэнергии, которую часто получают, сжигая тот же уголь. Срок службы панелей — 25−30 лет. Массовая переработка отработавших модулей пока не налажена нигде в мире, что в будущем может привести к накоплению миллионов тонн специфического мусора.
Проблемы утилизации большого количества отработанных солнечных батарей тесно связаны с развитием технологий переработки. Более новые перовскитные солнечные элементы имеют толщину порядка одного микрометра, что в сто раз тоньше человеческого волоса, поэтому по сравнению с кремниевыми, утилизация и переработка таких батарей будет значительно экологичнее и проще.
Эксперт считает, что в будущем солнечная энергетика сможет стать практически безотходным производством.
«Большой оптимизм внушает переработка солнечных батарей. Таким образом будет обеспечиваться практически замкнутый цикл безотходного производства и переработки, который позволит достичь терраватных уровней выработки энергии без вреда для экологии и дефицита редких материалов», — поделился Павел.
Высокие затраты
Хотя цена на панели падает, входной порог остается высоким. Для частного дома в России срок окупаемости системы может составлять от 10 до 15 лет без учета субсидий, после чего в скором времени встанет вопрос о замене солнечных панелей на новые.
Особенности КПД
В среднем панель теряет 0,5−0,8% мощности в год. К концу срока службы (25 лет) она будет выдавать лишь около 80% от номинала. При экстремальной жаре эффективность фотоэлементов падает и для их охлаждения требуется естественная вентиляция, что усложняет монтаж.
Солнечная энергетика в России
Первая крупная солнечная электростанция (СЭС) в России была запущена в 2014 году. Ею стала Оренбургская СЭС мощностью 25 МВт. Сегодня СЭС мощностью в десятки мегаватт работают в Оренбургской, Астраханской областях, республиках Башкортостан и Калмыкия. На 2024−2025 годы общая мощность солнечных станций в России превысила 2 ГВт. Крупнейшие объекты: Аршанская СЭС (Калмыкия, 115,6 МВт), старомарьевская СЭС (Ставрополье, 100 МВт) и Борзинская СЭС с трекерной системой (Забайкалье, 60 МВт). Крупнейшим игроком является группа компаний «Хевел», которая производит высокоэффективные гетероструктурные модули с КПД до 22%.
Несмотря на то, что Россия — северная страна, она обладает значительным потенциалом в солнечной энергетике, особенно в южных регионах, на Алтае и Дальнем Востоке. Южные широты России (45−50° с.ш.) по уровню инсоляции сопоставимы с югом Германии или севером Франции, где сильно развита солнечная генерация. Алтай и Тыва — регионы с уникально чистым небом. Солнечные станции здесь помогают питать удаленные поселки, куда тянуть ЛЭП через горы невозможно. В Якутии и Забайкалье солнце используется для экономии дорогого завозного дизельного топлива. Гибридные системы (солнце + дизель) позволяют экономить до 30−50% ГСМ.
Перспективы развития солнечной энергетики
Если верить самым смелым прогнозам инженеров и футурологов, через 50−100 лет громоздкие солнечные панели превратятся в невидимую и вездесущую инфраструктуру. Традиционные на крышах уйдут в прошлое — их заменят умные стекла, с помощью которых окна небоскребов будут генерировать ток, оставаясь прозрачными.
Идея использования солнечных батарей в качестве фасадов зданий и тонировки на окнах очень популярна и активно разрабатывается во многих компаниях, однако как и любая технология будет зависеть от целесообразности и экономической выгоды. В южных широтах с высоким освещением такие проекты однозначно будут иметь выгоду, а в северных регионах, где солнечного света гораздо меньше все будет зависеть от соотношения цены и расчетной вырабатываемой энергии.
Изменятся не только фасады, но и дорожное полотно. Магистрали из сверхпрочного стекла со встроенными фотоэлементами будут заряжать электромобили прямо на ходу через магнитную индукцию. Подобный проект уже пытались реализовать в 2016 году во Франции, однако пока он потерпел неудачу. Уже через 2 года полотно покрылось сколами отслоилось и стало непригодно для использования.
Ученые рассчитывают, что в будущем панели на основе биосинтетических материалов смогут «залечивать» микротрещины от града или песка, как живая кожа. А еще, что любую поверхность (стену дома, кузов машины) можно будет просто покрасить составом с частицами перовскита, превратив ее в генератор. Согласно отчету Международного агентства по возобновляемой энергии (IRENA), каждый дом и гаджет станет активным участником рынка. Искусственный интеллект будет в реальном времени перераспределять микроватты между соседями, оптимизируя потребление всей планеты. Единая мировая сеть позволит перебрасывать энергию из солнечного полушария в ночное с нулевыми потерями. Как итог, энергия станет практически бесплатной и повсеместной, что позволит реализовать проекты, которые сегодня кажутся слишком дорогими — например, массовое опреснение океанской воды или терраформирование пустынь.
Большие ожидания у ученых и в отношении космических солнечных электростанций (SBSP). Огромные спутники-зеркала будут круглосуточно собирать солнечный свет на орбите, где он в 6−10 раз интенсивнее, чем на Земле. Энергия будет передаваться на наземные приемные антенны с помощью безопасных микроволн или лазеров. Сегодняшние 20−22% КПД солнечных панелей покажутся каменным веком. Использование нанотехнологий позволит улавливать весь спектр излучения (включая инфракрасный и ультрафиолетовый), доведя КПД до 60−80%. Излишки солнечного тока будут превращать воду в водород — идеальное «консервированное» топливо для авиации и тяжелой промышленности.
Техническая возможность осуществления такой передачи электроэнергии экспериментально подтверждена. Вместе с тем на текущий момент такой способ сопряжен с крайне высокими потерями электроэнергии, которые нивелируют вышеуказанные преимущества от размещения СЭС на орбите.
По его словам, ближайший шаг в использовании космической солнечной энергии — вопрос размещения солнечных ферм на орбите для целей за рамками обеспечения собственных нужд орбитальных объектов. На солнечно-синхронной орбите панели получают до 8 раз больше энергии, чем на Земле, при почти непрерывном освещении. Это позволяет создавать сеть спутников, оснащенных высокопроизводительными процессорами и оптическими каналами связи, способную заменить наземные дата-центры. Компании уже анонсировали экспериментальные выводы на орбиту подобных спутников в ближайшие несколько лет, а технология имеет высокие шансы стать массовой уже в обозримой перспективе.
Вопросы и ответы
Где в мире самые крупные солнечные фотоэлектрические и тепловые станции?
Согласно данным Международного агентства по возобновляемым источникам энергии, на 2025 год мировое лидерство в строительстве гигантских фотоэлектрических станций прочно удерживает Китай, за которым следуют Индия и ОАЭ. Крупнейшие солнечные тепловые станции (CSP) расположены в ОАЭ, Марокко и США.
Работают ли солнечные панели зимой?
Да, свет все равно достигает земли, но из-за короткого дня и низкой высоты солнца выработка снижается. Холод даже полезен для панелей, так как они меньше перегреваются.
Нужно ли чистить панели? В регионах с частыми дождями очистка происходит естественным путем. В засушливых зонах пыль может снизить выработку на 10−30%, поэтому требуется периодическое мытье.
Эффективно ли использование СЭС в Арктических регионах?
Парадокс, но использование солнечных электростанций в Арктике — это эффективное сезонное решение. Несмотря на экстремальные условия, у Арктики есть уникальные преимущества, которые делают СЭС выгодными:
- Снег и лед работают как гигантские зеркала. Отраженный свет попадает на панели, увеличивая выработку. Двусторонние (bifacial) панели в Арктике показывают результаты на 20% выше обычных.
- Холод — друг кремния. Солнечная панель при −30°C работает эффективнее, чем при +25°C (меньше греется и теряет меньше энергии).
- Летом солнце не заходит за горизонт 24 часа. СЭС генерирует энергию круглосуточно, что позволяет полностью отключать дизельные генераторы на несколько месяцев.
- В удаленные поселки Арктики дизель завозят вертолетами или по зимникам. Стоимость 1 кВт·ч там может достигать 100−200 рублей. Солнце позволяет экономить до 30−50% дорогого топлива в год. Так, например, В якутском поселке Батагай работает одна из крупнейших в мире СЭС за полярным кругом (мощность 1 МВт). Она ежегодно экономит около 300 тонн дизельного топлива. В ней задействовано 3360 поликристаллических панелей.
Вместе с тем СЭС в Арктике никогда не бывает единственным источником энергии; она всегда работает в связке с дизелем или ветрогенератором (гибридные системы). Во время полярной ночи солнечная генерация равна нулю. Панели устанавливают почти вертикально, чтобы не приходилось чистить их от снега. К тому же доставка хрупкого оборудования в Арктику обходится очень дорого.
Ранее Наука Mail рассказывала, можно ли будет добывать полезные ископаемые на астероидах.
