ASPECTS OF INNOVATIVE DEVELOPMENT OF RENEWABLE ENERGY SOURCES BASED ON SOLAR POWER PLANTS

ОСОБЕННОСТИ ИННОВАЦИОННОГО РАЗВИТИЯ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ НА ПРИМЕРЕ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

Научная статья

Немченко А.В.^1, *, Короткий Р.П.², Ханин Ю.И.³, Лихолетов Е.А.⁴

^{1, 2, 3, 4} Волгоградский государственный аграрный университет, Волгоград, Россия

* Корреспондирующий автор (volgsnemchenko[at]mail.ru)

Аннотация

В статье обоснована необходимость развития возобновляемых источников энергии, где наиболее перспективным направлением определено строительство солнечных электростанций. Проведен анализ существующих мощностей на основе возобновляемой энергии в рамках всего Мирового хозяйства за последние годы, при этом установлены основные направления инновационного развития солнечной энергетики. По результатам исследования было выявлено наличие активной инновационной деятельности в области солнечной энергетики, определены основные ее преимущества как относительно традиционных способов выработки энергии, так и прочих возобновляемых источников энергии. Данное исследование позволило сделать вывод, что регулярному использованию экологически чистых источников энергии препятствуют существенные материальные затраты.

Ключевые слова: солнечная электростанция, возобновляемые источники энергии, инновация.

ASPECTS OF INNOVATIVE DEVELOPMENT OF RENEWABLE ENERGY SOURCES BASED ON SOLAR POWER PLANTS

Research article

Nemchenko A.V.^1, *, Korotkiy R.P.², Khanin Yu.I.³, Likholetov E.A.⁴

^{1, 2, 3, 4} Volgograd State Agricultural University, Volgograd, Russia

* Corresponding author (volgsnemchenko[at]mail.ru)

Abstract

The article substantiates the necessity in developing renewable energy sources, where the construction of solar power plants are considered the most promising direction. The study conducts an analysis of the existing capacities based on renewable energy in the entire world economy in recent years, while also establishing the main directions of innovative development of solar energy. The results of the study determine the presence of active innovative activities in the field of solar energy, identifies its main advantages both in relation to traditional methods of energy generation and other renewable energy sources. This study allowed the authors to conclude that the regular use of environmentally friendly energy sources is hindered by significant material costs.

Keywords: solar power plant, renewable energy sources, innovation.

Введение

Коррекция климатических условий, вызванная деятельностью человека, является одной из острых проблем, обсуждаемых на протяжении многих лет [1]. Наиболее серьезным фактором, который вызывает тревогу, является повышение уровня углекислого газа, который со времен промышленной революции начал стремительно увеличиваться. Так как развитие производства во многом сдерживалось дефицитом энергетических мощностей, который пытались восполнить, не взирая на создание экологических, социальных и даже экономических проблем. В итоге начиная с 1860-х годов потребление человеком ископаемого топлива повысило уровень углекислого газа с концентрации 290 ppm. до более чем 414,3 ppm. в 2020 году.

Параллельно с ростом уровня углекислого газа и наращиванием объемов выработки энергии традиционным способом ее дефицит не исчез, что стимулирует наращивание альтернативных способов ее выработки. Однако не только нехватка энергии уже существующих станций оказывает влияние на необходимость применения альтернативных источников энергии, но и невосполнимость природных запасов, таких как – нефть, природный газ и уголь, может поставить под сомнение их непрерывное использование. В результате того, что потребление природных запасов безостановочно растёт, согласно некоторым прогнозам население будет обеспечено нефтью и газом приблизительно 30 – 50 лет, а углем около 300 лет.

Основная часть

Возобновляемая энергетика в 2019 г. получила 176 ГВт мощности, что меньше количества мощности 179 ГВт, полученного за 2018 г. Но при этом она составляет 72 % от всей энергетической мощности, введенной в прошлом году в соответствии с данными Международного агентства возобновляемой энергии. Наибольший рост наблюдался в Азии, где мощности на основе возобновляемой энергии составили 54 % от всех, введенных в эксплуатацию. 70 % от всей введенной в эксплуатацию мощности энергоустановок в 2019 г. используют возобновляемые виды энергии, что характерно для всех регионов мира, кроме Африки и Ближнего Востока, где ввод мощностей на основе возобновляемых видов энергии составил 52 % и 26 % соответственно. Солнечная энергетика в 2019 г. увеличилась на 98 ГВт, 60 % солнечных электростанций установлено в Азии [2]. Солнечная и ветровая энергетика составляют более половины всей мощности электростанций, использующих возобновляемые виды энергии в мире, соответственно 623 ГВт и 586 ГВт. Гидроэнергетика, биоэнергетика, геотермальная и морская энергетика продемонстрировали скромное годовое увеличение в 12 ГВт, 6 ГВт, 700 МВт и 500 МВт. Отмечается, что Азия продолжает лидировать на рынке солнечной энергетики, увеличив мощности на 56 ГВт. Другими лидерами по расширению использования солнечной энергетики являются США, Германия, Австралия, Испания и Украина.

Первые шаги развития солнечных электростанций в России связывают с введением в эксплуатацию Кош-Агачской солнечной электростанции в 2014 г. Мощность данной электростанции 5 МВт. Солнечная энергетика до 2014 г. не превышала 2-3 МВт в России [3], [4]. После учета крымских солнечных электростанций мощность солнечной энергии в России увеличилась на 227,4 МВТ в 2014 г. и на 179,7 МВт в 2015 г. К концу 2019 г. общая мощность солнечных электростанций в России достигла 1418 МВт, а доля солнечной энергии в установленной мощности электростанций Единой Энергетической Системы России достигла 0,55 %.

При всем этом для большинства обывателей отрасль солнечной энергетики по-прежнему продолжает выглядеть прорывом, совершенным за последние полтора десятилетия. Однако идея и начало развития солнечной энергетики насчитывает почти двести лет, что в значительной степени обуславливает необходимость ее модернизации на основе использования инновационных технологий [5].

Важной задачей увеличения эффективности использования солнечных электростанций является создание аккумулирующих устройств. Создаются новые типы химических аккумуляторов и гравитационных накопителей энергии. Разрабатываются каталитические методы получения водорода от солнечной электростанции с последующей подачей водорода в трубопроводную систему и резервуары природного газа. Абсолютным решением проблемы круглосуточного и круглогодичного использования солнечной энергии без аккумулирующих устройств является, предложенная русскими учеными глобальная солнечная энергосистема из трех электростанций мощностью 2,5 ТВт, площадью 200×200 км каждая, установленных в пустынях Австралии, Африки и Латинской Америки и соединенная с национальными энергосистемами с помощью резонансных однопроводных высокочастотных линий.

Объединенные Арабские Эмираты в Дубае открыли новый центр исследований и разработок на базе Солнечного парка имени Мохаммеда ибн Рашид аль-Мактума. В частности, новая организация занимается разработками по влиянию климатических условий пустыни на работу солнечных модулей и других компонентов солнечной электростанции. Центр включает в себя лабораторию, исследующую электрические характеристики, лабораторию механических характеристик, лабораторию материалов, лабораторию имитации Солнца, лабораторию для исследования ускоренных испытаний солнечных электростанций [6].

В немецком Институте солнечных энергетических систем имени Фраунгофера созданы новые способы внедрения датчиков механического напряжения и температуры в поверхность солнечных элементов фотоэлектрического модуля. Сведения, собранные сенсорами, позволяют следить за уровнем разрушения, деградации поверхности солнечных элементов во времени и получать информацию о коэффициенте полезного действия модуля в зависимости от его температуры. Группа ученых отметила, что новые устройства размещаются без проблем на двух сторонах солнечных элементов. Принцип действия датчиков напряженности основан на пьезорезистивном эффекте: сенсор отвечает на механическое напряжение, изменяя свое электрическое сопротивление. Приборы благополучно работали в диапазоне температур от –35 °С до +85 °С. Исследователи сообщили, что устройства были проверены при испытаниях в ходе 145 температурных циклов.

Компания «Хевел» впервые в России построила Бурзянскую солнечную электростанцию с промышленными накопителями электроэнергии. Мощность данной станции 10 МВт, система накопления электроэнергии имеет мощность 8 МВт. Станция может работать автономно и параллельно с сетью электроснабжения. Бурзянская солнечная электростанция имеет способность в течение 6 часов снабжать автономно электроэнергией больницы, школы, детские сады и другие социальные объекты Бурзянского района Республики Башкортостан [7]. В представленной станции используются современные технические разработки в виде аккумуляторных ячеек «Лиотех» емкостью 300 А∙ч.

Еще одним инновационным прорывом в области солнечной энергетики можно считать разработку научно-технического центра тонкопленочных технологий в энергетике Российской Федерации, исследователям которого удалось создать коммерчески выгодные структуры A3B5 на кремниевой подложке [8]. Ученые сообщают, что получили верхний слой солнечного элемента, интегрированный на кремниевое основание, где при увеличении фотоактивных слоев повысится эффективность солнечного элемента, так как каждый новый слой будет более полно поглощать свою часть солнечного спектра.

Заключение

Проведенный анализ свидетельствует о наличии активной инновационной деятельности в области солнечной энергетики. Однако регулярному использованию экологически чистых источников энергии препятствуют существенные материальные затраты. Тем более, в настоящее время, традиционно получаемая энергия значительно дешевле солнечной. Тем не менее, использование последних, современных разработок и достижений в области возобновляемой энергии позволило сделать заявление о формировании наименьшей цены для солнечной электроэнергии, которая составила 0,0355 евро за кВт∙ч. Данная цена была получена при проведении тендера в Германии по фотоэлектрическим проектам мощностью от 750 кВт до 10 МВт.

К тому же, нельзя забывать о главном преимуществе альтернативных источников энергии – их постоянной возобновляемости, которая фактически сделает энергию лучшей в своём роде. Исходя из этого, альтернативные источники энергии привлекают в первую очередь своей экологичностью и незначительным ущербом для окружающей среды [9], а также возобновляемостью природного сырья. Следовательно, при использовании альтернативных источников энергии, таких как солнечная энергетика, можно добиться значительного снижения потребности в природных запасах, тем самым замедлить темпы их добычи, что даст возможность отложить начало энергетического кризиса.

Помимо отмеченных фактов, возобновляемые источники энергии наиболее хорошо подходят для районов без единой мощной энергосети, что может значительно повысить энергодоступность. Особенно прискорбно констатировать данную проблему в условиях перехода к шестому технологическому укладу, когда получает распространение использование нано- и биотехнологий, стволовых клеток, клеточной и ядерной технологий и т.д. Так, по оценке Всемирного банка, около 13 % населения Земли не имеют доступа к электричеству.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

 

Список литературы / References

1. Садовников М. А. Анализ состояния экологической безопасности и техногенной нагрузки, оказываемой сельскохозяйственным предприятием на окружающую среду / М. А. Садовников, А. А. Рыжкова, В. Ю. Мисюряев и др. // Известия нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. – 2019. - 1(53). – С. 377-385.
2. Макаров С. В. Возможности продвижения солнечных электростанций (СЭС) на территории Российской Федерации / С. В. Макаров // Научный электронный журнал Меридиан. - 2020. -№15 (49). - С. 273-275.
3. Веселова Н. М. Оптимимизация эффективности работы солнечных фотоэлектрических панелей на примере Волгоградской области / Н. М. Веселова, А. П. Панчишкин, Ю. И. Ханин // Вестник аграрной науки Дона. - 2017.- №3 (39). - С. 35-41.
4. Даус Ю. В. Ресурсный потенциал солнечной энергии для установок, использующих ее в системе энергоснабжения потребителей г. Волжского / Ю. В. Даус, Н. М. Веселова, И. В. Юдаев и др. // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. - 2017.- №129. - С. 297-307.
5. Веселова Н. М. Оценка эффективности солнечного коллектора при разных углах изгиба абсорбера / Н. М. Веселова, Ю. В. Красносельский, И.О.Плотницкий // Электротехнологии и электрооборудование в АПК. - 2019.- №4 (37). - С. 100-106.
6. Сабитов С. Е. Участие солнечных электростанций в покрытии дневного максимума нагрузки / С. Е. Сабитов, И. А. Муратаев // Интернаука. - 2020. -№22-2 (151). - С. 20-25.
7. Макаров С. В. Развитие ВИЭ на базе солнечных электростанций на территории современной России / С. В. Макаров // Научный электронный журнал Меридиан. - 2020. -№15 (49). - С. 195-197.
8. Мирончук В. И. Повышение коэффициента полезного действия солнечных энергетических установок за счет локализации солнечной энергии / В. И. Мирончук, А. А. Вельченко // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. - 2021. - Т. 64.№1. - С. 15-26.
9. Мелихов В. В. Характер и направленность изменений климатических параметров Волгоградской области / В. В. Мелихов, А. А. Зибаров, Н. П. Мелихова и др. // Известия нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. – 2019. - 1(53). – С. 60-67.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Sadovnikov M. A. Analiz sostojanija jekologicheskoj bezopasnosti i tehnogennoj nagruzki, okazyvaemoj sel'skohozjajstvennym predprijatiem na okruzhajushhuju sredu [Analysis of the state of environmental safety and technogenic load exerted by an agricultural enterprise on the environment] / M. A. Sadovnikov, A. A. Ryzhkova, V. Ju. Misjurjaev et al. // Izvestija nizhnevolzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa: nauka i vysshee professional'noe obrazovanie [Proceedings of the Nizhnevolzhsky agrouniversitetskiy complex: science and higher professional education]. – 2019. - 1 (53). – P. 377-385. [in Russian]
2. Makarov S. V. Vozmozhnosti prodvizhenija solnechnyh jelektrostancij (SJeS) na territorii Rossijskoj Federacii [Opportunities for promoting solar power plants (SES) on the territory of the Russian Federation] / S. V. Makarov // Nauchnyj jelektronnyj zhurnal Meridian [Scientific electronic Journal Meridian]. - 2020. - № 15 (49). - P. 273-275. [in Russian]
3. Veselova N.M. Optimimizacija jeffektivnosti raboty solnechnyh fotojelektricheskih panelej na primere Volgogradskoj oblasti [Optimization of the efficiency of solar photovoltaic panels on the example of the Volgograd region] / N. M. Veselova, A. P. Panchishkin, Ju. I. Hanin // Vestnik agrarnoj nauki Dona [Bulletin of Agrarian Science of the Don]. - 2017. - № 3 (39). - P. 35-41. [in Russian]
4. Daus Ju. V. Resursnyj potencial solnechnoj jenergii dlja ustanovok, ispol'zujushhih ee v sisteme jenergosnabzhenija potrebitelej g. Volzhskogo [Resource potential of solar energy for plants using the energy supply system of consumers in the Volga region] / Ju. V. Daus, N. M. Veselova, I. V. Judaev et al. // Politematicheskij setevoj jelektronnyj nauchnyj zhurnal Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta [Polythematic network electronic scientific journal of the Kuban State Agrarian University]. - 2017. - № 129. - P. 297-307. [in Russian]
5. Veselova N. M. Ocenka jeffektivnosti solnechnogo kollektora pri raznyh uglah izgiba absorbera [Evaluation of the efficiency of the solar collector at different angles of bending of the absorber] / N. M. Veselova, Ju. V. Krasnosel'skij, I. O. Plotnickij // Jelektrotehnologii i jelektrooborudovanie v APK [Electrical technologies and electrical equipment in the agro-industrial complex]. - 2019. - № 4 (37). - P. 100-106. [in Russian]
6. Sabitov S. E. Uchastie solnechnyh jelektrostancij v pokrytii dnevnogo maksimuma nagruzki [Participation of solar power plants in covering the daily maximum load] / S. E. Sabitov, I. A. Murataev // Internauka [Internauka]. - 2020. - № 22-2 (151). - P. 20-25. [in Russian]
7. Makarov S. V. Razvitie VIJe na baze solnechnyh jelektrostancij na territorii sovremennoj Rossii [Development of renewable energy sources on the basis of solar power plants in the territory of modern Russia] / S. V. Makarov // Nauchnyj jelektronnyj zhurnal Meridian [Scientific electronic journal "Meridian"]. - 2020. - № 15 (49). - P. 195-197. [in Russian]
8. Mironchuk V. I. Povyshenie kojefficienta poleznogo dejstvija solnechnyh jenergeticheskih ustanovok za schet lokalizacii solnechnoj jenergii [Improving the efficiency of solar power plants by localizing solar energy] / V. I. Mironchuk, A. A. Vel'chenko // Jenergetika. Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij i jenergeticheskih obedinenij SNG [Power engineering. Proceedings of higher educational institutions and energy associations of the CIS]. - 2021. - T. 64. № 1. - P. 15-26. [in Russian]
9. Melihov V. V. Harakter i napravlennost' izmenenij klimaticheskih parametrov Volgogradskoj oblasti [Character and direction of changes in the climatic parameters of the Volgograd region] / V. V. Melihov, A. A. Zibarov, N. P. Melihova et al. // Izvestija nizhnevolzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa: nauka i vysshee professional'noe obrazovanie [Proceedings of the Nizhnevolzhsky agrouniversitetskiy complex: science and higher professional education]. – 2019. - 1 (53). – P. 60-67. [in Russian]