彼らはHabréでの太陽エネルギーが大好きです：ここGoogleは太陽光発電所を建設しています（ 1 2 3 4 5 6 ）、ここドイツはかつて太陽光発電所の現在のエネルギー消費量の3分の 1を生成しました...



コメントは2つのカテゴリに分けられます。「よくやった、石油だけを燃やす」と「 エロエイ ！太陽電池の生産には、生産するよりも多くのエネルギーが必要です！」。



慢な読者はおそらく、生産に必要な生産量よりも少ない生産量になると考えるでしょう。 彼はそれらをセットアップしました-彼らは働き、彼らは10年、50年、100年のおridgeを要求しません-それは生成される総エネルギーが無限に等しいことを意味し、彼らは建設費を問わず利益があるはずです...



太陽電池の効率を制限する太陽光発電へのアプローチは何か、すでに実装されている独創的なアイデア、そしてなぜ太陽エネルギーが世界を積極的に捕らえないのか-カットの下で、すべてが本当に似ています。

太陽からどれくらいのエネルギーを得るのですか？

太陽から1平方メートルごとに1367ワットのエネルギー（太陽定数）が発生します。 （赤道で）約1020ワットが大気を通って地球に到達します。 太陽電池の効率が16％の場合、平方メートルから最大で163.2ワットの電力を得ることができます。 しかし、結局のところ、天気があり、太陽は天頂に達していない、時には夜がある（異なる期間の）-これをすべて計算する方法は？



年間の日射量は、太陽電池の設置のタイプ（地球に平行、最適な角度で、太陽を追跡）を含むすべてのことを考慮し、平均で1年あたりの発電量（kW * h / m ²を除く）を理解させます太陽効率）：

市/設置タイプ	横に	最適な角度で	太陽の追跡
アストラハン	1371	1593	2200
ウラジオストク	1289	1681	2146
モスクワ	1020	1173	1514
ソチ	1365	1571	2129

つまり 1 km ^2のソーラーパネルを取り、モスクワで最適な角度（40.0°）に設定すると、1年で1173 * 0.16 = 187.6 GW * hを生成できることがわかります。 kWhあたり3ルーブルの価格で、生成されるエネルギーの「条件付き」コストは5億6100万ルーブルになります。 なぜ条件付き-以下をご覧ください。

太陽からエネルギーを得るための主なアプローチ

太陽熱放射

回転する鏡の巨大なフィールドは太陽を太陽集熱器に反射し、そこで熱はスターリングエンジンによって、または水を加熱することによって、そして火力発電所のように通常の蒸気タービンによって電気に変換されます。 効率-20〜30％。





線形放物面ミラーを使用したオプションもあります（1つの軸を中心に回転するだけで済みます）。





質問の価格はいくらですか？ Googleが間接的に投資したIvanpah発電所 （392 MW）を見ると、その建設コストは22億ドル、つまり設備容量1 kWあたり5612ドルでした。 ウィキペディアは嬉しいことに、石炭火力発電所よりも高価ですが、おそらく原子力発電所よりも安いと言っています。



ただし、いくつかのニュアンスがあります-原子力発電所の1 kWの設備容量は、実際には2000〜4000ドル（建物の所有者によって異なります）、つまり イヴァンパーは実際、すでに原子力発電所よりも高価であることが判明しています。 次に、電力生産の年間推定値-1079 GW * hを見て、それを1年あたりの時間数で割ると、平均年間容量は123.1 MWです（結局、発電所は午後にしか生成されません）。



これにより、「平均」建設費は17,871ドル/ kWになります。これは高価なだけでなく、非常に高価です。 おそらく宇宙の電気だけが電気を生成できます。 従来のガス火力発電所の価格は500〜1000ドル/ kWです。 18〜36倍安く 、常に機能し、幸運ではありません。



そして最後に-バッテリーは一般的に建設費に含まれていません。 バッテリー（下にあるもの）または揚水発電所の建設を追加する場合、費用は屋根から出ます。



太陽熱発電所では、1日あたりに加熱された大量のクーラントを使用して、24時間体制で発電する機会があります。 そのようなステーションも存在しますが、コストを書き留めないようにします。



半導体フォトセル （太陽光発電、PV）-アイデアは非常に単純で、大面積の半導体ダイオードを使用します。 光の量子がpn接合に飛ぶと、電子と正孔のペアが生成され、このダイオードの端子間で電圧降下が発生します（シリコン光電セルの場合は約0.5V）。



シリコン太陽電池の効率は約16％です。 なぜそんなに少ないのですか？



電子と正孔のペアの形成には、ある程度のエネルギーが必要です。 光の量子が必要以上に少ないエネルギーで届くと、ペアを生成できず、ガラスのようにシリコンを通過します（シリコンは1.2ミクロンを超える赤外線を透過するため）。 光の量子が必要以上のエネルギー（緑色の光とより短い）で到着した場合-カップルが生成されますが、余分なエネルギーは失われます。 エネルギーがさらに高い場合（青と紫外線）、量子は単にpn接合の深さに到達する時間がない可能性があります。



さらに、光は表面で反射する可能性があります-これを回避するために、反射防止コーティングが表面に適用され（写真レンズのレンズのように）、櫛の形で表面にすることができます（最初の反射後、光は別の機会を得ます）。



いくつかの異なるフォトセル（他の半導体に基づいているため、電子-正孔ペアを生成するために必要な異なるエネルギー）を組み合わせることにより、フォトセルの効率を16％以上高めることができます-最初に、青色光を効率的に吸収し、緑色、赤色、およびIR 、次に緑、最​​後に赤とIR。 44％以上のパフォーマンス指標を達成するのは、このような3段階の要素です 。



残念なことに、3段フォトセルは非常に高価であることが判明し、今では普通の安価な1段シリコンフォトセルがボールを支配しています。これは、ワット/ドルの観点から非常に低価格であるためです。最大〜0.5 $ /ワット（つまり、$ 500の場合、1000ワットあたり太陽電池を購入できます）。



シリコン要素の主なタイプは、単結晶（より高価で、少し高い効率）と多結晶（製造が安く、文字通り1％低い効率）です。 現在、1ワットの発電電力の最低コストを提供しているのは多結晶ソーラーパネルです。



問題の-ソーラーパネルは永遠ではありません。 埃や汚れが考慮されていなくても（雨と風があれば）、20年間の動作中の光劣化により、最高のシリコン要素は電力の約15％を失います。 おそらくさらに劣化が遅くなりますが、これを考慮する必要があります。



経済効率を高めるための主な試みを見てみましょう。



そして、小型の高性能フォトセルと放物面鏡を取りましょう

これは集中型太陽光発電と呼ばれます。 アイデアは原則として悪くはありません-鏡は太陽電池よりも安く、効率は16％ではなく40％になる可能性があります...唯一の問題は、太陽を追跡するために（信頼性の低い）メカニックが必要であり、私たちの巨大なスイベルプレートは十分に強いはずです突風に抵抗するため。 別の問題-太陽があまりにも濃くない雲の後ろに沈む場合-エネルギー生産がゼロに低下する 放物面鏡は拡散光の焦点を合わせることができません（従来のソーラーパネルでは、もちろん、出力は低下しますが、0にはなりません）。



シリコン太陽電池の価格の下落により、このアプローチは高すぎることが判明しました（設置コストとメンテナンスの両面で）



そして、太陽電池を丸くして、屋根の上に置いて、屋根を白く塗りましょう

これは、現在悪名高いソリンドラの会社によって行われました。 ソリンドラ は、 バラク・オバマ の申請により 、米国エネルギー省から5億3,500万ドルの融資で国家保証を受け、突然破産を宣言しました。 円形のソーラーパネルは、ガラスチューブ上に半導体の層（その場合、セレン化銅インジウムガリウム（二））をスパッタリングすることによって作成されました。 ソーラーパネルの効率は8.5％でした（はい、単純で安価なシリコンよりも悪いことが判明しました）。



正当なロビー活動を伴うアメリカの資本主義が、いかに巨大なリソースを根本的に非効率なテクノロジーに慣性で押し込むことができるかを示す鮮やかな例です。 仕事の結果として、誰も投獄されなかった。

ディナー用ロードスプーン

テクノロジーの絶え間ない改善のこの暴動の後、私たちは歴史の悲しいページを開きます。 太陽光発電所は日中に発電し、夕方に最も必要とされます。



これは、バッテリーがない場合、夕方の消費ピークに向けて発電所を建設する必要があることを意味します。午後には、一部をオフにし、一部をホットリザーブにする必要があります。これにより、太陽光発電所の上に雲が集まると、落ちた太陽光発電が即座に置き換わります。



太陽光発電所から発電したときに通常の価格で太陽光発電所から電気を購入することを義務付けると、実際には既存の古典的な発電設備からの利益を再分配することになります。



そのような興味深いオプションがあります-夕方のピーク時の消費がどこかである場合-地球上のどこかが一日の高さです。 そこに太陽光発電所を建設し、電力線で電気を送ることができますか？ これは可能ですが、約5〜8千kmの距離でエネルギーを転送する必要があり、これには莫大な資本コスト（少なくとも超伝導体に切り替えるまで）と多くの国との調整が必要です。 Desertecプロジェクトは、ほぼこの方向に発展していました-アフリカでの世代、ヨーロッパへの移転。

バッテリー

したがって、1W太陽電池の価格は0.5ドルです。 1日間、たとえば8Whの電気を生成します（晴れた8時間で）。 このエネルギーを最も必要とされる夜までどのように保存しますか？



中国のリチウム電池のコストはそれぞれWh * hあたり約0.4ドルで、1 Wの太陽電池（0.5ドルの価格）の場合、3.2ドルの電池が必要です。 バッテリーは太陽電池よりも6倍高価です！ さらに、1000〜2000回の充放電サイクルの後、バッテリーを交換する必要があり、これは3〜6年しか使用できないことに留意する必要があります。 電池を安く食べることができますか？



最も安価なものは鉛酸であり（当然「グリーン」からはほど遠い）、卸売価格はそれぞれWh * hあたり0.08ドルであり、毎日の生産を節約するために必要なバッテリーは0.64ドルで、これもソーラーパネル自体のコストを上回ります。 鉛電池もこのモードで3〜6年使用するとすぐになくなります。 さて、デザートの場合、鉛蓄電池の効率は75％です（つまり、エネルギーの4分の1が充放電サイクルで失われます）。



揚水発電所のオプションもあります（日中はポンプで水を汲み上げ、夜は通常の水力発電所のように働きます）-しかし、その建設も高価であり、常に可能ではありません（効率-最大90％）。



バッテリーは太陽光発電所よりも高価であるため、大規模な発電所では提供されず、発電された直後に配電網に電力を販売し、夜間および夜間は通常の発電所に依存しています。

規制されていない太陽光発電の適正価格はいくらですか？

たとえば、ドイツを太陽エネルギー開発のリーダーとして取り上げてください。 太陽光発電所で生成されたすべてのkWは、1日の最小消費量で生成されたものに関係なく、kWhあたり12.08-17.45ユーロセントで買い戻されます。 彼らがこれで達成するのは、ロシアのガスの節約です。 ガス発電所はまだ建設され、ホットリザーブにある必要があります（そして、その他のすべての費用は変わりません-給与、ローン、メンテナンス）。



経済的な観点からは、太陽光発電所がガス発電所が燃料を節約できるのとまったく同じ量を受け取った場合、それは公平でしょう。



ロシアのガスのコストが1,000 m ³あたり450ドルだとします。 この量から、39,000 GJ≈10.8* 0.4 GWh≈4.32 GWhの電力（発電効率40％）をそれぞれ生成でき、1 kWhの太陽光発電により、ロシアのガスを0.104ドル= 7.87ユーロセント節約できます。 これは、規制されていない太陽光発電の公正価値がまさにそうであることであり、ドイツは徐々にこの数字に向かっているようですが、現時点ではドイツの太陽エネルギーは50％助成されています。

まとめ

多結晶ソーラーパネルは、最も安いソーラー電力、約0.5ドル/ワットを提供し、他の方法ははるかに高価です。



太陽エネルギーの問題は、太陽電池の効率ではなく、EROEI（理論的には無限です）でも価格でもありません。しかし、生成されたエネルギーは夕方まで貯蔵するのに非常に高価です。 つまり 主な問題はバッテリーです。バッテリーは現在、ソーラーパネルよりも高価であると同時に、短寿命（3〜6年）です。



現時点では、バッテリーなしの大規模な太陽光発電は、日中の化石燃料のごく一部を節約する方法と見なすことができ、必要な古典的な発電所（ガス、石炭、原子力発電所、水力発電）の数を根本的に減らすことはできません-それらはまだ日中、そして完全に夕方のピーク消費に負荷をかけます。



将来、（残酷な）関税の助けを借りて、消費のピークを日ごとにシフトできる場合、太陽光発電所の建設がより理にかなっています（たとえば、日中のみアルミニウムと水素の電気分解を含めることが有益であるような関税の場合）。



「規制されていない」太陽光発電のコストは、従来の発電所の発電コストと比較することはできません- 必要なときではなく、成功したときに生成されます。 規制されていない太陽光発電の公正価値は、節約された化石燃料のコストと同じである必要があります-450ドルのガスの場合、太陽光発電の公正価格は1 kW * hあたり0.1ドルを超えません（したがって、ドイツでは、太陽光発電は〜50％補助されます）。



「正直な」太陽エネルギー（バッテリーを使用）は、今日、ネットワークに接続する方法がない遠隔地でのみ経済的に正当化することができます（たとえば、遠隔の孤独なセルラー基地局の場合）。



太陽エネルギーの最大の問題は、化石燃料が安価であり、太陽光発電が経済的に実行可能でないことです。



更新：さらなる研究のために、 太陽光発電と風力発電に関連したドイツのエネルギーの問題に関する記事をお勧めします。 開発の美しいグラフがあります。一般に、Already_Yetの他の記事を読むことをお勧めします。