Китай быстро расширяет производство солнечной энергии, надеясь к 2030 году удовлетворить 10 процентов потребности страны в электричестве за счет солнечной энергии. Но есть проблема: сильное загрязнение воздуха блокирует солнечный свет, что значительно снижает производство электроэнергии в Китае солнечной энергии, особенно в северной и восточной частях страны.
Эта проблема усугубляется зимой, когда, согласно исследованию Принстонского университета, загрязнение воздуха в этих регионах блокирует в среднем около 20 процентов солнечного света от солнечных батарей. Это делает влияние загрязнения воздуха в зимнее время на производство солнечной энергии столь же значительным, как и влияние облаков, которые долгое время считались основным препятствием для производства солнечной энергии.
Исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences, показывает, что в наиболее загрязненных районах северного и восточного Китая аэрозольное загрязнение снижает потенциал выработки солнечной электроэнергии на целых полтора киловатта. -час за квадратный метр в сутки, или до 35 процентов. Этого достаточно, чтобы включить пылесос в течение часа, постирать 12 фунтов белья или поработать за ноутбуком от пяти до десяти часов.
Сжигание ископаемого топлива увеличивает концентрацию аэрозолей в атмосфере. Другие исследователи признали, что эти аэрозоли, которые включают сульфаты, нитраты, частицы черного углерода и коричневые органические соединения, способствуют затемнению солнечного света на большей части Китая. Но никакие предыдущие исследования не подсчитывали, насколько аэрозоли в атмосфере снижают эффективность производства солнечной энергии в Китае.
«Развивающиеся страны с сильным загрязнением воздуха, которые быстро расширяют солнечную энергетику, такие как Китай и Индия, часто пренебрегают ролью аэрозолей в своем планировании, но это может быть важным фактором, который следует учитывать», - сказал Сяоюань (Чарльз) Ли, доктор философии. кандидат кафедры гражданского и экологического строительства Принстона и ведущий автор исследования.
Чтобы рассчитать, какая часть солнечного излучения достигает солнечных батарей на земле, ученые использовали так называемую модель солнечной фотоэлектрической производительности в сочетании со спутниковыми данными от инструментов НАСА, которые измеряют солнечную радиацию и анализируют компоненты аэрозоля и облака в атмосфере. Они провели девять отдельных анализов, охватывающих период с 2003 по 2014 год и охвативших весь Китай, чтобы сравнить влияние аэрозолей и облаков на выработку солнечной энергии с технологией, которая отслеживает движение солнца по небу, и без нее.
«Загрязнение твердыми частицами от электростанций, транспортных средств, сжигания биомассы и природных явлений, таких как пыльные бури», может быть серьезным препятствием для производства солнечной энергии, сказал Даниэль Каммен, заслуженный профессор энергетики 1935 года и директор Лаборатория возобновляемых и соответствующих источников энергии Калифорнийского университета в Беркли, который не участвовал в исследовании. В исследовании, по его словам, «используется строгое моделирование химии атмосферы» для количественной оценки того, как загрязнение влияет на количество солнечного излучения, достигающего земли, «что, по иронии судьбы, также может быть использовано для определения преимуществ чистой энергии» сокращения выбросов углерода.
Ли сказал, что результаты исследования должны еще больше побудить такие страны, как Китай и Индия, сократить выбросы аэрозолей, чтобы они уменьшили загрязнение и тем самым быстрее увеличили выработку солнечной электроэнергии в дополнение к уже известной пользе для здоровья. Существует также потенциал для благотворного цикла: расширение производства солнечной энергии может снизить зависимость от ископаемого топлива, тем самым сократив те самые выбросы, которые препятствуют производству солнечной энергии, сказал Ли. Это пошлет больше солнечной энергии в сеть, что, в свою очередь, должно еще больше снизить потребность в ископаемом топливе.
Выводы также могут помочь определить, где строить новые солнечные батареи. Аэрозольное загрязнение в Китае в значительной степени сосредоточено в промышленно развитых, урбанизированных регионах, в то время как в отдаленных, малонаселенных районах воздух намного чище. Если исследования смогут количественно определить, насколько загрязнение воздуха снижает выработку солнечной энергии, политики смогут сопоставить затраты на передачу электроэнергии из более чистых регионов в более грязные и преимущества производства большего количества энергии за счет строительства массивов, где больше солнечного света достигает земли.
«Сокращение солнечной генерации из-за облаков было в центре внимания в прошлом», - сказала Дениз Л. Мозералл, профессор экологической инженерии и международных отношений, которая является консультантом Ли и помогала в разработке исследования. «Но это один из первых случаев, когда загрязнение атмосферного воздуха принимается во внимание при определении способности солнечных фотоэлектрических элементов генерировать электричество».
Для своего следующего проекта исследователи расширяют свой анализ на другие регионы мира, включая Индию, которая страдает от такого же высокого уровня загрязнения воздуха, как и Китай. В дополнение к тому, как загрязнители воздуха в атмосфере снижают выработку электроэнергии, поглощая солнечный свет, они также исследуют, как загрязнители воздуха могут снижать выработку электроэнергии, загрязняя сами солнечные панели.