Солнечная энергетика 4

В

Содержание:

Введение 3

1. История развития солнечной энергетики 4

2. Классификация солнечных энергетических

установок и их особенности 7

3. Фототермические и

фотоэлектрические преобразователи света 9

4. Гелиоэлектростанции 15

4.1. Солнечные электростанции башенного

4.2. типа с центральным приемником 17

4.3. Солнечная башня в Австралии 18

4.4. Гелиоэнергетические расчеты 19

5. Концепция «солнечного» дома 21

5.1. «Солнечное» домостроение в России 23

5.2. Солнечные воздушные или водяные

отопительные системы зданий и сооружений 25

6. Будущее солнечной энергетики в

двигателях Стирлинга? 27

7. Ультракомпактные солнечные батареи 29

8. Новая технология заимствует принцип

у листьев лотоса 35

9. Перспективы развития солнечной энергетики 37

10. В кругосветку на солнечных парусах 42

11. Социально-экологические характеристики

солнечной энергетики 43

Заключение 46

Список литературы 48

Введение

Энергетика является той отраслью экономики, которая является индикатором уровня развития производства, науки и страны в целом. Человечество за всю историю своего существования израсходовало примерно 950 трлн кВт/ч энергии всех видов, причем 2/3 от этого приходится на последние 30 лет. Поэтому проблема освоения нетрадиционных и возобновляемых источников энергии становится все более актуальной. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии включают солнечную, ветровую, геотермальную энергию, биомассу и энергию Мирового океана. В последнее десятилетие интерес к этим источникам энергии постоянно возрастает, поскольку во многих отношениях они неограниченны.

Потенциальные возможности энергетики, основанной на применении непосредственно солнечного излучения, чрезвычайно велики. Использование всего 0,0005% энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а 0,5% - полностью покрыть потребности на перспективу.

Солнечная энергия - кинетическая энергия излучения (в основном света), образующаяся в результате реакций в недрах Солнца. Поскольку ее запасы практически неистощимы (Солнце будет «светить» ещё примерно 4 млрд лет), ее относят к возобновляемым энергоресурсам. В естественных экосистемах лишь небольшая часть солнечной энергии поглощается хлорофиллом, содержащимся в листьях растений, и используется для фотосинтеза, т. е. образования органического вещества из углекислого газа и воды. Таким образом, она улавливается и запасается в виде потенциальной энергии органических веществ. За счет их разложения удовлетворяются энергетические потребности всех остальных компонентов экосистем. Подсчитано, что небольшого процента солнечной энергии вполне достаточно для обеспечения нужд транспорта, промышленности и нашего быта не только сейчас, но и в обозримом будущем. Более того, независимо от того, будем мы ее использовать или нет, на энергетическом балансе Земли и состоянии биосферы это никак не отразится.

Солнце - источник энергии очень большой мощности. Всего 22 дня солнечного сияния по суммарной мощности, приходящей на Землю, равны всем запасам органического топлива на планете. На практике солнечная радиация может быть преобразована в электроэнергию непосредственно или косвенно. Косвенное преобразование может быть осуществлено путем концентрации радиации с помощью следящих зеркал для превращения воды в пар и последующего использования пара для генерирования электричества обычными способами. Такая система может работать только при прямом освещении солнечными лучами. Прямое преобразование солнечной энергии в электрическую может быть осуществлено с использованием фотоэлектрического эффекта. Элементы, изготовленные из специального полупроводникового материала, например силикона, при прямом солнечном облучении обнаруживают разность в вольтаже на поверхности, т.е. наличие электрического тока.

Солнечная энергия может быть использована для теплоснабжения (горячего водоснабжения, отопления), сушки различных продуктов и материалов, в сельском хозяйстве, в технологических процессах в промышленности.

1. История развития солнечной энергетики

Первые опыты использования солнечной энергии в технике относятся к 17 веку. В частности, в 1600 году во Франции был создан первый солнечный двигатель, работавший на нагретом воздухе и использовавшийся для перекачки воды. В конце 17 века ведущий французский химик А. Лаувазье создал первую солнечную печь, в которой достигалась температура в 1650 ˚Cи нагревались образцы исследуемых материалов в вакууме и защитной атмосфере, а также были изучены свойства углерода и платины. В 1866 г. француз А. Мушо построил в Алжире несколько крупных солнечных концентраторов и использовал их для дистилляции воды и приводов насосов. На всемирной выставке в Париже в 1878 г. Мушо продемонстрировал солнечную печь для приготовления пищи, в которой 0,5 кг мяса можно было сварить за 20 минут. В 1833 г. в США Дж. Эриксон построил солнечный воздушный двигатель с параболоцилиндрическим концентратором размером 4,8 на 3,3 м. Первый плоский коллектор солнечной энергии был построен французом Ш. А. Тельером. Он имел площадь 20 и использовался в тепловом двигателе, работавшем на аммиаке. В 1855 г. была предложена схема солнечной установки с плоским коллектором для подачи воды, причем он был смонтирован на крыше пристройки к дому.

В 1871 г. американским инженером Ч. Уилсоном в Чили была построена первая крупномасштабная установка для дистилляции воды. Она эксплутировалась в течение 30 лет, поставляя питьевую воду для рудника.

В 1890 г. профессор В. К. Церасский в Москве осуществил процесс плавления металлов солнечной энергией, сфокусированной параболоидным зеркалом, в фокусе которого температура превышала 3000 ˚C.

На башенных СЭС сегодня зеркала (гелиостаты) отражают солнечное излучение на теплоприемник, установленный на высокой башне. Этот принцип англичанин Уильям Адаме использовал для своей энергетической установки в Бомбее ещё в 1878 г. Прототип мощной гелиостанции с параболоцилиндрическими отражателями, подобной той, что используется сегодня в калифорнийской пустыне Мохаве и вырабатывает пар для турбин, также был разработан в конце 19 века. Впервые их начал широко применять американский предприниматель Фрэнк Шуман. Его установки на окраине Каира качали на поля воду Нила. К сожалению, эта действовашая солнечная силовая установка мощностью в 40 кВт была разрушена в первую мировую войну.

Солнечная энергия, как известно, может быть непосредственно превращена в электрическую с помощью фотопреобразователей двух типов – фотоэлектрических, реализующих фотовольватический эффект, и фотоэмиссионных, в которых облученные солнечным светом испускают (эмитируют) электроны, захватываемые проводниками, расположенными под поверхностью эмиттера. Практическое применение нашел лишь первый метод фотопреобразования вследствие его значительно более высокой энергетической эффективности. Решающим фактором для этого направления явилось создание кремниевых фотоэлементов с p-n переходом, имевших КПД около 6 %. Впервые кремниевые солнечные батареи для энергетических целей были применены не на Земле, а в околоземном космическом пространстве. В 1958 г. были запущены искусственные спутники Земли, оснащенные такими батареями, - советский «Спутник -3» и американский «Авангард – 1».

В начале 1960-х гг. были созданы и первые солнечные фотоэлементы с p-n переходом на основе арсенида галлия. Эти фотоэлементы уступали по эффективности кремниевым, но были способны работать даже при незначительном нагреве.

Первое практическое применение усовершенствованных солнечных батарей на основе арсенида галлия для энергетических целей было связано с обеспечением электроснабжения советских космических аппаратов, работающих в окрестностях планеты Венеры, а также самоходных аппаратов «Луноход-1» и «Луноход-2», исследовавших поверхность Луны (1970 и 1972 годы).

Новая страница в истории солнечной энергетики открылась с созданием солнечных элементов на основе гетероструктур AlGaAs-GaAs. Поскольку такие гетерофотоэлементы оказались к тому же и более радиационно-стойкими, они быстро нашли применение в космической технике, несмотря на значительно более высокую стоимость по сравнению с кремниевыми фотоэлементами (советская станция «Мир»).

Широкое развертывание индустрии по производству приборов полупроводниковой электроники обусловили исключительно важное значение кремниевых фотоэлементов в становлении нарождающейся солнечной энергетики. До середины 1980-х гг. совершенствование солнечных элементов на основе как кремния, так и арсенида галлия осуществлялось на базе относительно простых структур и простых технологий. А с середины 1980-х гг. были предложены структуры фотоэлементов, позволяющие снизить в них как оптические, так и рекомбинационные потери. В результате был достигнут резкий скачок в эффективности фотоэлектрического преобразования в кремниевых фотоэлементах. Позже появились различные типы механически состыкованных двухкаскадных солнечных элементов, более эффективные, чем фотоэлементы с одним p-n переходом. Сейчас в стадии практического использования находятся трехкаскадные фотоэлементы, но опыт их использования позволяет надеяться на достижение высоких значений КПД в структурах с четырьмя, пятью, а может быть и более каскадами.

С начала 1990-х гг. в практике создания солнечных концентрационных систем возникло новое направление, базирующееся на концепции малоразмерных модулей.

Идея, лежащая в основе работы СЭС башенного типа, была высказана более 350 лет назад, однако строительство СЭС этого типа началось только в 1965 г., а в 80-х годах был построен ряд мощных солнечных электростанций в США, Западной Европе, СССР и в других странах.

В 1985 г. в п. Щелкино Крымской области была введена в эксплуатацию первая в СССР солнечная электростанция СЭС-5 электрической мощностью 5 МВт; 1600 гелиостатов (плоских зеркал) площадью 25,5 м 2 каждый, имеющих коэффициент отражения 0,71, концентрируют солнечную энергию на центральный приемник в виде открытого цилиндра, установленного на башне высотой 89 м и служащего парогенератором.

В башенных СЭС используется центральный приемник с полем гелиостатов, обеспечивающим степень концентрации в несколько тысяч. Система слежения за Солнцем значительно сложна, так как требуется вращение вокруг двух осей. Управление системой осуществляется с помощью ЭВМ. В качестве рабочего тела в тепловом двигателе обычно используется водяной пар с температурой до 550 ˚С, воздух и другие газы - до 1000 ˚С, низкокипящие органические жидкости (в том числе фреоны) - до 100 ˚С, жидкометаллические теплоносители - до 800 ˚С.

Первые попытки использования солнечной энергии на коммерческой основе относятся к 80-м годам ХХ столетия. В Калифорнии в 1994г. введено еще 480 МВт электрической мощности, причем стоимость 1 кВт/ч энергии - 7-8 центов.

Предложен метод использования солнечной энергии без использования системы аккумуляторов, основанный на преобразовании разницы температур на поверхности и в глубине океана в электрическую энергию.

Разработаны многообещающие элементы из тонкопленочных (1-2 мкм) полупроводниковых материалов: хотя их КПД низок (не выше 16% даже в лабораторных условиях), стоимость очень мала (не более 10% стоимости современных солнечных батарей).

Американские эксперты считают многообещающей солнечную термоэнергию, для производства которой используются солнечные рефлекторы, собирающие и концентрирующие тепло и свет, при посредстве которых нагревается вода. Например, в России, на Ковровском механическом заводе (г. Жуковск), выпускают солнечные тепловые коллекторы для подогрева воды производительностью до 100 тыс. м3 в год.

2. Классификация солнечных энергетических установок и их особенности

Солнечная энергия универсальна с точки зрения возможностей её использования человеком для своих нужд. Солнечное излучение может быть относительно легко преобразовано в тепловую, механическую и электрическую энергии, а также его используют в химических и биологических процессах. Технологические процессы преобразования и использования солнечного излучения по своей сложности могут быть очень разными. Солнечные энергетические установки очень сильно отличаются друг от друга своими габаритами: от микроминиатюрных источников питания микрокалькуляторов до огромных технических конструкций в башенных СЭС высотой 100 м и весом в сотни тонн.

Существует множество различных технологических схем преобразования солнечного излучения в электрическую энергию на основе широко известных в технике тепловых циклов (Ренкина или Карно), теплоэлектрических и термоэмиссионных процессов.

В связи с выше сказанным первоочередное значение приобретает задача четкой классификации СЭУ, проводимая в целях облегчения поиска путей дальнейшего повышения их эффективности.

СЭУ классифицируют:

1. По виду использования и преобразования солнечного излучения в другие виды энергии.

Солнечное излучение преобразуется в другие виды энергии, используется в химических и биологических процессах. При использовании СЭУ в электроэнергетике и теплоэнергетике их можно разделит на три категории, определяемые видом их применения для определенных потребителей энергии:

· предназначенные для работы в большой ОЭС или просто ЭЭС;

· работающие на локальную сеть;

· предназначенные для энергообеспечения автономного потребителя с разной категорией по надежности энергоснабжения.

В зависимости от этого существенно меняются требования к информационному обеспечению гелиоэнергетических расчетов самой системы энергоснабжения, включающей в себя СЭУ или СЭС. В зависимости от категории использования СЭУ могут появиться требования об обязательном их сочетании с системой аккумуляции энергии любого эффективного вида или с другими видами энергоустановок на базе возобновляемых источников энергии. Например, это касается работы СЭУ на автономного потребителя, в том числе и повышенной категории надежности, что потребует наличия не только суточного, но и более длительного цикла аккумуляции энергии. В системных больших солнечных энергетических станциях подобные требования обычно отсутствуют, если при этом не появляется необходимость поддержания в рабочем состоянии всего вспомогательного хозяйства СЭУ или в периоды отсутствия солнечного излучения и связи с энергосистемой. Здесь помимо обычных систем аккумуляции энергии могут быть использованы и традиционные энергоустановки на органическом топливе.

2. По месту размещения на Земле.

СЭУ по месту размещения подразделяются на наземные и космические. Системы защиты СЭУ у них будут принципиально разными: в космосе – защита приемной площадки от жесткого космического излучения, разрушающего сами приемные площадки; на Земле – охлаждение СЭУ, от пыли. Учет цикличности, а также заметного случайного характера процесса солнечного излучения на поверхности Земли, может потребовать обязательного сочетания СЭУ с системой аккумуляции энергии в зависимости от категории использования СЭУ.

3. По стационарности.

В данном случае стационарные энергетические установки бывают переносные, передвижные и стационарные, отличающиеся массогабаритными характеристиками и сложностью конструктивного исполнения. Также существенно отличаются друг от друга по надежностным характеристикам.

4. По виду ориентации на Солнце.

С постоянной (неизменной) ориентацией на поверхности Земли и системой слежения за Солнцем, применяемой для максимизации солнечного излучения на приемную площадку. К постоянно ориентированным на Солнце СЭУ относятся энергоустановки бытового назначения, размещенные на крышах строений, на Земле с ориентацией на юг под постоянным углом к горизонту и на специальных конструкциях-каркасах для размещения СЭУ.

5. По технической сложности СЭУ.

СЭУ можно разделить на простейшие и сложные как по техническому циклу, так и по исполнению. К простым относят: нагреватели, подогреватели воздуха, сушилки продуктов с/х, отопительные системы, опреснители воды и т. д.

3. Фототермические и фотоэлектрические преобразователи света

Существуют два основных способа преобразования солнечной энергии: фототермический и фотоэлектрический. В первом, простейшем, теплоноситель (чаще всего вода) нагревается в коллекторе (системе светопоглощающих труб) до высокой температуры и используется для отопления помещений. Коллектор устанавливают на крыше здания так, чтобы его освещенность в течение дня была наибольшей. Часть тепловой энергии аккумулируется: краткосрочно (на несколько дней) - тепловыми аккумуляторами, долгосрочно (на зимний период) - химическими. Солнечный коллектор простой конструкции площадью 1 за день может нагреть 50-70 л воды до температуры 80-90хС. Работающие по такому принципу типовые гелиоустановки снабжают горячей водой многие дома в южных районах.

И все же будущее солнечной энергетики - за прямым преобразованием солнечного излучения в электрический ток с помощью полупроводниковых фотоэлементов - солнечных батарей. Еще в 30-х годах прошлого века, когда кпд первых фотоэлементов едва доходил до 1%, об этом говорил основатель Физико-технического института (ФТИ) академик А. Ф. Иоффе. Предвидение ученого воплотилось в жизнь в конце 1950-х годов с запуском искусственных спутников Земли, главным энергетическим источником которых стали панели солнечных батарей.

В фотоэлектрических преобразователях солнечной энергии используется кремний с добавками других элементов, образующих структуру с р-n-переходом. Схема работы полупроводникового кремниевого фотоэлемента достаточно проста: в р-слое полупроводника создается "дырочная" (положительная) проводимость, а в n-слое - электронная (отрицательная). На границе слоев возникает потенциальный барьер, препятствующий перемещению носителей (электронов и "дырок") из одного слоя в другой (в таком стационарном состоянии ток не течет по всему полупроводнику). Когда же на фотоэлемент падает свет (поток фотонов), фотоны, поглощаясь, создают пары электрон-"дырка", которые, подходя к границе слоев, понижают потенциальный барьер, давая возможность носителям беспрепятственно проходить из слоя в слой. В полупроводнике возникает наведенная электродвижущая сила (ЭДС), и он становится источником электрического тока. Величина фото-ЭДС будет тем больше, чем интенсивнее световой поток.

Рис.1. Зонная модель разомкнутого p-n-перехода: а) - в начальный момент освещения; б) - изменение зонной модели под действием постоянного освещения и возникновение фотоЭДС

Величина установившейся фотоЭДС при освещении перехода излучением постоянной интенсивности описывается уравнением вольт-амперной характеристики (ВАХ) (рис. 2):

Рис.2. Вольт-амперная характеристика солнечного элемента

На рис. 3 представлена схема эквивалентного солнечного элемента. Параллельно источнику тока включен p-n-переход, ток через который равен Is(–1). P-n-переход шунтирует нагрузку, и при увеличении напряжения ток через него быстро возрастает. В нагрузку (сопротивление R) отбирается ток I.

Уравнение ВАХ справедливо и при освещении фотоэлемента светом произвольного спектрального состава, изменяется лишь значение фототока Iph. Максимальная мощность отбирается в том случае, когда фотоэлемент находится в режиме, отмеченном точкой а (см. рис. 2).

Рис.3. Эквивалентная схема солнечного элемента

Максимальная мощность, снимаемая с 1, равна

P = Iph·U = x·Iкз·Uхх, (1)

где x – коэффициент формы или коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики, Iкз – ток короткого замыкания, Uхх – напряжение холостого хода.

Эффективность современных кремниевых (а также на основе арсенида галлия) фотоэлементов достаточно высока (их кпд достигает 10-20%), а чем выше кпд, тем меньше требуемая площадь солнечных батарей, которая даже в малой энергетике составляет десятки квадратных метров. Большим достижением полупроводниковой промышленности стала разработка кремниевых фотоэлементов, обладающих кпд до 40%. Последнее важное направление в развитии солнечной энергетики - создание более дешевых и удобных фотопреобразователей: ленточных поликристаллических кремниевых панелей, тонких пленок аморфного кремния, а также других полупроводниковых материалов. Самым высокоэффективным из них оказался алюминий-галлий-мышьяк, его промышленная разработка только начинается. Большую перспективу открывают гетероструктурные полупроводники, эффективность которых в два раза выше, чем простых кремниевых образцов. За открытие гетероструктур и их внедрение продолжатель работ А. Ф. Иоффе директор ФТИ академик Ж. И. Алферов получил в 2000 году Нобелевскую премию (см. "Наука и жизнь" № 4, 2001 г.). ФЭП (фотоэлектрические преобразователи) на основе соединения мышьяка с галлием (GaAs), как известно, имеют более высокий, чем кремниевые ФЭП, теоретический КПД, так как ширина запрещённой зоны у них практически совпадает с оптимальной шириной запрещённой зоны для полупроводниковых преобразователей солнечной энергии =1,4 эВ. У кремниевых этот показатель =1,1 эВ. Вследствие более высокого уровня поглощения солнечного излучения, определяемого прямыми оптическими переходами в GaAs, высокие КПД ФЭП на их основе могут быть получены при значительно меньшей по сравнению с кремнием толщине ФЭП. Принципиально достаточно иметь толщину ГФП 5-6 мкм для получения КПД порядка 20 %, тогда как толщина кремниевых элементов не может быть менее 50 - 100 мкм без заметного снижения их КПД. Это обстоятельство позволяет рассчитывать на создание лёгких плёночных ГФП, для производства которых потребуется сравнительно мало исходного материала, особенно если в качестве подложки удастся использовать не GaAs, а другой материал, например синтетический сапфир (Al2
O3
).

ГФП обладают также более благоприятными с точки зрения требований к преобразователям СЭС эксплутационными характеристиками по сравнению с кремниевыми ФЭП. Так, в частности, возможность достижения малых начальных значений обратных токов насыщения в p-n-переходах благодаря большой ширине запрещённой зоны позволяет свести к минимуму величину отрицательных температурных градиентов КПД и оптимальной мощности ГФП и, кроме того, существенно расширять область линейной зависимости последней от плотности светового потока. Экспериментальные зависимости КПД ГФП от температуры говорят о том, что повышение равновесной температуры последних до 150-180 °С не приводит к существенному снижению их КПД и оптимальной удельной мощности. В то же время для кремниевых ФЭП повышение температуры выше 60-70 °С является почти критическим - КПД падает вдвое.

Благодаря устойчивости к высоким температурам арсенид-галлиевые ФЭП позволяют применять к ним концентраторы солнечного излучения. Рабочая температура ГФП на GaAs доходит до 180 °С, что уже является вполне рабочими температурами и для тепловых двигателей, паротурбин. Таким образом, к 30-процентному собственному КПД арсенид-галлиевых ГФП (при 150°C) можно прибавить КПД теплового двигателя, использующего сбросовое тепло охлаждающей фотоэлементы жидкости. Поэтому общий КПД установки, которая к тому же использует и третий цикл отбора низкотемпературного тепла у охлаждающей жидкости после турбины на обогрев помещений - может быть даже выше 50-60 %.

Также ГФП на основе GaAs в значительно меньшей степени, чем кремниевые ФЭП, подвержены разрушению потоками протонов и электронов высоких энергий вследствие высокого уровня поглощения света в GaAs, а также малых требуемых значений времени жизни и диффузионной длины неосновных носителей. Более того, эксперименты показали, что значительная часть радиационных дефектов в ГФП на основе GaAs исчезает после их термообработки (отжига) при температуре как раз порядка 150-180 °С. Если ГФП из GaAs будут постоянно работать при температуре порядка 150 °С, то степень радиационной деградации их КПД будет относительно небольшой на протяжении всего срока активного функционирования станций (особенно это касается космических солнечных энергоустановок, для которых важен малые вес и размер ФЭП и высокий КПД).

В целом можно заключить, что энергетические, массовые и эксплутационные характеристики ГФП на основе GaAs в большей степени соответствуют требованиям СЭС и СКЭС (космич.), чем характеристики кремниевых ФЭП. Однако кремний является значительно более доступным и освоенным в производстве материалом, чем арсенид галлия. Кремний широко распространён в природе, и запасы исходного сырья для создания ФЭП на его основе практически неограниченны. Технология изготовления кремниевых ФЭП хорошо отработана и непрерывно совершенствуется. Существует реальная перспектива снижения стоимости кремниевых ФЭП на один - два порядка при внедрении новых автоматизированных методов производства, позволяющих в частности, получать кремниевые ленты , солнечные элементы большой площади и т.п.

Среднее значение КПД в солнечных батареях на монокристаллическом кремнии сегодня около 12%, хотя достигает и 18%. Именно, в основном, кремниевые солнечные батареи можно видеть сегодня на крышах домов разных стран мира.

В отличие от кремния галлий является весьма дефицитным материалом, что ограничивает возможности производства ГФП на основе GaAs в количествах, необходимых для широкого внедрения. Галлий добывается в основном из бокситов, однако рассматривается также возможность его получения из угольной золы и морской воды. Самые большие запасы галлия содержатся в морской воде, однако его концентрация там весьма невелика, выход при извлечении оценивается величиной всего в 1% и, следовательно, затраты на производство будут, вероятно, чрезмерно большими. Технология производства ГФП на основе GaAs с использованием методов жидкостной и газовой эпитаксии (ориентированного роста одного монокристалла на поверхности другого, не развита ещё до такой степени, как технология производства кремниевых ФЭП и в результате этого стоимость ГФП сейчас существенно выше (на порядки) стоимости ФЭП из кремния.

В космических аппаратах, где основным источником тока являются солнечные батареи и где очень важны понятные соотношения массы, размера и КПД, главным материалом для солн. батарей, конечно, является арсенид галлия. Очень важна для космических СЭС способность этого соединения в ФЭП не терять КПД при нагревании концентрированным в 3-5 раз солнечным излучением, что соответственно, снижает потребности в дефицитном галлии. Дополнительный резерв экономии галлия связан с использованием в качестве подложки ГФП не GaAs, а синтетического сапфира (Al2
O3
).Стоимость ГФП при их массовом производстве на базе усовершенствованной технологии будет, вероятно, также значительно снижена, и в целом стоимость системы преобразования системы преобразования энергии СЭС на основе ГФП из GaAs может оказаться вполне соизмеримой со стоимостью системы на основе кремния.

Термофотовольтаическое производство электроэнергии, т.е. преобразование длинноволнового (теплового) излучения посредством фотовольтаических ячеек было открыто в 1960 году и вызывает все больший интерес, особенно в связи с современными достижениями в области создания узкозонных полупроводников. В термофотовольтаической ячейке (рис.) тепло преобразуется в электроэнергию посредством селективных эмиттеров из оксидов редкоземельных элементов – эрбия и иттербия. Эти вещества поглощают инфракрасное излучение и вновь излучают его в узком энергетическом диапазоне. Излучение может быть эффективно преобразовано с помощью фотовольтаической ячейки с соответствующей шириной запрещенной зоны. В качестве материала для фотоэлектрической ячейки более всего подходит InxGa1-xAs, поскольку он позволяет добиться необходимой ширины запрещенной зоны.

Рис. 4. Схема термофотоэлектрического солнечного элемента

Таким образом, признанные во всем мире отечественные полупроводники - это та база, на основе которой можно успешно развивать солнечную энергетику.

4. Гелиоэлектростанции

В настоящее время строятся солнечные электростанции в основном двух типов:СЭС башенного типа и СЭС распределенного (модульного) типа.

Главным недостатком башенных СЭС являются их высокая стоимость и большая занимаемая площадь. Так, для размещения СЭС мощностью 100 МВт требуется площадь в 200 га, а для АЭС мощностью 1000 МВт - всего 50 га. Башенные СЭС мощностью до 10 МВт нерентабельны, их оптимальная мощность равна 100 МВт , а высота башни 250 м.

В СЭС распределительного (модульного) типа используется большое число модулей, каждый из которых включает параболо-цилиндрический концентратор солнечного излучения и приемник, расположенный в фокусе концентратора и используемый для нагрева рабочей жидкости, подаваемой в тепловой двигатель, который соединен с электрогенератором. Самая крупная СЭС этого типа построена в США и имеет мощность 12,5 МВт.

При небольшой мощности СЭС модульного типа более экономичны, чем башенные. В СЭС модульного типа обычно используются линейные концентраторы солнечной энергии с максимальной степенью концентрации около 100.

В соответствии с прогнозом в будущем СЭС займут площадь 13 млн. км2
на суше и 18 млн. км2
в океане.

СЭС на базе солнечных прудов значительно дешевле СЭС других типов, так как они не требуют зеркальных отражателей со сложной системой ориентации, однако их можно сооружать только в районах с жарким климатом.

В солнечном пруду происходит одновременное улавливание и накапливание солнечной энергии в большом объеме жидкости. Обнаружено, что в некоторых естественных соленых озерах температура воды у дна может достигать 70 о
С. Это обусловлено высокой концентрацией соли. В обычном водоеме поглощаемая солнечная энергия нагревает в основном поверхностный слой и эта теплота довольно быстро теряется,

Рис. 5. Схема солнечного пруда

особенно в ночные часы и при холодной ненастной погоде из-за испарения воды и теплообмена с окружающим воздухом. Солнечная энергия, проникающая через всю массу жидкости в солнечном пруду, поглощается окрашенным в темный цвет дном и нагревает прилегающие слои жидкости, в результате чего температура ее может достигать 90-100 о
С, в то время как температура поверхностного слоя остается на уровне 20 о
С. Благодаря высокой теплоемкости воды в солнечном пруду за летний сезон накапливается большое количество теплоты, и вследствие низких тепловых потерь падение температуры в нижнем слое в холодный период года происходит медленно, так что солнечный пруд служит сезонным аккумулятором энергии. Теплота к потребителю отводится из нижней зоны пруда

Обычно глубина пруда составляет 1 - 3 м. На 1 м 2
площади пруда требуется 500-1000 кг поваренной соли, ее можно заменить хлоридом магния.

Наиболее крупный из существующих солнечных прудов находится в местечке Бейт-Ха-Арава в Израиле. Его площадь составляет 250 000 м 2
. Он используется для производства электроэнергии. Электрическая мощность энергетической установки, работающей по циклу Ренкина, равна 5 МВт. Себестоимость 1 кВт·чэлектроэнергии значительно ниже, чем на СЭС других типов.

Описанный эффект достигается благодаря тому, что по глубине солнечного пруда поддерживается градиент поваренной соли, направленный сверху вниз, т.е. весь объем жидкости как бы разделен на три зоны, концентрация соли по глубине постепенно увеличивается и достигает максимального значения на нижнем уровне. Толщина этого слоя составляет 2/3 общей глубины водоема. В нижнем конвективном слое концентрация соли максимальна и равномерно распределена в объеме жидкости. Итак, плотность жидкости максимальна у дна пруда и минимальна у его поверхности в соответствии с распределением концентрации соли. Солнечный пруд служит одновременно коллектором и аккумулятором теплоты и отличается низкой стоимостью по сравнению с обычными коллекторами солнечной энергии. Отвод теплоты из солнечного пруда может осуществляться либо посредством змеевика, размещенного в нижнем слое жидкости, либо путем отвода жидкости из этого слоя в теплообменник, в котором циркулирует теплоноситель. При первом способе меньше нарушается температурное расслоение жидкости в пруду, но второй способ теплотехнически более эффективен и экономичен.

Солнечные пруды могут быть использованы в гелиосистемах отопления и горячего водоснабжения жилых и общественных зданий, для получения технологической теплоты, в системах конденсирования воздуха абсорбционного типа, для производства электроэнергии.

4.1. Солнечные электростанции башенного типа с центральным приемником

В этих системах употребляется крутящееся поле отражателей-гелиостатов. Они фокусируют солнечный свет на центральный приемник, сооруженный на верху башни, который поглощает термическую энергию и приводит в действие турбогенератор. Управляемая компьютером двуосная система слежения устанавливает гелиостаты так, чтоб отраженные солнечные лучи были недвижны и постоянно падали на приемник. Циркулирующая в приемнике жидкость переносит тепло к термическому аккумулятору в виде пара. Пар вращает турбину для выработки электроэнергии, или конкретно употребляется в промышленных действиях. Температуры на приемнике добиваются от 538 до 1482 C.

1-ая башенная электростанция под заглавием “Solar One” близ Барстоу (Южная Калифорни)с успехом показала применение данной технологии для производства электроэнергии. Предприятие работало в 1980-х. На нем использовалась водно-паровая система мощностью 10 МВтэ. В 1992 г. консорциум энергетических компаний США принял решение модернизировать “Solar One” для демонстрации приемника на расплавленных солях и теплоаккумулирующей системы. Благодаря аккумулированию тепла башенные электростанции стали неповторимой гелиотехнологией, позволяющей диспетчеризацию электроэнергии при коэффициенте перегрузки до 65%. В таковой системе расплавленная соль закачивается из “холодного” бака при температуре 288 C и проходит через приемник, где греется до 565 C, а потом возвращается в “горячий” бак. Сейчас жаркую соль по мере надобности можно применять для выработки электроэнергии. В современных моделях таковых установок тепло хранится в протяжении 3 – 13 часов.

“Solar Two” – башенная электростанция мощностью 10 МВт в Калифорнии – это макет больших промышленных электростанций. Она заработала в апреле 1996 г., что явилось началом 3-летнего периода испытаний, оценки и опытнейшей выработки электроэнергии для демонстрации технологии расплавленных солей. Солнечное тепло сохраняется в расплавленной соли при температуре 550 C, по этому станция может производить электричество деньком и ночкой, в всякую погоду. Успешное окончание проекта “Solar Two” обязано содействовать строительству таковых башен на промышленной базе в границах мощности от 30 до 200 МВт.

4.2. Солнечная башня в Австралии

Форпост альтернативной энергии появится в пустыне на юге Австралии, где фирма EnviroMission в конце этого года намерена построить электростанцию Solar Tower (”Солнечная башня”) - железобетонную трубу высотой около километра. Внутри трубы установят турбины, вращать которые будет поток горячего воздуха, поступающий из огромного “парника” диаметром 7 км. Принцип тот же, что в вытяжной трубе: легкий горячий воздух стремится вверх. “Это не праздные фантазии, - говорит конструктор Роджер Давей. - Мы около десяти лет проводили эксперименты с прототипом нашей электростанции в Испании”.

Согласно предварительным расчетам, общая производительность башни составит порядка 200 мВт/час, т.е. она сможет снабжать электроэнергией небольшой город на полторы-две тысячи домов. Но главное преимущество башни состоит в том, что с ее помощью удастся сократить выбросы двуокиси углерода на 830 000 т/год.

Рис. 6. Проект солнечной башни

“Солнечная башня” будет высотой с километр - вдвое выше одного из самых высоких зданий в мире - отеля “Петронас Тауэр” в Куала-Лумпуре (452 м). При хорошей погоде электростанцию можно будет увидеть с расстояния около 150 км.

“Солнечная башня”, на строительство которой требуется минимум $500 млн, окупит себя уже через десять лет эксплуатации. Правда, львиную долю доходов планируется извлекать из карманов туристов - специально для них на башне сделают лифты и смотровые площадки.

4.3. Гелиоэнергетические расчеты

Гелиоэнергетические расчеты (ГЭР) обычно проводятся для обоснования параметров и режимов работы СЭС разного типа в разных условиях или вариантах их функционирования. В ГЭР используется так называемая базовая информация по ресурсам солнечной энергетики для двух основных случаев:

1. единичная небольшая по мощности СЭУ, расположенная в заданной условной точке A земной поверхности с координатами (φ, ψ);

2. СЭС, расположенная на некоторой территории S ( или ) с заданными координатами по широте (, ).

Мировой опыт использования солнечного излучения в энергетических целях позволяет выделить три основные варианта функционирования СЭУ:

1. Работа СЭУ в составе большой объединённой энергетической системы (ОЭС);

Для рассматриваемого варианта характерно условие

‹‹, (2)

где - установленная мощность i-й СЭУ, - максимум нагрузки ОЭС.

2. Работа СЭУ в локальной энергосистеме относительно небольшой мощности;

В этом случае мощность солнечных энергетических установок сопоставима с мощностью всех дизельных электроустановок в локальной энергосистеме, т. е.

=(), где 0≤≤1. (3)

Надежную и бесперебойную работу всей системы энергоснабжения локальной энергосистемы здесь обеспечивают дизельные энергоустановки, чья общая установленная мощность должна гарантировать обеспечение покрытия графика нагрузки ЛЭС в целом, т. е.

›. (4)

Солнечные энергетические установки, рассматриваемые во втором варианте, работают также, как и в первом – по критерию максимального вытеснения невозобновляемого ископаемого органического топлива при нулевой гарантированной мощности без использования специальных аккумуляторов избыточной в некоторые периоды времени выработки СЭУ. Однако, учитывая четкий закономерный цикл прихода солнечного излучения в течение суток, уже возможно использование аккумуляторов избыточной энергии СЭУ. Это означает, что в данном случае в качестве расчетных интервалов времени следует использовать суточные интервалы без учета аккумуляции энергии и даже часовые – с учетом аккумуляторов энергии.

3. Работа СЭУ на малого автономного потребителя.

В данном случае особое значение приобретает учет категорий типов потребителей по показателям надежности энергоснабжения. Здесь мощность СЭУ сопоставима с :

≈. (5)

Такой вариант предусматривает СЭУ, имеющие нулевую гарантированную мощность, и которые обязательно должны сочетаться с аккумуляторами энергии разного цикла аккумуляции в зависимости от конкретного типа потребителя. СЭУ здесь обеспечивают как надежную работу всей системы энергоснабжения автономного потребителя, так и экономию невозобновляемого органического топлива. В качестве расчетных интервалов времени следует использовать часовые интервалы, а для очень ответственных потребителей и текущие значения прихода солнечного излучения во времени.

5. Концепция «солнечного» дома

За последние 15-20 лет "солнечные" дома стали расти как грибы после дождя. В самом простом и наиболее распространенном варианте большая часть энергетических потребностей такого дома обеспечивается солнечным светом и теплом, за счет чего затраты других энергоносителей снижаются на 40-60% (в зависимости от конструкции здания и его местоположения). А "солнечный" дом, оснащенный эффективной тепловой установкой, может полностью удовлетворить запросы его обитателей в тепле и свете даже без использования других источников энергии. И при этом - никаких отключений и перебоев в подаче электроэнергии, никаких проводов извне, никаких счетчиков, никаких запасов дров, угля или мазута.

Главное в концепции "солнечного" жилого дома - максимальное, исходя из особенностей местности и климата, использование солнечного излучения, превращение его в тепло и сохранение тепловой энергии в доме с наименьшими потерями. Реализация такого подхода дает значительную экономию средств и улучшает экологическую обстановку (за счет минимального применения всех других источников энергии): в атмосферу выбрасывается меньше продуктов горения, дороги освобождаются от тяжелого транспорта, перевозящего миллионы тонн топлива, леса сохраняются от вырубки на дрова и т. д.

Рис. 7. Проект «солнечного» дома

Существуют пассивная и активная системы энергосбережения "солнечного" дома. Первая из них предусматривает использование некоторых архитектурно-строительных приемов на стадии проектирования: ориентация дома по оси юг-север; отсутствие затенения южной стены; наличие северной пологой стены с минимальным количеством окон, наличие остекленной южной стены (окна с двойными или тройными рамами и воздушной прослойкой толщиной 10 мм между стеклами, способствующей термоизоляции. С этой же целью между стеклами можно установить жалюзи, которые будут закрываться вручную или управляться термостатом по разности внутренней и наружной температур); усиленная термоизоляция наружных стен; обустройство тепловых тамбуров на входе; наличие за остекленной южной стеной массивной стены, служащей аккумулятором дневного тепла (стена Тромба); организация в подвальном помещении воздушного теплообменника (в виде ящика с гравием или емкости с водой), аккумулирующего до 80% тепла из выходящего наружу "отработанного" воздуха; использование теплиц и помещений с верхним дневным светом (атриумов), играющих роль тепловых аккумуляторов.

Перечисленные технические приемы лишь незначительно (на 5-10%) увеличивают стоимость строительства, но при этом более чем вдвое снижают затраты на отопление жилья.

Активная система энергосбережения "солнечного" дома - это тепловые солнечные коллекторы, панели фотоэлектрических элементов (солнечные батареи), регулировочная автоматика, компьютер, управляющий тепловым и световым режимами, и другая высокоэффективная техника для максимального усвоения солнечной энергии.

Реализованных проектов "солнечных" домов, частично или полностью обеспечивающих себя солнечной энергией, в мире довольно много. Их строят не только в теплых краях (Египет, Израиль, Турция, Япония, Индия, США) и в странах с умеренным климатом (Франция, Англия, Германия), но и во многих северных регионах (Швеция, Финляндия, Канада, Аляска). Ежегодно в западных странах вводятся сотни тысяч квадратных метров жилья в энергосберегающих "солнечных" домах. Специализированные предприятия выпускают для них оборудование и материалы, а строительством занимаются крупные фирмы, такие, например, как Concept Construction (Канада) или Enercon Building Corporation (США).

Во многих передовых странах развитие "солнечного" домостроения стало одним из направлений государственной политики. Вопросами энергосберегающего строительства занимаются ЮНЕСКО, Европейская комиссия ООН, Департамент энергии США. Создана и успешно действует всемирная организация по развитию и распространению энергетических технологий ОРЕТ. Международное общество по солнечной энергии ISES, образованное еще в 1954 году, издает журнал "Solar Energy" по вопросам усвоения и рационального использования солнечной радиации.

Особенно широко внедряются "солнечные" дома в Германии. Согласно прогнозу группы немецких ученых, уже в 2005 году начнется массовое строительство домов с тепловыми коллекторами и фотоэлектрическими панелями на крышах и фасадах зданий. (По тому же прогнозу, к 2015 году число электромобилей в мире превысит число машин на бензине.) По-видимому, мы стоим на пороге бурного развития солнечной энергетики.

5.1. «Солнечное» домостроение в России

К сожалению, Россия в вопросе развития "солнечного" домостроения продолжает отставать от индустриального мира, хотя ее климатические условия позволяют строить "солнечные" здания во многих регионах. Еще 20 лет назад в Московском архитектурном институте был создан первый отечественный эскизный проект загородного "солнечного" дома, который так и не был реализован. Впрочем, у нас долго и трудно пробивали себе дорогу многие революционные технические достижения (электроника, компьютеры, средства коммуникации).

Сегодня, правда, фронт работ по строительству "солнечных" зданий расширился. Этому способствует деятельность созданного в 1994 году в Москве "Интерсолцентра", вскоре ставшего ассоциированным членом ОРЕТ. В разрабатываемых проектах используются исключительно элементы пассивной системы энергосбережения: две стены Тромба, гравийные накопители тепла в полуподвальном помещении, массивные полы, перекрытия и стены. Хорошим аккумулятором тепла служат сад и теплица, расположенные на втором этаже.. Кроме этого у нас разработан проект СЭС мощностью 1,5 МВт для детского санатория в Кисловодске, а в Калмыкии уже ведется строительство подобной станции. Успешно работают над "солнечной" программой НПО "Астрофизика" и АО "Ставропольэнерго", создавшие автономные гелиоэнергетические установки и блочные модульные электростанции с параболическими концентраторами и зеркалами, оснащенными системами слежения за Солнцем. Наконец-то появился план "солнечной" деревни в Краснодарском крае. Фирма "Солнечный ветер" (г. Краснодар) и завод "Красное знамя" (г. Рязань) готовы поставить для нее солнечные модули и фотоэлементы. И все же по сравнению с тем, что делается в области солнечной энергетики в западных странах, - это капля в море. А ведь наша промышленность и проектные институты давно готовы внести свою лепту в мировую копилку разработок по "солнечному" домостроению. Это и тепловые коллекторы, и высокоэффективные фотоэлементы, и изделия из специально обработанной влаго- и огнестойкой древесины.

Возможно, российские "солнечные" дома, особенно в сельской местности, будут больше тяготеть к деревянным конструкциям, чем на Западе, где дерево в большом дефиците. Но основная концепция энергосберегающего дома, по-видимому, должна быть единой - в Европе ли, в Америке или на необъятных просторах России. Нужна технологическая совместимость элементов "солнечного" дома, изготовляемых у нас и в других странах. Мы должны интегрироваться в зарубежное производство, иначе безнадежно отстанем и будем вынуждены покупать "солнечные" дома за границей, где уже сейчас 1 гелиоколлекторов, поставляемых западными фирмами, стоит в среднем 400 долларов.

Наша страна не богата теплом. Ее не защищают от холодных арктических ветров высокие горы, не обогревают теплые океанские течения. Но у России огромная и богатая природными ресурсами территория. Солнце, хотя и не так щедро, как другим странам, дарит ей свет и тепло. Надо только научиться по-хозяйски использовать этот экологически чистый и неиссякаемый источник энергии.

5.2. Солнечные воздушные или водяные отопительные системы зданий и сооружений

Различают два основных типа солнечных воздушных или водяных отопительных систем (СВОС) зданий и сооружений: пассивные и активные. В пассивных СВОС теплота от солнечного излучения аккумулируется самими конструкциями зданий и сооружений, а движение воздуха как теплоносителя осуществляется в результате его конвекций без применения принудительной вентиляции воздуха. В активных же СВОС помимо усложнения самой конструкции появляются насосы или вентиляторы для принудительной подачи теплоносителя – воздуха во внутренние помещения и систему авто

матического контроля и управления всей СВОС. Для наилучшего использования преимуществ двух основных СВОС возможна и реализация энергетического комплекса, включающего в себя элементы общих систем.

Подобная СВОС может работать только в специально спроектированных зданиях и сооружениях, имеющих минимум тепловых потерь, а также использующих высокоэкономичные бытовые энергопотребляющие приборы. В противном случае эффективность подобных СВОС будет невелика. Указанное деление СВОС на пассивные и активные весьма условно, так как и в пассивных СВОС могут применяться вентиляторы для принудительной циркуляции воздуха. Эти термины (пассивные и активные) более характеризуют то, что энергия солнечного излучения в пассивных СВОС аккумулируется непосредственно в тепловых помещениях, а в активных энергия солнечного излучения преобразуется в тепло вне отапливаемых помещений в солнечных коллекторах.

Системы воздушного или водяного отопления обеспечивают температуры соответственно до 30˚С и 30 - 90 ˚С. В целом же низкотемпературные системы с аккумуляторами тепла обычно работают в диапазоне от 30 до 100 ˚С.

Пассивные СВОС (ПСВОС) имеют простую технологическую конструкцию, но могут обеспечить до 60 % всей отопительной нагрузки потребителя. Выделяют два основных типа ПСВОС. Системы с прямым (открытым) использованием солнечного излучения, поступающего через остекленные поверхности внутрь сооружения, конструкции которого являются непосредственными приемниками солнечного излучения и аккумуляторами теплоты. Эти системы наиболее просты, но имеют сильную зависимость теплового режима от прихода солнечного излучения во времени.

В закрытых ПСВОС поток солнечного излучения нагревает ту или иную конструкцию, служащую одновременно мощным аккумулятором теплоты, которая накапливается в них в периоды повышенного прихода солнечного излучения, и затем постепенно расходуется во времени, обеспечивая требуемый уровень обогрева сооружения. Например, ПСВОС, предложенная в 1961 г. А. Е. Морганом: днем солнечное излучение нагревает массивную стену сооружения, а в периоды его отсутствия аккумулированное тепло нагревает воздух во внутренних помещениях. Значительно более эффективными оказались предложения в виде теплонакопительной стены Tromble-Michel с тепловой циркуляцией воздуха вокруг неё, в том числе и принудительной. Для лучшего использования дневного солнечного излучения в ПСВОС эффективно применение различных специальных аккумуляторов тепла с разным циклом времени цикла аккумуляции (вплоть до сезонного перераспределения солнечного излучения во времени).

Используемые в ПСВОС аккумуляторы по виду физико-химичеких процессов, протекающих в них, можно разделить на три вида.

1. Аккумуляторы емкостного типа, использующие естественную теплоёмкость материала-аккумулятора без изменения его физического или агрегатного состояния: вода, природный камень (гравий, галька, водные растворы солей и т. п.). Этот способ наиболее прост технологически и наиболее распространен в ПСВОС. Для водонагревательных энергоустановок и жидкостных систем отопления лучшие показатели имеет вода, а для воздушных отопительных систем – галька, гравий и т. п. Однако последние требуют значительно большего объема и площади по сравнению с водяным аккумулятором (соответственно в 31,6 раза).

Количество теплоты , кДж, аккумулируемое в подобных системах, можно найти по формуле:

=m
, (6)

где m
– масса теплового аккумулятора кг; – удельная изобарная теплоемкость вещества-аккумулятора, кДж/(кг·˚С); и - среднее значение конечной и начальной температуры аккумулятора, К.

2. Аккумуляторы на основе применения фазового перехода вещества (жидкое – твердое), в которых используется теплота плавления (твердения) вещества.

3. Аккумуляторы энергии, основанные на выделении – поглощении тепла при обратимых химических и фотохимических реакциях.

Пассивные СВОС весьма просты в эксплуатации. Однако, учитывая сильную зависимость их эффективности от солнечного излучения во времени, в них должны присутствовать некоторые простые устройства для регулирования поступления солнечного излучения в сооружение во времени. Для летних условий наличие обычных регулирующих заслонок в системах циркуляций воздуха и т. п.

Пассивные СВОС эффективны только при реализации сооружений с соблюдением в них условий по максимальному использованию солнечного излучения и энергосбережению.

В том числе: ориентация двухскатной крыши и теплопоглощающих стен по широте (вдоль оси восток-запад); 50 – 70 % всех окон необходимо расположить на южной стене при их двухслойном исполнении (все прочие – трехслойные); строительные конструкции должны иметь современную теплоизоляцию и минимум потерь за счет наружного воздуха; жилые комнаты должны быть с южной стороны здания, все прочие – с северной; должна существовать определенная простая система регуляции поступления солнечного излучения здание и т. п. КПД подобной ПСВОС для средних условий России равен 25 – 30 %, юга – 60%.

Для ПСВОС Tromble-Michel с водяной системой аккумуляции тепла солнечного излучения КПД достигает 35 %. Если же с южной стороны здания разместить солярий или теплицу, то ПСВОС подобного здания достигает 60 – 75 %, но с одновременным уменьшением количества тепла, поступающего непосредственно в жилые помещения (10 – 30 % тепла солнечного излучения, поступающего на теплицу или солярий).

Активные СВОС (АСВОС) значительно сложнее по своему техническому циклу. Активные СВОС могут быть реализованы на основе воздушного или водяного (жидкостного) теплоносителя. В качестве жидкостного теплоносителя используются: вода; 40 – 50 % раствор пропилен- или этиленгликоля, органические теплоносители и т. п. При этом возникает проблема защиты подобной АСВОС от замерзания зимой и коррозии, что полностью отсутствует в воздушных системах, которые, однако, менее эффективны, сем жидкостные.

6. Будущее солнечной энергетики в двигателях Стирлинга?

60 двигателей Стирлинга, питаемые энергией Солнца, готовы впервые начать промышленное производство электроэнергии в окрестностях Феникса (Аризона, США). Двигатели Стирлинга основаны на тепловом расширении газа. Они не получили широкого применения, но используются в космической технике.

Марикопа Солар (Maricopa Solar) - это станция - прототип мощностью 1,5 МВт, она вступает в эксплуатацию в начале января 2010. Генерирующие электричество модули разработаны SES (Stirling Energy Systems), находящейся в Аризоне. 1,5 МВт - лишь часть мощности, которую можно получить на основе модулей SES, первый шаг на пути коммерциализации технологии.

Двигатель впервые запатентован шотландским священником Робертом Стирлингом в 1816 году. Принцип работы двигателя прост: газ нагревается в одной камере, расширяется, поднимает поршень, заполняет камеру охлаждения, охлаждается, опускает поршень. Движения поршня используются для производства электричества.

В 1996 году SES приобрела проекты, разработки и патенты на производство двигателей Стирлинга на солнечной энергии. В течение следующего десятилетия SES в партнерстве с Сандийской Национальной Лабораторией (США) усовершенствовала технологию. Генерирующий модуль SES состоит из солнечного параболического концентратора, следящего за передвижением Солнца по двум осям, и блока преобразования энергии (БПЭ), расположенного в фокусе концентратора. Каждый БПЭ состоит из четырех цилиндров, в которых происодит расширения водорода, что приводит в движение поршни.

Двигатель Стирлинга более эффективен в преобразовании солнечного излучения в электроэнергию (КПД 31%), чем большинство современных фотоэлектрических элементов (в продаже элементы с КПД 14-18%, в стадии испытаний с КПД в 24-41%) и солнечных электростанций концентрационного типа (параболические желоба - КПД 16%, башенные конструкции). Но один только высокий КПД не обеспечил двигателям безоблачное будущее. Системы были раскритикованы как слишком дорогие, ненадежные и требующие обширного обслуживания из-за большого количества подвижных частей.

Сторонники этой технологии указывают на ее преимущества, в частности, по сравнению с солнечными электростанциями концентрационного типа, где в большинстве случаев требуется значительное количество воды, что проблематично в условиях пустынных районов США. Двигатели Стирлинга требуют лишь малое количество воды для очистки зеркал. Кроме того, выход из строя одного двигателя оказывает лишь минимальный эффект на производство энергии всей электростанции.

Установленные на площадке под Фениксом 60 генерирующих модулей были собраны вручную инженерами SES за три месяца. Для создания больших солнечных электростанций требуется производить много больше модулей в день, поэтому SES обратилась к экспертам в области быстрого производства из автомобильной промышленности. В сотрудничестве с компаниями Tower Automotive и Linamar Corporation SES удалось сократить число деталей БПЭ на 60% (около 650 штук) и снизить вес всего модуля примерно на 2250 килограммов. Уменьшение числа деталей привело к росту надежности и снижению цены двигателя. Новые модули успешно прошли испытания аналогичные эксплуатации в 100000 часов.

Формирование Марикопа Солар будет производиться по сотовой схеме поэтапно. Ячейки мощностью в 1,5 МВт будут формироваться из 60 генерирующих модулей. Мультимегаваттные ячеки будут формировать более крупные блоки в 9 мегаватт. Это позволяет пустить станцию в эксплуатацию сразу после ввода в строй первой ячейки.

7. Ультракомпактные солнечные батареи

Если при словах "солнечная энергия" пред вашим взором предстают бескрайние поля фотоэлектрических панелей, вы видите только половину картины. Не менее интересные вещи происходят сейчас на противоположном краю шкалы. Простое масштабирование существующих систем не годится, когда речь заходит об изделиях с поперечником в считанные миллиметры, а иной раз и доли миллиметра.

Учёным, создающим микроскопические солнечные батареи, приходится "рисовать" такие системы с нуля, подбирая оригинальный дизайн и материалы. Незаметный на глаз "слоёный пирог" из полупроводников в малых масштабах работает несколько иначе — добиться хорошей эффективности тут непросто, а ведь ещё нужно подумать и о возможности недорогого серийного выпуска новинки.

Тем интереснее разработки, в которых исследователи пытаются по-новому взглянуть на строение фотоэлектрических преобразователей и, что ещё важнее, — на возможные стратегии их применения. В последнее время такие проекты растут как грибы после дождя. И самый свежий из них — "Миллиметровый и почти вечный сенсорный чип" (Millimeter-Scale Nearly Perpetual Sensor System) от лаборатории автоматизации университета Мичигана (Design Automation Lab).

Для выработки тока определённые участки этого чипа пришлось "сдобрить" металлическими наночастицами и молекулами пигмента. Детали должны быть раскрыты в статье, которая выйдет в ACS Nano (фото Dawn Bonnell).

Рис. 8. Сенсорный чип

Размеры новинки составляют 2,5 х 3,5 х 1 миллиметр. И в этом пространстве создатели приборчика ухитрились поместить процессор, аккумулятор и солнечную батарею. Последняя — вариация тонкоплёночной технологии от компании Cymbet.

Этот крошечный чип питает себя сам, для чего его достаточно иногда выставлять на свет, пусть даже в помещении. Теоретически он может работать почти вечно, не требуя внимания человека (фото Daeyeon Kim).

Рис. 9. Солнечная батарейка Semprius

Солнечная батарейка от Semprius сама по себе насчитывает в поперечнике всего 0,6 миллиметра (чёрный квадратик). Она установлена на керамической подложке, снабжённой с двух сторон электрическими контактами (фото Semprius).

Главная идея экспериментального прибора: он большую часть времени спит, просыпаясь на мгновение каждые несколько минут, чтобы произвести замеры и записать их в память чипа. Маленький расход электричества тут — ключ к успеху.

В той же Design Automation Lab ранее был создан микрочип Phoenix с феноменально низким энергопотреблением, однако от опытного образца до серии — дистанция огромная. В нынешнем же проекте учёные пошли иным путём — свой прибор они создали на базе ARM Cortex-M3 — крошечного и экономичного серийного процессора, нашедшего применение в самых разнообразных системах — от автомобильной электроники, беспроводных систем связи и до контроллеров промышленного оборудования.

Опытный солнечный модуль от Semprius: десятки недорогих линз собирают свет в ряд ярких "точек", в которых установлены микроскопические солнечные батареи (фото Semprius). Как объясняют исследователи в пресс-релизе университета, секрет "вечности" этой схемы — в управлении питанием.

Рис. 10. Опытный солнечный модуль Semprius

Солнечная батарейка выдаёт напряжение 4 вольта, тогда как процессору нужно всего 0,5. Вместо того чтобы ставить преобразователь напряжения (сам по себе съедающий большую мощность), учёные из Мичигана придумали, как управлять "сердцебиением" процессора. Специальный алгоритм как регулирует такты чипа, так и меняет периоды его активности и сна. А результат — среднее энергопотребление составляет менее одного нановатта.

Неудивительно, что для энергетической автономии этой схемы ей достаточно такой маленькой солнечной батарейки да столь же крошечного аккумулятора, запасающего электричество в периоды сна. Срок службы такой схемы фактически ограничен только деградацией аккумулятора, но и его должно хватить на многие годы, — утверждает один из авторов устройства Дэвид Блаау (David Blaauw).

На основе же этой разработки можно создать автономные датчики окружающей среды, миниатюрные сенсоры состояния мостов и сооружений и даже медицинские имплантаты, регулярно посылающие медикам информацию о состоянии организма. Сейчас сотрудники университета работают над коммерциализацией технологии.

Для выработки тока определённые участки этого чипа пришлось "сдобрить" металлическими наночастицами и молекулами пигмента. Детали должны быть раскрыты в статье, которая выйдет в ACS Nano (фото Dawn Bonnell).

Тем временем другие учёные куда дальше зашли по пути миниатюризации солнечных преобразователей. Доун Боннелл (Dawn Bonnell) и её коллеги из университета Пенсильвании сообщили на днях о создании первой в мире микросхемы, питающейся светом.

Титул "первая" тут достаточно спорен, однако в отличие от других похожих разработок здесь нет отдельных электронной схемы и солнечной ячейки, соединённых позднее в одном устройстве: здесь сама поверхность микросхемы обработана так, что является и солнечной батареей.

Доун вовсе не намеревается вытеснить со своей "самоподдерживаемой" схемой обычную электронику, зато в специфических областях такие чипы могут оказаться очень полезными. Как и в предыдущем случае, они могут послужить основой микроскопических автономных датчиков. Но это не всё.

Научив такой чип ещё и излучать свет, да на разных частотах, вы получите готовый кирпичик для построения оптического компьютера, способного работать с высокими скоростями или, к примеру, моделировать на уровне не софта, но железа нейронные схемы мозга. Лучи света, связывающие такие чипы между собой, заменяли бы в таком случае нейромедиаторы, а сами чипы — единичные нейроны.

Для превращения этой схемы в готовый к употреблению продукт потребуются ещё годы работы, так что пока достижение Боннелл представляет больше академический интерес. Зато оно наглядно показывает, насколько необычными могут быть фотоэлектрические преобразователи и как порой "простое" изменение их масштаба способно привести к появлению новых возможностей для техники.

О роли масштаба рассуждает и американская компания Semprius, разработавшая оригинальную технологию микропечати солнечных батарей. Идея, которую продвигает Semprius, в общем виде не нова: компания считает, что наиболее эффективные (в том числе по соотношению мощность/стоимость) фотоэлектрические преобразователи можно получить, применяя в них концентраторы света, сводящие большой поток к миниатюрным солнечным зайчикам.

Солнечная батарейка от Semprius сама по себе насчитывает в поперечнике всего-то 0,6 миллиметра (чёрный квадратик). Она установлена на керамической подложке, снабжённой с двух сторон электрическими контактами (фото Semprius).

Такие приборы могут сочетать низкий расход сырья для изготовления с относительно высоким КПД, достигаемым именно в концентрированном световом потоке. Но во весь рост встаёт проблема организации теплоотвода: как линзы и изогнутые зеркала способны нагревать материалы — все прекрасно знают. Появляются вентиляторы и радиаторы — стоимость системы растёт.

Находка Semprius заключается в том, что при уменьшении размера отдельных солнечных ячеек проблема перегрева сначала нарастает, но потом вдруг просто перестаёт существовать.

По объяснению специалистов фирмы, у фотоэлектрических панелей меньше миллиметра в поперечнике очень большая доля тепла начинает уходить через боковые грани, в сравнении с плоскими солнечными батареями традиционного размера, так что субмиллиметровые панели нагреваются при освещённости в тысячу "солнц" примерно так же, как обычные солнечные батареи при освещении неконцентрированным солнечным светом.

Это доказывают солнечные батареи, созданные в Semprius. В них имеется три полупроводниковых слоя на основе арсенида галлия, каждый из которых впитывает свою полосу спектра (что повышает КПД).

Изготовлены эти панели комбинацией химического травления и печати, при которой очень мало сырья уходит в отбросы. Технологический процесс, разработанный профессором Джоном Роджерсом (John Rogers) из университета Иллинойса, таков, что из стандартной четырёхдюймовой пластины полупроводника можно получить 36 тысяч субмиллиметровых ячеек. Секрет не только в замене расточительного распиливания травлением, но и в том, что при создании каждой порции фотопреобразователей снимается очень тонкий слой с пластины, которая затем отправляется на новый круг.

По данным независимых тестов, КПД этих ячеек колеблется от 25% до 35%. Компания посчитала, что они могут поставлять электричество по цене порядка 10 центов за киловатт-час. А стоимость самой установки составит $2-3 за ватт выходной мощности. Массовый выпуск солнечных модулей с концентраторами-линзами и субмиллиметровыми солнечными батареями внутри Semprius намерена начать в 2013 году.

А пока она заключила соглашение с Siemens Industry о совместной разработке и создании большой демонстрационной системы, призванной показать все достоинства технологии.

Опытный солнечный модуль от Semprius: десятки недорогих линз собирают свет в ряд ярких "точек", в которых установлены микроскопические солнечные батареи (фото Semprius).

Микроскопические солнечные батареи, да и обычные тоже, смогут получить куда большее распространение, если учёным удастся изготавливать их из более дешёвых материалов. И в этом плане как по заказу явилась работа группы учёных под руководством Дэвида Мици (David Mitzi) из IBM Research.

Она построила миниатюрную солнечную батарею с КПД 9,6%. Не впечатляет это значение, только пока не узнаешь, из чего "испечена" ячейка: из меди, цинка, олова и серы — очень распространённых и недорогих веществ, плюс хотя и более редкого, но тоже не слишком дорогого элемента селена (получился материал CZTS).

Учёные предполагают, что данный тип батарей сможет успешно конкурировать с тонкоплёночными солнечными ячейками, в которых сегодня часто применяют теллур, — его запасы на Земле весьма скромны. Также CZTS может потеснить активно развивающийся ныне вариант солнечных батарей на основе селенида меди-индия-галлия (CIGS), поскольку индий и галлий в десять раз дороже селена.

CZTS-ячейка, установившая рекорд для фотоэлектрических батарей данного типа (фото IBM Research).

Отметим, достижение Дэвида и коллег состоит не в выборе материала (с CZTS учёные ставили опыты и раньше), а в разработке технологии, позволившей на этой базе построить столь эффективные ячейки. Обычно для создания финального полупроводникового композита учёные применяют растворение определённых составов в нужных растворителях, однако соединения цинка были нерастворимы.

Чтобы обойти эту проблему, исследователи использовали комбинацию из растворённых смесей и взвеси крошечных твёрдых частиц, создав своего рода чернила, которые можно было распылять на подложке. Нагрев последней приводил к формированию финального материала. Сейчас авторы этой технологии работают над улучшением своих батарей. Они поставили целью поднять КПД до 12%, что гарантировало бы удовлетворительный 10-процентный КПД для аналогичных ячеек, выработанных не в лаборатории, а на заводе.

Кроме того, Мици и его соратники стремятся снизить содержание селена в этих ячейках, в идеале чтобы они практически полностью состояли из доступных и дешёвых элементов. В текущей версии CZTS селена, к слову, вдвое меньше, чем было в предыдущих образцах.

Рис. 11. CZTS-ячейка

Этот путь, как и оригинальные идеи, воплощённые в других родственных проектах, ведёт нас к эпохе, когда недорогие и действительно миниатюрные солнечные батареи начнут в массовом порядке встраивать в самую разнообразную технику — сенсоры и датчики, медицинские имплантаты и карманную электронику...

А на другом краю шкалы уже виднеются те самые огромные поля солнечных батарей, только уже новых — более дешёвых. Тут тоже масштаб играет большую роль — экономия в центы, полученная на "миллиметровых" образцах, в промышленном варианте означает экономию в миллионы, а следовательно, подлинный взлёт солнечной энергетики.

8. Новая технология заимствует принцип у листьев лотоса

Группа исследователей Технологического Института Джорджии разработали новый способ обработки кремниевых фотоэлементов, увеличивающий поглощение света за счет захвата света трехмерными структурами на поверхности и делающий поверхность самоочищающейся.

Обработка поверхности состоит в двух видах химического травления, приводящих к формирования структур на микронном и нанометровом масштабе. Двухуровневая шероховатость в виде структур микронного и нанометрового размера – подражание гидрофобной поверхности листьев лотоса, которые имеют аналогичные структуры, заставляющие дождевую воду или росу собираться в капли и скатываться с листьев, собирая по дороге всю пыль и грязь.

Кроме того, трехмерная структура способна поглощать больше, а отражать меньше света. Отраженному от гладкой поверхности свету ничто не мешает безвозвратно улететь в пространство. Если же на поверхности есть микрорельеф, значительная часть лучей попадает не на горизонтальную поверхность, а на “сколны” микроскопических “гор”. Отражаясь от них лучи со значительной вероятности попадут снова на другие “склоны”, и так пока полностью не поглотятся.

Моделирование показало, что можно увеличить общую эффективность элементов более чем на 2% с помощью таких поверхностных структур.

Может показаться, что 2% – очень небольшая велечина. Но примерно 10% света, попадающего на фотоэлемент, рассеивается или поглощается пылью и грязью на его поверхности. Сохраняя поверхность фотоэлемента чистой, в принципе, можно существенно увеличить эффективность. Уменьшение помех от пыли даже на несколько процентов приводит к существенному результату.

Разработчики считают, что даже в пустынных регионах, где постоянный яркий солнечный свет создает идеальные условия для солнечных батарей, ночная роса дает достаточно влаги для очистки поверхности. Полезность такой технологии для солнечных панелей, предназначенных для использования в умеренной полосе и, особенно, в пыльных городах, совершенно очевидна.

Рис. 15. Кремниевые пирамидальные структуры

Рис. 15 показывает кремниевые пирамидальные структуры полученные травлением в течение одной минуты водным раствором фторводорода и пероксида водорода.

Для получения текстурированной поверхности команда Вонга подвергала поверхность травлению гидроксидом калия, снимающим тонкий слой кремния и образующего пирамидальные структуры. Далее на поверхность наносятся микроскопические частицы золота, играющие роль катализатора во время второй части процесса – обработки поверхности водным раствором фторводорода и пероксида водорода для формирования требуемых гидрофобных характеристик.

Однако, перспективы промышленного применения технологии теперь целиком зависят от цены и стойкости покрытия. Дело в том, что структуры эти очень малы и поэтому – очень хрупки. Небольшое трение на поверхности уничтожает гидрофобные свойства. Так что сосредоточились на создании гидрофобных поверхностей большой площади, так как малые повреждения не будут влиять на общую эффективность.

Стоимость масштабного производства пока неизвестна, но уже можно сказать, что дополнительное травление и вакуумное напыление не сильно усложнят и без того сложный процесс производства фотоэлементов. Кроме производства фотоэлементов, такая обработка поверхности может быть применена для создания антибактериального покрытия медицинского оборудования и деталей микроскопических механических устройств, которые не должны прилипать друг к другу.

9. Перспективы развития солнечной энергетики

Развитие рынка альтернативной, в том числе и солнечной, энергетики в Европе и Северной Америке связано во многом с поддержкой этого сектора государством. Например, жители стран Европейского союза, использующие альтернативную энергетику, получают энергию по более низким тарифам. Кроме того, если европейцы решат инвестировать в эту сферу, то страны ЕС частично освобождают их от налога на прибыль и экологических налогов. Например, в Германии был принят закон, устанавливающий независимую от госбюджета систему закупочных тарифов для производителей солнечной электроэнергии. А в Великобритании, Австрии, Бельгии и Ирландии действует система выделения квот на финансовую поддержку для поставщиков «зеленой» энергии.

Как отмечается в исследовании компании РосБизнесКонсалтинг «Рынок фотовольтаики: солнечные батареи», при оптимистическом сценарии развития мирового рынка фотоэлектричества, к 2013 г. мощность ежегодно устанавливаемых фотоэлектрических систем превысит 17 ГВт!

Как показывает начало 2010 г., мировой рынок фотовольтаики развивается именно по оптимистическому сценарию. Так, в США началось финансирование проекта Ivanpah. Компания BrightSource Energy сообщила о предоставлении ей Министерством энергетики США займа в размере 1,37 млрд долл. для поддержки проекта. Предполагается, что проект будет совмещать технологии солнечных фотоэлектрических и тепловых электростанций. Общая мощность проекта составляет порядка 400 МВт.

Помимо этого, в Калифорнии продолжается строительство 2-х крупнейших в мире солнечных электростанций. В сумме два объекта занимают площадь 32,37 кв. км и имеют производственную мощность 800 МВт. Это эквивалентно энергии, вырабатываемой крупной электростанцией на угле или небольшой АЭС.

Большую часть энергии, 550 МВт, будет вырабатывать станция, строящаяся компанией Optisolar. Станция, строящаяся компанией SunPower, будет производить 250 МВт энергии, при этом ее эффективность будет увеличена на 30% благодаря возможности солнечных панелей поворачиваться вслед за солнцем. Строительство гигантских солнечных электростанций должно завершиться в 2013 г.

В России также может появиться крупный потребитель солнечного фотоэлектричества. Государственная корпорация "Олимпстрой" принимает предложения и анализирует опыт по использованию передовых технологий в области альтернативных источников энергии. Альтернативные источники энергии предполагается использовать в качестве резервных источников энергии и теплоснабжения олимпийских объектов. Госкорпорацию "Олимпстрой", в первую очередь, интересуют фотоэлектрические системы и тепловые насосы.

Французский энергетический гигант EDF ведет строительство крупнейшей в мире фотогальванической солнечной электростанции на бывшей базе ВВС НАТО. Предприятие начнет работу в 2012 году.

Электростанция занимает 415 га в окрестностях города Мец на востоке страны. Проектная мощность объекта составляет 143 мВт. Этого достаточно для обеспечения электроэнергией города с 62 тыс. жителей.

Электростанция в Туль-Росьере увеличит объем французской солнечной энергетики в четыре раза. Несмотря на это, Франция все равно лишь дышит в затылок Испании и Германии, которые производят 1 671 мВт и 1 505 мВт соответственно. EDF отмечает, что рада бы построить и более мощную станцию, но во Франции трудно найти для нее место. На вопрос, почему для нового проекта была выбрана пасмурная Лотарингия вместо безоблачного юга, компания отвечает так: потому что правительство повысило тарифы на электроэнергию для населения в северных регионах, дабы привлечь инвестиции в энергетику. На электростанции будет занято всего 15 человек.

Компания Abegona Solar, Испания, сообщила об успешном запуске своей второй солнечной электростанции башенного типа, преобразующей солнечное тепло в энергию.

Рис. 12. Солнечная электростанция башенного типа в Испании

По сравнению с первой солнечной электростанцией этой компании (PS10), 162-х метровая солнечная башня, расположенная около Севиллии, Испания, претерпела рад улучшений и увеличила свою мощность. Названная PS20, установка стала самой большой в мире, с мощностью 20мВТ, достаточной для обеспечения электричеством 10 000 домов.

Солнечная электростанция башенного типа состоит из полей зеркал, направляющих солнечные лучи на ресивер, расположенный в башне. При нагревании образуется пар, который вращает турбину, вырабатывающую электрический ток. В PS20 использовано 1255 зеркал. Традиционные солнечные электростанции используют ряды зеркал, которые вращаются и следуют за движением солнца на протяжении дня.

В настоящее время в итальянском городе Болонья рассматривается проект строительства монорельсовой дороги, работающей на энергии солнца. Архитектурное бюро Iosa Ghini Associati предлагает оборудовать рельсы тонкими солнечными панелями, которые и обеспечат передвижение поездов.

Реализация данного проекта позволит закрепить за Италией лидирующие позиции в области использования энергии «светила». Недавно в этой стране появилось крупнейшее европейское предприятие по производству тепловых солнечных систем, предназначенных для производства горячей воды. Завод был построен Ariston Thermo Group, крупнейшим мировым производителем водонагревательного и отопительного оборудования.

Компания Nanosolar, расположенная в Кремниевой Долине (США), выиграла инвестиционный конкурс в размере 100 миллионов долларов на строительство и обслуживание наибольшей в мире фабрики по созданию дешевых солнечных элементов в районе залива Сан-Франциско. Суммарная мощность завода – около 430 мегаватт в год, а это втрое превышает суммарный годовой выпуск солнечных элементов в США. Выпускать компания будет в год до 200 млн. солнечных панелей.

Основанная в 2001 году молодая, но амбициозная компания Nanosolar уже имела ряд патентов в области наноэлектроники и солнечных элементов. После того, как инвестиционные фирмы и частный инвестор Кристиан Рейтбургер обратили внимание на перспективную компанию, владеющую новыми технологиями по изготовлению недорогих и эффективных солнечных панелей, Nanosolar приобрела вес среди производителей «солнечной» микроэлектроники. Тем более, что в США правительство и частные компании уделяют большое внимание финансированию производства солнечных элементов, что, как полагают аналитики, улучшит позиции страны в периоды энергетического кризиса.

Инновация в технологии производства солнечных элементов заключается в использовании пленок медь-индий-диселенид галлия (CIGS-пленки). Этот полупроводник характеризуется на 20% большим фотоэлектрическим эффектом, чем современные солнечные элементы. Тонкая пленка CIGS толщиной всего 1 микрометр производит столько же электричества, сколько 200-300 микронная полупроводниковая кремниевая подложка.

Современный рынок кремниевых полупроводниковых солнечных панелей составляет 90% от общего мирового потребления солнечных элементов.

Одно из преимуществ новой технологии производства пленок – «самосборка» чернил, состоящих из наночастиц, которые покрывают поверхность CIGS. Благодаря этому, солнечные элементы могут быть нанесены на гибкую основу. А это практически невозможно при использовании кремниевых элементов.

Маркетологические исследования, выполненные фирмой Clean Edge свидетельствуют о том, что к 2015 году рынок вырастет до $51 млрд.

В ходе визита в Египет израильский премьер Биньямин Нетаниягу и министр промышленности и торговли Биньямин Бен-Элиэзер предложили президенту Мубараку осуществить совместный проект по развитию солярных электрических станций на Синае.

Согласно проекту, Египет предоставит территорию, необходимую для строительства таких станций, а Израиль возьмет на себя всю техническую сторону и эксплуатацию солярных станций.

По словам Бен-Элиэзера, рассказавшего о предложении на конференции по альтернативной энергетике в Эйлате-Эйлоте, Хосни Мубарак заинтересовался проектом и обещал изучить вопрос.

Договор о осуществлении подобного проекта – Desertec - был начат странами средиземноморского региона в 2009 году. Европейские страны создадут солярные станции в Северной Африке, что должно удовлетворить 15% энергетических нужд Западной Европы. Разработка проекта закончится к 2012 году, а к 2050 году инвестиции в Desertec должны составить 400 млрд. евро.

В 2009 году продажи панелей солнечных элементов в Японии достигли рекордно высокого уровня, что объясняется новыми правительственными льготами. Новая правительственная программа требует от электроэнергетических компаний покупать излишки электричества частных домохозяйств, которые установили у себя системы генерирования электроэнергии с помощью солнечного света.

Японская ассоциация фотоэлектрической энергии сообщает, что в прошлом году на внутреннем рынке были проданы солнечные панели, способные выработать почти 500 тысяч киловатт электроэнергии. Этого достаточно, чтобы обеспечить энергией 120 тысяч средних домохозяйств. Продажи систем генерирования солнечной энергии более чем удвоились по сравнению с годом ранее, и почти девять из каждых десяти приобретались для частных домов.

Ранее японская корпорация Panasonic сообщила о планах получения к 2019 году до 3 трлн йен или 32 млрд долларов в год от продажи аккумуляторных батарей, солнечных панелей и других решений для "зеленой" энергетики. Особый упор компания намерена сделать на батареи для электромобилей и солнечную энергетику.

Озвученная цель представляет собой примерно треть от общих продаж, ожидаемых Panasonic к марту 2019 года. Президент компании Фумио Оцубо заявил, что в предстоящие шесть лет Panasonic инвестирует в энергетический бизнес Sanyo более 100 млрд йен или почти 92 млн долларов.

Японское правительство собирается потратить 2 трлн иен (около 21 млрд долларов) на строительство орбитальной солнечной электростанции на высоте 36 тыс. км. Её площадь составит 4 кв. км, мощность — 1 ГВт. Передавать на Землю электроэнергию предполагается при помощи лазера или микроволнового пучка. Плюс разработки состоит в том, что станция может собирать энергию непрерывно, поскольку ей не будет мешать плохая погода, атмосфера и т.д. Главный минус проекта — всей мощности такой станции хватит для снабжения электроэнергией лишь 300 тыс. японских домохозяйств, а их в Японии 47 млн.

Реализация проекта запланирована на 2030 год. В 2015 году на орбиту Земли будет отправлен первый экспериментальный спутник, задача которого — протестировать саму технологию сбора солнечной энергии из космоса и её транспортировки на приёмную станцию. Если начатое доведут до конца, это будет самый масштабный проект в сфере альтернативной энергетики (аналогичный американский проект рассчитан на 200 МВт генерируемой мощности). Разработкой проекта займутся Mitsubishi и ряд других японских компаний. Соответствующие соглашения уже подписаны.

10. В кругосветку на солнечных парусах

Недавно швейцарско-французская команда PlanetSolar приступила к строительству одноимённого катамарана, который должен впервые обогнуть Землю на энергии солнечного света.

Рис. 13 Катамаран «PlanetSolar»

Суммарная площадь его фотоэлектрических батарей составит 470 квадратных метров, причём часть из этих панелей (по краям и на корме аппарата) будут складными. При КПД 22% ячейки смогут выдавать в солнечный день до 103,4 киловатта мощности. Этого должно быть более чем достаточно для питания двух маршевых электромоторов, вращающих гребные винты (мощность каждого — по 10 киловатт), бортового оборудования и зарядки батарей для движения в пасмурную погоду и ночью.

Полная длина и ширина PlanetSolar (с откинутыми боковыми батареями) достигают 35 и 23 метров соответственно. Со сложенными – 31 и 15. Высота судна равна 6 метрам, а водоизмещение составляет 60 тонн (фото и иллюстрации PlanetSolar).

Строительство PlanetSolar идёт на верфи компании Knierim Yachtbau в германском Киле. А вообще проект PlanetSolar базируется в швейцарском городе Ивердон-ле-Бен (Yverdon-les-Bains) (фотографии PlanetSolar).

PlanetSolar станет самым крупным судном в мире, движимым исключительно энергией солнца. И пусть для практических целей вроде транспортировки грузов оно непригодно (хотя бы из-за скромной скорости), испытанные в боевых условиях передовые технологии наверняка послужат стартовой площадкой для создания чего-нибудь более внушительного.

Рис. 14. Солнечные батареи на катамаране

Кругосветный вояж PlanetSolar намечен на 2010 год. Средняя скорость аппарата должна достигать 8 узлов (15 км/ч), а максимальная — 14 узлов (25 км/ч), так что путешествие в 40 000 километров из Марселя в Марсель займёт примерно 120 дней.

11. Социально-экологические характеристики солнечной энергетики

По сравнению с другими видами энергетики солнечная энергетика в целом является одним из наиболее чистых в экологическом отношении видов энергии. Однако избежать полностью вредного воздействия солнечной энергетики на человека и окружающую среду практически не удается, если учесть всю технологическую цепочку от получения требующихся материалов до производства электроэнергии.

Наиболее характерны в этом аспекте солнечные фотоэлектрические установки (СФЭУ), эксплуатация которых наносит минимальный вред среде. Но производство полупроводниковых материалов является весьма экологически и социально опасным. В связи с этим в ряде стран мира существуют весьма жесткие требования к производству полупроводников для СФЭУ, а также к хранению, транспортировке и ликвидации вредных веществ от производства СФЭУ, ограничения контакта персонала с этими веществами и т. д.

Наиболее опасны в этом отношении кадмий Cd, а также Ga, As, и Te. Сегодня наиболее изучено вредное воздействие кадмия на здоровье человека и даже введены запреты на использование в бытовых устройствах его соединений. Весьма токсичны и некоторые соединения селена. Например, SeH, - отрицательно влияют на органы дыхания.

Таким образом, в солнечной фотоэнергетике наиболее вредным для человека и окружающей среды является технологический процесс получения солнечных элементов, их хранения и утилизации.

Среди других аспектов отрицательного влияния солнечной энергетики на социально-экологические условия в стране следует отметить следующие.

Солнечные энергетические станции достаточно землеёмки из-за весьма рассеянного характера поступления солнечного излучения на Землю. Для сравнения с другими типами энергетических установок в таблице приведены экспертные оценки их землеёмкость. Из таблицы следует, что для получения 1 МВт на БСЭС требуется 1,1 га земли, на СФЭУ – от 1,0 до 1,6 га, а на солнечных прудах – до 8 га, что весьма ощутимо для обжитых районов любой страны.

Таблица 1

Землеёмкость разных типов энергетических установок

Тип	Биоэнергетические	ГЭС	ВЭС	Солнечный пруд	Геотермаль-ные ЭС	АЭС	СФЭУ	ТЭС без топливной базы	БСЭС
Землеём-кость, Га/МВт	20	10	10	8	1,9	0,65 – 2,0	1 – 1,6	1,17	1,1

Эксплуатация солнечных прудов способствует загрязнению почвы и подземных вод химически активными растворами солей.

При эксплуатации БСЭС, а также СФЭС происходит заметное изменение климатических условий в данном месте, в том числе изменение почвенных условий, растительности, циркуляции воздуха вследствие затенения поверхности, с одной стороны, и нагрева воздуха – с другой. Из-за последнего меняется тепловой баланс влажности воздуха, направление и величина ветров. Для СЭС с концентраторами солнечного излучения велика опасность перегрева и возгорания самих систем получения энергии от солнечного излучения.

Применение низкокипящих жидкостей и их неизбежные утечки в СЭС могут привести к загрязнению почвы, подземной и даже питьевой воды в регионе. Особо опасны жидкости, содержащие нитриты и хроматы, которые являются весьма токсичными веществами.

Низкий коэффициент преобразования солнечного излучения в электроэнергию ведет к появлению проблем, связанных с охлаждением конденсата. При этом тепловые выбросы в атмосферу на СЭС более чем в два раза превышают аналогичный показатель у ТЭС.

Для учета отрицательного влияния различных типов энергоустановок на окружающую среду в настоящее время предложено несколько различных методик и подходов.

В качестве примера в таблице представлены значения так называемого штрафного экологического балла для различных видов используемого источника энергии, который дает возможность некоторого безразмерного количественного учета их отрицательного влияния на окружающую среду.

Эти баллы рассчитаны с учетом различных негативных факторов воздействия на окружающую среду.

Таблица 2

Штрафной экологический балл для различных видов используемого источника электроэнергии

Топливо/технология	Штрафной экологический балл
Бурый уголь	1735
Нефтяное топливо	1398
Каменный уголь	1356
Ядерное топливо	672
Солнечные фотоэлектрические элементы	461
Природный газ	267
Ветер	65
Малые ГЭС	5

Однако и перемещение СЭС в космос не избавляет солнечную энергетику от решения связанных с ней социально-экологических проблем, определяемых сложностью технологического процесса передачи энергии с космических СЭС на Землю. Экспертные оценки показывают, что для передачи 5000 МВт на Землю с космической СЭС с помощью СВЧ-излучения потребуется антенна-излучатель с диаметром до 1 км; ректенна на Земле диаметром до 12 км (на экваторе). В целом же с учетом всего технологического цикла преобразования постоянного тока в переменный на Земле потребуется занять площадь до 250-270

Передача по СВЧ-лучу больших мощностей может привести к изменению распределения заряженных частиц ионосферы и, как следствие, к изменению условия распространения радиоволн и помех в радиосвязи и телесвязи.

СВЧ-пучок и особенно его высокочастотная составляющая сильно поглощаются молекулами воды и кислорода, что ведет к локальному нагреву атмосферы в месте прохождения СВЧ-пучка.

Однако, несмотря на вышеперечисленные проблемы, в целом отрицательное влияние технических устройств солнечной энергетики на человека и окружающую среду намного меньше, чем у других видов энергетики и особенно традиционных АЭС, ТЭС и ГЭС.

Заключение

"Солнце разлито поровну. Вернее, по справедливости. Вернее, по стольку разлито, кто сколько способен взять", - писал поэт Владимир Солоухин. На самом деле даровой и нескончаемой солнечной энергии "разлито" по Земле столько, что, если "взять" от нее всего-навсего 2%, этого хватит, чтобы обеспечить человечество светом и теплом на многие тысячелетия. Но люди еще не научились в полной мере использовать столь щедрый дар природы, они делают лишь первые шаги в создании солнечной энергетики.

Из возможных "преемников", которые могут подхватить эстафету у традиционной энергетики, наиболее привлекательно среди альтернативных источников выглядит энергия Солнца, экологически чистая уже потому, что миллиарды лет поступает на Землю и все земные процессы с ней свыклись. Поток солнечной энергии люди просто обязаны взять под свой контроль и максимально использовать, сохраняя тем самым неизмененным уникальный земной климат.

Причина медленного развития солнечной энергетики проста: средний поток радиации, поступающий на поверхность Земли от нашего светила, очень слаб, например, на широте 40х он составляет всего 0,3 кВт/ - почти в пять раз меньше того потока, который приходит на границу атмосферы (1,4 кВт/). К тому же он зависит от времени суток, сезона года и погоды. Чтобы усилить поток солнечной энергии, надо собирать ее с большой площади с помощью концентраторов и запасать впрок в аккумуляторах. Пока это удается сделать в так называемой малой энергетике, предназначенной для снабжения светом и теплом жилых домов и небольших предприятий.

СЭС мощностью 0,1-10 МВт построены во многих странах с "хорошим" солнцем (США, Франция, Япония). Не так давно появились проекты более мощных СЭС (до 100 МВт). Главное препятствие на пути их широкого распространения - высокая себестоимость электроэнергии: она в 6-8 раз выше, чем на ТЭС. Но с применением более простых по конструкции, а значит, и более дешевых гелиостатов себестоимость электроэнергии, вырабатываемой СЭС, должна существенно снизиться.

Понимая это, многие государства сегодня стараются инвестировать в солнечную энергетику огромные средства.

Солнечная энергетика еще в самом начале пути. Ее вклад в общее мировое энергопотребление не превышает 0,1%, а среди возобновляемых источников ей принадлежит около 1%. Но технический прогресс, достигнутый в этой области за последнее десятилетие, так велик, что специалисты дают весьма оптимистические прогнозы: уже к середине XXI века солнечная энергетика наряду с другими возобновляемыми источниками (геотермальные и приливные станции, ветровые турбины и др.) может занять ведущее положение в мире.

Список литературы:

1. Солнечная энергетика: учебное пособие для вузов /под ред. Виссарионова В. И., М.: изд. дом МЭИ, 2008

2. Дьяков А. Ф. Малая энергетика России: проблемы и перспективы. М.: «Энергопрогресс: энергетика», 2003

3. Умаров Г. Я., Ершов А. А. Солнечная энергетика. М.: «Знание», 1974

4. Челяев В. Ф. Солнечная энергетика – энергетика будущего. «Энергия: экономика, техника, экология», № 10, 2008

5. Андреев С.В. Солнечные электростанции. М.: «Наука», 2002

6. Харченко Н.В. Индивидуальные солнечные установки М.: «Энергоатомиздат», 1991

7. О чем пишут научно-популярные журналы мира. "Наука и жизнь" № 6, 2008, с. 111 - 112

8. Сворень Р. Преодолевая немалые трудности, человечество все же продвигается к самым экологически чистым и безопасным энергетическим установкам, для которых к тому же земные запасы топлива безграничны. "Наука и жизнь"№ 8, 2001, с 19 – 23

9. Руденко Б. Солнце и ветер, лед и вода. «Наука и жизнь», № 8, 2008, с 58 - 61

10. http://www.energyland.info.ru

11. http://www.sci-lib.com

12. http://www.greenenergy.com

13. http://www.nitolsolar.com

14. http://www.cleandex.ru

15. http://www.nanonewsnet.ru

16. http://www.ecogeek.ru