Материал: Повышение эффективности энергетической системы Казахстана за счёт внедрения солнечной электроэнергетики

Германия - мировой лидер по производству солнечной энергии. В 2010 году 3% электроэнергии Германии было получено из фотоэлектрических установок.

В Германии львиную долю электроэнергии, выработанную солнечными электростанциями направляют в общею сеть. Каждый киловатт централизованно покупается у операторов установок по преобразованию солнечной энергии в электрическую энергоснабжающей организацией и оплачивается по специальному фиксированному тарифу, который превышает рыночную стоимость в разы. Но даже если не брать в ращетто что правительство постоянно субсидирует данную область энергетики, солнечный киловатт- час стал существенно дешевле.

Практический везде в Германии можно увидеть солнечные генераторы. Даже офис Федерального канцлера в Берлине обеспечивается электричеством, которое вырабатывают 756 солнечных панелей. Самый крупный фотогальванический комплекс в мире так же расположен на территории Германии - на винодельне "Эрлассе" (Erlasse) в баварском Франкене. Комплекс состоит из 1480 батарей (это почти 17 тысяч солнечных панелей), которые генерируют 12 мегаватт энергии и снабжают ею город с населением 8 500 жителей [10].

Испания находится на второй позиции в мире по производству солнечной электроэнергии. На территории Испании в городе Фуэнтес-де-Андалусия находится первая в мире коммерческая электростанция Gemasolar вырабатывающая энергию при помощи солнечных батарей. Этот огромный комплекс был построен совместно Испанскими властями и представителями Объединенных Арабских Эмиратов. GemasolarPowerPlant будет работать круглые сутки, 270 дней в течение года, благодаря яркому испанскому солнцу. Разработчиком данного проекта выступила компания TorresolEnergy. По заявлению представителей этой компании, станция будет выдавать 110 ГВт часов за год, что позволит подпитывать электроэнергией город с населением в 100 тысяч жителей.

Уникальность станции заключается в том, что в качестве накопителя используется расплавленная соль, с температурой 500 градусов. Этого тепла должно хватать на 10 часов работы паровых турбин, вот именно за счет этого и обеспечивается круглосуточная работа станции. На все строительство было затрачено 427 млн. долларов[11].

На третьем месте по выработки электроэнергии из солнца находится Италия - 3502 Мвт. Правительство этой страны активно субсидирует развитие солнечной энергетики и создаёт все оптимальные условия для дальнейшего роста мощности солнечной энергетики в стране.

По заявлениям главный главного исполнительного директора Enel, крупнейшей энергетической компании Италии и второй в Европе по величине установленной мощности, они решили изменить первоначальные планы наращивания мощностей солнечной энергетики в стране. Теперь Италия планирует ввести в эксплуатацию в период до 2020 года солнечные электростанции суммарной мощностью в 30 гигаватт [12].

К слову, сегодня Италия импортирует почти 87 процентов электроэнергии в связи с нехваткой энергетических ресурсов. Таки образом, по мнению Конти, чтобы стать энергетически самостоятельной державой, страна должна сосредоточить внимание на разработке возобновляемых ресурсов энергии, особенно солнечной энергии. Впрочем, правительство страны уже в 2007 году начало оказывать содействие развитию солнечной энергетики, разрабатывая и вводя различные стимулирующие меры, как для коммерческих организаций, так и для частных лиц.

В частности, чтобы добиться роста в секторе возобновляемых источников энергии, в Италии был введен льготный тариф "Feed-In-Tariff" (FiT) для производителей электроэнергии, которым стало выгодно инвестировать в развитие солнечной энергетики. Также правительство предлагает долгосрочные контракты, предоставляющие достаточно времени для того, чтобы инвесторы могли вернуть вложенные средства.

Согласно недавнему утверждению агентства рационального использования энергии Италии Gestore Servizi Energetici, в настоящее время в стране функционирует 150 тысяч заводов по выработке солнечной энергии и их число в ближайшие годы будет значительно увеличено. Также стало известно, что Sharp подписала соглашение с компаниями Enel и ST Microelectronics по производству фотоэлектрических модулей мощностью от 160 МВт и выше для нового завода.

Солнечная энергетика Италии, безусловно, движется в направлении достижения паритета с традиционной энергосистемой, когда стоимость производства солнечной энергии будет эквивалентна затратам на производство энергии от ископаемого топлива. Это было подтверждено и в исследовании Европейской Ассоциации Фотоэлектрической Промышленности (EPIA).

США, обладающие огромными солнечными ресурсами, с начала века были в авангарде исследований в области солнечной энергии и сохранили ведущее место. Хотя правительство Соединенных Штатов до сих пор ориентируется на приоритет атомной энергии, тем не менее, оно прямо и косвенно оказывает существенную помощь исследованиям в области солнечной энергии. Даже Атомная энергетическая комиссия (АЕС) имеет свои собственные лаборатории, в которых исследуется Солнце.

Наибольшая помощь (от государства) оказывается через NASA (Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства), NSF (Национальный научный фонд), НИД (Управление жилищного и городского строительства) [13].

Сегодня ученые в разных частях мира проводят моделирование параметров глобальной солнечной энергетической системы. Предлагается создать глобальную энергосистему из солнечных станций, равномерно расположенных в экваториальном поясе Земли таким образом, чтобы часть станций всегда находилась на дневной стороне Земли. Все электростанции должны быть соединены линией электропередачи с малыми потерями. При моделировании КПД солнечных станций принимался равным вполне реалистичным сегодня 25%. Такая глобальная солнечная энергетическая система генерирует электрическую энергию круглосуточно и равномерно в течение года в объеме 17300 ТВт·ч/г., превышающем современное мировое потребление электрической энергии. Начало функционирования глобальной солнечной энергетической системы возможно с 2050 г. В результате реализации этого проекта доля солнечной энергетики в мировом потреблении электроэнергии может составить 60-70%, а выбросы парниковых газов будут снижены в 10 раз [14].

1.3 Теория солнечной энергетики

Солнечная энергия - кинетическая энергия излучения (в основном света), образующаяся в результате реакций в недрах Солнца. Поскольку ее запасы практически неистощимы (астрономы подсчитали, что Солнце будет "гореть" еще несколько миллионов 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.

Общие сведения о Солнце.

Характеристики Солнца:

. Масса MS~2*1023 кг

. V= 1,41*1027 м³, что почти в 1300 тыс. раз превосходит объем Земли,

. RS~629 тыс. км

. м³светимость LS=3,86*1023 кВт,

. средняя плотность 1,41*103 кг/

. эффективная температура поверхности (фотосфера) 5780 К,

. период вращения (синодический) изменяется от 27 сут на экваторе до 32 сут. у полюсов,

. ускорение свободного падения 274 м/с² (при таком огромном ускорении силы тяжести человек массой 60 кг весил бы более 1,5 т.).

Солнце - центральное тело Солнечной системы, раскаленный плазменный шар, типичная звезда-карлик спектрального класса G2 [15].

Источником энергии солнечного излучения служит термоядерная реакция - каждую секунду на Солнце ~6*1011 кг водорода превращается в гелий. Дефект массы при этом составляет 4000 кг, что согласно соотношению Эйнштейна

=mc2(1)

приводит к выделению 4*1020 Дж энергии. Основная часть этой энергии испускается в виде электромагнитного излучения в диапазоне 0,2-3 мкм. Поскольку полная масса Солнца ~2*1030 кг, оно должно пребывать в достаточно стабильном состоянии свыше 10 млрд. лет с постоянной генерацией энергии. Активность солнечного излучения в свободном пространстве на удалении, равном среднему расстоянию между Землей и Солнцем, называется солнечной постоянной. Ее величина - 1353 Вт/м². При прохождении через атмосферу солнечный свет ослабляется в основном из-за поглощения инфракрасного излучения парами воды, ультрафиолетового излучения - озоном и рассеяния излучения частицами атмосферной пыли и аэрозолями. Показатель атмосферного влияния на интенсивность солнечного излучения, доходящего до земной поверхности, называется "воздушной массой" (АМ). АМ определяется как секанс угла между Солнцем и зенитом. Ниже представленно спектральное распределение активности гелио излучения в различных условиях. Верхняя кривая (АМ0) соответствует солнечному спектру за пределами земной атмосферы (например, на борту космического корабля), т.е. условие соблюдается если масса потока ровна нулю. Она аппроксимируется распределением интенсивности излучения абсолютно черного тела при температуре 5800 К. Кривые АМ1 и АМ2 иллюстрируют спектральное распределение солнечного излучения на поверхности Земли, когда Солнце в зените и при угле между Солнцем и зенитом 60°, соответственно. Значение полной мощности излучения - около порядка 925 и 691 Вт/м². Средняя интенсивность излучения на Земле примерно совпадает с интенсивностью излучения при АМ=1,5 (Солнце - под углом 45° к горизонту) (в соответствии с рисунком 1).

Рисунок 1. Распределение интенсивности по спектру солнечного излучения

Преобразователи солнечной энергии.

Различают два вида преобразователей солнечной энергии в электрическую:

. Фотоэлектрические преобразователи - ФЭП - полупроводниковые устройства, прямо преобразующие солнечную энергию в электричество. Несколько объединённых ФЭП называются солнечной батареей (СБ).

. Термодинамические солнечные электростанции солнечные установки, использующие высококонцентрированное солнечное излучение в качестве энергии для приведения в действие тепловых и др. машин (паровой, газотурбинной, термоэлектрической и др.).

Подробнее разберем каждый из этих преобразователей.

.3.1 Фотоэлектрические преобразователи

Основной принцип работы солнечных батарей.

Наглядная конструкция фото элемента (солнечного элемента) - прибора служащего для преобразования гелио излучения на основе много кристаллического кремния (в соответствии с рисунком 2).

Рисунок 2. Конструкция солнечного элемента

Простейшая конструкция солнечного элемента (СЭ) - прибора для преобразования энергии солнечного излучения - на основе монокристаллического кремния (в соответствие с рисунком 3). На небольшой глубине от поверхностного слоя кремниевой пластины p-типа формируется p-n-переход с тончайшем металлическим слаботочным контактом. На обратной стороне пластины находится сплошной металлический контакт. Когда на фото элемент попадает световая энергия, поглощенные фотоны генерируют разновесные электрон-дырочные пары. Электроны, генерируемые в p-слое вблизи p-n-перехода, приближаются к p-n-переходу и существующим в нем электрическим полем перемещаются в n-область. Таким же образом и лишние дырки, генерируемые в n-слое, от части перемещаются в p-слой (в соответствие с рисунком 3).

Рисунок 3. Зонная модель разомкнутого p-n-перехода: а) - в начальный момент освещения; б) - изменение зонной модели под действием постоянного освещения и возникновение фото ЭДС

В итоге p-слой приобретает еще один положительный заряд, а n-слой дополнительный отрицательный. Изначальная контактная разность между n- иp-слоями полупроводника уменьшается, образуется напряжения во внешней цепи (в соответствии с рисунком 3 б). Положительному полюсу источника тока соответствует p-слой, отрицательному n-слой.

Значение установившейся фото ЭДС при освещении постоянной интенсивности излучением перехода отображает уравнения вольтамперной характеристики (ВАХ)(в соответствии с рисунком 4).

Рисунок 4. Вольтамперная характеристика солнечного элемента

U = (kT/q)ln((Iph-I)Is/+1) (3)

где Is- ток насыщения, а Iph - фототок. ВАХ поясняет эквивалентная схема фотоэлемента (в соответствии с рисунком 5) включающая источник тока

Рисунок 5. Эквивалентная схема солнечного элемента

=SqN0Q (4)

где S - площадь фотоэлемента, а коэффициент собирания Q - безразмерный множитель (<1), показывающий, какая доля всех созданных светом электронно-дырочных пар (SN0) собирается p-n-переходом. Параллельно источнику тока включен p-n-переход, ток через который равен Is [eqU/kT-1]. p-n-Переход шунтирует нагрузку, и при увеличении напряжения ток через него быстро возрастает. В нагрузку (сопротивление R) отбирается ток I.

Формула уравнения ВАХ применяется при попадании света на фотоэлемент[10] произвольного спектрального состава, изменяется лишь значение фототока Iph. Максимальная мощность отбирается в том случае, когда фотоэлемент находится в режиме, отмеченном точкой а (в соответствии с рисунком 5).

Максимальная мощность, снимаемая с 1 см², равна

P = Iph×U = x×Iкз×Uхх , (5)

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

Проблема нахождения и использования конструкций и материалов для фотоэлементов.

Эффективная работа фотоэлементов требует соблюдения ряда определенных условий:

·        Для поглощения существенной части фото энергии в пределах толщены слоя, должен быть предельно большим коэффициент активного слоя, поглощения фотопроводника;

·        Дырки и электроны, генерируемые при попадании солнечного освещения на фотоэлемент, должны продуктивно накапливается на обеих сторонах активного слоя контактного электрода;

·        В полупроводниковом переходе фотоэлементу необходимо иметь значительную высоту барьера;

·        В процессе работы для того чтобы уменьшать потерю мощности общие сопротивление включенное последовательно с фотоэлементом, кроме сопротивления нагрузки, должно быть минимальным;

·        По всей активной области фотоэлемента структура тонкой пленки должна быть полностью однородной, это исключает закорачивание и воздействие шунтирующих сопротивлений на технические свойства элемента.

Использование в производстве структур основанных на монокристаллическом кремнии, необходимый для выполнения выше приведенных требований, высокозатратный и сложнотехнологический процесс. В свези с этим большие внимание было обращено на другие материалы отвечающие всем необходимым требованиям: поликристаллические полупроводники, арсенид галлия и сплавы на основе аморфного кремния (a-Si:Н). В качестве менее дорогостоящей альтернативе монокристаллического кремния выступает аморфный кремний. В 1975 году были изобретены первые фотоэлементы на его основе. Световое поглощения кремния аморфного приблизительно в 20 раз больше, нежели кристаллического. Для необходимого поглощения солнечного излучения достаточно толщены 0,5-1,0 мкм пленки a-Si:Н. Для идентичного поглощения видимого света кристаллическим кремнием была необходима пленка толщенной подложки 300-мкм. Современые технологии получения тонких пленок большей площади аморфного кремния делают возможным отказаться от сложно технологических операций полировки, резки и шлифовки, неизбежных при изготовлении фотоэлементов на основе монокристаллического кремния. Производство фотоэлементов на основе аморфного кремния делает возможным уменьшить технологическую температуру (до 300© С), становится возможным использования не дорогих стеклянных подложек, что позволяет минимализировать использование кремния [16]. Развитие технологии позволит увеличить КПД элементов на основе аморфного кремния до теоретического потолка в 16%. На сегодняшний день максимальное КПД этих элементов 12%, что незначительно ниже КПД фотоэлементов на основе кристаллического кремния - 15%.