Материал: Сонячна енергетика у світі

Сонячна енергетика у світі

Міністерство освіти і науки молоді та спорту України

Прикарпатський національний університет ім. Василя Стефаника

"Сонячна енергетика у світі"

Івано-Франківськ

План

Вступ

.        Сонячна енергетика і способи отримання електрики з сонячного випромінювання

.        Стан і перспективи розвитку сонячної енергетики

.        Найбільша у світі сонячна електростанція

.        Недоліки сонячної енергетики

.        Сонячна енергетика в Україні

.        Значення і перспективи реалізації проектів по організації виробництва сонячних батарей в Україні

Висновок

Список використаної літератури

Вступ

Сьогодні сонячна енергетика стає актуальною як ніколи. Глобальні проблеми з енергоносіями, залежність нашої держави від імпортних вуглеводнів, все це змушує нас шукати нові джерела енергії, а державу - вкладати гроші у сонячні електростанції та зелений тариф.

В даний час у суспільній свідомості міцніє переконаність у тому, що енергетика майбутнього повинна базуватися на великомасштабному використанні сонячної енергії, причому в самих різних її проявах.

Сонце - це величезний, невичерпний, абсолютно безпечне джерело енергії, в рівній мірі всім належить і всім доступний. Ставка на сонячну енергетику повинна розглядатися не тільки як безпрограшний, але в довготривалій перспективі і як безальтернативний вибір для людства. Ми розглянемо в ретроспективному і перспективному плані можливості перетворення сонячної енергії в електричну за допомогою напівпровідникових фотоелементів. Ці пристрої представляються сьогодні цілком дозрілими в науковому та технологічному відношенні для того, щоб розглядатися в якості технічної бази для великомасштабної сонячної електроенергетики майбутнього.

1. Сонячна енергетика і способи отримання електрики з сонячного випромінювання

Сонячна енергетика - використання сонячної енергії для отримання енергії в будь-якому зручному для її використання вигляді. Сонячна енергетика використовує поновлюване джерело енергії і в перспективі може стати екологічно чистою, тобто такою, що не виробляє шкідливих відходів.

На сьогодні сонячна енергетика широко застосовується у випадках, коли малодоступність інших джерел енергії в сукупності з достатньою кількістю сонячного випромінювання виправдовує її економічно.

Потік сонячного випромінювання, що проходить через площу 1 м², розташовану перпендикулярно потоку випромінювання на відстані однієї астрономічної одиниці від центру Сонця (тобто зовні атмосфери) Землі, дорівнює 1367 Вт/м² (сонячна постійна).

Через поглинання атмосферою Землі, максимальний потік сонячного випромінювання на рівні моря - 1020 Вт/м². Середньодобове значення потоку сонячного випромінювання як мінімум в три рази менше (через зміни дня і ночі і зміни кута сонця над горизонтом). Взимку в помірних широтах це значення в два рази менше. Ця кількість енергії з одиниці площі визначає можливості сонячної енергетики.

Перспективи сонячної енергетики також зменшуються внаслідок глобального затемнення - антропогенного зменшення сонячного випромінювання, що доходить до поверхні Землі.

Отримання електроенергії за допомогою фотоелементів. Для цієї мети застосовують кремнієві сонячні батареї, ККД яких доходить до 20%. Але вартість отримання чистого кремнію досить велика. Кремній, в якому на 10 кг продукту припадає не більше 1 грама домішок коштує стільки ж, скільки збагачений уран для електростанцій, хоча запаси останнього в 100 000 разів менше запасів кремнію. У той же час, "хорошого" кремнію у світі добувають в 6 разів менше, ніж такого ж урану.

З однієї тонни піску, в якому міститься 500 кг кремнію отримують 50-90 кг сонячного сіліціума. При цьому на отримання 1 кг витрачається близько 250 кВт-годин електроенергії. За новою технологією, розробленою німецькою фірмою Siemens ще в 1979 р. енерговитрати падають на порядок, і вихід продукту збільшується в 10-15 разів. Вартість отримання кремнію при цьому падає до 10-15 $ за кілограм. Простий пісок для цієї технології не підходить. Тут потрібні "особливо чисті кварцити", поклади яких в значному обсязі, в основному, знаходяться в Росії.

Такі батареї можна встановлювати на супутниках, автомобілях, крилах літака, вмонтувати їх елементи в годинники, калькулятор, ноутбук. Термін їх служби становить 30 років. За цей час елемент, на виготовлення якого пішов 1 кг сонячного кремнію, може дати стільки ж електроенергії, скільки її може бути отримано при використанні 100 т нафти на ТЕС або 1 кг збагаченого урану на АЕС.

При другому методі встановлюються на території в кілька тисяч квадратних метрів дзеркала-геліостати, які повертаючись слідом за сонцем направляють промені сонячного світла на ємність з теплоприймачем (водою). Вода нагрівається, перетворюється в пару, яка крутить турбіну, а остання обертає генератор струму.

Геліотермальна енергетика - нагрівання поверхні, що поглинає сонячні промені і подальший розподіл і використання тепла (фокусування сонячного випромінювання на ємності з водою для подальшого використання нагрітої води в опалюванні або в парових електрогенераторах).

Сонячну енергію можна використовувати для отримання тепла безпосередньо без перетворення в електричну. Установки, які збирають, зберігають і передають тепло, називаються сонячними колекторами. При цьому, на даху будинку, або на його південній стороні встановлюється панель, що складається з трубочок, по яких в спеціальний бак-акумулятор подається вода. Сонце нагріває воду в трубах до 60-70 С, яка накопичується в баку, а звідти надходить для обігріву або гарячого водопостачання.

"Сонячне вітрило" може в безповітряному просторі перетворювати сонячні промені в кінетичну енергію.

Термоповітряні електростанції (перетворення сонячної енергії в енергію повітряного потоку, що направляється на турбогенератор).

Сонячні аеростатні електростанції (генерація водяної пари усередині балона аеростата за рахунок нагрівання сонячним випромінюванням поверхні аеростата, покритої селективно-поглинаючим покриттям). Перевага - запасу пари в балоні достатньо для роботи електростанції в темний час доби і хмарну погоду.

2. Стан і перспективи розвитку сонячної енергетики

Найбільш широке застосування сонячна енергетика знайшла у системах теплопостачання. Вони слугують для гарячого водопостачання, опалення та інших потреб, що дозволяє значно зменшити використання традиційних паливних ресурсів.

Сучасною тенденцією є швидке розширення сфер використання сонячної електроенергетики як для централізованого вироблення електроенергії на сонячних електростанціях, так і в індивідуальних системах електропостачання громадських і власних будівель.

У країнах, де має місце високий рівень розвитку сонячної енергетики, існують відповідні державні програми, які забезпечують сприятливі умови, в тому числі економічні, для її використання і розвитку.

У Німеччині, яка лідирує в ЄС за сумарною потужністю сонячних установок, використання системи сонячного теплопостачання, наприклад для опалення, супроводжується підсиленням теплозахисту будівель, утилізацією теплових викидів і в цілому зниженням енерговитрат. Так, застосування сонячно-теплопомпової системи теплопостачання індивідуальних житлових домів з вакуумними сонячними колекторами забезпечує до 70% енергоспоживання.

Загальна площа сонячних колекторів в 2008 р. склала, наприклад, в Ізраїлі - 3,5 млн. м2 (більше 80% води нагрівається сонячною енергією), в США - більше 10 млн. м2, в Японії - 8 млн. м2. Більше половини сонячних колекторів у світі - в Китаї. Основними споживачами сонячної енергії є також Швеція, Данія, Німеччина, Іспанія, Індія та інші країни.

У теперішній час біля 7 млн. будинків у світі обладнано сонячними батареями. Сонячна енергія широко використовується для виробництва електроенергії, яка передається в енергосистему, а також для децентралізованого електропостачання окремих населених пунктів, фермерських господарств, островів, морських і космічних станцій.

У 2004 р. в світі встановлена потужність сонячних теплових електростанцій склала 0,4 млн. кВт, а сонячних колекторів для теплопостачання - 77 млн. кВт (теплових).

У 2007 р. в США введена в експлуатацію сонячна електростанція потужністю 64 МВт, в Іспанії - потужністю 11 МВт з геліостатичним полем з 624 дзеркал площею 120 м2 кожне і баштою висотою 115 м. У США планується будівництво сонячної електростанції потужністю 280 МВт, а в Австралії будується така електростанція потужністю 250 МВт.

. Найбільша у світі сонячна електростанція

Революційний план Каліфорнії ( США ) - отримати 33% всієї енергії від сонця та вітру , вже через 5 років. Штат продовжує швидкими темпами нарощувати потужності альтернативної електроенергетики , намагаючись забезпечити третину від загального споживання за рахунок енергії сонця , вітру та гейзерів , вже до 2020 року. І ось введена в експлуатацію найбільша в світі сонячна геотермальна електростанція.Сьогодні це вже не експерементальна , а звична працююча технологія. В світі вже функціонує близько 100 таких станцій ( всі за останні 5 років ) і в процесі будівництва ще 50 об’єктів. Дана установка буде виробляти електроенергію для 140 000 будинків , при цьому робитиме це навіть після заходу сонця. Як? Знайомтесь - Ivanpah Solar Electric Generating System / Каліфорнія/ США. Станція Ivanpah Solar розташована в пустелі Мохаве / Mojave / , в трьох годинах поїздки на схід від Лос-Анжелеса . Її будівництво велось близько 3-х років та коштувало 2 млрд. 200млн. доларів. Станція виробляє абсолютно чисту енергію , без необхідності спалювання будь якого викопного палива. Сонячна енергія використовується станцією навіть після заходу сонця. Секрет безперебійної роботи геліоустановки в трьох башнях , що оточені тисячами дзеркал.

Рис.1 Сонячна електростанція у Каліфорнії (США)

Станція не використовує вже звичні сонячні панелі ( фотоелектричні модулі ). Замість них застосовуються цілком звичайні дзеркала , які ми використовуємо в наших оселях.

Кожен дзеркальний модуль - це система з двох великих дзеркал , розміром як гаражні ворота. Такий модуль називається - геліостат. Станція складається з 173 000 таких геліостатів.

Всі ці дзеркала-геліостати спрямовують сонячні промені на вершини трьох надвисоких веж , які знаходяться в центрі. Кожен геліостат рухомий та за допомогою комп’ютера всі 170 000 дзеркал обертаються за сонцем. Таким чином сонячні промені попадають до веж на протязі всього світлового дня.

Висота кожної вежі 148 метрів . На вершині встановлених веж знаходяться котли з рідиною , яка внаслідок нагріву сонячними променями , які направляються дзеркалами , перетворюється в пару. Температура в котлах може підніматись до 700 грд.С.

Загальна потужність Ivanpah Solar - 392 МВт . Вся ця потужність пари передається вниз вежі - на турбіни , які виробляють електроенергію.

Великою перевагою геліотермальних електростанцій перед звичайними сонячними панелями являється можливість акумулювати надлишки енергії , а значить працювати і після заходу сонця. Перегріта рідина накопичується в спеціальних об’ємних сховищах і вночі використовується для роботи турбін та виробництва електроенергії. Сховища можуть забезпечити роботу турбін до 15 годин на повній потужності. Таким чином геліотермальні станції виробляють електроенергію 24 години на добу , 7 днів на тиждень. Надзвичайно важливо , що такий інноваційний енергозберігаючий проект було здійснено з великою відповідальністю до оточуючого середовища. Оскільки будівництво станції ставило під загрозу рідкісні види черепах , що живуть в пустелі , компанією-власником була втілена спеціальна програма по захисту тварин. Була додатково придбана велика ділянка в стороні від станції , куди переселили 200 рідкісних черепах. Програма обійшлась компанії в 22млн. доларів , які були витрачені на купівлю землі , залучення біологів та переселення унікальних тварин.

Отримати 33% енергії з альтернативних джерел енергії - дуже амбітна ціль та колосальна цифра для Каліфорнії. Доречі , ВВП Каліфорнії - 2,2 трлн.доларів , що перевищує валовий продукт таких країн як Росія , Італія , Індія , Австралія чи Іспанія. Енергії потрібно дуже багато. І зараз в США відбувається справжня революція альтернативної енергетики. Кожні 3 хв. мінімум один американський будинок переходить на використання сонячної енергії. Кількість шкідливих викидів в США з 2005 року скоротилась на 17%. Введення в дію однієї такої станції як Ivanpah Solar щорічно зменшує викиди СО2 на 400 000 т , що еквівалентно забрудненню , яке створюють 77 000 автомобілів. Сонячна енергетика сьогодні це вже не альтернатива , це основа нової економіки.

4. Недоліки сонячної енергетики

Фундаментальні проблеми

Через відносно невелику величину сонячної постійної для сонячної енергетики потрібне використання великих площ землі під електростанції (наприклад, для електростанції потужністю 1 Гвт це може бути декілька десятків квадратних кілометрів). Проте, цей недолік не такий великий, наприклад, гідроенергетика виводить з користування значно більші ділянки землі. До того ж фотоелектричні елементи на великих сонячних електростанціях встановлюються на висоті 1,8-2,5 метра, що дозволяє використовувати землі під електростанцією для сільськогосподарських потреб, наприклад, для випасу худоби.

Проблема знаходження великих площ землі під сонячні електростанції вирішується у разі застосування сонячних аеростатних електростанцій, придатних як для наземного, так і для морського і для висотного базування.

Потік сонячної енергії на поверхні Землі сильно залежить від широти і клімату. У різних місцевостях середня кількість сонячних днів в році може дуже сильно відрізнятися.

Технічні проблеми

Сонячна електростанція не працює вночі і недостатньо ефективно працює у ранкових і вечірніх сутінках. При цьому пік електроспоживання припадає саме на вечірні години. Крім того, потужність електростанції може стрімко і несподівано коливатися через зміни погоди. Для подолання цих недоліків потрібно або використовувати ефективні електричні акумулятори (на сьогоднішній день це невирішена проблема), або будувати гідроакумулюючі станції, які теж займають велику територію, або використовувати концепцію водневої енергетики, яка також поки далека від економічної ефективності.

Проблема залежності потужності сонячної електростанції від часу доби і погодних умов вирішується у разі сонячних аеростатних електростанцій.

Висока ціна сонячних фотоелементів. Ймовірно, з розвитком технології цей недолік подолають. В 1990-2005 рр. ціни на фотоелементи знижувалися в середньому на 4% на рік.

Недостатній ККД сонячних елементів (ймовірно, буде незабаром збільшений).

Поверхню фотопанелей потрібно очищати від пилу і інших забруднень. При їх площі в декілька квадратних кілометрів це може викликати утруднення.

Ефективність фотоелектричних елементів помітно падає при їх нагріванні, тому виникає необхідність в установці систем охолоджування, зазвичай водяних.

Через 30 років експлуатації ефективність фотоелектричних елементів починає знижуватися.

Екологічні проблеми

Незважаючи на екологічну чистоту отримуваної енергії, самі фотоелементи містять отруйні речовини, наприклад, свинець, кадмій, галій, миш'як і т. д., а їх виробництво споживає масу інших небезпечних речовин. Сучасні фотоелементи мають обмежений термін служби (30-50 років), і масове їх застосування поставить в найближчий час складне питання їх утилізації.

Останнім часом починає активно розвиватися виробництво тонкоплівкових фотоелементів, у складі яких міститься всього біля 1% кремнію. Завдяки низькому вмісту кремнію тонкоплівкові фотоелементи дешевші у виробництві, але поки мають меншу ефективність. Так, наприклад, в 2005 р. компанія "Shell" ухвалила рішення сконцентруватися на виробництві тонкоплівкових елементів, і продала свій бізнес по виробництву кремнієвих фотоелектричних елементів.