Повышение эффективности энергетической системы Казахстана за счёт внедрения солнечной электроэнергетики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Для развития цивилизации жизненно необходимы достаточные источники электроэнергии. Вся человеческая цивилизация находится в постоянной зависимости от источников этого вида энергии. Но современные источники электроэнергии имеют свой ресурс исчерпаемости. В 21 веке остро ощущается необходимость развития новых экологический безопасных и экономический выгодных источниках энергии. Солнечная электроэнергетика в настоящие время является потенциально важнейшим элементом мировой энергетики.

Данная дипломная работа является исследованием и анализом мирового опыта в области солнечной электроэнергетики, рассматривает потенциал солнечной электроэнергетики в общемировом и республиканском масштабе.

Актуальность темы дипломной работы состоит в обосновании эффективности солнечной электроэнергетики как рационального пути решения энергетических, экологических и социально - экономических проблем для Республики Казахстан.

Научная новизна дипломной работы состоит в исследовании нового альтернативного источника электроэнергии.

Практическая значимость исследованийсостоит в обосновании рациональных путей обеспечения народного хозяйства Казахстана электроэнергией, а также связанных с ними экономических и экологических проблем. Это позволит в перспективе повысить эффективность энергетической системы Казахстана в десятки раз и снизить затраты на электроэнергию.

Оценка современного состояния решаемой научной проблемы.

На сегодняшний день основными источниками электроэнергии являются электростанции работающие на углеводородном топливе, таком как уголь (от 30 до 50%,), торф (до 45%), газ (от 10 до 40%,) и мазут, атомные электростанции (17-20 %), гидроэлектростанции (5%) . Но данные способы получение электроэнергии имеют серьезные недостатки: истощаемость углеводородных природных ресурсов, общий дефицит электроэнергии, её дороговизна и проблемы загрязнения окружающей среды. К тому же трагические события в истории атомной энергетики, авария на Чернобыльской АЭС и на атомной станции в городе Фокусима, показывают с какими большими рисками связана эксплуатация атомных электростанций.

По мнению мировых экспертов, единственным выходом из сложившейся ситуации является развитие и эксплуатация нетрадиционных, альтернативных способов получения электроэнергии. Наиболее перспективным является развитие солнечной энергетики (СЭ). В связи с этим мировая общественность признает солнечную энергетику как безопасный и экономически выгодный способ получения электроэнергии без ущерба для окружающей среды и человеческого здоровья.

Солнечная электроэнергетика -- направление нетрадиционной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения электроэнергии. Она использует неисчерпаемый источник энергии и является экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов. Производство электроэнергии с помощью солнечных электростанций хорошо согласовывается с концепцией распределённого производства энергии. На данный момент суммарная мощность всех солнечных электростанций по всему миру составляет 39778 МВт. В процентном отношении эта мощность составила пока только около 0,1% общемировой генерации электроэнергии.

На сегодняшний день основными лидерами по выработке электроэнергии из фотоэлектрических установок и на солнечных электростанциях являются Германия - 17320 МВт, Испания - 3892 МВт, Италия - 3502 МВт и США - 2519 МВт. Технологический опыт этих стран очень важен для понимания всей перспективности солнечной электроэнергетики.

Цель дипломной работы - обосновании предложений по рациональным путям повышения эффективности энергетической системы Казахстана за счёт внедрения солнечной электроэнергетики.

Для достижения этой цели были сформулированы следующие задачи дипломной работы:

1) Проанализировать мировые перспективы развития солнечной электроэнергетики;

2) Изучить передовой опыт развитых стран в сфере решения технико-технологических и экономических проблем разработки и эксплуатации солнечных электростанций различных видов;

3) Проанализировать положение дел в энергосистеме Республики Казахстан;

4) Для выбранного объекта исследования обосновать предложения по рациональному развитию данного сегмента энергетики;

5) Выполнить экономическую, экологическую оценку результатов дипломной работы, а также оценку безопасности в энергетической отросли.

Основным объектом исследования является энергетическая система Казахстана.

В процессе выполнения дипломной работы использовались следующие основные методы исследований: аналитический, статистический, расчётный, монографический, исторический.



1. Аналитический обзор

1.1 Состояние и мировые перспективы развития солнечной энергетики

СЭ является одним из крупнейших сегментов альтернативной энергетики и отрасли использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ). В связи с этим мировая общественность признает солнечную энергетику как безопасный и экономический выгодный способ получение электроэнергии без ущерба для окружающей среды и человеческого здоровья.

Человек давно использует энергию солнца. Солнечные батареи используют не только как источник питания космических станций: они приобрели широкое применение в отдаленных районах Азии и Африки, где затруднен доступ к электросетям. В Индии существует проект замены 4-5 млн. дизельных водяных насосов в деревнях на солнечные установки, что позволит сэкономить около 1000 МВт мощности. Сегодня около 95% многоквартирных домов оснащены солнечными водонагревателямив Израиле, в масштабах страны помогающими экономить 4% энергии. В Китае в 2009 г. около 60 млн. семей пользовались такими устройствами. С 80-х годов в ряде стран реализуются проекты и ведутся исследования, нацеленные на использование солнечной энергии в рамках "большой" энергетики. Это обусловлено перспективой снижения зависимости от традиционных энергоносителей, сжигание которых сопровождается к тому же выбросами "парникового" углекислого газа, с помощью общедоступной и бесплатной энергии солнца. С этой целью строятся солнечные электростанции, мощность крупнейших из которых уже достигает десятков мегаватт. Помимо экономического аспекта не маловажную роль играет и экологический аспект, солнечная энергетика способствует увеличению научного потенциала государства, созданию рабочих мест в передовой отрасли, относится к сфере высоких технологий и ее развитие.

Общее количество солнечной энергии, достигающее поверхности Земли значительно больше мирового потенциала ресурсов органического топлива в 6-7 раз. За неделю на поверхность Земли поступает такое количество солнечной энергии, которое превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и урана. Использование только 0,5% этого запаса могло бы полностью покрыть мировую потребность в энергии в длительной перспективе. Солнечные электростанции работают более чем в 30 странах [1]. Согласно прогнозу [5], по сравнению с 2010 годом, структура энергопотребления человечества к 2100 году изменится примерно следующим образом: потребление нефти в качестве источника энергии уменьшится с 36% до 5%, угля - с 18% до менее одного процента, газа - с 26% до девяти процентов, производство атомной энергии по традиционным технологиям будет прекращено в связи с нерешённостью проблем безопасности, в частности - проблем утилизации вредных ядерных отходов; доля гидроэнергетики уменьшится с шести до полутора процентов, биомассы - с 10% до семи. При этом доля альтернативных возобновимых, экологически чистых, безопасных источников энергии резко возрастёт - ветровая энергетика - от минимума до более семи процентов, прочие виды - до пяти процентов, солнечная энергетика (включая солнечное отопление) - от минимума до более 60% [5].По прогнозу МИРЭС увеличение использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии до 2020 г. ожидается до 12% от мирового потребления традиционной энергетики. Это меньше предыдущего прогноза примерно на восемь процентов по уровню 2020 года. По исследованиям ряда зарубежных специалистов к 2020 году соотношения стоимостей электроэнергии, производимой на основе альтернативных и традиционных видов топлива (дол. США / кВт-ч) ожидается в следующих размерах [6]: энергия солнца - 0,01; тепловая солнечная энергия - 0,03; фотоэлектрическая солнечная энергия - 0,02-0,03; атомная энергия - 0,04 - 0,13; энергия, полученная при сжигании нефтепродуктов - 0,06; при сжигании угля - 0,04. То есть, стоимость самого дорогого, но и самого перспективного (по многим оценкам) варианта солнечной энергии (фотоэлектрической) ожидается до шести раз дешевле атомной, до трёх раз дешевле сжигания нефтепродуктов и до двух раз дешевле сжигания угля [7].

СЭ является одним из крупнейших сегментов альтернативной энергетики и отрасли использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ). В связи с этим мировая общественность признает солнечную энергетику как безопасный и экономически выгодный способ получения электроэнергии без ущерба для окружающей среды и человеческого здоровья. Солнечная энергетика -- направление нетрадиционной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Она использует неисчерпаемый источник энергии и является экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов. Производство энергии с помощью солнечных электростанций хорошо согласовывается с концепцией распределённого производства энергии [2]. На данный момент суммарная мощность всех солнечных электростанций по всему миру составляет 39778 МВт. В процентном отношении эта мощность составила пока только около 0,1% общемировой генерации электроэнергии, в связи с тем, что основная научная деятельность в энергетики была направлена на развитие атомной энергетики, а солнечной энергии не уделялось должное внимание.

Учитывая, что 1 кг кремния в солнечном элементе вырабатывает за 30 лет 300 МВт.ч электроэнергии, легко подсчитать нефтяной эквивалент кремния. Прямой пересчет электроэнергии 300 МВт.ч с учетом теплоты сгорания нефти 43,7 МДж/кг дает 25 т нефти на 1 кг кремния. Если принять КПД ТЭС, работающей на мазуте, 33%, то 1 кг кремния по вырабатываемой электроэнергии эквивалентен примерно 75 тоннам нефти [9].

В связи с высокой надежностью по основным компонентам - кремнию и солнечным элементам срок службы солнечных электростанций может быть увеличен до 50-100 лет. Для этого потребуется исключить из технологии герметизации полимерные материалы. Единственным ограничением может явиться необходимость их замены на более эффективные. КПД в 25-30% по прогнозам будет достигнут в производстве в ближайшие 10-20 лет. В случае замены солнечных элементов кремний может быть использован повторно и количество циклов его использования не имеет ограничений во времени.

Солнечная энергетика вслед за атомной в настоящий момент переживает возрождение. Такое положение связано с ужесточением экологических норм и ростом потребности в электроэнергии. Это "ножницы" мировой экономики, поскольку практический не возможно нарастить энергетические мощности без ущерба для экологии окружающей среды. Выход из сложившейся ситуации - ускоренный переход к более "чистой" энергетике. Так, передовые страны объявили о принятие ряда мер и законопроектов по значительному, поэтапному снижению техногенных выбросов (от 15% до 40%) и выделяемых средствах порядка 30 млрд. долларов США в течение ближайших трех лет и 100 млрд. до 2020 года для помощи наименее обеспеченным странам, страдающим от потепления климата. Эти страны также необходимо оказать своевременную помощь как в технологическом и техническом оснащении солнечных электростанций, обеспечивших промышленно развитым странам технический прогресс в 20 веке, так и в использовании других возобновляемых источниках энергии. Учитывая важность проблемы, было принято решение рассмотреть исполнение юридических обязательств государств по Киотскому протоколу на конференции ООН по климату в этом году в Мехико.

Таким образом, мировая научная общественность как на научном так и на политическом уровне приходят к выводу солнечная электроэнергетика - наиболее эффективный вид альтернативной, безопасной энергетики в обозримой перспективе человечества.

Солнечная энергия в техники впервые была использована в 18 веке. В 1600 году изобрели во Франции первый солнечный двигатель использующейся для перекачки воды. Он работал за счет энергии нагретого воздуха. В конце 17 ого века А. Лавуазье изобретает солнечную печь с температурой в 1650 градусов Цельсия. В ней изучались свойства платины и углерода, а так же нагревались в вакууме образцы исследуемых материалов и защитной атмосферы. Несколько крупных гелиоконцентраторов были построены в Алжире французским ученым А. Мушо в 1866 году. Их использовали для приводов насосов и дистилляции воды. В 1878 году, в Париже А. Мушо была продемонстрирована солнечная печь которая использовалась для температурной обработки продуктов питания. За 20 минут в ней можно было приготовить 500 грамм мяса. Гелио воздушный двигатель размером 4.8 на 3.3 метров, с параболическим концентратором был продемонстрирован в США в 1833 году ученым Дж. Эриксоном. Француз Ш.А. Тальер изобрел первый в мире плоский коллектор гелио энергии. Он использовался в тепловом двигателе и имел площадь 20 м²,тепловой двигатель работал на амеаке. В 1885 году была продемонстрирована схема для подачи воды смонтированная на крыше пристройки к дому, работающая от гелиоустановки с плоским колекктором.

Первая крупномасштабная установка для дистилляции воды была построена в Чили в 1871 г. американским инженером Ч. Уилсоном. Она эксплуатировалась 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°С.

На башенных СЭС сегодня зеркала (гелиостаты) отражают СИ на теплоприемник, установленный на высокой башне. Этот принцип англичанин Уильям Адаме использовал для своей энергетической установки в Бомбее еще в 1878 году. Прототип мощной гелиостанции с параболо-цилиндрическими отражателями, подобной той, что используется сегодня в калифорнийской пустыне Мохаве и вырабатывает пар для турбин, также был разработан в конце прошлого века - американцем Джоном Эрикссоном.

Впервые их начал широко применять американский предприниматель Фрэнк Шуман. Его установки на окраине Каира качали на поля воду Нила. К сожалению, эта действовавшая солнечная силовая установка мощностью в 40 киловатт была разрушена в первую мировую войну.

Получить электрический ток с помощью фотоэффекта впервые удалось советским физикам в 1930-е годы XX века. Фотоэлементы, разработанные тогда в ФТИ им. Йоффе имели КПД до 1%, т.е. в электричество обращался лишь 1% падавшей на элемент энергии. В 1954 году Пирсон, Фуллер и Чапин (США) запатентовали первый элемент с КПД около 6%. Четыре года спустя, солнечные батареи стали основными источниками энергии на космических аппаратах СССР и США.

К середине 70-х годов КПД солнечных элементов приблизился к 10-процентной отметке.

В 1977 году, Соединенные Штаты создали новое правительственное учреждение, деятельность которого была полностью посвящена освоению энергии солнца, ее преобразованию в электричество. 1980-ые были также важным временем в истории развития солнечной энергии. В 1981 году ученые создавали первый солнечный самолет, а в 1982-ом первый солнечный полно приводной автомобиль. В период 1990-2000-х солнечные батареи становятся еще более эффективными, но что еще более важно они стали доступны широкому потребителю, их рынок действительно становится массовым, особенно в том его сегменте, который относится к индивидуальному домовладению и строительству частных домов. В 1985 году все установленные мощности мира полученные из энергии солнца составляли 21 МВт. [3]

За 26 лет установленная мировая мощность возрастает с 21 МВт до 39778 МВт. Такое увеличение мощности связанно с усовершенствованием и удешевлением способов переработки прямой солнечной энергии в электрическую.



1.2 Передовой мировой опыт производства солнечной электроэнергии

На сегодняшний день основными лидерами по выработке электроэнергии из фотоэлектрических установок и на солнечных электростанций является Германия - 17320 МВт, Испания - 3892 МВт, Италия - 3502 МВт и США - 2519 МВт.

Опыт этих передовых научных стран очень важен для понимания всей перспективности солнечной электроэнергетики. Попытаемся кратко описать некоторые аспекты солнечной энергетики Германии, Испании, Италии и США.

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:

1. Масса MS~2*1023 кг

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

3. RS~629 тыс. км

4. м³светимость LS=3,86*1023 кВт,

5. средняя плотность 1,41*103 кг/

6. эффективная температура поверхности (фотосфера) 5780 К,

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

8. 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

E=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:

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

2. 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.

1.3.1 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

Iph=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 = IphЧU = xЧIкзЧUхх , (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%.

На основе структуры металл-полупроводник (Диод Шотки) были изобретены наиболее упрощенные конструкции фотоэлемента изa-Si:Н (в соответствии с рисунком 6).

Рисунок 6.Конструкция фотоэлемента с барьером Шотки



Несмотря на кажущеюся техническую не сложность, реализация этих фотоэлементов проблематична - все состояния на границе металла a-Si: Н должны быть абсолютно стабильными во времени. Металлический электрод должен обладать следующими характеристиками: равномерность по толщине и прозрачность. В основном фотоэлементы на основе аморфного кремния размещают на стеклянных подложках, с нанесением проводящего слоя. Так же фотоэлемент формируют на ленте из нержавеющей стали.

При формировки a-Si:Н на металлическую подложку формируется негативный потенциальный барьер металлическая подложка/аморфный кремний. Необходимо уменьшать высоту данного барьера. С этой целью применяются металлические подложки с малой работой выхода (молибден, никель, неодим). Рекомендуется перед нанесением a-Si:Н осадить на металлической подложке слой (10-30 нм) легированного фосфора. Не целесообразно применения для материалов электрода легко вступающие в реакцию с аморфным кремнием металлы: золото, алюминий, медь и серебро. Это связано с плохой адгезией аморфного кремния по отношению к этим металлам. Напряжение холостого хода (Uxx) фотоэлементов с барьером Шоткине выше 0,6 В.

Процесс использования стеклянных подложек отличается тем что на них наносится специальная прозрачная для света оксидная пленка из оксида олова, трехвалентного оксида индия или из индий 3 олово 4 оксида(SnO2+In2O3).Это позволяет освещать элемент через стекло. Барьер Шотки возникает в свези осаждения металлических пленок с высокой работой выхода, в свези со слабым негелированием слоя электронной проводимости фотоэлемента на основе кремния. Фотоэлементы на основе аморфного кремния с структурой p-i-n обладают более высокой производительностью. Эффективность увеличивается за счет нелегированной i-области, поглощающею основную долю света. Но и этот вид фотоэлементов не лишен недостатков: очень малая (~100 нм) диффузионная длина дырок. За счет этого в фотоэлектрических солнечных элементах на основе аморфного кремния носители заряда достигают электродов за счет дрейфа носителя заряда тесть благодаря внутреннему электрическому полю. Носители заряда в фотоэлементе на основе кристаллических полупроводников, имея большую диффузионную длину (100 - 200 мкм), и в отсутствие электрического поля достигают электродов. Поскольку в простом p-n-переходе в a-Si:H диффузионная длина носителей заряда мала область сильного электрического поля очень узка, в большей части фотоэлемента эффективного разделения носителей заряда не генерируемых при поглощении света происходит,. для получения эффективных СЭ на основе p-i-n-сруктуры аморфного гидрогенизированного кремния необходимо добиться достаточного для достижения длины дрейфа носителей соизмеримого с размерами области поглощения во всей i-области однородного мощного внутреннего электрического поля, (в соответствии с рисунком 7).

Рисунок 7. Энергетическая зонная диаграмма p-i-n-структуры (а) и расчетное распределение электрического поля (б)

Данная задача решается, если при изготовлении p-i-n-структуры первым формировать p-слой (в соответствии с рисунком. 8).



Рисунок 8. р-i-n-Структура

Для его создания необходимо небольшое количество бора (<1018 см³), а значит, существенного загрязнения нелегированного слоя не происходит.

В то же время, если первым осаждать n-слой, то наличие остаточного фосфора изменяет свойства i-слоя. Формирование p-слоя на поверхности прозрачного проводящего электрода обеспечивает с ним хороший электрический контакт. Однако толщина p-слоя должна быть мала (10 нм), чтобы основная часть света поглощалась в i-области.

Используется и другая p-i-n-структура СЭ на основе a-Si:H с подложкой из металлической фольги, в частности из нержавеющей стали. Свет попадает со стороны прозрачного электрода, контактирующего с n-областью. В результате возрастает плотность тока короткого замыкания благодаря отражающей способности металлической подложки и меньшему оптическому поглощению света легированными фосфором пленками a-Si:H (n-область) по сравнению с легированными бором р-слоями.

Проблема с применением рассмотренных p-i-n-элементов в том, что их можно оптимизировать только в одном измерении. Значительно больше возможностей в этом плане предоставляет СЭ с поперечным переходом: на изолирующей подложке перпендикулярно к поверхности формируется p-i-n-структура a-Si:H (в соответствии с рисунком 9).



Рисунок 9. Солнечная батарея с поперечным переходом

Такой СЭ не требует прозрачного проводящего оксида в качестве контакта и широкозонного p-слоя для создания прозрачного оконного слоя, его можно изготовить посредством стандартных технологий микроэлектроники. Один из наиболее перспективных материалов для создания высокоэффективных солнечных батарей -- арсенид галлия. Это объясняется таким его особенностями, как:

· почти идеальная для однопереходных солнечных элементов ширина запрещенной зоны 1,43 эВ;

· повышенная способность к поглощению солнечного излучения: требуется слой толщиной всего в несколько микрон;

· высокая радиационная стойкость, что совместно с высокой эффективностью делает этот материал чрезвычайно привлекательным для использования в космических аппаратах;

· относительная нечувствительность к нагреву батарей на основе GaAs;

· характеристики сплавов GaAs с алюминием, мышьяком, фосфором или индием дополняют характеристики GaAs, что расширяет возможности при проектировании СЭ

Главное достоинство арсенида галлия и сплавов на его основе -- широкий диапазон возможностей для дизайна СЭ. Фотоэлемент на основе GaAs может состоять из нескольких слоев различного состава. Это позволяет разработчику с большой точностью управлять генерацией носителей заряда, что в кремниевых СЭ ограничено допустимым уровнем легирования. Типичный СЭ на основе GaAs состоит из очень тонкого слоя AlGaAs в качестве окна.

Основной недостаток арсенида галлия - высокая стоимость. Для удешевления производства предлагается формировать СЭ на более дешевых подложках; выращивать слои GaAs на удаляемых подложках или подложках многократного использования. Поликристаллические тонкие пленки также весьма перспективны для солнечной энергетики.

Чрезвычайно высока способность к поглощению солнечного излучения у диселенида меди и индия (CuInSe2) - 99% света поглощается в первом микроне этого материала (ширина запрещенной зоны - 1,0 эВ) [2, 5]. Наиболее распространенным материалом для изготовления окна солнечной батареи на основе CuInSe2 является CdS. Иногда для улучшения прозрачности окна в сульфид кадмия добавляют цинк. Немного галлия в слое CuInSe2 увеличивает ширину запрещенной зоны, что приводит к росту напряжения холостого хода и, следовательно, повышению эффективности устройства.

Один из основных способов получения CuInSe2 -- электрохимическое осаждение из растворов CuSO4, In2(SO4)3 и SeO2 в деионизованной воде при соотношении компонентов Cu:In:Se как 1:5:3 и pH "1,2-2,0. Еще один перспективный материал для фотовольтаики -- теллурид кадмия (CdTe). У него почти идеальная ширина запрещенной зоны (1,44 эВ) и очень высокая способность к поглощению излучения. Пленки CdTe достаточно дешевы в изготовлении. Получение разнообразных сплавов CdTe c Zn, Hg с другими элементами для создания сплавов с определенными свойствами с технической стороны вопроса не отличаются особо крупными затратами. Подобно CuInSe2, наилучшие элементы на основе CdTe включают гетеропереход с CdS в качестве оконного слоя. Оксид олова используется как прозрачный контакт и просветляющее покрытие. Серьезная проблема на пути применения CdTe - высокое сопротивление слоя p-CdTe, что приводит к большим внутренним потерям. Эта проблема решилась после добавления в p-i-nструктуру CdTe/ZnTe гетероперехода, добавление структуры снизило высокое сопротивление. Наиболее ответственный этап формирования СЭ на основе CdS/CdTe - осаждение поглощающего слоя CdTe толщиной 1,5-6 мкм. Для этого используют различные способы: сублимацию/конденсацию, электрохимическое осаждение, трафаретную печать, химическое осаждение из газовой фазы и распыление. Пленки CdTe, полученные данными методами, обладают высокой подвижностью носителей заряда, а СЭ на их основе - высокими значениями КПД, от 10 до 16%. CuGaSe2 также весьма интересен как тонкопленочный элемент солнечных батарей. Благодаря запрещенной зоне шириной 1,68 эВ он используется как верхний элемент тандемной солнечной батареи с нижним элементом из CuInSe2. Слои CuGaSe2 формируют путем последовательного осаждения термическим испарением тонких слоев Ga, Se и Cu на поверхность стеклянной подложки, покрытой слоем молибдена толщиной 1 мкм .Далее из полученной структуры в установке быстрого термического отжига в течение пяти минут при температуре 550°С получают соединение CuGaSe2.

Одним из перспективных материалов для дешевых солнечных батарей благодаря приемлемой ширине запрещенной зоны (1,4-1,5 эВ) и большому коэффициенту поглощения 104 см-1 является Cu2ZnSnS4. Его главное достоинство в том, что входящие в него компоненты широко распространены в природе и нетоксичны. Однако пока достигнута эффективность преобразования всего в 2,3% при использовании гетероперехода Cu2ZnSnS4 и CdS/ZnO. Среди СЭ особое место занимают батареи, использующие органические материалы. В частности, КПД СЭ на основе диоксида титана, покрытого органическим красителем, весьма высок - ~11 %. Немаловажно, что подложками в таких элементах могут выступать полимерные пленки. Основа СЭ данного типа - широкозонный полупроводник, обычно TiO2, покрытый монослоем органического красителя, как правило - цис-(NCS) 2бис (4,4'-дикарбокси - 2,2'бипиридин) - рутением (II) (в соответствии с рисунком 10).



Рисунок 10. Солнечная батарея на основе органических материалов

Фотоэлектрод такого устройства представляет собой на нопористую пленку TiO2 толщиной 1 мкм, осажденную на ТСО на стекле. Отражающим электродом служит тонкий слой Pt, осажденный на TCO на стекле. Пространство между двумя электродами заполняют электролитом, обычно содержащим иодид/трииодид (I-/I3-). Принцип работы элемента основан на фотовозбуждении красителя и быстрой инжекции электрона в зону проводимости TiO2. При этом молекула красителя окисляется, через элемент идет электрический ток и на платиновом электроде происходит восстановление трииодида до иодида. Иодид минуя электролит к фотоэлектролиту, попутно восстанавливает окислительный краситель инжектируя электрон в зону проводимости. Для солнечной батареи на эффекте Шотки используют фталоцианин - органический полупроводник p-типа. В нем наиболее привлекают высокая фотопроводимость в видимой области спектра и термическая стабильность. Основной недостаток - низкое время жизни носителей вследствие большого числа ловушек. Для повышения времени жизни фталоцианин легируют фуллеренами или 2-, 4-, 7-тринитрофлуореноном, создающими акцепторные уровни.

Фуллерены (С60) также весьма перспективны для органических солнечных батарей на основе гетероструктур С60/p-Si в связи с их способностью к сильному поглощению в коротковолновой области солнечного спектра. Поликристаллический фуллерен С60 толщиной ~1 мкм осаждают на кремниевую подложку в глубоком вакууме. Далее на слой С60 наносят алюминиевые контакты. В качестве заднего контакта используется сплав GaxIny на позолоченной подложке.

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 (в соответствии с рисунком 11) тепло преобразуется в электроэнергию посредством селективных эмиттеров из оксидов редкоземельных элементов - эрбия и иттербия.

Рисунок 11. Схема термофотоэлектрического солнечного элемента

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. Для того чтобы добиться необходимой ширены запрещенной зоны используют InxGa1-xAs, так как он более всего подходит для материала фотоэлектрической ячейки и обладает всеми необходимыми свойствами. Каскадные фотоэлементы на основе использования арсенида галия. Большинство современных фотоэлементах обладают одним p-n-переходом. В таком элементе свободные носители заряда создаются только теми фотонами, энергия которых больше или равна ширине запрещенной зоны. Другими словами, фотоэлектрический отклик однопереходного элемента ограничен частью солнечного спектра, энергия которого выше ширины запрещенной зоны, а фотоны меньшей энергии не используются. Преодолеть это ограничение позволяют многослойные структуры из двух и более фотоэлементов с различной шириной запрещенной зоны. Такие элементы называются многопереходными, каскадными или тандемными. Интенсивность их фото электропреобразования значительно выше , в свези с тем что они поглощают значительно большую часть солнечного спектра [17]. В типичном много переходном солнечном элементе одиночные фотоэлементы расположены друг за другом таким образом, что солнечный свет сначала попадает на элемент с наибольшей шириной запрещенной зоны, при этом поглощаются фотоны с наибольшей энергией. Пропущенные верхним слоем фотоны проникают в следующий элемент с меньшей шириной запрещенной зоны и т.д.

Основное направление исследований в области каскадных элементов связано с использованием арсенида галлия в качестве одного или нескольких компонентов. Эффективность преобразования подобных СЭ достигает 35%. Кроме того в каскадных элементах широко применяются аморфный кремний, сплавы на его основе (a-Si1-xCx:H, a-Si1-xGex:H), а также CuInSe2(в соответствии с рисунком 12)изображена каскадная батарея, в которой верхним элементом служит структура на основе GaInP c n-AlInP в качестве окна, далее следует туннельный диод на GaAs для прохождения носителей между элементами и нижний элемент из GaAs.

Рисунок 12. Каскадный элемент



Весьма перспективны каскадные батареи, состоящие из трех элементов с различной шириной запрещенной зоны (в соответствии с рисунком 13).

Рисунок13. Трехкаскадный солнечный элемент на основе сплавов a-SiGe:H

Верхний слой, поглощающий коротковолновую область солнечного спектра, сформирован из сплава на основе a-Si:H с шириной оптической щели 1,8 эВ. Для серединного элемента в качестве слоя i-типа использован сплав a-SiGe:H с содержанием германия ~10-15%. Ширина оптической щели данного слоя (1,6 эВ) идеальна для поглощения зеленой области солнечного спектра. Нижняя часть СЭ поглощает длинноволновую часть спектра, для этого используется i-слой a-SiGe:H с концентрацией германия 40-50%. Непоглощенный свет отражается от заднего контакта на основе Ag/ZnO. Между соседними отделениями создают туннельный переход создают связанные между собой сильнолегированными слоями три элемента каскадной солнечной батареи.

1.3.2 Термодинамические солнечные электростанции

В устройстве термодинамических солнечных электростанций используют теплообменные элементы с селективным светопоглощающим покрытием. Они способны поглощать до 97% попадающего на них солнечного света. Эти элементы даже за счет обычного солнечного освещения могут нагреваться до 200°С и более.

С помощью них воду превращают в пар в обычных паровых котлах, что позволяет получить эффективный термодинамический цикл в паровой турбине. КПД солнечной паротурбинной установки может достигать 20% (в соответствии с рисунком 14).

Рисунок 14. 1 - прозрачная двухслойная оболочка. 2 - пористое вещество, поглощающее солнечные лучи (древесный уголь). 3 - паровая турбина. 4 - конденсатор водяного пара.

Установка работает следующим образом. Солнечные лучи, проходя через прозрачную оболочку 1, попадают на поглощающее вещество 2. В качестве поглощающего солнечную энергию вещества предполагалось использовать древесный уголь, непрерывным слоем покрывающий поверхность воды. Поглощая солнечные лучи, уголь нагревается и испаряет пропитывающую его воду. Водяной пар скапливается под куполом прозрачной оболочки. По оценочным расчетам температура поверхности угля в дневные часы при безоблачном небе должна превышать сто градусов по Цельсию. Поскольку давление водяных паров при ста градусах по Цельсию равно атмосферному, то прозрачная оболочка находится в развернутом положении. Из-под оболочки пар по паропроводу поступает на паровую турбину 3. Пройдя через турбину и, отдав свою энергию, пар охлаждается в конденсаторе 4 и превращается в воду. Температура конденсирующего пара составляет примерно сорок градусов по Цельсию. При такой температуре давление пара составляет всего одну десятую часть атмосферы, то есть перепад давления на паровой турбине составляет 0.9 атмосферы. За счет этого перепада турбина крутится и вращает электрогенератор [18].

Этот эффект послужил основанием для разработки конструкции аэростатной гелио электростанции. Источником энергии в ней является специальная емкость аэростата, заполненная рабочим телом, чаще водяным паром. Внутренняя часть аэростата покрыта специальным светопоглощающим селективным покрытием и за счет того что внешняя часть баллона пропускает солнечные лучи пар в аэростате нагревается до 150-180°С. Пар образованный в результате этого процесса будет иметь давление идентичное атмосферному и температуру130-150°С. Генерация пара происходит за счет постоянного распыления в нутрии аэростата не нагретой воды.

По средствам гибкого паропровода из аэростата водяной пар отправляется в турбину, пар в специальном конденсаторе при выходе из турбины переходит в жидкое агрегатное состояние. Обратно в аэростат воду подают с помощью специального водяного насоса. Генерация электроэнергии ночью в такой электростанции осуществляется за счет того пара что был накоплен за время солнечной активности. Возможно регулирование мощности в течении суток, в зависимости от необходимых потребностей.