Солнечная энергетика

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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

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 1 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/м2). 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

Размещено на Allbest.ru

...