Альтернативная энергетика

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

Введение

Глава 1. Понятие, классификация и перспективы возобновляемых источников энергии (ВИЭ)

1.1 Понятие возобновляемых источников энергии

1.2 Классификация солнечных энергетических установок, процессы преобразования

1.3 Перспективы использования солнечной энергии

Глава 2. Обзор потенциала солнечной энергии в России

2.1 Территория России через призму PV панелей

2.2 Компрессорная станция, как объект энергопотребления

Глава 3. Экспериментальная часть

3.1 Общие сведения

3.2 Технические характеристики

3.3 Проведение эксперимента

Заключение

Список использованных источников

компрессорный солнечный энергопотребление возобновляемый



Введение

С развитием человеческой цивилизации энергопотребление стало одним из основных показателей качества жизни. Чем выше потребление энергии на душу населения, тем выше качество жизни.

В настоящее время существенная часть потребностей человека может быть удовлетворена за счет использования традиционных углеводородных источников энергии. Однако данная стратегия грозит возможностью энергетического кризиса в будущем. Рано или поздно человечеству придется задуматься о переходе на альтернативные источники энергии. Именно поэтому первостепенными задачами являются разработка, развитие, совершенствование и внедрение технологий использования данных источников энергии.

Это необходимо по ряду причин.

Во-первых, ископаемые, используемые для получения энергии, рано или поздно кончатся. На сегодняшний день по прогнозам экспертов запасы нефти (доля потребления 33% в балансе энергопотребления) иссякнут примерно через 46 лет, газа (23,7% от потребления [30, с. 42]) - 59 лет, а угля (30,3% от потребления) - 135 лет. Ядерного топлива хватит примерно на 38 лет при условии развития реакторов на быстрых нейтронах. Однако одной атомной энергетикой не обойтись. Особенно учитывая последние события в Японии и последующие действия правительств ведущих стран, значительно уменьшивших инвестиции в развитие данных технологий или же решивших полностью от них отказаться (Германия).

Во-вторых, немаловажен и фактор экологии, так как следствием использования всех вышеперечисленных источников энергии является огромное количество вредных выбросов или отходов. Учитывая тот факт, что в 2013 году уровень углекислого газа, являющегося основным продуктом сжигания углеводородов, достиг исторического максимума и в дальнейшем будет только расти, развитие альтернативных экологически чистых источников энергии становится одной из ведущих задач на ближайшие десятилетия.

В-третьих. Россия является крупнейшей страной в мире. Количество подтвержденных запасов полезных ископаемых на ее территории огромно. Однако имеется и существенный недостаток - так называемая нефтяная игла или экономика ископаемых ресурсов, в зависимость от которой попадает вся страна. Увеличение же доли потребления альтернативных источников энергии позволит снизить зависимость экономики от цен на энергоносители на внешних рынках, а также будет являться началом развития инновационных отраслей промышленности и энергетики.

Стоит отметить, что одной из ключевых задач газовой промышленности является бесперебойное обеспечение электроэнергией компрессорных станций магистральных газопроводов. Для выполнения данной задачи используются либо внешние источники питания (ЛЭП), либо часть транспортируемого газа поступает на сжигание и выработку электричества.

Так, например, в России в 2014 году было добыто порядка 640 млрд м3 газа. Примерно 10% от этой величины не доходит до потребителя, так как тратится на транспортные нужды (к слову, выработка электричества занимает первое место в статье расходов). Очевидно, что для увеличения прибыли предприятия необходимо уменьшать издержки на транспорт и на выработку электроэнергии. К слову, уменьшение транспортных расходов даже на 10% экономит 6-7 млрд м3, что больше добычи газа в подавляющем количестве стран мира.

Таким образом, остаются два основных пути для решения вышеперечисленных проблем: ресурсосбережение и использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии, на которых мы и остановимся в дипломной работе.



Глава 1. Понятие, классификация и перспективы возобновляемых источников энергии (ВИЭ)

1.1 Понятие возобновляемых источников энергии

Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) это энергоресурсы постоянно существующих природных процессов на планете, а также энергоресурсы продуктов жизнедеятельности биоцентров растительного и животного происхождения.

Характерной особенностью ВИЭ является их неиcтощаемость, либо способность восстанавливать свой потенциал за короткое время в предела срока жизни одного поколения людей.

Почти 40 лет назад Генеральной Ассамблеей ООН в соответствии с резолюцией 33/148 (1978г.) введено понятие «новые и возобновляемые источники энергии», в которое включаются следующие формы энергии: солнечная, геотермальная, ветровая, энергия морских волн, приливов океана, энергия биомассы древесины, древесного угля, торфа, тяглового скота, сланцев, битуминозных песчаников, гидроэнергия [1, с. 31].

Чаще же всего к возобновляемым источникам энергии относят энергию солнечного излучения, ветра, потоков воды, биомассы, тепловую энергию верхних слоев земной коры и океана.

ВИЭ можно классифицировать по видам энергии:

механическая энергия (энергия ветра и потоков воды);

тепловая и лучистая энергия (энергия солнечного излучения и тепла Земли);

химическая энергия (энергия, заключенная в биомассе).

Энергетический же потенциал ВИЭ может оцениваться различными значениями в зависимости от степени учета технико-экономических аспектов применения возобновляемой энергетики.

С этих позиций принято выделять валовый потенциал ВИЭ, технический потенциал ВИЭ и экономический.

Валовый потенциал - это количество энергии, заключенное в даном виде энергоресурса, при условии ее полного полезного использования.

Технический потенциал - это часть валового потенциала, преобразование которого в полезную энергию целесообразно при соответствующем уровне развития технических средств [1, с. 51].

Экономический потенциал ВИЭ - часть технического потенциала, который экономически целесообразно преобразовывать в полезную энергию при конкретных экономических условиях.

Таблица 1 Потенциал ВИЭ в мире, Эдж/год [1]

Источник энергии	Используемый потенциал в 2010 г.*	Технический потенциал	Теоретический потенциал
Гидроэнергия	24,0	50	150
Энергия биомассы	50,0	>250	2900
Солнечная энергия	3,0	>1600	3900000
Ветровая энергия	0,5	600	6000
Геотермальная энергия	2,5	5000	140000000
Энергия океана	-	-	7400
Всего	80,0	>7500	>143000000
* Оценка

Однако использовать и сохранить эту энергию в реальных условиях сложно.

Если использовать понятие качества энергии - коэффициент полезного действия, определяющий долю энергии источника, которая может быть превращена в механическую работу, то ВИЭ можно классифицировать следующим образом: возобновляемые источники механической энергии характеризуются высоким качеством и используются в основном для производства электроэнергии [7, с. 42].

Так, качество гидроэнергии характеризуется значением 0,6-0,7; ветровой - 0,3-0,4. Качество тепловых и лучистых ВИЭ не превышает 0,3-0,35. Еще ниже показатель качества солнечного излучения, используемого для фото электрического преобразования, - 0,15-0,3. Качество энергии биотоплива также относительно низкое и, как правило, не превышает 0,3.

Однако, следует заметить, что технический прогресс вносит постоянные изменения в количественные показатели К.П.Д. того или иного ВИЭ, что, в свою очередь, приводит к изменениям структуры альтернативной энергетики.

Рассмотрим каждый вид энергии подробнее.

Следует начать с солнечной энергии, как с наиболее перспективного источника. У солнечной? энергии два основных преимущества. Во-первых, ее много и она относится к возобновляемым энергоресурсам: длительность существования Солнца оценивается приблизительно в 5 млрд лет. Во-вторых, ее использование не влечет за собои? нежелательных экологических последствии?.

Но, к сожалению, имеется и ряд недостатков. Использованию солнечной? энергии препятствует ряд факторов. Хотя и полное количество этои? энергии огромно, она неконтролируемо рассеивается [10, с. 44].

Чтобы получать большое количество энергии, требуются коллекторные поверхности огромной площади. Кроме того, возникает проблема нестабильности энергоснабжения: банально, конечно, но солнце не всегда светит. Даже в пустынях, где преобладает безоблачная погода, день сменяется ночью. Следовательно, необходимы накопители солнечнои? энергии. И, наконец, многие виды применения солнечнои? энергии еще как следует не изучены и их экономическая рентабельность не доказана.

Другим перспективным альтернативным источником энергии является геотермальная энергия. Геотермальная энергия, т. е. теплота недр Земли, уже используется в ряде стран, например в Исландии, России, Италии и Новои? Зеландии.

В чем же ее суть? Земная кора толщинои? 32-35 км значительно тоньше лежащего под неи? слоя - мантии, простирающеи?ся примерно на 2900 км к горячему жидкому ядру. Мантия является источником богатых газами огненно-жидких пород (магмы), которые извергаются деи?ствующими вулканами. В результате выделяется тепло. Температура и количество этого тепла столь велики, что оно вызывает плавление пород мантии.

Кроме того, горячие породы могут создавать тепловые «мешки» под поверхностью, в контакте с которыми вода нагревается и даже превращается в пар. Поскольку такие «мешки» обычно герметичны, горячая вода и пар часто оказываются под большим давлением, а температура этих сред превышает точку кипения воды на поверхности земли.

Однако основным недостатком геотермальнои? энергии является то, что ее ресурсы локализованы и ограничены. Существенного вклада этого ресурса в энергетику можно ожидать только в локальных географических зонах.

Далее стоит отметить традиционный возобновляемый источник энергии гидроэнергетику. Гидроэнергетика дает почти треть электроэнергии, используемой? во всем мире. Так, например, Норвегия, где электроэнергии на душу населения больше чем где-либо еще, живет почти исключительно гидроэнергиеи?. А на гидроэлектростанциях (ГЭС) и гидроаккумулирующих электростанциях (ГАЭС) используется потенциальная энергия воды, накапливаемои? с помощью плотин [1, с. 131].

Несомненно, гидроэнергия - один из самых дешевых и самых чистых энергоресурсов. Он возобновляем в том смысле, что водохранилища пополняются приточнои?, речнои? и дождевои? водои?. Единственное, что остается под вопросом, целесообразность строительства ГЭС на равнинах.

Также существуют приливные электростанции, в которых используется перепад уровнеи? воды, образующии?ся во время прилива и отлива. Для этого отделяют прибрежныи? бассеи?н невысокои? плотинои?, которая задерживает приливную воду при отливе. Затем воду выпускают и она вращает гидротурбины.

Приливные электростанции могут быть ценным энергетическим подспорьем местного характера, но на Земле не так много подходящих мест для их строительства, дабы они могли изменить общую энергетическую ситуацию.

Наиболее применимым альтернативным источником энергии является ветроэнергетика. Например, исследования, проведенные Национальнои? научнои? организациеи? США и НАСА, показали, что в США значительные количества ветроэнергии можно получать в раи?оне Великих озер, на Восточном побережье и особенно на цепочке Алеутских островов. Максимальная расчетная мощность ветровых электростанции? в этих областях может обеспечить 12 % потребности США в электроэнергии.

Вероятным энергетическим ресурсом являются твердые отходы и биомасса. Примерно половину твердых отходов составляет вода. Самое большее, что могут дать твердые отходы - это энергию, соответствующую примерно 3 % потребляемои? нефти и 6 % природного газа. Следовательно, без радикальных улучшении? в организации сбора твердых отходов они вряд ли дадут большои? вклад в производство электроэнергии.

На биомассу - древесину и органические отходы - приходится около 14 % полного потребления энергии в мире. Биомасса - обычное бытовое топливо во многих развивающихся странах.

Кроме того, были предложения выращивать растения (в том числе и лес) как источник энергии. Быстрорастущие водяные растения способны давать до 190 т сухого продукта с гектара в год. Такие продукты можно сжигать в качестве топлива или пускать на перегонку для получения жидких или газообразных углеводородов.

В Бразилии, например, сахарныи? тростник был применен для производства спиртовых топлив, заменяющих бензин. Их стоимость ненамного превышает стоимость обычных ископаемых энергоносителеи?. При правильном ведении хозяи?ства такои? энергоресурс может быть восполняемым.

Однако в настоящее время необходимы дополнительные исследования быстрорастущих культур и их рентабельности с учетом затрат на сбор, транспортировку и размельчение.

Подводя итоги, следует привести значения потенциальных возможностей нетрадиционных и возобновляемых источников энергии в год [1, с. 156]:

? энергии Солнца - 2300 млрд т усл. топл;

? энергии ветра - 26,7 млрд т усл. топл;

? энергии биомассы - 10 млрд т усл. топл;

? тепла Земли - 40000 млрд т усл. топл;

? энергии малых рек - 360 млрд т усл. топл;

? энергии мореи? и океанов - 30 млрд т усл. топл;

? энергии вторичных низкопотенциальных источников тепла - 530 млрд т усл. топл.

Рисунок 1 Расположение объектов нетрадиционнои? и возобновляемои? энергетики на территории России [1]

На рис. 1 приведено расположение наиболее значимых объектов нетрадиционнои? и возобновляемои? энергетики на территории России. По имеющимся оценкам, техническии? потенциал ВИЭ в России составляет порядка 4,6 млрд т усл. топл в год, что превышает современныи? уровень энергопотребления России, составляющии? около 1,2 млрд т усл. топл в год. Экономическии? же потенциал НВИЭ определен в 270 млн т усл. топл в год, что составляет около 25 % от годового внутрироссии?ского потребления. В настоящее же время экономическии? потенциал ВИЭ существенно увеличился в связи с подорожанием традиционного топлива и удешевлением оборудования возобновляемои? энергетики за прошедшие годы.

Однако на данный момент вклад ВИЭ в мировой энергобаланс пока невелик. По данным компании BP, в 2011 году мировое энергопотребление составило 12 274,6 млн. т.у.н.т., при этом, на долю ВИЭ пришлось:

Гидроэнергетика - 791,5 млн. т.у.н.т., что составило 6,4% от общего энергопотребления;

Биотопливо - 58,8 млн. т.у.н.т., что составило 0,05% от общего энергопотребления;

Остальные виды ВИЭ - 194,8 млн. т.у.н.т., что составило 1,55% от общего энергопотребления

Тем не менее, именно с нетрадиционными ВИЭ ученые главным образом связывают будущее возобновляемой энергетики. Об обоснованности такого мнения говорит не только их огромный теоретический и технический потенциал, но и быстрый рост мощностей возобновляемой энергетики в последние годы. Так, в таблице 2 указаны среднегодовые темпы прироста мощностей нетрадиционных ВИЭ по отдельным носителям в период с 2002 по 2006 годы:

Таблица 2 Темпы роста различных источников энергии [1]

Темпы прироста установленных мощностей за 2006 г.	%
Фотогальванические установки, подключенные к распределительным сетям	60
Биодизельные установки	40
Ветроэнергетические установки	25
Геотермальные тепловые станции	24
Фотогальванические установки, работающие автономно	18
Гелиотермальные станции	16

Кроме того, по данным компании BP, только за один год с 2010 по 2011 гг., выработка энергии с использованием нетрадиционных ВИЭ выросла в мире с 165,5 млн. т.у.н.т. до 194,8 млн. т.у.н.т., т.е. на 18%, что, безусловно, выступает за использование альтернативных источников энергии.

Такаим образом, именно с нетрадиционными ВИЭ ученые главным образом связывают будущее возобновляемой энергетики.

1.2 Классификация солнечных энергетических установок, процессы преобразования

Солнечная энергия на Земле используется с помощью солнечных энергетических установок, которые можно классифицировать по следующим признакам:

- по виду преобразования солнечнои? энергии в другие виды энергии - тепло или электричество;

- по концентрированию энергии - с концентраторами и без концентраторов;

- по техническои? сложности - простые (нагрев воды, сушилки, нагревательные печи, опреснители и т. д.) и сложные.

Сложные солнечные энергетические установки можно разделить на два подвида.

Первыи? базируется в основном на системе преобразования солнечного излучения в тепло, которое далее чаще всего используется в обычных схемах тепловых электростанции?.

К таким установкам относятся башенные солнечные электрические станции, солнечные пруды, солнечные энергетические установки с параболоцилиндрическими концентраторами. Сюда же относятся и солнечные коллекторы, в которых происходит нагрев воды с помощью солнечного излучения.

Второи? подвид солнечных энергетических установок базируется на прямом преобразовании солнечного излучения в электроэнергию с помощью солнечных фотоэлектрических установок.

В настоящее время в мире и в России наиболее перспективными являются два вида солнечных энергетических установок [8, с. 116]:

солнечные коллекторы;?

солнечные фотоэлектрические преобразователи.?

Далее рассмотрим основные физические принципы и основы преобразования солнечнои? энергии, а также способы, схемы и конкретные установки, преобразующие энергию Солнца.

Источником энергии солнечного излучения служит термоядерная реакция на Солнце. Основная часть этои? энергии испускается в виде электромагнитного излучения в диапазоне 0,2-3 мкм. При прохождении через атмосферу солнечныи? свет ослабляется, в основном из-за поглощения инфракрасного излучения парами воды, ультрафиолетового излучения - озоном и рассеяния излучения молекулами газов и находящимися в воздухе частицами пыли и аэрозолями. Параметром, отражающим влияние атмосферы на интенсивность и спектральныи? состав солнечного излучения, доходящего до земнои? поверхности, является атмосферная (или воздушная) масса (АМ). При нулевои? воздушнои? массе АМ 0 интенсивность излучения равна EC=1360 Вт/м2.

Величина АМ 1 соответствует прохождению солнечного излучения через безоблачную атмосферу до уровня моря при зенитальном расположении Солнца. Воздушная масса для любого уровня земнои? поверхности в любои? момент дня определяется по формуле

AM (x)= ,

где x - атмосферное давление, Па;?

x0- нормальное атмосферное давление (1,013·105Па);

и - угол высоты Солнца над горизонтом [16, с. 56].

Наиболее характернои? в земных условиях является величина АМ 1,5 (и ? 42°). Она принята за стандартную при интегральнои? поверхностнои? плотности солнечного излучения EC= 835 Вт/м2, что необходимо при обеспечении сравнимости результатов исследовании? различных солнечных элементов.

На рис. 2 приведено спектральное распределение потока фотонов внеатмосферного (АМ 0) и наземного стандартизованного (АМ 1,5) солнечного излучения при перпендикулярном падении лучеи? на приемную площадку.

Рисунок 2 Спектральное распределение потока фотонов солнечного излучения [9]:

1- внеатмосферное излучение (АМ 0); 2 - наземное стандартизованное излучение (АМ 1,5); 3 - спектр излучения абсолютно черного тела при?TC=5800К. На вставке заштрихована доля полезно используемых фотонов.

Энергия фотонов, эВ, в излучении с длинои? волны л определяется из соотношения:

hv= h= ,

где h - постоянная Планка, 6,626196(50)·10-34 Дж·с;

c - скорость света, 2,9979250(10)·108 м/с;

?л - длина волны, мкм.

Электронвольт - работа, которую необходимо совершить, чтобы переместить электрон между двумя точками с разностью потенциалов 1 В. 1 эВ =1,6·10-19 Дж.

Граничная длина волны, начиная с которои? фотоны будут поглощаться в материале солнечного элемента с ширинои? запрещеннои? зоны Eg

лг = 1,24/ Eg.

Более длинноволновое излучение не поглощается в полупроводнике и, следовательно, бесполезно с точки зрения фотоэлектрического преобразования.

Запрещенная зона - характеризуется отсутствием энергетических уровнеи?, различна по ширине для разных материалов [17, с. 76].

Простеи?шая конструкция солнечного элемента на основе монокристаллического кремния показана на рис. 3. На малои? глубине от поверхности кремниевои? пластины p-типа сформирован p-n-переход с тонким металлическим контактом. На тыльную сторону пластины нанесен сплошнои? металлическии? контакт.



Рисунок 3 Конструкция простеи?шего солнечного элемента [17]

Пусть p-n-переход расположен вблизи от освещаемои? поверхности полупроводника. При использовании солнечного элемента в качестве источника электроэнергии к его выводам должно быть подсоединено сопротивление нагрузки Rн.

Рассмотрим вначале два краи?них случая: Rн = 0 (режим короткого замыкания) и Rн = ? (режим холостого хода). Зонные диаграммы для этих режимов изображены на рис. 4. а, б.?

Рисунок 4 Зонные энергетические диаграммы p-n-перехода при освещении [10]:

а - в режиме короткого замыкания; б - холостого хода; в - включения на сопротивление нагрузки.

В первом случае зонная диаграмма освещенного p-n-перехода не отличается от зоннои? диаграммы при термодинамическом равновесии (без освещения и без приложенного напряжения смещения), поскольку внешнее закорачивание обеспечивает нулевую разность потенциалов между nи p областями.

Однако через p-n-переход и внешнии? проводник течет ток, обусловленныи? фотогенерациеи? электронно-дырочных пар в p-области. Фотоэлектроны, образовавшиеся в непосредственнои? близости от области объемного заряда, увлекаются электрическим полем p-n-перехода и попадают в n область [10, с. 47].

Остальные электроны диффундируют к p-n-переходу, стараясь восполнить их убыль, и в конечном итоге также попадают в n-область. В n-области возникает направленное движение электронов к тыльному металлическому контакту, перетекание во внешнюю цепь и в контакт к p-области. На границе контакта к p-области происходит рекомбинация подошедших сюда электронов с фотогенерированными дырками.

При разомкнутои? внешнеи? цепи p-n-перехода (рис.4, б) фотоэлектроны, попадая в n-область, накапливаются в неи? и заряжают n-область отрицательно. Остающиеся в p-области избыточные дырки заряжают p-область положительно. Возникающая таким образом разность потенциалов является напряжением холостого хода U х.х. Полярность U х.х соответствует прямому смещению p-n-перехода. Поток генерированных светом носителеи? образует фототок Iф . Величина Iф равна числу фотогенерированных носителеи?, прошедших через p-n переход в единицу времени

Iф=q,

где q - величина заряда электрона;

Pи - мощность поглощенного монохроматического излучения.

Здесь предполагается, что в полупроводнике каждыи? поглощенныи? фотон с энергиеи? hv ? Eg создает одну электронно-дырочную пару.

Это условие хорошо выполняется для солнечных элементов на основе Si и GaAs. При нулевых внутренних омических потерях в солнечном элементе ражим короткого замыкания (рис. 5, а) эквивалентен нулевому напряжению смещения p-n-перехода, поэтому ток короткого замыкания Iк.з равен фототоку

Iк.з =Iф.

В режиме холостого хода (рис. 4, б) фототок уравновешивается «темновым» током Iт - прямым током через p-n-переход, возникающим при напряжении смещения Uхх.

Производство структур на основе монокристаллического кремния - процесс технологически сложныи? и дорогостоящии?. Поэтому внимание было обращено на такие материалы, как сплавы на основе аморфного кремния (aSi:H), арсенид галлия и поликристаллические полупроводники.

Аморфныи? кремнии? выступил в качестве более дешевои? альтернативы монокристаллическому. Первые СЭ на его основе были созданы в 1975году. Оптическое поглощение аморфного кремния в 20 раз выше, чем кристаллического. Поэтому для существенного поглощения видимого света достаточно пленки а-Si:Н толщинои? 0,5-1,0 мкм вместо дорогостоящих кремниевых 300-мкм подложек [1, с. 156].

Кроме того, благодаря существующим технологиям получения тонких пленок аморфного кремния большои? площади не требуется операции резки, шлифовки и полировки, необходимых для СЭ на основе монокристаллического кремния. По сравнению с поликристаллическими кремниевыми элементами изделия на основе a-Si:Н производят при более низких температурах (300°С): можно использовать дешевые стеклянные подложки, что сократит расход кремния в 20 раз.

Пока максимальныи? КПД экспериментальных элементов на основе аSi:Н - 12% - несколько ниже КПД кристаллических кремниевых СЭ (~15%). Однако не исключено, что с развитием технологии КПД элементов на основе а-Si:Н достигнет теоретического потолка - 16 %.

Арсенид галлия - один из наиболее перспективных материалов для создания высокоэффективных солнечных батареи?. Это объясняется следующими его особенностями:

почти идеальная для однопереходных солнечных элементов ширина за прещеннои? зоны 1,43 эВ;

повышенная способность к поглощению солнечного излучения: требуется слои? толщинои? всего в несколько микрон;

высокая радиационная стои?кость, что совместно с высокои? эффективностью делает этот материал чрезвычаи?но привлекательным для использования в космических аппаратах;

относительная нечувствительность к нагреву батареи? на основе GaAs;

характеристики сплавов GaAs с алюминием, мышьяком, фосфором или индием дополняют характеристики GaAs, что расширяет возможности при проектировании солнечных элементов.

Главное достоинство арсенида галлия и сплавов на его основе - широкии? диапазон возможностеи? для дизаи?на СЭ. Фотоэлемент на основе GaAs может состоять из нескольких слоев различного состава. Это позволяет разработчику с большои? точностью управлять генерациеи? носителеи? заряда, что в кремниевых солнечных элементах ограничено допустимым уровнем легирования. Типичныи? солнечныи? элемент на основе GaAs состоит из очень тонкого слоя AlGaAs в качестве окна.

Основнои? 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 [18, с. 258].

Поликристаллические тонкие пленки также весьма перспективны для солнечнои? энергетики.

Чрезвычаи?но высока способность к поглощению солнечного излучения у диселенида меди и индия (CuInSe2) - 99 % света поглощается в первом микроне этого материала (ширина запрещеннои? зоны - 1,0 эВ).

Наиболее распространенным материалом для изготовления окна солнечнои? батареи на основе CuInSe2 является CdS. Иногда для улучшения прозрачности окна в сульфид кадмия добавляют цинк. Немного галлия в слое CuInSe2 увеличивает ширину запрещеннои? зоны, что приводит к росту напряжения холостого хода и, следовательно, повышению эффективности устрои?ства. Один из основных способов получения CuInSe2 - электрохимическое осаждение из растворов CuSO4, In2(SO4)3 и SeO2 в деионизованнои? воде при соотношении компонентов Cu:In:Se как 1:5:3 и pH>>1,2-2,0.

Теллурид кадмия (CdTe) - еще один перспективныи? материал для фотовольтаики. У него почти идеальная ширина запрещеннои? зоны (1,44 эВ) и очень высокая способность к поглощению излучения. Пленки CdTe достаточно дешевы в изготовлении. Кроме того, технологически несложно получать разнообразные сплавы CdTe c Zn, Hg и другими элементами для создания слоев с заданными свои?ствами.

Подобно CuInSe2, наилучшие элементы на основе CdTe включают гетеропереход с CdS в качестве оконного слоя. Оксид олова используется как прозрачныи? контакт и просветляющее покрытие. Серьезная проблема на пути применения CdTe - высокое сопротивление слоя p-CdTe, что приводит к большим внутренним потерям. Но она решена в p-i-n-структуре с гетеропереходом CdTe/ZnTe. Пленки CdTe обладают высокои? подвижностью носителеи? заряда, а солнечные элементы на их основе - высокими значениями КПД, от 10 до 16%.

Отметим, что среди солнечных элементов особое место занимают батареи, использующие органические материалы. Коэффициент полезного деи?ствия солнечных элементов на основе диоксида титана, покрытого органическим красителем, весьма высок - ~11%.

Основа солнечны элементов данного типа - широкозонныи? полупроводник, обычно TiO2, покрытыи? монослоем органического красителя. Принцип работы элемента основан на фотовозбуждении красителя и быстрои? инжекции электрона в зону проводимости TiO2.

При этом молекула красителя окисляется, через элемент идет электрическии? ток и на платиновом электроде происходит восстановление трииодида до иодида. Затем иодид проходит через электролит к фотоэлектроду, где восстанавливает окисленныи? краситель.

1.3 Перспективы использования солнечной энергии

Лучистая энергия Солнца используется биосферои? со времен появления жизни на планете.

В последнее время интерес к проблеме использования солнечнои? энергии резко возрос. Потенциальные возможности энергетики, основаннои? на использовании непосредственно солнечного излучения, чрезвычаи?но велики.

Заметим, что использование всего лишь 0,0125% этого количества энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировои? энергетики, а использование 0,5% - полностью покрыть потребности на перспективу. К сожалению, имеется и ряд преград, возникающих на пути к реализизации.

Одним из наиболее серьезных препятствии? является низкая интенсивность солнечного излучения. Даже при наилучших атмосферных условиях (южные широты, чистое небо) плотность потока солнечного излучения составляет не более 1250 Вт/м2. Поэтому, чтобы коллекторы солнечного излучения собирали за год энергию, необходимую для удовлетворения всех потребностеи? человечества, нужно разместить их на территории 130 000 км2!

Необходимость использования коллекторов огромных размеров влечет за собои? значительные материальные затраты [30, с. 56].

Простеи?шии? коллектор солнечного излучения представляет собои? зачерненныи? металлическии? (как правило, алюминиевыи?) лист, внутри которого располагаются трубы с циркулирующеи? в неи? жидкостью. Нагретая за счет солнечнои? энергии, поглощеннои? коллектором, жидкость поступает для непосредственного использования. Согласно расчетам, изготовление коллекторов солнечного излучения площадью 1 км2требует примерно 10 000 т алюминия. Доказанные же на сегодня мировые запасы этого металла оцениваются в 1,17·109т.

Исходя из выше представленного факта, солнечная энергетика относится к наиболее материалоемким видам производства энергии. Крупномасштабное использование солнечнои? энергии влечет за собои? гигантское увеличение потребности в материалах, а следовательно, и в трудовых ресурсах для добычи сырья, его обогащения, получения материалов, изготовление гелиостатов, коллек-торов, другой? аппаратуры, их перевозки.

Однако по прогнозам ведущего энергетического агентства Германии «GermanyAdvisoryCouncil»,динамика выработки энергии в мире до 2100 году будет выглядеть следующим образом:



Рисунок 5 Прогноз до 2100 года агентства «GermanyAdvisoryCouncil» [30]

Отсюда несложно сделать вывод, что доминирующим ресурсом для получения энергии в будущем будет являться солнечная энергетика, которая будет покрывать более 50% от общего потребления. И, в частности, PV панели займут главенствующую роль, так как потенциал развития данного вида солнечной энергетики наиболее привлекателен нежели схемы с нагреванием рабочего тела солнечным теплом, в силу того, что энергия электромагнитного излучения непосредственно преобразуется в электрическую энергию.

В таблице 3 указаны значения производства энергии в млн.т.у.т. с использованием ВИЭ. Как следует из анализа, фотогальванические установки, обладая самой большой долей годового прироста - более чем в 30%, в последующем, будут являться трендом развития альтернативной, безопасной и инновационной энергетики без вредных выбросов и экологического урона окружающей среде. Поскольку данное направление потребует значительных инвестиций в развитие данной отрасли, это повлечет создание дополнительных производственных мощностей, создание научной базы, проведения научных исследований и создания новых рабочих мест, а также новых стандартов подготовки высококвалифицированных специалистов в области ВИЭ.

Таблица 3 Производство энергии в млн.т.у.т. [30]

Год	Ветровая	Биомасса	Фотоэлектрическая	Солнечная термальная	Геотермальная	Гидроэнергия
2000	18	37	1,4	0,4	8	683
2001	24	40	1,8	0,4	8	715
2002	31	40	2,4	0,4	8,2	732
2003	40	39	3	0,4	8,9	797
2004	48	39	4	0,4	8,9	801
2005	59	44	5,5	0,4	9,3	816
2006	74	47	7,3	0,4	9,6	836
2007	94	50	7,6	0,4	9,6	911
2008	121	52	13	0,5	10	945
Средний годовой темп роста	26,9%	4,3%	32,1%	2,2%	2,8%	4,1%

В настоящее время, как это видно из таблицы 4, стоимость выработки 1 МВ т.ч энергии на фотоэлектрических элементах значительно выше чем у других источников ВИЭ.



Таблица 4 Стоимость производства электроэнергии с использованием ВИЭ [30]

Технология	Мощность установки, МW	Обычная стоимость, долл./МВт.ч
Крупная ГЭС	10-18000	30-40
Малая ГЭС	1-10	40-70
ВЭУ наземного базирования	1-3	50-80
ВЭУ морского базирования	1,5-5	80-120
Энергия биомассы	1-20	50-120
Геотермальная энергия	1-100	40-70
Солнечная световая энергия	1 kW-20MW	200-800
Солнечная тепловая энергия	50-500	120-180

Однако согласно прогнозам IEA и WWF (см. таблицу 5), к 2050 г. цены как на обслуживание, так и на капитальные затраты упадут на несколько порядков, что позволит использованию солнечной энергии выйти вперед как по эффективности, так и по окупаемости.

Таблица 5 - Прогноз ключевых технико-экономических показателей установок солнечной энергии [30]

	2007	2015	2020	2030	2040	2050
КПД(Макс.), %	42	46	49	54	60	65
Кап. Затраты, долл. США/КВт	3726	2610	1776	1027	785	761
Установленная мощность, ГВт	6	98	335	1036	1915	2968
Эксплуатационные расходы долл. США/КВт/год	66	38	16	13	11	10

Кроме того, имеется и ряд положительных примеров на практике по применению солнечной энергии.

Первые попытки использования солнечнои? энергии на коммерческои? основе относятся к 80-м годам прошлого столетия. Крупнеи?ших успехов в этои? области добилась фирма «Loose Industries» (США). Ею в декабре 1989 г. введена в эксплуатацию солнечно-газовая станция мощностью 80 МВт. Здесь же, в Калифорнии, в 1994 г. введено еще 480 МВт электрическои? мощности, причем стоимость 1 кВт·ч энергии 7-8 центов. Это ниже, чем на традиционных станциях [29, с. 106].

В ночные часы и зимои? энергию дает в основном газ, а летом и в дневные часы - солнце. Электростанция в Калифорнии продемонстрировала, что газ и солнце, как основные источники энергии ближаи?шего будущего, способны эффективно дополнять друг друга. Поэтому не случаен вывод, что в качестве партнера солнечнои? энергии должны выступать различные виды жидкого или газообразного топлива.

Наиболее вероятнои? «кандидатурои?» является водород. Его получение с использованием солнечнои? энергии, например, путем электролиза воды может быть достаточно дешевым, а сам газ, обладающии? высокои? теплотворнои? способностью, легко транспортировать и длительно хранить. Отсюда вывод: наиболее экономичная возможность использования солнечнои? энергии, которая просматривается сегодня, - направлять ее для получения вторичных видов энергии в солнечных раи?онах земного шара. А полученное жидкое или газообразное топливо можно будет перекачивать по трубопроводам или перевозить танкерами в другие раи?оны.

Кроме того, быстрое развитие гелиоэнергетики стало возможным благодаря снижению стоимости фотоэлектрических преобразователеи? в расчете на 1 Вт установленнои? мощности с 1000 долл. в 1970 г. до 3-5 долл. в 1997 г. и повышению их КПД с 5 до 18 %. Уменьшение стоимости солнечного Ватта до 50 центов позволит гелиоустановкам конкурировать с другими автономными источниками энергии, например, с дизельными электростанциями.

Одним из лидеров практического использования энергии Солнца стала Швеи?цария. Здесь построено примерно 2600 гелиоустановок на кремниевых фотопреобразователях мощностью от 1 до 1000 кВт и солнечных коллекторных устрои?ств для получения тепловои? энергии. Программа, получившая наименование «Солар-91» и осуществляемая под лозунгом «За энергонезависимую Швеи?царию!», вносит заметныи? вклад в решение экологических проблем и энергетическую независимость страны, импортирующеи? сегодня более 70 % энергии [30, с. 56].

Программа «Солар-91» осуществляется практически без поддержки государственного бюджета, в основном за счет добровольных усилии? и средств отдельных граждан, предпринимателеи? и муниципалитетов. Гелиоустановку на кремниевых фотопреобразователях, чаще всего мощностью 2-3 кВт, монтируют на крышах и фасадах здании?. Она занимает примерно 20...30 м2. Такая установка вырабатывает в год в среднем 2000 кВт·ч электроэнергии, что достаточно для обеспечения бытовых нужд среднего швеи?царского дома и зарядки бортовых аккумуляторов электромобиля. Дневнои? избыток энергии в летнюю пору направляют в электрическую сеть общего пользования. Зимои? же, особенно в ночные часы, энергия может быть бесплатно возвращена владельцу гелиоустановки.

Таким образом, в мире уже сегодня солнечная энергетика весьма интенсивно развивается и занимает заметное место в топливноэнергетическом комплексе ряда стран. Принимаются на государственном уровне законы, которые дают существенную поддержку развитию солнечнои? энергетики. Без принятия указанных законодательных актов использование энергии Солнца было бы практически невозможно, особенно на начальных этапах становления.

Из приведенных фактов развития мировой энергетики следует, что выработка электроэнергии с использованием фотоэлектрических преобразователей является наиболее перспективным по двум причинам:

практически ничем не ограниченный потенциал ежегодно поступающей на землю энергии солнечных лучей;

быстрый рост эффективности преобразования электромагнитной энергии солнечных лучей в электрическую энергию, что обусловлено широким внедрением наукоемких инновационных технологий в развитие PV преобразователей.

Эти выводы позволяют нам остановиться подробнее на солнечной энергии, как наиболее перспективном источнике возобновляемой энергии.

Глава 2. Обзор потенциала солнечной энергии в России

2.1 Территория России через призму PV панелей

Одним из основных критериев для установки солнечных панелей является наличие необходимой территории. Как видно, Россия удовлетворяет этому требования сполна. Однако не стоит забывать, что важнейший фактор, помимо площади установки генераторов - наличие солнечного излучения, на протяжении достаточного количества времени за определенный промежуток времени. По данному показателю, к сожалению, около 2/3 территории России не подпадает, что наносит ряд ограничений для установки и развития солнечной энергетики данной страны. Однако, южная граница страны пролегает в районе 48 градуса северной широты, а южные районы находятся в районе 40-45 градусов широты (широты Испании). Данные регионы обусловлены огромным количеством солнечной энергии, большим количеством солнечных дней, вследствие чего эти регионы идеально подходят для установки солнечных панелей. Именно здесь можно сполна раскрыть потенциал, заложенный в солнечную энергетику с минимальными финансовыми затратами. Это отличный показатель, с точки зрения солнечной энергетики.

Рисунок 6 Количество солнечных часов в субъектах РФ [2]

Как видно из рисунка 6, существует устойчивая зона, проходящая на удалении до 2000 км от южной границы России, где производство электроэнергии при помощи солнца будет выгодно и эффективно, что позволит сократить долю «грязной» энергетики и увеличить инновационную составляющую данного региона, поскольку на обслуживание данного ресурса энергии будут направлены значительные усилия инженерно-технического персонала [2, с. 76].

Но, помимо солнечных часов, существует понятие световой мощности или, попросту говоря, количества энергии, падающей на 1 метр квадратный территории. На рисунке 7 можно увидеть области с огромным потенциалом.

Рисунок 7 Количество солнечной радиации в субъектах РФ [2]

Как видно из данного рисунка, половина страны обладает заложенным потенциалом в количестве 3,5 квт*ч/м2 в день, что уже неплохо, а южные же области обладают потенциалом более 6 квт*ч/м2 в день.

Данная величина сопоставима с большей площадью Испании, являющейся эталонной страной в вопросах оптимального расположения для получения электричества из энергии солнца.

Солнечная радиация зависит, главным образом, от широты места, т.е., на экваторе она принимает наибольшую величину, убывающую к полюсам. Россия расположена между 41 и 82 градусами северной широты, и уровни солнечной радиации на ее территории существенно варьируются.

По российским оценкам, солнечная радиация в отдаленных северных районах составляет 810 кВт-час/м2 в год, тогда как в южных районах она превышает 1400 кВт-час/м2 в год. Уровни солнечной радиации демонстрируют также большие сезонные колебания. Например, на широте 55 градусов солнечная радиация составляет в январе 1,69 кВт-час/м2 в день, а в Июле 11,41 кВт-час/м2 в день.

Совокупный потенциал солнечной энергии в России оценивается в2300000 млн. т.у.т. Потенциал солнечной энергии наиболее велик на юго-западе (Северный Кавказ, район Черного и Каспийского морей) и в Южной Сибири и на Дальнем Востоке.

Значительными ресурсами обладают Калмыкия, Ставропольский край, Ростовская область, Краснодарский край, Волгоградская область, Астраханская область и другие регионы на юго-западе, а так же Алтай, Приморье, Читинская область, Бурятия и другие регионы на юго-востоке [2, с. 82].

В некоторых районах Западной и Восточной Сибири и Дальнего

Востока годовая солнечная радиация составляет 1300 кВт-час/м2, превосходя значения для южных регионов России. Например, в Иркутске (52 градуса северной широты) поступление солнечной энергии достигает 1340 кВт-час/м2 , а в Республике Якутия-Саха (62 градуса северной широты) -1290 кВт-час/м2.



Таблица 6 Приход суммарной солнечной радиации на горизонтальную площадку, МДж/м2 [2]

Номер месяца	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	Год
Астрахань	137	202	371	528	690	737	719	651	477	301	144	94	5051
Кызыл	127	225	454	556	680	706	683	585	429	273	143	101	4962
Мангут	187	285	485	572	692	665	605	569	436	321	206	148	5171
Владивосток	247	323	488	519	612	538	513	480	456	364	250	206	4996

Таблица 7 Приход суммарной солнечной радиации на перпендикулярную лучам площадку, МДж/м2 [2]

Номер месяца	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	Год
Астрахань	183	244	363	489	651	728	723	689	569	392	194	114	5339
Кызыл	183	267	506	549	658	673	648	617	557	383	194	128	5363
Мангут	441	525	645	572	657	596	556	583	560	550	425	351	6461
Владивосток	437	461	535	433	478	341	326	361	487	495	423	383	5160

В таблицах 6 и 7 представлены данные по приходу солнечной радиации в течение года для пяти мест, расположенных в различных климатических зонах. Астрахань и Сочи расположены на юге Европейской части России, Кызыл на юге Сибири, Мангут на юге Забайкалья, и Владивосток -на Дальнем Востоке.

Существующие типы солнечных PV панелей.

Процесс преобразования энергии происходит в фотоэлектрических преобразователях (ФЭП).

В настоящее время, в зависимости от материала, конструкции и способа производства принято различать три поколения ФЭП:

ФЭП первого поколения на основе пластин кристаллического кремния;

ФЭП второго поколения на основе тонких пленок;

ФЭП третьего поколения на основе органических и неорганических материалов.

ФЭП первого поколения на основе кристаллических пластин на сегодняшний день получили наибольшее распространение. В последние годы производителям удалось существенным образом сократить себестоимость производства таких ФЭП, что обеспечило укрепление их позиций на мировом рынке.

Виды ФЭП первого поколения:

монокристаллический кремний (mc-Si);

поликристаллический кремний (m-Si);

на основе GaAs;

ribbon-технологии (EFG, S-web);

тонкослойный поликремний (Apex).

Производители Suntech Power, JA Solar, Yingli Green Solar, Solarfun Power, Trina Solar(ВсеКитай).

Технология выпуска тонкопленочных ФЭП второго поколения подразумевает нанесение слоев вакуумным методом. Вакуумная технология по сравнению с технологией производства кристаллических ФЭП является менее энергозатратной, а также характеризуется меньшим объемом капитальных вложений. Она позволяет выпускать гибкие дешевые ФЭП большой площади, однако коэффициент полезного действия таких элементов ниже по сравнению с ФЭП первого поколения.

Виды ФЭП второго поколения:

аморфный кремний (a-Si);

микрои нанокремний (мc-Si/nc-Si);

кремний на стекле (CSG);

теллурид кадмия (CdTe);

(ди)селенид меди-(индия-)галлия (CI(G)S).

Производители FirstSolar(США), Q-Cells(Германия), Solyndra(США), Miasole(США).

При создании ФЭП третьего поколения используются дешевые и перерабатываемые полимеры и электролиты. Важным отличием является возможность нанесения слоев печатными методами, например, по технологии «рулон-к-рулону» (R2R).

В настоящее время основная часть проектов в области ФЭП третьего поколения находятся на стадии исследований.

Виды ФЭП третьего поколения:

фотосенсибилизированные красителем (DSC);

органические (OPV);

неорганические (CTZSS).

Производители Konarka, Solarmer, IBM, Plextronics (Все США)

Энергию необходимо хранить, используя химические аккумуляторы, тем не менее, установка страдает отсутствием возможности регулировки, контроля мощности. Также свет, пригодный для электрогенерации, несет в себе инфракрасное и ультрафиолетовое излучение, разрушающее панели. Панели необходимо защищать от множества факторов, при этом теряется некоторая часть эффективности. Наибольшим недостатком и ограничением к развитию является необходимость достаточно мощного света. В дальнейшем необходимо решать данную проблему. Ведутся исследования для пригодности частичного использования панелей в сумерки и темное время, за счет сбора отраженного света и использования альтернативных материалов. Однако данная область находится на грани науки и смелых фантазий.

Одним из методов значительного повышения к.п.д. солнечных панелей, является применение технологии мультислоев. Благодаря нескольким слоям удалось достичь максимального к.п.д. в 40%.

Таким образом, одним из основных критериев для установки солнечных панелей является наличие необходимой территории совокупный потенциал солнечной энергии в России оценивается в 2300000 млн. т.у.т. Потенциал солнечной энергии наиболее велик на юго-западе (Северный Кавказ, район Черного и Каспийского морей) и в Южной Сибири и на Дальнем Востоке.

2.2 Компрессорная станция, как объект энергопотребления

Компрессорная станция является комплексной по структуре и функциональным связям системой.

Работа основного технологического оборудования компрессорных станций магистральных газопроводов (центробежных нагнетателей) обеспечивается их приводом, системами маслоснабжения, вентиляции, охлаждения, газовых коммуникаций, общестанционными системами электроснабжения и контрольно-измерительных приборов и автоматики (КИПиА) [5, с. 182].

Взаимодействие подсистем обусловливает общий уровень надежности компрессорной станции. Как видно из рис. 8 надежность работы практически всех систем КС зависит от надежности их электрооборудования и надежности электроснабжения последнего.

Рисунок 8 Структура систем, обеспечивающих технологический процесс КС с газотурбинным приводом центробежных нагнетателей [5]



Перерыв в электроснабжении электроприводов маслонасосов уплотнения, маслонасосов смазки, циркуляционных насосов, агрегатов воздушного охлаждения (АВО) масла турбин, АВО воды может повлечь за собой расстройство сложного технологического процесса КС, сокращение ресурса нагнетателей и, как следствие, нанести значительный ущерб.

Недопустим и перерыв в электроснабжении электрооборудования пожарных насосов, аварийной вентиляции, электроприемников устройств связи, освещения основных цехов, поскольку связан с повышением опасности для жизни людей.

В соответствии с Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) перечисленные электроприемники отнесены к I категории в отношении обеспечения надежности их электроснабжения.

В группе потребителей I категории выделены особо ответственные, перерыв в питании которых создает опасность аварийной остановкой ГПА, а также те, которые обеспечивают остановку ГПА без повреждения.

К особо ответственным потребителям относятся приводы маслонасосов уплотнений, циркуляционных насосов, аварийных маслонасосов смазки, вентиляторов охлаждения аварийной вентиляции, пожарных насосов, а также аварийное освещение КИПиА. В зависимости от типа ГПА состав потребителей I категории может отличаться [5, с. 192].

Так, переход на насосы уплотнений с приводом от вала турбины позволил исключить на ряде действующих КС маслонасосы уплотнений из группы особо ответственных потребителей.

К потребителями КС II категории отнесены:

электроприемники, перерыв в питании которых приводит к снижению подачи КС;

электроприемники, необходимые для продолжения технологического процесса, допускающие кратковременные перерывы питания без опасности остановки ГПА;

-электрооборудование систем ГПА;

вентиляторы охлаждения АВО газа;

вентиляторы охлаждения градирен;

насосы водоснабжения и канализации;

приточно-вытяжная вентиляция;

установки кондиционирования воздуха;

котельная.

Электроприемники III категории допускают перерыв в питании на время ремонта оборудования системы электроснабжения. На КС к III категории отнесены нагрузка вспомогательных цехов и служб, освещение площадки КС, катодная защита.

Таким образом, общестанционное электрооборудование КС относится к потребителям всех категорий.

Естественно, что общие для разных категорий приемников части системы электроснабжения должны удовлетворять требованиям, предъявляемым к электроснабжению I категории.

Распределение электрических нагрузок между основными потребителями электрической энергии на типовой КС с газотурбинным приводом нагнетателей природного газа (на КС установлено 6 агрегатов типа ГТ-750-6 общей мощностью 36 тыс. кВт.) приведено в табл. 8 [12, с. 115].

Мощность основных потребителей электрической энергии типовых КС с газотурбинным приводом составляет 600-700 кВт на 30-40 тыс. кВт установленной мощности газотурбинных агрегатов.

Таблица 8 - Распределение электрических нагрузок между основными пот...