Проблемы, успехи и перспективы развития фотоэнергетики
Основные достоинства и недостатки фотоэлектрического способа получения энергии. Использование фотоэлектрического метода преобразования энергии для энергопитания космических аппаратов, а также автономного питания устройств промышленного назначения.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 16.11.2018 |
| Размер файла | 564,6 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Проблемы, успехи и перспективы развития фотоэнергетики
И.С. Оршанский
Фотоэнергегетика заняла прочное и важное место в автономной электроэнергетике и, несомненно, будет вносить все более весомый вклад в общую энергетику.
Достоинства фотоэлектрического способа получения энергии многочисленны: фотоэлектрический преобразование энергия автономный
- используется возобновляемый первичной источник энергии с неисчерпаемым ресурсом;
- производство электроэнергии практически не ведет к изменению климата, т.к. не вызывает эмиссию вредных газов и твердых частиц в атмосферу, не расходуется кислород, не выделяется тепло;
- используется прямой способ преобразования энергии в электрическую; безмашинный способ преобразования, в котором отсутствуют вращающиеся и движущиеся механизмы, обеспечивает высокую надежность работы, не создает акустических и вибрационных воздействий на обслуживающий персонал и природу;
- обеспечивается энергетическая независимость любой страны, т.к., в отличие от углеводородного топлива, солнечное излучение, хоть и в разной степени, доступно во всех странах, и фотоэлектрические станции (ФЭС) способны работать в любом месте Земли;
- ФЭС монтируются быстро и просто; затраты на их техническое обслуживание незначительны, не нужен высококвалифицированный персонал; при сооружении фотоэлектрических установок (ФЭУ) в городских условиях модули солнечных батарей (СБ) могут встраиваться в стены и крыши зданий и служить архитектурным украшением;
- ФЭС имеют малую инерционность, обеспечивая легкость регулирования режимов, что очень важно в критические моменты работы сети.
Главный принципиальный недостаток всей солнечной энергетики - зависимость вырабатываемой энергии от времени суток, погодных условий и сезона. Чтобы обеспечить потребителя постоянным энергоснабжением в состав автономных ФЭУ, необходимо включать аккумуляторы или резервные генераторы. А использование в существующих энергосетях большого количества крупных ФЭС вообще невозможно. В периоды низкой освещенности, в вечернее время и ночью всю нагрузку должны брать на себя "традиционные" электростанции (ЭС), а регулировать мощность таких ЭС допустимо лишь в небольших пределах. По этой причине общая мощность ФЭС не может превышать 10 - 20 % мощности всей энергосети [1].
Второй серьезный недостаток - низкая плотность потока солнечного излучения ? ведет к необходимости собирания солнечной энергии с больших площадей. Крупные ФЭС будут занимать обширные территории - 2,5 - 3,0 га/МВт мощности [2]. В странах, где стоимость земли высока, найти площадку для строительства ФЭС совсем не просто.
Третий недостаток ? стоимость получаемой энергии значительно выше, чем в традиционной энергетике. При текущем бурном развитии отрасли этот недостаток, скорее всего, будет устранен в обозримое время (10 - 12 лет): стоимость фотоэлектрических модулей ежегодно снижается на 8 - 14 %, и по прогнозам специалистов эта тенденция сохраниться до 2020 г. [3].
Темпы развития фотоэнергетики. Фотоэнергетика на сегодня - самая быстрорастущая отрасль электроэнергетики в мире. В начале 80-х годов мощность всех ФЭУ не превышала 4 МВт. К концу 2008 г. по данным Международного Энергетического Агентства (МЭА), членами которой являются 28 стран, она составляла 13,1-14,7 ГВт [4], в 2009 г. добавились еще 3,9 ГВт. К концу 2009 г. по данным Европейской ассоциации фотоэлектрической промышленности общая мощность ФЭУ только на территории Европы превысила 20 ГВт.
Ведущие страны мира в области фотоэнергетики ? Испания, Германия, Италия, США, Южная Корея и Япония. В этих странах в 2008 г. установлено 96 % всех ФЭУ в мире. В странах, состоящих членами МЭА, это были ФЭУ, подключенные к электросетям (99 %) [5].
Фотоэлектрическая промышленность ? процветающая отрасль производства. Годовые темпы развития мирового рынка в 1990 - 97 гг. составляли 12 - 15 %, после 1997 г. до 25 - 35 %. С 2005 г. ежегодный прирост составлял около 50 %, а в 2008 г. - 82 %. В станах, входящих в МЭА, товарооборот этой отрасли в 2008 г. составил около 40 млрд. долларов США, а во всем мире было изготовлено фотоэлектрических изделий общей мощностью 7,1 ГВт на 50,7 млрд. долларов США.
Существующая специализация в поставках на мировой рынок: солнечный кремний - США; слитки - Великобритания; пластины - Норвегия; солнечные элементы (СЭ) - Австралия, Япония, Малайзия, США; фотоэлектрические модули - Австрия, Канада, Великобритания, Япония, Швеция; технологическое оборудование - Швейцария.
В 2008 г. средняя цена фотоэлектрических модулей в станах МЭА составила 4,0 долларов США, снизившись за год на 9 % [5]. Текущие мировые цены на модули можно найти в Интернете [6]. Стоимость продукции китайских фирм на треть ниже стоимости продукции европейских.
Средняя цена на подключенную к электросети ФЭУ в 2008 г. - 6,9 долл./Вт (6,2 - 7,6 долл./Вт). Автономные ФЭУ вдвое дороже [5].
Фотоэлектрическая промышленность уже имеет развитую инфраструктуру. Помимо компаний, выпускающих СЭ и модули солнечных батарей (СБ), а также предприятий по проектированию и сооружению ФЭУ и ФЭС, образованы предприятия по производству полупроводниковых материалов специально для СЭ. Электротехническая промышленность выпускает широкий ассортимент инверторов различной мощности, регуляторов режима максимальной мощности СБ, преобразователей постоянного тока в переменный и другой аппаратуры для ФЭУ и ФЭС. Кабельная промышленность выпускает кабели, предназначенные специально для ФЭС. Большое число заводов изготавливает опорные конструкции для СБ. В промышленности строительных материалов возникло направление по изготовлению строительных блоков со встроенными модулями СБ. Это могут быть стеновые блоки и покрытия для крыш. Создано много фирм по обслуживанию работающих ФЭС, и обучению обслуживающего персонала. Страховые компании разработали нормы страхования ФЭУ. Выпущены брошюры по соблюдению пожарной безопасности в домах с ФЭУ. Законодательно решены правовые вопросы наследования ФЭУ, расположенных на свободной территории. Существуют многочисленные предприятия, занимающиеся переработкой отслуживших срок фотоэлектрических модулей.
В станах членах МЭА в фотоэлектрической отрасли в 2008 г. было занято 111 тысяч человек [5]. Только в Германии (на конец 2009 г.) было занято около 60 тысяч человек, работает более 3 тысяч мелких специализированных фирм, занимающихся монтажом небольших ФЭУ, а общее число фирм, связанных с фотоэнергетикой достигает 15 тысяч.
Направления развития фотоэнергетики. Впервые фотоэлектрический метод преобразования энергии нашел практическое применение для энергопитания космических аппаратов, затем в качестве источников автономного питания устройств промышленного назначения (систем связи, навигации, сигнализации, телеметрии, катодной защиты трубопроводов и т.д.). Впоследствии ФЭУ стали использовать для освещения и автономного обеспечения электроэнергией бытовой аппаратуры небольшой мощности в отдаленных от сетей и труднодоступных местах, а также в зонах отдыха.
Ныне фотоэнергетика развивается по четырем направлениям:
1. ФЭУ космического назначения.
2. ФЭУ, ФЭС и локальные сети для автономного энергообеспечения частных хозяйств и небольших поселений, а также для электропитания расположенных в полевых условиях устройств промышленного назначения.
3. Отдельные ФЭУ частных владельцев, поставляющие избытки энергии в электрическую сеть.
4. Крупные ФЭС, подающие энергию в центральные сети.
Космическое направление. ФЭУ до сих пор остаются самым надежным средством обеспечения электроэнергией космических аппаратов, работающих в ближнем космосе. Главный электрогенератор Международной космической станции из восьми крыльев СБ длиной по 40 м развивает мощность около 0,5 МВт. Получаемая в космосе электроэнергия идет только на собственные нужды космических объектов.
Международная космическая станция
Автономная фотоэнергетика. Использование небольших ФЭУ продолжает оставаться незаменимым в развивающихся странах, где до сих пор около 1 млрд. человек живет без электроснабжения. Эти страны в основном расположены в зоне низких широт, огромные ресурсы солнечного излучения позволяют там эффективно работать ФЭУ для обеспечения освещения, для питания холодильников, водяных насосов и т.п. В настоящее время такая тенденция сохраняться. Большую помощь в этом оказывают развитые страны западной Европы, которые поставляют маломощные ФЭУ в страны Африки часто в качестве гуманитарной помощи. При автономном энергообеспечении с помощью ФЭУ требуется наличие либо достаточно емкого аккумулятора электроэнергии, либо запасного генератора на основе традиционных энергоносителей, способного оперативно восполнять недостаток энергии от ФЭУ. Для маломощных установок обычно используют дизель-генераторы.
Третье направление в последнее время широко развивается в странах Европейского союза, где законодательство (принятое в начале 90-х годов) разрешает подключать частные электрогенераторы на основе возобновляемых источников к центральным сетям. Частные домовладельцы устанавливают у себя ФЭУ, СБ которых монтируют на крышах своих домов. Ночью и в пасмурную погоду потребляется энергия из сети. В солнечную погоду, если собственное потребление энергии незначительно, ее избыток отдается в сеть. Установки снабжены счетчиками отданной в сеть электроэнергии. Поскольку ФЭУ ? дорогое оборудование, для стимулирования его применения правительства многих стран в прежние годы выдавали дотации более 50 % стоимости ФЭУ. В настоящее время в Европе система стимулирования изменилась. Электроэнергия, поданная владельцем ФЭУ в сеть, оплачивается в 6 - 10 раз выше, чем стоимость потребленной из сети энергии. Более того, в некоторых странах платят и за электроэнергию, использованную для собственных нужд, правда, по меньшему тарифу.
ФЭУ устанавливаются не только в домах частных владельцев, но и в зданиях крупных предприятий, государственных учреждений, спортивных сооружений. В 2008 г. СБ мощностью 222 кВт установлена на крыше собора Святого Петра в Ватикане. СБ располагают и на крышах зданий, и на стенах и даже делают окна из полупрозрачных пленочных СБ, служащих одновременно и защитой от света. Слияние архитектуры и энергетики понемногу становится мировой тенденцией и может со временем стать элементом культуры.
Четвертое направление - строительство крупных ФЭС стало бурно развиваться в последние годы. До середины 2000 гг. возводили единичные ЭС мощностью не более 10 МВт. В настоящее время по всему миру сооружают ФЭС мощностью в десятки мегаватт. Так в октябре 2008 г. завершено строительство ФЭС мощностью 34 МВт в Испании (Arntdo). В декабре 2008 г. заработала ФЭС Waldpolenz мощностью 40 МВт в Германии под Лейпцигом. Она будет производить около 40 миллионов кВт • ч электроэнергии в год. Станция построена на территории бывшего военного аэродрома, который использовался советскими войсками. В этом же году пущена в эксплуатацию ФЭС Amareleja мощностью 46 МВт в Португалии занимающей территорию 250 га. Ее СБ состоит из 262 тыс. модулей, расположенных на 2520 панелях, каждая из которых имеет систему слежения за Солнцем. Стоимость ФЭС - 261 млн. евро. В 2009 г. в Германии открылась ФЭС Lieberose мощностью 53 мВт, а под г. Котбус завершено строительство ФЭС мощностью 63 МВт. В Австралии планируется сооружение ФЭС мощностью 160 мВт. В Калифорнии (США) группа компаний во главе с Pacific Gas планирует к 2013 г. построить ФЭС мощностью 800 МВт (1,65 млрд. кВт • ч/год), из которых 550 мВт будут обеспечиваться СБ из тонкопленочных СЭ. Китайская компания CGN SEDC и американская компания First Solar Inc. приступили к сооружению в китайской провинции Внутренняя Монголия ФЭС, которая к концу строительства в 2019 г. должна иметь мощность 2 ГВт.
Программы развития фотоэнергетики разработаны во всех развитых странах. Администрация президента Обамы ввела новую программу и пакет финансовых стимулов для развития возобновляемой энергетики на ближайшие 8 лет. Вероятно, США станет крупнейшим в мире рынком солнечной энергетики в течение десяти лет.
Во многих странах работают широкомасштабные программы, предусматривающие размещение СБ на крышах зданий, что представляется наиболее оптимальным вариантом, требующим минимальных затрат на установку, подключение и эксплуатацию, отсутствует необходимость аккумуляторов. Так в Германии в 1999 году была принята программа «100 тысяч крыш», в США в 1997 году была провозглашена программа «Миллион солнечных крыш», в Японии осуществлялась программа «70 тысяч крыш». Подобные программы выполняются и в других странах: Испании, Нидерландах, Италии, Великобритании. В Австралии по инициативе правительства предполагается к 2013 г. создать четыре «Солнечных города».
Необходимо отметить, что в Западной Европе, Японии и США развитие альтернативной энергетики щедро финансируется не столько по экологическим причинам, сколько в связи с необходимостью энергетической независимости. Европа - крупный импортер газа, США - нефти. По словам президента Обамы, перед американской экономикой стоит выбор, или страна остается крупнейшим импортером нефти или становится мировым экспортером чистой энергии. В Швейцарии программа внедрения генераторов на основе возобновляемых источников носит название «За энергонезависимую Швейцарию».
Конструкция ФЭУ и ФЭС. В фотоэлектрических генераторах СЭ размером до 200 х 200 мм, объединяют в модули, обычно размером не более 1 х 2 м и мощностью не более 250 Вт, размещаемые в раме и имеющие герметичную защиту. В последнее время налажен выпуск модулей и в бескаркасном исполнении. Гарантийный срок службы модулей сейчас составляет 25 лет, в тропическом климате - 20 лет. Некоторые модули имеют встроенный инвертор.
Модули могут устанавливаться на крышах и стенах домов или, смонтированные на плоских панелях, размещаться на отдельных опорах непосредственно на земле. При монтаже СБ на крыше здания модули закрепляются на металлических опорных конструкциях. При монтаже СБ крупных ФЭС на одной панели монтируют 9 - 16 модулей, при этом каждую панель устанавливают на своей опорной конструкции. В зависимости от выбранного проекта может быть несколько вариантов опорной конструкции для панели: стационарная, следящая за солнцем по одной оси, и оснащенная двухосевой системой слежения. Каждый вариант имеет свои достоинства и недостатки. В странах, где количество пасмурных дней больше и прямой поток солнечного излучения невысок, преобладает рассеянное излучение, и экономически более выгодно использовать стационарные опоры, поскольку они дешевле, не имеют движущихся механизмов, а обслуживание заключается лишь в содержании в чистоте поверхности модулей. В странах с жарким климатом, где количество ясных дней больше и преобладает прямой поток, выгоднее использовать системы слежения. В 2010 г. немецкая компания «Garder» разработала конструкцию системы слежения по двум осям для панелей площадью 70 м2. Системами слежения по двум осям должны оснащаться и все СБ с модулями, имеющими мощные концентраторы излучения, которыми снабжаются все СБ из дорогих СЭ, т.к. они позволяют значительно сократить количество используемых СЭ и снизить общую стоимость. Концентраторы бывают самых разных видов, из которых наиболее распространены в настоящее время концентраторы в виде плоских линз Френеля, штампованных из пластических материалов.
Совокупность всех используемых модулей представляет собой СБ. СБ крупных ФЭС занимают территории из многих сотен гектар земли. Энергия таких ФЭС подается в электрическую сеть. Поскольку СБ генерируют постоянный ток, используются инверторы для преобразования его в переменный ток соответствующего напряжения и частоты, согласованный с параметрами сети. В 2009 году немецкая компания Padcon GmbH наладила выпуск инверторов мощностью 2,5 МВт. В условиях непрерывно меняющегося в течение дня потока солнечного излучения и температуры для оптимизации выходной мощности СБ применяют регуляторы режима максимальной мощности, обеспечивающие работу СБ всегда при напряжении, соответствующем ее максимальной мощности в конкретных условиях. Автоматическая система управления отключает СБ от инвертора в аварийных ситуациях и при снижении облученности до порогового значения.
Номинальная мощность ФЭС (за вычетом потерь 10 - 12 % в преобразователь-ной аппаратуре и системе управления) определяется мощностью СБ. Энергетические параметры фотоэлектрических модулей оценивают в установленных международными нормативами стандартных условиях: облученности 1000 Вт/м2 при спектре, соответствующим спектру солнечного излучения при атмосферной массе 1,5; температура ? 25о С. Эти условия на средних широтах бывают в летний полдень при ясном небе, поэтому номинальная мощность именуется «пиковой». Реально СБ работает большую часть времени при более низких уровнях освещения, и энергопроизводительность ФЭУ зависит от конкретного места ее эксплуатации, а также от используемых СЭ и конструкции СБ.
В Германии ФЭУ с кремниевыми СЭ и двухосевой системой слежения имеют удельную энергопроизводительность около 1250 кВт · ч на 1кВт мощности (пиковой). В Испании при тех же параметрах - 2000 - 2250 кВт · ч/кВт. В Италии эксперимент, специально проведенный для сравнения различных вариантов, показал следующие данные: ФЭУ из модулей на основе кристаллического кремния с КПД 11 % при двухосевой системе слежения обеспечивают удельную электропроизводительность 1940 кВт · ч/кВт, а из таких же модулей установленных стационарно с наклоном 30° - 1420 кВт · ч/кВт. Этот параметр для модулей из кристаллического кремния с концен-тратором, имеющих КПД 14 %, равен 1480 кВт·ч/кВт, а при использовании модулей на основе аморфного кремния с КПД 6 %, установленных стационарно с наклоном 20° ? 1315 кВт · ч/кВт [7]. Использование двухосевой системы слежения дает прирост энер-гии на 35 - 40 %, по сравнению со стационарной. (В зарубежной фотоэлектрической литературе для оценки удельной энергопроизводительности используют величину «Performance Ratio» - PR с единицей измерения в часах; в отечественной электро-энергетике узаконен термин «показатель использования установленной мощности» с единицей измерения в часах).
Солнечные элементы. Энергетические параметры непосредственно СБ зависят, главным образом, от характеристик используемых СЭ. В настоящее время для коммерческих СБ применяют СЭ следующих типов:
- на основе кремния - монокристаллического, мультикристаллического (зерно более 1 мм), поликристаллического (зерно 1 - 1000 мкм), микрокристаллического (зерно менее 1 мкм), микроморфного (микрокристаллического и аморфного) и аморфного (каскадные);
- на основе диселенида меди-индия-галлия;
- на основе теллурида кадмия;
- каскадные (трехпереходные) СЭ на основе InGaP/GaInAs/Ge.
В 2007 году около 90 % модулей СБ изготовлено из кристаллического кремния. СЭ на основе монокристаллического кремния имеют КПД более 19 % (Sun Power Corp.- США, Centrotherm Photovoltaic AG - Германия), а лабораторные образцы - до 24,2 %, но сегодня в наземной энергетике они применяются мало. Промышленные образцы из мультикристаллического кремния имеют КПД 17,7 % (средний КПД СЭ размером 156 х 156 мм толщиной менее 150 мкм, выпускаемых фирмой Schott Solar AG); лабора-торные образцы - 21 %. Промышленные образцы из поликристаллического кремния - КПД 16,9 % (японская компания Kyocera); лабораторные образцы - 18,9 % (компания Mitsubishi Electric Corp.). Основной недостаток кристаллических СЭ - большой расход дорогого кремния, большая часть которого играет роль пассивной подложки.
Аморфный кремний имеет более высокий коэффициент оптического поглощения, и из него можно создавать дешевые тонкопленочные СЭ. Пленки наносят на подложки из металлической фольги, например, из нержавеющей стали, или на подложки из металлизированной полимерной пленки. Использование гибких подложек позволяет осуществить технологию массового производства. СЭ из аморфного кремния имеют серьезный недостаток - деградацию под воздействием солнечного излучения. Поэтому при рассмотрении параметров этих СЭ используют данные, полученные после светового облучения в течение не менее тысячи часов. КПД промышленных СЭ на основе аморфного кремния обычно не превышает 10 %, лабораторные образцы имеют КПД до 13 %.
Многокомпонентные полупроводниковые соединения со структурой халько-пирита (в особенности диселенид меди-индия-галлия - Cu (In, Ga)Se2 позволяют создавать недорогие пленочные СЭ с высоким КПД. Эти материалы обладают близкой к оптимальной шириной запрещенной зоны, высоким коэффициентом оптического поглощения, хорошей технологичностью. СЭ имеют высокую стабильность и высокую радиационную стойкость (в 50 раз выше, чем у СЭ из монокристаллического кремния). КПД промышленных образцов составляет 15 - 16 %, рекордное значение лабораторного образца - 20,1 %. Себестоимость модулей СБ при производстве 60 МВт в год около 0,65 - 0,80 долл./Вт. Рекордное КПД модуля размером 30 х 30 см - 15,1 % (немецкая фирма Avancis). В настоящее время СБ из этих СЭ все активней используют в наземной энергетике. КПД СЭ на основе другого халькопирита-дисульфида меди-индия в коммерческом варианте составляет 8 - 12 %.
Более широко начинают использоваться в фотоэнергетике и СБ, собранные из тонкопленочных СЭ на основе теллурида кадмия (CdTe),. В чистом виде теллур и, особенно, кадмий очень токсичны. Теллурид кадмия обладает оптимальной шириной запрещенной зоны, высоким коэффициентом оптического поглощения и позволяет получать СЭ с хорошими характеристиками. Лучшие лабораторные образцы СЭ имеют КПД 16,7 %. Промышленные образцы модулей имеют КПД 10 % и удельную стоимость 1 евро/Вт [8]. ФЭУ с СБ на основе CdTe в южной Европе окупаются за один год, в то время как ФЭУ с использованием поликристаллического кремния за полтора года. ФЭС Lieberose в Германии мощностью 53 МВт имеет СБ из СЭ на основе CdTe американской компании First Solar. В настоящее время First Solar строит новые заводы по изготовлению СЭ на основе CdTe в Германии, Франции и Малайзии и к 2012 г. доведет общую производительность с нынешних 1,3 ГВт до 2,1 ГВт. Мощность завода по изготовлению модулей во Франкфурте на Одере к 2012 г. будет увеличена с нынешних 233 до 446 мВт.
Многопереходные (каскадные) СЭ представляют собой конструкцию расположенных один под другим элементов таким образом, чтобы излучение с длиной волны, большей, чем спектральное положение края основной полосы поглощения верхнего СЭ, проходило через него и поглощалось в расположенном снизу другом СЭ, созданном на основе полупроводника с меньшей шириной запрещенной зоны. Трехпереходные СЭ на основе InGaP/GaInAs/Ge обладают уникальным на сегодняшний день КПД. Так германский Институт солнечной энергетики создал СЭ для концентрированного солнечного излучения, который при 450-кратной концентрации показал КПД 41,1 % [9]. Фирма Spectrolab (США) в августе 2009 г объявила о достижении КПД 41,6 %. СЭ чрезвычайно дорогие и в настоящее время применяются, в основном, для энергопитания космических аппаратов. (Стоимость этих СЭ в 2008 г. составляла 130 тысяч долларов за 1 м2, в то время как стоимость кремниевых была 300 долларов за 1 м2). Для наземной энергетики экономически целесообразным может быть их использование с концентраторами солнечного излучения в странах, где высоки значения прямого потока солнечного излучения. Опытные наземные установки с СБ на основе InGaP/GaInAs/Ge с концентраторами успешно опробованы и в России [10]. ФЭС высокой мощности, которую планируют построить на севере Австралии, будет создаваться из СБ с СЭ на основе InGaP/GaInAs/Ge с концентраторами излучения.
Пути совершенствования фотоэнергетики. На сегодняшний день себестоимость электроэнергии, получаемой на ФЭС, выше ее себестоимости на ЭС традиционного типа (ТЭС, ГЭС, АЭС), что связано с высокими капитальными затратами. Перед фотоэнергетикой стоит задача добиться конкуренто-способности с традиционными ЭС. Для этого необходимо выйти на следующие критерии [11]:
КПД ФЭС в целом должен быть не менее 25 %.
Срок службы должен составлять 40 лет.
Стоимость установленного киловатта пиковой мощности не должна превы-шать 2 тыс. долларов.
Повышения КПД и снижения стоимости кремниевых СЭ можно добиться за счет более совершенных конструкций и тонких технологий. Стоимость кремниевых пластин может быть снижена путем использования новых энергосберегающих способов очистки металлургического кремния при получении кремния-сырца солнечного качества, снижения потерь кремния в процессе выращивания и получения пластин, а также за счет снижения толщины и увеличения размеров пластин.
Снижение толщины пластин (менее 300 мкм) в сочетании с созданием на тыльной стороне изотипного перехода и контактной сетки позволяет получать СЭ с двухсторонней чувствительностью, у которых КПД при освещении с тыльной стороны лишь на 10% меньше, чем при освещении с лицевой стороны. Такие СЭ давно и успешно работали в космосе. Наземные СБ из двухсторонних СЭ способны использовать солнечное излучение, отраженное от поверхности почвы и снега на ее тыльную сторону. Могут быть также использованы специальные отражатели, направляющие излучение на тыльную сторону. Пятилетний эксперимент с двухсторонними модулями СБ на ФЭУ мощностью 6 кВт [12] показал, что двусторонняя СБ вырабатывает энергии примерно на 7 % больше, чем односторонние. Использование тыльного концентратора дает прирост 35 %. Полагают, что КПД СЭ из кремния будет доведено в лаборатории до 30 %, в промышленности до 25 %.
Ведутся исследования по разработке следующего поколения СЭ, использующих новые физические принципы, материалы и структуры [11]. Основные усилия направлены на более полное использование всего спектра солнечного излучения и полной энергии фотонов. Для этого разрабатываются:
· многопереходные СЭ из полупроводников с различной шириной запрещенной зоны;
· СЭ с переменной шириной запрещенной зоны;
· СЭ с примесными энергетическими уровнями в запрещенной зоне;
· СЭ, содержащие покрытия, которые преобразуют излучение той области спектра, где СЭ нечувствителен, в излучение с длиной волны, к которой СЭ восприимчив.
Новые подходы позволят в ближайшие годы увеличить КПД каскадных СЭ из полупроводниковых материалов на основе химических элементов 3 и 5 группы в лаборатории до 45 %, в производстве до 30 %. Например, предложен четырехпереходный СЭ со структурой InGaP/GaInAs/GaIn(NAs)/Ge. Соединение Ga0,97 In0,03 N0,02 As0,9 имеет ширину запрещенной зоны 1 эВ. При создании перехода из этого материала необходимо вводить сверхрешетку. Другой вариант четырехпереходного СЭ - струк-тура ZnTe/ZnCd(SeTe)/AlGa(AsSb)/GaSb из менее дорогих материалов. Прорабатываются варианты пятипереходных СЭ. Использование концентрированного излучения позволяет не только экономить полупроводниковые материалы, но и повысить КПД СЭ.
Разработка СЭ с люминесцентными покрытиями, а также с примесными уровнями [13] пока не привела к заметным успехам в повышении КПД.
Другое направление для снижения стоимости ФЭУ - создание СЭ с невысоким КПД, но дешевых. Продолжаются работы по совершенствованию тонкопленочных СЭ из кремния. Изготовлены модули мощностью 85 Вт из каскадных СЭ микрокристаллический/аморфный кремний с КПД 7,7 %; КПД отдельных СЭ - более 10 %. Расход кремния для таких СЭ - 0,4 г/Вт, в то время как для кристаллических он составляет 10 - 12 г/Вт.
Ведутся разработки недорогих СЭ на основе фотоэлектрохимических преобразователей. Создана разновидность этих СЭ, в которых слой электролита заменен на слой из органического материала, используемый как «проводник дырок». Теперь весь класс таких фотопреобразователей называют «СЭ, сенсибилизированными красителями», хотя использование красителей для расширения спектральной чувствительности не самое главное отличие их конструкции. КПД СЭ с фотоэлектродом из диоксида титана (TiO2) равен 10,6 %, КПД модуля площадью 25,45 см2 из этих СЭ - 8,2 %. Рекордное значение КПД СЭ с фотоэлектродом из композита TiO2-CdSe с квантовыми точками из CdSe составляет 12 %.
Ведутся интенсивные исследования органических СЭ. Основная проблема - избежать быстрой деградации. Рекордный КПД органических СЭ изготовленных немецкой фирмой Heliatek - 6,7 %. Полагают, что можно будет наладить изготовление крупногабаритных СЭ на линиях производительностью более 1000 м2/ч с использованием методов трафаретной печати [14]. Интересны варианты гибридных СЭ с использованием органических полупроводников. Можно использовать органические материалы при создании неорганических СЭ, например, разработан органический тыльный контакт к СЭ на основе CdS/CdTe.
Исследуются возможности повышения срока службы ФЭС. Срок службы полупроводниковых СЭ превышает 50 лет, так как взаимодействие фотонов с атомами и электронами не приводит к деградации кристаллической структуры и изменению скорости поверхностной и объемной рекомбинации неосновных носителей заряда. Срок службы модулей СБ ограничен из-за старения полимерных материалов - этиленвинилацетата и акриловой смолы, которые используются для герметизации СЭ в модуле. Для увеличения срока службы модулей необходимо исключить из конструкции полимерные материалы. Германская фирма Schott Solar AG выпускает модули, герметизированные с двух сторон стеклом, с гарантией 30 лет (за 24 года падение мощности составило 5,5 %). Предложена конструкция модуля, в котором СЭ помещены между двух листов стекла, соединенных по торцам пайкой или сваркой. Для снижения температуры СЭ и оптических потерь внутренняя полость модуля заполнена кремнийорганической жидкостью. Полагают, что срок службы таких модулей будет более 50 лет [11].
Для снижения стоимости и повышения эффективности ФЭС, исходя из местных условий и возможностей, могут быть применены различные конструктивные решения. В Японии предложено построить целую сеть так называемых «Энергетических островов»: плавучих платформ шестиугольной формы из железобетона и нержавеющих металлов, которые будут производить электроэнергию с помощью ветра, волн и солнца.
Исключить зависимость выходной мощности ФЭС от погоды можно подняв СБ выше облачного слоя. Например, ФЭС может быть сделана в виде большого, горизонтально расположенного аэростата плоской формы, на верхней поверхности которого установлены СБ. Этот аэростат связан с небольшим выводным аэростатом обычной формы, который крепится к земле тросом. Вдоль троса идет кабель, подающий электроэнергию потребителю. В другом варианте аэростат с СБ на купольной части днем генерирует электроэнергию и часть энергии тратит на подъем груза на высоту несколько километров для гравитационного аккумулирования энергии. Ночью электроэнергия вырабатывается за счет опускания груза. Третий вариант: аккумулирование дневной энергии и генерацию ночью можно осуществлять за счет опускания и подъема самого баллона аэростата.
Интенсивность исследований по самым разным направлениям фотоэнергетики не снижается. В 2008 г. затраты на НИР и ОКР в странах МЭА составили 425 млн. долл. США. Больше всех вложили США, Германия, Южная Корея и Япония.
Место фотоэнергетики в большой электроэнергетике. «Солнечное электричество будет доминирующим в выработке электроэнергии к концу 21 века и составит от половины до двух третей всей выработки электроэнергии к концу столетия» ? такое мнение бытует в мире фотоэлектричества последнее десятилетие. Оптимистическое настроение связано с внутренней оценкой возможностей фотоэнергетики.
Важнейший аспект, который будет влиять на возможность фотоэнергетики вытеснить с рынка традиционные системы генерирования - это успехи или неудачи развития других альтернативных и традиционных видов.
Выбор технологий в энергетике будущего относительно невелик. В Концепции энергетической стратегии Российской Федерации до 2030 года, источники энергии, которые поменяют сложившиеся структуру электроэнергетики, определены следующим образом:
- ядерная энергетика на быстрых нейтронах с полным топливным циклом;
- нетрадиционные возобновляемые энергоресурсы;
- нетрадиционные невозобновляемые ресурсы (газогидраты и др.);
- возможно, термоядерная энергетика.
Среди перечисленных технологий отсутствуют ядерные реакторы на тепловых нейтронах - основа современной мировой атомной энергетики. Главная причина - близкая исчерпаемость дешевых месторождений урана. (Во многих странах создаются стратегические запасы). Серьезной проблемой являются транспортировка и захоронение радиоактивных отходов, а также конструкций самих АЭС, срок службы которых 30 - 40 лет. Что касается термоядерной энергетики, то, по мнению Е.П. Велихова - в прошлом одного из наиболее энергичных сторонников термоядерной технологии, - даже в случае успеха, мощность коммерческих термоядерных реакторов к концу 21 века во всем мире не превысит 100 ГВт.
Из реальных источников на перспективу ближайшего столетия, по мнению российских экспертов, останутся только атомная энергетика на быстрых нейтронах (на основе плутония) и возобновляемая энергетика. Безопасная технология плутониевой энергетики с замкнутым (безотходным) циклом до сих пор не проработана. Экспериментальные реакторы на быстрых нейтронах появились в 1950-е годы, в 1960-80-е годы работы по созданию промышленных реакторов на быстрых нейтронах активно велись в США, СССР и ряде европейских стран. К началу 1990-х большинство этих проектов было прекращено из-за риска аварий и высоких эксплуатационных затрат. Кроме того, технология опасна с точки зрения нераспространения ядерного оружия. В настоящее время в мире работает только два промышленных реактора на быстрых нейтронах (в России и Франции).
В случае сохранения нынешних ТЭС и тенденции по росту использования ископаемого топлива, возникнут две экономические проблемы:
- постепенное удорожание топлива из-за исчерпания дешевых месторождений и соответственно удорожание электроэнергии;
- сопутствующее изменение климата приведет к росту числа природных чрезвычайных ситуаций, что потребует существенных затрат на компенсацию их последствий.
Рано или поздно человечеству придется переходить на использование возобновляемых источников. В настоящее время в области альтернативной энергетики лидируют три технологии: энергетика на основе биомассы, солнечная и ветровая энергетика. Наибольший прирост мощностей в последние годы происходил в ветровой энергетике. Ветровая энергетика в Западной Европе уже конкурентоспособна с топливной, однако, ее мировой ресурс не очень высокий. Ожидают, что после 2020 г. лидером станет солнечная электроэнергетика - тепловая и фотоэлектрическая. На сегодня в солнечной электроэнергетике большую часть производимой электроэнергии получают на солнечных ЭС теплового типа (термодинамических) с паровыми или газовыми турбинами и меньшую часть на ФЭС. В США и Китае тепловая солнечная энергетика развивается более энергично, чем фотоэлектрическая. У тепловых солнечных ЭС есть одна привлекательная особенность: тепло легче аккумулировать, и потому его можно накопить в дневные часы, а вечером, во время пиковой нагрузки пустить на генерацию электричества. Часто создают комбинированные ЭС - когда мало солнечного тепла, подключают нагреватель на обычном топливе. Но все же это «турбинная» система со всеми ее недостатками.
Таким образом, шансы фотоэнергетики с точки зрения конкуренции в будущей энергетике велики.
Как только фотоэнергетика стала пробивать себе дорогу в мир большой электроэнергетики, вскрылись проблемы, присущие самой электроэнергетике.
Корень "зла" для электроэнергетики заключен в неравномерном графике нагрузки, как суточном, так и годовом. Мощность электросети должна рассчитываться на часы "пик", а в остальное время энергия остается невостребованной. Современная «турбинная» электроэнергетика не обладает гибкостью. Турбины нельзя включать и останавливать когда угодно и сколько угодно. (Одной из главных причин аварии на Саяно-Шушенской ГЭС было то, что потерпевший катастрофу гидрогенератор в последние сутки дважды проходил критические режимы работы, что, особенно учитывая его изношенность, было недопустимо).
Такое обстоятельство приводит к необходимости существенного завышения мощностей ЭС. В фотоэнергетике проблема усугубляется еще и 100%-ной (ночь-день) вариацией мощности самих ФЭС.
Спасти положение могла бы возможность накопления энергии в период малой нагрузки, и отдача в период максимального спроса. Электрическая энергия - это самая удобная для непосредственного использования форма энергии. Но электроэнергию невозможно заложить на склад, залить в цистерну или закачать в подземную полость. Хранение электроэнергии сопряжено с большими затратами и потому в больших объемах сегодня просто невозможно. Поиск экономичных систем накопления электроэнергии пока не привел к успеху. В настоящее время могут использоваться, где это возможно, только гидроаккумулирующие станции. Перспективен также подход на основе солнечно-водородных систем: энергия ФЭС идет на гидролиз с получением водорода, а водородная ЭС вырабатывает электроэнергию в непрерывном режиме.
В крупных странах положение несколько спасает использование мощной электросети, в которой потребители электроэнергии распределены по часовым поясам, в результате чего энергия передается в те районы, где наступает пик потребления. В этом случае и пасмурная погода над ФЭС в одном месте может быть легко компен-сирована ярким солнцем над другим регионом. Так в настоящее время за счет большой разветвленности Единой Энергетической сети России экономиться 7 % (15 ГВт) мощностей традиционных ЭС.
По прогнозам экспертов («дорожная карта» программы PVPS агентства МЭА) к 2030 г. будет создано 100 ГВт установленной мощности ФЭС, а к концу 21 века мощность всех ФЭС мира составит 133 ТВт [15].
Специалистами выдвигаются следующие предложения для достижения такой цели:
1. Создание на Земле глобальной сети ФЭС большой мощности.
2. Создание глобальной космической системы ФЭС - спутников Земли, передающих энергию на Землю.
3. Создание системы ФЭС на Луне с передачей энергии на Землю.
По первому направлению предлагается создать глобальную энергосистему из ФЭС, равномерно расположенных в экваториальном поясе Земли таким образом, чтобы часть ФЭС всегда находилась на дневной стороне Земли. Все электростанции должны быть соединены линией электропередачи. Проведено компьютерное моделирование глобальной энергетической системы, состоящей из трех ФЭС, установленных в Австралии, Африке и Латинской Америке [16]. При моделировании использовали базы данных по солнечному излучению за весь период наблюдений. КПД ФЭС принимался равным 25 %, электрическая мощность каждой станции 2,5 ТВт, размеры территории занимаемой СБ каждой станции 200 х 200 км. Такая система может генерировать элек-троэнергию круглосуточно и равномерно в течение года в объеме 17300 ТВт • ч/год. В настоящее время проводят исследования по возможности создания крупных ФЭС в пустынях Африки и Ближнего Востока с передачей энергии в Европу по подводному кабелю [2]. В США разработан проект сети из трех крупных ФЭС, для которой будет использоваться высокотемпературный сверхпроводящий кабель.
Идеи создания ЭС в космосе для передачи энергии на Землю существовали еще до начала эры освоения космоса. В космосе энергию можно получать круглые сутки. Затем электроэнергию преобразуют в энергию монохроматического излучения СВЧ-диапазона (2 - 3 ГГц). Это излучение передается на Землю, где оно вновь превращается в электроэнергию и вливается в единую энергосистему [17]. Первый технический проект космической ФЭС был разработан в США П. Глейзером в 1968 г. [18]. Проекты таких станций предполагают два основных варианта их размещения в околоземном пространстве: на геостационарных орбитах, где они будут постоянно находиться в зените над фиксированной точкой на земном экваторе, и на солнечно-синхронных орбитах (более низких, с менее дорогой стоимостью доставки). Проект ФЭС Глейзера мощностью 5 ГВт представлял собой жесткую ферму размером примерно13 х 5 км с СБ из кремниевых СЭ. Создание такой конструкции даже по сегодняшним меркам нереально. За последние десятилетия появились новые подходы в сооружении космических ФЭС - на основе бескаркасных конструкций. Так в 1993 г. на транспортном корабле «Прогресс» был развернут возле станции «Мир» макет пленочной конструкции солнечного паруса площадью 300 м2 и массой всего 4 кг [19]. Предложена технология развертывания центробежными силами крупномасштабной ФЭС из доставленных на орбиту в виде катушек секторов пленочных СБ [20]. Появилась возможность создания на основе нанотехнологий полупроводниковой структуры, объединяющей свойства преобразования солнечной энергии и свойства генерации в СВЧ-диапазоне.
Однако проблемы не только в трудности сооружения СБ в космосе. Не удалось пока исключить высокие потери при преобразовании энергии, получаемой от СБ в силовой луч, посылаемый на приемные устройства на Земле. При использовании наиболее популярного варианта такой передачи посредством микроволнового излучения возникают пока нерешенные проблемы безопасности. Такой луч способен убить все живое в считанные секунды. В настоящее время склоняются к использованию лазерного излучения, которое легче сфокусировать. Крупнейшая в Европе космическая компания EADS Astrium ищет партнеров для участия в проекте запуска спутника с демонстрационной системой. В лабораториях компании успешно проведены эксперименты по передаче энергии лучом инфракрасного лазера и сейчас работают над улучшением КПД всей системы. Если удастся создать фотопреобразователи с КПД 80 % для преобразования на Земле энергии инфракрасного лазерного излучения в электрическую, то компания будет готова приступить к созданию спутника с ФЭУ мощностью 10 - 20 кВт.
В октябре 2007 г. Министерство обороны США выдвинуло проект долгосрочной программы создания космических ФЭС. Япония опубликовала проект, по которому в 2015 г. можно будет вывести на орбиту спутник с СБ площадью 4 км2, энергия с которого будет передаваться на Землю c использованием лазерного излучения. Стоимость проекта 21 млрд. долл. Как этап разработки реальных систем предлагаются проекты централизованных ЭС для энергообеспечения нескольких космических объектов. В России также существуют технологические заделы для решения аналогичных задач [21]. Растет количество предложений по схемам построения космических ФЭС [22].
Предложено много проектов создания ФЭС не на орбитах вокруг Земли, а на Луне [23]. На Луне удобнее сооружать огромные конструкции, можно частично из местного материала. Не менее 5 ФЭС необходимо располагать по экватору. Программа создания лунной базы и варианты технических решений по передаче энергии на Землю подробно рассмотрены, например, в работе [24].
Фотоэнергетика в России. Руководство России пока не озабочено проблемой замены традиционных энергоносителей. На каждого россиянина сегодня приходится в 10 раз больше энергоресурсов, чем в среднем на каждого жителя планеты. В структуре российского производства электроэнергии на конец 2009 г. общая установленная мощность энергосистемы составляет 211,8 ГВт, из них на долю ТЭС приходится около 70 %, ГЭС - 20 %, АЭС - более 10 % [25]. На долю всех видов возобновляемых источников энергии (без ГЭС) в производстве электроэнергии в России приходится всего 0,6 %. "В России альтернативные источники еще не скоро заменят углеводороды", - сказал несколько лет назад в интервью журналу "Итоги" министр промышленности и энергетики России.
Возможности развития автономной фотоэнергетики для обеспечения электро-энергией потребителей в труднодоступных и отдаленных от сетей местах в России необычайно велики. На 60 % территории страны нет централизованного электроснабжения. Даже в центральных областях возможно применение автономных ФЭУ. Так для компании «Вымпелком» оказалось экономически более выгодно соорудить ФЭУ мощностью 8,5 кВт для ретранслятора «БиЛайн», чем тянуть линию электропередачи на протяжении всего 6 км по горам [12]. Краснодарский край и большая часть Сибири и Дальнего Востока по поступлению солнечной энергии не уступает югу Франции и центральной части Италии.
Правительством страны (Распоряжение №1-р от 8 января 2009 г.) утверждены «Основные направления государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе возобновляемых источников энергии на период до 2020 г.» [25]. В документе предусмотрено увеличение к 2020 г. доли альтернативной энергетики до 4,5 %. Правда, одним из вариантов использования возобновляемых источников обозначено строительство приливных электростанций: Мезенской в Архангельской области и Тугурской в Хабаровском крае (причем только в 2016 - 2020 гг.). Возможно также, что в 2011-12 г. приступят к строительству солнечной тепловой ЭС в Кисловодске, спроектированной еще 25 лет назад. Инвесторы обеспечивают 70 % финансирования, государство свои 30 % пока не выделило. От государства потребуется также компенсировать разницу в конечной стоимости солнечной и традиционной энергии.
Если фотоэнергетика в России практически отсутствует, то фотоэлектрическая промышленность работоспособна и продает свою продукцию за рубеж. Основные производители СЭ и модулей СБ в стране [26]: НПФ «Солнечный ветер» (г. Краснодар) - установленная производственная мощность 5 мВт/год; НПП «Квант» (г. Москва) ? 5 мВт/год; ЗАО «ПРОТЕЛ» ПХМЗ (г. Орел) - 2,5 мВт/год; ООО «Красное знамя» (г. Рязань) - 2 мВт/год; Завод металлокерамических приборов - 2 мВт/год. НПФ «Солнечный ветер» в разное время продавала свои изделия в 17 стран мира. Эта фирма одна из немногих предприятий в мире, промышленно выпускающих модули из СЭ с двухсторонней чувствительностью. Объемы производства очень скромные, но все российские предприятия конкурентоспособны на мировом рынке.
В стране планируется создание новых более крупных предприятий по выпуску СЭ и модулей. Группа компаний «Ренова» с участием РОСНАНО строит завод по производству модулей большой площади на основе микроморфных СЭ проектной мощностью 120 мВт/год. Намечено использовать технологию, разработанную компанией Oerlikon Solar (Швейцария). Строительство идет на территории ОАО «Химпром», г. Новочебоксарск Чувашской Республики. Основными рынками сбыта продукции будут страны Южной Европы (Италия, Испания, Греция) и Германия. Осуществлять сбыт будет компания Avelar Energy Group (входящая в ГК Ренова), которая имеет опыт сооружения ФЭУ в Европе. Срок окупаемости проекта 7 лет.
30 апреля 2010 года подписано Инвестиционное соглашение между корпорацией РОСНАНО и представителями соинвесторов по проекту организации производства многопереходных СЭ с КПД 37 - 45 %, модулей с концентраторами и ФЭУ. В рамках проекта будет создано производство полного цикла, включающего в себя выращивание гетероструктур, изготовление СЭ, сборку модулей с линзами Френеля, изготовление систем слежения за солнцем и сборку ФЭУ. Пилотная линия будет организована в Санкт-Петербурге, завод для опытного и серийного производств будет построен в Ставропольском крае. Предполагается что, к 2015 году объем выпуска установок составит около 85 МВт в год. В осуществлении проекта участвует компания ValeyPearls Holdings LTD, специально учрежденное ООО «Солнечный поток» и Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН [27].
В России создаются также предприятия по производству поликристаллического кремния солнечного качества. Компания Nitol Solar строит в г. Усолье-Сибирское Иркутской области производственный комплекс общей проектной мощностью 5 тысяч тонн в год. 20 декабря 2010 г. на основной производственной линии в рамках испытаний уже была произведена первая партия кремния. В г. Железногорск под Красноярском на базе Горно-химического комбината (Росатом) запущен завод с проектной мощностью 2 тыс. тонн поли-Si в год.
В космическом направлении автономной фотоэнергетики также намечаются обнадеживающие сдвиги. Повышение требований к энергопитанию космических аппаратов привело к необходимости создания высокоэффективных и легких СБ с увеличенным ресурсом работы. Отечественные производители уже используют для космических СБ зарубежные СЭ на основе InGaP/GaInAs/Ge с КПД 28 % при АМ0 [28]. Проект создания собственного производства высокоэффективных СБ нового поколения был утвержден комиссией при президенте России по модернизации и технологическому развитию 28 октября 2009 года. Согласно постановлению Правительства России, подписанному 8 декабря 2010 г., Федеральному космическому агентству будет выделено 491 млн. рублей на производство СБ нового поколения [29]. НПП «Квант» находится в числе основных предприятий, которые осуществляют этот проект. Организация полного технологического цикла производства таких СБ позволит повысить энерговооруженность отечественных космических аппаратов всех типов, а также исключит зависимость от зарубежных поставщиков СЭ.
Заключение
Успехи последних лет в технологии фотоэлектрического преобразования солнечной энергии и накопившийся опыт использования ФЭС стали основой стремительного развития фотоэнергетики в мире. Когда стоимость полученной фотоэлектрическим методом энергии снизится до 0,1 долл./кВт • ч, фотоэнергетика станет серьезной альтернативой любым другим способам производства электро-энергии. В первую очередь из-за неисчерпаемости ресурса, экологической чистоты, безопасности, чрезвычайной простоты в строительстве и обслуживании. Сможет ли она со временем стать одной из важнейших составляющих большой электроэнергетики, зависит от многих причин. Главным образом, от того, получится ли у человечества практическое освоение энергии термоядерного синтеза.
По мере развития техники и технологий, электроэнергия, получаемая из возобновляемых источников, будет все больше дешеветь. Тогда как энергия, получаемая из традиционных источников, наоборот, дорожать вследствие простого исчерпания нефти, газа, угля, урана. Запасы традиционных энергетических ресурсов может быть еще и велики (эксперты МЭА полагают, что запасов природного газа на планете хватит еще на 250 лет), но рано или поздно будут опустошены. Чтобы в будущем развитие человечества не остановилось из-за нехватки энергии, необходимо создавать новые энергетические технологии уже сегодня.
«Какие бы высокие цены на нефть и газ ни были и как бы долго такая ситуация не сохранялась, Россия останется страной без будущего, если она не изменит свою научно-техническую политику» - мнение академика Алферова [30].
...Подобные документы
Характеристика устройств преобразования различных видов энергии в электрическую и для длительного хранения энергии. Использование мускульной силы человека для обеспечения автономного функционирования систем электрического питания при помощи велотренажера.
научная работа [270,6 K], добавлен 23.02.2013Обзор развития современной энергетики и ее проблемы. Общая характеристика альтернативных источников получения энергии, возможности их применения, достоинства и недостатки. Разработки, применяемые в настоящее время для нетрадиционного получения энергии.
реферат [4,5 M], добавлен 29.03.2011Природа, достоинства и недостатки геотермальной энергии. Изучение способов ее получения. Повышение эффективности преобразования энергии геотермальных вод в электроэнергию. Использование естественного выхода пара из подземных резервуаров и источников.
реферат [344,9 K], добавлен 14.01.2015Классические источники энергии, их характеристика. Виды и уровень развития альтернативных источников энергии, их основные достоинства и недостатки. Абсолютная и относительная сила мышц человека. Обзор устройств, работающих на мускульной силе человека.
реферат [302,6 K], добавлен 24.06.2016Понятие солнечной радиации и ее распределение по поверхности Земли. История развития солнечной энергетики, достоинства и недостатки ее использования. Виды фотоэлектрического эффекта. Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения.
курсовая работа [939,1 K], добавлен 12.02.2014Характеристика возобновляемых источников энергии: основные аспекты использования; преимущества и недостатки в сравнении с традиционными; перспективы использования в России. Способы получения электричества и тепла из энергии солнца, ветра, земли, биомассы.
курсовая работа [3,9 M], добавлен 30.07.2012Взаимодействие излучения высокой энергии с веществом, корпусов космических аппаратов с окружающей плазмой. Лабораторное оборудование для проведения радиационных испытаний космических аппаратов, исследования радиационных воздействий в натурных условиях.
курсовая работа [910,3 K], добавлен 14.06.2019Разработка К.Э. Циолковским способа практического подхода к использованию электромагнитной энергии Солнца. Использование ветра, волн и приливов для получения энергии. Нанотехнологические солнечные элементы. Перспективы микробиологической энергетики.
реферат [15,5 K], добавлен 27.08.2009Сущность и краткая характеристика видов энергии. Особенности использования солнечной и водородной энергии. Основные достоинства геотермальной энергии. История изобретения "ошейника" А. Стреляемым, принцип его работы и потребления энергии роста растений.
презентация [911,5 K], добавлен 20.12.2009Основы энергосбережения, энергетические ресурсы, выработка, преобразование, передача и использование различных видов энергии. Традиционные способы получения тепловой и электрической энергии. Структура производства и потребления электрической энергии.
реферат [27,7 K], добавлен 16.09.2010Характерные особенности поверхностных волн на глубокой воде. Основы преобразования энергии волн. Преобразователи энергии волн. Колеблющийся водяной столб. Преимущества подводных устройств. Преимущества подводных устройств. Экология энергии океана.
реферат [1,6 M], добавлен 27.10.2014Основные достоинства и недостатки геотермальной энергии. Мировой потенциал геотермальной энергии и перспективы его использования. Система геотермального теплоснабжения, строительство геотермальных электростанций. Востребованность геотермальной энергетики.
контрольная работа [4,0 M], добавлен 31.10.2011Типовые источники энергии. Проблемы современной энергетики. "Чистота" получаемой, производимой энергии как преимущество альтернативной энергетики. Направления развития альтернативных источников энергии. Водород как источник энергии, способы его получения.
реферат [253,9 K], добавлен 30.05.2016Математическое описание процесса преобразования энергии газообразных веществ (ГОВ) в механическую энергию. Определение мощности энергии топлива с анализом энергии ГОВ, а также скорости движения турбины с максимальным использованием энергии ГОВ.
реферат [46,7 K], добавлен 24.08.2011Генерация электроэнергии как ее производство посредством преобразования из других видов энергии, с помощью специальных технических устройств. Отличительные признаки, приемы и эффективность промышленной и альтернативной энергетики. Типы электростанций.
презентация [2,0 M], добавлен 11.11.2013Геотермальные ресурсы - природные возобновляемые источники энергии, их современная востребованность как альтернативных; происхождение, применение, основные достоинства и недостатки. Мировой потенциал геотермальной энергии и перспективы его использования.
курсовая работа [318,0 K], добавлен 06.04.2011Внутренняя структура протона. Закономерность структурогенеза протона. Энергия вакуума и протона. Эффект Лэмба-Ризерфорда и Казимира. Современные способы получения энергии. Основной этап и схема энергопреобразований в новом способе получения энергии.
доклад [52,2 K], добавлен 20.01.2011Классификация возобновляемых источников энергии. Современное состояние и перспективы дальнейшего развития гидро-, гелео- и ветроэнергетики, использование энергии биомассы. Солнечная энергетика в мире и в России. Развитие биоэнергетики в мире и в РФ.
курсовая работа [317,6 K], добавлен 19.03.2013Промышленная и альтернативная энергетика. Преимущества и недостатки гидроэлектростанций, тепловых и атомных электростанций. Получение энергии без использования традиционного ископаемого топлива. Эффективное использование энергии, энергосбережение.
презентация [1,2 M], добавлен 15.05.2016Солнечная энергетика — использование солнечного излучения для получения энергии; общедоступность и неисчерпаемость источника, полная безопасность для окружающей среды. Применение нетрадиционной энергии: световые колодцы; кухня, транспорт, электростанции.
презентация [4,5 M], добавлен 05.12.2013
