Перспективи розвитку геліоенергетики

2. Фізична геліоенергетика передбачає перетворення сонячного випромінювання в інші види енергії за допомогою сонячних колекторів, напівпровідників або системи дзеркал.

 

1.4. Висновки.

Сонце вже давно використовується людьми як поновлюване джерело енергії, але, на жаль, «працює» воно в енергетику далеко не на повну свою потужність. Люди продовжують спалювати корисні копалини (непоновлювані ресурси). Кожен кіловат потужності теплової електростанції, що працює на вугіллі, за один рік виробляє в якості вторинних продуктів у середньому 2,4 т золи, 30 кг. окису сірки й 3 кг окису вуглецю. За останні 100 років концентрація вуглекислого газу в атмосфері Землі підвищилася на 13%. Це збільшення приводить до розвитку тепличного ефекту на планеті. Вуглекислий газ затримує інфрачервоне випромінювання нашої планети, порушуючи тим самим теплову рівновагу між Землею й навколишнім космічним простором. Це вже обумовило підвищення середньої температури землі й танення льодів в Арктиці й Антарктиці. Якщо цей процес не буде зупинений, то повне танення цих льодів приведе до підйому рівня світового океану на 80-90 метрів та планетарній катастрофі.

А тим часом наше світило  шле на Землю сонячну радіацію, еквівалентну в середньому 1 кВт/м2. Загальна потужність сонячної радіації, що перехоплюється нашою планетою, становить 1,7*1014 кВт. Ця потужність приблизно в 500 разів перевищує граничні й навряд чи досяжні енергетичні потреби людської цивілізації. Загальна енергія, що отримує наша планета у вигляді сонячної радіації за один рік, становить 1018 кВт годину, що приблизно в 10 разів більше енергії всіх розвіданих запасів викопних палив, включаючи й речовини, що розщеплюються. Завдання полягає в тому, щоб створити прилади, які перетворять хоча б частину цього колосального потоку енергії в електричну й теплову енергію, так необхідну людині. Такими приладами і є сонячні батареї та теплові колектори.

Вся сонячна енергетика починалася з космічної, оскільки сонячні  батареї є єдиним потужним джерелом електричної енергії штучних супутників Землі.

 

2. РОЗДІЛ. Практичні аспекти використання сонячної енергії

2.1. Потенційні можливості геліоенергетики.

Для оцінки можливостей  сонячної енергетики округлено вважають, що щільність потоку сонячної радіації поза атмосферою Землі дорівнює 1.4 кВт/м2, а на рівні океану на екваторі опівдні 1 кВт/м2.

Загальна потужність сонячної радіації, перехоплюється нашою  планетою, становить 1.7 * 1014 кВт. Це колосальна потужність приблизно в 500 разів  перевищує граничні та навряд чи досяжні  потреби людської цивілізації, які за оцінкою Римського клубу, можуть скласти 3 * 1011 кВт. Якщо оцінити всю сонячну енергію, яку наша планета отримує за один рік, то вона складе 1018 кВт * год, що приблизно в 10 разів більше енергії всіх розвіданих і нерозвіданих викопних палив. Із загальної кількості сонячної радіації, що поступає на Землю близько 30% одразу відбивається в космос у вигляді короткохвильового випромінювання, 47% адсорбується атмосферою, поверхнею планети (сушею і океаном) і перетворюється в тепло, яке здебільшого розсіюється в космос у вигляді інфрачервоного випромінювання, інші 23 % залучаються до процесів випаровування, конвекцію, опади і кругообіг води в природі. Невелика частина, близько 0.2%, йде на освіту потоків в океані та атмосфері, включаючи океанські хвилі. І тільки 0.02% захоплюється хлорофілом зелених рослин і підтримує життя на нашій планеті. Мала частка від цих 0.02% забезпечила мільйони років назад накопичення на Землі запасів викопного палива.

Сонячна енергія  упевнено завойовує стійкі позиції в світовій енергетиці. Привабливість сонячної енергетики обумовлена ​​низкою обставин: 
сонячна енергетика доступна в кожній точці нашої планети, розрізняючись по щільності потоку випромінювання не більше ніж в два рази. Тому вона приваблива для всіх країн, відповідаючи їх інтересам в плані енергетичної незалежності.

 

2.2. Пристрої та механізми перетворення  сонячної енергії.

Винайдено механізм перетворення сонячної енергії на пальне

Науковці створили прототип сонячного пристрою, який відтворює життєдіяльність рослин і перетворює енергію Сонця на пальне.

Рис. 1. Модель пристрою перетворення сонячної енергії на пальне.

Вчені відтворили в новому пристрої процес фотосинтезу.

Пристрій використовує сонячне проміння і метал церій  із групи лантаноїдів для розщеплення  двоокису вуглецю або води на пальне, яке можна зберігати і транспортувати.

Прототип, створений науковцями у Сполучених Штатах і Швейцарії, збирає сонячне світло через кварцове вікно і камеру у циліндр, вкритий церієм.

Цезій має природну властивість віддавати кисень при нагріванні і всмоктувати його при охолодженні.

Коли у пристрій закачують  двоокис вуглецю або воду, церій, охолоджуючися, швидко забирає з них кисень, утворюючи водень і окис вуглецю.

Отриманий водень можна  використовувати у спеціально пристосованих  для цього автомобілях.

Науковці визнають, що новий пристрій є надзвичайно  неефективним, адже він використовує лише 0.7% або 0.8% сонячної енергії, яка в нього потрапляє.

Більшість енергії губиться через втрату тепла, яке виходить крізь стінки реактора. Однак його ефективність можна збільшити до 19% завдяки кращій теплоізоляції.

Рідинний сонячний колектор для опалення та водо забезпечення

Сонячний аква-колектор являє собою спеціалізований теплообмінник, що перетворює енергію ультрафіолету в тепло і передаючий його Рідинний сонячний колектор теплоносію - воді, яка пересувається всередині каналів поглинаючої панелі (абсорбера) колектора.

Сонячні колектори вважаються головною складової систем сонячного теплопостачання або домашніх сонячних водонагрівачів та вживається для забезпечення теплою водою житлових будівель, промислових, сільськогосподарських і комунально-побутових схемах центрального сонячного теплопостачання з денним акумулятором теплаоб'єктів.

Рис. 2. Схема центрального теплозабезпечення з добовим  акумулятором тепла.

Сонячний колектор

Робота системи  теплопостачання ґрунтується на використанні сонячних колекторів, у яких відбувається вловлювання сонячної радіації, її перетворення в теплоту і нагрівання теплоносія. В цей час широко використовуються плоскі колектори, особливістю яких є те, що вони перетворюють у теплоту як пряме, так і розсіяне випромінювання. Тому плоскі колектори не потребують застосування складних систем спостереження за Сонцем.

Плоский колектор сонячної енергії являє собою  коробку, яка має теплоізоляцію  і закрита зверху прозорою герметичною  кришкою (засклення). Всередині ящика розміщується абсорбер – плоска променепоглинальна пластина, верхня частина якої пофарбована в чорний колір для кращого поглинання сонячного випромінювання.

Абсорбер має  спеціальну вигнуту форму для  утворення каналів для теплоносія; можлива плоска конструкція абсорбера з привареними або припаяними для теплоносія трубками круглого або прямокутного перерізу.

Рис. 3. Будова плоского сонячного колектора.

 

2.3. Пряме перетворення сонячної енергії в електричну енергію.

Пряме перетворення енергії сонячної радіації в електрику здійснюється за допомогою напівпровідникових фотоелектричних перетворювачів (ФЕП). Фотоелектричні перетворювачі працюють на принципі внутрішнього фотоефекту, при якому фотони, поглинає в базовому шарі ФЕП, передають свою енергію безпосередньо електронам. Фотоелектричний ефект виникає в напівпровідникових структурах при наявності в них енергетичного бар'єру.

Енергетичний  бар'єр більшості ФЕП являє собою  вбудоване електричне поле, що виникає  на межі двох напівпровідникових матеріалів, що відрізняються типом електропровідності (електронною - n-тип і доречний - р-тип). При поглинанні фотонів відбувається генерація нерівноважних електрон-діркових пар, поділ яких вбудованим електричним полем призводить до формування фото-е.р.с (Рис.1), яке існує до тих пір поки напівпровідникова структура освітлюється світлом.

 

Рис. 2. Схема внутрішнього фотоефекту в напівпровідниковій бар'єрній структурі. 
hн - енергія падаючого фотона; Ef - рівень Фермі; 
Ev-стеля валентної зони; Ec-дно зони провідності.

Як і для будь-якого перетворювача одного виду енергії в інший вид основної експлуатаційної характеристикою ФЕП є коефіцієнт корисної дії (к.к.д.). К.к.д. перетворювача сонячної енергії являє собою відношення електричної потужності виробленої при роботі ФЕП до потужності сонячного випромінювання падаючого на його поверхню при стандартній щільності сонячної радіації 1кВт/м2 (1000Вт/м2). Так, наприклад, при к.к.д. 10% з 1м2 ФЕП можна отримати 100Вт електричної потужності. За своїм конструктивно-технологічного рішення фотоелектричні перетворювачі являють собою наукоємні вироби електронної техніки. Перші надійні і довговічні ФЕП були виготовлені на основі монокристалічного кремнію для електропостачання космічних апаратів.

Типова конструкція сучасного  ФЕП на основі pSi-nSi наведена на малюнку 2. К.к.д. таких одиничних ФЕП звичайно становить 14%. При цьому напруга холостого ходу складає 0,6 В, а щільність струму короткого замикання досягає 40мА/см2.

 
Рис. 2. Схема ФЕП на основі монокристалічного кремнію.

 

Так як для роботи більшості споживачів потрібні більш високі значення напруги і струму, то одиничні ФЕП паралельно-послідовно збираються в сонячні модулі необхідної потужності і вихідної напруги. Вартість цих модулів визначається високою ціною пластин монокристалічного кремнію завтовшки 300-500 мкм., Використовуваних в його конструкції. Такі пластини з Si отримують розрізанням вирощеного при температурі понад 1000о С Монокристальна циліндра діаметром до 150 мм. При різанні на пластини майже половина цього дорогого матеріалу йде в стружку. Тому ФЕП на основі монокристалів Si використовуються переважно для апаратів космічного призначення. При виробництві монокристалічних кремнієвих ФЕП витрачається таку кількість енергії і праці, яке не окупиться протягом усього часу їх експлуатації (20-25 років). Таким чином, для широкомасштабного наземного використання ФЕП на основі монокристалічного кремнію, мабуть, можуть застосовуватися тільки як відходи від їх космічного виробництва. У той же час ФЕП на основі вирощуваної полікристалічної кремнієвої стрічки є досить комерційно привабливими, незважаючи на більш низькі значення к.к.д., так як протягом їх експлуатації вони виробляють електроенергії значно більше, ніж було витрачено на їх виробництво. На думку більшості вчених найбільш перспективними для наземного використання є тонкоплівкові ФЕП, низька вартість яких при масовому виробництві і при достатній ефективності визначається зменшенням товщини ФЕП в 100 разів. Найбільшу ефективність демонструють сонячних елементи на основі плівок напівпровідникових полікристалічних сполук Cu (InGa) Se 2, CdTe товщиною порядку декількох мкм і плівок гидрогенизированного аморфного кремнію aSi: H. Типове конструктивно-технологічне рішення таких ФЕП приведено на малюнку 3

.

Рис 3. Схема тонкоплівкового фотоелектричного перетворювача

 

2.4. Переваги та недоліки геліоенергетики.

Переваги:

1. Загальнодоступність і невичерпність джерела.
2. Теоретично, повна безпека для навколишнього середовища (проте в наш час у виробництві фотоелементів і в них самих використовуються шкідливі речовини).

Недоліки:

1. Через відносно невелику величину сонячної постійної для сонячної енергетики потрібне використання великих площ землі під електростанції (наприклад, для електростанції потужністю 1 Гвт це може бути декілька десятків квадратних кілометрів). Проте, цей недолік не так великий, наприклад, гідроенергетика виводить з користування значно більші ділянки землі. До того ж фотоелектричні елементи на великих сонячних електростанціях встановлюються на висоті 1,8 – 2,5 метра, що дозволяє використовувати землі під електростанцією для сільськогосподарських потреб, наприклад, для випасу худоби. Проблема знаходження великих площ землі під сонячні електростанції вирішується у разі застосування сонячних аеростатних електростанцій, придатних як для наземного, так і для морського і для висотного базування.
2. Потік сонячної енергії на поверхні Землі сильно залежить від широти і клімату. У різних місцевостях середня кількість сонячних днів в році може дуже сильно відрізнятися.
3. Сонячна електростанція не працює вночі і недостатньо ефективно працює у ранкових і вечірніх сутінках. При цьому пік електроспоживання припадає саме на вечірні години. Крім того, потужність електростанції може стрімко і несподівано коливатися через зміни погоди. Для подолання цих недоліків потрібно або використовувати ефективні електричні акумулятори (на сьогоднішній день це невирішена проблема), або будувати гідроакумулюючі, які теж займають велику територію, або використовувати концепцію водневої енергетики, яка також поки далека від економічної ефективності. Проблема залежності потужності сонячної електростанції від часу доби і погодних умов вирішується у разі сонячних аеростатних електростанцій.
4. Висока ціна сонячних фотоелементів. Ймовірно, з розвитком технології цей недолік подолають. В 1999 – 2005 рр. ціни на фотоелементи знижувалися в середньому на 4 % на рік.
5. Недостатній ККД сонячних елементів (ймовірно, буде незабаром збільшений).
6. Поверхню фотопанелей потрібно очищати від пилу і інших забруднень. При їх площі в декілька квадратних кілометрів це може викликати утруднення.
7. Ефективність фотоелектричних елементів помітно падає при їх нагріванні, тому виникає необхідність в установці систем охолоджування, зазвичай водяних.
8. Через 30 років експлуатації ефективність фотоелектричних елементів починає знижуватися.

Екологічні проблеми:

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

 

2.5. Висновки.

Зібрана геліоенергетичними пристроями сонячна радіація заміняє енергію, яка вироблена за допомогою брудних відносно довкілля технологій. У цьому й полягає головний екологічний ефект сонячної енергетики.

Основний шкідливий вплив геліоустановок на довкілля непрямий – це технологічні процеси, які пов'язані з виробництвом нових сполук для обладнання геліоустановок. У багатьох випадках це обладнання потребує рідкісноземельних елементів, які містяться в дуже малих концентраціях у земних породах і для їх видобування треба переробити значну кількість цих порід.

Геліоустановки не впливають на природний тепловий режим планети, тому що використовують дуже незначну частку сонячної теплоти, але й вона після перетворення в електричну енергію і її використанні повертається в довкілля у вигляді теплоти.

Енергія, яка затрачена  на виробництво сонячного колектора, дорівнює енергії, яку колектор виробляє протягом 1 – 4 років.

 

 

 

3. РОЗДІЛ. Перспективи розвитку геліоенергетики в Україні

3.1. Практичні аспекти використання енергії сонячного випромінювання в Україні.

В Україні існують  всі умови для широкомасштабного  впровадження геліоенергетики. Адже енергія  сонячної радіації за один середньорічний світловий день складає близько 5 кВт за годину на 1 квадратний метр (цей показник дорівнює європейському).

Україна зробила впевнений  крок до “зеленого тарифу”. Реалізовано  масштабний проект - сонячний парк «Охотникове». Станція «Охотникове», загальною  потужністю 80 Мвт, розташована більш  ніж на 160 гектарах і складається  з приблизно 360 000 модулів – фотоелектричних перетворювачів, які трансформують сонячне електромагнітне випромінювання в електрику. Сонячна електростанція може задовольнити потреби в електроенергії близько 20 000 домогосподарств.

Рис. 5. Сонячні батареї  в сонячному парку «Охотникове».

Застосування у СЕС “Охотникове” так званих “столів” – змонтованих дворядних опорних конструкцій для сонячних дзеркал – сприяє двократній продуктивності використання землі. Більше того, під будівництво станції використали земельну ділянку, не придатну для землеробства. Колись тут був кар’єр із видобутку вапняку.