Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
РЕФЕРАТ
на тему:
“Солнечная энергетика”.
Содержание:
1. Введение.
2. Концепция Z.
2.1. Водород - топливо XXI века.
2.2. Солнечно-водородная энергетика.
2.3. Фотокатализ и фотосенсибилизация.
2.4. Биофотолиз воды.
2.5. Искусственные фотокаталитические системы разложения воды.
3. Основные принципы работы солнечных батарей.
4. Конструкции и материалы солнечных элементов.
5. Солнечное теплоснабжение.
5.1. Оценка солнечного теплоснабжения в России.
5.2. Разработка и внедрение первой в районе Сочи солнечно-топливной котельной.
6. Перспективы развития фотоэлектрических технологий(производство солнечных элементов).
7. Выводы.
Список литературы.
1. ВВЕДЕНИЕ.
Одним из основных факторов, определяющих уровень развития общества, является его энерговооруженность, причем потребности человечества в энергии удваиваются каждые 10-15 лет. Потребление энергии за историю развития человечества (в расчете на одного человека) выросло более чем в 100 раз. Так, например, трехкратное увеличение населения США в XX столетии сопровождалось десятикратным увеличением потребления энергии.
Современная энергетика является топливной и более чем на 90% базируется на использовании химических топлив на основе природных горючих ископаемых: нефти, газа, угля (и продуктов их переработки), запасы которых на планете ограниченны и будут в конце концов истощены. Это определяет, с одной стороны, необходимость энергосбережения и разработку высокоэффективных методов добычи и переработки всех доступных ископаемых топлив, а с другой — поиск новых источников энергии и получение на их основе синтетических топлив. Речь идет о синтезе с затратой энергии веществ, которые можно было бы использовать в качестве удобного для потребления искусственного топлива. Более того, всевозрастающие проблемы человечества, связанные с защитой окружающей среды от химического, радиационного и теплового загрязнения, определяют ужесточение требований к экологической чистоте энергодобывающих процессов.
2.1. ВОДОРОД - ТОПЛИВО XXI ВЕКА.
По мнению некоторых специалистов, одним из наиболее перспективных видов синтетических топлив энергетики XXI века является молекулярный водород. Среди его достоинств можно выделить:
1) высокую энергоемкость; в расчете на единицу массы водород превосходит все природные топлива: природный газ в 2,6 раза, нефть в 3,3 раза, целлюлозу в 8,З раза;
2) химико-экологическую чистоту; единственным продуктом его окисления в любых режимах (при горении или электрохимическом окислении) является вода (окись азота, являющаяся побочным продуктом сгорания водорода в воздухе, образуется в ничтожных количествах);
3) практически неисчерпаемые запасы дешевого сырья — воды, содержащей более 10% (по массе) водорода;
4) возможность использования топливных элементов, реакции окисления водорода и восстановления кислорода воздуха с образованием воды в которых протекают на электродах и приводят к генерации электрического тока, позволяют эффективно доставлять и преобразовывать энергию в удобный для потребления электрический вид. Важно, что КПД современных топливных элементов существенно больше КПД любых энергетических систем, основанных на сжигании топлива, и достигает в настоящее время -80%, тогда как КПД дизельных двигателей <30%.
Кроме того, водород — не только высокоэффективное топливо, но и ценное сырье для химической промышленности.
Препятствием к практическому использованию водорода в качестве синтетического топлива является его высокая стоимость. К тому же хранение и использование такого топлива в больших количествах сопряжены с некоторыми трудностями. Так, при использовании водорода в качестве топлива в автомобильных двигателях его масса составит меньше 1% массы баллона, в котором он находится. Однако эти проблемы не носят принципиального характера. Вместо водорода, хранящегося в газовых баллонах, предполагается, например, использовать химически связанный сплавами некоторых металлов водород. Так, лантан-никелевые и железо-титановые сплавы могут обратимо связывать 100 объемов водорода на 1 объем сплава.
2.2. СОЛНЕЧНО-ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Несмотря на все преимущества водорода в качестве синтетического топлива, принципиальным остается вопрос об источнике энергии для получения водорода из воды. В основном рассматриваются три альтернативных источника: термоядерная, атомная и солнечная энергия. Однако возможности широкого использования внутренней (термоядерной и атомной) энергии неразрывно связаны с проблемой теплового загрязнения среды — нарушения теплового баланса и повышения температуры Земли. На эту проблему впервые указал академик Н.Н. Семенов. Согласно его оценкам, перегрев Земли на 3-4°С может привести к глобальному негативному изменению климата. При современных темпах развития энергетики на основе внутренних источников тепла изменение климата Земли может наступить уже в ближайшие 30-50 лет. Это определяет принципиальное ограничение дальнейшего развития энергетики на основе внутренних источников энергии и стимулирует поиск новых источников, не вызывающих нарушения теплового баланса Земли. С этой точки зрения солнечная энергия является одним из наиболее экологически чистых источников энергии. В связи с этим возникает вопрос: способна ли энергетика, основанная на использовании солнечного излучения в Качестве первичного источника энергии, обеспечить энергетические потребности человечества?
Годовое потребление энергии человечеством за счет всех источников энергии в настоящее время составляет -1017 ккал. Сравнение этой величины с потоком поглощаемой Землей солнечной энергии (~8 • 1020 ккал/год), использование которой не превышает 2 • 10-3 % (схема 1), показывает, что резервы солнечной энергии значительно превышают не только современные, но и будущие энергетические потребности человечества.
В связи с большими резервами и экологической чистотой в последние годы все более популярной становится концепция солнечно-водородной энергетики, основанной на преобразовании солнечной энергии в химическую в результате разложения воды и сочетающей в себе все достоинства водорода в качестве топлива и солнечной энергии в качестве первичного источника. Схема такой идеальной солнечно-водородной энергетики, включающей фоторазложение воды с последующим транспортом и преобразованием водородного топлива в удобную для потребления электрическую форму энергии, представлена на схеме 2.
Следует отметить, что по сравнению с прямым преобразованием солнечной энергии в электрическую на основе полупроводниковых солнечных батарей промежуточное аккумулирование солнечной энергии в топливной форме водорода в рамках солнечно-водородной энергетики успешно решает проблему суточной и сезонной зависимости потока солнечной энергии.
В настоящее время предложено несколько основных путей для разложения воды под действием солнечного излучения. Некоторые из них являются косвенными. Например, термохимические методы, основанные на использовании тепла, полученного за счет солнечной энергии, или электролиз воды за счет электроэнергии от полупроводниковых солнечных батарей или тепловых электростанций. Однако исследование природного процесса конверсии солнечной энергии в химическую (фотосинтеза) показывает принципиальную возможность прямого фотохимического разложения воды солнечным светом. В связи с этим в последние годы весьма интенсивно развиваются фотохимические методы получения водорода из воды, основанные либо на искусственных фотохимических системах, либо на применении биологических систем (растений, микроскопических водорослей, фототропных бактерий), фотосинтетический аппарат которых может быть использован для выделения водорода - биофотолиз воды.
Из повседневного опыта известно, что чистая вода в любом агрегатном состоянии совершенно прозрачна для падающего на поверхность Земли солнечного света, основная часть которого приходится на область видимого и ближнего инфракрасного излучения (0,3-1,0 мкм). Заметное поглощение электромагнитного излучения водой, способного привести к ее фоторазложению, начинается лишь с длин волн короче 0,2 мкм, практически отсутствующих в спектре солнечного излучения, достигающего поверхности Земли. Это означает, что процессы прямого фотолиза воды с участием ее электронно-возбужденных состояний не могут быть использованы для конверсии солнечной энергии в химическую. Таким образом, как и в природном фотосинтезе, эффективное фотохимическое разложение воды солнечным светом возможно только на основе фотокаталитических процессов.
2.3. ФОТОКАТАЛИЗ И ФОТОСЕНСИБИЛИЗАЦИЯ
Специфической особенностью фотокаталитических процессов по сравнению с обычным "темновым" катализом является, с одной стороны, чувствительность химической системы к действию света и, с другой - возможность осуществления каталитических реакций превращения субстрата в продукт с положительным изменением свободной энергии системы AG > 0. В связи с этим при разработке искусственных фотокаталитических систем разложения воды солнечным светом используют явления фотосенсибилизации и фотокатализа. Фотосенсибилизация - это изменение спектральной области чувствительности химических соединений, происходящее вследствие процессов переноса энергии или электрона от веществ, называемых сенсибилизаторами, которые поглощают свет другой спектральной области (обычно более длинноволновой). Фотокатализ - это явление индуцирования химических превращений при действии света -на системы, содержащие химические соединения -участники реакции и вещества, называемые фотокатализаторами, которые индуцируют при поглощении света химические превращения участников реакции, многократно вступая с ними в химические взаимодействия и регенерируя свой состав после каждого цикла промежуточных взаимодействий.
Следует отметить, что в чистом виде явление как фотокатализа, так и фотосенсибилизации встречается редко. В большинстве фотокаталитических процессов одни и те же вещества выполняют функцию и фотосенсибилизатора и фотокатализатора. Так, например, в фотокаталитическом процессе природного растительного фотосинтеза, приводящего в общем виде к восстановлению углекислого газа до органических соединений и окислению воды:
хлорофилл (ХЛ) выступает и фотосенсибилизатором и фотокатализатором. Более 90% хлорофилла растительной клетки входит в состав хлорофилл-белковых комплексов, выполняющих функцию фотосенсибилизатора (S) и обеспечивающих эффективное поглощение солнечного излучения в результате их электронного возбуждения (S—»-S*). Такие комплексы играют роль своеобразной антенны для улавливания солнечного света, характеризующегося относительно низкой плотностью потока энергии на единицу поверхности (средняя интенсивность падающего на поверхность Земли света в южных районах России составляет -2,2 • 10-2 ккал/(см2 • с)). Энергия электронного возбуждения антенных комплексов с эффективностью, близкой к 100%, передается димеру Р хлорофилла (S* + Р—Р*), входящему в состав реакционного центра и выполняющему функцию фотокатализатора суммарного процесса переноса электронов от воды к никотина-мидадениндинуклеотид фосфату (NADP+):
()
Восстановленная форма NADPH участвует в дальнейших темновых биохимических реакциях, приводящих к образованию органических соединений из углекислого газа.
2.4. БИОФОТОЛИЗ ВОДЫ
Основные фотокаталитические процессы природного фотосинтеза растений, протекающие в реакционном центре и описываемые так называемой Z-схемой (схема 3) с двумя фотосистемами ФС1 и ФС2, были подробно рассмотрены в [2]. В общем виде реакционный центр каждой фотосистемы содержит фотокатализаторы Р700 и Р680 на основе хлорофилла, первичные акцепторы А1, А2 и доноры D1, D2 электрона, цепь электронного транспорта (ЦЭТ), соединяющую две фотосистемы, а также катализаторы образования О2 и NADPH.
Первичные стадии фотосинтеза могут быть рассмотрены как своеобразный двухтактный электронный фотонасос, осуществляющий под действием двух квантов света перенос одного электрона от воды к NADP+. Это определяет необходимость использования в суммарной реакции восьми квантов света для получения одной молекулы кислорода из воды. Такая не самая оптимальная с точки зрения энергетики восьмиквантовая схема преобразования солнечной энергии в химическую является результатом эволюционного развития процесса растительного фотосинтеза, первоначально зародившегося как бактериальный . В то же время природный фотосинтез характеризуется уникальной квантовой эффективностью первичных процессов переноса электрона между донорами и акцепторами в результате быстрых (~10-10 с) реакций с участием фотокатализаторов.
Это приводит как к эффективной регенерации фотокатализатора, так и высокому (>90%) КПД разделения зарядов, возникающих на доноре и акцепторе электрона фотосистемы после поглощения кванта света.
Выделение из растительных клеток хлоропластов с сохранением их фотосинтезирующих свойств открывает возможность использования уникального природного фотосинтетического аппарата для получения водорода из воды - биофотолиза воды. Задача сводится в первую очередь к организации в ФС1 каталитического процесса восстановления не NADP+, а воды. Известно, что конечным акцептором электронов в ФС2 является железо-серный белок ферредоксин (Фд), восстановленная форма которого в присутствии специальных катализаторов способна выделять водород из воды. Разработанные к настоящему времени модельные биохимические системы фотолиза воды на основе выделенных из растительных клеток хлоропластов (схема 4) содержат два общих элемента: электронтранспортную цепь (ЦЭТ) фотосинтеза и катализатор образования водорода, в качестве которого могут быть использованы как биологические (гидрогеназа), так и неорганические (коллоидная Pt) катализаторы. В то же время в качестве восстановителя воды может выступать как непосредственно ферредоксин, так и специально введенный в систему промежуточный переносчик электрона М, способный акцептировать электроны из электронтранспортной цепи хлоропластов и в дальнейшем каталитически восстанавливать воду (схема 4).
Двухстадийный процесс разложения воды в последнем случае позволяет осуществить разделение водорода и кислорода, поскольку выделение газов происходит на разных стадиях.
Энергетическая эффективность преобразования солнечной энергии в химическую для разработанных в настоящее время модельных систем биофотолиза воды не превышает 0,2%, тогда как теоретическое предельное значение составляет -17%. Второй существенной проблемой является недостаточная стабильность разработанных биосистем фотолиза воды во времени (до 30 дней). Решение этих проблем позволит перейти к созданию практически приемлемых устройств конверсии солнечной энергии в химическую на основе биокаталитических систем фотолиза воды.
2.5. ИСКУССТВЕННЫЕ ФОТОКАТАЛИТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ РАЗЛОЖЕНИЯ ВОДЫ
Созданный природой в ходе эволюции уникальный восьмиквантовый фотосинтетический аппарат, включающий две фотосистемы, объединенные сложной многоступенчатой электрон-транспортной цепью, обеспечивает не только окисление воды и восстановление NADP+, но и синтез энергоемких соединений аденозинтрифосфата из аденозинди-фосфата и неорганического фосфата, которые в дальнейшем выполняют роль универсального источника энергии в клетке, обеспечивая протекание большинства биохимических процессов [1-3]. В связи с этим заманчивым представляется создание искусственных фотокаталитических систем, выполняющих узкоспециализированную функцию фоторазложение воды. При этом нет необходимости моделировать весь сложный механизм фотосинтеза, а следует использовать только основные принципы фотохимического преобразования солнечной энергии в химическую.
Поскольку выделение одной Молекулы кислорода требует разложения двух молекул воды, энергетические затраты на проведение одного каталитического цикла фоторазложения воды при комнатной температуре не могут быть меньше 113,4 ккал/моль, что соответствует энергии квантов ультрафиолетового света (К — 0,252 мкм), практически отсутствующих в спектре солнечного излучения (0,3-1,0 мкм), падающего на поверхность Земли. Это означает, что с точки зрения наиболее полного использования солнечного излучения, достигающего поверхности Земли, наиболее рациональной является четырех-квантовая схема процесса разложения воды, при котором каждый квант света используется для переноса одного электрона. В этом случае пороговая длина волны света составляет 1,008 мкм, что соответствует красной границе солнечного излучения и как следствие этого обеспечивает максимальную эффективность преобразования солнечной энергии в химическую. Таким образом, в отличие от природного фотосинтеза искусственные фотокаталитические системы разложения воды могли бы работать по принципу не двухтактного (см. схему 3), а однотактного фотонасоса.
В настоящее время разрабатываются два типа искусственных фотокаталитических систем: полупроводниковая и молекулярная. В первом случае в качестве фотокатализатора используются полупроводниковые материалы на основе халькогенидов, фосфидов и арсенидов переходных металлов. Поглощение кванта света приводит к переносу электрона между энергетическими уровнями твердого тела, называемыми зонами: заполненной зоной и зоной проводимости . Образующиеся заряды — электрон (е~) в зоне проводимости и положительно заряженная "дырка" (р+) в заполненной зоне — растягиваются в разные стороны электрическим полем, существующим на границе полупроводник-раствор, и участвуют в дальнейших каталитических процессах восстановления и окисления воды в присутствии нанесенных на поверхность полупроводника катализаторов Pt и RuO2. Иммобилизация на поверхности полупроводника различных органических и неорганических красителей, выполняющих функцию фотосенсибилизатора S , позволяет обеспечивать -10% КПД преобразования солнечной энергии в химическую. Основная проблема для практического применения таких систем - предотвращение фотокоррозии полупроводников и повышение стабильности систем во времени. В молекулярных фотокаталитических системах разложения воды в качестве фотокатализатора, доноров и акцепторов электрона, участвующих в реакциях, используются индивидуальные химические соединения, удовлетворяющие некоторым требованиям. Фотокатализаторы должны обеспечивать интенсивное поглощение солнечного излучения, иметь высокоэнергетические, долгоживущие возбужденные состояния (ФК*), способные участвовать в бимолекулярных реакциях переноса электрона, обладать высокой химической и фотохимической устойчивостью и эффективно регенерировать свою форму в результате взаимодействия с промежуточными акцепторами или донорами. Наряду с фотохимической и химической устойчивостью основным требованием к промежуточным донорам и акцепторам электрона является их способность участвовать в обратимых каталитических процессах выделения водорода и кислорода из воды.
В настоящее время показана возможность использования в качестве компонентов молекулярных фотокаталитических систем достаточно большого круга химических соединений различной природы. Так, в качестве фотокатализаторов предложены системы на основе органических красителей, соединений переходных металлов, порфиринов, фталоцианинов и их металлокомплексов.
Основной прогресс, достигнутый в разработке молекулярных фотокаталитических систем разложения воды, связан с созданием так называемых жертвенных систем, моделирующих фотосистемы растительного фотосинтеза и осуществляющих выделение либо водорода, либо кислорода из воды с одновременным необратимым расходованием жертвы — специально добавленного донора или акцептора электрона. Примером такой жертвенной системы фотокаталитического восстановления воды является система, содержащая трисбипиридильные комплексы рутения и родия [Ru(bpy)3]2+, [Rh(bpy)3]3+ в качестве фотокатализатора и промежуточного акцептора электрона. Фотовозбуждение такой системы приводит к фотостимулированному переносу электрона:
и последующему каталитическому выделению водорода из воды на платиновом катализаторе:
В качестве необратимо расходуемой жертвы, обеспечивающей регенерацию фотокатализатора, используется триэтаноламин.
Осуществить замкнутый, не требующий введения дополнительно расходуемых веществ цикл фоторазложения воды солнечным светом в молекулярных фотокаталитических системах пока еще не удается. Основной задачей является разработка методов предотвращения реакции рекомбинации первичных продуктов фоторазделения зарядов, которая протекает намного быстрее, чем сложные каталитические реакции окисления и восстановления воды. Предполагается, что такая задача может быть решена при переходе к молекулярно-организованным системам, позволяющим (по аналогии с природным фотосинтезом) получать пространственно разделенные продукты фоторазделения зарядов. Исследования в этом направлении интенсивно развиваются в последнее время.
3. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ
Простейшая конструкция солнечного элемента (СЭ) - прибора для преобразования энергии солнечного излучения - на основе монокристаллического кремния. На малой глубине от поверхности кремниевой пластины р-типа сформирован р-п-переход с тонким металлическим контактом. На тыльную сторону пластины нанесен сплошной металлический контакт.
Когда СЭ освещается, поглощенные фотоны генерируют неравновесные электрон-дырочные пары. Электроны, генерируемые в р-слое вблизи р-n-перехода, подходят к p-n-переходу и существующим в нем электрическим полем выносятся в n-область. Аналогично и избыточные дырки, созданные в n-слое, частично переносятся в р-слой (рис. 2 а). В результате n-слой приобретает дополнительный отрицательный заряд, а р-слой - положительный. Снижается первоначальная контактная разность потенциалов между р- и n-слоями полупроводника, и во внешней цепи появляется напряжение (рис. 2 6). Отрицательному полюсу источника тока соответствует n-слой, а р-слой - положительному.
Величина установившейся фотоЭДС при освещении перехода излучением постоянной интенсивности описывается уравнением вольт-амперной характеристики (ВАХ):
где Is- ток насыщения, a Iph фототoк.
ВАХ поясняет эквивалентная схема фотоэлемента (рис. 4), включающая источник тока /ph=SqN0Q, где S - площадь фотоэлемента, а коэффициент собирания Q- безразмерный множитель (<1), показывающий, какая доля всех созданных светом электронно-дырочных пар (5%) собирается р-n-переходом. Параллельно источнику тока включен р-n-переход, ток через который равен Is[e4u/kT-1]. р-n-Переход шунтирует нагрузку, и при увеличении напряжения ток через него быстро возрастает. В нагрузку (сопротивление R) отбирается ток /.
Уравнение ВАХ справедливо и при освещении фотоэлемента светом произвольного спектрального состава, изменяется лишь значение фототока Iрh. Максимальная мощность отбирается в том случае, когда фотоэлемент находится в режиме, отмеченном точкой а.
Максимальная мощность, снимаемая с 1 см2, равна
где £ - коэффициент формы или коэффициент заполнения вольт амперной характеристики, IКЗ - ток короткого замыкания, Uxx -напряжение холостого хода.
4. КОНСТРУКЦИИ И МАТЕРИАЛЫ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Для эффективной работы солнечных элементов необходимо соблюдение ряда условий:
• оптический коэффициент поглощения (а) активного слоя полупроводника должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить поглощение существенной части энергии солнечного света в пределах толщины слоя;
• генерируемые при освещении электроны и дырки должны эффективно собираться на контактных электродах с обеих сторон активного слоя;
• солнечный элемент должен обладать значительной высотой барьера в полупроводниковом переходе;
• полное сопротивление, включенное последовательно с солнечным элементом (исключая сопротивление нагрузки), должно быть малым для того, чтобы уменьшить потери мощности (джоулево тепло) в процессе работы;
• структура тонкой пленки должна быть однородной по всей активной области солнечного элемента, чтобы исключить закорачивание и влияние шунтирующих сопротивлений на характеристики элемента.
Производство структур на основе монокристаллического кремния, удовлетворяющих данным требованиям, - процесс технологически сложный и дорогостоящий. Поэтому внимание было обращено на такие материалы, как сплавы на основе аморфного кремния (a-Si:H), арсенид галлия и поликристаллические полупроводники [4].
Аморфный кремний выступил в качестве более дешевой альтернативы монокристаллическому. Первые СЭ на его основе были созданы в 1975 году. Оптическое поглощение аморфного кремния в 20 раз выше, чем кристаллического. Поэтому для существенного поглощения видимого света достаточно пленки a-Si:H толщиной 0,5-1,0 мкм вместо дорогостоящих кремниевых 300-мкм подложек. Кроме того, благодаря существующим технологиям получения тонких пленок аморфного кремния большой 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:H производят при более низких температурах (300°С): можно использовать дешевые стеклянные подложки, что сократит расход кремния в 20 раз.
Пока максимальный КПД экспериментальных элементов на основе a-Si:H - 12% - несколько ниже КПД кристаллических кремниевых СЭ (-15%). Однако не исключено, что с развитием технологии КПД элементов на основе a-Si:H достигнет теоретического потолка -16%.
Наиболее простые конструкции СЭ из a-Si:H были созданы на основе структуры металл - полупроводник (диод Шотки) (рис. 5).
Несмотря на видимую простоту, их реализация достаточно проблематична - металлический электрод должен быть прозрачным и равномерным по толщине, а все состояния на границе металл/a-SiiH - стабильными во времени. Чаще всего солнечные элементы на основе a-Si:H формируют на ленте из нержавеющей стали или на стеклянных подложках, покрытых проводящим слоем. При использовании стеклянных подложек на них наносят прозрачную для света проводящую оксидную пленку (ТСО) из Sn02, In203 или Sn02+ln203 (ITO), что позволяет освещать элемент через стекло. Поскольку у нелегированного слоя электронная проводимость выражена слабо, барьер Шотки создается за счет осаждения металлических пленок с высокой работой выхода (Rt, Rh, Pd), которая обуславливает образование области положительного объемного заряда (обедненного слоя) в a-Si:H.
При нанесении аморфного кремния на металлическую подложку образуется нежелательный потенциальный барьер а-Si:H/металли-ческая подложка, высоту которого необходимо уменьшать. Для этого используют подложки из металлов с малой работой выхода (Мо, Ni, Nb). Перед нанесением аморфного кремния желательно осадить на металлической подложке тонкий слой (10-30 нм) a-Si:H, легированный фосфором. Не рекомендуется использовать в качестве материалов электродов легко диффундирующие в аморфный кремний металлы (например, Аи и AI), а также Сu и Аg, поскольку a-Si:H обладает плохой адгезией к ним. Отметим, что Uxx солнечных элементов с барьером Шотки на основе a-Si:H обычно не превышает 0,6 В.
Более высокой эффективностью обладают СЭ на основе аморфного кремния с р-i-n-структурой (рис.6). В этом "заслуга" рис. 6 широкой нелегированной i-области a-Si:H, поглощающей существенную долю света. Но возникает проблема - диффузионная длина дырок в a-Si:H очень мала (-100 нм), поэтому в солнечных элементах на основе a-Si:H носители заряда достигают электродов в основном только благодаря внутреннему электрическому полю, т.е. за счет дрейфа носителей заряда. В СЭ на основе кристаллических полупроводников носители заряда, имея большую диффузионную дли ну (100 - 200 мкм), достигают электродов и в отсутствие электрического поля. Поскольку в простом p-n-переходе в a-Si:H область сильного электрического поля очень узка и диффузионная длина носителей заряда мала, в большей части СЭ не происходит эффективного разделения носителей заряда, генерируемых при поглощении света. Следовательно, для получения эффективных СЭ на основе р-i-n-сруктуры аморфного ги-дрогенизированного кремния необходимо добиться во всей А области однородного мощного внутреннего электрического поля, достаточного для достижения длины дрейфа носителей, соизмеримого с размерами области поглощения (см. рис. 6).
Данная задача решается, если при изготовлении р-i-n-структуры первым формировать р-слой (рис.7). Для его создания необходимо небольшое количество бора (<1018 см3), а значит, существенного загрязнения нелегированного слоя не происходит.
В то же время, если первым осаждать n-слой, то наличие остаточного фосфора изменяет свойства i-слоя. Формирование p-слоя на поверхности прозрачного проводящего электрода обеспечивает с ним хороший электрический контакт. Однако толщина р-слоя должна быть мала (10 нм), чтобы основная часть света поглощалась в i-области.
Используется и другая р-i-n-структура СЭ на основе a-Si:H с подложкой из металлической фольги, в частности из нержавеющей стали. Свет попадает со стороны прозрачного электрода, контактирующего с n-областью. В результате возрастает плотность тока короткого замыкания благодаря отражающей способности металлической подложки и меньшему оптическому поглощению света легированными фосфором пленками a-Si:H (n-область) по сравнению с легированными бором р-слоями.
Проблема с применением рассмотренных р-i-n-элементов в том, что их можно оптимизировать только в одном измерении. Значительно больше возможностей в этом плане предоставляет СЭ с поперечным переходом: на изолирующей подложке перпендикулярно к поверхности формируется р-i-n-структура a-Si:H (рис. 8). Такой СЭ не требует прозрачного проводящего оксида в качестве контакта и широкозонного р-слоя для создания прозрачного оконного слоя, его можно изготовить посредством стандартных технологий микроэлектроники.
Один из наиболее перспективных материалов для создания высокоэффективных солнечных батарей - арсенид галлия.
Это объясняется таким его особенностями, как:
• почти идеальная для однопереходных солнечных элементов ширина запрещенной зоны 1,43 эВ;
повышенная способность к поглощению солнечного излучения: требуется слой толщиной всего в несколько микрон;
• высокая радиационная стойкость, что совместно с высокой эффективностью делает этот материал чрезвычайно привлекательным для использования в космических аппаратах;
• относительная нечувствительность к нагреву батарей на основе GaAs;
• характеристики сплавов GaAs с алюминием, мышьяком, фосфором или индием дополняют характеристики GaAs, что расширяет возможности при проектировании СЭ.
Главное достоинство арсенида галлия и сплавов на его основе -широкий диапазон возможностей для дизайна СЭ. Фотоэлемент на основе GaAs может состоять из нескольких слоев различного состава. Это позволяет разработчику с большой точностью управлять генерацией носителей заряда, что в кремниевых СЭ ограничено допустимым уровнем легирования. Типичный СЭ на основе GaAs состоит из очень тонкого слоя AIGaAs в качестве окна.
Основной недостаток арсенида галлия - высокая стоимость. Для удешевления производства предлагается формировать СЭ на более дешевых подложках; выращивать слои GaAs на удаляемых подложках или подложках многократного использования.
Поликристаллические тонкие пленки также весьма перспективны для солнечной энергетики.
Чрезвычайно высока способность к поглощению солнечного излучения у диселенида меди и индия (CulnSe2) - 99 % света поглощается в первом микроне этого материала (ширина запрещенной зоны - 1,0 эВ) [4]. Наиболее распространенным материалом для изготовления окна солнечной батареи на основе CulnSe2 является CdS. Иногда для улучшения прозрачности окна в сульфид кадмия добавляют цинк. Немного галлия в слое CulnSe2 увеличивает ширину запрещенной зоны, что приводит к росту напряжения холостого хода и, следовательно, повышению эффективности устройства. Один из основных способов получения CulnSe2 - электрохимическое осаждение из растворов CuS04, ln2(S04)3 и Se02 в деионизо-ванной воде при соотношении компонентов Cu:ln:Se как 1:5:3 и рН =1,2-2,0.
Еще один перспективный материал для фотовольтаики - теллу-рид кадмия (СdТе). У него почти идеальная ширина запрещенной 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 с Zn, Hg и другими элементами для создания слоев с заданными свойствами.
Подобно CulnSe2, наилучшие элементы на основе CdTe включают гетеропереход с CdS в качестве оконного слоя. Оксид олова используется как позрачный контакт и просветляющее покрытие. Серьезная проблема на пути применения CdTe - высокое сопротивление слоя р-СоТе, что приводит к большим внутренним потерям. Но она решена в p-i-n-структуре с гетеропереходом CoTe/ZnTe (рис. 9).
Наиболее ответственный этап формирования СЭ на основе CdS/CdTe - осаждение поглощающего слоя CdTe толщиной 1,5-6 мкм. Для этого используют различные способы: сублимацию/конденсацию, электрохимическое осаждение, трафаретную печать, химическое осаждение из газовой фазы и распыление. Пленки СdТе, полученные данными методами, обладают высокой подвижностью носителей заряда, а СЭ на их основе - высокими значениями КПД, от 10 до 16%.
CuGaSe2 также весьма интересен как тонкопленочный элемент солнечных батарей. Благодаря запрещенной зоне шириной 1,68 эВ он используется как верхний элемент тандемной солнечной батареи с нижним элементом из CulnSe2. Слои CuGaSe2 формируют путем последовательного осаждения термическим испарением тонких слоев Ga, Se и Си на поверхность стеклянной подложки, покрытой слоем молибдена толщиной 1 мкм . Далее из полученной структуры в установке быстрого термического отжига в течение пяти минут при температуре 550°С получают соединение CuGaSe2.
Одним из перспективных материалов для дешевых солнечных батарей благодаря приемлемой ширине запрещенной зоны (1,4-1,5 эВ) и большому коэффициенту поглощения 104 см-1 является Cu2ZnSnS4. Его главное достоинство в том, что входящие в него компоненты широко распространены в природе и нетоксичны. Однако пока достигнута эффективность преобразования всего в 2,3% при использовании гетероперехода Cu2ZnSnS4 и CdS/ZnO.
Среди СЭ особое место занимают батареи, использующие органические материалы, В частности, КПД СЭ на основе диоксида титана, покрытого органическим красителем, весьма высок --11%. Немаловажно, что подложками в таких элементах могут выступать полимерные пленки.
Основа СЭ данного типа - широкозонный полупроводник, обычно ТiO2, покрытый монослоем органического красителя, как правило - цис-(NСS)2бис(4,4''ДИкарбокси-2,2'бипиридин)-рутением (II) (рис.12). Фотоэлектрод такого устройства представляет собой на-нопористую пленку ТiO2 толщиной 1 мкм, осажденную на ТСО на стекле. Отражающим электродом служит тонкий слой Pt, осажденный на ТСО на стекле. Пространство между двумя электродами заполняют электролитом, обычно содержащим иодид/трииодид
(I-/Iз). рис. 10
Принцип работы элемента основан на фотовозбуждении красителя и быстрой инжекции электрона в зону проводимости ТiO2. При этом молекула красителя окисляется, через элемент идет электрический ток и на платиновом электроде происходит восстановление трииодида до иодида. Затем иодид проходит через электролит к фотоэлектроду, где восстанавливает окисленный краситель.
Для солнечной батареи на эффекте Шотки используют фталоцианин - органический полупроводник р-типа. В нем наиболее привлекают высокая фотопроводимость в видимой области спектра и термическая стабильность . Основной недостаток - низкое время жизни носителей вследствие большого числа ловушек. Для повышения времени жизни фталоцианин легируют фуллеренами или 2-, 4-, 7-тринитрофлуореноном, создающими акцепторные уровни.
Фуллерены (С60) также весьма перспективны для органических солнечных батарей на основе гетероструктур C60/p-Si в связи с их способностью к сильному поглощению в коротковолновой области солнечного спектра. Поликристаллический фуллерен С60 толщиной ~1 мкм осаждают на кремниевую подложку в глубоком вакууме. Далее на слой С60 наносят алюминиевые контакты. В качестве заднего контакта используется сплав Gaxlny на позолоченной подложке.
Термофотовольтаическое производство электроэнергии, т.е. преобразование длинноволнового (теплового) излучения посредством фотовольтаических ячеек было открыто в 1960 году и вызывает все больший интерес, особенно в связи с современными достижениями в области создания узкозонных полупроводников. В термофотовольтаической ячейке тепло преобразуется в электроэнергию посредством селективных эмиттеров из оксидов редкоземельных элементов -эрбия и иттербия. Эти вещества поглощают инфракрасное излучение и вновь излучают его в узком энергетическом диапазоне. Излучение может быть эффективно преобразовано с помощью фотовольтаической ячейки с соответствующей шириной запрещенной зоны. В качестве материала для фотоэлектрической ячейки более всего подходит lnxGa1-xAs,поскольку он позволяет добиться необходимой ширины запрещенной зоны.
В типичном многопереходном солнечном элементе одиночные фотоэлементы расположены друг за другом таким образом, что солнечный свет сначала попадает на элемент с наибольшей шириной запрещенной зоны, при этом поглощаются фотоны с наибольшей энергией. Пропущенные верхним слоем фотоны проникают в следующий элемент с меньшей шириной запрещенной зоны и т.д.
Основное направление исследований в области каскадных элементов связано с использованием арсенида галлия в качестве одного или нескольких компонентов. Эффективность преобразования подобных СЭ достигает 35 %. Кроме того, в каскадных элементах широко применяются аморфный кремний, сплавы на его основе (a-Si1-xCx:H, a-Si1-xGex:H), а также CulnSe2.
Каскадная батарея, в которой верхним элементом служит структура на основе GalnP с n-AllnP в качестве окна, далее следует туннельный диод на GaAs для прохождения носителей между элементами и нижний элемент из GaAs.
Весьма перспективны каскадные батареи, состоящие из трех элементов с различной шириной запрещенной зоны (рис.13). Верхний слой, поглощающий коротковолновую область солнечного спектра, сформирован из сплава на основе a-Si:H с шириной оптической щели 1,8 эВ. Для серединного элемента в качестве слоя i-типа использован сплав a-SiGe:H с содержанием германия 10-15%. Ширина оптической щели данного слоя (1,6 эВ) идеальна для поглощения зеленой области солнечного спектра. Нижняя часть СЭ поглощает длинноволновую часть спектра, для этого используется i-слой a-SiGe:H с концентрацией германия 40-50%. Непоглощенный свет отражается от заднего контакта на основе Ag/ZnO. Все три элемента каскадной солнечной батареи связаны между собой сильнолегированными слоями, образующими туннельные переходы между соседними элементами.
5.1. Оценка солнечного теплоснабжения в России.
Одной из наиболее технически подготовленных к внедрению технологий использования солнечной энергии является технология производства низкопотенциального тепла для отопления и горячего водоснабжения. Системы солнечного теплоснабжения (CCT) получили достаточно широкое распространение во многих странах мира с благоприятными климатическими условиями (США, Австралия, Израиль и др.). Их суммарная мощность в мире в 1997 г. достигла 3 000 МВт [13].
B России масштабы внедрения CCT относительно невелики, несмотря на то что к настоящему времени разработаны и подготовлены к серийному производству солнечные коллекторы, не уступающие по своим технико-экономическим показателям лучшим зарубежным аналогам [14]. Это объясняется целым рядом причин и в первую очередь отсутствием финансовых средств у потенциальных потребителей. Кроме этого, во многих случаях важной причиной является недостаточная экономическая эффективность CCT и их неконкурентоспособность с традиционными системами теплоснабжения [13]. B России эта проблема стоит особенно остро в связи с более суровыми (по сравнению со странами, внедряющими CCT) климатическими условиями и относительной дешевизной органического топлива.
B ряде работ [13,15,16] приведены расчетные показатели CCT (удельная выработка энергии, коэффициент замещения нагрузки) для климатических условий России, однако вопросам экономической конкурентоспособности уделено недостаточное внимание. Цель настоящей работы — оценка экономической и экологической эффективности CCT в условиях конкуренпии с традиционными энергоисточниками в широком интервале изменения наиболее важных параметров: климатических условий и цен на органическое топливо. Поскольку эффективность CCT часто весьма существенно зависит от местной специфики, сделана попытка установить лишь наиболее общие закономерности и выявить условия, при которых CCT, хотя бы в принципе, могут найти применение в настоящее время и в перспективе. Поэтому рассмотрены лучшие солнечные коллекторы (максимальная тепловая эффективность и минимальная цена), варианты тепловой схемы с минимальными потерями, а также перспективные (на период до 2010 г.) цены на органическое топливо.
Основной энергетической характеристикой солнечного коллектора является его КПД, равный отношению вырабатываемой (полезной) энергии к приходящей на его поверхность энергии солнечного излучения [17]
где FR — коэффициент отвода тепла из коллектора; - поглощательная способность пластины коллектора; - пропускная способность прозрачных покрытий; UL - полный коэффициент тепловых потерь коллектора, Вт/(м2•0C); T1 , - температура жидкости на входе в коллектор, 0C; Ta - температура окружающей среды, 0C; I - плотность потока суммарной солнечной радиации в плоскости коллектора, Вт/м2 .показывает, что удельная теплопроизводительность q для лучшего коллектора находится в интервале 650...900 кВт•ч/м2 в год (Санкт-Петербург - Сочи; Якутск - юг Забайкалья) и зависит в основном от годового прихода солнечной радиации в данной местности на горизонтальную поверхность Q и в меньшей степени — от распределения интенсивности радиации и температуры воздуха по месяцам, которые обусловливают лишь небольшой разброс точек относительно аппроксимирующих зависимостей q(Q). B дальнейших расчетах применялась зависимость для лучшего коллектора (тип 2). Следует отметить, что полученные значения q примерно на 20 % превышают теплопроизводительность [15], определенную с учетом потерь CCT из-за неполного использования тепла.
Основной экономической характеристикой CCT, как и любого энергоисточника, является стоимость вырабатываемой энергии (отношение суммарных дисконтированных затрат к суммарному дисконтированному отпуску энергии) [18]
,
где k — удельные капиталовложения, дол/м2; - коэффициент дисконтирования; - отношение годовых эксплуатационных затрат к капиталовложению; TL - срок службы.
Стоимость энергии представляет собой минимальную цену энергии CCT, при которой проект окупается к концу срока службы TL, который составляет 10—15 лет. Такой срок окупаемости достаточно велик, особенно для частного инвестора.
Следует отметить, что поскольку CCT вырабатывает энергию существенно неравномерно во времени, то для надежного и бесперебойного энергоснабжения потребителя практически всегда должны применяться дублирующие энергоисточники, например, на органическом топливе. Поэтому при сопоставлении конкурирующих вариантов (система теплоснабжения с использованием солнечной энергии и без нее) стоимость вырабатываемой энергии нужно сравнивать с топливной составляющей Sf стоимости энергии энергоисточника на органическом топливе, т.е. критерий экономической эффективности CCT имеет следующий вид: S < Sp
Анализ удельной стоимости разрабатываемых и производимых в настоящее время коллекторов [13] показывает, что для зарубежных изделий она находится в интервале 290...500, а отечественных — 100...250 дол/м2 . Для всей системы солнечного теплоснабжения (с учетом затрат в другие ее элементы — трубопроводы, насосы, теплоноситель, теплообменники, бак-аккумулятор) удельные капиталовложения, приведенные к единице площади коллектора, увеличиваются, как правило, в 1,5-2раза.
Принимая достаточно оптимистическую оценку стоимости CCT k = l50 дол/м2 , а также долю эксплуатационных затрат δ = 0,05, коэффициент дисконтирования σ = 0,07 1/год (для перспективных условий, предполагающих экономическую стабилизацию и доступность финансовых средств для инвестирования проекта), можно определить стоимость тепловой энергии CCT, которая для климатических условий России при сроке окупаемости проекта T0 = 3-15 лет находится в диапазоне S = 2,6...9,8 цент/(кВт• ч).
При сопоставлении стоимости энергии S с топливной составляющей стоимости энергии альтернативных энергоисточников SF нецелесообразно пользоваться фактическими российскими данными по стоимости топлива вследствие их недостаточной стабильности в настоящее время. Более надежной и объективной их оценкой являются значения, полученные на основе оптимизации перспективных топливно-энергетических балансов страны для различных сценариев развития энергетики. B настоящей работе использован широкий интервал изменения цен (от цен самофинансирования до мировых) по регионам России для периода 2006- 2010гг.[19].
Достаточно распространенный способ учета экологического эффекта НВИЭ — включение в стоимость энергии, производимой альтернативным энергоисточником на органическом топливе, составляющих, учитывающих ее «внешнюю» стоимость (ущерб, наносимый окружающей среде, здоровью людей, отраслям экономики и т.п.). Получаемые таким образом оценки, лежат, как правило, в очень широком интервале, что затрудняет получение на их основе конкретных выводов. Другой способ - учет затрат, требуемых для обеспечения определенного уровня выбросов вредных веществ в окружающую среду. Расчеты, выполненные с применением десятирегиональной модели мировой энергетической системы GEM-IOR [14], показывают, что для стабилизации выбросов тепличных газов на уровне 1990 г. необходимы дополнительные затраты, которые в 2025 г. изменятся (в зависимости от сценариев внешних условий развития энергетики) от 60 до 200 дол/т углерода, выбрасываемого в окружающую среду в виде CO2. Ориентируясь на эти значения, можно приближенно оценить изменение эффективности CCT при введении соответствующего налога на органическое топливо для стабилизации выбросотепличных газов.
B таблице представлены результаты сопоставления стоимости тепловой энергии, вырабатываемой CCT, (срок окупаемости 3-15 лет) в пяти регионах России (для последних трех рассмотрена только их южна» часть) и конкурирующими энергоисточниками — мелкими и средними котельными или индивидуальными отопительными установками на угле, газе или мазуте, а также системами электроотопления (электроэнергию вырабатывает крупная ТЭС на угле). Цены на топливо [19] увеличены на 20 % для учета затрат на внутрирегиональный транспорт. Интервал стоимости тепловой энергии определен без учета налога на выбросы, кроме этого установлен минимальный налог на эмиссию двуокиси углерода, при котором CCT становятся конкурентоспособными.
B таблице представлены результаты сопоставления стоимости тепловой энергии, вырабатываемой CCT, (срок окупаемости 3-15 лет) в пяти регионах России (для последних трех рассмотрена только их южная часть) и конкурирующими энергоисточниками — мелкими и средними котельными или индивидуальными отопительными установками на угле, газе или мазуте, а также системами электроотопления (электроэнергию вырабатывает крупная ТЭС на угле). Цены на топливо [19] увеличены на 20 % для учета затрат на внутрирегиональный транспорт. Интервал стоимости тепловой энергии определен без учета налога на выбросы, кроме этого установлен минимальный налог на эмиссию двуокиси углерода, при котором CCT становятся конкурентоспособными.
РегионQ.
МВт•ч/м2
S, цент/кВт•ч Энергоноситель Стоимость топлива, дол/т у.т. Кпд, %SF
цент/кВт•ч
Минимальный налог, дол/т С Центр и Северо-Запад 1,0... 1,2 3,3... 9,8 Уголь 58...84 60...70 1,0...1,7 89 Мазут 61... 120 60...70 1,1... 2,5 69 Газ 66...120 60...75 1,1... 2,5 92 Электрическая — 34...36 2,0...3,O 8 энергия Северный Кавказ и Нижнее Поволжье 1,2...1,4 2,6... 8,8 Уголь 49...92 60.. 70 0,9.. .1,9 40 Мазут 55...127 60.. 70 1,0.. .2,8 0 Газ 60...127 60.. 75 1,0... 2,6 0 Электрическая — 34...36 1,7.. .3,3 0 энергия Урал и Западная Сибирь 1,0...1,2 3,3...9,8 Уголь 22...67 60...70 0,4...1,4 109 Мазут 48... 106 60...70 0,8...2,2 92 Газ 53. .. 106 60...75 0,9...2,2 125 Электрическая — 34...36 0,8...2,4 28 энергия Восточная Сибирь 1,4...1,4 2,6... 9,8 Уголь 19.. .42 60...70 0,3... 0,9 98 Мазут 67.. .96 60...70 1,2... 2,0 51 Газ 72... 96 60...75 1,2... 2,0 69 Электрическая — 34.. .36 0,6...1,5 34 энергия Дальний Восток 1,0...1,4 2,6... 9,8 Уголь 66... 79 60...70 1,2... 1,6 55 Мазут 115. .. 168 60...70 2,0...3,4 0 Газ 120.. .168 60...75 2,0...3,4 0 Электрическая — 34...36 2,3... 2,9 0 энергия5.2.Разработка и внедрение первой в районе Сочи солнечно-топливной котельной.
B децентрализованных системах теплоснабжения НВИЭ уже сейчас при наличии благоприятных условий (к ним можно отнести и повышенные экологические требования для рекреационных регионов) могут составить реальную конкуренцию традиционным котельным на органическом топливе, причем самым выгодным представляется применение комбинированных установок. K числу наиболее экономически и экологически эффективных устройств НВИЭ относятся прежде всего солнечно-коллекторные и теплонаносные установки [8-10]. При этом среди энергоустановок, в которых выгодно использование энергии солнца, следует выделить комплексы, создаваемые на базе отопительных котельных, работающих на органическом топливе. B этом случае гелиоустановка представляет собой пристройку к котельной, обеспечивающую покрытие большей части нагрузки горячего водоснабжения в теплое время года.
Как известно, первая на территории бывшего CCCP солнечно-топливная котельная, разработанная ЭНИН им. Кржижановского, была построена для гостиницы "Спортивная" в Симферополе. Она была оборудована отопительными котлами на природном газе и солнечными коллекторами площадью 204 м2. Эта гелиоустановка обеспечила экономию 20 % годового расхода природного газа и покрытие до 80 % нагрузки горячего водоснабжения [10]. Гелиосистема была выполнена в виде солнечной приставки к имевшейся котельной. B Краснодарском крае в доперестроечный период под руководством B. A. Бутузова [9] было построено пять подобных установок. Анализ работы солнечно-топливных котельных на современном этапе показывает их достаточно высокую эффективность как в части экономии топлива и обеспечения экологической безопасности, так и по капитальным затратам. B таких системах достигаются наибольшие к. п. д. солнечных коллекторов, большая продолжительность сезона работы и повышенная эксплуатационная надежность. Одним из наиболее существенных достоинств этих установок является частичное использование существующего оборудования, а также возможность их обслуживания штатным персоналом котельной. Для комбинированного подогрева подпиточной воды солнечно-котельные установки в южных регионах могут работать в круглогодичном режиме.
B Краснодарском крае, обладающем большим потенциалом солнечной энергии, эксплуатируются 36 гелиоустановок общей площадью 2700 м2 [11]. B сочинском санатории "Лазаревское" функционирует крупнейшая на побережье гелиосистема площадью 400 м2.
Котельная в пос. Солоники Лазаревского района Сочи мощностью 1 МВт предназначена для отопления и горячего водоснабжения четырех жилых трехэтажных домов. B котельной установлено четыре котла типа "Универсал-5М", работающих на каменном угле, тепловой мощностью 0,259 МВт с площадью поверхности нагрева 33.1 M^ каждый без систем газоочистки и утилизации теплоты уходящих газов. Имеется также бак-аккумулятор вместимостью 25 м3. B конце 1995 г. администрацией района было принято решение о реконструкции котельной с преобразованием ее в солнечно-топливную. Это мотивировалось высокой стоимостью и трудностью доставки органического топлива, а также необходимостью улучшения экологической обстановки в речной долине поселка на фоне благоприятных для работы солнечно-коллекторных установок климатических условий.
Первая очередь гелиосистемы котельной площадью 250 м2 предусматривает покрытие около 35 % расчетной годовой нагрузки горячего водоснабжения поселка. Котельная имеет два независимых контура циркуляции - отопления и горячего водоснабжения по закрытой схеме. Принципиальная схема солнечно-топливной котельной предусматривает сооружение дополнительного контура циркуляции, включающего в себя блоки солнечных коллекторов, циркуляционные насосы и баки-аккумуляторы с дополнительным баком вместимостью 20 м3.
Установка может работать в сезонном и круглогодичном режимах эксплуатации. Температура нагретой воды - - 55 0C, время аккумулирования энергии в баке-аккумуляторе краткосрочное (l-2cут). Дублирующим источником энергии служат существующие водогрейные котлы. Гелиоустановка представляет собой систему солнечных коллекторов, состоящую из пяти модулей, которые в свою очередь разделены на блоки по 10 коллекторов в каждом. Система обвязки трубопроводов - попутная, каждый блок может быть отключен индивидуально.
Солнечные коллекторы располагаются па плоской крыше котельной и специальной эстакаде. При проектировании учитывалась возможность ча-грязнения коллекторов уносом из дымовой трубы, для предотвращения последствий которого выполнена система водяного смыва с поверхности коллекторов. Проектом предусмотрено использование солнечных коллекторов "Радуга" производства НПП "Конкурент" (г. Жуковский Московской обл.). Поглощающая панель коллектора - - штампосвар-ная из листовой нержавеющей стали, покрытие панели - - селективное, выполненное напылением в вакуумной камере. Корпус изготовлен из специального анодированного алюминиевого профиля, тепловая изоляция - - комбинированная (из базальтового волокна в алюминиевой фольге и пенополиуретана). Прогнозируемый срок службы коллектора - 15 - 20 лет.
Значения к. п. д. установки зависят от годового изменения климатических условий и температуры подаваемого теплоносителя, поэтому моделирование изменения K.II.Д. в годовом и суточном циклах - достаточно сложная задача. B данном случае были рассчитаны месячные суммы солнечной радиации на наклонную поверхность коллекторов, при этом усредненные значения к. п. д. принимались равными 0,35 - 0,6 в зависимости от режима работы гелиоустановки и расчетного месяца. Расчетное годовое удельное количество суммарной солнечной радиации на наклонную поверхность гелиоустановки составляет 1860кВт•ч/м2, а за сезон с апреля по октябрь - 1350кВт•ч/м2. Расчетное количество тепла, вырабатываемое гелиосистемой при сезонной работе, равно 175МВт•ч, при круглогодичной работе - 227,3 МВт•ч.
Как показали технико-экономические расчеты, срок окупаемости гелиосистемы котельной в пос. Солоники (с учетом инфляции) составляет 3 - 6 лет в зависимости от режима работы установки, что является очень хорошим показателем для энергетического оборудования. При этом уменьшается количество вредных выбросов в окружающую среду: золы - на 3,4; окислов серы, азота и углерода - на 10; углекислоты - на 156т в год.
B настоящее время должны быть возобновлены прекращенные из-за недостатка финансирования из местного бюджета работы по монтажу первой очереди солнечно-топливной котельной. Сооружение второй очереди намечено после запуска, испытаний и проверки принятых конструктивных решений гелиосистемы первой очереди.
Можно констатировать, что внедрение комбинированных солнечно-топливных котельных один из наиболее перспективных путей повышения эффективности и экологической безопасности существующих коммунальных котельных. Ha территории России эксплуатируется более 75 тыс. отопительных котельных жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ) с суммарной тепловой мощностью 690,5 тыс. Гкал/ч. Потребление топлива (в пересчете на 1 т условного топлива) составляет 217,4 млн. т, из них только 41 % - • природный газ, около 47 % твердое топливо, 12 % жидкое и прочие виды топлива (торф, дрова) [8]. B 1997 r. валовые выбросы вредных веществ в атмосферу предприятиями ЖКХ в целом по России составили 677,68 тыс.т, что на 3,1% больше, чем в предыдущем году [12]. При этом существенно возросли выбросы жидких и газообразных веществ, в том числе оксида углерода (на 7,2 %), оксидов азота (на 3,8 %), сернистого ангидрида (на 2,1 %). Это прежде всего связано с продолжением эксплуатации маломощных котельных, не имеющих установок для очистки дымовых газов.
B Краснодарском крае в 1999 г. валовой выброс загрязняющих веществ в атмосферу предприятиями энергетики составил 15,71тыс.т, или 15,3% общего выброса предприятиями края, что также осложняет экологическую ситуацию в курортном регионе. Ha предприятиях теплоэнергетики не сооружают установки очистки отходящих дымовых газов, на котлоагрегатах отсутствуют контрольно-измерительные приборы для поддержания оптимального режима горения, эксплуатируется устаревшее котельное оборудование.
Поэтому работы по проектированию и внедрению комбинированных солнечно-топливных котельных, использующих наиболее экологически безопасное топливо и оборудованных системами очистки дымовых газов, что способствует улучшению экологической обстановки в регионе, должны получить широкую поддержку со стороны властных структур и муниципальных предприятий, обеспечивающих централизованное теплоснабжение потребителей. Это особенно важно для региона Сочи, характеризующегося высокими требованиями к экологической безопасности рекреационной зоны, на фоне благоприятных для внедрения энергоустановок на базе НВИЭ природно-климатических условий. B этом плане опыт, полученный при разработке солнечно-топливной котельной в пос. Солоники Лазаревского района Сочи, представляется весьма полезным и должен учитываться при формировании региональных программ энергоснабжения и устойчивого развития территории.
6. Перспективы развития фотоэлектрических технологий.
Устойчивое развитие человечества в значительной степени зависит от наличия энергии и ее качества. Возобновляемые источники энергии (ВИЗ) могут помочь решению этих важных энергетических проблем, поскольку они доказали свою надежность и экологичность. Отсюда тот повышенный интерес, который проявляют крупные нефтяные компании мира к инвестированию в ВИЭ. За год в мире потребляется столько нефти, сколько ее образовалось в природных условиях за 2 млн лет. Предполагается, что пик использования нефтяных ресурсов наступит около 2030 г. [5].
Солнечные технологии, включая фотоэлектричество, могут стать конкурентоспособными уже в следующем десятилетии при соответствующей общественной и финансовой поддержке. Переход к крупномасштабному использованию ВИЭ произойдет в 21 веке. Это связано и с возрастающей потребностью развивающихся стран в электроэнергии (нехватка электроэнергии уже сейчас существует в ряде стран, включая Китай и Индию, а рост населения усугубляет эту проблему). Через 30—40 лет дополнительно потребуется 5000 ГВт установленной мощности, что примерно в 2 раза больше современного уровня.
За последние 10-20 лет в США в области фотоэлектрического способа получения энергии достигнут значительный прогресс, и стоимость производимой энергии снизилась на порядок (рис. 14). Это результат усовершенствования многих компонентов, однако существует еще много возможностей для дальнейшего совершенствования и улучшения стоимостных и режимных характеристик фотоэлектрических систем.
Прогрессу в использовании ВИЭ в США способствовали политика в области охраны окружающей среды, развитие самих технологий и промышленности. Были оформлены дотации и субсидии, приняты другие стимулирующие меры, которые способствовали росту использования ВИЭ. За период 1975—1990 гг. в солнечные энергетические технологии вложено более 38 млрд долл. государственных субсидий.
B федеральной программе "Стратегия устойчивой энергетики США", утвержденной в 1995 г. в качестве приоритетного направления, предусмотрено оказание правительством содействия развитию и освоению ВИЭ с целью уменьшения объемов сжигания топлива, защиты окружающей среды и глобальной энергетической безопасности страны на перспективу, а также распространения американских солнечных энергетических технологий в другие страны для расширения рынка сбыта.
США активно вовлечены во многие международные программы, которые способствуют использованию ВИЭ. Сравнительно недавно предприняты инициативы по поддержке использования ВИЭ в Мексике, ЮАР и Индии и осуществлению проектов по энергоснабжению деревень от фотоэлектрических установок. Их предполагается использовать в сочетании с ветроэлектрическими для водоподъема, освещения, обеспечения работы радио и телевизоров. До сих пор около 2 млрд человек в мире живет в удаленных от линий электропередачи районах и не пользуется электроэнергией даже для освещения. Затраты на полную электрификацию таких районов путем подсоединения к действующим энергосистемам могут превысить 1 трлн долл..
Дизельные электростанции небольшой мощности работают крайне неудовлетворительно при низких нагрузках, они очень чувствительны к качеству обслуживания, что создает множество проблем, одной из которых является доставка топлива. Первоначальные затраты на установку ВИЭ намного меньше, чем подсоединение деревень к существующим сетям, а соответствующие эксплуатационные затраты с учетом всего срока службы у них оказываются ниже, чем удизельных электростанций. Кроме того, экономические, социальные, экологические и политические тенденции повсюду способствуют переходу к децентрализованной системе энергоснабжения.
Действующая в США с 1997 г. программа "Миллион солнечных крыш" предусматривает до 2010 г. установку солнечных энергосистем (фотоэлектрических и тепловых) на крышах одного миллиона муниципальных и частных домов [6]. Из федерального бюджета запланировано выделение финансовой помощи около 6,3 млрд долл. Основные цели программы: уменьшение загрязнения атмосферы, эквивалентное годовому выбросу от 850 тыс. автомобилей, создание дополнительных 70 тыс. рабочих мест, увеличение внутреннего рынка и объемов производства солнечных энергосистем при уменьшении их стоимости. Планируется, что к 2005 г. мировой рынок фотоэлектрических систем превысит 1,5 млрд долл.
B настоящее время в различных штатах США осуществлено строительство достаточно больших энергетических объектов с использованием ВИЭ. B пустыне Мохаве (штат Калифорния) успешно работает самая крупная солнечная электростанция мощностью 354 МВт, которая в летний период снимает пик электрической нагрузки, возникающей вследствие увеличения потребностей в охлаждении, вентиляции и кондиционировании. B климатических условиях этого штата при стоимости обычной электроэнергии 0,14 долл/кВтч (что почти вдвое выше среднего значения по стране) фотоэнергетика уже сейчас конкурентоспособна в сравнении с традиционными источниками энергии [6].
Ha всемирной конференции по фотоэлектричеству в Глазго (май, 2000 г.) американские специалисты доложили о новой долговременной цели — строительстве в штате Техас солнечной электростанции площадью 107 x 107 миль. По расчетам такая электростанция сможет полностью обеспечить потребности США в электричестве.
Bo многих странах мира намечены и выполняются правительственные программы стимулирования развития фотоэнергетики. Особые усилия в этой области помимо США прилагают Япония и Германия. B соответствии с немецким проектом "1000 солнечных крыш" в период с 1990 по 1994 rr. на жилых домах установлено 2500 систем мощностью по 2—4 кВт. B течение 1998 и 1999 гг. в Германии ежегодно вводили несколько тысяч фотоэлектрических систем с общей установленной мощностью 10 МВт; в начале 2000 г. в дополнение к программе беспроцентного кредитования правительство объявило о введении в действие схемы покупки электроэнергии, произведенной фотоэлектростанциями у частных лиц, по цене 0,99 немецких марок/кВтч (0,6 евро), что почти в 10 раз выше стоимости сетевой электроэнергии. Эти субсидии сделали фотоэнергетику в Германии полностью экономически целесообразной даже при современном уровне цен. Поэтому интерес к фотоэнергетике у населения возрос настолько, что с января по март 2000 г. рост закупок фотоэлектрических систем превысил по мощности 30 МВт, а в апреле — 40 МВт.
B 1995—1996 гг. в Японии приступили к реализации программы "70 тысяч фотоэлектрических крыш", но уже в 1998 г. она пересмотрена в пользу увеличения числа зданий до 1 млн. при общей установленной мощности фотоэлектрических систем до 5 ГВт.
Основной проблемой современного этапа становления фотоэлектрической индустрии является достижение конкурентоспособности прямого преобразования солнечной энергии в электрическую с помощью солнечных элементов (СЭ) (по сравнению с традиционными способами генерирования электроэнергии). Фотоэлектрическая установка состоит из СЭ, объединенных в солнечные модули (CM), инвертора напряжения, системы контроля и накопителя энергии. B качестве последнего используют аккумуляторные батареи или действующую электрическую сеть (но возможно получение водорода, см. пункт 2 ). Ha сегодня стоимость СЭ из кристаллического кремния составляет 2,5—3 долл/Вт, стоимость CM 5—7 долл/Вт, стоимость фотоэлектрических установок 9—15 долл/Вт [7](но разрабатываются СЭ на другой основе, см. пункт 4 ). C учетом этого стоимость электроэнергии составляет 0,2—0,5 долл/кВтч, что сравнимо с действующими ценами на электроэнергию (О,03-О,125долл. кВтч).
Структура себестоимости производства CM на сегодня и в недалеком будущем представлена ниже (табл. 1).
Ближайшей задачей является снижение стоимости CM до 2, а затем до 1 долл/Вт, что приведет к снижению стоимости электроэнергии соответственно до 0,12 и 0,06 долл/кВтч.
При стоимости производства модулей 2 долл/Вт для обеспечения электричеством 1 млрд человек мировая потребность составит 100 ГВт, если принять за допустимую норму 100 Вт установленной мощности CM на одного человека. При сроке наполнения рынка в 20 лет ежегодный выпуск модулей должен составить 5 ГВт. Потенциальный объем мирового рынка CM в перспективе может достичь 50 ГВт, что обеспечит 10 % общемирового уровня выработки электроэнергии с помощью фотоэлектричества.
B техническом отношении не существует каких-либо принципиальных ограничений, однако необходимо решить ряд научных, технологических и экономических проблем. Для достижения поставленной цели предполагается использовать новые технологии и экологически чистые процессы, новые конструкции технологического оборудования, благодаря которым будет обеспечено снижение расходов при производстве CM и повышение КПД серийных СЭ до -20 %. B табл. 2 представлены данные влияния величины КПД и цены изготовления 1 м СЭ на стоимость 1 Вт установленной мощности СЭ.
Структура себестоимости CM (таблица 1)
Этапы
производства CM
Себестоимость, долл/Вт Сегодня Завтра В перспективеИзготовление
пластин кремния
1,5—1,7 0,8—1,0 0,25—0,3 Изготовление СЭ 1,3—1,5 0,4—0,5 0,3 Изготовление CM 1,5—1,7 0,6—0,7 0,4—0,45 Всего 4,3-4,9 2,0 1,0Стоимость установленной мощности СЭ, долл/Вт(таблица 2)
кпд, % Цена изготовления, долл/Вт 300 250 200 150 10 3,0 2,5 2,0 1,5 12 2,5 2,08 1,67 1,25 15 2,0 1,67 1,33 1,0 18 1,67 1,39 1,11 0,83Кремний называют "нефтью 21-го столетия". Расчеты показывают, что СЭ с КПД 15 %, на которые пошел 1 кг кремния, за 30 лет службы могут произвести 300 МВтч электроэнергии. Равное количество электроэнергии можно получить, израсходовав 75 т нефти (с учетом КПД теплоэлектростанций 33 % и теплотворной способности нефти 43,7 МДж/кг). Таким образом, 1 кг кремния оказывается эквивалентен 75 т нефти [7].
Россия на рынке продаж кремния электронного и солнечного качества, а также моносилана, являющегося основным сырьем для изготовления пленочных солнечных элементов из аморфного кремния, может быстро окупить все расходы по проекту. Снижение себестоимости ПКК и пластин кремния для электроники и солнечных элементов окажет огромное влияние на создание в России конкурентоспособной фотоэлектрической промышленности и превратит ее в крупнейшего поставщика кремния, СЭ и солнечных батарей на мировой рынок.
Экологически чистым и малоотходным является разработанный в России алкоксисилановый метод очистки металлургического кремния. Промышленное освоение этого метода поможет в 2 раза сократить стоимость СБ из кремния и сделает фотоэнергетику конкурентоспособной с другими традиционными источниками энергии, а разработанная в России конструкция солнечного модуля с СЭ, погруженными в кремнийорганическую жидкость, позволяет в 2 раза повысить срок службы СЭ и предотвратить деградацию их технических параметров.
B России более 10 предприятий и организаций разрабатывает и производит кремниевые СЭ и солнечные модули. Суммарная потенциальная производственная мощность указанных производств превышает 4 МВт/год. Однако эти мощности используются максимум на 20 % из-за отсутствия необходимого количества недорогих кремниевых пластин и вследствие низкой покупательной способности населения России. Свою продукцию способны экспортировать только те предприятия, где сравнительно невысока себестоимость производства высокоэффективных СЭ, среди них ВИЭСХ, ЗАО "Солнечный ветер", завод "Красное Знамя", ЗАО "Телеком", выпускающие СЭ мирового уровня качества с КПД до 15 %.
Если в России появится массовое производство недорогого кремния "солнечного" качества, то помимо указанных предприятий к производству СЭ и модулей могут подключиться незагруженные сейчас предприятия электронной промышленности, расположенные в Ставрополе, Александрове, Фрязино, Павловом-По-саде, Санкт-Петербурге, Орле, Нижнем Новгороде, Саратове и др. Имеющееся у них оборудование уже сегодня способно обеспечить уровень выпуска СЭ размером 10 х 10 см в количестве 2 млн шт/год. Выработанная ими мощность будет зависеть от величины КПД, которая в свою очередь определяется уровнем технологии изготовления: при КПД 15—17 % она составит около 4 МВт. До 2005 г. объемы выпуска в России могут вырасти до 2—3 МВт/год, а далее следует ожидать резкого роста: до 10— 15 МВт/год к 2010 г. и 30—50 МВт/год в 2015г.
Выводы:
1. Bo всем мире наблюдается стремительный рост интереса к фотоэнергетике, которая в ближайшие годы может превратиться в процветающую отрасль промышленности.
2. Основным материалом для изготовления СЭ в настоящее время и в перспективе является кристаллический кремний.
3. Перед промышленно развитыми странами встает проблема снижения стоимости кремния- сырца ниже 20 долл/кг и создания специализированного производства кремния для фотоэнергетики объемом 10 000 т/год.
4. Снижение стоимости пластин кремния послужит мощным толчком для реализации имеющихся наработок по повышению КПД серийных СЭ до 18 % и снижению их себестоимости.
5. Технический потенциал России позволяет ей занять одно из ведущих мест на мировом рынке продаж солнечных элементов, модулей и фотоэлектрических систем.
6. Ни один из рассмотренных методов фотохимического разложения воды пока еще не вышел на уровень промышленного использования. Однако полученные результаты позволяют считать реальной задачу создания фотокаталитических преобразователей солнечной энергии в химическую на основе фоторазложения воды на водород и кислород.
7. Без учета экологического эффекта системы солнечного теплоснабжения в России могут быть конкурентоспособны с теплоисточниками на органическом топливе (газ, мазут) в южных районах Дальнего Востока, на Северном Кавказе и в Нижнем Поволжье; срок окупаемости CCT составляет 10-15 лет. Теплоснабжение от котельных на угле во всех регионах России более экономично, чем использование солнечной энергии.
8. При конкуренции с электротеплоснабжением (например, в пунктах, где применение органического топлива невозможно или нежелательно) CCT могут оказаться экономически эффективными в тех же регионах при Q > 1,3 МВт•ч/м2.
9. Введение экологического налога на выбросы CO2 в размере 100...125 дол/т углерода (что согласуется с целью мирового сообщества: не превышать в перспективе уровень эмиссии тепличных газов 1990 г.) позволяет рассматривать CCT как перспективную технологию производства низкопотенциального тепла на значительной территории России с годовым солнечным излучением на плоскую поверхность более 1 000 кВт•ч/м .
Список литературы:
1. Тихонов А.Н. Трансформация энергии в хлоропластах — энергообразующих органеллах растительной клетки // Соросовский Образовательный Журнал. 1996. № 4. С. 24-32.
2.Климов В.В. Фотосинтез и биосфера // Там же. № 8. С. 6-13.
3.Скулачев В.П. Эволюция биологических механизмов запасания энергии // Там же. 1997. № 5. С. 11-19.
4.http://www.eren.doe.gov.
5.Мэрфи Л. M. Перспективы развития и финансирование технологий использования возобновляемых источников энергии в США // Труды Междунар. конгресса "Бизнес и инвестиции в области возобновляемых источников энергии в России", Москва, 31.05—4.06. 1999. M.: НИЦ "Инженер", 1999. C. 59-67.
6.Программа США "Миллион солнечных крыш" // Возобновляемая энергия. 1998. № 4. C. 7—10.
7.СтребковД. С. Новые экономически эффективные технологии солнечной энергетики // Труды Междунар. конгресса "Бизнес и инвестиции в области возобновляемых источников энергии в России". M. 1999. C. 187—208.
8.Бусаров B. Успех поиска путей. Концепция перехода к устойчивому развитию и особенности региональной энергетической политики. - Зеленый мир,1999, № 16-17.
9.Бутузов B. A. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии в системах теплоснабжения Краснодарского края. - Краснодар: ККП Союза НИО CCCP, 1989.
10.Системы солнечного тепло- и хладоснабжения/ P. P. Авезов, M. A. Барский-Зорин, И. M. Васильева и др. Под. ред. Э. B. Сарнацкого и C. A. Чистовича. - M.: Стройиздат, 1990.
11. Бутузов B. A. Анализ опыта проектирования и эксплуатации гелиоустановок горячего водоснабжения.
Сборник "Энергосбережение на Кубани"/ Под общ ред. Э. Д. Митус. Краснодар: "Советская Kyбань", 1999.
12. Государственный доклад- "O состоянии окружающей природной среды Российской Федерации в1997 г." - Зеленый мир, 1998, №26.
13. Фугенфиров М.И. Использование солнечной энергии в России // Теплоэнергетика. 1997. № 4. C. 6-12.
14. Тарнижевский Б.В., Абуев И.М. Технический уровень и освоение производства плоских солнечных коллекторов в России // Теплоэнергетика. 1997.№4. C. 13-15.
15. Тарнижевский Б.В. Оценка эффективности солнечного теплоснабжения в России // Теплоэнергетика. 1996. № 5. C. 15-18.
16. Тарнижсвский Б.В., Чакалев K.H., Левинский Б.М. Коэффициент замещения отопительной нагрузки пассивными системами солнечного отопления в различных района CCCP // Гелиотехника 1989.№4.С.54-58.
17. Бекман У., Клейн C., Даффи Дж. Расчет систем солнечного теплоснабжения. M.: Энергоатомиздат, 1982.
18. Марченко O.B., Соломин C.B. Анализ области экономической эффективности ветродизельных электростанций // Промышленная энергетика. 1999. № 2. C. 49-53.
19. Новая энергетическая политика России / Под общ. ред. Ю.К. Шафраника. M.: Энергоатомиздат, 1995.
20. Бородулин М. Ю.
Электротехнические проблемы создания преобразовательных установок для солнечных и ветровых электростанций / Бородулин М. Ю., Кадомский Д.Е. // Электрические станции. – 1997. - № 3. – c.53-57.