Рассматриваются состояние и мировые перспективы развития солнечной электроэнергетики. Показаны положительные стороны солнечной электроэнергетики, её доля в мировом энергопотреблении в настоящее время и в прогнозах на перспективу.
С развитием цивилизации и ростом населения планеты так же возрастает и потребность в электроэнергии. На сегодняшний деньосновными источниками электроэнергии являются атомные электростанции (АЭС), гидроэлектростанции (ГЭС) и электростанции, работающие на углеводородном топливе, таком как уголь, торф, газ и мазут. Но данные способы получения электроэнергии имеют серьезные недостатки, например, истощаемость углеводородных природных ресурсов, что ведет к их дефициту и подорожанию. Атомные и гидроэлектростанции не могут полностью покрыть потребность в электроэнергии. К тому же трагические события в истории атомной энергетики - авария на Чернобыльской АЭС, на атомной станции в городе Фокусима и др. показывают, с какими большими рисками связана эксплуатация атомных электростанций. Единственным выходом является развитие и эксплуатация нетрадиционных, альтернативных, безопасных способов получения электроэнергии.
Наиболее перспективным по многим прогнозам представляется развитие солнечной энергетики (СЭ). Действительно, общее количество солнечной энергии, достигающее поверхности Земли в 6-7 раз больше мирового потенциала ресурсов органического топлива. Только за неделю на поверхность Земли поступает такое количество солнечной энергии, которое превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и урана. Использование только 0,5% этого запаса могло бы полностью покрыть мировую потребность в энергии в длительной перспективе. Солнечные электростанции работают более чем в 30 странах [1]. Согласно прогнозу [2], по сравнению с 2010 годом, структура энергопотребления человечества к 2100 году изменится примерно следующим образом: потребление нефти в качестве источника энергии уменьшится с 36% до 5%, угля – с 18% до менее одного процента, газа – с 26% до девяти процентов, производство атомной энергии по традиционным технологиям будет прекращено в связи с нерешённостью проблем безопасности, в частности – проблем утилизации вредных ядерных отходов; доля гидроэнергетики уменьшится с шести до полутора процентов, биомассы – с 10% до семи. При этом доля альтернативных возобновимых, экологически чистых, безопасных источников энергии резко возрастёт – ветровая энергетика – от минимума до более семи процентов, прочие виды – до пяти процентов, солнечная энергетика (включая солнечное отопление) – от минимума до более 60% [2].По прогнозу МИРЭС увеличение использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии до 2020 г. ожидается до 12 % от мирового потребления традиционной энергетики. Это меньше предыдущего прогноза примерно на восемь процентов по уровню 2020 года.
По исследованиям ряда зарубежных специалистов к 2020 году соотношения стоимостей электроэнергии, производимой на основе альтернативных и традиционных видов топлива (дол.США / кВт-ч) ожидается в следующих размерах [3]: энергия солнца – 0,01; тепловая солнечная энергия – 0,03; фотоэлектрическая солнечная энергия – 0,02 - 0,03; атомная энергия – 0,04 – 0,13; энергия, полученная при сжиганиинефтепродуктов - 0,06; при сжигании угля - 0,04. То есть, стоимость самого дорогого, но и самого перспективного (по многим оценкам) варианта солнечной энергии (фотоэлектрической) ожидается до шести раз дешевле атомной, до трёх раз дешевле сжигания нефтепродуктов и до двух раз дешевле сжигания угля [4]. Сегодня ученые в разных частях мира проводят моделирование параметров глобальной солнечной энергетической системы. Предлагается создать глобальную энергосистему из солнечных станций, равномерно расположенных в экваториальном поясе Земли таким образом, чтобы часть станций всегда находилась на дневной стороне Земли. Все электростанции должны быть соединены линией электропередачи с малыми потерями. При моделировании КПД солнечных станций принимался равным вполне реалистичным сегодня 25%. Такая глобальная солнечная энергетическая система генерирует электрическую энергию круглосуточно и равномерно в течение года в объеме 17300 ТВт·ч/г., превышающем современное мировое потребление электрической энергии. Начало функционирования глобальной солнечной энергетической системы возможно с 2050 г. В результате реализации этого проекта доля солнечной энергетики в мировом потреблении электроэнергии может составить 60-70%, а выбросы парниковых газов будут снижены в 10 раз [4].
Какова же суть и технологическая история солнечной электроэнергетики?
СЭ является одним из крупнейших сегментов альтернативной энергетики и отрасли использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ). В связи с этим мировая общественность признает солнечную энергетику как безопасный и экономически выгодный способ получения электроэнергии без ущерба для окружающей среды и человеческого здоровья. Солнечная энергетика — направление нетрадиционной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Она использует неисчерпаемый источник энергии и является экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов. Производство энергии с помощью солнечных электростанций хорошо согласовывается с концепцией распределённого производства энергии [5]. На данный момент суммарная мощность всех солнечных электростанций по всему миру составляет 39778 МВт. В процентном отношении эта мощность составила пока только около 0,1 % общемировой генерации электроэнергии, в связи с тем, что основная научная деятельность в энергетики была направлена на развитие атомной энергетики, а солнечной энергии не уделялось должное внимание.
Научные разработки в области солнечной энергетики начал Альберт Эйнштейн. Многие помнят, что этот ученый был удостоен в 1921 году Нобелевской премии. Но мало кто знает, что получил он ее не за создание теории относительности, а за объяснение законов внешнего фотоэффекта. Еще в 1905 году он опубликовал работу, в которой, опираясь на гипотезу Планка, описал, как именно и в каких количествах кванты света«вышибают» из металла электроны. Получить электрический ток с помощью фотоэффекта впервые удалось советским физикам в 1930-е годы XX века. Фотоэлементы, разработанные тогда в ФТИ им. Йоффе имели КПД до 1%, т.е. в электричество обращался лишь 1% падавшей на элемент энергии. В 1954 году Пирсон, Фуллер и Чапин (США) запатентовали первый элемент с КПД около 6%. Четыре года спустя, солнечные батареи стали основными источниками энергии на космических аппаратах СССР и США. К середине 70-х годов КПД солнечных элементов приблизился к 10процентной отметке. В 1977 году Соединенные Штаты создали новое правительственное учреждение, деятельность которого была полностью посвящена освоению энергии солнца, ее преобразованию в электричество. 1980 годы были также важным временем в истории развития солнечной энергии. В 1981 году ученые создавали первый солнечный самолет, а в 1982-ом первый солнечный полноприводной автомобиль. В период 1990-2000-х солнечные батареи становятся еще более эффективными, но, что еще более важно, они стали доступны широкому потребителю, их рынок действительно становится массовым, особенно в том его сегменте, который относится к индивидуальному домовладению и строительству частных домов. В 1985 году все установленные мощности мира, полученные из энергии солнца, составляли 21 МВт.[5]. За 26 лет установленная мировая мощность возрастает с 21 МВт до 39778 МВт. Такое увеличение мощности связано с усовершенствованием и удешевлением способов переработки прямой солнечной энергии в электрическую.
На сегодняшний день основным способом получения электроэнергии из солнца является фотовольтаика [6]. Фотовольтаика - метод выработки электрической энергии путем использования фоточувствительных элементов для преобразования солнечной энергии в электричество. Термин «фотовольтаика» означает обычный рабочий режим фотодиода, при котором электрический ток возникает исключительно благодаря преобразованной энергии света. Фактически все фотовольтаические устройства являются разновидностями фотодиодов. В фотовольтаических системах преобразование солнечной энергии в электрическую осуществляется в фотоэлектрических преобразователях (ФЭП). В зависимости от материала, конструкции и способа производства принято различать три поколения ФЭП:
- ФЭП первого поколения на основе пластин кристаллического кремния;
- ФЭП второго поколения на основе тонких пленок;
- ФЭП третьего поколения на основе органических и неорганических материалов.
ФЭП первого поколения на основе кристаллических пластин на сегодняшний день получили наибольшее распространение. В последнее время производителям удалось сократить себестоимость производства таких ФЭП, что обеспечило укрепление их позиций на мировом рынке.Основные виды ФЭП первого поколения: монокремний (mc-Si); мультикремний (m-Si) на основе GaAs; ribbon-технологии (EFG, S- ŵеЬ);тонкослойный поликремний (Apex)
Технология выпуска тонкопленочных ФЭП второго поколения подразумевает нанесение слоев вакуумным методом. Вакуумная технология по сравнению с технологией производства кристаллических ФЭП является менее энергозатратной, а также характеризуется меньшим объемом капитальных вложений. Она позволяют выпускать гибкие дешевые ФЭП большой площади, однако коэффициент преобразования таких элементов ниже ФЭП первого поколения. Основные виды ФЭП второго поколения: аморфный кремний (a-Si), микро- и нанокремний (μc- Si/nc-Si), кремний на стекле (CSG), теллурид кадмия (CdTe), (ди)селенид меди-(индия-)галлия (CI(G)S). Идея создания ФЭП третьего поколения заключалась в дальнейшем снижении себестоимости ФЭП, отказе от использования дорогих и токсичных материалов в пользу дешевых и перерабатываемых полимеров и электролитов. Важным отличием также является возможность нанесения слоев печатными методами, например, по технологии «рулон-к-рулону» (R2R). В настоящее время основная часть проектов в области ФЭП третьего поколения находятся на стадии исследований.Основные виды ФЭП третьего поколения: фотосенсибилизированные красителем (DSC), органические (OPV), неорганические (CTZSS).
Для повышения эффективности преобразования солнечной энергии разрабатываются ФЭП на основе каскадных многослойных структур. ФЭП собираются в модули, которые имеют нормируемые установочные размеры, электрические параметры и показатели надежности. Для установки и передачи электроэнергии солнечные модули комплектуются инверторами тока, аккумуляторами и прочими элементами электрической и механической подсистем. В зависимости от области применения различают следующие виды инсталляций солнечных систем: частные станции малой мощности, размещаемые на крышах домов; коммерческие станции малой и средней мощности, располагаемые, как на крышах, так и на земле; промышленные солнечные станции, обеспечивающие энергоснабжение многих потребителей [6].
На сегодняшний день основными лидерами по выработке электроэнергии из фотоэлектрических установок и на солнечных электростанциях являются Германия -17320 МВт, Испания -3892 МВт, Италия-3502 МВт и США-2519 МВт. Технологический опыт этих стран очень важен для понимания всей перспективности солнечной электроэнергетики, поэтому рассмотрим его несколько подробнее.
Германия - мировой лидер по производству солнечной энергии. В 2010 году 3 % электроэнергии Германии было получено из фотоэлектрических установок. Здесь преобладают установки, отдающие электроэнергию в общую сеть. Каждый киловатт централизованно покупается у операторов установок по преобразованию солнечной энергии в электрическуюэнергоснабжающей организацией и оплачивается по фиксированному тарифу, который в несколько раз превышает рыночную стоимость. Но даже с учетом субсидирования государством солнечный киловатт-час уже стал немного дешевле. Солнечные генераторы в Германии есть практически везде. Даже офис Федерального канцлера в Берлине обеспечивается электричеством, которое вырабатывают 756 солнечных панелей [7]. В стране также установлен самый крупный фотогальванический комплекс в мире - на винодельне "Эрлассе" (Erlasse) в баварском Франкене. Комплекс состоит из 1480 батарей (это почти 17 тысяч солнечных панелей), которые генерируют 12 мегаватт энергии и снабжают ею город с населением 8 500 жителей [7].
Испания находится на второй позиции в мире по производству солнечной электроэнергии [8]. В городе Фуэнтес-де-Андалусия находится первая в мире коммерческая электростанция Gemasolar, вырабатывающая энергию при помощи солнечных батарей. Этот огромный комплекс был построен совместно испанскими властями и представителями Объединенных Арабских Эмиратов. GemasolarPowerPlant будет работать круглые сутки, 270 дней в течение года, благодаря яркому испанскому солнцу. Разработчиком данного проекта выступила компания TorresolEnergy. По заявлению представителей этой компании, станция будет выдавать 110 ГВт часов за год, что позволит подпитывать электроэнергией город с населением в 100 тысяч жителей. Уникальность станции заключается в том, что в качестве накопителя используется расплавленная соль, с температурой 500 градусов. Этого тепла должно хватать на 10 часов работы паровых турбин, вот именно за счет этого и обеспечивается круглосуточная работа станции. На все строительство было затрачено 427 млн. долларов [8].
Италия. Правительство этой страны активно субсидирует развитие солнечной энергетики и создаёт все оптимальные условия для дальнейшего роста мощности солнечной энергетики в стране. Как недавно заявил главный исполнительный директор Enel крупнейшей энергетической компании Италии и второй в Европе по величине установленной мощности, они решили изменить первоначальные планы наращивания мощностей солнечной энергетики в стране. Теперь Италия планирует ввести в эксплуатацию в период до 2020 года солнечные электростанции суммарной мощностью в 30 гигаватт [8]. Фульвио 32Конти, генеральный директор компании Enel, сказал: «По состоянию на 30 июня наша цель по выработке 8 ГВт солнечной энергии уже достигнута, и если мы будем идти такими же темпами, то сможем достичь к 2020 году производства 30 ГВт». Сегодня Италия импортирует почти 87 процентов электроэнергии в связи с нехваткой энергетических ресурсов. Таким образом, по мнению Конти, чтобы стать энергетически самостоятельной державой, страна должна сосредоточить внимание на разработке возобновляемых ресурсов энергии, в первую очередь - солнечной. Правительство страны уже в 2007 году начало оказывать содействиеразвитию солнечной энергетики, разрабатывая и вводя различные стимулирующие меры, как для коммерческих организаций, так и для частных лиц. В частности, чтобы добиться роста в секторе возобновляемых источников энергии, в Италии был введен льготный тариф «Feed-In-Tariff» (FiT) для производителей электроэнергии, которым стало выгодно инвестировать в развитие солнечной энергетики. Также правительство предлагает долгосрочные контракты, предоставляющие достаточно времени для того, чтобы инвесторы могли вернуть вложенные средства. Согласно недавнему утверждению агентства рационального использования энергии Италии GestoreServiziEnergetici, в настоящее время в стране функционирует 150 тысяч заводов по выработке солнечной энергии и их число в ближайшие годы будет значительно увеличено. Также стало известно, что Sharp подписала соглашение с компаниями Enel и ST Microelectronics по производству фотоэлектрических модулей мощностью от 160 МВт и выше для нового завода [8]. Солнечная энергетика Италии движется в направлении достижения паритета с традиционной энергосистемой, когда стоимость производства солнечной энергии будет эквивалентна затратам на производство энергии от ископаемого топлива. Это было подтверждено и в исследовании Европейской Ассоциации Фотоэлектрической Промышленности (EPIA).
США, обладающие огромными солнечными ресурсами, с начала века были в авангарде исследований в области солнечной энергии и сохранили ведущее место. Хотя правительство Соединенных Штатов до сих пор ориентируется на приоритет атомной энергии, тем не менее, оно прямо и косвенно оказывает существенную помощь исследованиям в области солнечной энергии. Даже Атомная энергетическая комиссия (АЕС) имеет свои собственные лаборатории, в которых исследуется Солнце [9]. Наибольшая государственная помощь оказывается через NASA (Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства), NSF (Национальный научный фонд), НИД (Управление жилищного и городского строительства). Совместный отчет Ассоциации солнечной энергетики (SEIA) и аналитической компании GTM Research свидетельствует, что во втором квартале 2011 года в США было установлено в общей сложности 314,3 МВт солнечной фотогальванической энергии. Для сравнения - в тот же период 2010г. эта цифра составляла 186,5 МВт.[9]. Согласно прогнозам, солнце, используемое сейчас как источник энергии, будет удовлетворять приблизительно четверть всех потребностей страны в энергии к 2020 г. и сможет содействовать сокращению импорта нефти, тем более что к этому времени добыча нефти и природного газа в США станет незначительной.Следовательно, ведущие мировые державы оценили весь потенциал солнечной электроэнергетики. По мнению ведущих мировых экспертов сгенерированная на основе солнечного излучения энергия гипотетически сможет к 2050 году обеспечить 20-25 % потребностей человечества в электричестве. Развитие солнечной энергетики и еемассовое внедрение в эксплуатацию поможет компенсировать грядущий дефицит углеводородного топлива без ущерба для окружающей среды и мировой экономики.
Экономические законы и опыт развития подсказывают, что рациональная структура использования природных ресурсов в долгосрочной перспективе стремится к структуре имеющихся их запасов на Земле. Поскольку кремний занимает в земной коре по массе второе место после кислорода, можно предположить, что от первобытных людей с примитивными кремниевыми орудиями труда человечество через тысячи лет переходит к периоду, в котором в качестве конструкционных материалов будут использованы керамика, стекло, силикатные и композиционные материалы на основе кремния, а в качестве глобального источника энергии - кремниевые солнечные электростанции. Проблемы суточного и сезонного аккумулирования, возможно, будут решены с помощью солнечно-водородной энергетики, а также широтного расположения солнечных электростанций и новых энергосберегающих систем передачи между ними.
Учитывая, что 1 кг кремния в солнечном элементе вырабатывает за 30 лет 300 МВт.ч электроэнергии, легко подсчитать нефтяной эквивалент кремния. Прямой пересчет электроэнергии 300 МВт.ч с учетом теплоты сгорания нефти 43,7 МДж/кг дает 25 т нефти на 1 кг кремния. Если принять КПД ТЭС, работающей на мазуте, 33%, то 1 кг кремния по вырабатываемой электроэнергии эквивалентен примерно 75 тоннам нефти [10].
В связи с высокой надежностью срок службы солнечных электростанций по основным компонентам - кремнию и солнечным элементам может быть увеличен до 50-100 лет. Для этого потребуется исключить из технологии герметизации полимерные материалы. Единственным ограничением может явиться необходимость их замены на более эффективные. КПД в 25-30% по прогнозам будет достигнут в производстве в ближайшие 10-20 лет. В случае замены солнечных элементов кремний может быть использован повторно и количество циклов его использования не имеет ограничений во времени.
Таким образом, солнечная электроэнергетика - наиболее эффективный вид альтернативной, безопасной энергетики в обозримой перспективе человечества.
ЛИТЕРАТУРА
- Жансеитов Р. Развитие мировой альтернативной энергетики и оценка ее влияния на нефтегазовую отрасль [Электрон. ресурс]. URL:www.airi.kz.
- Шуткин О. И. Перспективы мировой энергетики [Электрон. ресурс]. - 2012. URL: http://www.ng.ru/energy/sun_energy.html.
- Перспективы развития мировой энергетики [Электрон. ресурс]. – 2011. URL: http://coolreferat.com.
- Перспективы солнечной энергетики //Беседа корреспондента… с генеральным директором НПП КВАНТ Плехановым С.И. [Электрон. ресурс]. URL:http://aenergy.ru.
- Солнечная энергетика и солнечные батареи [Электрон. ресурс]. URL: solar-battery.narod.ru
- [Электрон. ресурс]. URL:www.energypartner.kz.
- [Электрон. ресурс]. URL:www.germania-online.ru.
- [Электрон. ресурс]. URL:www.slideshare.net.
- [Электрон. ресурс]. URL:www.u380.ru/energy/sun/.
- [Электрон. ресурс]. URL:wikipedia.org.