Гелиоэнергетика

Солнечные фотоэлектрические станции

Выработка электроэнергии из солнечного света

Солнечное излучение, вследствие того, что оно исходит от источника высокой температуры (около 6000 °С), с термодинамической точки зрения является высококачественным первичным источником энергии, допускающим его преобразование в другие виды энергии (электроэнергия, тепло и др.) с высоким КПД. Однако существенными недостатками с технической точки зрения является нестабильность и относительная малая плотность солнечного потока: за пределами атмосферы 1,4 Вт/м2, на земной поверхности в ясный полдень около 1 Вт/м2. Эти свойства солнечного излучения затрудняют создание эффективных энергетических устройств, поскольку требуется большая площадь для приемников солнечного излучения и создание аккумуляторов энергии. В результате, стоимость солнечных установок оказывается высокой, что снижает их конкурентоспособность по отношению к традиционным энергоустановкам, использующим органическое топливо.

Фотоэлектрические преобразователи

Все более широкое применение в разных странах находят фотоэлектрические преобразователи (ФЭП). Более 90 % рынка – это ФЭП на основе поли- и моно-кристаллического кремния, модули которых имеют КПД 15–17 %. В условиях средних широт такие фотоэлектрические установки могут производить 120–200 кВт ч/м2 год. Во многих исследовательских центрах ведутся работы, направленные на повышение КПД ФЭП за счет создания слоевых (каскадных) структур, обеспечивающих более полное преобразование энергии солнечного излучения во всем его спектре, а также на снижение стоимости полупроводниковых материалов и ФЭП в целом за счет применения тонкопленочных структур и использования концентраторов солнечного излучения. Ожидается, что в обозримом будущем КПД промышленных ФЭП может быть увеличен до 30–35 %. Хотя интенсивные исследования и разработки в области фотоэлектричества во всех ведущих странах мира привели к серьезным успехам как в части повышения КПД фотопреобразователей, так и в части снижения стоимости их производства, стоимость электроэнергии, получаемой от ФЭП, все еще намного превосходит стоимость электроэнергии, вырабатываемой традиционными источниками энергии. В настоящее время электроэнергию, получаемую от ФЭП, следует рассматривать как возможность снабжения энергией потребителей, удаленных от электросетей или желающих иметь резервный источник на случай отказа системы электроснабжения. Чаще всего при этом речь идет об установках сравнительно небольшой мощности, имеющих в своем составе аккумуляторную батарею для электроснабжения в темное время суток.

Применение фотоэлектрических преобразователей

Автономное питание потребителей, не имеющих подключения к централизованному электроснабжению

Коммуникационные системы (ретрансляторы, мобильные радиосистемы, телефонные сети, автономные системы контроля и управления). Мощность фотоэлектрических установок, применяемых в этой области, составляет от нескольких ватт до нескольких киловатт.

Катодная защита. ФЭП нашли широкое применение как автономный источник питания систем защиты от коррозии телекоммуникационных вышек, трубопроводов, подземных металлических резервуаров и подземных конструкций зданий, подверженных агрессивному воздействию окружающей среды. Как правило, их мощность для этих целей не превышает 10 кВт.

Сигнальные устройства. Электропитание с помощью ФЭП сигнальных навигационных огней на реках, в море, огней безопасности, устанавливаемых на линиях электропередач, высотных сооружениях, световых и звуковых сигнальных устройств на железнодорожных путях и автомобильных дорогах и т.п.

Освещение. Десятки тысяч ФЭП в сочетании с аккумуляторными батареями используются в разных странах для освещения рекламных щитов, дорожных и парковочных знаков и указателей и т.п., в том числе внутри больших городов.

Электрохолодильники. Большое распространение, особенно в странах с жарким климатом, получили электрохолодильники, запитываемые от ФЭП, позволяющие хранить ценные скоропортящиеся продукты, в первую очередь, медикаменты, вакцины и т.п.

Удаленный мониторинг. Это направление использования ФЭП является также одним из наиболее распространенных. Сегодня в разных странах действует более 100000 фотоэлектрических установок, обеспечивающих питание автономных метеостанций, станций автономного контроля температуры и уровня воды, расхода жидкостей в трубопроводах, контроля уровня загрязнения воздуха вблизи промышленных предприятий и т.п.

Водонасосные установки. Фотоэлектрические установки находят применение для подъема питьевой воды из скважин и колодцев, для ирригационных целей в сельском хозяйстве. Установки работают при наличии солнечного излучения, накапливая воду в резервуаре. Такие установки отличаются простотой конструкции и относительно недороги, поскольку не требуют использования аккумуляторных батарей в своем составе.

Энергоснабжение жилых домов

Одна из задач, связанных с применением ФЭП в жилых и административных зданиях, состоит в том, чтобы модули ФЭП могли заменять традиционные строительные элементы и облицовочные материалы. При этом они должны удовлетворять архитектурным решениям и быть привлекательными с эстетической точки зрения.

Создание солнечных электростанций

В ряде стран действует несколько десятков демонстрационных фотоэлектрических станций мощностью более 100 кВт каждая, являющихся прообразами будущих крупных солнечных электростанций. Они пока еще далеки от самоокупаемости, но важны для накопления опыта эксплуатации и демонстрации перспективных экологически чистых энергетических технологий. В России суммарные производственные мощности по выпуску ФЭП по данным производителей составляют несколько МВт в год. Производимые несколькими российскими предприятиями ФЭП отвечают современным международным стандартам и в основном поставляются в зарубежные страны.

Структурные схемы систем электроснабжения с солнечными батареями
Рис. 7.1. Структурные схемы систем электроснабжения с солнечными батареями: СБ — солнечная батарея; К — контроллер; АБ — аккумуляторная батарея; И — инвертор; РУ — распределительное устройство; Н — нагрузка

Существуют три основных структурно-схемных решения систем электроснабжения с использованием солнечных электростанций. Их разновидности представлены на рис. 7.1.

  1. Автономная фотоэлектрическая электростанция полностью независима от сетей внешнего электроснабжения (рис. 7.1, а). Все автономные системы должны иметь в своем составе накопитель энергии или аккумулятор. Энергия от аккумуляторов используется во время недостаточной солнечной радиации или в случаях, когда нагрузка превышает генерацию солнечных батарей.
  2. Фотоэлектрическая электростанция, работающая параллельно с внешней сетью (рис. 7.1, б). Избыток мощности, генерируемый солнечными батареями может направляться в сеть. Если потребление превышает генерацию электроэнергии солнечными батареями, то недостающая энергия берется от сети. Для этого используются преобразователи напряжения постоянного тока в переменный – инверторы, которые могут работать параллельно с сетью.
  3. Система с безаккумуляторным соединением с сетью является самой простой из всех систем (рис. 7.1, в). Она состоит из солнечных батарей, а также инвертора, подключенного к сети. Вся вырабатываемая электроэнергия отдаётся в сеть. В такой системе нет аккумуляторных батарей, поэтому они не могут использоваться в качестве резервных систем. Когда сеть пропадает, то и выработка электроэнергии солнечными батареями также прекращается. Это может быть ограничением такой системы, но основное её преимущество – низкая цена и высокая надежность.

Эффективность фотоэлектрической системы зависит от уровня солнечной радиации. Основной составляющей фотоэлектрических систем являются модули, в которые объединяются фотоэлементы. Модули бывают рассчитаны на любое напряжение, вплоть до нескольких сотен вольт. Если в системе имеются нагрузки переменного тока, то для преобразования в переменный ток в состав системы входят инверторы. При выборе фотоэлементов для автономной солнечной энергосистемы необходимо знать КПД того или иного вида фотоэлементов. Известно, что КПД фотоэлемента представляет собой отношение энергии, попадающей на фотоэлемент, к электроэнергии, поступившей к потребителям электроэнергии. Существует практическое значение КПД, теоретическое и лабораторное значения КПД. Ниже приведены значения практического КПД фотоэлементов промышленного производства:

  • фотоэлементы из монокристаллического кремния: 16–17%;
  • фотоэлементы из поликристаллического кремния: 14–15%;
  • фотоэлементы из аморфного кремния: 8–9%.

Технология изготовления солнечных модулей

Материалы для изготовления солнечных модулей

Производство солнечных батарей в настоящее время является довольно актуальной задачей. Благодаря тому, что спрос на альтернативные источники энергии с каждым годом становится все выше, солнечные батареи все чаще используются в различных устройствах и механизмах. Энергетические потребности человечества постоянно растут, что приводит к увеличению выработки электроэнергии, следовательно, и добыче энергетических ресурсов, которых становится все меньше. В связи с этим солнечные батареи, как источник альтернативной энергии все тверже заявляет свои права на рынке мировой энергетики. Любой завод по производству солнечных батарей имеет прогрессивное оборудование. Производства отличаются исключительно материалом, лежащим в основе самих солнечных батарей. Непосредственно технология производства в зависимости от материала меняется незначительно. Чаще всего для производства модулей используют поли- и монокристаллический кремний. Несмотря на невысокий КПД подобных устройств, их стоимость сравнительно мала и позволяет внедрять совершенные источники в любые устройства. Также существует производство аморфного кремния, но такая технология нерентабельна в больших масштабах, поэтому изготовление фотоэлементов на базе кристаллов является основным направлением производства.

Фотоэлектрический модуль состоит из нескольких соединенных солнечных элементов, инкапсулированных в едином, долговечном и стабильном устройстве. Главная цель инкапсуляции — защитить электрически соединенные солнечные элементы и проводку от неблагоприятной окружающей среды, в которой им приходится работать. Основные функции модуля — защита элементов от механических повреждений и воды. Существует множество различных видов модулей (рис. 7.2).

Типичный фотоэлектрический модуль на основе кремниевых солнечных элементов
Рис. 7.2. Типичный фотоэлектрический модуль на основе кремниевых солнечных элементов

Они часто отличаются в зависимости от типа солнечных элементов и области применения. К примеру, солнечные элементы на основе аморфного кремния обычно инкапсулируются в эластичные батареи, тогда как солнечные элементы на основе подложек кристаллического кремния помещают в жесткие модули со стеклянной поверхностью. Срок годности и гарантия на модули кристаллических солнечных элементов обычно составляет не менее 20 лет, что говорит об их высокой надежности.

Большинство модулей кристаллических солнечных элементов состоит из прозрачного лицевого поверхностного слоя, инкапсулятора, заднего слоя и рамки вокруг внешних краев. В большинстве модулей верхний слой изготавливают из стекла, инкапсулятор – из этилвинилацитата (EVA), а задний слой – из поливинилфлорида (PVF или Tedlar) (рис. 7.3).

Строение типичного модуля для кристаллических солнечных элементов
Рис. 7.3. Строение типичного модуля для кристаллических солнечных элементов

Лицевая поверхность фотоэлектрического модуля должна иметь высокую пропускающую способность излучения, низкое отражение. Верхний слой должен быть непроницаем для воды, иметь хорошее сопротивление к ударам, не зависеть от ультрафиолетового облучения и иметь низкое термическое сопротивление.

Существуют несколько материалов, из которых можно изготовить лицевую поверхность. Это акриловые волокна, полимеры или стекло. Чаще всего выбирают стекло с низким содержанием железа, так как оно имеет высокую прочность, стабильность, прозрачность, непроницаемо для воды и газов, имеет хорошие самоочистительные свойства и низкую стоимость. Инкапсулятор нужен для создания промежуточного слоя между солнечными элементами, лицевой поверхностью и тыльной поверхностью фотоэлектрического модуля.

Инкапсулятор должен сохранять свои свойства при высоких температурах и интенсивном облучении ультрафиолетом. Он также должен быть оптически прозрачным и иметь низкое термическое сопротивление. Наиболее часто в качестве инкапсулятора используются этилвинил ацетат (EVA). EVA поставляется в виде тонких листов, которые вкладываются между солнечными элементами и лицевой и тыльной поверхностями. При нагреве до 150 ºС молекулы EVA полимеризуются и связываются друг с другом.

Главным требованием к задней поверхности фотоэлементов модуля является низкое термическое сопротивление и водонепроницаемость. Последним элементом конструкции модуля является его обрамление. Обычно каркас делают из алюминия.

Плотность упаковки солнечных элементов в фотоэлектрическом модуле рассчитывается как отношение площади модуля, которую занимают солнечные элементы, к пустующей площади. Плотность упаковки наряду с рабочей температурой является фактором, определяющим выходную мощность батареи. Плотность упаковки зависит от формы используемых солнечных элементов. Например, монокристаллические элементы бывают круглыми или полукруглыми, тогда как поликристаллические элементы обычно квадрантные. Поэтому плотность упаковки монокристаллических элементов ниже, чем поликристаллических.

Технология получения кремния

Технология получения монокристаллов полупроводникового кремния состоит из следующих этапов:

  • получение технического кремния;
  • превращение кремния в легколетучее соединение, которое после очистки может быть легко восстановлено;
  • очистка и восстановление соединения, получение кремния в виде поликристаллических стержней;
  • конечная очистка кремния методом кристаллизации;
  • выращивание легированных монокристаллов.

Достоинства и недостатки солнечных фотоэлектростанций

Интенсивность солнечного излучения изменяется в течение дня из-за относительного движения солнца, а также зависит от облачности. Например, в полдень, в ясную солнечную погоду, количество солнечной энергии может достигать 1000 Вт/м2, а при облачности даже в полдень может опуститься до 100 Вт/м2 и ниже. Выработка электроэнергии солнечными фотоэлектрическими батареями зависит от угла падения солнечных лучей и максимальна, когда этот угол составляет 90 градусов.

Важно правильно ориентировать поверхность солнечных модулей и установить нужный угол наклона.

Наибольшей эффективностью, в том числе экономической, и надежностью обладают комбинированные (гибридные) автономные системы, например, ветроэлектростанция и фотоэлектрическая система. Полностью автономные системы обладают более низкой производительностью, поскольку размер и количество модулей подбираются из расчета достаточного получения энергии в зимнее время, несмотря на неизбежное ее перепроизводство летом. Комбинированные системы имеют более высокий КПД, поскольку размеры фотоэлементов подбираются, исходя из требуемой нагрузки в летний период, а зимой и в пасмурную погоду дополнительное количество электроэнергии вырабатывается газопоршневыми станциями или ветроустановками.

Несмотря на развитие технологий, солнечная энергия остается наиболее дорогим из известных видов ВИЭ. Развитие солнечной энергетики в перспективе приведет к удешевлению солнечной энергии и фотоэлементов. В настоящее же время использование фотоэлектрических элементов для нужд автономного электроснабжения рентабельно лишь в удаленных от централизованного электроснабжения районах или при невозможности использования других автономных источников энергии по экологическим причинам.

Развитие солнечной энергетики в России и мире

Солнечная энергия все более широко используется для производства электроэнергии при помощи фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) и солнечных энергоустановок с термодинамическим преобразованием энергии.

В 1985 году все установленные мощности мира составляли 0,021 ГВт. В 2005 году производство фотоэлементов в мире составляло 1,656 ГВт. В 2012 году общая мощность мировых гелиоэнергетических установок выросла на 31 ГВт, превысив 100 ГВт, а общая мировая мощность фотоэлементной солнечной энергетики составляла лишь около 0,1 % общемировой генерации электроэнергии. В 2013 году глобально было установлено 39 ГВт фотоэлектрических мощностей. Лидером по установленной мощности является Евросоюз, среди отдельных стран – Китай. По совокупной мощности на душу населения лидер – Германия. В 2010 году 2,7 % потребляемой электроэнергии в Испании и 3 % потребляемой электроэнергии в Италии было получено из солнечной энергии.

В мире ежегодный прирост энергетики за последние пять лет составлял в среднем около 50 %. Полученная на основе солнечного излучения энергия гипотетически сможет к 2050 году обеспечить 20–25 % потребностей человечества в электричестве и сократит выбросы углекислоты. Как полагают эксперты Международного энергетического агентства (IEA), солнечная энергетика уже через 40 лет при соответствующем уровне распространения передовых технологий будет вырабатывать около 9 тысяч тераватт-часов — или 20—25 % всего необходимого электричества, и это обеспечит сокращение выбросов углекислого газа на 6 млрд тонн ежегодно.

Бытующее мнение о том, что Россия, расположенная преимущественно в средних и высоких широтах, не располагает значительными ресурсами солнечной энергии для ее эффективного энергетического использования, не соответствует действительности.

Распределение годовых среднедневных поступлений солнечной энергии по территории России
Рис. 7.4. Распределение годовых среднедневных поступлений солнечной энергии по территории России, кВт ч/м2день

На рис. 7.4 приведены годовые среднедневные суммы солнечной радиации на неподвижные наклонные поверхности южной ориентации с оптимальным углом наклона к горизонту, обеспечивающим максимальный «сбор» солнечного излучения. Территория России разбивается преимущественно на 4 окрашенных разными цветами зоны, наиболее «солнечными» районами России оказываются Приморье, юг Иркутской области, Бурятия, Тыва.

Наиболее солнечные регионы России по количеству поступающей солнечной радиации практически не уступают считающимся благоприятными для эффективного использования солнечной энергии европейским странам. Безусловно, Россия характеризуется гораздо более холодным климатом, что накладывает некоторые ограничения и дополнительные требования к солнечным установкам.