Сонячна енергетика сьогодні

Про сонячній енергетиці та перспективи її розвитку ведуться суперечки і дискусії вже багато років. Більшість вважають сонячну енергетику - енергетикою майбутнього, надією всього людства. Серйозні інвестиції вкладає в будівництво сонячних електростанцій велику кількість компаній. Сонячну енергетику прагнуть розвивати в багатьох країнах світах, вважаючи її головним альтернативою традиційним енергоносіям. Німеччина, будучи далеко не сонячної країною, стала світовим лідерів в цій сфері. Сукупна потужність СЕС Німеччини зростає рік від року. Серйозно займаються розробками в області енергії сонця і в Китаї. Згідно оптимістичним прогнозом International Energy Agency, сонячні електростанції до 2050 року зможуть виробляти до 20-25% світової електроенергії. Альтернативний погляд на перспективи сонячних електростанцій базується на тому, що витрати, які потрібні для виготовлення сонячних батарей і акумуляторних систем, в рази перевищують прибуток від виробленої сонячними електростанціями електроенергії. Противники цій позиції запевняють, що все якраз навпаки. Сучасні сонячні батареї здатні працювати без нових капіталовкладень десятки і навіть сотні років, вироблена ними сумарна енергія дорівнює нескінченності. Ось чому в довгостроковій перспективі електроенергія, одержана з використанням енергії сонця, стане не просто рентабельною, а надприбутковій. Де ж істина? Спробуємо розібратися в цьому разом з вами, шановні Новомосковсктелі. Ми розглянемо сучасні підходи в сфері сонячної енергетики і деякі геніальні ідеї, які на сьогоднішній день вже реалізовані. Ми спробуємо встановити ККД сонячних батарей, що функціонують в даний час, зрозуміти, чому сьогодні цей ККД є досить низьким.

Ефективність сонячних батарей вУкаіни

Кремнієві сонячні батареї

Сьогодні для функціонування СЕС застосовуються напівпровідникові фотоелементи, які представляють собою напівпровідникові діоди великій площі. Влетающ
ий в pn-перехід світловий квант, генерує пару електрон-дірка, при цьому, на виходах фотодіода створюється перепад напруги (близько 0,5 В). ККД кремнієвої сонячної батареї - близько 16%. Чому же ККД настільки низький? Для того щоб сформувати електронно-дірковий пару, потрібна певна енергія. Якщо прилетів світловий квант має малу енергією, то створення пари не відбудеться. В цьому випадку квант світла просто пройде крізь кремній, як крізь звичайне скло. Ось чому кремній є прозорим для інфрачервоного світла далі 1.2 мкм. Якщо ж світловий квант прилетить з більшою енергією, ніж потрібно для генерації (зелене світло), пара утворюється, але надлишок енергії просто піде в нікуди. При синьому і ультрафіолетовому світлі (енергія якого є дуже високою), квант може не встигнути долетіти до самих глибин p-n переходу.

Щоб сонячне світло не відбивався від поверхні сонячної батареї, на неї наноситься спеціальне противідбивні покриття (таке покриття наносять і на лінзи фотооб'єктивів). Текстуру поверхні роблять нерівною (у вигляді гребінки). В цьому випадку світловий потік, відбившись від поверхні один раз, повертається знову. ККД фотоелементів збільшують, комбінуючи між собою фотоелементи, на основі різних напівпровідників і з різною енергією, необхідною для генерації пари електрон-дірка. Для триступеневий кремнієвих фотоелементів досягається ККД в 44% і вищий. Принцип роботи трехступенчатого фотоелемента заснований на тому, що спочатку ставиться фотоелемент, який ефективно поглинає саме синє світло, а червоний і зелений, пропускає. Другий фотоелемент поглинає зелений, третій - ІК. Однак триступінчасті фотоелементи сьогодні дуже дорогі, тому, повсюдно використовуються більш дешеві одноступінчасті фотоелементи, які за рахунок ціни випереджають триступінчасті за показником Ватт / $. Гігантськими темпами розвиває виробництво кремнієвих фотоелементів Китай, за рахунок чого вартість одного вата знижується. У Китаї вона складає приблизно 0,5 доларів за Ватт. Основними типами кремнієвих фотоелементів є:
• Монокристалічні
• Полікристалічні ККД монокристалічних фотоелементів, які є більш дорогими, трохи вище (всього лише на 1%), ніж ККД полікристалічних. Полікристалічні кремнієві фотоелементи сьогодні забезпечують найбільш дешеву вартість 1 Ватта генерується електроенергії. Кремнієві сонячні батареї не можуть служити вічно. За 20 років експлуатації в умовах агресивного середовища найдосконаліші з них втрачають до 15-ти відсотків своєї початкової потужності. Є підстави вважати, що в подальшій деградації сонячних батарей сповільнюється.

Кремнієвий фотоелемент і параболічне дзеркало

Винахідники в усіх країнах світу вживають усілякі спроби збільшити економічну рентабельність сонячних електростанцій. Якщо, наприклад, взяти маленький ефективний кремнієвий фотоелемент і параболічне дзеркало (concentrated photovoltaics), можна досягти ККД в 40% замість 16, при цьому, дзеркало набагато дешевше, ніж сонячна батарея. Але для того щоб стежити за сонцем, потрібна надійна механіка. Величезна дзеркальна поворотна тарілка повинна бути надійно укріплена і захищена від потужних вітрових поривів і агресивних чинників навколишнього середовища. Друга проблема полягає в тому, що параболічні дзеркала не можуть фокусувати розсіяне світло. Якщо сонце зайшло навіть через не щільні хмари, вироблення енергії за допомогою параболічної системи впаде до нуля. У звичних сонячних батарей в цих умовах вироблення теплової енергії теж серйозно знижується, але не до нуля. Сонячні батареї з параболічними дзеркалами занадто дороги по настановної вартості і затратні в обслуговуванні.

Круглі сонячні елементів на дахах

Американською компанією Solyndra за допомогою уряду були сконструйовані сонячні фотоелементи круглої форми. Вони монтувалися на дахах, пофарбованих у білий колір. Сонячні батареї круглої форми виготовляли шляхом напилення провідникового шару (у випадку з Solyndra використовувався Copper indium gallium (di) selenide) на скляні труби. Фактична ефективність круглих батарей становила близько 8,5%, що нижче дешевших кремнієвих. Solyndra, що отримала державні гарантії по гро
МАДН кредиту, збанкрутувала. В технології, економічна ефективність від яких була вельми сумнівною з самого початку, американська економіка вклала чималі кошти. «Вдале» лобіювання неефективних технологій - це не тільки українське ноу хау.

Велика проблема сонячної енергетики!

Відомо, що сонячні електростанції генерують електроенергію днем, в той час, як величезна потреба в електриці виникає якраз таки у вечірні години. Це означає, що без акумуляторів сонячні електростанції не будуть ефективними. У вечірній пік споживання електрики доведеться задіяти альтернативні (класичні) джерела електроенергії. У денні години частина традиційних електростанцій доведеться відключити, а частина - тримати в гарячому резерві на випадок поганої погоди. Якщо над сонячною електростанцією нависнуть хмари відсутню електроенергію повинна давати резервна. У підсумку, класичні генеруючі потужності коштують в резерві і втрачають прибуток.

Є іще одна шлях. Він відображений в проекті Desertec - передача електроенергії з Африки в Європу. За допомогою ЛЕП в вечірній пік споживання електрики можна передачі електроенергії від СЕС, які знаходяться в тих районах земної кулі, де в цей час в розпалі сонячний день. Але цей спосіб до переходу на надпровідники вимагає величезних фінансових витрат, а також, всіляких узгоджень між різними державами.

Енергія сонця - яка сьогодні її вартість?

Візьмемо, наприклад, Німеччину - світового лідера у використанні сонячної енергетики. Кіловат сонячної енергії, яка генерується (навіть в денні години, але ж така електроенергія дешевша), викуповується в цій країні за ціною від 12 до 17,45 євроцентів за кВт * год. Оскільки газові електростанції в Німеччині як і раніше будуються, функціонують або знаходяться в гарячому резерві, сонячні електростанції в цій країні фактично просто допомагають економити український газ. Вартість українського газу на сьогоднішній день - 450 доларів за тисячу кубометрів. З цього обсягу газу (ККД генерації 40%) можна виробити приблизно 4.32 ГВт електроенергії. Отже, на 1 кВт * год електроенергії виробленого від сонця, українського газу економиться на суму в 0,104 долара або 7,87 євроцента. Ось справедлива вартість сонячної нерегульованої генерації. Таким чином, в даний час в Німеччині сонячна енергетика на 50% дотується г
осударства. Хоча, слід зазначити, що Німеччина стрімко знижує вартість генерації електроенергії від сонця.

Саме економічне сонячна електрика (0,5 доларів за 1 Ватт) отримують сьогодні за допомогою сонячних полікристалічних батарей. Всі інші способи отримання електрики за допомогою енергії сонця, на порядок дорожче. Проблема, яка є ключовою для сонячної енергетики, це все-таки не ККД сонячних батарей, не ціни, і не EROEI, який теоретично нескінченний. Головна проблема полягає в здешевленні способів генерації енергії сонця, отриманої в денні години і заощадження цієї енергії для вечірнього пікового споживання. Адже нині акумуляторні системи, термін служби яких від трьох до шести років, в рази дорожче самих сонячних батарей. Сонячна генерація в значних масштабах розглядається сьогодні тільки у вигляді способу економії невеликої частини традиційного викопного палива в денний час. Сонячна енергетика поки не в силах повністю взяти на себе навантаження в вечірні години пік енергоспоживання і зменшити число АЕС, вугільних, газових і гідроелектростанцій, які в денні години повинні стояти в резерві, а у вечірні, брати на себе значну енергетичне навантаження. Якщо в результаті посилення тарифів (при яких, наприклад, виробникам водню і алюмінію буде вигідно запускати своє електролізний виробництво в денні години) пік споживання електроенергії зміститься на денні години, то у енергії сонця з'являться більш серйозні перспективи для розвитку. Вартість сонячної генерації, яка є «нерегульованої», непорівнянна з вартістю генерації електроенергії на звичних електростанціях, які можуть вільно генерувати її в будь-який час, коли в цьому є необхідність. Вартість сонячної електроенергії не повинна перевищувати вартості викопного палива, зекономленого з її допомогою. Якщо, наприклад, газ в Німеччині коштує 450 доларів, то ціна сонячної генерації в цій країні не повинна перевищувати 0,1 долара за кіловат годину, в іншому випадку сонячна енергетика в цій країні є збитковою. До тих пір поки викопне паливо залишатиметься дешевим і доступним, генерація сонячної енергії є невигідною з економічної точки зору. В даний час використання енергії сонця і дорогих сонячних акумуляторних систем є економічно виправданим тільки для тих регіонів і об'єктів, де немає інших можливостей підключення до електромереж. Наприклад, на самотньо стоїть, віддаленій станції стільникового зв'язка. Однак, не варто забувати наступних важливих факторів, які вселяють оптимізм при розгляді сонячної енергетики:
1. Вартість викопного палива неухильно зростає в міру зменшення його запасів.
2. Розумна державна політика робить використання сонячних електростанцій вигідніше.
3. Прогрес не стоїть на місці! ККД сонячних електростанцій підвищується, розробляються нові технології в генеруванні і акумулюванні електроенергії.

Тому, хочеться вірити, через 3-5 років можна буде написати набагато більш позитивний огляд цієї галузі енергетики!