2015-05-05
1406
Большой практический интерес представляет применение фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), обеспечивающих прямое преобразование энергии солнечного излучения в электроэнергию.
Суммарная мощность фотоэлектрических установок различного назначения действующих в разных странах мира сегодня составляет около 1 ГВт. Если крупные энергетические станции (мощностью более 100 кВт) пока еще недостаточно конкурентоспособны, то фотоэлектрические источники электроэнергии мощностью от нескольких десятков Ватт до нескольких кило-Ватт уже находят эффективное применение в области автономного питания неподключенных к электрическим сетям потребителей, в том числе:
Коммуникационные системы (ретрансляторы, мобильные радиосистемы, телефонные сети, автономные системы контроля и управления и т. п.). Мощность фотоэлектрических установок, применяемых в этой области, составляет от нескольких ватт до нескольких киловатт;
Подзарядка аккумуляторов. Известно, что если аккумуляторные батареи длительное время не находятся в работе, их емкость снижается. Применение ФЭП позволяет решить проблему саморазряда аккумуляторов, как правило, наиболее дешевым, надежным и простым способом.
Катодная защита. ФЭПы нашли широкое применение как источник питания систем защиты от коррозии телекоммуникационных вышек, газопроводов, 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 – э лектропитание с помощью ФЭП огней безопасности, устанавливаемых на линиях электропередач, высотных сооружениях, световых и звуковых сигнальных устройств на железнодорожных путях и автомобильных дорогах, автономные установки охранной сигнализации 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.
Удаленный мониторинг. Сегодня в разных странах действует более 100 000 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.
Солнечные фотоэлектрические установки (СФЭУ) в настоящее время находят все более широкое распространение в качестве источника энергии для средних и малых автономных потребителей, а иногда и для больших солнечных электростанций, работающих в энергосистемах параллельно с традиционными ТЭС, ГЭС и АЭС. Конструктивно СФЭУ обычно состоит из солнечных батарей в виде плоских прямоугольных поверхностей, работа которых состоит в преобразовании энергии СИ в электрическую.
В фотоэлектрическом генераторе электрический ток возникает в результате процессов, происходящих в фотоэлементе при попадании на него СИ. Наиболее эффективны те из них, которые основаны на возбуждении ЭДС на границе между проводником и светочувствительным полупроводником (например, кремний) или между разнородными проводниками.
За последние десятилетия фотоэнергетика значительно продвинулась вперед в решении двух основных проблем: повышения к.п.д. СФЭУ и снижения стоимости их производства.
Наибольшее распространение получили СФЭУ на основе кремния трех видов: моно- и поликристаллического, а также аморфного. В промышленном производстве находятся СФЭУ со следующими значениями к.п.д.:
– монокристаллический: 15 ÷ 20 % (до 24 % на опытных образцах);
– поликристаллический: 12 ÷ 13 % (до 16 % на опытных образцах);
– аморфный: 8 ÷ 10 % (до 16 % на опытных образцах).
За последние 5 лет общий показатель роста в секторе солнечного электричества был на уровне 30-40% в год. В 2002 году этот показатель в Европе был на уровне 33%. Фотоэлектрические станции уже сейчас снабжают электроэнергией сотни тысяч людей по всему миру; солнечная индустрия обеспечивает занятость десятков тысяч людей и ее годовой оборот превышает 1 млрд. Евро. Фотоэлектрические системы обычно подключаются к существующим электросетям или снабжают электроэнергией автономные объекты.
Рис. 5.1 Развитие рынка фотоэлектричества в Европе и мире
Динамика производства солнечных фотоэлектрических модулей в мире начиная с 1971 г. и прогноз на 2005 и 2010 гг. приведены в табл. 5.2. В 2000 г. производство модулей составило 288 МВт и через 5 лет возрастет в 2,5 раза, а еще через 5 лет предполагается его утроение. Так же как и в ветроэнергетике, эти прогнозы будут превышены. Страны - лидеры в производстве фотоэлектрических модулей: Япония (80 МВт в 2000 г.), США (60 МВт), Германия (50 МВт), Индия (47 МВт). В пользу оптимистического прогноза говорит тот факт, что нефтяные компании Шелл, Бритиш Петролеум и др. начинают активно участвовать в развитии фотоэнергетики. Например, Бритиш Петролеум закупает заводы по производству фотоэлектрических модулей, организует монтаж фотоэлектрических установок в Африке. Компания рассматривает это направлений как одно из основных в диверсификации своей деятельности.
Таблица 5.2.
Динамика годового производства в мире солнечных фотоэлектрических элементов/модулей, включая прогноз на ближайшие 10 лет (МВт)
| Годы | ||||||||||||||||
| 0,1 | 0,2 | 31,5 |
В табл. 5.3 представлены прогнозы развития различных направлений использования фотоэлектричества: для потребительских товаров, автономные установки для сельских и городских домов, источники питания средств связи, солнечно-дизельные установки, установки, соединенные с энергосистемами на крышах домов, и сетевые электростанции. Получается, что по этому прогнозу область применения солнечных фотоэлектрических установок имеет широкий спектр: от индивидуальных бытовых установок до передачи энергии в общую сеть. Особое развитие это направление получило в Германии, Японии, США, Индии и во многих других развивающихся и развитых странах мира. На следующей табл. 5.4показано изменение удельной стоимости фотоэлектрических модулей с 1950 до 2000 г. За 50 лет удельная стоимость снизилась с 1000 долл./Вт в 1950 г. до 4-5 долл./Вт в 2000 г. Это колоссальный прогресс, однако удельная стоимость еще высока и работы по её снижению интенсивно ведутся во всех странах.
Основным направлением снижения удельной стоимости фотоэлектрических станций является повышение КПД солнечных элементов и модулей. В конце восьмидесятых годов был составлен оптимистический прогноз увеличения КПД модулей и на этой основе снижение стоимости фотоэлектрических установок. Однако прогноз по КПД на 2000 г. не оправдался, т. е. промышленность на проектируемый уровень не вышла, хотя в лабораторных условиях эти показатели достигнуты и превзойдены.
Таблица 5.3
Прогноз мирового рынка по типам солнечных фотоэлектрических установок (МВт/год)
| Виды устройств или установок | Годы | ||
| Фотоэлектрические элементы для потребительских товаров | |||
| Автономные установки для сельских домов | |||
| Автономные установки для городских зданий | |||
| Установки для питания средств связи | |||
| Солнечно-дизельные установки | |||
| Установки для зданий, соединённые с энергосистемой | |||
| Сетевые электростанции (мощностью более 100 кВт) | |||
| Всего: |
Таблица 5.4
Фотоэлектричество.
Изменение стоимости фотоэлектрических модулей (долл. США/Вт)
| Год | |||||||
| Стоимость | 5-6 | 4-5 |
Будущее фотоэнергетики
| Показатели | Годы | |||
| КПД модулей, % | ||||
| Монокристаллический кремний | ||||
| Поликристаллический кремний | ||||
| Модули с концентраторами | ||||
| Аморфный кремний | 5-7 | 8-10 | ||
| Удельная стоимость фотоэлектрических систем, долл. США/кВт | ||||
| Автономные до 1 кВт | ||||
| Подключённые к сети 5-20 кВт | ||||
| Большие станции мощностью 2-10 МВт |
Исчерпывающие фактические данные по экономике фотоэлектрических систем имеются в Германии, где развитие фотоэнергетики пользуется широкой поддержкой государства, несмотря на дороговизну этих систем.
Так, удельные капитальные вложения составили 14000 ДМ/кВт для установки на крыше дома мощностью 2 кВт и 1000 ДМ/кВт для достаточно мощной (100 кВт) установки, смонтированной на земле. При этом стоимость электроэнергии составила соответственно 1,46 ДМ/кВт-ч и 1,08 ДМ/кВт.ч, при тарифе на электроэнергию в Германии 17 пф/кВт.ч.
Тем не менее, у владельцев этих установок государство покупает электроэнергию по указанным ценам, обеспечивая тем самым заказы промышленности, увеличение объема производства, а значит, и снижение стоимости фотоэлектрических модулей.
Подведем краткие выводы:
• фотоэнергетика является также экологически чистым источником энергии; существующие экологически грязные технологии получения кремния солнечного качества будут в ближайшее пятилетие заменены экологически чистыми;
• сырьевая база фотоэнергетики (кремний) практически неисчерпаема, его содержание в земной коре превышает запасы урана в 100 тысяч раз; энергетическая база - неисчерпаема: за счет энергии солнца в перспективе можно обеспечить потребность человечества в электроэнергии;
• фотоэнергетика - наиболее дорогой источник возобновляемой энергетики, и тем не менее, за последние пять лет годовые темпы роста выпуска фотоэлементов составляют 25-30% к предыдущему году.
Существование этого на первый взгляд парадоксального явления (бесспорный рост при максимальной стоимости установленной мощности) объясняется следующими причинами:
• возможность обеспечить электроснабжение потребителей разной мощности: от долей ватта до сотен киловатт, т. е. от малого бытового прибора до электроснабжения маяков, радио- и телеретрансляционных станций, жилых домов, офисов, освещения деревень и т. п.;
• высокие эксплуатационные качества: надежность систем на базе фотобатарей из-за отсутствия вращающихся частей, долговечности (25-30 лет) фотоэлементов; полная автоматизация, отсутствие шума;
• сравнительная легкость и простота монтажа (не нужны мощные краны), высокая заводская готовность;
• сравнительно малые эксплутационные затраты;
• экологическая чистота: фотобатареи - единственный источник электричества, который без всяких ограничений может быть применен в заповедниках, заказниках, зонах отдыха и т. д.
Основной задачей специалистов и ученых в области фотоэлектричества является снижение удельной стоимости модулей в 2 раза в ближайшие 3-4 года. Кроме указанных выше путей: применение солнечных концентраторов и повышение КПД фотоэлементов, существующий вклад в решение этой задачи могут внести новые технологии получения кремния солнечного качества.
Лекция 6
