Перспективы использования фотоэлектрических преобразователей в мире и в России

Аннотация

Статья посвящена современным экологическим проблемам и путям их решения. Затрагиваются вопросы прошедшей в 2015 г. 21-й сессии Конференции сторон Рамочной конвенции ООН в Париже об изменении климата и вопросы государственных программ России по энерго- и ресурсосбережению. Рассматривается теоретический материал по использованию солнечной энергии как одного из видов нетрадиционных источников энергии. Исследован вопрос объемов солнечной радиации, поступающей на поверхность Земли. Перечислены основные виды преобразователей, использующих солнечную энергию в качестве источника для производства электрической энергии, рассмотрены их достоинства и недостатки, более подробно представлены фотоэлектрические преобразователи. Описаны основные физические и химические процессы, происходящие в солнечных батареях, работающих по фотоэлектрическому способу, в которых в качестве основного материала используется кремний; рассмотрены достоинства и недостатки различных типов присоединений солнечных батарей. Предложены варианты использования солнечной энергии в быту человека. Особое внимание уделено ситуации в сельском хозяйстве: проанализирована текущая ситуация, выявлены недостатки действующих способов энергоснабжения удаленных территорий, рассмотрена перспектива использования солнечной энергетики для подобных мест, представлены схемы возможных технологических установок, использующих энергию Солнца. Проанализирован опыт регионов России в использовании солнечной энергетики на примере Чебаркульского муниципального района Челябинской области. Исходя из результатов исследования, сделан вывод о перспективах и возможности использования данной технологии, а также представлены предложения о дальнейшем развитии сферы солнечной энергетики.

Общая постановка проблемы

Во второй половине XX в. одну из самых важных позиций среди общемировых проблем заняла проблема глобального потепления. В период 1950–2004 гг. среднемировая температура повысилась с 13,87 до 14,53 °С [1]. В свою очередь рост температуры влияет на таяние льдов на Северном и Южном полюсах, провоцируя повышение уровня Мирового океана. Не вызывает сомнения тот факт, что одним из основных факторов, повлиявших на ускорение процесса глобального потепления, является антропогенный фактор, в частности использование углеводородов в производстве и в быту. В настоящее время благодаря международным соглашениям и протоколам многие страны мира пересмотрели свою политику в сфере регулирования процессов выбросов, что привело к текущему общемировому снижению выбросов вредных веществ в атмосферу. На 21-й сессии Конференции сторон Рамочной конвенции ООН об изменении климата (РКООНИК) в Париже президент России заявил, что к 2030 г. Россия надеется уменьшить выбросы парникового газа до 70 % от базового уровня 1990 г. [2]. Основываясь на действующей в настоящее время в России программе Экологически чистая энергетика, можно сделать вывод о наиболее перспективном решении проблем, появившихся в традиционной энергетике – применении нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ), использование которых может решить такие задачи, как:

• уменьшение применения органического топлива в низкоэнергозатратных процессах;
• снижение негативного воздействия традиционной теплоэнергетики на окружающую среду;
• обеспечение энергией той части населения, которая находится вдали от основных источников энергообеспечения.

Если остановиться подробнее на сфере производства, то следует отметить, что в большей степени наносят вред окружающей среде предприятия по производству электрической энергии: доля электроэнергетики составляет треть от общего объема вредных выбросов в атмосферу, примерно 32 % [1]. Основной целью 21-й сессии Конференции сторон РКООНИК является достижение универсального и обязательного для выполнения соглашения, позволяющего эффективно бороться с изменением климата и ускорять переход к обществу и экономике, мало потребляющим углеродные технологии [2]. Одним из решений данной проблемы является замена выработки электрической энергии традиционными способами на использование энергии Солнца.

Основная часть

В настоящее время преобразование солнечной энергии в электрическую является одной из самых перспективных технологий. Осуществляется данное преобразование в фотоэлектрических преобразователях (ФЭП), которые широко используются для питания космических станций, а также получения электроэнергии в сельском хозяйстве и в быту [3]. У ФЭП довольно широкий интервал мощности: они способны питать как мини-генераторы мощностью несколько ватт, так и центральные электростанции мощностью несколько мегаватт. Такой широкий интервал обусловливается тем, что для увеличения мощности можно включать последовательно большое количество солнечных элементов – в этом и состоит одно из главных преимуществ ФЭП над солнечными коллекторами, предел мощности которых закладывается при производстве. Также к преимуществам использования фотоэлектрических преобразователей можно отнести возможность получения энергии даже в труднодоступных районах и сравнительно дешевое обслуживание. Недостатками установки ФЭП можно считать: дороговизну элементов, неравномерное распределение солнечной энергии по поверхности земли и, что является серьезной угрозой, отрицательное влияние на организм человека, так как при производстве солнечных элементов и аккумуляторов используется свинец, а в фотоэлементах присутствуют кадмий, галлий и мышьяк.

Только за одну неделю количество солнечной энергии, поступающей на Землю, во много раз превышает энергию всех мировых запасов полезных ископаемых, а количество солнечной энергии в России оценивается более чем в 2000 млрд тонн условного топлива. Тем не менее использование солнечной энергии в России пока остается малопопулярным, даже несмотря на то что количество солнечных дней в Сибири и в южных областях нашей страны примерно равно количеству солнечных дней в Южной Европе, где солнечная энергия используется широко (рис. 1).

Для России использование солнечной энергии могло бы помочь решить проблемы тех жителей, которые отрезаны от централизованного электрообеспечения. При этом количество солнечных дней на Дальнем Востоке не меньше, чем в южных областях нашей страны, и составляет примерно 1500–2000 ч. в год (рис. 2).

Солнечную энергию можно использовать двумя способами: термодинамическим способом на тепловых электростанциях и с помощью фото- или термодинамических элементов. Рассмотрим подробнее самый распространенный материал элементов – кремний, а также фотоэлектрический (прямой) способ преобразования солнечной энергии в электрическую. Кремний получают из соединений, которые расплавляют, а чистый кремний вытягивают из них. В дальнейшем, при кристаллизации, атомы кремния образуют кристаллическую решетку. Сам солнечный элемент состоит из двух слоев полупроводника (кремния): поверхностный слой или слой n-типа, образованный добавлением в кристалл кремния фосфора, в результате чего в пластине n-типа появляются лишние электроны или отрицательный заряд; и базовый слой p-типа, полученный при добавлении в расплав кремния бора. В результате этого в базовом слое отсутствуют электроны, а на их местах образуются дырки, которые несут положительный заряд. При попадании на поверхность солнечного элемента, солнечного света фотоны будут поглощаться, тем самым выбивая электроны (рис. 3). На месте выбитых электронов появляются пустоты, которые называются дырками, в результате чего образовываются электронно-дырочные пары. Под действием электрического поля, образовавшегося при p-n-переходе, данные пары могут передвигаться по полупроводнику. В результате этого движения и генерируется электрический ток, который может сразу же подаваться на приемники либо аккумулироваться.

Существует два способа подключения солнечных батарей (рис. 4): параллельное и последовательное. У каждого из этих способов есть свои преимущества и недостатки. При подключении солнечных элементов параллельно увеличивается сила тока, но при этом, в силу разной освещенности, наиболее эффективно будет работать та из батарей, которая лучше освещена. Подключение же последовательным способом увеличивает напряжение солнечной батареи, но ток, выходящий из такой батареи, эквивалентен самому низкому току элемента. Таким образом, наиболее эффективным подключением будет совместное применение двух способов.

Энергию, которую получают в процессе работы солнечных батарей, можно использовать в обеспечении ресурсами населения либо в производстве. Например, в такой сфере, как нефтедобыча, некоторые страны переходят на использование солнечных технологий: в Омане собираются использовать третичный метод добычи нефти в комплексе с солнечной энергетикой, суммарное повышение эффективности месторождения ожидается 40–60 % [4].

Но, пожалуй, самым перспективным можно считать применение солнечной энергии в сельском хозяйстве [5, 6]. Сельскохозяйственные объекты зачастую удалены от центральных энергетических сетей, и подключение их к этим сетям экономически невыгодно. Для обеспечения таких потребителей применяются дизельные или газовые установки и станции. Но данной способ обеспечения потребителей энергией имеет недостатки:

• из-за некачественных сельских дорог потребители имеют перебои с поставкой топлива для генераторов;
• шум от этих источников энергии негативно влияет на животных и птиц, использующихся в сельском хозяйстве;
• во время доставки и использования топлива возможен его розлив, который отрицательно воздействует на почву и водоемы;
• при использовании генераторов необходимо постоянное обслуживание и ремонт, который не всегда можно осуществить.

Именно поэтому альтернативой для отдаленных хозяйств может служить солнечная энергия. Применение ФЭП наиболее выгодно для удаленных и труднодоступных поселений, подсоединение которых к центральным сетям затруднительно. Электроэнергия, полученная таким образом, может применяться как для жизнеобеспечения людей, проживающих в данной местности, так и для непосредственного использования в сельском хозяйстве. Например, фотоэлектричество может применяться: для внутреннего и внешнего освещения, открытия и закрытия ворот, орошения (рис. 5), опреснения и очистки воды, автоматического включения кормушек и других необходимых технологических процессов [7, 8].

Фотоэлектрические насосы являются хорошей заменой ручных и механических насосов, применяющихся для орошения полей и запасания воды в резервуарах, такие насосы хорошо применимы для отдаленных пастбищ, а также мест выгула скота. Излишки воды могут применяться в домашнем быту или в системе отопления. Использование СЭ в сельском хозяйстве является наиболее перспективным направлением, ведь полученная таким образом энергия наиболее экологична и имеет наименьшие финансовые показатели по текущим затратам, что снизит себестоимость сельскохозяйственной продукции [9, 10].

В России имеется опыт использования таких технологий в Челябинской области [7]. Несмотря на то что Челябинская область находится не в самых благоприятных условиях для земледелия, сельское хозяйство в этой области занимает довольно прочные позиции в экономике региона. Для развития животноводческого и растениеводческого сектора необходимо увеличение потребления энергии, как тепловой, так и электрической. Для доказательства уместного применения солнечной энергии в сельскохозяйственном секторе Челябинской области был рассчитан потенциал солнечной энергии для Чебаркульского муниципального района. Основными составляющими сельскохозяйственного комплекса являются: крестьянские и личные подсобные хозяйства, а также сельскохозяйственные предприятия. Большая часть солнечной энергии Чебаркульского района приходится на весенне-осенний период: с ноября по март объем получаемой солнечной радиации по отношению к общегодовой сумме составляет 20 %, с апреля по октябрь – 80 % (рис. 6).

Потенциал солнечной энергии при использовании солнечных батарей для получения электроэнергии будет равен 0,11 млн тонн условного топлива. Для получения 1 МВт мощности требуется установка 5263 солнечных модулей типа ФСМ-190. Для размещения этого комплекса необходима площадь 6684 м². Зачастую эти элементы устанавливают на крышах зданий и строений, а значит, не придется использовать свободные земляные площади. На территории района множество туристических баз, санаториев и отдельно стоящих зданий – именно они наиболее пригодны для установки солнечных модулей. Таким образом, применение солнечных батарей для выработки электроэнергии в этом регионе можно считать рациональным.

Выводы

В настоящее время стали довольно широко использоваться фотоэлектрические преобразователи. Наблюдается увеличение мощности наземных элементов от 1 Вт до сотен киловатт, а космических – до 10 кВт и более. В наши дни реализуются проекты использования солнечных элементов мощностью в сотни и даже тысячи киловатт, также наметилась тенденция увеличения КПД солнечных батарей при уменьшении их стоимости. Использование фотоэлектрического способа (СФЭС) имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами преобразования солнечной энергии в электрическую, а именно: постепенное увеличение мощности солнечных батарей путем добавления новых, извлечение электроэнергии даже из рассеянного источника света. Также СФЭС обладает высокой надежностью, пригодностью к ремонту, простотой в обслуживании, долгим сроком службы (более 30 лет), способностью удовлетворения как малых потребителей (личных подсобных хозяйств, малых фермерских угодий, освещения улиц, освещения частных домов), так и более крупных (сельскохозяйственные предприятия, многоквартирные дома). Таким образом, перспективы использования энергии солнца широки, и она постепенно должна стать заменой традиционных источников энергии.

Список использованной литературы

1. Сибикин Ю. Д., Сибикин М. Ю. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: учеб. пособие. – М.: КНОРУС, 2010. – 232 с
2. Конференция по изменению климата в Париже 2015 года [Электронный ресурс]. – URL: http://www.un.org/sustainabledevelopment/ru/cop21.
3. Carnevale E., Lombardi L., Zanchi L. Life Cycle Assessment of solar energy systems: Comparison of photovoltaic and water thermal heater at domestic scale // Energy. – 2014. – Vol. 77. – P. 434–446.
4. Construction of an Enclosed Trough EOR System in South Oman / B. Bierman, J. O’Donnell, R. Burke, M. McCormick, W. Lindsay // Energy Procedia. – 2014. – Vol. 49. – P. 1756–1765.
5. Advanced applications of solar energy in agricultural greenhouses / R. Hassanien, E. Hassanien, M. Li, W. Dong Lin // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2016. – Vol. 54 – P. 989–1001.
6. Назмеев Ю. Г., Нигматуллин Р. М., Шамсутдинов Э. В. Способы и направления использования энергии солнца в агропромышленном комплексе России // Труды Академэнерго. – 2006. – № 4. – С. 97–114.
7. Кирпичникова И. М., Малюгина А. А., Малюгин С. А. Использование солнечной энергии в сельском хозяйстве // Электротехнические комплексы и системы управления. – 2015. – № 2. – С. 76–80.
8. Никитин А. В. Использование энергии солнца и ветра в сельском хозяйстве // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. – 2015. – № 86. – С. 191–200.
9. Возмилов А. Г., Малюгин С. А., Малюгина А. А. Повышение эффективности солнечной энергии в автономных системах энергоснабжения сельского хозяйства // АПК России. – 2014. – Т. 69. – С. 10–13.
10. Шерьязов С. К., Пташкина-Гирина О. С. Особенности использования возобновляемой энергии в сельском хозяйстве // АПК России. – 2013. – Т. 66. – С. 95–101.