РЕФЕРАТ
на тему:
"Сонячна енергетика".
Зміст:
1. Введення.
2. Концепція Z.
2.1. Водень - паливо XXI століття.
2.2. Сонячно-воднева енергетика.
2.3. Фотокаталіз і фотосенсибілізація.
2.4. Біофотоліз води.
2.5. Штучні фотокаталітичні системи розкладання води.
3. Основні принципи роботи сонячних батарей.
4. Конструкції та матеріали сонячних елементів.
5. Сонячне теплопостачання.
5.1. Оцінка сонячного теплопостачання в Росії.
5.2. Розробка та впровадження першої в районі Сочі сонячно-паливної котельні.
6. Перспективи розвитку фотоелектричних технологій (виробництво сонячних елементів).
7. Висновки.
Список літератури.
1. ВСТУП.
Одним з основних факторів, що визначають рівень розвитку суспільства, є його енергоозброєність, причому потреби людства в енергії подвоюються кожні 10-15 років. Споживання енергії за історію розвитку людства (у розрахунку на одну людину) зросла більш ніж у 100 разів. Так, наприклад, трикратне збільшення населення США в XX столітті супроводжувалося десятикратним збільшенням споживання енергії.
Сучасна енергетика є паливної і більш ніж на 90% базується на використанні хімічних палив на основі природних горючих копалин: нафти, газу, вугілля (і продуктів їх переробки), запаси яких на планеті обмежені і будуть в кінці кінців виснажені. Це визначає, з одного боку, необхідність енергозбереження та розробку високоефективних методів видобутку та переробки всіх доступних викопних палив, а з іншого - пошук нових джерел енергії та отримання на їх основі синтетичних палив. Мова йде про синтез з витратою енергії речовин, які можна було б використовувати в якості зручного для споживання штучного палива. Більш того, всезростаючі проблеми людства, пов'язані із захистом навколишнього середовища від хімічного, радіаційного та теплового забруднення, визначають жорсткість вимог до екологічної чистоти енергодобивающіх процесів.
2.1. ВОДЕНЬ - ПАЛИВО XXI СТОЛІТТЯ.
На думку деяких фахівців, одним з найбільш перспективних видів синтетичних палив енергетики XXI століття є молекулярний водень. Серед його переваг можна виділити:
1) високу енергоємність; в розрахунку на одиницю маси водень перевершує всі природні палива: природний газ в 2,6 рази, нафту в 3,3 рази, целюлозу у 8, З рази;
2) хіміко-екологічну чистоту; єдиним продуктом його окислення в будь-яких режимах (при горінні або електрохімічному окисленні) є вода (окис азоту, що є побічним продуктом згоряння водню в повітрі, утворюється в незначних кількостях);
3) практично невичерпні запаси дешевої сировини - води, що містить більше 10% (за масою) водню;
4) можливість використання паливних елементів, реакції окислення водню і відновлення кисню повітря з утворенням води в яких протікають на електродах і призводять до генерації електричного струму, дозволяють ефективно доставляти і перетворювати енергію в зручний для споживання електричний вид. Важливо, що ККД сучасних паливних елементів істотно більше ККД будь-яких енергетичних систем, заснованих на спалюванні палива, і сягає нині -80%, тоді як ККД дизельних двигунів <30%.
Крім того, водень - не тільки високоефективне паливо, але і цінну сировину для хімічної промисловості.
Перешкодою до практичного використання водню як синтетичного палива є його висока вартість. До того ж зберігання і використання такого палива у великих кількостях зв'язані з деякими труднощами. Так, при використанні водню як палива в автомобільних двигунах його маса складе менше 1% маси балона, в якому він знаходиться. Однак ці проблеми не носять принципового характеру. Замість водню, що зберігається в газових балонах, передбачається, наприклад, використовувати хімічно пов'язаний сплавами деяких металів водень. Так, лантан-нікелеві і залізо-титанові сплави можуть оборотно пов'язувати 100 обсягів водню на 1 обсяг сплаву.
2.2. Сонячно-Воднева енергетика
Незважаючи на всі переваги водню як синтетичного палива, принциповим залишається питання про джерело енергії для одержання водню з води. В основному розглядаються три альтернативні джерела: термоядерна, атомна і сонячна енергія. Проте можливості широкого використання внутрішньої (термоядерної і атомної) енергії нерозривно пов'язані з проблемою теплового забруднення середовища - порушення теплового балансу і підвищення температури Землі. На цю проблему вперше зазначив академік М.М. Семенов. Відповідно до його оцінок, перегрів Землі на 3-4 ° С може призвести до глобального негативної зміни клімату. При сучасних темпах розвитку енергетики на основі внутрішніх джерел тепла зміна клімату Землі може наступити вже в найближчі 30-50 років. Це визначає принципове обмеження подальшого розвитку енергетики на основі внутрішніх джерел енергії і стимулює пошук нових джерел, які не викликають порушення теплового балансу Землі. З цієї точки зору сонячна енергія є одним з найбільш екологічно чистих джерел енергії. У зв'язку з цим виникає питання: чи здатна енергетика, заснована на використанні сонячного випромінювання у сфері Якості первинного джерела енергії, забезпечити енергетичні потреби людства?
Річне споживання енергії людством за рахунок усіх джерел енергії в даний час складає -1017 ккал. Порівняння цієї величини з потоком поглинається Землею сонячної енергії (~ 8 • 1020 ккал / рік), використання якої не перевищує 2 • 10-3% (схема 1), показує, що резерви сонячної енергії значно перевищують не тільки сучасні, але й майбутні енергетичні потреби людства.
У зв'язку з великими резервами і екологічною чистотою в останні роки все більш популярною стає концепція сонячно-водневої енергетики, заснованої на перетворенні сонячної енергії в хімічну в результаті розкладу води і поєднує в собі всі достоїнства водню в якості палива і сонячної енергії як первинне джерело. Схема така ідеальна сонячно-водневої енергетики, що включає фоторазложеніе води з подальшим транспортом і перетворенням водневого палива в зручну для споживання електричну форму енергії, представлена на схемі 2.
Слід зазначити, що в порівнянні з прямим перетворенням сонячної енергії в електричну на основі напівпровідникових сонячних батарей проміжне акумулювання сонячної енергії в паливній формі водню в рамках сонячно-водневої енергетики успішно вирішує проблему добової і сезонної залежності потоку сонячної енергії.
В даний час запропоновано декілька основних шляхів для розкладання води під дією сонячного випромінювання. Деякі з них є непрямими. Наприклад, термохімічні методи, засновані на використанні тепла, отриманого за рахунок сонячної енергії, або електроліз води за рахунок електроенергії від напівпровідникових сонячних батарей або теплових електростанцій. Проте дослідження природного процесу конверсії сонячної енергії в хімічну (фотосинтезу) показує принципову можливість прямого фотохімічного розкладу води сонячним світлом. У зв'язку з цим в останні роки дуже інтенсивно розвиваються фотохімічні методи отримання водню з води, засновані або на штучних фотохімічних системах, або на застосуванні біологічних систем (рослин, мікроскопічних водоростей, фототропних бактерій), фотосинтетичний апарат яких може бути використаний для виділення водню - біофотоліз води.
З повсякденного досвіду відомо, що чиста вода в будь-якому агрегатному стані абсолютно прозора для падаючого на поверхню Землі сонячного світла, основна частина якого припадає на область видимого та ближнього інфрачервоного випромінювання (0,3-1,0 мкм). Помітне поглинання електромагнітного випромінювання водою, здатного призвести до її фоторазложенію, починається лише з довжин хвиль коротше 0,2 мкм, практично відсутніх у спектрі сонячного випромінювання, що досягає поверхні Землі. Це означає, що процеси прямого фотолізу води за участю її електронно-збуджених станів не можуть бути використані для конверсії сонячної енергії в хімічну. Таким чином, як і в природному фотосинтезі, ефективне фотохімічне розкладання води сонячним світлом можливо тільки на основі фотокаталітичних процесів.
2.3. Фотокаталіз і Фотосенсибілізація
Специфічною особливістю фотокаталітичних процесів у порівнянні зі звичайним "темнової" каталізом є, з одного боку, чутливість хімічної системи до дії світла і, з іншого - можливість здійснення каталітичних реакцій перетворення субстрату в продукт з позитивною зміною вільної енергії системи AG> 0. У зв'язку з цим при розробці штучних фотокаталітичних систем розкладання води сонячним світлом використовують явища фотосенсибілізації і фотокаталізу. Фотосенсибілізація - це зміна спектральної області чутливості хімічних сполук, що відбувається внаслідок процесів перенесення енергії або електрона від речовин, званих сенсибілізаторами, які поглинають світло іншої спектральної області (зазвичай більш довгохвильовій). Фотокаталіз - це явище індукування хімічних перетворень при дії світла-на системи, що містять хімічні сполуки-учасники реакції і речовини, звані фотокаталізатором, які індукують при поглинанні світла хімічні перетворення учасників реакції, багаторазово вступаючи з ними в хімічні взаємодії та регенерують свій склад після кожного циклу проміжних взаємодій.
Слід зазначити, що в чистому вигляді явище як фотокаталізу, так і фотосенсибілізації зустрічається рідко. У більшості фотокаталітичних процесів одні й ті ж речовини виконують функцію і фотосенсибілізатора і фотокаталізатора. Так, наприклад, в фотокаталітичний процесі природного рослинного фотосинтезу, який приводить в загальному вигляді до відновлення вуглекислого газу до органічних сполук і окислювання води:
хлорофіл (ХЛ) виступає і фотосенсибілізатором і фотокаталізатором. Більше 90% хлорофілу рослинної клітини входить до складу хлорофіл-білкових комплексів, що виконують функцію фотосенсибілізатора (S) і забезпечують ефективне поглинання сонячного випромінювання в результаті їх електронного збудження (S-»-S *). Такі комплекси відіграють роль своєрідної антени для уловлювання сонячного світла, що характеризується відносно низькою щільністю потоку енергії на одиницю поверхні (середня інтенсивність падаючого на поверхню Землі світла в південних районах Росії становить -2,2 • 10 -2 ккал / (см 2 • с)) . Енергія електронного збудження антенних комплексів з ефективністю, близькою до 100%, передається димеру Р хлорофілу (S * + Р-Р *), що входить до складу реакційного центру і виконує функцію фотокаталізатора сумарного процесу перенесення електронів від води до нікотину-мідаденіндінуклеотід фосфату (NADP +) :
Відновлена форма NADPH бере участь в подальших темнових біохімічних реакціях, що приводять до утворення органічних сполук з вуглекислого газу.
2.4. БІОФОТОЛІЗ ВОДИ
Основні фотокаталітичні процеси природного фотосинтезу рослин, що протікають в реакційному центрі й описувані так званої Z-схемою (схема 3) з двома фотосистемах ФС1 і ФС2, були детально розглянуті в [2]. У загальному вигляді реакційний центр кожної фотосистеми містить фотокаталізатори Р700 і Р680 на основі хлорофілу, первинні акцептори А1, А2 і донори D1, D2 електрона, ланцюг електронного транспорту (ЦЕТ), що сполучає дві фотосистеми, а також каталізатори освіти О2 і NADPH.
Первинні стадії фотосинтезу можуть бути розглянуті як своєрідний двотактний електронний фотонасос, здійснює під дією двох квантів світла перенесення одного електрона від води до NADP +. Це визначає необхідність використання в сумарній реакції восьми квантів світла для отримання однієї молекули кисню з води. Така не найоптимальніша з точки зору енергетики восьміквантовая схема перетворення сонячної енергії в хімічну є результатом еволюційного розвитку процесу рослинного фотосинтезу, спочатку зародився як бактеріальний. У той же час природний фотосинтез характеризується унікальною квантової ефективністю первинних процесів переносу електрона між донорами та акцепторами в результаті швидких (~ 10-10 с) реакцій з участю фотокаталізаторів.
Це призводить як до ефективної регенерації фотокаталізатора, так і високого (> 90%) ККД поділу зарядів, що виникають на донорі і акцепторе електрона фотосистеми після поглинання кванта світла.
Виділення з рослинних клітин хлоропластів із збереженням їх фотосинтезуючих властивостей відкриває можливість використання унікального природного фотосинтетичного апарату для отримання водню з води - біофотоліза води. Завдання зводиться в першу чергу до організації в ФС1 каталітичного процесу відновлення не NADP +, а води. Відомо, що кінцевим акцептором електронів у ФС2 є залізо-сірчаний білок ферредоксін (Фд), відновлена форма якого в присутності спеціальних каталізаторів здатна виділяти водень із води. Розроблені до теперішнього часу модельні біохімічні системи фотолізу води на основі виділених з рослинних клітин хлоропластів (схема 4) містять два загальних елементи: електронно-ланцюг (ЦЕТ) фотосинтезу і каталізатор освіти водню, в якості якого можуть бути використані як біологічні (гидрогеназой), так і неорганічні (колоїдна Pt) каталізатори. У той же час в якості відновника води може виступати як безпосередньо ферредоксін, так і спеціально введений в систему проміжний переносник електрона М, здатний акцептувати електрони з електронно-транспортного ланцюга хлоропластів і надалі каталітично відновлювати воду (схема 4).
Двохстадійний процес розкладання води в останньому випадку дозволяє здійснити поділ водню і кисню, оскільки виділення газів відбувається на різних стадіях.
Енергетична ефективність перетворення сонячної енергії в хімічну для розроблених в даний час модельних систем біофотоліза води не перевищує 0,2%, тоді як теоретичне граничне значення становить -17%. Другий істотною проблемою є недостатня стабільність розроблених біосистем фотолізу води в часі (до 30 днів). Вирішення цих проблем дозволить перейти до створення практично прийнятних пристроїв конверсії сонячної енергії в хімічну на основі биокаталитических систем фотолізу води.
2.5. ШТУЧНІ Фотокаталітичний СИСТЕМИ РОЗКЛАДУ ВОДИ
Створений природою в ході еволюції унікальний восьміквантовий фотосинтетичний апарат, що включає дві фотосистеми, об'єднані складною багатоступеневою електрон-транспортної ланцюгом, забезпечує не тільки окислення води та відновлення NADP +, але і синтез енергоємних сполук аденозинтрифосфату з аденозінді-фосфату і неорганічного фосфату, які в подальшому виконують роль універсального джерела енергії в клітині, забезпечуючи протікання більшості біохімічних процесів [1-3]. У зв'язку з цим привабливим є створення штучних фотокаталітичних систем, що виконують вузькоспеціалізовану функцію фоторазложеніе води. При цьому немає необхідності моделювати весь складний механізм фотосинтезу, а слід використовувати тільки основні принципи фотохімічного перетворення сонячної енергії в хімічну.
Оскільки виділення однієї Молекули кисню вимагає розкладання двох молекул води, енергетичні витрати на проведення одного каталітичного циклу фоторазложенія води при кімнатній температурі не можуть бути менше 113,4 ккал / моль, що відповідає енергії квантів ультрафіолетового світла (До - 0,252 мкм), практично відсутніх у спектрі сонячного випромінювання (0,3-1,0 мкм), яка падає на поверхню Землі. Це означає, що з точки зору найбільш повного використання сонячного випромінювання, що досягає поверхні Землі, найбільш раціональною є чотирьох-квантова схема процесу розкладання води, при якому кожен квант світла використовується для перенесення одного електрона. У цьому випадку гранична довжина хвилі світла становить 1,008 мкм, що відповідає червоній межі сонячного випромінювання і як наслідок цього забезпечує максимальну ефективність перетворення сонячної енергії в хімічну. Таким чином, на відміну від природного фотосинтезу штучні фотокаталітичні системи розкладання води могли б працювати за принципом не двотактного (див. схему 3), а однотактного фотонасоса.
В даний час розробляються два типи штучних фотокаталітичних систем: напівпровідникова і молекулярна. У першому випадку як фотокаталізатора використовуються напівпровідникові матеріали на основі халькогенідів, фосфідів і арсенидів перехідних металів. Поглинання кванта світла призводить до перенесення електрона між енергетичними рівнями твердого тіла, званими зонами: заповненої зоною і зоною провідності. Утворені заряди - електрон (е ~) в зоні провідності і позитивно заряджена "дірка" (р +) у заповненій зоні - розтягуються в різні боки електричним полем, що існує на кордоні напівпровідник-розчин, і беруть участь в подальших каталітичних процесах відновлення та окислення води в присутності нанесених на поверхню напівпровідника каталізаторів Pt і RuO 2. Іммобілізація на поверхні напівпровідника різних органічних і неорганічних барвників, що виконують функцію фотосенсибілізатора S, дозволяє забезпечувати -10% ККД перетворення сонячної енергії в хімічну. Основна проблема для практичного застосування таких систем - запобігання фотокоррозіі напівпровідників і підвищення стабільності систем у часу. У молекулярних фотокаталітичних системах розкладання води в якості фотокаталізатора, донорів і акцепторів електрона, що беруть участь в реакціях, використовуються індивідуальні хімічні сполуки, що задовольняють деяким вимогам. Фотокаталізатори повинні забезпечувати інтенсивне поглинання сонячного випромінювання, мати високоенергетичні, довгоживучі порушені стану (ФК *), здатні брати участь у молекулярних реакціях переносу електрона, мати високої хімічної і фотохімічної стійкістю і ефективно регенерувати свою форму в результаті взаємодії з проміжними акцепторами або донорами. Поряд з фотохімічної та хімічної стійкістю основною вимогою до проміжних донорам і акцепторів електрона є їх здатність брати участь в оборотних каталітичних процесах виділення водню і кисню з води. на тему:
"Сонячна енергетика".
Зміст:
1. Введення.
2. Концепція Z.
2.1. Водень - паливо XXI століття.
2.2. Сонячно-воднева енергетика.
2.3. Фотокаталіз і фотосенсибілізація.
2.4. Біофотоліз води.
2.5. Штучні фотокаталітичні системи розкладання води.
3. Основні принципи роботи сонячних батарей.
4. Конструкції та матеріали сонячних елементів.
5. Сонячне теплопостачання.
5.1. Оцінка сонячного теплопостачання в Росії.
5.2. Розробка та впровадження першої в районі Сочі сонячно-паливної котельні.
6. Перспективи розвитку фотоелектричних технологій (виробництво сонячних елементів).
7. Висновки.
Список літератури.
1. ВСТУП.
Одним з основних факторів, що визначають рівень розвитку суспільства, є його енергоозброєність, причому потреби людства в енергії подвоюються кожні 10-15 років. Споживання енергії за історію розвитку людства (у розрахунку на одну людину) зросла більш ніж у 100 разів. Так, наприклад, трикратне збільшення населення США в XX столітті супроводжувалося десятикратним збільшенням споживання енергії.
Сучасна енергетика є паливної і більш ніж на 90% базується на використанні хімічних палив на основі природних горючих копалин: нафти, газу, вугілля (і продуктів їх переробки), запаси яких на планеті обмежені і будуть в кінці кінців виснажені. Це визначає, з одного боку, необхідність енергозбереження та розробку високоефективних методів видобутку та переробки всіх доступних викопних палив, а з іншого - пошук нових джерел енергії та отримання на їх основі синтетичних палив. Мова йде про синтез з витратою енергії речовин, які можна було б використовувати в якості зручного для споживання штучного палива. Більш того, всезростаючі проблеми людства, пов'язані із захистом навколишнього середовища від хімічного, радіаційного та теплового забруднення, визначають жорсткість вимог до екологічної чистоти енергодобивающіх процесів.
2.1. ВОДЕНЬ - ПАЛИВО XXI СТОЛІТТЯ.
На думку деяких фахівців, одним з найбільш перспективних видів синтетичних палив енергетики XXI століття є молекулярний водень. Серед його переваг можна виділити:
1) високу енергоємність; в розрахунку на одиницю маси водень перевершує всі природні палива: природний газ в 2,6 рази, нафту в 3,3 рази, целюлозу у 8, З рази;
2) хіміко-екологічну чистоту; єдиним продуктом його окислення в будь-яких режимах (при горінні або електрохімічному окисленні) є вода (окис азоту, що є побічним продуктом згоряння водню в повітрі, утворюється в незначних кількостях);
3) практично невичерпні запаси дешевої сировини - води, що містить більше 10% (за масою) водню;
4) можливість використання паливних елементів, реакції окислення водню і відновлення кисню повітря з утворенням води в яких протікають на електродах і призводять до генерації електричного струму, дозволяють ефективно доставляти і перетворювати енергію в зручний для споживання електричний вид. Важливо, що ККД сучасних паливних елементів істотно більше ККД будь-яких енергетичних систем, заснованих на спалюванні палива, і сягає нині -80%, тоді як ККД дизельних двигунів <30%.
Крім того, водень - не тільки високоефективне паливо, але і цінну сировину для хімічної промисловості.
Перешкодою до практичного використання водню як синтетичного палива є його висока вартість. До того ж зберігання і використання такого палива у великих кількостях зв'язані з деякими труднощами. Так, при використанні водню як палива в автомобільних двигунах його маса складе менше 1% маси балона, в якому він знаходиться. Однак ці проблеми не носять принципового характеру. Замість водню, що зберігається в газових балонах, передбачається, наприклад, використовувати хімічно пов'язаний сплавами деяких металів водень. Так, лантан-нікелеві і залізо-титанові сплави можуть оборотно пов'язувати 100 обсягів водню на 1 обсяг сплаву.
2.2. Сонячно-Воднева енергетика
Незважаючи на всі переваги водню як синтетичного палива, принциповим залишається питання про джерело енергії для одержання водню з води. В основному розглядаються три альтернативні джерела: термоядерна, атомна і сонячна енергія. Проте можливості широкого використання внутрішньої (термоядерної і атомної) енергії нерозривно пов'язані з проблемою теплового забруднення середовища - порушення теплового балансу і підвищення температури Землі. На цю проблему вперше зазначив академік М.М. Семенов. Відповідно до його оцінок, перегрів Землі на 3-4 ° С може призвести до глобального негативної зміни клімату. При сучасних темпах розвитку енергетики на основі внутрішніх джерел тепла зміна клімату Землі може наступити вже в найближчі 30-50 років. Це визначає принципове обмеження подальшого розвитку енергетики на основі внутрішніх джерел енергії і стимулює пошук нових джерел, які не викликають порушення теплового балансу Землі. З цієї точки зору сонячна енергія є одним з найбільш екологічно чистих джерел енергії. У зв'язку з цим виникає питання: чи здатна енергетика, заснована на використанні сонячного випромінювання у сфері Якості первинного джерела енергії, забезпечити енергетичні потреби людства?
Річне споживання енергії людством за рахунок усіх джерел енергії в даний час складає -1017 ккал. Порівняння цієї величини з потоком поглинається Землею сонячної енергії (~ 8 • 1020 ккал / рік), використання якої не перевищує 2 • 10-3% (схема 1), показує, що резерви сонячної енергії значно перевищують не тільки сучасні, але й майбутні енергетичні потреби людства.
У зв'язку з великими резервами і екологічною чистотою в останні роки все більш популярною стає концепція сонячно-водневої енергетики, заснованої на перетворенні сонячної енергії в хімічну в результаті розкладу води і поєднує в собі всі достоїнства водню в якості палива і сонячної енергії як первинне джерело. Схема така ідеальна сонячно-водневої енергетики, що включає фоторазложеніе води з подальшим транспортом і перетворенням водневого палива в зручну для споживання електричну форму енергії, представлена на схемі 2.
Слід зазначити, що в порівнянні з прямим перетворенням сонячної енергії в електричну на основі напівпровідникових сонячних батарей проміжне акумулювання сонячної енергії в паливній формі водню в рамках сонячно-водневої енергетики успішно вирішує проблему добової і сезонної залежності потоку сонячної енергії.
В даний час запропоновано декілька основних шляхів для розкладання води під дією сонячного випромінювання. Деякі з них є непрямими. Наприклад, термохімічні методи, засновані на використанні тепла, отриманого за рахунок сонячної енергії, або електроліз води за рахунок електроенергії від напівпровідникових сонячних батарей або теплових електростанцій. Проте дослідження природного процесу конверсії сонячної енергії в хімічну (фотосинтезу) показує принципову можливість прямого фотохімічного розкладу води сонячним світлом. У зв'язку з цим в останні роки дуже інтенсивно розвиваються фотохімічні методи отримання водню з води, засновані або на штучних фотохімічних системах, або на застосуванні біологічних систем (рослин, мікроскопічних водоростей, фототропних бактерій), фотосинтетичний апарат яких може бути використаний для виділення водню - біофотоліз води.
З повсякденного досвіду відомо, що чиста вода в будь-якому агрегатному стані абсолютно прозора для падаючого на поверхню Землі сонячного світла, основна частина якого припадає на область видимого та ближнього інфрачервоного випромінювання (0,3-1,0 мкм). Помітне поглинання електромагнітного випромінювання водою, здатного призвести до її фоторазложенію, починається лише з довжин хвиль коротше 0,2 мкм, практично відсутніх у спектрі сонячного випромінювання, що досягає поверхні Землі. Це означає, що процеси прямого фотолізу води за участю її електронно-збуджених станів не можуть бути використані для конверсії сонячної енергії в хімічну. Таким чином, як і в природному фотосинтезі, ефективне фотохімічне розкладання води сонячним світлом можливо тільки на основі фотокаталітичних процесів.
2.3. Фотокаталіз і Фотосенсибілізація
Специфічною особливістю фотокаталітичних процесів у порівнянні зі звичайним "темнової" каталізом є, з одного боку, чутливість хімічної системи до дії світла і, з іншого - можливість здійснення каталітичних реакцій перетворення субстрату в продукт з позитивною зміною вільної енергії системи AG> 0. У зв'язку з цим при розробці штучних фотокаталітичних систем розкладання води сонячним світлом використовують явища фотосенсибілізації і фотокаталізу. Фотосенсибілізація - це зміна спектральної області чутливості хімічних сполук, що відбувається внаслідок процесів перенесення енергії або електрона від речовин, званих сенсибілізаторами, які поглинають світло іншої спектральної області (зазвичай більш довгохвильовій). Фотокаталіз - це явище індукування хімічних перетворень при дії світла-на системи, що містять хімічні сполуки-учасники реакції і речовини, звані фотокаталізатором, які індукують при поглинанні світла хімічні перетворення учасників реакції, багаторазово вступаючи з ними в хімічні взаємодії та регенерують свій склад після кожного циклу проміжних взаємодій.
Слід зазначити, що в чистому вигляді явище як фотокаталізу, так і фотосенсибілізації зустрічається рідко. У більшості фотокаталітичних процесів одні й ті ж речовини виконують функцію і фотосенсибілізатора і фотокаталізатора. Так, наприклад, в фотокаталітичний процесі природного рослинного фотосинтезу, який приводить в загальному вигляді до відновлення вуглекислого газу до органічних сполук і окислювання води:
хлорофіл (ХЛ) виступає і фотосенсибілізатором і фотокаталізатором. Більше 90% хлорофілу рослинної клітини входить до складу хлорофіл-білкових комплексів, що виконують функцію фотосенсибілізатора (S) і забезпечують ефективне поглинання сонячного випромінювання в результаті їх електронного збудження (S-»-S *). Такі комплекси відіграють роль своєрідної антени для уловлювання сонячного світла, що характеризується відносно низькою щільністю потоку енергії на одиницю поверхні (середня інтенсивність падаючого на поверхню Землі світла в південних районах Росії становить -2,2 • 10 -2 ккал / (см 2 • с)) . Енергія електронного збудження антенних комплексів з ефективністю, близькою до 100%, передається димеру Р хлорофілу (S * + Р-Р *), що входить до складу реакційного центру і виконує функцію фотокаталізатора сумарного процесу перенесення електронів від води до нікотину-мідаденіндінуклеотід фосфату (NADP +) :
Відновлена форма NADPH бере участь в подальших темнових біохімічних реакціях, що приводять до утворення органічних сполук з вуглекислого газу.
2.4. БІОФОТОЛІЗ ВОДИ
Основні фотокаталітичні процеси природного фотосинтезу рослин, що протікають в реакційному центрі й описувані так званої Z-схемою (схема 3) з двома фотосистемах ФС1 і ФС2, були детально розглянуті в [2]. У загальному вигляді реакційний центр кожної фотосистеми містить фотокаталізатори Р700 і Р680 на основі хлорофілу, первинні акцептори А1, А2 і донори D1, D2 електрона, ланцюг електронного транспорту (ЦЕТ), що сполучає дві фотосистеми, а також каталізатори освіти О2 і NADPH.
Первинні стадії фотосинтезу можуть бути розглянуті як своєрідний двотактний електронний фотонасос, здійснює під дією двох квантів світла перенесення одного електрона від води до NADP +. Це визначає необхідність використання в сумарній реакції восьми квантів світла для отримання однієї молекули кисню з води. Така не найоптимальніша з точки зору енергетики восьміквантовая схема перетворення сонячної енергії в хімічну є результатом еволюційного розвитку процесу рослинного фотосинтезу, спочатку зародився як бактеріальний. У той же час природний фотосинтез характеризується унікальною квантової ефективністю первинних процесів переносу електрона між донорами та акцепторами в результаті швидких (~ 10-10 с) реакцій з участю фотокаталізаторів.
Це призводить як до ефективної регенерації фотокаталізатора, так і високого (> 90%) ККД поділу зарядів, що виникають на донорі і акцепторе електрона фотосистеми після поглинання кванта світла.
Виділення з рослинних клітин хлоропластів із збереженням їх фотосинтезуючих властивостей відкриває можливість використання унікального природного фотосинтетичного апарату для отримання водню з води - біофотоліза води. Завдання зводиться в першу чергу до організації в ФС1 каталітичного процесу відновлення не NADP +, а води. Відомо, що кінцевим акцептором електронів у ФС2 є залізо-сірчаний білок ферредоксін (Фд), відновлена форма якого в присутності спеціальних каталізаторів здатна виділяти водень із води. Розроблені до теперішнього часу модельні біохімічні системи фотолізу води на основі виділених з рослинних клітин хлоропластів (схема 4) містять два загальних елементи: електронно-ланцюг (ЦЕТ) фотосинтезу і каталізатор освіти водню, в якості якого можуть бути використані як біологічні (гидрогеназой), так і неорганічні (колоїдна Pt) каталізатори. У той же час в якості відновника води може виступати як безпосередньо ферредоксін, так і спеціально введений в систему проміжний переносник електрона М, здатний акцептувати електрони з електронно-транспортного ланцюга хлоропластів і надалі каталітично відновлювати воду (схема 4).
Двохстадійний процес розкладання води в останньому випадку дозволяє здійснити поділ водню і кисню, оскільки виділення газів відбувається на різних стадіях.
Енергетична ефективність перетворення сонячної енергії в хімічну для розроблених в даний час модельних систем біофотоліза води не перевищує 0,2%, тоді як теоретичне граничне значення становить -17%. Другий істотною проблемою є недостатня стабільність розроблених біосистем фотолізу води в часі (до 30 днів). Вирішення цих проблем дозволить перейти до створення практично прийнятних пристроїв конверсії сонячної енергії в хімічну на основі биокаталитических систем фотолізу води.
2.5. ШТУЧНІ Фотокаталітичний СИСТЕМИ РОЗКЛАДУ ВОДИ
Створений природою в ході еволюції унікальний восьміквантовий фотосинтетичний апарат, що включає дві фотосистеми, об'єднані складною багатоступеневою електрон-транспортної ланцюгом, забезпечує не тільки окислення води та відновлення NADP +, але і синтез енергоємних сполук аденозинтрифосфату з аденозінді-фосфату і неорганічного фосфату, які в подальшому виконують роль універсального джерела енергії в клітині, забезпечуючи протікання більшості біохімічних процесів [1-3]. У зв'язку з цим привабливим є створення штучних фотокаталітичних систем, що виконують вузькоспеціалізовану функцію фоторазложеніе води. При цьому немає необхідності моделювати весь складний механізм фотосинтезу, а слід використовувати тільки основні принципи фотохімічного перетворення сонячної енергії в хімічну.
Оскільки виділення однієї Молекули кисню вимагає розкладання двох молекул води, енергетичні витрати на проведення одного каталітичного циклу фоторазложенія води при кімнатній температурі не можуть бути менше 113,4 ккал / моль, що відповідає енергії квантів ультрафіолетового світла (До - 0,252 мкм), практично відсутніх у спектрі сонячного випромінювання (0,3-1,0 мкм), яка падає на поверхню Землі. Це означає, що з точки зору найбільш повного використання сонячного випромінювання, що досягає поверхні Землі, найбільш раціональною є чотирьох-квантова схема процесу розкладання води, при якому кожен квант світла використовується для перенесення одного електрона. У цьому випадку гранична довжина хвилі світла становить 1,008 мкм, що відповідає червоній межі сонячного випромінювання і як наслідок цього забезпечує максимальну ефективність перетворення сонячної енергії в хімічну. Таким чином, на відміну від природного фотосинтезу штучні фотокаталітичні системи розкладання води могли б працювати за принципом не двотактного (див. схему 3), а однотактного фотонасоса.
В даний час показана можливість використання в якості компонентів молекулярних фотокаталітичних систем досить великого кола хімічних сполук різної природи. Так, в якості фотокаталізаторів запропоновані системи на основі органічних барвників, сполук перехідних металів, порфіринів, фталоцианинов і їх металокомплексів.
Основний прогрес, досягнутий в розробці молекулярних фотокаталітичних систем розкладання води, пов'язаний зі створенням так званих жертовних систем, моделюючих фотосистеми рослинного фотосинтезу і здійснюють виділення або водню, або кисню з води з одночасним необоротним витрачанням жертви - спеціально доданого донора або акцептора електрона. Прикладом такої жертовної системи фотокаталітичного відновлення води є система, яка містить трісбіпірідільние комплекси рутенію і родію [Ru (bpy) 3] 2 +, [Rh (bpy) 3] 3 + в якості фотокаталізатора і проміжного акцептора електрона. Фотозбудження такої системи призводить до фотостимульованої переносу електрона:
і подальшому каталітичного виділення водню з води на платиновому каталізаторі:
Як необоротно витрачається жертви, що забезпечує регенерацію фотокаталізатора, використовується триетаноламін.
Здійснити замкнутий, що не вимагає введення додатково витрачаються речовин цикл фоторазложенія води сонячним світлом у молекулярних фотокаталітичних системах поки що не вдається. Основним завданням є розробка методів запобігання реакції рекомбінації первинних продуктів фоторазделенія зарядів, яка протікає набагато швидше, ніж складні каталітичні реакції окислення і відновлення води. Передбачається, що таке завдання може бути вирішена при переході до молекулярно-організованим системам, що дозволяє (за аналогією з природним фотосинтезом) отримувати просторово розділені продукти фоторазделенія зарядів. Дослідження в цьому напрямку інтенсивно розвиваються останнім часом.
3. ОСНОВНІ ПРИНЦИПИ РОБОТИ СОНЯЧНИХ БАТАРЕЙ
Найпростіша конструкція сонячного елемента (СЕ) - приладу для перетворення енергії сонячного випромінювання - на основі монокристалічного кремнію. На малій глибині від поверхні кремнієвої пластини р-типу сформований р-п-перехід з тонким металевим контактом. На тильну сторону пластини нанесений суцільний металевий контакт.
Коли СЕ висвітлюється, поглинені фотони генерують нерівноважні електрон-діркові пари. Електрони, що генеруються в р-шарі поблизу р-n-переходу, підходять до pn-переходу і існуючим в ньому електричним полем виносяться в n-область. Аналогічно і надлишкові дірки, створені в n-шарі, частково переносяться в р-шар (рис. 2 а). У результаті n-шар набуває додатковий негативний заряд, а р-шар - позитивний. Знижується первісна контактна різниця потенціалів між р-і n-шарами напівпровідника, і в зовнішньому ланцюзі з'являється напруга (рис. 2 6). Негативного полюса джерела струму відповідає n-шар, а р-шар - позитивному.
Величина усталеної фотоЕРС при висвітленні переходу випромінюванням постійної інтенсивності описується рівнянням вольт-амперної характеристики (ВАХ):
де I s - струм насичення, a I ph фототoк.
ВАХ пояснює еквівалентна схема фотоелемента (рис. 4), що включає джерело струму / ph = SqN0Q, де S - площа фотоелемента, а коефіцієнт збирання Q-безрозмірний множник (<1), що показує, яка частка всіх створених світлом електронно-діркових пар (5 %) збирається р-n-переходом. Паралельно джерела струму включений р-n-перехід, струм через який дорівнює I s [e4u/kT-1]. р-n-Перехід шунтує навантаження, і при збільшенні напруги струм через нього швидко зростає. У навантаження (опір R) відбирається струм /.
Рівняння ВАХ справедливо і при висвітленні фотоелемента світлом довільного спектрального складу, змінюється лише значення фотоструму I р h. Максимальна потужність відбирається в тому випадку, коли фотоелемент знаходиться в режимі, відзначеному точкою а.
Максимальна потужність, що знімається з 1 см 2, дорівнює
де Ј - коефіцієнт форми або коефіцієнт заповнення вольт амперної характеристики, I КЗ - струм короткого замикання, Uxx - напруга холостого ходу.
4. КОНСТРУКЦІЇ І МАТЕРІАЛИ СОНЯЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ
Для ефективної роботи сонячних елементів необхідно дотримання ряду умов:
• оптичний коефіцієнт поглинання (а) активного шару напівпровідника повинен бути достатньо великим, щоб забезпечити поглинання значної частини енергії сонячного світла в межах товщини шару;
• генеруються при висвітленні електрони і дірки мають ефективно збиратися на контактних електродах з обох сторін активного шару;
• сонячний елемент повинен володіти значною висотою бар'єру в напівпровідниковому переході;
• повний опір, включене послідовно з сонячним елементом (виключаючи опір навантаження), повинно бути малим для того, щоб зменшити втрати потужності (джоулево тепло) в процесі роботи;
• структура тонкої плівки повинна бути однорідною по всій активній області сонячного елемента, щоб виключити закорачивание і вплив шунтуючих опорів на характеристики елемента.
Виробництво структур на основі монокристалічного кремнію, що задовольняють даним вимогам, - процес технологічно складний і дорогий. Тому увага була звернена на такі матеріали, як сплави на основі аморфного кремнію (a-Si: H), арсенід галію і полікристалічні напівпровідники [4].
Аморфний кремній виступив як дешевшу альтернативу монокристаллическом. Перші СЕ на його основі були створені в 1975 році. Оптичне поглинання аморфного кремнію в 20 разів вище, ніж кристалічного. Тому для істотного поглинання видимого світла достатньо плівки a-Si: H товщиною 0,5-1,0 мкм замість дорогих кремнієвих 300-мкм підкладок. Крім того, завдяки існуючим технологіям одержання тонких плівок аморфного кремнію великої площі не потрібно операції різання, шліфування й полірування, необхідних для СЕ на основі монокристалічного кремнію. У порівнянні з полікристалічними кремнієвими елементами вироби на основі a-Si: H виробляють при більш низьких температурах (300 ° С): можна використовувати дешеві скляні підкладки, що скоротить витрати кремнію в 20 разів.
Поки що максимальний ККД експериментальних елементів на основі a-Si: H - 12% - трохи нижче ККД кристалічних кремнієвих СЕ (-15%). Однак не виключено, що з розвитком технології ККД елементів на основі a-Si: H досягне теоретичного стелі -16%.
Найбільш прості конструкції СЕ з a-Si: H були створені на основі структури метал - напівпровідник (діод Шотки) (рис. 5).
Незважаючи на видиму простоту, їх реалізація досить проблематична - металевий електрод повинен бути прозорим і рівномірним по товщині, а всі стани на межі метал / a-SiiH - стабільними в часі. Найчастіше сонячні елементи на основі a-Si: H формують на стрічці з нержавіючої сталі або на скляних підкладках, покритих проводять шаром. При використанні скляних підкладок на них наносять прозору для світла провідну оксидну плівку (ТСО) з Sn0 2, In 2 0 3 або Sn0 2 + ln 2 0 3 (ITO), що дозволяє висвітлювати елемент через скло. Оскільки у нелегованого шару електронна провідність виражена слабо, бар'єр Шотки створюється за рахунок осадження металевих плівок з високою роботою виходу (Rt, Rh, Pd), яка зумовлює утворення області позитивного об'ємного заряду (збідненого шару) в a-Si: H.
При нанесенні аморфного кремнію на металеву підкладку утворюється небажаний потенційний бар'єр а-Si: H / металеві-чна підкладка, висоту якого необхідно зменшувати. Для цього використовують підкладки з металів з малою роботою виходу (Мо, Ni, Nb). Перед нанесенням аморфного кремнію бажано осадити на металевій підкладці тонкий шар (10-30 нм) a-Si: H, легований фосфором. Не рекомендується використовувати в якості матеріалів електродів легко диффундирующие в аморфний кремній метали (наприклад, Аі і AI), а також Сu і Аg, оскільки a-Si: H володіє поганою адгезією до них. Відзначимо, що U xx сонячних елементів з бар'єром Шотки на основі a-Si: H зазвичай не перевищує 0,6 В.
Більш високою ефективністю володіють СЕ на основі аморфного кремнію з р-in-структурою (рис.6). У цьому "заслуга" рис. 6 широкої нелегованої i-області a-Si: H, що поглинає істотну частку світла. Але виникає проблема - дифузійна довжина дірок в a-Si: H дуже мала (-100 нм), тому в сонячних елементах на основі a-Si: H носії заряду досягають електродів в основному тільки завдяки внутрішньому електричному полю, тобто за рахунок дрейфу носіїв заряду. У СЕ на основі кристалічних напівпровідників носії заряду, маючи велику дифузійну дли ну (100 - 200 мкм), досягають електродів і відсутність електричного поля. Оскільки в простому pn-переході в a-Si: H область сильного електричного поля дуже вузька і дифузійна довжина носіїв заряду мала, в більшій частині СЕ не відбувається ефективного розподілу носіїв заряду, що генеруються при поглинанні світла. Отже, для отримання ефективних СЕ на основі р-in-сруктур аморфного ги-дрогенізірованного кремнію необхідно домогтися у всій А області однорідного потужного внутрішнього електричного поля, достатнього для досягнення довжини дрейфу носіїв, порівнянного з розмірами області поглинання (див. рис. 6).
Дане завдання вирішується, якщо при виготовленні р-in-структури першими формувати р-шар (рис.7). Для його створення необхідно невелику кількість бору (<10 18 см 3), а значить, істотного забруднення нелегованого шару не відбувається.
У той же час, якщо першим осаджувати n-шар, то наявність залишкового фосфору змінює властивості i-шару. Формування p-шару на поверхні прозорого проводить електрода забезпечує з ним хороший електричний контакт. Проте товщина р-шару повинна бути мала (10 нм), щоб основна частина світла поглиналася в i-області.
Використовується й інша р-in-структура СЕ на основі a-Si: H з підкладкою з металевої фольги, зокрема з нержавіючої сталі. Світло потрапляє з боку прозорого електрода, що контактує з n-областю. У результаті зростає щільність струму короткого замикання завдяки здатності, що відображає металевої підкладки і меншому оптичному поглинанню світла легованими фосфором плівками a-Si: H (n-область) в порівнянні з легованими бором р-шарами.
Проблема із застосуванням розглянутих р-in-елементів в тому, що їх можна оптимізувати тільки в одному вимірі. Значно більше можливостей в цьому плані надає СЕ з поперечним переходом: на ізолюючої підкладці перпендикулярно до поверхні формується р-in-структура a-Si: H (рис. 8). Такий СЕ не вимагає прозорого проводить оксиду в якості контакту і широкозонного р-шару для створення прозорого віконного шару, його можна виготовити за допомогою стандартних технологій мікроелектроніки.
Один з найбільш перспективних матеріалів для створення високоефективних сонячних батарей - арсенід галію.
Це пояснюється таким його особливостями, як:
• майже ідеальна для одноперехідні сонячних елементів ширина забороненої зони 1,43 еВ;
підвищена здатність до поглинання сонячного випромінювання:
потрібно шар товщиною всього в декілька мікрон;
• висока радіаційна стійкість, що спільно з високою ефективністю робить цей матеріал надзвичайно привабливим для використання в космічних апаратах;
• відносна нечутливість до нагрівання батарей на основі
GaAs;
• характеристики сплавів GaAs з алюмінієм, миш'яком, фосфором або індієм доповнюють характеристики GaAs, що розширює можливості при проектуванні СЕ.
Головне достоїнство арсеніду галію і сплавів на його основі-широкий діапазон можливостей для дизайну СЕ. Фотоелемент на основі GaAs може складатися з декількох шарів різного складу. Це дозволяє розробнику з великою точністю управляти генерацією носіїв заряду, що в кремнієвих СЕ обмежено допустимим рівнем легування. Типовий СЕ на основі GaAs складається з дуже тонкого шару AIGaAs в якості вікна.
Основний недолік арсеніду галію - висока вартість. Для здешевлення виробництва пропонується формувати СЕ на більш дешевих підкладках; вирощувати шари GaAs на видаляються підкладках або підкладках багаторазового використання.
Полікристалічні тонкі плівки також дуже перспективні для сонячної енергетики.
Надзвичайно висока здатність до поглинання сонячного випромінювання у діселенід міді та індію (CulnSe 2) - 99% світла поглинається в першому мікрон цього матеріалу (ширина забороненої зони - 1,0 еВ) [4]. Найбільш поширеним матеріалом для виготовлення вікна сонячної батареї на основі CulnSe 2 є CdS. Іноді для поліпшення прозорості вікна в сульфід кадмію додають цинк. Трохи галію в шарі CulnSe 2 збільшує ширину забороненої зони, що призводить до зростання напруги холостого ходу і, отже, підвищенню ефективності пристрою. Один з основних способів отримання CulnSe 2 - електрохімічне осадження з розчинів CuS0 4, ln 2 (S0 4) 3 і Se0 2 в деіонізо-ванної воді при співвідношенні компонентів Cu: ln: Se як 1:5:3 і рН = 1,2 -2,0.
Ще один перспективний матеріал для фотовольтаїки - Телль-рид кадмію (СdТе). У нього майже ідеальна ширина забороненої зони (1,44 еВ) і дуже висока здатність до поглинання випромінювання. Плівки CdTe досить дешеві у виготовленні. Крім того, технологічно нескладно отримувати різноманітні сплави CdTe з Zn, Hg і іншими елементами для створення шарів з заданими властивостями.
Подібно CulnSe 2, найкращі елементи на основі CdTe включають гетероперехід з CdS в якості віконного шару. Оксид олова використовується як прозорість контакт і покриття, що просвітлює. Серйозна проблема на шляху застосування CdTe - високий опір шару р-соте, що призводить до великим внутрішнім втрат. Але вона вирішена в pin-структурі з гетеропереходів CoTe / ZnTe (рис. 9).
Найбільш відповідальний етап формування СЕ на основі CdS / CdTe - осадження поглинаючого шару CdTe товщиною 1,5-6 мкм. Для цього використовують різні способи: сублімацію / конденсацію, електрохімічне осадження, трафаретний друк, хімічне осадження з газової фази і розпилення. Плівки СdТе, отримані даними методами, мають високу рухливістю носіїв заряду, а СЕ на їх основі - високими значеннями ККД, від 10 до 16%.
CuGaSe 2 також дуже цікавий як тонкоплівковий елемент сонячних батарей. Завдяки забороненій зоні шириною 1,68 еВ він використовується як верхній елемент тандемною сонячної батареї з нижнім елементом з CulnSe 2. Шари CuGaSe 2 формують шляхом послідовного осадження термічним випаровуванням тонких шарів Ga, Se і Сі на поверхню скляної підкладки, покритої шаром молібдену товщиною 1 мкм. Далі з отриманої структури в установці швидкого термічного відпалу протягом п'яти хвилин при температурі 550 ° С отримують з'єднання CuGaSe 2.
Одним з перспективних матеріалів для дешевих сонячних батарей завдяки прийнятній ширині забороненої зони (1,4-1,5 еВ) і найбільшого коефіцієнта поглинання 10 Квітня см -1 є Cu 2 ZnSnS 4. Його головне достоїнство в тому, що вхідні в нього компоненти широко поширені в природі і нетоксичні. Однак поки досягнута ефективність перетворення всього в 2,3% при використанні гетеропереходу Cu 2 ZnSnS 4 і CdS / ZnO.
Серед СЕ особливе місце займають батареї, що використовують органічні матеріали, Зокрема, ККД СЕ на основі діоксиду титану, покритого органічним барвником, дуже високий - 11%. Важливо, що підкладками в таких елементах можуть виступати полімерні плівки.
Основа СЕ даного типу - широкозонних напівпровідників, зазвичай ТiO 2, покритий монослоем органічного барвника, як правило - цис-(NСS) 2 біс (4,4''ДІкарбоксі-2, 2'біпірідін)-рутенієм (II) (рис.12 ). Фотоелектрод такого пристрою є на-нопорістую плівку ТiO 2 товщиною 1 мкм, обложену на ТСО на склі. Відбиваючим електродом служить тонкий шар Pt, обложений на ТСО на склі. Простір між двома електродами заповнюють електролітом, зазвичай містить йодид / трііодід
(I-/Iз). Рис. 10
Принцип роботи елемента заснований на фотозбудження фарбника і швидкої інжекції електрона в зону провідності ТiO 2. При цьому молекула барвника окислюється, через елемент йде електричний струм і на платиновому електроді відбувається відновлення трііодіда до иодида. Потім йодид проходить через електроліт до фотоелектроду, де відновлює окислений барвник.
Для сонячної батареї на ефекті Шотки використовують фталоцианин - органічний напівпровідник р-типу. У ньому найбільш приваблюють висока фотопровідність у видимій області спектру і термічна стабільність. Основний недолік - низька тривалість життя носіїв внаслідок великої кількості пасток. Для підвищення часу життя фталоцианин легують фулеренами або 2 -, 4 -, 7-трінітрофлуореноном, створюють акцепторні рівні.
Фулерени (С 60) також дуже перспективні для органічних сонячних батарей на основі гетероструктур C 60 / p-Si у зв'язку з їх здатністю до сильного поглинання в короткохвильовій області сонячного спектра. Полікристалічний фулерен З 60 товщиною ~ 1 мкм осаджують на кремнієву підкладку в глибокому вакуумі. Далі на шар З 60 наносять алюмінієві контакти. В якості заднього контакту використовується сплав Ga x ln y на позолоченою підкладці.
Термофотовольтаіческое виробництво електроенергії, тобто перетворення довгохвильового (теплового) випромінювання за допомогою фотовольтаїчних осередків було відкрито в 1960 році і викликає все більший інтерес, особливо у зв'язку з сучасними досягненнями в області створення вузькозонних напівпровідників. У термофотовольтаіческой осередку тепло перетворюється в електроенергію за допомогою селективних емітерів з оксидів рідкісноземельних елементів-ербію і иттербия. Ці речовини поглинають інфрачервоне випромінювання і знову випромінюють його у вузькому енергетичному діапазоні. Випромінювання може бути ефективно перетворено за допомогою фотовольтаїчному осередку з відповідною шириною забороненої зони. Як матеріал для фотоелектричної осередку найбільше підходить ln x Ga 1 - x As, оскільки він дозволяє домогтися необхідної ширини забороненої зони.
У типовому багатоперехідного сонячному елементі поодинокі фотоелементи розташовані один за одним таким чином, що сонячне світло спочатку потрапляє на елемент з найбільшою шириною забороненої зони, при цьому поглинаються фотони з найбільшою енергією. Пропущені верхнім шаром фотони проникають в наступний елемент з меншою шириною забороненої зони і т.д.
Основний напрямок досліджень в області каскадних елементів пов'язано з використанням арсеніду галію в якості одного або декількох компонентів. Ефективність перетворення подібних СЕ досягає 35%. Крім того, в каскадних елементах широко застосовуються аморфний кремній, сплави на його основі (a-Si 1 - x C x: H, a-Si 1 - x Ge x: H), а також CulnSe 2.
Каскадна батарея, в якій верхнім елементом служить структура на основі GalnP з n-AllnP в якості вікна, далі йде тунельний діод на GaAs для проходження носіїв між елементами і нижній елемент з GaAs.
Дуже перспективні каскадні батареї, що складаються з трьох елементів з різною шириною забороненої зони (рис.13). Верхній шар, що поглинає короткохвильову область сонячного спектру, сформований зі сплаву на основі a-Si: H з шириною оптичної щілини 1,8 еВ. Для серединного елемента як шар i-типу використаний сплав a-SiGe: H з вмістом германію 10-15%. Ширина оптичної щілини даного шару (1,6 еВ) ідеальна для поглинання зеленій області сонячного спектра. Нижня частина СЕ поглинає довгохвильову частину спектру, для цього використовується i-шар a-SiGe: H з концентрацією германію 40-50%. Непоглощенний світло відбивається від заднього контакту на основі Ag / ZnO. Всі три елементи каскадної сонячної батареї пов'язані між собою сильнолегированной шарами, створюючими тунельні переходи між сусідніми елементами.
5.1. Оцінка сонячного теплопостачання в Росії.
Однією з найбільш технічно підготовлених до впровадження технологій використання сонячної енергії є технологія виробництва низькопотенційного тепла для опалення та гарячого водопостачання. Системи сонячного теплопостачання (CCT) отримали досить широке розповсюдження в багатьох країнах світу зі сприятливими кліматичними умовами (США, Австралія, Ізраїль та ін.) Їх сумарна потужність в світі в 1997 р. досягла 3 000 МВт [13].
B Росії масштаби впровадження CCT відносно невеликі, незважаючи на те що до теперішнього часу розроблені і підготовлені до серійного виробництва сонячні колектори, які не поступаються за своїми техніко-економічними показниками кращим зарубіжним аналогам [14]. Це пояснюється цілим рядом причин і в першу чергу відсутністю фінансових коштів у потенційних споживачів. Крім цього, в багатьох випадках важливою причиною є недостатня економічна ефективність CCT та їх неконкурентоспроможність з традиційними системами теплопостачання [13]. B Росії ця проблема стоїть особливо гостро в зв'язку з більш суворими (в порівнянні з країнами, які впроваджують CCT) кліматичними умовами і відносною дешевизною органічного палива.
B ряді робіт [13,15,16] наведено розрахункові показники CCT (питома вироблення енергії, коефіцієнт заміщення навантаження) для кліматичних умов Росії, однак питань економічної конкурентоспроможності приділена недостатня увага. Мета цієї роботи - оцінка економічної та екологічної ефективності CCT в умовах конкуренпіі з традиційними енергоджерел в широкому інтервалі зміни найбільш важливих параметрів: кліматичних умов і цін на органічне паливо. Оскільки ефективність CCT часто досить істотно залежить від місцевої специфіки, зроблена спроба встановити лише найбільш загальні закономірності та виявити умови, за яких CCT, хоча б у принципі, можуть знайти застосування в даний час і в перспективі. Тому розглянуті кращі сонячні колектори (максимальна теплова ефективність і мінімальна ціна), варіанти теплової схеми з мінімальними втратами, а також перспективні (на період до 2010 р.) ціни на органічне паливо.
Основний енергетичної характеристикою сонячного колектора є його ККД, рівний відношенню вироблюваної (корисної) енергії до прийдешньої на його поверхню енергії сонячного випромінювання [17]
де F R - Коефіцієнт відведення тепла з колектора;
Основною економічною характеристикою CCT, як і будь-якого енергоджерела, є вартість виробленої енергії (відношення сумарних дисконтованих витрат до сумарного дисконтованою відпуску енергії) [18]
де k - Питомі капіталовкладення, дол / м 2;
Вартість енергії являє собою мінімальну ціну енергії CCT, при якій проект окупається до кінця терміну служби T L, який складає 10-15 років. Такий термін окупності досить великий, особливо для приватного інвестора.
Слід зазначити, що оскільки CCT виробляє енергію суттєво нерівномірно в часі, то для надійного і безперебійного енергопостачання споживача практично завжди повинні застосовуватися дублюючі енергоджерела, наприклад, на органічному паливі. Тому при зіставленні конкуруючих варіантів (система теплопостачання з використанням сонячної енергії і без неї) вартість вироблюваної енергії потрібно порівнювати з паливною складовою Sf вартості енергії енергоджерела на органічному паливі, тобто критерій економічної ефективності CCT має наступний вигляд: S <Sp
Аналіз питомої вартості розробляються і виробляються в даний час колекторів [13] показує, що для зарубіжних виробів вона знаходиться в інтервалі 290 ... 500, а вітчизняних - 100 ... 250 дол / м 2. Для всієї системи сонячного теплопостачання (з урахуванням витрат в інші її елементи - трубопроводи, насоси, теплоносій, теплообмінники, бак-акумулятор) питомі капіталовкладення, приведені до одиниці площі колектора, збільшуються, як правило, в 1,5-2раза.
Приймаючи досить оптимістичну оцінку вартості CCT k = l50 дол/м2, а також частку експлуатаційних витрат δ = 0,05, коефіцієнт дисконтування σ = 0,07 1/год (для перспективних умов, які передбачають економічну стабілізацію і доступність фінансових коштів для інвестування проекту) , можна визначити вартість теплової енергії CCT, яка для кліматичних умов Росії при терміні окупності проекту T0 = 3-15 років перебуває в діапазоні S = 2,6 ... 9,8 цент / (кВт • год).
При зіставленні вартості енергії S з паливною складовою вартості енергії альтернативних енергоджерел SF недоцільно користуватися фактичними російськими даними по вартості палива внаслідок їх недостатньої стабільності в даний час. Більш надійної та об'єктивної їх оцінкою, є значення, отримані на основі оптимізації перспективних паливно-енергетичних балансів країни для різних сценаріїв розвитку енергетики. B цієї роботі використаний широкий інтервал зміни цін (від цін самофінансування до світових) по регіонах Росії для періоду 2006 - 2010рр. [19].
Досить поширений спосіб обліку екологічного ефекту НВДЕ - включення у вартість енергії, виробленої альтернативним енергоджерел на органічному паливі, складових, що враховують її «зовнішню» вартість (шкода, яка завдається навколишньому середовищу, здоров'ю людей, галузями економіки тощо). Одержувані в такий спосіб оцінки, лежать, як правило, у дуже широкому інтервалі, що ускладнює отримання на їх основі конкретних висновків. Інший спосіб - облік витрат, необхідних для забезпечення певного рівня викидів шкідливих речовин в навколишнє середовище. Розрахунки, виконані із застосуванням десятірегіональной моделі світової енергетичної системи GEM-IOR [14], показують, що для стабілізації викидів тепличних газів на рівні 1990 р. необхідні додаткові витрати, які в 2025 р. зміняться (залежно від сценаріїв зовнішніх умов розвитку енергетики) від 60 до 200 дол / т вуглецю, що викидається в навколишнє середовище у вигляді CO2. Орієнтуючись на ці значення, можна наближено оцінити зміну ефективності CCT при введенні відповідного податку на органічне паливо для стабілізації вибросотеплічних газів.
B таблиці представлені результати зіставлення вартості теплової енергії, що виробляється CCT, (термін окупності 3-15 років) в п'яти регіонах Росії (для останніх трьох розглянута тільки їх южна »частина) і конкуруючими енергоджерела - дрібними і середніми котельнями або індивідуальними опалювальними установками на вугіллі, газі або мазуті, а також системами електроопалення (електроенергію виробляє велика ТЕС на вугіллі). Ціни на паливо [19] збільшені на 20% для обліку витрат на внутрішньорегіональної транспорт. Інтервал вартості теплової енергії визначений без урахування податку на викиди, крім цього встановлено мінімальний податок на емісію двоокису вуглецю, при якому CCT стають конкурентоспроможними.
B таблиці представлені результати зіставлення вартості теплової енергії, що виробляється CCT, (термін окупності 3-15 років) в п'яти регіонах Росії (для останніх трьох розглянута тільки їх південна частина) і конкуруючими енергоджерела - дрібними і середніми котельнями або індивідуальними опалювальними установками на вугіллі, газі чи мазуті, а також системами електроопалення (електроенергію виробляє велика ТЕС на вугіллі). Ціни на паливо [19] збільшені на 20% для обліку витрат на внутрішньорегіональної транспорт. Інтервал вартості теплової енергії визначений без урахування податку на викиди, крім цього встановлено мінімальний податок на емісію двоокису вуглецю, при якому CCT стають конкурентоспроможними.
| Регіон | Q. МВт • год / м 2 | S, цент / кВт • год | Енергоносій | Вартість палива, дол / т у.п. | Ккд,% | S F цент / кВт • год | Мінімальний податок, дол / т С |
| Центр і Північно-Захід | 1,0 ... 1,2 | 3,3 ... 9,8 | Вугілля | 58 ... 84 | 60 ... 70 | 1,0 ... 1,7 | 89 |
| Мазут | 61 ... 120 | 60 ... 70 | 1,1 ... 2,5 | 69 | |||
| Газ | 66 ... 120 | 60 ... 75 | 1,1 ... 2,5 | 92 | |||
| Електрична | - | 34 ... 36 | 2,0 ... 3, O | 8 | |||
| енергія | |||||||
| Північний Кавказ і Нижнє Поволжя | 1,2 ... 1,4 | 2,6 ... 8,8 | Вугілля | 49 ... 92 | 60 .. 70 | 0,9 .. .1,9 | 40 |
| Мазут | 55 ... 127 | 60 .. 70 | 1,0 .. .2,8 | 0 | |||
| Газ | 60 ... 127 | 60 .. 75 | 1,0 ... 2,6 | 0 | |||
| Електрична | - | 34 ... 36 | 1,7 .. .3,3 | 0 | |||
| енергія | |||||||
| Урал і Західний Сибір | 1,0 ... 1,2 | 3,3 ... 9,8 | Вугілля | 22 ... 67 | 60 ... 70 | 0,4 ... 1,4 | 109 |
| Мазут | 48 ... 106 | 60 ... 70 | 0,8 ... 2,2 | 92 | |||
| Газ | 53. .. 106 | 60 ... 75 | 0,9 ... 2,2 | 125 | |||
| Електрична | - | 34 ... 36 | 0,8 ... 2,4 | 28 | |||
| енергія | |||||||
| Східна Сибір | 1,4 ... 1,4 | 2,6 ... 9,8 | Вугілля | 19 .. .42 | 60 ... 70 | 0,3 ... 0,9 | 98 |
| Мазут | 67 .. .96 | 60 ... 70 | 1,2 ... 2,0 | 51 | |||
| Газ | 72 ... 96 | 60 ... 75 | 1,2 ... 2,0 | 69 | |||
| Електрична | - | 34 .. .36 | 0,6 ... 1,5 | 34 | |||
| енергія | |||||||
| Далекий Схід | 1,0 ... 1,4 | 2,6 ... 9,8 | Вугілля | 66 ... 79 | 60 ... 70 | 1,2 ... 1,6 | 55 |
| Мазут | 115. .. 168 | 60 ... 70 | 2,0 ... 3,4 | 0 | |||
| Газ | 120 .. .168 | 60 ... 75 | 2,0 ... 3,4 | 0 | |||
| Електрична | - | 34 ... 36 | 2,3 ... 2,9 | 0 | |||
| енергія |
B децентралізованих системах теплопостачання НВДЕ вже зараз при наявності сприятливих умов (до них можна віднести і підвищені екологічні вимоги для рекреаційних регіонів) можуть скласти реальну конкуренцію традиційним котельним на органічному паливі, причому самим вигідним видається застосування комбінованих установок. K числа найбільш економічно та екологічно ефективних пристроїв НВДЕ відносяться перш за все сонячно-колекторні і теплонаносние установки [8-10]. При цьому серед енергоустановок, в яких вигідне використання енергії сонця, слід виділити комплекси, що створюються на базі опалювальних котелень, що працюють на органічному паливі. B цьому випадку геліоустановка представляє собою прибудову до котельні, що забезпечує покриття більшої частини навантаження гарячого водопостачання в теплу пору року.
Як відомо, перша на території колишнього CCCP сонячно-паливна котельня, розроблена ЕНІН ім. Кржижановського, була побудована для готелю "Спортивна" в Сімферополі. Вона була обладнана опалювальними котлами на природному газі і сонячними колекторами площею 204 м 2. Ця геліоустановка забезпечила економію 20% річного витрати природного газу і покриття до 80% навантаження гарячого водопостачання [10]. Геліосистема була виконана у вигляді сонячної приставки до наявної котельні. B Краснодарському краї в доперебудовний період під керівництвом BA Бутузова [9] було побудовано п'ять подібних установок. Аналіз роботи сонячно-паливних котелень на сучасному етапі показує їх досить високу ефективність як в частині економії палива та забезпечення екологічної безпеки, так і за капітальними витратами. B таких системах досягаються найбільші к. п. д. сонячних колекторів, велика тривалість сезону роботи і підвищена експлуатаційна надійність. Одним з найбільш істотних переваг цих установок є часткове використання існуючого обладнання, а також можливість їх обслуговування штатним персоналом котельні. Для комбінованого підігріву підживлювальної води сонячно-котельні установки в південних регіонах можуть працювати в цілорічному режимі.
B Краснодарському краї, що володіє великим потенціалом сонячної енергії, експлуатуються 36 геліоустановок загальною площею 2700 м 2 [11]. B сочинському санаторії "Лазаревське" функціонує найбільша на узбережжі геліосистема площею 400 м 2.
Котельня в сел. Солоніки Лазаревського району Сочі потужністю 1 МВт призначена для опалення і гарячого водопостачання чотирьох житлових триповерхових будинків. B котельні встановлено чотири котли типу "Універсал-5М", що працюють на кам'яному вугіллі, тепловою потужністю 0,259 МВт з площею поверхні нагріву 33.1 M ^ кожен без систем газоочистки і утилізації теплоти відхідних газів. Є також бак-акумулятор місткістю 25 м 3. B кінці 1995 р. адміністрацією району було прийнято рішення про реконструкцію котельні з перетворенням її в сонячно-паливну. Це мотивувалося високою вартістю і труднощами доставки органічного палива, а також необхідністю поліпшення екологічної обстановки в річковій долині селища на тлі сприятливих для роботи сонячно-колекторних установок кліматичних умов.
Перша черга геліосистеми котельні площею 250 м 2 передбачає покриття близько 35% розрахункової річної навантаження гарячого водопостачання селища. Котельня має два незалежних контури циркуляції - опалення і гарячого водопостачання за закритою схемою. Принципова схема сонячно-паливної котельні передбачає спорудження додаткового контуру циркуляції, що включає в себе блоки сонячних колекторів, циркуляційні насоси та баки-акумулятори з додатковим баком місткістю 20 м 3.
Установка може працювати в сезонному і цілорічному режимах експлуатації. Температура нагрітої води - - 55 0 C, час акумулювання енергії в баку-акумуляторі короткострокове (l-2cут). Дублюючим джерелом енергії служать існуючі водогрійні котли. Геліоустановка являє собою систему сонячних колекторів, що складається з п'яти модулів, які в свою чергу розділені на блоки по 10 колекторів в кожному. Система обв'язування трубопроводів - попутна, кожен блок може бути відключений індивідуально.
Сонячні колектори розташовуються па пласкому даху котельні та спеціальної естакаді. При проектуванні враховувалася можливість ча-бруднення колекторів винесенням з димової труби, для запобігання наслідків якого виконана система водяного змиву з поверхні колекторів. Проектом передбачено використання сонячних колекторів "Веселка" виробництва НПП "Конкурент" (м. Жуковський Московської обл.). Поглинаюча панель колектора - - штампосвар-ва з листової нержавіючої сталі, покриття панелі - - селективне, виконане напиленням у вакуумній камері. Корпус виготовлений зі спеціального анодованого алюмінієвого профілю, теплова ізоляція - - комбінована (з базальтового волокна в алюмінієвій фользі і пінополіуретану). Прогнозований термін служби колектора - 15 - 20 років.
Значення к. п. д. установки залежать від річного зміни кліматичних умов і температури подаваного теплоносія, тому моделювання зміни K.II.Д. у річному та добовому циклах - досить складне завдання. B даному випадку були розраховані місячні суми сонячної радіації на похилу поверхню колекторів, при цьому усереднені значення к. п. д. приймалися рівними 0,35 - 0,6 у залежності від режиму роботи геліоустановки та розрахункового місяця. Розрахункове річне питома кількість сумарної сонячної радіації на похилу поверхню геліоустановки становить 1860кВт • год / м 2, а за сезон з квітня по жовтень - 1350кВт • год / м 2. Розрахункова кількість тепла, що виробляється геліосистемою при сезонній роботі, так само 175МВт • год, при цілорічній роботі - 227,3 МВт • год
Як показали техніко-економічні розрахунки, термін окупності геліосистеми котельні в сел. Солоніки (з урахуванням інфляції) становить 3 - 6 років залежно від режиму роботи установки, що є дуже гарним показником для енергетичного обладнання. При цьому зменшується кількість шкідливих викидів у навколишнє середовище: золи - на 3,4; окислів сірки, азоту і вуглецю - на 10; вуглекислоти - на 156т на рік.
B даний час повинні бути відновлені припинені через нестачу фінансування з місцевого бюджету роботи з монтажу першої черги сонячно-паливної котельні. Спорудження другої черги намічено після запуску, випробувань та перевірки прийнятих конструктивних рішень геліосистеми першої черги.
Можна констатувати, що впровадження комбінованих сонячно-паливних котелень один з найбільш перспективних шляхів підвищення ефективності та екологічної безпеки існуючих комунальних котелень. Ha території Росії експлуатується більше 75 тис. опалювальних котелень житлово-комунального господарства (ЖКГ) з сумарною тепловою потужністю 690,5 тис. Гкал / год Споживання палива (у перерахунку на 1 т умовного палива) становить 217,4 млн. т, з них тільки 41% - • природний газ, близько 47% тверде паливо, 12% рідке та інші види палива (торф, дрова) [8] . B 1997 r. валові викиди шкідливих речовин в атмосферу підприємствами ЖКГ в цілому по Росії склали 677,68 тис.т, що на 3,1% більше, ніж у попередньому році [12]. При цьому істотно зросли викиди рідких та газоподібних речовин, у тому числі оксиду вуглецю (на 7,2%), оксидів азоту (на 3,8%), сірчистого ангідриду (на 2,1%). Це насамперед пов'язано з продовженням експлуатації малопотужних котелень, які не мають установок для очищення димових газів.
B Краснодарському краї в 1999 р. валовий викид забруднюючих речовин в атмосферу підприємствами енергетики склав 15,71 тис.т, або 15,3% загального викиду підприємствами краю, що також ускладнює екологічну ситуацію в курортному регіоні. Ha підприємствах теплоенергетики не споруджують установки очищення димових газів, на котлоагрегатах відсутні контрольно-вимірювальні прилади для підтримки оптимального режиму горіння, експлуатується застаріле котельне устаткування.
Тому роботи з проектування і впровадження комбінованих сонячно-паливних котелень, що використовують найбільш екологічно безпечне паливо та обладнаних системами очищення димових газів, що сприяє поліпшенню екологічної обстановки в регіоні, повинні отримати широку підтримку з боку владних структур і муніципальних підприємств, що забезпечують централізоване теплопостачання споживачів. Це особливо важливо для регіону Сочі, що характеризується високими вимогами до екологічної безпеки рекреаційної зони, на тлі сприятливих для впровадження енергоустановок на базі НВДЕ природно-кліматичних умов. B цьому плані досвід, отриманий при розробці сонячно-паливної котельні в сел. Солоніки Лазаревського району Сочі, є досить корисним і повинен враховуватися при формуванні регіональних програм енергопостачання та сталого розвитку території.
6. Перспективи розвитку фотоелектричних технологій.
Сталий розвиток людства значною мірою залежить від наявності енергії та її якості. Відновлювані джерела енергії (ВІЗ) можуть допомогти вирішенню цих важливих енергетичних проблем, оскільки вони довели свою надійність та екологічність. Звідси той підвищений інтерес, який проявляють великі нафтові компанії світу до інвестування в ВДЕ. За рік у світі споживається стільки нафти, скільки її утворилося в природних умовах за 2 млн. років. Передбачається, що пік використання нафтових ресурсів настане близько 2030 р. [5].
Сонячні технології, включаючи Фотоелектрика, можуть стати конкурентоспроможними вже в наступному десятилітті при відповідній громадської та фінансової підтримки. Перехід до великомасштабного використання ВДЕ відбудеться в 21 столітті. Це пов'язано і зі зростаючою потребою країн, що розвиваються в електроенергії (нестача електроенергії вже зараз існує в ряді країн, включаючи Китай та Індію, а зростання населення погіршує цю проблему). Через 30-40 років додатково буде потрібно 5000 ГВт встановленої потужності, що приблизно в 2 рази більше сучасного рівня.
За останні 10-20 років в США в області фотоелектричного способу отримання енергії досягнутий значний прогрес, і вартість виробленої енергії знизилася на порядок (рис. 14). Це результат удосконалення багатьох компонентів, проте існує ще багато можливостей для подальшого вдосконалення та покращення вартісних і режимних характеристик фотоелектричних систем.
Прогресу у використанні ВДЕ в США сприяли політика в галузі охорони навколишнього середовища, розвиток самих технологій і промисловості. Були оформлені дотації і субсидії, прийняті інші стимулюючі заходи, які сприяли росту використання ВДЕ. За період 1975-1990 рр.. в сонячні енергетичні технології вкладено понад 38 млрд. державних субсидій.
B федеральній програмі "Стратегія стійкої енергетики США", затвердженої в 1995 р. як пріоритетний напрям, передбачено надання урядом сприяння розвитку і освоєння ВДЕ з метою зменшення обсягів спалювання палива, захисту навколишнього середовища і глобальної енергетичної безпеки країни на перспективу, а також поширення американських сонячних енергетичних технологій в інші країни для розширення ринку збуту.
США активно залучені в численні міжнародні програми, які сприяють використанню ВДЕ. Порівняно недавно зроблені ініціативи з підтримки використання ВДЕ в Мексиці, ПАР та Індії та здійснення проектів по енергопостачанню сіл від фотоелектричних установок. Їх передбачається використовувати в поєднанні з вітроелектричних для водопідйому, освітлення, забезпечення роботи радіо та телевізорів. До цього часу близько 2 млрд людей у світі живе у віддалених від ліній електропередачі районах і не користується електроенергією навіть для освітлення. Витрати на повну електрифікацію таких районів шляхом приєднання до діючих енергосистемам можуть перевищити 1 трлн дол.
Дизельні електростанції невеликої потужності працюють вкрай незадовільно при низьких навантаженнях, вони дуже чутливі до якості обслуговування, що створює безліч проблем, однією з яких є доставка палива. Початкові витрати на встановлення ВДЕ набагато менше, ніж приєднання сіл до існуючих мереж, а відповідні експлуатаційні витрати з урахуванням усього терміну служби у них виявляються нижчими, ніж удізельних електростанцій. Крім того, економічні, соціальні, екологічні та політичні тенденції всюди сприяють переходу до децентралізованої системи енергопостачання.
Діюча в США з 1997 р. програма "Мільйон сонячних дахів" передбачає до 2010 р. установку сонячних енергосистем (фотоелектричних і теплових) на дахах одного мільйона муніципальних і приватних будинків [6]. З федерального бюджету заплановано виділення фінансової допомоги близько 6,3 млрд дол Основні цілі програми: зменшення забруднення атмосфери, еквівалентну річному викиду від 850 тис. автомобілів, створення додаткових 70 тис. робочих місць, збільшення внутрішнього ринку та обсягів виробництва сонячних енергосистем при зменшенні їх вартості. Планується, що до 2005 р. світовий ринок фотоелектричних систем перевищить 1,5 млрд дол
B даний час в різних штатах США здійснено будівництво досить великих енергетичних об'єктів з використанням ВДЕ. B пустелі Мохаве (штат Каліфорнія) успішно працює найбільша сонячна електростанція потужністю 354 МВт, яка в літній період знімає пік електричного навантаження, що виникає внаслідок збільшення потреб в охолодженні, вентиляції і кондиціонування. B кліматичних умовах цього штату при вартості звичайної електроенергії 0,14 дол / кВтг (що майже вдвічі вище за середнє значення по країні) фотоенергетика вже зараз конкурентноздатна в порівнянні з традиційними джерелами енергії [6].
Ha всесвітньої конференції з фотоелектрічества в Глазго (травень, 2000 р.) американські фахівці доповіли про нову довгострокової мети - будівництві в штаті Техас сонячної електростанції площею 107 x 107 миль. За розрахунками така електростанція зможе повністю забезпечити потреби США в електриці.
Bo багатьох країнах світу намічені і виконуються урядові програми стимулювання розвитку фотоенергетики. Особливі зусилля в цій області крім США докладають Японія і Німеччина. B відповідності з німецьким проектом "1000 сонячних дахів" у період з 1990 по 1994 rr. на житлових будинках встановлено 2500 систем потужністю по 2-4 кВт. B протягом 1998 і 1999 рр.. в Німеччині щороку вводили кілька тисяч фотоелектричних систем із загальною встановленою потужністю 10 МВт; на початку 2000 р. на додаток до програми безвідсоткового кредитування уряд оголосив про введення в дію схеми купівлі електроенергії, виробленої фотоелектростанціямі у приватних осіб, за ціною 0,99 німецьких марок / кВтг (0,6 євро), що майже в 10 разів вище вартості мережевий електроенергії. Ці субсидії зробили фотоенергетики в Німеччині повністю економічно доцільною навіть при сучасному рівні цін. Тому інтерес до фотоенергетиці у населення зріс настільки, що з січня по березень 2000 р. зростання закупівель фотоелектричних систем перевищив за потужності 30 МВт, а у квітні - 40 МВт.
B 1995-1996 рр.. в Японії приступили до реалізації програми "70 тисяч фотоелектричних дахів", але вже в 1998 р. вона переглянута на користь збільшення числа будівель до 1 млн. при загальній встановленій потужності фотоелектричних систем до 5 ГВт.
Основною проблемою сучасного етапу становлення фотоелектричної індустрії є досягнення конкурентоспроможності прямого перетворення сонячної енергії в електричну за допомогою сонячних елементів (СЕ) (в порівнянні з традиційними способами генерування електроенергії). Фотоелектрична установка складається з СЕ, об'єднаних в сонячні модулі (CM), інвертора напруги, системи контролю і накопичувача енергії. B якості останнього використовують акумуляторні батареї або діючу електричну мережу (але можливо одержання водню, див. пункт 2). Ha сьогодні вартість СЕ з кристалічного кремнію становить 2,5-3 дол / Вт, вартість CM 5-7 дол / Вт, вартість фотоелектричних установок 9-15 дол / Вт [7] (але розробляються СЕ на іншій основі, див. пункт 4 ). C урахуванням цього вартість електроенергії становить 0,2-0,5 дол / кВтг, що порівнянно з діючими цінами на електроенергію (Про ,03-О, 125долл. КВтг).
Структура собівартості виробництва CM на сьогодні і в недалекому майбутньому представлена нижче (табл. 1).
Найближчим завданням є зниження вартості CM до 2, а потім до 1 дол / Вт, що призведе до зниження вартості електроенергії відповідно до 0,12 і 0,06 дол / кВтг.
При вартості виробництва модулів 2 дол / Вт для забезпечення електрикою 1 млрд людей світова потреба становитиме 100 ГВт, якщо прийняти за допустиму норму 100 Вт встановленої потужності CM на одну людину. При терміні наповнення ринку в 20 років щорічний випуск модулів повинен скласти 5 ГВт. Потенційний обсяг світового ринку CM в перспективі може досягти 50 ГВт, що забезпечить 10% загальносвітового рівня виробітку електроенергії за допомогою фотоелектрічества.
B технічному відношенні не існує будь-яких принципових обмежень, проте необхідно вирішити ряд наукових, технологічних та економічних проблем. Для досягнення поставленої мети передбачається використовувати нові технології та екологічно чисті процеси, нові конструкції технологічного обладнання, завдяки яким буде забезпечено зниження витрат при виробництві CM і підвищення ККД серійних СЕ до -20%. B табл. 2 представлені дані впливу величини ККД і ціни виготовлення 1 м СЕ на вартість 1 Вт встановленої потужності СЕ.
Структура собівартості CM (таблиця 1)
Вартість встановленої потужності СЕ, дол / Вт (таблиця 2)
Кремній називають "нафтою 21-го сторіччя". Розрахунки показують, що СЕ з ККД 15%, на які пішов 1 кг кремнію, за 30 років служби можуть зробити 300 МВт електроенергії. Рівна кількість електроенергії можна отримати, витративши 75 т нафти (з урахуванням ККД теплоелектростанцій 33% і теплотворною здатності нафти 43,7 МДж / кг). Таким чином, 1 кг кремнію виявляється еквівалентний 75 т нафти [7].
Росія на ринку продажів кремнію електронного та сонячної якості, а також моносілана, що є основною сировиною для виготовлення плівкових сонячних елементів з аморфного кремнію, може швидко окупити всі витрати за проектом. Зниження собівартості ПКК і пластин кремнію для електроніки і сонячних елементів матиме неабиякий вплив на створення в Росії конкурентоспроможної фотоелектричної промисловості і перетворить її на найбільшого постачальника кремнію, СЕ і сонячних батарей на світовий ринок.
Екологічно чистим і маловідходних є розроблений в Росії алкоксісілановий метод очищення металургійного кремнію. Промислове освоєння цього методу допоможе в 2 рази скоротити вартість СБ з кремнію і зробить фотоенергетики конкурентоспроможної з іншими традиційними джерелами енергії, а розроблена в Росії конструкція сонячного модуля з СЕ, зануреними у кремнийорганической рідина, дозволяє в 2 рази підвищити термін служби СЕ і запобігти деградації їх технічних параметрів.
B Росії понад 10 підприємств і організацій розробляє і виробляє кремнієві СЕ і сонячні модулі. Сумарна потенційна виробнича потужність зазначених виробництв перевищує 4 МВт / год. Однак ці потужності використовуються максимум на 20% через відсутність необхідної кількості недорогих кремнієвих пластин і внаслідок низької купівельної спроможності населення Росії. Свою продукцію здатні експортувати тільки ті підприємства, де порівняно невисока собівартість виробництва високоефективних СЕ, серед них ВІЕСХ, ЗАТ "Сонячний вітер", завод "Червоний Прапор", ЗАТ "Телеком", що випускають СЕ світового рівня якості з ККД до 15%.
Якщо в Росії з'явиться масове виробництво недорогого кремнію "сонячного" якості, то крім зазначених підприємств до виробництва СЕ і модулів можуть підключитися незавантажені зараз підприємства електронної промисловості, розташовані в Ставрополі, Александрові, Фрязіно, Павловому-По-садку, Санкт-Петербурзі, Орлі, Нижньому Новгороді, Саратові та ін Наявне у них обладнання вже сьогодні здатна забезпечити рівень випуску СЕ розміром 10 х 10 см в кількості 2 млн шт / рік. Вироблена ними потужність буде залежати від величини ККД, яка у свою чергу визначається рівнем технології виготовлення: при ККД 15-17% вона складе близько 4 МВт. До 2005 р. обсяги випуску в Росії можуть вирости до 2-3 МВт / рік, а далі слід очікувати різкого зростання: до 10 - 15 МВт / рік до 2010 р. і 30-50 МВт / рік у 2015р.
Висновки:
1. Bo всьому світі спостерігається стрімке зростання інтересу до фотоенергетиці, яка в найближчі роки може перетворитися в процвітаючу галузь промисловості.
2. Основним матеріалом для виготовлення СЕ в даний час і в перспективі є кристалічний кремній.
3. Перед промислово розвиненими країнами постає проблема зниження вартості кремнію-сирцю нижче 20 дол / кг і створення спеціалізованого виробництва кремнію для фотоенергетики обсягом 10 000 т / рік.
4. Зниження вартості пластин кремнію послужить потужним поштовхом для реалізації наявних напрацювань щодо підвищення ККД серійних СЕ до 18% і зниження їх собівартості.
5. Технічний потенціал Росії дозволяє їй зайняти одне з провідних місць на світовому ринку продажів сонячних елементів, модулів і фотоелектричних систем.
6. Жоден з розглянутих методів фотохімічного розкладу води поки що не вийшов на рівень промислового використання. Однак отримані результати дозволяють вважати реальною завдання створення фотокаталітичних перетворювачів сонячної енергії в хімічну на основі фоторазложенія води на водень і кисень.
7. Без урахування екологічного ефекту системи сонячного теплопостачання в Росії можуть бути конкурентноздатні з теплоджерела на органічному паливі (газ, мазут) у південних районах Далекого Сходу, на Північному Кавказі і в Нижньому Поволжі, термін окупності CCT становить 10-15 років. Теплопостачання від котелень на вугіллі у всіх регіонах Росії більш економічно, ніж використання сонячної енергії.
8. При конкуренції з електротеплопостачання (наприклад, в пунктах, де застосування органічного палива неможливо або небажано) CCT можуть виявитися економічно ефективними в тих же регіонах при Q> 1,3 МВт • год / м 2.
9. Введення екологічного податку на викиди CO 2 в розмірі 100 ... 125 дол / т вуглецю (що узгоджується з метою світового співтовариства: не перевищувати в перспективі рівень емісії тепличних газів 1990 р.) дозволяє розглядати CCT як перспективну технологію виробництва низькопотенційного тепла на значній території Росії з річним сонячним випромінюванням на плоску поверхню більше 1 000 кВт • год / м.
Список літератури:
1. Тихонов О.М. Трансформація енергії у хлоропластах - енергообразующіх органелах рослинної клітини / / Соросівський Освітній Журнал. 1996. № 4. С. 24-32.
2.Клімов В.В. Фотосинтез і біосфера / / Там же. № 8. С. 6-13.
3.Скулачев В.П. Еволюція біологічних механізмів запасання енергії / / Там же. 1997. № 5. С. 11-19.
4.http: / / www.eren.doe.gov.
5.Мерфі Л. M. Перспективи розвитку і фінансування технологій використання поновлюваних джерел енергії в США / / Праці Міжнар. конгресу "Бізнес та інвестиції в галузі поновлюваних джерел енергії в Росії", Москва, 31.05-4.06. 1999. M.: НДЦ "Інженер", 1999. C. 59-67.
6.Программа США "Мільйон сонячних дахів" / / Відновлювана енергія. 1998. № 4. C. 7-10.
7.СтребковД. С. Нові економічно ефективні технології сонячної енергетики / / Праці Міжнар. конгресу "Бізнес та інвестиції в галузі поновлюваних джерел енергії в Росії". M. 1999. C. 187-208.
8.Бусаров B. Успіх пошуку шляхів. Концепція переходу до сталого розвитку та особливості регіональної енергетичної політики. - Зелений світ, 1999, № 16-17.
9.Бутузов BA Нетрадиційні поновлювані джерела енергії в системах теплопостачання Краснодарського краю. - Краснодар: ККП Союзу НДВ CCCP, 1989.
10.Сістеми сонячного тепло-і холодопостачання / PP Авезов, MA Барський-Зорін, І. M. Васильєва та ін Під. ред. Е. B. Сарнацький і CA Чистовича. - M.: Стройиздат, 1990.
11. Бутузов BA Аналіз досвіду проектування і експлуатації геліоустановок гарячого водопостачання.
Збірник "Енергозбереження на Кубані" / За заг ред. Е. Д. Митус. Краснодар: "Радянська Kyбань", 1999.
12. Державний доповідь-"O стан навколишнього природного середовища Російської Федерації у 1997 р." - Зелений світ, 1998, № 26.
13. Фугенфіров М.І. Використання сонячної енергії в Росії / / Теплоенергетика. 1997. № 4. C. 6-12.
14. Тарніжевскій Б.В., Абуев І.М. Технічний рівень і освоєння виробництва плоских сонячних колекторів в Росії / / Теплоенергетика. 1997. № 4. C. 13-15.
15. Тарніжевскій Б.В. Оцінка ефективності сонячного теплопостачання в Росії / / Теплоенергетика. 1996. № 5. C. 15-18.
16. Тарніжсвскій Б.В., Чакалев KH, Левинський Б.М. Коефіцієнт заміщення опалювальної навантаження пасивними системами сонячного опалення в різних району CCCP / / геліотехніці 1989. № 4.С.54-58.
17. Бекман У., Клейн C., Даффі Дж. Розрахунок систем сонячного теплопостачання. M.: Вища школа, 1982.
18. Марченко OB, Соломін CB Аналіз галузі економічної ефективності ветродізельний електростанцій / / Промислова енергетика. 1999. № 2. C. 49-53.
19. Нова енергетична політика Росії / За заг. ред. Ю.К. Шафраника. M.: Вища школа, 1995.
20. Бородулін М. Ю.
Електротехнічні проблеми створення перетворювальних установок для сонячних і вітрових електростанцій / Бородулін М. Ю., Кадомський Д.Є. / / Електричні станції. - 1997. - № 3. - C.53-57.
Найближчим завданням є зниження вартості CM до 2, а потім до 1 дол / Вт, що призведе до зниження вартості електроенергії відповідно до 0,12 і 0,06 дол / кВтг.
При вартості виробництва модулів 2 дол / Вт для забезпечення електрикою 1 млрд людей світова потреба становитиме 100 ГВт, якщо прийняти за допустиму норму 100 Вт встановленої потужності CM на одну людину. При терміні наповнення ринку в 20 років щорічний випуск модулів повинен скласти 5 ГВт. Потенційний обсяг світового ринку CM в перспективі може досягти 50 ГВт, що забезпечить 10% загальносвітового рівня виробітку електроенергії за допомогою фотоелектрічества.
B технічному відношенні не існує будь-яких принципових обмежень, проте необхідно вирішити ряд наукових, технологічних та економічних проблем. Для досягнення поставленої мети передбачається використовувати нові технології та екологічно чисті процеси, нові конструкції технологічного обладнання, завдяки яким буде забезпечено зниження витрат при виробництві CM і підвищення ККД серійних СЕ до -20%. B табл. 2 представлені дані впливу величини ККД і ціни виготовлення 1 м СЕ на вартість 1 Вт встановленої потужності СЕ.
Структура собівартості CM (таблиця 1)
| Етапи виробництва CM | Собівартість, дол / Вт | ||
| Сьогодні | Завтра | У перспективі | |
| Виготовлення пластин кремнію | 1,5-1,7 | 0,8-1,0 | 0,25-0,3 |
| Виготовлення СЕ | 1,3-1,5 | 0,4-0,5 | 0,3 |
| Виготовлення CM | 1,5-1,7 | 0,6-0,7 | 0,4-0,45 |
| Всього | 4,3-4,9 | 2,0 | 1,0 |
| ккд,% | Ціна виготовлення, дол / Вт | |||
| 300 | 250 | 200 | 150 | |
| 10 | 3,0 | 2,5 | 2,0 | 1,5 |
| 12 | 2,5 | 2,08 | 1,67 | 1,25 |
| 15 | 2,0 | 1,67 | 1,33 | 1,0 |
| 18 | 1,67 | 1,39 | 1,11 | 0,83 |
Росія на ринку продажів кремнію електронного та сонячної якості, а також моносілана, що є основною сировиною для виготовлення плівкових сонячних елементів з аморфного кремнію, може швидко окупити всі витрати за проектом. Зниження собівартості ПКК і пластин кремнію для електроніки і сонячних елементів матиме неабиякий вплив на створення в Росії конкурентоспроможної фотоелектричної промисловості і перетворить її на найбільшого постачальника кремнію, СЕ і сонячних батарей на світовий ринок.
Екологічно чистим і маловідходних є розроблений в Росії алкоксісілановий метод очищення металургійного кремнію. Промислове освоєння цього методу допоможе в 2 рази скоротити вартість СБ з кремнію і зробить фотоенергетики конкурентоспроможної з іншими традиційними джерелами енергії, а розроблена в Росії конструкція сонячного модуля з СЕ, зануреними у кремнийорганической рідина, дозволяє в 2 рази підвищити термін служби СЕ і запобігти деградації їх технічних параметрів.
B Росії понад 10 підприємств і організацій розробляє і виробляє кремнієві СЕ і сонячні модулі. Сумарна потенційна виробнича потужність зазначених виробництв перевищує 4 МВт / год. Однак ці потужності використовуються максимум на 20% через відсутність необхідної кількості недорогих кремнієвих пластин і внаслідок низької купівельної спроможності населення Росії. Свою продукцію здатні експортувати тільки ті підприємства, де порівняно невисока собівартість виробництва високоефективних СЕ, серед них ВІЕСХ, ЗАТ "Сонячний вітер", завод "Червоний Прапор", ЗАТ "Телеком", що випускають СЕ світового рівня якості з ККД до 15%.
Якщо в Росії з'явиться масове виробництво недорогого кремнію "сонячного" якості, то крім зазначених підприємств до виробництва СЕ і модулів можуть підключитися незавантажені зараз підприємства електронної промисловості, розташовані в Ставрополі, Александрові, Фрязіно, Павловому-По-садку, Санкт-Петербурзі, Орлі, Нижньому Новгороді, Саратові та ін Наявне у них обладнання вже сьогодні здатна забезпечити рівень випуску СЕ розміром 10 х 10 см в кількості 2 млн шт / рік. Вироблена ними потужність буде залежати від величини ККД, яка у свою чергу визначається рівнем технології виготовлення: при ККД 15-17% вона складе близько 4 МВт. До 2005 р. обсяги випуску в Росії можуть вирости до 2-3 МВт / рік, а далі слід очікувати різкого зростання: до 10 - 15 МВт / рік до 2010 р. і 30-50 МВт / рік у 2015р.
Висновки:
1. Bo всьому світі спостерігається стрімке зростання інтересу до фотоенергетиці, яка в найближчі роки може перетворитися в процвітаючу галузь промисловості.
2. Основним матеріалом для виготовлення СЕ в даний час і в перспективі є кристалічний кремній.
3. Перед промислово розвиненими країнами постає проблема зниження вартості кремнію-сирцю нижче 20 дол / кг і створення спеціалізованого виробництва кремнію для фотоенергетики обсягом 10 000 т / рік.
4. Зниження вартості пластин кремнію послужить потужним поштовхом для реалізації наявних напрацювань щодо підвищення ККД серійних СЕ до 18% і зниження їх собівартості.
5. Технічний потенціал Росії дозволяє їй зайняти одне з провідних місць на світовому ринку продажів сонячних елементів, модулів і фотоелектричних систем.
6. Жоден з розглянутих методів фотохімічного розкладу води поки що не вийшов на рівень промислового використання. Однак отримані результати дозволяють вважати реальною завдання створення фотокаталітичних перетворювачів сонячної енергії в хімічну на основі фоторазложенія води на водень і кисень.
7. Без урахування екологічного ефекту системи сонячного теплопостачання в Росії можуть бути конкурентноздатні з теплоджерела на органічному паливі (газ, мазут) у південних районах Далекого Сходу, на Північному Кавказі і в Нижньому Поволжі, термін окупності CCT становить 10-15 років. Теплопостачання від котелень на вугіллі у всіх регіонах Росії більш економічно, ніж використання сонячної енергії.
8. При конкуренції з електротеплопостачання (наприклад, в пунктах, де застосування органічного палива неможливо або небажано) CCT можуть виявитися економічно ефективними в тих же регіонах при Q> 1,3 МВт • год / м 2.
9. Введення екологічного податку на викиди CO 2 в розмірі 100 ... 125 дол / т вуглецю (що узгоджується з метою світового співтовариства: не перевищувати в перспективі рівень емісії тепличних газів 1990 р.) дозволяє розглядати CCT як перспективну технологію виробництва низькопотенційного тепла на значній території Росії з річним сонячним випромінюванням на плоску поверхню більше 1 000 кВт • год / м.
Список літератури:
1. Тихонов О.М. Трансформація енергії у хлоропластах - енергообразующіх органелах рослинної клітини / / Соросівський Освітній Журнал. 1996. № 4. С. 24-32.
2.Клімов В.В. Фотосинтез і біосфера / / Там же. № 8. С. 6-13.
3.Скулачев В.П. Еволюція біологічних механізмів запасання енергії / / Там же. 1997. № 5. С. 11-19.
4.http: / / www.eren.doe.gov.
5.Мерфі Л. M. Перспективи розвитку і фінансування технологій використання поновлюваних джерел енергії в США / / Праці Міжнар. конгресу "Бізнес та інвестиції в галузі поновлюваних джерел енергії в Росії", Москва, 31.05-4.06. 1999. M.: НДЦ "Інженер", 1999. C. 59-67.
6.Программа США "Мільйон сонячних дахів" / / Відновлювана енергія. 1998. № 4. C. 7-10.
7.СтребковД. С. Нові економічно ефективні технології сонячної енергетики / / Праці Міжнар. конгресу "Бізнес та інвестиції в галузі поновлюваних джерел енергії в Росії". M. 1999. C. 187-208.
8.Бусаров B. Успіх пошуку шляхів. Концепція переходу до сталого розвитку та особливості регіональної енергетичної політики. - Зелений світ, 1999, № 16-17.
9.Бутузов BA Нетрадиційні поновлювані джерела енергії в системах теплопостачання Краснодарського краю. - Краснодар: ККП Союзу НДВ CCCP, 1989.
10.Сістеми сонячного тепло-і холодопостачання / PP Авезов, MA Барський-Зорін, І. M. Васильєва та ін Під. ред. Е. B. Сарнацький і CA Чистовича. - M.: Стройиздат, 1990.
11. Бутузов BA Аналіз досвіду проектування і експлуатації геліоустановок гарячого водопостачання.
Збірник "Енергозбереження на Кубані" / За заг ред. Е. Д. Митус. Краснодар: "Радянська Kyбань", 1999.
12. Державний доповідь-"O стан навколишнього природного середовища Російської Федерації у 1997 р." - Зелений світ, 1998, № 26.
13. Фугенфіров М.І. Використання сонячної енергії в Росії / / Теплоенергетика. 1997. № 4. C. 6-12.
14. Тарніжевскій Б.В., Абуев І.М. Технічний рівень і освоєння виробництва плоских сонячних колекторів в Росії / / Теплоенергетика. 1997. № 4. C. 13-15.
15. Тарніжевскій Б.В. Оцінка ефективності сонячного теплопостачання в Росії / / Теплоенергетика. 1996. № 5. C. 15-18.
16. Тарніжсвскій Б.В., Чакалев KH, Левинський Б.М. Коефіцієнт заміщення опалювальної навантаження пасивними системами сонячного опалення в різних району CCCP / / геліотехніці 1989. № 4.С.54-58.
17. Бекман У., Клейн C., Даффі Дж. Розрахунок систем сонячного теплопостачання. M.: Вища школа, 1982.
18. Марченко OB, Соломін CB Аналіз галузі економічної ефективності ветродізельний електростанцій / / Промислова енергетика. 1999. № 2. C. 49-53.
19. Нова енергетична політика Росії / За заг. ред. Ю.К. Шафраника. M.: Вища школа, 1995.
20. Бородулін М. Ю.
Електротехнічні проблеми створення перетворювальних установок для сонячних і вітрових електростанцій / Бородулін М. Ю., Кадомський Д.Є. / / Електричні станції. - 1997. - № 3. - C.53-57.