За існуючими оцінками, сонячної енергії, що надходить на Землю кожну хвилину, досить для того, щоб задовольнити річні поточні потреби людства в енергії. Без сонячних батарей не обходиться жоден космічний апарат, але робили їх не тільки для космосу. У 1970-х роках в СРСР такого роду енергетичні установки використовували (хоча і не дуже широко) в пустельних районах. Однак до недавнього часу сонячна енергетика сприймалася, швидше, як реверанс в сторону екологів, ніж як економічно обґрунтований крок. Що ж стримувало розвиток сонячної енергетики і чому зараз вона так динамічно росте?
Сонячна енергетика стане конкурентоспроможною в разі, якщо ККД сонячних електростанцій досягне 25%, термін їх служби збільшиться до 50 років, а вартість встановленого кіловата пікової потужності впаде нижче 2000 доларів США. В Україні діє зелений тариф тому сонячні батареї в Україні стають дедалі популярніші.
Фотоелемент з полікристалічного кремнію.
Тонкоплівкові фотоелементи набули широкого поширення завдяки своїй відносно невисокій вартості.
Сонячна електростанція «Planta Solar 10» поблизу Севільї в Іспанії – перша комерційна термодинамічна станція баштового типу в світі. 624 великих обертових дзеркал-геліостатів виробляють електрику сумарною потужністю 11 МВт.
Прогноз зміни частки фотоелементів, виготовлених з різних матеріалів. Джерело: Frankl et al. «Technology Roadmap: Solar photovoltaic energy». – International Energy Agency, 2010 року.
Протягом історії людства базовий енергоносій, який використовується людиною, змінювався. Спочатку це були енергія води і вітру, потім, після першої промислової революції (що почалася в останній третині XVIII століття і тривала весь XIX століття), вугілля і нафту. Ще в недавньому минулому, в 1970-і роки, переважав оптимістичний погляд, що базовим енергоносієм в самий найближчий час стане ядерна енергія, виробництво якої тоді швидко наростало. Але аварії на станціях «Три-Майл-Айленд» у США в 1979 році і особливо Чорнобильської АЕС в СРСР в 1986 році показали реальні ризики і недосконалість ядерних енергетичних технологій. Виник тоді екологічний рух бачило майбутнє енергетики в поновлювані джерела енергії, таких як вітер, сонце, тепло Землі.
Сьогодні в структурі світової енергетики вже не можна виділити базовий енергоносій: зросла частка газу і поновлюваних джерел енергії, знизилися частки вугілля і нафти, немає росту атомної енергетики. Світова енергетика все більше диверсифікується, що сприяє розвитку конкуренції між різними видами енергії.
На тлі загрози швидкого вичерпання запасів вуглеводнів, зростання вартості їх видобутку та транспортування, відсутність нових технологічних проривів в традиційній енергетиці конкурентоспроможність відновлюваних джерел енергії стала збільшуватися.
Еволюція «сонячних» матеріалів І ціна енергії
З усіх видів енергетики на основі відновлюваних джерел швидше за все зростає сонячна енергетика. Наприклад, в 2010 році в світі побудовано 22,7 ГВт (гігават) фотоелектростанцій (ФЕС), в тому числі в Німеччині – 7 ГВт, Італії – 5,6 ГВт, Чехії – 1,2 ГВт, Японії – 1 ГВт. Для порівняння: у тому ж 2010 році в світі завершено будівництво трьох АЕС загальною потужністю 3 ГВт. Станом на березень 2013 року сумарний встановлена потужність сонячних електростанцій (СЕС) в світі досягла 100 ГВт. За оцінками Грінпіс, до 2030 року ця величина може скласти 1480 ГВт, а до 2050 року – 4600 ГВт.
Прискорене зростання сонячної енергетики був би неможливий без розвитку електроніки, матеріалознавства, техніки. Якщо раніше єдиним матеріалом для виробництва сонячних елементів був полікристалічний кремній, то зараз використовують також монокристаллический, аморфний кремній і інші напівпровідники. Довгий час вартість надчистого кремнію була недозволено високою і лише трохи поступалася вартості урану, що було пов’язано з використанням застарілого хлорсиланового технології виробництва кремнію. Розроблена близько сорока років тому, вона до теперішнього часу практично не змінювалася, зберігаючи негативні риси хімічних технологій 1960-х років – високу енергоємність, низький вихід продукту, що виробляється, в даному випадку – кремнію, екологічно брудне виробництво.
З початку 1970-х років в СРСР, Німеччини і США займалися розробкою нових технологій отримання кремнію. В середині 1980-х років німецькі та американські компанії повідомили про створення технології отримання високочистого «сонячного» кремнію, заснованої на карботермічним відновленні особливо чистих кварцитів. У 1990-х роках ККД лабораторних зразків кремнію, отриманих за цією технологією, став порівняємо з ККД фотоелементів з «хлорсиланового» кремнію.
Перший тонкоплівкових фотоелемент на основі аморфного кремнію (альтернатива дорогим кристалічним кремнієвим елементів) був розроблений в 1980-і роки. Завдяки більш низькій вартості тонкоплівкових фотоелементів їх виробництво стало швидко рости. Крім кремнію в них використовують арсенід галію, телурид кадмію, діселеніда міді та індію. На даний момент кремнієві тонкоплівкові елементи займають близько 80% обсягу світового ринку тонкоплівкових сонячних осередків, близько 18% припадає на плівки на основі телуриду кадмію і 2% – на тонкоплівкові елементи з селеніду міді-індію-галію.
В цілому нові технології дозволили істотно здешевити сонячні панелі і разом з ними знизити вартість виробленого з їх допомогою електрики. Якщо в кінці 1960-х років вартість фотоелектричної панелі становила близько 100 000 доларів США на кіловат потужності, то в даний час вона коливається від 2000 до 3000 за кВт встановленої потужності. В якійсь мірі це було досягнуто за рахунок збільшення видобутку кремнію, середньорічний темп зростання якої становить 10%.
Ще один шлях зниження вартості сонячних панелей – зменшення витрат кремнію на один мегават виробленої потужності. Наприклад, з 2006 по 2008 рік завдяки введенню нових, енергоефективних технологій витрата кремнію на 1 ват встановленої потужності знизився з 10 до 8,7 г / Вт. З 2008 року вартість виробленого фотоелектричними панелями мегавата впала на 60%.
Найважливішим завданням сонячної енергетики залишається підвищення ККД фотоперетворення. В даний час його середнє значення близько 16%. У той же час багато лабораторій світу вже повідомили про досягнення ККД прямого перетворення сонячної енергії в електричну від 34 до 45%. (Теоретичний ККД фотоелектричного перетворення сонячної енергії, за даними академіка Ж. І. Алфьорова, 87%.)
З огляду на зростання масштабів виробництва сонячних панелей і широке впровадження технологічних новацій в збільшення їх ККД, очікується, що «сонячне» електрику буде неухильно дешевшати. За прогнозами Європейської асоціації фотовольтаїки (EPIA), до 2020 року вартість електроенергії, що виробляється сонячними енергосистемами, впаде нижче 0,10-0,15 євро за кВт · год.
Перетворення сонячного променя
У сонячної енергетики є три головних напрямки розвитку – фотоелектроенергетіка, геліотермоенергетіка і сонячні колектори для теплопостачання.
Фотоелектроенергетіка реалізує метод прямої трансформації сонячної енергії в електричну за допомогою фотоелектричних перетворювачів (ФЕП). Такі фотоперетворювачів отримали найбільш широке поширення в світі. Їх називають також фотоелектричними модулями, сонячними батареями, сонячними модулями.
Фотоелектричні перетворювачі зазвичай комплектуються в модулі потужністю до декількох сотень ват, які можна об’єднувати в більші батареї. Їх використовують як для живлення енергією окремих споживачів (автономні системи), так і в електричних мережах. В автономних системах, наприклад на метеорологічних станціях, для окремих будинків або не забезпечених енергопостачанням районів вони цілком конкурентоспроможні і рентабельні.
Встановлені потужності сонячних модулів, приєднані до енергосистем, зосереджені головним чином в Японії, Німеччині та США.
У геліотермоенергетіке використовують так звані термодинамічні перетворювачі. У них сонячна енергія трансформується спочатку в тепло, яке потім перетворюється в механічну енергію і далі – в електричну.
Перетворення сонячної енергії в термодинамічних СЕС включає в себе чотири основні етапи. Концентратор сприймає сонячне випромінювання і фокусує його на приймачі, який поглинає сконцентрований сонячне світло, перетворює його в тепло і передає тепло робочої рідини. Нагріта рідина надходить в систему перетворення енергії. Такі станції можуть використовуватися як для вироблення електроенергії, так і для теплопостачання.
Сонячні термодинамічні станції бувають декількох типів. В установках баштового типу сонячне світло, відбите від плоских дзеркал, концентрується на центральному приймачі. Сонячні електростанції тарельчатого (параболічного) типу складаються з окремих модулів, число яких може досягати декількох десятків. Модуль включає опору, на яку кріпиться ферма приймача і відбивача. Приймач знаходиться на деякому віддаленні від відбивача, і в ньому концентруються відбиті промені сонця. Відбивач являє собою систему дзеркал діаметром 1-2 м в формі тарілок (звідси назва), радіально розташованих на фермі.
Ще один тип термодинамічних станцій – системи, що використовують Параболоциліндричні концентратори. У фокусі параболи розміщується трубка з теплоносієм. Розігрітий теплоносій віддає тепло воді в теплообміннику, де вода перетворюється в пар і надходить на турбогенератор.
Одна з різновидів геліотермоелектростанцій баштового типу – сонячно-вакуумні електростанції. У них використовується перепад температур повітря біля поверхні землі і на деякій висоті. Ділянка землі накривається склом, а з середини цієї «оранжереї» виступає висока вежа. Сонце, розігріваючи «оранжерею», створює постійну тягу, і потік повітря через вежу обертає вбудовану у її заснування турбіну з генератором. Чим вище сама вежа, тим більше виробляється енергії. Перевага такої системи полягає в тому, що вона працює практично цілодобово, так як земля під вежею зберігає тепло, поглинене протягом дня, і поступово віддає його для роботи станції вночі.
Вперше така технологія була використана в Іспанії близько 30 років тому. Система з парників діаметром 244 м і вежею заввишки 195 м розвивала максимальну потужність 50 кВт. Пропрацювала вона близько 8 років. У 2010 році в Китаї звели схожу станцію потужністю 0,2 МВт. Сонячно-вакуумна електростанція, побудована в 2006 році в Австралії, з вежею заввишки 1 км, виробляє 1 МВт енергії.
Оптимальними умовами для роботи термодинамічних сонячних електростанцій у своєму розпорядженні регіони з посушливим або напівпосушливими кліматом: Південна Європа, Північна і Південна Африка, Близький Схід, західна Індія, Західна Австралія, північно-східна Бразилія, північна Мексика і південний захід США.
Найбільша на сьогоднішній день геліотермальная електростанція потужністю 300 МВт побудована в Іспанії (провінція Андалузія). У США найбільші сонячні електростанції знаходяться в штатах Невада (60 МВт), Каліфорнія (250 МВт) і Арізона (280 МВт).
Для компенсації мінливості сонячного випромінювання застосовують акумулятори тепла або резервне паливо. Сонячні енергоустановки можна використовувати і як частина диверсифікованої системи енергопостачання. Сумісність систем залежить від характеристик кривої навантаження. У сонячних районах, де пік навантаження припадає на літні дні (що часто обумовлено кондиціонуванням повітря), вклад сонячної енергії в покриття пікових навантажень може бути суттєвим. Подібні умови характерні для тропічних широт. На більш високих широтах, де пікове навантаження припадає на зимовий ранок, внесок сонячної енергії виявляється незначним, що вимагає збільшення резервних потужностей.
Перевага сонячних термодинамічних технологій – можливість інтеграції в традиційні теплові електростанції. Наприклад, геліотермальная електростанція в Неваді доповнена газовим турбогенератором. Це дозволяє акумулювати тепло або надійну резервну потужність без споруди окремих резервних станцій і змін в енергосистемі. Таким чином можна доповнювати мінливу вихідну потужність «сонячної топки» і стійко забезпечувати споживачів електроенергією.
Недолік таких комбінованих систем – висока вартість.
Капітальні витрати на будівництво і експлуатацію сонячних термальних електростанцій дуже великі, а темпи вдосконалення технології нижче, ніж для фотоелектроенергетікі.
Сонячні колектори для теплопостачання (геліотеплоенергетіка) отримали дуже широке поширення. На даний момент світовий лідер встановленої потужності сонячних колекторів – Китай. В Європі лідирують Німеччина, Греція та Австрія. Найбільша питома площа поверхні колекторів в розрахунку на одного жителя відзначається на Кіпрі – 582 м2, за ним з великим відривом йде Австрія – 297 м2.
Сонячні колектори для теплопостачання найкращим чином підходять для локальних систем опалення. Їх використання дозволяє споживачеві не залежати від центрального теплопостачання. Головна проблема геліотеплоенергетікі (як і всієї сонячної енергетики) – збереження теплової (або електричної) енергії – пов’язана з мінливістю добового і сезонного коливання приходить сонячного випромінювання.
Сучасні системи акумулювання енергії під час відсутності сонця дозволяють видавати навантаження лише протягом кількох годин. Тому перед інженерами стоїть завдання створення акумуляторів нового типу з істотно більшою ємністю. Крім цього треба буде розв’язати проблему брудних з екологічної точки зору виробництв поводьтеся з акумуляторами.
Тут варто відзначити ще один часто згадуваний «екологічний» недолік сонячної енергетики, що висувається її противниками, – значне відторгнення земельних ресурсів під сонячні панелі. Однак легко порахувати, що, якщо навіть всю світову енергетику перевести на сонячну енергію, частка сільгоспугідь, що відходять під енергоустановки, складе менше 2% загальної площі (51 млн км2) сільськогосподарських земель. Дійсно, сьогодні в світі споживається приблизно 18 млрд т у. т. (тонн умовного палива). На земну поверхню в залежності від широти місця приходить від 0,1 до 0,3 кВт / м2 сонячної енергії. Це еквівалентно 0,1-0,3 т у.п., тобто в середньому 0,2 т у.п. Взявши ККД сонячних станцій всього за 10%, отримуємо, що для виробництва 18 млрд т у.п. буде потрібно 0,9 млн км2 землі.
Додамо, що сонячну енергетику вигідно розвивати в районах з найбільшою інсоляцією, а це в основному непридатні для сільськогосподарського використання території.
