4.1. Особливості сонячної енергетики
Відповідно до даних метеорології сонячних днів в Києві 53 взимку, 73 весною, 89 влітку і 58 осіню, в сумі це визначається цифрою 273.
Сонячна енергетика має мало собі рівних відносно екології та ресурсної бази.
Сонячні батареї виготовляють із кремнію, який дуже розповсюджений в земній корі (29.5% відносно маси).
Один кілограм кремнію в фотоелектричній станції за 30 років виробляє електричну енергію, для створення якої на тепловій електростанції потрібно 75 т. нафти. Тому кремній називають нафтою 21-го століття.
“Паливом” для сонячних батарей є безкоштовні сонячні промені, а не дорога, з тенденцією подальшого подорожання завдяки своїй вичерпності , паливна сировина (вугілля, нафта, газ), що до того ж ще й забруднює атмосферу, а тим більше небезпечне для життя топливо АЕС.
Великою перевагою сонячних фотоелектричних батарей являється їх тривалий термін роботи (30 років і більше), також вони не потребують ремонту, оскільки в них відсутні рухомі механічні деталі і вони загерметизовані, повністю чисті в екологічному відношенні та безшумні в процесі виробництва електроенергії.
На Заході сонячні фотоелектричні батареї мають термін окупності 15 років (при собівартості сонячних батарей – 2.5$ за Вт), виходячи з того, що 1 кіловат – година там коштує, в середньому, в 3 – 5 разів дорожче ніж в Україні.
У всіх розвинутих країнах швидко розвивається створення відновлювальних джерел енергії, в тому числі і геліоустановок. В останні роки стає ясним відносно швидке закінчення ери видобувної енергетичної сировини (50 – 100 років), при цьому буде значно зростати її ціна. Дуже сумнівне майбутнє має атомна енергетика. Як вказував академік П.Капіца „атомна енергетика грає роль бомби, що тимчасово дає електричну енергію”.
При дорогих заходах безпеки на існуючих АЕС атомна електроенергія вдвічі дорожча, ніж електроенергія теплових електростанцій. Збитки лише від однієї аварії на Чорнобильській АЕС оцінюються 100 – 200 млрд. доларів. Ймовірність появи таких “Чорнобилів” завжди існує в атомній енергетиці.
Людям вже сьогодні потрібні чисті, дешеві та безпечні джерела енергії. Нобелевський лауреат в галузі фізики напівпровідників академік Ж.І.Алфьоров [4] стверджував: „Якби на розвиток альтернативних джерел енергії було витрачено лише 15% тих засобів, що витрачені на розвиток атомної енергетики, то АЕС для виробництва електроенергії взагалі були б не потрібні”.
Таким чином, використання сонячної енергії являється одним із дуже перспективних напрямків енергетики. Екологічність, властивість відновлення ресурсів, відсутність витрат на капремонт фотомодулів на протязі перших 30 років використання, в майбутньому зменшення вартості відносно традиційних методів отримання електроенергії. Всі ці фактори являються важливими перевагами використання сонячної енергетики.
На сьогоднішній день існують декілька типів сонячних батарей, які перетворюють сонячне світло в електроенергію. Сонячна батарея містить фотоелектричні перетворювачі (ФЕП) – напівпровідникові пристрої , що безпосередньо перетворюють сонячну енергію в електричну. Декілька з’єднаних ФЕП складають сонячну батарею (СБ). Розміри та потужність найбільших із ФЕП – 10x10 см по 1 Вт кожний. Такі елементи при необхідності з’єднуються між собою в батарею до необхідної потужності, розміщуються під склом та герметизуються. Така батарея називається також сонячним модулем. Найбільш перспективні з них – гетероструктурні сонячні батареї. Частіш за все вони виготовляються з арсеніду – галія і мають високий к.к.д. (до 35 – 40 %) в той час , як кремнієві та германієві модулі мають к.к.д. не більше 15%. Їх максимальна робоча температура до +1500 С на відміну від +700 С у кремнієвих батарей. Це забезпечує можливість концентрування світлового опромінення. Арсенід – галієві освітлювальні батареї значно дорожчі ніж кремнієві.
Найбільш ймовірними матеріалами для фотоелектричних систем перетворення сонячної енергії , на сьогодні, являються кремній та арсеній галію (GaAs).
Внаслідок більш високого рівня поглинання сонячного випромінювання в арсенід – галієвих батареях, високі к.к.д. можуть бути досягнуті при значно меншій товщині ФЕП в порівнянні з кремнієвими. Принципово достатньо мати товщину 5 – 6 мкм при отриманому к.к.д. не менше 20%, тоді як товщина кремнієвих елементів не може бути менше 50 – 100 мкм без помітного зниження к.к.д. Така умова дозволяє розраховувати на створення легких плівкових фотоелектричних перетворювачів, для виробництва яких буде потрібно мало початкового матеріалу , особливо якщо для підкладки вдасться використати не GaAs, а інший матеріал, наприклад синтетичний сапфір (Al 2 O 3).
Експериментальні залежності к.к.д. від температури в гетероперетворювачах зі структурою AlGaAs – GaAs вказують на те, що підвищення урівноваженої температури останніх до 150 – 180 0С не приводить до суттєвого пониження їй к.к.д. та оптимальної питомої потужності. В той же час для кремнієвих фотоелектроперетворювачів підвищення температури більше як 60 – 700С являється майже критичним – к.к.д. зменшується вдвічі.
Завдяки стійкості до високих температур арсенід–галієві фотоелектричні перетворювачі дозволяють застосовувати до них концентратори сонячного випромінювання. Робоча температура гетероперетворювачів на GaAs може досягати 1800C, а це являється робочою температурою і для теплових двигунів, парових турбін. Таким чином, до тридцятипроцентного к.к.д. арсенід–галієвих гетерофотоперетворювачів (при 1500С) можна додати к.к.д. теплового двигуна, який використовує відхідне тепло охолоджуючої фотоелементи рідини. Таким чином, загальний к.к.д. установки, яка до того ж використовує ще й третій цикл відбору низькотемпературного тепла від охолоджуючої рідини після турбіни на обігрівання приміщень, може бути навіть вище 50-60%.
Більше того, експерименти показали, що значна частина радіаційних дефектів гетерофотоперетворювачів на основі GaAs зникає після їх термообробки при температурі якраз порядку 150-180 0С. Якщо гетерофотоперетворювачі із GaAs будуть постійно працювати при температурі 150 0С, то ступінь радіаційної деградації їх к.к.д. буде відносно невеликий на протязі усього терміну активного функціонування станцій (особливо це стосується космічних сонячних енергоустановок, для яких дуже важливими являються мала вага та розміри фотоперетворювачів, та високий к.к.д.).
В цілому можна зауважити, що енергетичні, масові показники та характеристики використання гетерофотоперетворювачів на основі GaAs в більшій мірі відповідають вимогам часу, чим характеристики кремнієвих фотоелектричних перетворювачів, але кремній являється значно більше доступним та освоєним у виробництві матеріалом, чим арсенід галію. Кремній широко розповсюджений в природі, а запаси початкової сировини для створення фотоелектричних перетворювачів, на його основі практично необмежені. Технологія виготовлення кремнієвих фотоелектричних перетворювачів добре засвоєна та постійно удосконалюється. Існує реальна перспектива зниження вартості кремнієвих фотоелектричних перетворювачів на один –два порядка при застосуванні нових автоматизованих методів виробництва, які дозволять зокрема отримувати кремнієві стрічки, сонячні елементи великих площин і т.п.
Вартість кремнієвих фотоелектричних батарей понизилась за 25 років в 20-30 разів, з 70-100 $/Вт в семидесятих роках до 3,5 $/Вт в 2000 р. та й надалі продовжуює понижатися.
В реально діючих структурах з гетеропереходами к.к.д. досягає на сьогоднішній день більше 30%, а в однорідних напівпровідниках типу монокристалічного кремнію – до 18%. Середнє значення к.к.д. в сонячних батареях на монокристалічному кремнію сьогодні приблизно 12%, хоча досягає і 18 %. В основному кремнієві СБ можна бачити сьогодні на дахах будинків в різних країнах світу.
На відміну від кремнію галій являється дуже дефіцитним матеріалом. Це обмежує можливості виробництва гетерофотоперетворювачів на основі GaAs в кількості, необхідної для широкого застосування.
В основному галій добувається із бокситів, але розглядається можливість його отримання із вугільного попелу та морської води. Найбільші запаси галію знаходяться у морській воді, але його концентрація там дуже невелика, вихід при добуванні оцінюється величиною усього в 1%, тому витрати на виробництво ймовірно будуть дуже великими. Технологія виробництва гетерофотоперетворювачів на основі GaAs з використанням методів рідинної та газової епітаксії (орієнтованого росту одного монокристалу на поверхні другого) не розвинута ще до такого ступеню розвитку, як технологія виробництва кремнієвих фотоелектроперетворювачів і в наслідок цього вартість гетерофотоперетворювачів на сьогоднішній день суттєво вища (на декілька порядків) відносно вартості фотоелектроперетворювачів із кремнію.
В космічних апаратах, де в основному джерелом електричного струму являються сонячні батареї і де дуже важливими являються поняття співвідношення маси, розмірів та к.к.д., головним матеріалом для сонячних батарей звичайно являється арсенід галію. В космосі дуже важливою являється здатність цього з’єднання в фотоелектричних перетворювачах не понижувати к.к.д. при нагріванні концентрованим в 3-5 разів сонячним випромінюванням, а це відповідно в декілька разів знижує потреби в дефіцитному галію. Додатковий резерв економії галію пов'язаний з використанням підкладки в гетерофотоперетворювачах не із GaAs, а із синтетичного сапфіру (AL2O3).
Вартість гетерофотоперетворювачів при їх масовому виробництві на основі удосконаленої технології ймовірно буде також значно понижена, і в цілому вартість системи перетворення енергії на основі гетерофотоперетворювачів із GaAs може стати цілком спільномірною з вартістю системи на основі кремнію.
Таким чином, на сьогоднішній день важко остаточно визначити перевагу одного із двох розглянутих напівпровідникових матеріалів – кремнію або арсеніду галію, і лише подальший розвиток технології та виробництва покаже, який варіант виявиться більш раціональним для наземної та космічної сонячних енергетик.
Оскільки сонячні батареї видають постійний струм, то з’являється задача трансформації його в промисловий змінний струм з параметрами 50 Гц, 220 В. Така задача дуже просто вирішується шляхом використання відомих приладів – інверторів. Вони відносно дешеві і широко розповсюджені.
Теорію фотоефекту створив А. Ейнштейн. Суть фотоефекту полягає у тому, що кванти сонячного світла поглинаються в напівпровіднику і створюють пари носіїв струму: електрони в зоні провідності та дірки у валентній зоні. Для просторового розведення зарядів, а значить виникнення електричного струму, необхідна наявність внутрішнього електричного поля в напівпровіднику. Таке поле існує в електронно – дірковому p – n переході, в контакті метал – напівпровідник, в контакті двох різних напівпровідників (гетеропереходи).
На рис. 4.1.1 схематично показаний сонячний елемент з p – n переходом та напрям руху фотогенерованих носіїв заряду [21]. Фотогенеровані в р – області електрони витягуються електричним полем в n – область, а фотогенеровані в n – області дірки витягуються електричним полем в р – область. На контактах виникає різниця потенціалів, яка називається напругою холостого ходу Uхх . Якщо закоротити контакти, то через сонячний елемент потече струм короткого замкнення Iкз . Для того, щоб елемент віддавав енергію в зовнішнє коло, до його контактів під’єднують навантаження, яке має електричний опір Rn. Тобто сонячний елемент виконує роль помпи, яка перекачує електрони в напрямку n – область – зовнішнє навантаження – р – область.
Як видно із рис. 4.1.1 такий прилад є джерелом струму. На відміну від хімічних джерел напівпровідникові сонячні елементи не псуються при електричному замиканні контактів. При відповідному виборі опору навантаження енергія, що виробляється сонячним елементом, може досягати 80% від добутку Uкз Iкз. На рис.4.1.1 показані також значення Uм та Iм – значення струму та напруги, для яких реалізується максимальна вихідна потужність Pм= Uм Iм. Коефіцієнт корисної дії к.к.д. сонячного елементу визначається як відношення максимальної вихідної потужності Pм до потужності падаючого сонячного світла Pс, тобто к.к.д.= Pм/ Pс
Рис. 4.1.1 Структура сонячного елемента та діаграма його електричних параметрів
Сонячні елементи характеризуються великою площею, що дозволяє отримувати великі струми (порядку одиниць ампер). Для зменшення можливих електричних втрат при проходженні такого великого струму лицева сторона елемента покривається електропровідною металевою плівкою. Її звичайно роблять у вигляді гребінки для того, щоб сонячне світло пройшло крізь металевий контакт без втрат. Для зменшення втрат сонячного світла на оптичне відбивання від поверхні напівпровідника n – область часто текстурують (наприклад, витравлюють спеціальні піраміди мікронних розмірів) та покривають анти відбиваючим шаром діелектрика.
Із окремих сонячних елементів збирають сонячні батареї (фотомодулі). Типова батарея номіналом 50 Вт складається із 36 послідовно з’єднаних сонячних елементів 100х100 мм2. Така батарея в робочій точці розвиває напругу 17 В при струмі 3А та при освітленні 100 мВт/см2.
З’єднуючи такі фотомодулі, можна створювати електричні станції різної потужності, від декількох кіловат до декількох мегават. Окрім сонячних батарей, які розміщують на дахах, до установки входить також 2 важливих прилади – хімічні акумулятори та регулятор – перетворювач. Вдень сонячні батареї живлять як електричні прилади, так і заряджають акумулятори, в ночі джерелом живлення є виключно акумулятори. Регулятори – перетворювачі потрібні для автоматичного керування процесами зарядки – розрядки акумуляторів, перемикання навантаження сонячна батарея – акумулятор та для узгодження вихідної напруги батареї з номіналом апаратури.
Оцінки показують, що навіть в умовах середніх широт для невеликого котеджу вистачить батареї з потужністю в 2(3) кВт, яка може бути легко розміщена на даху, оскільки займає площу всього 20(30) м 2. Відомо, що в Україні середньорічні суми прямої та розсіяної сонячної радіації на горизонтальну поверхню змінюються від 1080 кВт год/м2 (в районі Чернігова) до 1390 кВт-год./ м2 (Євпаторія). Тоді в залежності від зони, така батарея вироблятиме за рік 2200-2800 (3300-4200) кВт год. електроенергії, що задовольнить енергетичні потреби (без врахування теплопостачання) сім’ї на 3–4 чоловіка.
Сонячна енергетика широко застосовується в системах телекомунікації та зв’язку (ретранслятори, телеметрія); для забезпечення електроенергією навігаційних вогнів, банкерів, дорожніх знаків, освітлення автошляхів в нічний час; для антикорозійного захисту металевих конструкцій та трубопроводів; у віддалених не електрифікованих оселях для живлення побутових приладів; в системах охоронної сигналізації; в сільському господарстві та засушливих районах для добування та подачі води і т.п. Нарешті, в космічних апаратах та штучних супутниках сонячні батареї грають винятково важливу роль в системах живлення бортової апаратури.
На сьогоднішній день, індустрія, що пов’язана з виробництвом сонячних батарей, переживає неабиякий бум. Наприклад, у 2001 році в світі було виготовлено сонячних елементів загальної потужності більше як на 150 МВт, що в перерахунку на кремнієві елементи розміром 100х100 мм2 та потужністю 1.5 Вт означає виробництво в 100 млн. штук. На відміну від інших приладів мікроелектроніки, виробництво сонячних елементів у світі не лише не скорочується, а характеризується щорічним 15% приростом протягом останніх 6 років. На наукові дослідження в області сонячної енергетики щорічно витрачається сотні мільйонів доларів.
Єдине, що стримує ще більш широке поширення сонячної енергетики, це висока ціна енергії, що отримується від сонячних елементів. Собівартість сонячної батареї потужністю 1 Вт становить близько 2 – 3 доларів США, тому окупність енергії, що виробляється сонячними батареями , складає більше 20 – 30 років. Вартість 1 кВт.год. електроенергії, яка виробляється фотомодулями, сьогодні значно вища ніж для традиційної енергетики, але слід зауважити, що: по – перше, ця величина має тенденцію до зменшення для сонячної енергетики та до зростання цін для традиційної енергетики, а по – друге, сонячна енергетика може успішно конкурувати з традиційною в тих випадках, коли споживання енергії порівняно невелике, а підвести електроенергію від загальної електромережі дорого або зовсім неможливо. У цих випадках на перший план виходить не вартість електроенергії, а цінність або необхідність тих функцій, які здійснюються за рахунок електроенергії застосування сонячних батарей в наведених вище випадках (в засобах зв’язку, в транспорті, у побуті, в сільському господарстві, для екологічного контролю) виправдано не стільки кількістю виробленої ними електроенергії, скільки появою нових можливостей, покращенням якості процесів, які вже використовуються.
Ефект від застосування сонячних батарей в перерахованих напрямках і галузях підвищується, якщо використовуються економічні споживачі енергії, спеціально розроблені для роботи з фотомодулями (лампи освітлення, холодильники, насоси, телевізори). Крім того, термін роботи сонячних елементів практично необмежений і може складати десятки років.
В розвинутих країнах здійснюються потужні інвестиції в нові наукові розробки, головна мета яких – здешевлення сонячної енергії, іде формування нових ринків споживання. Досить згадати програму “ Мільйон сонячних дахів” у Німеччині, Італії та інші. Уряди США, Японії та Західної Європи стимулюють споживання сонячної енергії населенням, в першу чергу, тому що ця енергія екологічно чиста і дозволяє економити обмежені ресурси органічного палива. Для цього виділяються безвідсоткові довгострокові позики на покупку сонячних батарей, безкоштовно проводиться сервісне обслуговування цих установок.
Система сонячних батарей з хімічними акумуляторами є практично єдиною екологічно придатною для живлення апаратури в умовах відсутності мережі центрального енергопостачання, тобто в умовах, коли створювати та використовувати мережу центрального енергопостачання не рентабельно. Ця проблема не може бути розв’язана традиційним способом будівництва стаціонарної мережі внаслідок її дорожнечі.
Таким чином, застосування в Україні відновлювальних джерел енергії, без сумніву, дасть користь. З іншого боку, економіка України має відповідні потужності з виробництва необхідних компонентів та створення структури такої енергетики.