4.5. Потенціальні можливості сонячної енергетики

Загальна потужність сонячного випромінювання, яке перехоплюється нашою планетою, складає 1,7×10¹⁴кВт. Це колосальна потужність, яка приблизно в 500 разів перевищує допустимі потреби людства (3×10¹¹ Вт) [21]

Якщо підрахувати усю сонячну енергію, яку наша планета отримує за 1 рік, то вона складає 10¹⁸кВт^.год. Це приблизно в 10 разів більше енергії усіх розвіданих і нерозвіданих корисних копалин. Із загальної кількості сонячного випромінення, яке поступає на Землю, близько 30% відбивається в космос у вигляді коротко-хвильового випромінення, 23% витрачається в процесі випаровування, створення опадів та кругообігу води в природі. Невелика частина приблизно 0,2% витрачається на створення потіків в океані та в атмосфері, включаючи океанські хвилі. І тільки 0,02% використовується хлорофілом зелених рослин і підтримують життя на нашій планеті.Мала частина від цих 0,02% забезпечила міліони років тому накопичення на Землі запасів корисних копалин [23].

Сонячна енергія впевнено завойовує стійкі позиції у світовій енергетиці. Привабливість цього виду енергії обумовлена рядом обставин:

1. Сонячна енергетика доступна в кожній точці планети, відрізняючись по густині потоку випромінення не більше, чим в 2 рази. Тому вона приваблива для всіх країн і задовольняє їх інтереси в плані енергетичної незалежності.

2. Сонячна енергія – це екологічно чисте джерело енергії, яке дозволяє використовувати його у великих маштабах без негативного впливу на довкілля.

3. Сонячна енергія – це практично невичерпне джерело енергії, яке буде існувати і через міліони років.

Основними напрямками використання сонячної енергії є :

1. Пряме перетворення сонячної енергії в електричну;

2. Отримання тепла шляхом абсорбції сонячного випромінювання.

Пряме перетворення сонячного випромінювання в електроенергію здійснюється за допомогою напівпровідникових фотоелектричних перетворювачів(ФЕП)

Фотоелектричні перетворювачі працюють за принципом внутрішнього фотоефекту, при якому фотони, які поглинаються в базовому шарі ФЕП, передають свою енергію безпосередньо електронам.

Фотоелектричний ефект з’являється в напівпровідникових структурах при наявності в них енергетичного бар’єру. Енергетичний бар’єр в більшості ФЕП являє собою внутрішнє електричне поле, яке з’явлвється на границі двох напівпровідникових матеріалів, які відрізняються типом електропровідності електронної (n типу) та диркової (p типу) ). При поглинанні фотонів здійснюється генерація нерівновісних електронно-диркових пар, розділення яких електричним полем приводить до формування фото–ЕРС (ЕРС – електронно-рушійна сила) (рис. 4.5.1), яка існує до тих пір, поки напівпровідникова структура освіт-люється сонячним випро-мінюванням [21].

Рис. 4.5.1. Схема внутрішнього фотоефекту в напівпровідниковій структурі:

Hν – енергія падаючого фотону; Et-рівень Фермі; Еv-верхня границя валентної зони; Ес-нижня границя зони провідності.

Для будь-якого перетворювача одного типу енергії в другий основоною характеристикою використання являється коефіцієнт корисної дії (Ккд). Ккд перетворення сонячної енергії визначається відношенням електричної потужності, яка створюється при роботі ФЕП до потужності сонячного випромінювання, яке поступає на його поверхню при стандартній густині сонячного випромінювання 1 кВт/м² (1000Вт/м² ). Так, наприклад, при Ккд 10% із 1м² ФЕП можна отримати 100Вт електричної потужності. По своєму конструктивно-технологічному рішенню фотоелектричні перетворювачі являються наукоємні вироби електронної техніки. Перші надійні та довговічні ФЕП були виготовлені на основі монокристалічного кремнію для електрозабезпечення космічних апаратів.

Типова конструкція сучасного ФЕП на основі pSi-nSi приведена на рисунку 4.5.2 [21]. Ккд таких ФЕП складає 14%. При цьому напруга холостого ходу дорівнює 0,6 , а густина струму короткого замкнення досягає 40 мА/м².

Рис.4.5.2 Типова конструкція ФЕП на основі монокристала кремнія

Оскільки для роботи більшості споживачів необхідні більш високі значення напруги та струму, то ФЕП паралельно-послідовно збираються в сонячні модулі потрібної потужності та вихідної напруги.

Коштовність таких модулів визначається високою ціною пластин монокристалічного кремнію товщиною 300–500 мкм, які використовуються в його конструкції. Такі пластини Si отримують розрізанням вирощеного при температурі більше 1000⁰С монокристалічного циліндра діаметром до 150 млм. При розрізанні на пластини майже половина цього дорогого матеріалу йде в стружку, тому ФЕП на основі монокристалів Si використовують переважно для апаратів космічного призначення. При виробництві монокристалічних кремнієвих ФЕП витрачається така кількість енергії яка не не окуплюються на протязі часу їх використання (20–25 років) .

ФЕП на основі вирощуваної полікристалічної кремнієвої плівки являється більш привабливим, не зважачи на більш низьке Ккд, оскільки на протязі їх використання вони виробляють електроенергії значно більше, чим було затрачено на їх виробництво. Найбільш перспективними вважаються тонкі плівкові ФЕП, низька коштовність яких при масовому виробництві і при достатній ефективності визначається зменшенням товщини ФЕП в 100 разів. Найбільшу ефективність показують сонячні елементи на основі плівок напівпровідникових полікристалічних з’єднаннь Сu (ІGa) Se2, Cd Te, які виготовляють с плівок товщиною декілька нейтрон та гідрогенізірованого аморфного кремнію aSi..H. Типове конструктивно-технологічне виконання таких ФЕП показано на рис. 4.5.3 [21].

Рис. 4.5.3 Схема тонкоплівкового фотоелектричного перетворювача

Отримання тепла шляхом прямої абсорбції сонячного випромінювання являється найбільш простим відносно технічної реалізації способом використання сонячної енергії. Таке тепло використовується для нагрівання води, обігрівання приміщень, сушіння матеріалів та продуктів сільськогосподарського виробництва. Велика практична зацікавленість щодо обігрівання приміщень та отримання гарячої води за рахунок сонячного випромінювання обумовлена тим, що в розвинутих країнах близько 30–40% виробляємої енергії використовується на так зване низькотемпературне нагрівання (<100^°С).

Отримання такого низькотемпературного тепла можна здійснювати за допомогою плоских теплових колекторів, які працюють за принципом тепличного ефекту. При цьому сонячне випромінювання поступає на поверхню теплового колектора, який покритий прозорим для сонячних променів матеріалом, практично без втрат проходить в середину теплового колектора і нагріває теплоприймач.

Оскільки основна інтенсивність сонячного випромінювання знаходиться в спектральному інтервалі 0,4мкм–1,8мкм, то прозорий верхній шар виконується із скла, яке має коефіцієнт пропускання в цьому спектральному діапазоні до 95%.

Розташований в нижній частині (рис. 4.5.4) теплоприймач виконаний із абсорбіруючого покриття з коефіцієнтом поглинання сонячного випромінювання до 90%. Поглинаючи пряме сонячне випромінювання таке абсорбіруюче покриття навіть без верхнього скла може нагріватися до (50-80⁰С )в залежності від потужності падаючого випромінювання. Нагріте до таких самих температур тіло випромінює теплову енергію, основна потужність якої знаходиться в інфрачервоному діапазоні [21].

Рис. 4.5.4 Схема сонячного колектора

Довжина хвилі, яка забезпечує максимальну потужність випромінювання виражається відповідно до закону Віна:

(4.5.1)

де λ_max – довжина хвилі (мкм), яка відповідає максимальній інтенсивності випромінювання; Т^°К – абсолютна температура нагрітого тіла в градусах Кельвіна (К).

Для спектрального діапазону який відповідає інфрачервоному випромінюванню, скло має низький коефіцієнт пропускання. Це обумовлює тепличний ефект, який забезпечує накопичення енергії під склом та збільшує температуру теплоприймача до 160^°С якщо перетворена енергія не виводиться із колектора теплоносієм.

В робочому режимі накопичене тепло використовується на нагрівання повітря або води, які циркулюють через колектор (рис. 9). В середній полосі Європи продуктивність таких колекторів може досягати 50–60 л води, нагрітої до 60–70^°С, з кожного квадратного метра в день. ККД такого сонячного колектора дорівнює 70% і залежить від температури навколишнього середовища, густини потоку сонячної енергії і температури до якої необхідно нагрівати воду в колекторі. При зменшенні температури, до якої необхідно нагрівати воду, яка циркулює через колектор, ККД колектора збільшується, але стандартна температура нагрітої води складає 50^°С. Для сонячного колектора основною технічною характеристикою являється об’єм води або повітря, які нагріті до заданої температури на протязі світлового дня одним квадратним метром колектора .

Цей параметр залежить від періоду року та геологічного положення місця, в якому установлюється колектор.

Ефективність сонячного колектора може бути збільшена приблизно на 20% при використанні на теплотермальних поверхнях селективні поглинаючі поверхні, які мають властивість добре поглинати видиму частину сонячного спектра і практично не випромінювати інфрачервоні області спектра.

Одним із видів селективних покриттів являється ”чорний алюміній”. Основними економічними показниками колектора являються коштовність, надійність та довговічність. Термін придатності колектора не менше десяти років. Такі колектори мають низьку матеріалоємність (вага матеріалу виготовлення одного метра квадратного поверхні) та низьку інерціонність (термін нагрівання води до заданої температури при заданому тиску води).

В систему отримання низькотемпературного тепла також входять накоплювачі тепла, які в самому простому варіанті використовуються як термоізольовані ємності (термоси) для збереження гарячої води. Об’єм накоплювача та необхідна площа колекторів визначається добовим споживанням тепла та середнім числом сонячних днів на рік в даній місцевості. Якщо сонячний колектор використовує не воду, а незамерзаючу рідину, тоді за допомогою теплообмінника в накопичувальному теплоізольованому баку та додаткового нагрівача (газ, електроенергія і т.д.) можна протягом року економити до 50–60% енергії, яка необхідна для обігрівання дому та інших теплових домашніх потреб. Це практично широко використовується в промислово розвинутих країнах. В такому випадку сонячні колектори працюють весь рік в автономному режимі паралельно з звичайними тепловими та електричними нагрівачами води. В сонячних установках для сушіння матеріалів та продуктів сільського господарства теплоносієм являється повітря.

Геліоенергетичні програми прийняті більш як в 70 країнах світу – від Північної Скандинавії до випалених пустель Африки. Пристрої, які використовують енергію сонця, розроблені для опалення, освітлення та та виробництва електроенергії. З’явлись транспортні засоби з сонячним приводом: моторні лодки , сонцелітаки літаки та дирижаблі з сонячними панелями. Сонцемобілі пересікають країни і континенти зі швидкістю, яка майже така, як у звичайного автомобіля.

Широко застосовують геліоконцентратори, в яких паралельні сонячні промені збираються за допомогою вигнутого зеркала. Якщо в форус зеркала установити трубу з водою, то вона нагрівається. Зеркала в установках використовують або традиційні із скла, або із полірованого алюмінія.

Технічно концентрацію можна збільшити за допомогою різних оптичних елементів – дзеркал, лінз світодіодів, але при високих рівнях потужності концентруємого випромінювання доцільно використовувати лише дзеркальні відбивачі.

Основним енергетичним показником концентратора сонячного випромінювання є коефіцієнт концентрації, який визначається як відношення середньої густини з концентрованого випромінювання до густини променевого потоку, який поступає на відповідну поверхню при умові точного орієнтування на Сонце.

Концентруюча здатність реальних систем значно нижче коефіцієнта К_меж межового значення К_меж=46160. Воно також залежить від геометрії концентратора і кутового радіуса сонячного диску. Суттєво на неї впливає і відбиваюча здатність дзеркальної поверхні, особливо на випадок багатократних відзеркалень.

Високопотенційні системи концентрації повинні мати конфігурацію, яка подібна до форми обертання другого порядка – параболоїда, еліпсоїда, гіперболоїда або півсфери. Тільки в такому варіанті може бути досягнута густина випромінювання, яка в сотні і тисячі разів перевищує сонячну постійну.

Найбільш ефективні концентратори сонячного випромінювання мають форму: циліндричного переболоїда; параболоїда обертання; плосколінійної лінзи Франеля.

Параболоїдна конфігурація має явну перевагу перед другими формами по величині концентруючої здатності. Тому вони так шороко застосовуються в геліотехнічних системах.

Оптимальний кут розкриву реальних параболоїдних концентраторів ближчий до 60^º на відміну від ідельного параболічного концентратора (45^º).

В реальних геліоситемах плоско-лінійна лінза Франеля випростовується рідко в наслідок її вартості.

Сонячна енергія може безпоседньо перетворитись в механічну. Для цього використовують двигун Стірлінга (двигун зовнішнього спалення, приклад – паровоз). Якщо в фокусі параболічного дзеркала діаметром 1,5м установити динамічний перетворювач, який працює за циклом Стірлінга, то отриманої потужності буде достатньо, щоб підняти із глибини 20м 2м³ води за годину.

Як видно із рис. 4.5.5 відновлювальні джерела енергії в цілому світі швидко розвиваються. З 1990 року по 1997 рік максимальні темпи приросту мають виробництво енергії за рахунок використання вітроенергетики 25,7% та фотоенергетики (16,8%).

Практичне використання фотоелектричних перетворювачів в останній час стрімко збільшується.

Рис. 4.5.5 Тенденція розвитку енергетики з 1990р. по 1997р.

Основним фактором, який обмежує широкомасштабне застосування фотоелектричних перетворювачів являється вартість ФЕП. Але з 1976 по 1996 рік вартість ФЕП, які мають потужність 1 Вт при інтенсивності сонячного випромінювання 1000 Вт/м² понизилась на 80%. Пониження вартості тонко плівкових ФЕП до 1$/Wp, яке прогнозується [21] до 2010 року (табл. 4.5.1), зробить фотоелектрику конкурентноздатну з електроенергією, яка виробляється тепловими електростанціями. Зниження собівартості повинно сприяти також збільшенню ефективності фотоелектричних перетворювачі сонячної енергії (табл. 4.5.2) [21].

Вартість ФЕП ($/Wp): стан і прогноз

Таблиця 4.5.1

Матеріал ФЕП	1997р.	2000р.	2010р.
Полікристалічний кремній	3.9-4.25	1.50-2.50	1.20-2.00
Cd Te	-	1.20-2.00	0.75-1.25
a-Si	2.50-4.50	1.20-2.00	0.75-1.25
Cu(IuGa)Se2	-	1.20-2.00	0.75-1.25

ККД(%) сонячних модулів: стан і прогноз

Таблиця 4.5.2

Матеріал ФЕП	1998	2000	2010
Полікристалічний кремній	13-15	16	20
Cd Te	6-8	10	14
a-Si	7-8	12	14
Cu(IuGa)Se2	7-8	12	14

На території України енергія сонячного випромінювання за один середньо повний світловий день в середньому складає 4кВт год. на 1м² (в літні дні – до 6–6,5 кВт∙год. на кожний квадратний метр). Це стільки ж, скільки в середній Європі, де використання сонячної енергії широко застосовується.