Гелиоэнергетика. 
Альтернативные источники энергии

Солнечная энергетика — направление нетрадиционной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует неисчерпаемый источник энергии[1] и является экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов[2]. Производство энергии с помощью солнечных электростанций хорошо согласовывается с концепцией распределённого производства энергии.

Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения:

фотовольтаика — получение электроэнергии с помощью фотоэлементов;

гелиотермальная энергетика — нагревание поверхности, поглощающей солнечные лучи, и последующее распределение и использование тепла (фокусирование солнечного излучения на сосуде с водой для последующего использования нагретой воды в отоплении или в паровых электрогенераторах). В качестве особого вида станций гелиотермальной энергетики принято выделять солнечные системы концентрирующего типа (CSP — Concentrated solar power). В этих установках энергия солнечных лучей с помощью системы линз и зеркал фокусируется в концентрированный луч солнца. Этот луч солнца используется как источник тепловой энергии для нагрева рабочей жидкости, которая расходуется для электрогенерации по аналогии с обычными ТЭЦ или накапливается для сохранения энергии[3]. Преобразование солнечной энергии в электричество осуществляется с помощью тепловых машин:

паровые машины (поршневые или турбинные), использующие водяной пар, углекислый газ, пропан-бутан, фреоны; двигатель Стирлинга; термовоздушные электростанции (преобразование солнечной энергии в энергию воздушного потока, направляемого на турбогенератор). солнечные аэростатные электростанции (генерация водяного пара внутри баллона аэростата за счет нагрева солнечным излучением поверхности аэростата, покрытой селективно-поглощающим покрытием). Преимущество — запаса пара в баллоне достаточно для работы электростанции в темное время суток и в ненастную погоду.

Типы фотоэлектрических элементов.

В настоящее время принято различать три поколения ФЭП[5]:

• *Кристаллические (первое поколение):
• *монокристаллические кремниевые;
• *поликристаллические (мультикристаллические) кремниевые;
• *технологии выращивания тонкостенных заготовок: EFG (Edge defined film-fed crystal growth technique), S-web (Siemens), тонкослойный поликремний (Apex).
• *Тонкоплёночные (второе поколение):
• *кремниевые: аморфные, микрокристаллические, нанокристаллические, CSG (crystalline silicon on glass);
• *на основе теллурида кадмия (CdTe);
• *на основе селенида меди-индия-(галлия) (CI (G)S);
• *ФЭП третьего поколения:
• *фотосенсибилизованные краситилем (dye-sensitized solar cell, DSC);
• *органические (полимерные) ФЭП (OPV);
• *неорганические ФЭП (CTZSS);
• *ФЭП на основе каскадных структур.
• *Наноантенны.

В 2005 году на тонкоплёночные фотоэлементы приходилось 6% рынка. В 2006 году тонкоплёночные фотоэлементы занимали 7% долю рынка. В 2007 году доля тонкоплёночных технологий увеличилась до 8%. В 2009 году доля тонкоплёночных фотоэлементов выросла до 16,8%[6].

За период с 1999 года по 2006 год поставки тонкоплёночных фотоэлементов росли ежегодно в среднем на 80%.

рис. 2.

Достоинства.

• *Общедоступность и неисчерпаемость источника.
• *Теоретически, полная безопасность для окружающей среды, хотя существует вероятность того, что повсеместное внедрение солнечной энергетики может изменить альбедо (характеристику отражательной (рассеивающей) способности) земной поверхности и привести к изменению климата (однако при современном уровне потребления энергии это крайне маловероятно).

Недостатки.

• *Зависимость от погоды и времени суток.
• *Как следствие, необходимость аккумуляции энергии.
• *При промышленном производстве — необходимость дублирования солнечных ЭС маневренными ЭС сопоставимой мощности.
• *Высокая стоимость конструкции, связанная с применением редких элементов (к примеру, индий и теллур).
• *Необходимость периодической очистки отражающей поверхности от пыли.
• *Нагрев атмосферы над электростанцией.

Экологические проблемы При производстве фотоэлементов уровень загрязнений не превышает допустимого уровня для предприятий микроэлектронной промышленности. Современные фотоэлементы имеют срок службы 30—50 лет. Применение кадмия, связанного в соединениях, при производстве некоторых типов фотоэлементов с целью повышения эффективности преобразования, ставит сложный вопрос их утилизации, который тоже не имеет пока приемлемого с экологической точки зрения решения, хотя такие элементы имеют незначительное распространение, и соединениям кадмия при современном производстве уже найдена достойная замена.

В последнее время активно развивается производство тонкоплёночных фотоэлементов, в составе которых содержится всего около 1% кремния, по отношению к массе подложки, на которую наносятся тонкие плёнки. Из-за малого расхода материалов на поглощающий слой, здесь кремния, тонкоплёночные кремниевые фотоэлементы дешевле в производстве, но пока имеют меньшую эффективность и неустранимую деградацию характеристик во времени. Кроме того, развивается производство тонкоплёночных фотоэлементов на других полупроводниковых материалах, в частности CIS и CIGS, достойных конкурентов кремнию. Так, например, в 2005 году компания «Shell» приняла решение сконцентрироваться на производстве тонкоплёночных элементов, и продала свой бизнес по производству монокристаллических (нетонкоплёночных) кремниевых фотоэлектрических элементов.

Солнечные концентраторы вызывают большие по площади затенения земель, что приводит к сильным изменениям почвенных условий, растительности и т. д. Нежелательное экологическое действие в районе расположения станции вызывает нагрев воздуха при прохождении через него солнечного излучения, сконцентрированного зеркальными отражателями. Это приводит к изменению теплового баланса, влажности, направления ветров; в некоторых случаях возможны перегрев и возгорание систем, использующих концентраторы, со всеми вытекающими отсюда последствиями. Применение низкокипящих жидкостей и неизбежные их утечки в солнечных энергетических системах во время длительной эксплуатации могут привести к значительному загрязнению питьевой воды. Особую опасность представляют жидкости, содержащие хроматы и нитриты, являющиеся высокотоксичными веществами.

Перспективы солнечной энергетики В мире ежегодный прирост энергетики за последние пять лет составлял в среднем около 50%. 18]Сгенерированная на основе солнечного излучения энергия гипотетически сможет к2050 году обеспечить 20−25% потребностей человечества в электричестве и сократит выбросы углекислоты. Как полагают эксперты Международного энергетического агентства (IEA), солнечная энергетика уже через 40 лет при соответствующем уровне распространения передовых технологий будет вырабатывать около 9 тысяч тераватт-часов — или 20−25% всего необходимого электричества, и это обеспечит сокращение выбросов углекислого газа на 6 млрд тонн ежегодно [11].

Альтернативное мнение на перспективы солнечной энергетики через 40 лет Процент обеспечения потребностей человечества к 2050 году электроэнергией, полученной на СЭС — это вопрос стоимости 1 кВтч при установке солнечной электростанции «под ключ» и развитости мировой энергетической системы, а также сравнительной привлекательности других способов получения электроэнергии. Гипотетически это может быть от 1% до 80%. Одно из чисел в этом диапазоне точно будет соответствовать истине.

Когда углеводородное сырье станет действительно дорогим, его уже не будут массово использовать как топливо, поэтому нефти как сырья для химической промышленности хватит на срок, значительно превышающий 40 лет.

Энергоокупаемость солнечной электростанции значительно меньше 30 лет. Так, для США, при средней мощности солнечного излучения в 1700 кВт*ч на кв. м в год, энергоокупаемость поликристаллического кремниевого модуля с КПД 12% составляет менее 4 лет (данные на январь 2011). 11]. В России перспективы развития солнечной энергетики остаются неопределенными, страна многократно отстаёт от уровня генерации европейских стран. Доля солнечной генерации составляет менее 0,001% в общем энергобалансе. К 2020 году запланирован ввод около 1,5−2 ГВт мощностей. Общая мощность солнечной генерации может увеличиться в тысячу раз, однако составит менее 1% в энергобалансе.

рис. 3.

Директор Ассоциации солнечной энергетики России Антон Усачев выделяет Республику Алтай, Белгородскую область иКраснодарский край как наиболее развитые регионы с точки зрения солнечной энергетики. В перспективе планируется помещать установки в изолированных от энергосетей районах. 4].