Сонячна енергетика. Наукові дослідження в сонячній енергетиці

06.09.2015

Сонячна енергетика

Сонячна енергетика — безпосереднє використання сонячного випромінювання для отримання енергії в будь-якому вигляді. Сонячна енергетика використовує поновлюване джерело енергії є екологічно чистою, тобто не виробляє шкідливих відходів. Виробництво енергії за допомогою сонячних електростанцій добре узгоджується з концепцією розподіленого виробництва енергії.

Переваги сонячної енергетики.

  • Загальнодоступність і невичерпність джерела.
  • Теоретично, повна безпека для навколишнього середовища, хоча існує ймовірність того, що повсюдне впровадження сонячної енергетики може змінити альбедо земної поверхні і привести до зміни клімату (однак при сучасному рівні споживання енергії це вкрай малоймовірно).

Способи отримання електрики і тепла з сонячного випромінювання.

  • Отримання електроенергії за допомогою фотоелементів;
  • Перетворення сонячної енергії в електрику за допомогою теплових машин:

Напрямки наукових досліджень в сонячній енергетиці
1. Фундаментальні дослідження у сонячній енергетиці

через теоретичних обмежень у перетворенні спектру в корисну енергію (близько 30 %) для фотоелементів першого і другого покоління потрібне використання великих площ землі під електростанції.

Наприклад, для електростанції потужністю 1 ГВт це може бути декілька десятків квадратних кілометрів (для порівняння, — гідроенергетика, при таких же потужностях, виводить з користування помітно великі ділянки землі), але будівництво сонячних електростанцій такої потужності може призвести до зміни мікроклімату у прилеглій місцевості і тому в основному встановлюються фотоелектричні станції потужністю 1 — 2 МВт недалеко від споживача або навіть індивідуальні та мобільні установки. Фотоелектричні елементи на великих сонячних електростанціях встановлюються на висоті 1,8-2,5 метра, що дозволяє використовувати землі під електростанцією для сільськогосподарських потреб, наприклад, для випасу худоби. Проблема знаходження великих площ землі під сонячні електростанції вирішується у разі застосування сонячних аеростатна електростанцій, придатних як для наземного, так і для морського і для висотного базування.

Потік сонячної енергії, що падає на встановлений під оптимальним кутом фотоелемент, що залежить від широти, сезону і клімату і може відрізнятися в два рази для заселеній частині суші (до трьох з урахуванням пустелі Сахари). Атмосферні явища (хмари, туман, пил і ін) не тільки змінюють спектр та інтенсивність падаючого на поверхню Землі сонячного випромінювання, але і змінюють співвідношення між прямим і розсіяним випромінюваннями, що надає значний вплив на деякі типи сонячних електростанцій, наприклад, з концентраторами або на елементах широкого спектру перетворення.

2. Прикладні дослідження у сонячній енергетиці

Фотоелектричні перетворювачі працюють вдень і з меншою ефективністю працюють в ранкових та вечірніх сутінках. При цьому пік електроспоживання припадає саме на вечірні години. Крім того, вироблена ними електроенергія може різко і несподівано коливатися через зміни погоди. Для подолання цих недоліків на сонячних електростанціях використовуються ефективні електричні акумулятори (на сьогоднішній день це не досить вирішена проблема), або перетворення в інші види енергії, наприклад, будують гідроакумулюючі станції, які займають велику територію, або концепцію водневої енергетики, яка на сьогоднішній день поки що недостатньо економічно ефективна. На сьогоднішній день ця проблема просто вирішується створенням єдиних енергетичних систем, які перерозподіляють вироблювану і споживану потужність. Проблема деякій залежності потужності сонячної електростанції від часу доби і погодних умов вирішується також за допомогою сонячних аеростатна електростанцій.

На сьогоднішній день порівняно висока ціна сонячних фотоелементів. З розвитком технології і зростанням цін на викопні енергоносії цей недолік долається. В 1990-2005 рр. ціни на фотоелементи знижувалися в середньому на 4 % на рік.

Поверхня фотопанелей та дзеркал (для тепломашинных ЕС) потрібно очищати від пилу та інших забруднень. У разі великих фотоелектричних станцій, при їх площі в кілька квадратних кілометрів це може викликати труднощі.

Ефективність фотоелектричних елементів падає при їх нагріванні (в основному це стосується систем з концентраторами), тому виникає необхідність в установці систем охолодження, зазвичай водяних. Також у фотоелектричних перетворювачах третього і четвертого поколінь використовують для охолодження перетворення теплового випромінювання випромінювання найбільш узгоджене з поглинаючим матеріалом фотоелектричного елемента (так зване up-conversion), що одночасно підвищує ККД.

Через 30 років експлуатації ефективність фотоелектричних елементів починає знижуватися. Відпрацьовані фотоелементи, хоча і незначна їх частина, в основному спеціального призначення, що містять компонент (кадмій), який недопустимо викидати на смітник. Потрібно додаткове розширення індустрії по їх утилізації.

3. Екологічні проблеми

При виробництві фотоелементів рівень забруднення не перевищує допустимого рівня для підприємств мікроелектронної промисловості. Сучасні фотоелементи мають термін служби (30-50 років). Застосування кадмію, пов’язаного в з’єднаннях, при виробництві деяких типів фотоелементів, з метою підвищення ефективності перетворення, ставить складне питання їх утилізації, який теж не має поки прийнятного з екологічної точки зору рішення, хоча такі елементи мають незначне поширення і сполук кадмію при сучасному виробництві вже знайдена гідна заміна.

останнім часом активно розвивається виробництво тонкоплівкових фотоелементів, у складі яких міститься всього близько 1 % кремнію, по відношенню до маси підкладки на яку наносяться тонкі плівки. З-за малого витрат матеріалів на поглинаючий шар, тут кремнію, тонкоплівкові кремнієві фотоелементи дешевше у виробництві, але поки мають меншу ефективність і непереборну деградацію характеристик у часі. Крім того, розвивається виробництво тонкоплівкових фотоелементів на інших напівпровідникових матеріалах, зокрема CIS та CIGS, гідних конкурентів кремнію. Так, наприклад, у 2005 р. компанія «Shell» прийняла рішення сконцентруватися на виробництві тонкоплівкових елементів, і продала свій бізнес з виробництва монокристалічних (нетонкопленочных) кремнієвих фотоелектричних елементів.

Короткий опис статті: сонячна енергетика

Джерело: Сонячна енергетика. Наукові дослідження в сонячній енергетиці

Також ви можете прочитати