Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
история развития солн пане.docx
Скачиваний:
26
Добавлен:
02.05.2015
Размер:
1.37 Mб
Скачать

Содержание

Введение

3

1

Солнце – источник энергии

5

1.1

Солнечная радиация

6

1.2

Солнечный свет

8

2

История развития солнечной энергетики

11

2.1

Развитие солнечной энергетики в мире

13

2.2

Развитие солнечной энергетики в Казахстане

14

2.3

Развитие солнечной энергетики в наши дни

17

3

Солнечные панели - как альтернативный источник электроэнергии

18

3.1

3.2

3.3

4

История развития технологии солнечных панелей

Солнечные батареи

Виды солнечных панелей. Материалы панелей

Инновационные разработки в области солнечной энергетики и применение солнечных панелей

19

21

23

25

Заключение

31

Список литератур

32

Введение

Из всех отраслей народного хозяйства энергетика оказывает самое большое влияние на нашу жизнь. Энергообеспечение - это основа нормального функционирования любого производства, а, следовательно, и всей человеческой цивилизации. Тепло и свет в домах, работа станков и агрегатов на производстве, транспортные потоки и сельская страда – все это многочисленные лики энергетики. Различные технические достижения давно уже стали для нас частью жизни, однако все они возможны только при условии достаточного и доступного энергообеспечения, за счет освоения альтернативных видов энергии, новых технологий добычи и переработки первичных энергоносителей.

Производство энергии из традиционных источников, учитывая все возрастающую потребность в ней, губительно сказывается на экологическом состоянии планеты. Тепловые электростанции, выделяющие в процессе работы огромные количества углекислого газа, вызывают парниковый эффект, являющийся причиной глобального потепления климата. Выбросы оксидов серы и азота достаточно велики даже при наличии дорогостоящих очистных сооружений. В соединении с атмосферной влагой, эти оксиды вызывают кислотные дожди, приводящие к гибели лесов, уменьшению рыбных запасов, снижению плодородности почвы. В кислой воде повышается растворимость тяжелых металлов и их соединений, которые могут попадать в питьевую воду. Еще более опасны и непредсказуемы атомные электростанции, выбрасывающие в атмосферу около 26 тонн радиоактивных отходов в день. Кроме этого велик риск аварий на АЭС, могущих стать катастрофой для всего человечества. Все это вызывает справедливую тревогу экологов.

Другой проблемой традиционной энергетики, использующей главным образом ископаемые виды топлива - нефть, газ, уголь, является истощение их запасов, которые далеко не бесконечны. Поэтому их называют не возобновляемыми источниками энергии. Потребление нефти в мире в течение одного года эквивалентно ее количеству, образующемуся за 2 млн. лет. Истощение ресурсов повышает себестоимость и трудоемкость добычи, а также сокращение объемов добываемого топлива. Запасов же урана, по подсчетам специалистов, хватит не более, чем на 50 лет.

Сокращение запасов природных энергоресурсов, неизбежное загрязнение окружающей среды поставили человечество перед необходимостью поиска и использования новых возобновляемых источников энергии. Источников энергии на Земле много, но их уже сейчас катастрофически не хватает. По прогнозам экспертов к 2020 году энергии потребуется почти в три раза больше, чем в настоящее время. Кризис 70-х годов двадцатого века стал первым вестником энергетического кризиса, вызвавшим повышенный интерес к альтернативным возобновляемым источникам энергии. Такими источниками являются:

-солнечная энергия;

-энергия ветра;

-гидроэнергия;

-энергия биомассы.

1 Солнце – источник энергии

Солнце, как известно, является первичным и основным источником энергии для нашей планеты. Оно греет всю Землю, приводит в движение реки и сообщает силу ветру. Под его лучами вырастает 1 квадриллион тонн растений, питающих, в свою очередь, 10 триллионов тонн животных и бактерий. Благодаря тому же Солнцу на 3емле накоплены запасы углеводородов, то есть нефти, угля, торфа которые мы сейчас активно сжигаем. Для того чтобы сегодня человечество смогло удовлетворить свои потребности в энергоресурсах, требуется в год около 10 миллиардов тонн условного топлива (теплота сгорания условного топлива - 7 000 ккал).

Если энергию, поставляемую на нашу планету Солнцем за год, перевести в то же условное топливо, то эта цифра составит около 100 триллионов тонн. Это в десять тысяч раз больше, чем нам нужно. Считается, что на 3емле запасено 6 триллионов тонн различных углеводородов. Если это так, то содержащуюся в них энергию Солнце отдает планете всего за три недели. И резервы его настолько велики, что светиться так же ярко оно сможет еще около 5 миллиардов лет. 3емные зеленые растения и морские водоросли утилизируют примерно 34% поступающей от Солнца энергии. Остальное теряется почти впустую, расходуясь на поддержание комфортного для жизни микроклимата в глубинах океана и на поверхности Земли. И если бы человек смог взять для своего внутреннего потребления хотя бы один процент (то есть 1 триллион тонн того самого условного топлива в год), то это бы решило многие проблемы на века вперед.

Солнце обеспечивает нас в 10 000 раз большим количеством бесплатной энергии, чем фактически используется во всем мире. Только на мировом коммерческом рынке покупается и продается чуть меньше 85 триллионов (8,5 x 1013) кВт·ч энергии в год. Общая энергия, потребляемая человечеством в течение года, составляет только приблизительно одну семитысячную часть солнечной энергии, попадающей на поверхность Земли в тот, же период.

Солнечная энергия преобразуется в полезную энергию и косвенным образом, трансформируясь в другие формы энергии, например, энергию биомассы, ветра или воды. Энергия Солнца "управляет" погодой на Земле.

Рисунок 1 – Энергия солнца

Наиболее перспективной с точки зрения неисчерпаемости, экологической чистоты и распространенности среди возобновляемых альтернативных источников энергии является солнечная радиация. Энергия солнца является не только источником света, жизни, тепла, но и основным фактором развития цивилизации.

Каждую секунду солнце излучает 88·1024 кал. или 370·1012 ГДж теплоты. Из этого количества теплоты на Землю попадает лишь 1,2.1012 Вт (за год 1018 квт·ч), что в 10 000 раз больше всей энергии, потребляемой в мире. Киловатт.час – это то количество энергии, которое требуется для работы одной лампочки накаливания мощностью 100 Вт в течение 10 часов. Если энергетический потенциал Солнца рассчитывать по количеству солнечной энергии, падающей только на незанятые человеком территории, то и в этом случае среднегодовая мощность составит около 10 000 ГВт, что превышает более, чем в 5000 раз мощность всех существующих на сегодняшний день стационарных электростанций. Лишь одна миллионная часть энергии, излучаемой Солнцем, перехватывается внешними слоями земной атмосферы. Но только 47 % этой энергии достигает поверхности Земли, расходуясь на отражение, рассеивание и поглощение различными атмосферными газами и аэрозолями.

    1. Солнечная радиация

Солнечная радиация – это электромагнитное излучение в диапазоне волн длиной 0,28-3,0 мкм. Части солнечного спектра, представляющие интерес с точки зрения целесообразности ее использования для производства тепла и электроэнергии – это:

-ультрафиолетовые волны длиной 0,28-0,38 мкм (2% солнечного спектра);

-световые волны длиной от 0,38 до 0,78 мкм (49 % солнечного спектра);

-инфракрасные волны длиной от 0,78 до 3,3 мм (большая часть оставшейся части спектра).

Рисунок 2- Энергия солнца попадающая на долю Земли и за пределами атмосферы

Количество энергии, попадающей на единицу площади поверхности в единицу времени определяется рядом факторов: широтой местности, климатическими условиями, сезонностью, углом наклона поверхности по отношению к Солнцу, характером местности (наличием загораживающих солнце деталей рельефа, деревьев и т. д.).

Количество солнечной радиации, падающей на поверхность Земли, не отличается равномерностью, вследствие движения Солнца, и неодинаково как в разное время суток, так и в разное время года. Так, например, в полдень, Солнце находится высоко над горизонтом, что приводит к уменьшению пути прохождения солнечного излучения через земную атмосферу (оно движется по прямой) и, соответственно, меньшему поглощению и рассеиванию. Следовательно, в полдень большее количество солнечного излучения достигает поверхности Земли, чем, если бы это было утром или вечером. А это значит, что эффективность солнечных лучей в течение дня неодинакова и, следовательно, различается и производительность фотоэлектрических систем в разное время суток. Лучи, падающие на солнечные элементы под малым углом, малопригодны для выработки электроэнергии. Количество солнечной энергии, падающей на Землю, отличается от среднегодовых значений и по временам года. Так, на севере Европы оно меньше среднегодового значения зимой на 0,8 кВт.ч/м2 в день и больше на 4 кВт.ч/м2 летом. Меньшей инсоляцией объясняется малая долгота дня и меньшая освещенность зимой. По мере приближения к экватору эти различия сглаживаются. Количество солнечной энергии зависит и от географической широты местности и оно тем больше, чем местность ближе к экватору. В пустынях Африки, Ближнего Востока и Австралии среднегодовое суммарное солнечное излучение, падающее на горизонтальную поверхность, составляет приблизительно 2200 кВт·ч/м2, а в Средней Азии, Канаде, Центральной Европе в среднем 1000 кВт·ч/м2

Ниже приведена таблица зависимости количества солнечного излучения от географического положения местности и времени года.

Количество солнечной радиации в Европе и странах Карибского бассейна, кВт·ч/м2 в день.

Таблица 1- Солнечное излучения от зависимости географического положения местности и времени года

Южная Европа

Центральная Европа

Северная Европа

Карибский регион

Январь

2,6

1,7

0,8

5,1

Февраль

3,9

3,2

1,5

5,6

Март

4,6

3,6

2,6

6,0

Апрель

5,9

4,7

3,4

6,2

Май

6,3

5,3

4,2

6,1

Июнь

6,9

5,9

5,0

5,9

Июль

7,5

6,0

4,4

6,0

Август

6,6

5,3

4,0

6,1

Сентябрь

5,5

4,4

3,3

5,7

Октябрь

4,5

3,3

2,1

5,3

Ноябрь

3,0

2,1

1,2

5,1

Декабрь

2,7

1,7

0,8

4,8

ГОД

5,0

3,9

2,8

5,7

Рассеивание и поглощение солнечной энергии, уменьшающие величину солнечного излучения, достигающего поверхности Земли, сильно зависят и от антропогенных факторов, таких как выбросы промышленных предприятий, городской смог, а также природных явлений: деятельности вулканов, выбрасывающих в атмосферу колоссальные количества пепла, дыма лесных пожаров, пылевых бурь и т. д.

1.2 Солнечный свет

Использование энергии солнечного света – это наиболее экологичный и естественный способ получения различных форм столь необходимой нам энергии. Количество солнечной энергии, попадающей на крыши и стены зданий, во многих странах мира значительно превышает потребности в ней жителей этих домов. Остается только использовать эту энергию. Солнечные коллекторы, вырабатывая тепло, способны обеспечить горячей водой и отоплением, а фотоэлектрические установки преобразуют солнечный свет непосредственно в электроэнергию. Солнечные коллекторы и солнечные элементы образуют, так называемые, активные солнечные системы. Напротив, пассивные системы создаются лишь при правильной ориентации зданий по отношению к Солнцу, подбором строительных материалов, позволяющим использовать солнечную энергию максимально эффективно.

Преобразование солнечной энергии в тепло и электричество происходит и косвенным образом при трансформации ее в другие формы энергии: энергию биомассы, приливов, ветра и т. д. Погода на Земле напрямую зависит от Солнца.. Неравномерное нагревание воздуха в различных областях земного шара приводит к появлению ветра, вращающего лопасти ветроэлектростанций. Еще один возобновляемый источник энергии – биомасса, также образуется, благодаря энергии Солнца. Органические вещества в растениях, необходимые для производства тепловой и электрической энергии, появляются в результате фотосинтеза. Полезные ископаемые: уголь, нефть и газ – это тоже производные солнечной энергии.

Даже активные солнечные системы, такие, как солнечные коллекторы и фотоэлектрические батареи, необходимо правильно ориентировать по отношению к Солнцу, чтобы получить наибольший эффект от их использования.

Понятно, что любое солнечное оборудование лучше устанавливать на южной стороне здания. Важен и угол наклона. Стационарные солнечные батареи без системы слежения максимальное количество солнечной радиации в течение года получают, при их расположении под углом наклона относительно уровня горизонта, равным географической широте местности, в которой расположено здание. Поэтому при проектировании зданий, предполагающих использование энергии солнца, необходимо учитывать как угол наклона крыши, так и ориентацию на юг, а также расстояние от фотоэлектрических батарей до места потребления, которое должно быть как можно более меньшим, в целях уменьшения энергопотерь.

 Оптимальный угол наклона зимой и летом

1. Солнце зимой

2. Солнце летом

Рисунок 3- Угол наклона лучей зимой и летом

Как мы уже отмечали, наибольшая эффективность солнечных батарей достигается при их ориентации по направлению к Солнцу и перпендикулярном расположении световоспринимающей поверхности по отношению к солнечным лучам.. В зимний период солнечные лучи падают на

земную поверхность под другим углом, нежели летом. Поэтому, желательно в летний период располагать солнечные панели в более горизонтальном положении, чем зимой. Зимой же угол наклона должен быть, соответственно, большим. Если же отсутствует возможность дважды в течение года менять угол наклона батарей, то выбирается некое оптимальное значение угла наклона, приемлемое для любого времени года (посередине между оптимальными летним и зимним углами наклона). Лишь при расположении в экваториальной местности панели должны располагаться строго горизонтально. Для весны и осени оптимальный угол наклона обычно выбирается равным географической широте местности. Для зимнего периода это значение увеличивают на 10-15 градусов, а для лета, наоборот, уменьшают на ту же величину. При небольших (до 5 градусов) отклонениях от оптимального значения угла наклона эффективность солнечных электросистем меняется незначительно. Гораздо большее влияние на вырабатываемую мощность оказывают погодные условия.

Главный олимпийский стадион в Пекине «Гнездо птицы» вошел в десятку лучших архитектурных сооружений 21 века. Его спортивные арены впечатляют не только своей оригинальной формой, но и самыми современными техническими решениями. Освещение стадиона обеспечивается энергией от солнечных батарей, размещенных на крыше и стенах сооружений.

Рисунок 4- Главный олимпийский стадион в Пекине «Гнездо птицы»

Строительство энергосберегающих домов с солнечными батареями становится все более популярным в странах Европы. Пока эта энергия довольно дорогая. Но пройдет 5-10 лет и выработка электроэнергии солнечными батареями станет рентабельной не только в Космосе, но и на Земле.

  1. История развития солнечной энергетики

Многие из нас не подозревают, что способ получения электроэнергии из солнечного света известен около 130 лет. Явление фотоэффекта впервые наблюдал Эдмон Беккерель в 1839г. Это случайное открытие оставалось незамеченным вплоть до 1873г., когда Уиллоуби Смит обнаружил подобный эффект при облучении светом селеновой пластины. И хотя его первые опыты были далеко несовершенны, они знаменовали собой начало истории полупроводниковых солнечных элементов. В поисках новых источников энергии в лаборатории Белла был изобретен кремниевый солнечный элемент, который стал предшественником современных солнечных фотопреобразователей. Фотоэлектрический метод преобразования солнечной энергии, который ученые называют наиболее перспективным в долговременном развитии мировой энергетики, на самом деле - довольно стар, просто сегодня он получил новый импульс. Первая научная работа по селеновому фотоэлементу была опубликована в 1876 году, в Британии. Лишь в начале 50-х годов 20-го века солнечный элемент достиг относительно высокой степени совершенства.

На современном этапе все началось с Альберта Эйнштейна. Многие помнят, что этот ученый был удостоен в 1921 году Нобелевской премии. Но мало кто знает, что получил он ее не за создание теории относительности, а за объяснение законов внешнего фотоэффекта. Еще в 1905 году он опубликовал работу, в которой, описал как именно и в каких количествах кванты света «вышибают» из металла электроны. Получить электрический ток с помощью фотоэффекта впервые удалось советским физикам в 30-е годы прошлого века. Произошло это в Физико-техническом институте, руководил которым знаменитый академик А.Ф. Иоффе. Правда, КПД тогдашних солнечных сернисто-талиевых элементов еле дотягивал до 1%, то есть в электричество обращался лишь 1% падавшей на элемент энергии, но задел был положен.

В 1954 году американцы Пирсон, Фуллер и Чапин запатентовали первый элемент с приемлемым (порядка 6%) КПД.

А с 1958 года кремниевые солнечные батареи стали основными источниками электричества на советских и американских космических аппаратах. К середине 70-х годов КПД солнечных элементов приблизился к 10-процентной отметке и... почти на два десятилетия замер на этом рубеже. Для космических кораблей этого вполне хватало, а для наземного использования производство весьма дорогих солнечных батарей 11 кг кремния необходимого качества стоил тогда до 100 долларов) по сравнению с сжиганием дешевой нефти выглядело непозволительной роскошью. Как следствие-большинство исследований по разработке новых технологий в области солнечной энергетики было свернуто, а финансирование оставшихся сильно сокращено. В начале 90-х годов нынешний лауреат Нобелевской премии академик Жорес Алферов на собрании АН СССР заявил, что если бы на развитие альтернативной энергетики было бы потрачено хотя бы 15% из тех средств, что мы вложили в энергетику атомную, то АЭС нам бы сейчас вообще бы ли не нужны. Судя по тому, что даже на тех крохах, которые выделялись «на Солнце», удалось к середине 90-х поднять КПД солнечных элементов до 15%, а к началу нового века - до 20%, утверждение академика недалеко от истины.

Исторически сложилось так, что на проектирование зданий влияли местные климатические условия и доступность строительных материалов. Позднее человечество отделило себя от природы, идя по пути господства и контроля над ней. Этот путь привел к однотипному стилю зданий практически для любой местности. В 100 году н. э. историк Плиний Младший построил летний домик в Северной Италии, в одной из комнат которого были окна из тонкой слюды. Комната была теплее других, и для ее обогрева требовалось меньше дров. В известных римских банях в I-IV ст. н. э. специально устанавливались большие окна, выходящие на юг, для того чтобы больше солнечного тепла поступало в здание. К VI ст. солнечные комнаты в домах и общественных зданиях стали настолько обычны, что Джастиниан Коуд ввел "право на солнце", чтобы гарантировать индивидуальный доступ к солнцу. В XIX веке были очень популярны оранжереи, в которых было модно прогуливаться под сенью пышной растительной листвы.

Из-за перебоев с электроэнергией во время второй мировой войны к концу 1947 года в США здания, пассивно использующие солнечную энергию, пользовались таким огромным спросом, что "Libbey-Owens-Ford Glass Company" издала книгу под названием "Ваш Солнечный Дом", в которой были представлены 49 лучших проектов солнечных зданий. В середине 50-х годов ХХ века, архитектор Франк Брайдджерс разработал первое в мире пассивное солнечное здание для офисного помещения. Установленная в нем солнечная система для горячего водоснабжения работает с того времени бесперебойно. Само же здание "Брайдджерс-Пэкстон" занесено в национальный исторический регистр страны как первое в мире офисное здание, обогреваемое при помощи энергии Солнца.

Низкие цены на нефть после второй мировой войны отвлекли внимание населения от солнечных зданий и вопросов энергоэффективности. Начиная с середины 1990-х, рынок меняет свое отношение к экологии и использованию возобновляемой энергии, и в строительстве появляются тенденции, для которых характерно сочетание проекта будущего здания с окружающей природой.

2.1 Развитие солнечной энергетики в мире

В большинстве стран мира количество солнечной энергии, попадающей на крыши и стены зданий, намного превышает годовое потребление энергии жителями этих домов. Использование солнечного света и тепла - чистый, простой, и естественный способ получения всех форм необходимой нам энергии. При помощи солнечных коллекторов можно обогреть жилые дома и коммерческие здания или обеспечить их горячей водой. Солнечный свет, сконцентрированный параболическими зеркалами (рефлекторами), применяют для получения тепла (с температурой до нескольких тысяч градусов Цельсия). Его можно использовать для обогрева или для производства электроэнергии. Другой способ производства энергии с помощью Солнца - фотоэлектрические технологии. Фотоэлектрические элементы - это устройства, которые преобразовывают солнечную радиацию непосредственно в электричество.

Солнечная радиация может быть преобразована в полезную энергию, используя так называемые активные и пассивные солнечные системы. К активным солнечным системам относятся солнечные коллекторы и фотоэлектрические элементы. Пассивные системы получаются с помощью проектирования зданий и подбора строительных материалов таким образом, чтобы максимально использовать энергию Солнца.

В США солнечные водонагреватели общей мощностью 1400 МВт установлены в 1,5 млн. домов. В Германии разработана новая технология прозрачной теплоизоляции зданий и солнечных коллекторов с температурой 90-50 гр.С. При наличии такой технологии зеркал в России целесообразно массовое производство СЭС в южных районах, где имеются газопроводы или небольшие месторождения газа и прямая солнечная радиация превышает 50% от суммарной. В США существует несколько экспериментальных фотоэлектрических станций мощностью от 0,3 МВт до 6,5 МВт, работающих на энергосистему. Вторая фаза массового производства и использования СЭС в энергосистеме связана с созданием технологий и материалов, позволяющих снизить стоимость установленной мощности примерно в 5 раз, до 1-2 долл/Вт, а стоимость электроэнергии до 0,10-0,12 долл./кВт. ч. Принципиальным ограничением для такого снижения стоимости является высокая стоимость кремния солнечного качества - 40-100 долл/кг. Поэтому создание новых технологий получения кремния, обеспечивающих радикальное - на порядок - снижение его стоимости, является задачей номер один в перечне альтернативных технологий в энергетике.

Однако встречаются и более серьезные системы. Одна из таких была сооружена в США в штате Нью-Мексико еще в 1978 году и работает до сих пор. Это Национальная солнечная установка для тепловых испытаний. Принадлежит она Пентагону и применяется для проверки жаропрочности корпусов военных и гражданских ракет. Состоит NSTTF из 60-метровой башни-мишени и 220 гелиостатов, размером 6х6 метров каждый. Зеркала, подобно архимедовой установке, направляют свои солнечные зайчики в одно полутораметровое пятнышко на верхушке установки, где температура в солнечные дни поднимается до 2 000°С. Всего в 2,5 раза меньше, чем на поверхности Солнца, и в 2 раза выше температуры горения напалма. Установка имеет площадь зеркал 8 500 м2 и тепловую мощность 5 МВт.

Существуют два основных способа преобразования солнечной энергии: фототермический и фотоэлектрический. В первом, простейшем, теплоноситель (чаще всего вода) нагревается в коллекторе (системе светопоглощающих труб) до высокой температуры и используется для отопления помещений. Коллектор устанавливают на крыше здания так, чтобы его освещенность в течение дня была наибольшей. Часть тепловой энергии аккумулируется: краткосрочно (на несколько дней) - тепловыми аккумуляторами, долгосрочно (на зимний период) - химическими. Солнечный коллектор простой конструкции площадью 1 м2 за день может нагреть 50-70 л воды до температуры 80-90°С. Использование солнечных коллекторов позволяет снабжать горячей водой многие дома в южных районах.

И все же будущее солнечной энергетики - за прямым преобразованием солнечного излучения в электрический ток с помощью полупроводниковых фотоэлементов - солнечных батарей. Еще в 30-х годах прошлого века, когда кпд первых фотоэлементов едва доходил до 1%, об этом говорил основатель Физико-технического института (ФТИ) академик А. Ф. Иоффе. Предвидение ученого воплотилось в жизнь в конце 1950-х годов с запуском искусственных спутников Земли, главным энергетическим источником которых стали панели солнечных батарей. Сейчас во всех странах мира идет активная продажа солнечных батарей.

Солнечное электричество призвано компенсировать истощающиеся запасы нефти и газа. К концу века оно будет доминирующим и, по разным оценкам, составит до двух третей всей выработки электроэнергии. Сегодня же его «взнос» в мировые энергосети более чем скромен - всего 2 ГВт (гигаватт) в год. Прогноз Еврокомиссии до 2030 года предрекает, что эта цифра достигнет 150 ГВт. Главные игроки на рынке солнечных энергосистем - Япония, Европа и США, где программы развития этого направления энергетики стали «национальными»

2.2 Развитие солнечной энергетики в Казахстане

На казахстанский рынок поставлялись импортные образцы техники для солнечной энергетики. Это сильно сказывалась на ценах. К примеру, стоимость фотоэлектрических систем освещения (уличных фонарей с солнечной батареей) составляет 200-250 тысяч тенге. Переносные станции подзарядки: 170-200 тысяч тенге. Автономные системы энергоснабжения: от 830 тысяч до 21,6 млн. тенге. Электрические котлы: от 48 до 95 тысяч тенге. При подобном уровне цен, солнечная энергетика доступна только наиболее богатой части общества, хотя все должно быть как раз наоборот, и солнечная энергетика в первую очередь должна быть достоянием небогатых слоев общества. Это вызвано тем, что подавляющее большинство образцов оборудования имеет очень малую мощность. К примеру, автономные системы энергоснабжения на фотоэлектрических преобразователях, имеют мощность в диапазоне 0,3-3 кВт, иногда до 5-8 кВт.

3 кВт – это потребление электроэнергии в одной квартире (холодильник, телевизор, компьютер, 5-6 лампочек). Если мы берем загородный дом, где требуется насос, нагрев воды и так далее, то требуется мощность до 20 кВт. Самое малое производство требует мощности источника энергоснабжения свыше 100 кВт. Потому солнечная энергетика практически не интересна крупному и даже среднему бизнесу, поскольку им требуется значительно большая мощность.Оборудование мощности до 10 кВт может использоваться преимущественно частными домовладельцами в малых городах или сельской местности, а также индивидуальными предпринимателями с самым небольшим бизнесом. Но для них оборудование солнечной энергетики недоступно по цене.

Без собственного производства оборудования для солнечной энергетики: комплексов для индивидуальных домов, переносных генераторов, автономных систем энергоснабжения, осветительных устройств, нечего и надеяться на широкое развитие солнечной энергетики в Казахстане. Высокие цены создают столь высокий барьер, что при господстве на рынке импортного оборудования для солнечной энергетики, эта отрасль еще долго обречена быть экзотической диковинкой.

Долгое время перспектива развития этой новой отрасли энергетики была в большей степени умозрительной, нежели реальной. Но в 2007 году были сделаны первые шаги по освоению новой отрасли, и были инициированы проекты по строительству заводов, на которых будет выпускаться как кремниевое сырье, так и готовые фотоэлектрические преобразователи.

Наиболее крупный проект реализует ТОО Silicium Kazakhstan, входящая в группу компаний «Баско». В Индустриальном парке Темиртау в Карагандинской области строится завод мощностью 25 тысяч тонн высокочистого кремния, 10,5 тысяч тонн микрокремнезема и 875 тонн кремниевого шлака. В будущем планируется создать вторую очередь предприятия и довести производство до 50 тысяч тонн высокочистого кремния. Добыча кварца в объеме 130 тысяч тонн в год будет осуществляться на месторождениях Актас и Ашколы-III в Улытауском районе Карагандинской области, а в поселке Жезды будет размещена фабрика по обогащению кварца.

Партнерами компании является германский концерн Thyssen Krupp, российская группа компаний «Титан», а также Deutsche Bank. В строительство завода будет вложено 94 млн. евро. По состоянию на март 2008 года, освоено 25% общей суммы инвестиций. По планам компании завод в Темиртау должен быть запущен в 2008 году, однако завершение и пуск завода несколько затягиваются. Впрочем, ТОО Silicium Kazakhstan уже обеспечила завод электроэнергией, подписав с AES соглашение о поставке с Экибастузских ГРЭС электроэнергии в течение 2008-2017 годов в объеме 4 тысяч МВт в год.

Еще два проекта планируется реализовать в Индустриальном парке Астаны и в свободной экономической зоне «Морпорт Актау».

Компания Kun Renewables, Lancaster Group Kazakhstan планирует построить в Астане в Индустриальном парке завод по производству поликристаллического кремния (первый этап), моно- и мультикристаллических пластин (второй этап). В производство планируется инвестировать 390 млн. долларов. Компания уже заключила соглашение с AES на поставку электроэнергии с Усть-Каменогорской и Шульбинской ГЭС, с 2009 по 2021 годы в объеме 50 МВт. Завод в Астане намного скромнее и будет производить 2,5 тысяч тонн поликристаллического кремния в год.

В октябре 2007 года был начат проект строительства завода элементов солнечных батарей в Актау. Владелец завода – ТОО «SilicaSolar-Aktau», разместит предприятие на территории СЭЗ «Морпорт Актау». Инвестиции в производство составят 105 млн. евро, ввод планируется в конце 2009 года. Проект предполагается реализовать в три этапа. На первом этапе будет налажено производство кристаллических стержней и пластин (солнечных батарей) годовой суммарной мощностью 110 МВт. На втором этапе намечено производство электронных плат (ячеек) суммарной мощностью 77 МВт. На третьем этапе — выпуск электронных дисплеев суммарной мощностью 20 МВт. Технология предоставляется немецкой фирмой «Schmid Group».27 мая 2008 года администрация СЭЗ «Морпорт Актау» подписала с ТОО «SilicaSolar-Aktau» соглашение о строительстве завода. «На заводе будет установлено новейшее технологическое оборудование, лаборатория, отвечающая международным стандартам. Кроме того, будет предусмотрена техническая возможность для наращивания объема выпускаемой продукции», – заявил директор СЭЗ «Морпорт Актау» Зейнулла Казиев. «Планируется ежегодно выпускать продукцию на общую сумму в 121 млн. долларов», – заявил директор ТОО «SilicaSolar-Aktau» Кайрат Акуов.

Первые шаги в масштабном освоении Казахстаном новой и перспективной отрасли промышленности сделаны. Однако, строительство крупных предприятий по производству поликристаллического кремния еще не означают, что Казахстан сделается лидером в использовании солнечной энергетики. Пока что все перечисленные проекты – экспортного назначения и собираются 100% продукции экспортировать в Японию, Южную Корею, США, страны ЕС, как раз для производителей готового оборудования для солнечной энергетики. Даже Актауский завод оборудования планирует поставлять 80% продукции в страны Евросоюза.

Это дело нельзя оставлять на самотек, потому что есть риск, что Казахстан так и останется производителем полуфабриката для кремниевой промышленности, тогда как производство готовой продукции с очень высокой добавленной стоимостью (элементов микроэлектроники, солнечных батарей и так далее) останется за зарубежными партнерами. Казахстан тогда попадет в очень неприятное положение, когда, имея крупное производство кремниевого полуфабриката, окажется, вынужден платить высокую цену на импортные солнечные батареи, сделанные из казахстанского же кремния.

Потому нужно добиться того, чтобы эти предприятия, сразу же после начала производства поликристаллического кремния, не увлекались экспортными поставками, а сразу же осваивали производство готовых солнечных батарей для нужд казахстанского внутреннего рынка. Пусть на первых порах они будут не столь высокого качества, как импортные, не столь высокого КПД, не столь совершенного дизайна. Главное, чтобы они были доступны по цене и количеству, чтобы можно было начать масштабное продвижение солнечной энергетики в те регионы Казахстана, которые больше всего в ней нуждаются. Потому в первую очередь, для внедрения, нужно добиться, чтобы оборудование солнечной энергетики производилось в Казахстане, и основная номенклатура была по конечным ценам не выше двух средних месячных заработных плат (по нынешним меркам 108 тысяч тенге).

Нужно добиться, чтобы жители южных областей Казахстана привыкли к солнечной энергетике, как к неотъемлемой части своей жизни. Это сформирует рынок и даст возможность казахстанским производителям наращивать производство солнечных батарей, совершенствовать их конструкцию и технические характеристики.

2.3 Развитие солнечной энергетики в наши дни

Сегодня мы даже представить не можем, на каком этапе развития была бы например космическая отрасль без применения солнечных батарей. В 70-х годах прошлого века, на пике развития космоса, КПД солнечных панелей уже достигал примерно 10%. Это позволяло использовать энергию солнца для электропитания спутников и орбитальных станций. Но использовать такие солнечные батареи кроме как в космосе не имело смысла из-за их дороговизны.

Но время не стояло на месте, и в 90-х годах наметился позитивный сдвиг в развитии альтернативных источников энергии. Не обошёл прогресс стороной и солнечные панели.

До сих пор самым распространённым материалом, используемым для производства солнечных батарей, является кремний. Но наука стремительно движется вперёд, совершенствуются технологии изготовления, применяются новые материалы. Коэффициент полезного действия солнечных панелей постоянно повышается. Как объясняют исследователи, традиционные солнечные элементы действуют по принципу “один электрон в обмен на один фотон” и их теоретический максимальный КПД может достигать 31%. Возможность реализации другого принципа “один фотон – несколько электронов” была продемонстрирована группой американских учённых из Лос-Аламоса. Используя эту технологию можно достигнуть максимального КПД, составляющего 65%. Но это в теории.

В реальности же, уже разработана самая эффективная на сегодняшний день модель солнечной панели: её КПД превышает 40%. Это уже сравнимо с эффективностью бензиновых и дизельных двигателей

3 Солнечные панели - как альтернативный источник электроэнергии

За последние годы во всем мире наблюдается все возрастающая тенденция к стремлению независимости от традиционных источников энергии (в том числе электрической) и все больше владельцев частных домов и коттеджей начинают интересоваться солнечной энергией. Люди отказываются (полностью или частично) от использования электроэнергии для различных бытовых нужд и начинают с успехом пользоваться солнечными панелями (батареями).

Солнечные батареи (далее СБ) – это генераторы электроэнергии, которая преобразовывается ими от солнечной энергии, при отсутствии каких-либо движущихся частей, вредных выбросов в атмосферу, не требующие периодического дорогостоящего обслуживания.

Солнечные батареи состоят из отдельных фотоэлементов - кремниевых пластин, преобразующих солнечную энергию в электрическую.При падении солнечного света на фотоэлемент, его материал поглощает определенную часть солнечного света -фотоны. Каждый фотон несет в себе какое-то количество энергии. Во время поглощения фотона происходит инициирование процесса освобождения электрона в солнечном элементе. В момент поглощения фотона в цепи возникает ток. Таким образом, солнечный элемент производит электроэнергию, которую можно использовать сразу либо сохранять в аккумуляторной батарее. Существует множество типов и разновидностей солнечных батарей, однако в большинстве случаев используются модели мощностью 80-240Вт. Для получения большей мощности можно соединить несколько солнечных панелей между собой.

Солнечные панели генерируют электричество даже тогда, когда нет прямого солнечного излучения. Таким образом, даже в условиях облачности, фотоэлектрическая система продолжает производить электрический ток. Но наибольшей эффективности от работы СБ можно добиться, когда их угол наклона оптимален по отношению к солнцу, и их поверхность перпендикулярна солнечным лучам.

Особенностью СБ является то, что они генерируют постоянный ток. То есть напрямую к ним нельзя подключать те электроприборы, которым необходим переменный ток.  поскольку они обычно работают от переменного тока. К солнечным панелям напрямую можно подключить только приборы, работающие на постоянном токе, например, светодиодные ленты с напряжением 12В.

Таким образом, сгенерированная СБ электроэнергия может использоваться как напрямую, приборами, работающими на постоянном токе в режиме «онлайн», либо преобразовываться в переменный ток с помощью специального прибора – инвертора, а также может быть запасена в аккумуляторных батареях различного типа и емкости и служить некоторого рода автономией в процессе электроснабжения различного рода объектов.

3.1 История развития технологиисолнечных панелей

Солнечные панели" (солнечные батареи) - это наборы соединенных друг с другом и заключенных в раму "солнечных ячеек". "Солнечная ячейка" (солнечный элемент) - это небольшое полупроводниковые устройство, преобразующиее энергию света в электрическую. Это явление было открыто в 1839 году французским физиком Эдмондом Беккерелем и было названо в последствии "фотовольтаическим эффектом". Исследованиями в этой области в 19м веке занимались многие ученые в разных странах. В 1888 году русский физик Александр Столетов сформулировал основные законы преобразования света в электрический ток и создал первую "солнечную ячейку".

Фотоэлектрический эффект был открыт в 70-х годах 19 века. Тогда ученые обнаружили явление, связанное с освобождением электронов твердого тела или жидкости под действием электромагнитного излучения.

В 30-х годах прошлого века советский академик А. Ф. Иоффе высказал мысль об использовании полупроводниковых фотоэлементов в солнечной энергетике.

Рекордный коэффициент полезного действия (КПД) тогдашних материалов не превышал 1%, то есть, в электричество превращалась лишь сотая часть световой энергии.  После многолетних экспериментов удалось создать фотоэлементы с КПД до 10-15%.

В 1839 г. известным французским физиком Александром Эдмондом Беккерелем был открыт фотогальванический эффект. В тот период никто и не предполагал, что история готовила этому открытию.

В 1883 г. Чарльз Фритте сконструировал первый солнечный модуль на основе селена. КПД этого модуля составлял не более 1%. Но это было только начало.

Есть интересный факт: известный физик Альберт Эйнштейн получил в 1921 г. Нобелевскую премию не за свою теорию относительности, а за изучение особенностей внешнего фотоэффекта.

В 1954 г. были созданы первые "солнечные ячейки" на основе кристаллов кремния.

Затем американцы построили солнечные батареи современного типа. В 1959г. они были установлены на одном из первых искусственных спутников Земли и с тех пор все космические станции оснащаются многометровыми солнечными панелями.

В 1963 году компанией Sharp была реализована концепция солнечной панели. В 1967 солнечные панели впервые были использованы на пилотируемом космическом аппарате - "Союз-1". Фотовольтаические технологии активно исследовались в разных странах и особенно в космических державах США и СССР. Энергетичекий кризис 1970х годов подтолкнул работы в этой области, но производство солнечных панелей еще долгое время оставалось довольно дорогим

В 1970-х гг. прошлого века солнечные батареи начали входить в повседневный быт. Сначала это были только бытовые приборы, где питание обеспечивалось фотоэлементом над жидкокристаллическим дисплеем, но очень скоро инженеры начали пытаться использовать солнечную энергию для обогрева и освещения зданий

С конца 1980х годов продолжался рост производства и продаж солнечных панелей. Из экзотической космической технологии солнечные элементы стали настолько обычными, что их стали использовать для бытовых приборов - калькуляторов, часов и т.п., а также начали строить малые и средние электростанции. В 1999 году общая мощность солнечных панелей установленных в мире достигла 1 гигаватта. За последующие десять лет последовал настоящий солнечный бум. В 2009 году общая мощность фотовольтаических электростанций мира достигла 23 гигаватт, в 2010 увеличилась всего за год почти двукратно - до 40 гигаватт. На начало 2012 года общая мощность солнечной фотовольтаической энергетики оценивается в 70 гигаватт и, как ожидается, продолжит расти.

Россия - северная страна, где возможности использования солнечной энергии естественным образом ограничены. Тем не менее стоит задуматься о том, что в соседнем Европейском Союзе в 2010 году солнечные панели обеспечили 22,5 тераватт-часов энергии, причем лидерами солнечной энергетики в ЕС являются не самые солнечные Германия, Бельгия и Чехия

3.2 Солнечные батареи

Солнечная батарея представляет собой плоскую панель, состоящую из размещенных вплотную фотоэлементов и электрических соединений, защищенную с лицевой стороны прозрачным твердым покрытием.

Число фотоэлементов в батарее может быть различным, от нескольких десятков до нескольких тысяч. Площадь панели у больших промышленных солнечных батарей может достигать 1000 м², а максимальная генерируемая мощность — десятков кВт.

В основе действия солнечной батареи лежит принцип работы фотоэлемента, способного преобразовывать падающее на него световое излучение в электрический ток.

В обычный летний день солнечные батареи способны давать до 90 кВт/час. Среднестатистическое потребление электроэнергии семьи из 3-4 человек — около 10 кВт/час. Излишки электроэнергии аккумулируются с помощью электролизера в водород.

В темное время суток электричество вырабатывает энергоустановка с компрессорной системой, использующая ранее запасенный водород.

Хранение водорода является безопасным за счет специальных емкостей из особого сплава.

Фотоэлектрические преобразователи — это батареи, которые за счет полупроводников напрямую преобразуют солнечную энергию. 

Существуют также органические солнечные батареи. Они преобразуют солнечные лучи в электричество с помощью генетически модифицированных клеток, напечатанных на тонком пластике с проводником. 

Технология перспективная, но пока эффективность устройств слишком низкая для того, чтобы создавать на их основе автономные системы питания зданий.

В фотоэлектрических преобразователях используют в качестве полупроводников кремний и арсенид со структурой AlGaAs-GaAs.

Рисунок 5- тонкопленочный фотогальванически элемент

Основным материалом для производства солнечных элементов является достаточно распространенный химический элемент – кремний (Si), составляющий почти четвертую часть массы земной коры. Однако встречается он в природе в связанном виде. Это обычный песок (SiO2), покрывающий километры пляжей, песок, которым наполняют детские песочницы, песок, используемый при производстве бетона или стекла. Технология извлечения чистого кремния (силициума) сложна и настолько дорога, что стоимость чистого (не более одного грамма примесей на 10 кг продукта) силициума сопоставима со стоимостью обогащенного урана, необходимого для работы атомных электростанций. И хотя природные запасы кремния больше запасов урана почти в 100 000 раз, качественного чистого кремния, из-за сложности получения, производится почти в 6 раз меньше, чем уранового топлива для АЭС

Применение панелей в комплексе с др. устройствами

Фотоэлектрические панели используют как основной или дополнительный источник электрической энергии (в зависимости от региона) в комплексе с другими источниками энергии, к примеру, ветрогенераторами.

Остальные составляющие системы (аккумуляторы, контроллер заряда, инвертор и др.) устанавливают в отведенных для этого помещениях, желательно отапливаемых, но не жилых.

3.3 Виды солнечных панелей. Материалы

Монокристаллический кремний

Наиболее эффективными и распространенными для широкого потребления являются монокристаллические кремниевые элементы. Для изготовления таких элементов кремний очищается, плавится и кристаллизуется в слитках, от которых отрезают тонкие слои. Внешне монокристаллические элементы выглядят как однотонная поверхность темно-синего или почти черного цвета. Скозь кремний проходит сетка из металлических электродов. Эффективность такого элемента составляет от 16 до 19% в стандартных условиях тестирования (прямой солнечный свет, +250С).

Срок службы таких панелей у хороших производителей составляет обычно 40-50 лет. Производительность за каждые 20-25 лет службы постепенно снижается примерно на 20%.

Рисунок 6- Монокристаллический кремний

Поликристаллический кремний

Технология принципиально не отличается от монокристаллических элментов, но разница состоит в том, что для изготовления используется менее чистый и более дешевый кремний. Внешне это уже не однотонная поверхность, а узор из границ множества кристаллов. Эффективность такого элемента составляет от 14 до 15%. Тем не менее эти панели пользуются примерно такой же популярностью на рынке, что и монокристаллические, поскольку пропорционально эффективности снижается цена производства.

В России перспективнее все же использовать монокристаллические панели, поскольку при неразвитости собственного производства и больших расстояниях целесообразнее ввозить и транспортировать более эффективные панели.

Ленточный кремний

Принципиально такой же как и предыдущие типы, отличается лишь тем, что кремний не нарезается от кристалла, а наращивается тонким слоем в виде ленты. Антибликовое покрытие дает радужную окраску таким панелям. Эта технология не смогла завоевать рынок, занимая на нем лишь около 2%. В Росси почти не встречается.

Аморфный кремний

В этом типе используются не кристаллы, а тончайшие слои кремния, напыленные в вакууме на пластик, стекло или металл. Этот тип является наиболее дешевым в производстве, но обладает серьезным недостатком. Слои кремния выгорают на свету значительно быстрее, чем у предыдущих типов. Снижение производительности на 20% может произойти уже через два месяца. Очень часто в России привлеченные низкой ценой люди приобретают такие панели и потом разочаровываются, поскольку уже через год-два такой элемент перестает давать энергию.

Распознать такую панель на вид можно по более блеклому сероватому или темному цвету непонятных оттенков. На данном этапе развития этой технологии, применение таких панелей в России не рекомендуется.

Теллурид кадмия

Этот тип тонкослойных солнечных элементов обладает потенциально большей эффективностью и в качестве проводящего компонента использует оксид олова. Эффективность составляет 8-11%. По себестоимости эти элементы не намного дешевле моно- и поли- кристаллических кремниевых и обладают проблемой использования токсичного кадмия. Сейчас этот тип элементов занимает менее 5% общего рынка. Допуск таких панелей в Россию нежелателен в первую очередь из-за отечественного неумения обращаться с потенциально токсичной продукцией.

Другие элементы

Помимо вышеперечисленных есть еще много различных солнечных элементов, не получивших большого распространения. Потенциально перспективными являются медно-галлиевые, концентрирующие, композитные и некоторые другие элементы.

Производство солнечных панелейрастет бешеными темпами, стараясь поспеть за стремительно растущим спросом. Причем одновременно растет спрос и для промышленных электростанций и для бытового потребления.

Лидером в производстве солнечных панелей является Китай. Здесь производят почти треть (29%) от общемировой продукции. При этом большая часть уходит на экспорт - в США и Европу. Примечательно, что американцы, являясь крупнейшим потребителем, производят лишь 6% от всех солнечных панелей, предпочитая инвестировать в перспективные крупные заводы в Китае.

Ненамного от Китая отстают Япония и Германия, которые производят соответственно 22% и 20% от общемировой продукции. Еще одним лидером является Тайвань - 11% рынка. Все остальные страны производят значительно меньшее количество солнечных панелей.