Зарубежный опыт применения солнечных батарей в инфраструктуре города и страны

3. Солнечная энергетика в России – возможности применения

в промышленных масштабах:

· Солнечные электростанции. Европейский опыт.

· Перспективы солнечной энергетики в России.

· Экономические показатели и ожидаемая стоимость системы промышленной генерации

4. Применение солнечных батарей в городском освещении. Возможности для России:

· Уличное освещение

· Экономическая оценка проекта уличного освещения с применением солнечных батарей

Введение

История создания солнечной батареи

Начальной точкой развития солнечных батарей является 1839 год, когда был открыт фотогальванический эффект. Это открытие было сделано Александром Эдмоном Беккерелем.

Следующим этапом в истории солнечных батарей стала деятельность Чарльза Фриттса. Через сорок четыре года после открытия Беккереля, в 1883 году, Фриттс сконструировал первый модуль с использованием солнечной энергии. Основой изобретения послужил селен, покрытый тонким слоем золота. Исследователь пришёл к выводу, что данное сочетание элементов позволяет, пусть в минимальной степени (не более одного процента), преобразовывать солнечную энергию в электричество.

Разумеется, до создания современных солнечных батарей было ещё далеко. В течение последующих десятилетий это направление научных исследований развивалось нестабильно. Периоды интенсивной деятельности сменялись резкими спадами. Многие склонны считать, что история солнечных батарей ведёт своё начало с деятельности Альберта Эйнштейна. В частности, великий учёный получил в 1921 году Нобелевскую премию именно за изучение особенностей внешнего фотоэффекта, а не за обоснование знаменитой теории относительности.

В 30-ых годах советские физики получили электрический ток, используя фотоэффект. Разумеется, коэффициент полезного действия (КПД) тогда не впечатлял. Он не превышал один процент, но и это являлось серьёзным научным шагом.

Уже в 1954 году группа американских учёных добилась КПД, достигающего шести процентов. В этом году свет увидела первая кремниевая солнечная батарея.

В 1958 году солнечная батарея стала основным источником получения электроэнергии на космических аппаратах, как на советских, так и на американских. Но приборы продолжали совершенствовать.

В семидесятых годах КПД составлял десять процентов. Такие показатели были вполне приемлемыми для использования альтернативных устройств получения энергии на космических аппаратах, но использовать солнечные батареи на Земле пока не имело смысла. Да и стоили солнечные батареи весьма дорого. Это объяснялось дороговизной материала. Например, цена одного килограмма кремния составляла около ста долларов. Только в девяностых годах наметились определённые позитивные сдвиги в развитии альтернативных источников энергии и солнечных батарей в частности.

Успешное и стабильное производство было налажено только в конце восьмидесятых. Сегодня выпускаемые солнечные батареи имеют КПД, немногим превышающий двадцать процентов.

Принцип действия солнечной батареи.

Преобразование энергии в фотоэлектрическом преобразователь основано на фотовольтаическом эффекте (фотоэффекте), который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения.

Фотоэффект — это испускание электронов веществом под действием света (и, вообще говоря, любого электромагнитного излучения)[1]. В конденсированных веществах (твёрдых и жидких) выделяют внешний и внутренний фотоэффект. Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитных излучений. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком. Внутренним фотоэффектом называется перераспределение электронов по энергетическим состояниям в твердых и жидких полупроводниках и диэлектриках, происходящее под действием излучений. Он проявляется в изменении концентрации носителей зарядов в среде и приводит к возникновению фотопроводимости или вентильного фотоэффекта.

Неоднородность структуры может быть получена легированием (добавление небольших количеств примесей с целью контролируемого изменения электрических свойств полупроводника, в частности, его типа проводимости) одного и того же полупроводника различными примесями (создание p - n-переходов) или путём соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещённой зоны-энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов), или же за счёт изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещённой зоны. Возможны также различные комбинации перечисленных способов.

Преимущества:

· главное достоинство солнечных батарей — их предельная конструктивная простота и полное отсутствие подвижных деталей.

· солнечные батареи не нуждаются в каком-либо топливе и способны работать на внутренних ресурсах. Владельцу не нужно волноваться о сохранности прибора и постоянно поддерживать его сохранность. Солнечные батареи практически не боятся механического износа. Да и обслуживание им никакое не нужно.

· небольшой удельный вес, неприхотливость, максимально простой монтаж и минимальные требования к обслуживанию во время эксплуатации (обычно достаточно лишь протирать грязь с рабочей поверхности).

· данные устройства способны прослужить не менее двадцати пяти лет.

· не стоит забывать и об экологическом факторе. Применяемые технологии и материалы полностью соответствуют самым высоким экологическим нормам, солнечные батареи не производят выбросов вредных веществ в окружающую среду и абсолютно безопасны.

· получения энергии с использованием солнечных батарей позволяет сэкономить немалые финансовые средства.

· в отличие от традиционных источников, этот тип ресурсов практически неиссякаем. Получение традиционных источников энергии сегодня становится всё более дорогим удовольствием и серьёзно бьёт как по карману простых потребителей, так и по бюджетам многих государств.

Недостатки:

· невысокий КПД. Солнечные батареи преобразуют энергию избирательно — для рабочего возбуждения атомов требуются определённые энергии фотонов (частоты излучения), поэтому в одних полосах частот преобразование идёт очень эффективно, а другие частотные диапазоны для них бесполезны. Кроме того, энергия уловленных ими фотонов используется квантово — её «излишки», превышающие нужный уровень, идут на вредный в данном случае нагрев материала фотопреобразователя. Во многом именно этим и объясняется их невысокий КПД. Кстати, неудачно выбрав материал защитного стекла, можно заметно снизить эффективность работы батареи. Дело усугубляется тем, что обычное стекло довольно хорошо поглощает высокоэнергетическую ультрафиолетовую часть диапазона, а для некоторых типов фотоэлементов весьма актуален именно этот диапазон, — энергия инфракрасных фотонов для них слишком мала.

· чувствительность к загрязнениям. Даже довольно тонкий слой пыли на поверхности фотоэлементов или защитного стекла может поглотить существенную долю солнечного света и заметно снизить выработку энергии. В пыльном городе это потребует частой очистки поверхности солнечных батарей, установленных горизонтально или наклонно. Безусловно, такая же процедура необходима и после каждого снегопада, и после пыльной бури.

· уменьшение эффективности в течение срока службы. Полупроводниковые пластины, из которых обычно состоят солнечные батареи, со временем деградируют и утрачивают свои свойства, в результате и без того не слишком высокий КПД солнечных батарей становится ещё меньше. Длительное воздействие высоких температур ускоряет этот процесс. Тем не менее, современные фотопреобразователи способны сохранять свою эффективность в течение многих лет. Считается, что в среднем за 25 лет КПД солнечной батареи уменьшается на 10%. Так что обычно гораздо важнее вовремя протирать пыль.

· Солнечные батареи невозможно использовать в большинстве районов нашей страны из-за погодных условий и недостаточного количества солнечных дней.

· Чувствительность к высокой температуре. С повышением температуры эффективность работы солнечных батарей, как и большинства других полупроводниковых приборов, снижается. При температурах выше 100..150°С они могут временно стать неработоспособными, а ещё больший нагрев может привести к их необратимому повреждению. Поэтому необходимо принимать все меры для снижения нагрева, неизбежного под палящими прямыми солнечными лучами. Дополнительно осложняет ситуацию то, что чувствительная поверхность довольно хрупких фотоэлементов часто закрывается защитным стеклом или прозрачным пластиком. В результате образуется своеобразный «парник», усугубляющий перегрев. Правда, увеличив расстояние между защитным стеклом и поверхностью фотоэлемента и соединив сверху и снизу эту полость с атмосферой, можно организовать конвекционный поток воздуха, естественным образом охлаждающий фотоэлементы. Однако на ярком солнце и при высокой температуре наружного воздуха этого может оказаться недостаточно. Поэтому солнечная батарея даже не очень больших размеров может потребовать специальной системы охлаждения. Справедливости ради надо заметить, что подобные системы обычно легко автоматизируются, а привод вентилятора или помпы потребляет лишь малую долю вырабатываемой энергии. При отсутствии яркого солнца такого большого нагрева нет и охлаждение вообще не требуется, так что энергия, сэкономленная на приводе системы охлаждения, может быть использована для других целей.

· Зарубежный опыт применения солнечных

· батарей в инфраструктуре города и страны

·

· Fujisawa Sustainable Smart Town, Токио.

· В этом городе собраны все виды решений для новой энергетики и городского строительства.

· В планах компании к 2018 году стать лидером в эко-технологиях.

·

· Вот такой подарок к 100-летию готовит себе эта компания.

· «Эко-интеллектуальный город Фудзисава» станет первым в мире населённым пунктом, где солнечные панели и бытовые аккумуляторные батареи и энергосберегающие комплексы будут установлены в каждом доме, наглядно демонстрируя всему миру преимущества использования в домашних хозяйствах новейших эко-технологических решений.

· Уже к 2014 году можно будет смотреть первые шаги, на самой площадке умного города Фуджи-сава.

·

· Одна из инноваций это использование топливных элементов на принципе обратного водного гидролиза.

·

· Открытие этого пригорода Токио запланировано на март 2014 года, а его заселение — до 2018-го.

· НЕМЕЦКИЙ КВАРТАЛ ВОБАН (VAUBAN) ВО ФРАЙБУРГЕ

· Немецкий квартал Вобан (Vauban) во Фрайбурге, построенный на месте французской военной базы в 2000 году, является одним из европейских экспериментальных эко-районов, своеобразным полигоном для «зеленого» строительства и изучения реальной эффективности новых эко-технологий.Строительство квартала было завершено в 2000 году. Однако проект продолжается: поставлена задача, чтобы к 2040 году район полностью обеспечивал себя солнечной энергией.

· В Вобане реализована необычная транспортная схема. В самом районе практически нет личного автотранспорта и часть улиц – пешеходные, без парковочных мест, зато с велосипедными дорожками, а в центр города с немецкой пунктуальностью ездят трамваи.

·

· Но главные достоинства проекта относятся к сфере энергоэффективности и альтернативной энергетики. Все здания очень хорошо утеплены. В них установлены системы рекуперации энергии, которые позволяют «отбирать» энергию у выходящего из дома теплого воздуха. В большинстве домов используют солнечные батареи для производства электричества и солнечные коллекторы для получения горячей воды. В части домов для отопления и производства электричества применяются котлы, где сжигаются деревянные пеллеты. В районе установлены тепловые насосы, позволяющие использовать энергию земных недр.

· Фрайбург – один из чемпионов мирового экодвижения: здесь работают два известных центра образования, исследований и инноваций в области альтернативной энергетики: InstituteforSolarEnergySystems (ISE) и SolarInfoCenter (SIC). И если все пойдет по плану, то к 2046 весь город будет обеспечивать себя энергией самостоятельно, а возможно, еще и делиться избытком с соседями. По местному закону о возобновляемой энергетике, электросеть обязана забирать энергию, производимую солнечными батареями, по тарифу в два с половиной раза больше того, по которому она продает ее потребителям. Весь доход от программы направляется на установку солнечных батарей на крыши домов – по всей Германии их уже больше миллиона.

·

· Основная часть района Вобан — это сотня домов, построенных по стандартам сверхнизкого потребления энергии (стандарт Passivhaus, «Пассивный дом»). Самая яркая часть квартала Вобан — «Солнечное поселение», состоящее из 59 энергетически активных зданий. Они не только обеспечивают свои потребности за счет энергии ветра и cолнца, но и передают излишки в городскую сеть. Архитектор РольфДиш много лет продвигал идею энергоактивных домов, но именно в этом проекте она получила развитие. Диш построил здания из дерева, но затем «обернул» их в эффективный утеплитель толщиной 35 см. На крыше каждого здания установлены мощные солнечные батареи. Типовой энергоэффективный дом в Вобане производит в полтора раза больше энергии, чем потребляет.

· США. Крупнейшая в мире солнечная электростанция башенного типа

· Огромная солнечная электростанция, использующая около 350 тысяч зеркал для отражения солнечных лучей, начала поставлять электричество потребителям в Калифорнии. Избыток солнечного тепла в Южной Калифорнии американцы решили использовать — в четверг в этом штате начала работать крупнейшая в мире солнечная электростанция башенного типа.

·

· Строительство электростанции началось в октябре 2010 года

· Электростанция Ivanpah Solar Electric Generating System, которой совместно владеют NRG Energy, Google и BrightSource Energy, может вырабатывать до 392 мегаватт энергии по проектной мощности. По словам NRG Energy, этого достаточно, чтобы обеспечить на год экологически чистой электроэнергией 140 тысяч домохозяйств в Калифорнии или избежать выбросов углекислого газа массой 400 тысяч тонн в год (это равнозначно удалению с дорог страны 72 тысяч бензиновых легковых автомобилей).

·

· Температура вокруг башен Ivanpah Solar Electric Generating System может достигать 600 градусов Цельсия

· Станция занимает площадь более 1300 гектаров федеральной земли и расположена в пустыне Мохаве. Она, как уже отмечалось, включает порядка 350 тысяч управляемых программно зеркал (гелиостатов), которые концентрируют солнечные лучи на резервуары с водой, расположенные на вершинах огромных 140-метровых башен.

· Сфокусированные солнечные лучи превращают воду в резервуарах в пар, которая приводит в движение турбогенератор, вырабатывающий экологически чистую энергию. Электростанции башенного типа позволяют достичь довольно высокого показателя преобразования энергии (около 20%) и высоких рабочих мощностей.

·

· Гелиостаты, направляющие солнечный свет на вершину башен электростанции для производства электричества

· Для Google, которая вложила в проект $168 миллионов (из общих $2,2 млрд), инвестиции в экологически чистые источники энергии не являются принципиально новым шагом. Интернет-гигант активно вкладывает средства в ряд проектов использования энергии ветра и Солнца — в настоящее время, как сообщает компания, из возобновляемых источников энергии она покрывает более 34% потребностей своих центров обработки данных.

· Впрочем, хотя создавшие электростанцию компании всячески подчёркивают преимущества экологически чистой энергии, строительство подобных сооружений ставит новые вопросы относительно вреда для окружающей среды. Например, как сообщает Wall Street Journal, некоторые птицы, пролетающие сквозь насыщенное тепло вокруг башен (температура близ них может достигать 600 градусов Цельсия), умирают или опаляют свои перья. Соответствующие органы штатов и федерального правительства США начали исследование влияния электростанции на птиц — через два года должны быть опубликованы результаты.

Солнечная энергетика в России – возможности применения

в промышленных масштабах

Рост стоимости энергоносителей в последнее время в России стал решающим фактором массового внедрения солнечных энергоустановок. Главное, что инвестор при этом не покупает оборудование для генерации энергии, а покупает саму энергию, т.е. становится генерирующей компанией для своих нужд или как поставщик энергоресурсов. Стоимость энергии при этом для него становиться фиксированной и практически уменьшается со временем, тогда как конкуренты на рынке продолжают платить с нарастающими коэффициентами, растущими год от года в зависимости только от амбиций энергетиков. В ряде случаев, стоимость оборудования для генерации сопоставимо с тарифами на технологическое подключение для конечного потребителя и поэтому, все больше экономически мыслящих инвесторов рассматривают собственную солнечную электростанцию как единственный способ свободного развития бизнеса.
Современные системы солнечной генерации и последние достижения в технологии преобразования солнечной энергии имеют промышленное, коммерческое и частное применение в аспектах тепловой генерации для горячего водоснабжения и отопления, а так же для прямого производства электроэнергии. В свете закона РФ об Энергоэффективности (от 23 ноября 2009 года № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации») Правительство РФ сегодня оказывает прямую поддержку при внедрении таких проектов в виде компенсационных выплат инвесторам после внедрения солнечных систем энергогенерации или оплаты по “солнечному тарифу” произведенной электроэнергии. При проектах регионального масштаба от 1 МВт. и более рассматриваются вопросы по поддержке инвесторов путем снижения таможенных пошлин и НДС на импортное оборудование.

Солнечные электростанции. Европейский опыт.
Развитие технологий солнечных энергосистем с появлением мощных панелей солнечных батарей (400 Вт. с площадью 1,5 - 2 кв.м) и надежных инверторов промышленной мощности более 500 кВт. нашло применение в локальных проектах энергообеспечения таких объектов как офисы, торговые центры, промышленные объекты с максимальным энергопотреблением в дневное время. В ночное время системы солнечной генерации, имеющие устройства аккумуляции электроэнергии, используются как генерирующие мощности для уличного освещения, подсветки фасадов зданий, рекламных щитов, билбордов, и т.д.

Рост потребления таких энергосистем в мировой практике удваивается каждые полгода и это стимулирует производителей к разработке и выпуску более дешевых и надежных солнечных панелей. Сегодня производители гарантируют 25 лет их надежной работы, а с учетом ускоренной окупаемости за счет снижения цены на основные компоненты и роста тарифов в традиционной энергетике, внедрение солнечной генерации становится экономически обоснованным.
Где их применяют в первую очередь? Для промышленных систем генерации в районах наибольшей эффективности применения солнечной энергетики, где, например, невыгодно по экономическим или экологическим показателям, где появились земельные участки с неэффективным использованием для сельхозназначения, горные массивы и предгорья. Сегодня построены и эксплуатируются в центральной Европе системы промышленной генерации с мощностями от 500 кВт. до 60 МВт. Такие системы финансируются как частными инвесторами, так и поддерживаются государственными программами и коммерческими банками напрямую и по системам лизинговых сделок.

Поля с солнечными батареями на площадях более чем в 80 Га – сегодня не редкость для Европы. Смонтированные на такой площади генерирующие мощности обеспечивают производительность разовой генерации до 40 МВт.

Для малого бизнеса характерно применение таких систем для энергоснабжения офисов компаний, кемпингов и гостиниц, торговых гипермаркетов, спортивных сооружений. Есть примеры когда от таких систем запитаны загородные поселки и конечно все новые строящиеся объекты с дорогими техническими условиями на подключение к энергосистемам.

Наибольшее распространение в Европе системы промышленной солнечной генерации получили в течение последних 5 лет как системы альтернативной "зеленой" энергетики с промышленными мощностями. Реализованные проекты при государственных инвестициях и смешанных инвестициях сделали это направление инвестиционно привлекательным. На практике, владельцы земельных участков, на которых раннее выращивали, например рапс, для производства биодизеля, сегодня разметили на бывших полях системы солнечных электростанций и доход от аренды земельных участков при этом на порядок превосходит поступления от сельхозпроизводства.

Схема солнечной электростанции на устройствах фирмы SunGrow выглядит следующим образом:

A	Saninfo ^TM EM –Устройство метеоконтроля	Saninfo ^TM EM Применяется как система сбора и обработки данных по метеоусловиям в зоне СЭС: направление и скорость ветра, температура и солнечная инсоляция для системы управления СЭС
B	SanBox^TMPVC PVACB Коммуникатор –блок подключения панелей -солнечных батарей	При использовании SanBox^TMPVC PV ACB различные стринги – объединенные в схему панели - солнечные батареи – могут быть подключены в коммуникационном блоке. После этого через схему молнезащиты и групповые предохранители они могут быть после инсталляции подключены к инвертору и повысить надежность системы
C	SanBox^TMPMD D-DCБлок подключения по постоянному току	SanBox^TMPMD D-DC- предназначен для коммутации постоянного тока, полученных с панелей – солнечных батарей, и передачи на инвертор, содержит входные цепи коммутации и предохранители, шунтирующие диоды и схему молнезащиты.
D	SanBox^TMPMD A-ACБлок подключения по переменному току	SanBox^TMPMD A-AC предназначен для распределения и защиты переменного тока между инвертором и передающей сетью. Имеется эффективная система контроля, токозащиты и молнезащиты
eE	SanInfo^TMLogger Устройство контроля работы инвертора с системой передачи данныхданных	SanInfo^TMLogger - устройство для сбора, контроля и передачи данных, используется для сбора данных при работе СЭС –контроль работы панелей – солнечных батарей, работы инвертора в составе СЭС. Имеется возможность контроля как единичного инвертора –так и до 100 инверторов одновременно.

Италия–проект солнечной промышленной генерации недалеко от Ровиго: 280000 поликристаллических модуля генерируют 70 МВт. по постоянному току.

Опыт круглогодичной эксплуатации таких систем говорит о положительной практике эксплуатации современных солнечных панелей – им не страшны ветровые, снеговые нагрузки, перепады температур, дождь или ветер. Спроектированные системы имеют все характеристики для эксплуатации промышленных систем солнечной генерации круглогодичного использования с высокой эффективностью. В ряде случаев для повышения эффективности систем, панели размещают на треккер-системах имеющих механизм слежения за солнцем.

Европейский опыт эксплуатации систем солнечной генерации промышленного масштаба уже имеет ряд положительных аспектов: экология – реальное снижение эмиссии СО₂, конкурентная цена - в сравнении с другими способами промышленной энергогенерации, низкие эксплуатационные затраты, высокая надежность и практически круглогодичное использование. Особенно важно, что подключение промышленной системы солнечной генерации к существующим распределительным сетям и учет потребления мощности в режиме оплаты баланса мощности, создает фактически технологию аккумулирования мощности в рамках распределительной системы. На практике, при потреблении предприятием (рядом предприятий) в рамках холдинга, СЭС должна генерировать 3 кратный запас мощности в пределах 8 часового светового дня. Примерно 2/3 мощности будет потребляться из сети в вечерние, ночные и утренние часы для покрытия потребности холдинга, а суммарная мощность генерации потребления будет сбалансирована.

Дата добавления: 2015-09-06