Отчет - Исследование отрасли альтернативной энергетики Республики Казахстан. Том 3 Перспективные сегменты отрасли альтернативной энергетики
Подождите немного. Документ загружается.
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
31
Таблица 4 Количество солнечной радиации в Европе и странах Карибского
бассейна, кВт·ч/м
2
в сутки
20
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
Ниже сформулированы факторы, свидетельствующие о большом значении солнечной
энергетики для мировой экономики:
к середине XXI века запасы нефти и газа будут близки к истощению, и солнечное
электричество должно компенсировать их уменьшающуюся добычу;
увеличивающийся выброс двуокиси углерода в атмосферу должен привести к
ускоренному развитию экологически чистой солнечной фотоэнергетики для
снижения
уровня загрязнения среды и глобального потепления;
солнечное электричество будет доминирующим источником энергии с долей
приблизительно 60% к концу XXI века благодаря практически не истощаемому
ресурсу энергии солнечного излучения.
Кроме этих факторов, касающихся энергетики, имеются и социальные факторы,
стимулирующие развитие солнечной фотоэнергетики:
более 2 млрд. людей в мире не имеют доступа к централизованному
снабжению
электричеством, и большинство из них живет в солнечном поясе Земли.
Централизованная система снабжения электроэнергией не выгодна в ряде этих
районов, и ее создание потребовало бы огромных капитальных вложений.
Электрическая энергия является ключом для повышения уровня жизни в районах,
не имеющих электроснабжения, и солнечная энергия могла бы стать
20
Источник: http://1kz.biz/battery/artiklsos1.htm
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
32
доминирующим децентрализованным источником энергии в этих районах
благодаря ее практически неограниченному ресурсу;
скрытые социальные затраты на компенсацию вредного воздействия топливных
электростанций (болезни, уменьшение продолжительности жизни и др.)
распределены на все общество и составляют 50-80% цен на энергию. Если
включить эти затраты прямо в тарифы на топливо и энергию, то фотоэнергетика
станет конкурентоспособной уже на данном этапе ее развития.
Энергетика будущего будет базироваться в основном на солнечной фотоэнергетике
(>50%), а также на других возобновляемых ресурсах (гидроэнергетика, ветроэнергетика и
др.).
21
2.2. Государственная политика в области стимулирования
развития отрасли
Наиболее высокая динамика развития рынка солнечной энергетики наблюдается в
Германии. Причины успеха германского рынка солнечной энергетики обусловлены
значительной государственной поддержкой этой отрасли. Так, реализуемая в Германии
федеральная «Программа 100 000 солнечных крыш» предусматривает финансовые
субсидии инвесторам в размере 0,51 млрд. евро и является самой крупной в мире
программой финансирования в сфере солнечной энергетики.
Основным инструментом стимулирования развития солнечной энергетики так же, как и
ветроэнергетики в большинстве стран ЕС служат компенсации к тарифам. Наибольшие
компенсации к тарифам получала солнечная энергетика в Германии и Португалии (но
только установки менее 5 МВт), а также частные поставщики в Люксембурге.
Таким образом, опыт стран ЕС показывает, что будущее НВИЭ во многом зависит от той
финансовой поддержки, которая будет оказана нетрадиционной энергетике. Важным
условием дальнейшего развития этой подотрасли энергетики выступает активное
вмешательство государства в экономическую жизнь, проявляющееся, в частности, в
прекращении государственного субсидирования угольной промышленности и
«экологически грязных» отраслей; установлении «угольного налога», который должен
содействовать оттоку инвестиций из угольной промышленности и направлению их в
энергетику на базе возобновляемых источников; замене подоходного налогообложения
экологическим; расширении финансовой поддержки НИОКР в области
энергосберегающих технологий и экологически «чистой» энергии и др.
21
Источник: по данным Интернет-интервью с Алферовым Ж.И., лауреатом Нобелевской премии 2000 г в
области физики, http://www.nkj.ru/interview/8370/
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
33
2.3. Экологические аспекты использования солнечной энергии
Основными достоинствами солнечной энергии, и ее отличительными характеристиками
по сравнению с другими видами альтернативной энергетики являются:
общедоступность и неисчерпаемость источника;
полная безопасность для окружающей среды самого источника энергии.
Несмотря на экологическую чистоту получаемой энергии, сами фотоэлементы содержат
ядовитые вещества, например, свинец, кадмий, галлий, мышьяк и т. д., а их производство
потребляет массу других опасных веществ. Современные фотоэлементы имеют
ограниченный срок службы (30—50 лет), и массовое применение поставит в ближайшее
же время сложный вопрос их утилизации, который тоже не имеет пока приемлемого с
экологической точки зрения решения.
Существует вероятность того, что повсеместное внедрение солнечной энергетики может
изменить альбедо земной поверхности и привести к изменению климата (однако при
современном уровне потребления энергии это крайне маловероятно).
22
Таблица 5 Оценка основных преимуществ и недостатков данного сегмента
отрасли АИЭ
Преимущества Недостатки
Общедоступность и неисчерпаемость
источника в мировом масштабе. Солнечное
излучение не нуждается в добыче,
транспортировке, он безвреден, бесшумен,
невесом, не нарушает тепловое равновесие
планеты. Суммарный годовой потенциал
СЭ в РК оценивается в 340 млрд. т.у.т.
Солнечное электричество будет
доминирующим источником энергии с долей
приблизительно 60% к концу XXI века
благодаря практически
не истощаемому
ресурсу энергии солнечного излучения
Возможность использования данного
источника как для получения
электрической, так и тепловой энергий
Материалоемкий вид производства
энергии (капиталоемкое производство
солнечных фотоэлементов) в мире, и
Казахстане в частности
Низкий уровень поддержки со стороны
государства и международных
организаций развития данной отрасли на
территории Казахстана
Существует вероятность того, что
повсеместное внедрение солнечной
энергетики может изменить
альбедо
23
земной поверхности и привести к
изменению климата (однако при
современном уровне потребления энергии
это крайне маловероятно)
22
Источник: по материалам Интернет-энциклопедии Википедия;
http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D0%B5%D1%87%D0%BD%D0%B0%D1
%8F_%D1%8D%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B3%D0%B8%D1%8F
23
Примечание: альбедо - характеристика отражательной способности поверхности. Значение альбедо для
данной длины волны или диапазона длин волн зависит от спектральных характеристик отражающей
поверхности, поэтому
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
34
Преимущества Недостатки
Слабая зависимость от географического
расположения. Географическое положение
РК позволяет использовать ресурсы СЭ для
выработки электроэнергии в больших
объемах. Использование панелей
солнечных батарей в сельской местности
Казахстана позволяет решить вопрос с
энергообеспечением удаленных регионов,
не подключенных к ЛЭП.
Безопасность для окружающей среды
Мобильность системы. Фотоэлектрические
элементы могут устанавливаться на
различных транспортных средствах: лодках,
электромобилях и гибридных автомобилях,
самолётах, дирижаблях, а также легко
вписываются в дизайн зданий и
сооружений.
Широкий круг применения. Солнечная
энергия может применяться в том числе и в
различных химических процессах.
Наличие широкого круга материалов,
позволяющих производить солнечные
батареи. Например, в Казахстане
осуществляется добыча и переработка
кремния, также применяются различные
сплавы металлов и зеркала.
Получение электроэнергии из солнечных
лучей стало рентабельным не сразу. До сих
пор главным препятствием на пути
широкого внедрения солнечных батарей,
которые преобразуют солнечные лучи в
электричество, была цена, но благодаря
стремительному развитию солнечной
энергетики за последнее десятилетие, цены
на дорогие кремниевые батареи снизились
почти втрое.
Из-за относительно небольшой величины
солнечной постоянной для солнечной
энергетики требуется использование
больших площадей земли под
электростанции (например, для
электростанции (далее СЭС) мощностью 1
ГВт это может быть несколько десятков кв
.
км.)
Недостаточный КПД солнечных элементов
Поверхность фотопанелей нужно очищать
от пыли и других загрязнений
24
Эффективность фотоэлектрических
элементов заметно падает при их нагреве,
поэтому возникает необходимость в
установке систем охлаждения
24
Примечание: площадь фотопанелей составляет несколько квадратных километров
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
35
2.4. Развитие солнечной энергетики в странах СНГ
Наибольшим энергетическим потенциалом солнечной радиации на территории СНГ
обладают страны Центральной Азии: Туркменистан, Узбекистан, Кыргызстан. Но это не
повод говорить об их лидерстве на рынке.
В настоящее время особый интерес представляет развитие рынка солнечной энергетики на
Украине, в Азербайджане, на юге России и в Казахстане.
РФ – третья, после США и Японии, страна в мире, где использование энергии солнца
достигло большого прогресса. Количество солнечной энергии, поступающей на
территорию России в неделю, значительно превышает аналогичные показатели,
полученные от традиционных источников энергии.
На сегодняшний день солнечная энергия уже успешно эксплуатируется в таких регионах,
как Республика Тыва и Республика Бурятия.
В Республике Тыва в 2003 году была принята программы «400 солнечных юрт», в рамках
которой в Тувинском институте комплексного освоения природных ресурсов Сибирского
отделения РАН разработаны компактные гелиоэлектростанции, мощность каждой
составляет 140 Вт, что вполне достаточно, чтобы накопленная за день солнечная энергия
питала вечером телевизор и две лампы. Всего на реализацию программы до 2010 года
планируется затратить 18 млн. рублей из республиканского и федерального бюджетов.
В Республике Бурятия есть все условия для применения гелиоэнергетики. Солнечными
коллекторами производительностью от 500 до 3000 литров горячей воды (90-100 градусов
по Цельсию) в сутки оснащены различные промышленные и социальные объекты.
Потенциал солнечной энергии целесообразно использовать также в Приморском крае, и
на территории Амурской области, где успешно эксплуатируются несколько солнечных
батарей.
В 2006 году экс-президент СССР Михаил Горбачёв призвал лидеров стран «Большой
восьмерки» создать в течение 10 лет Всемирный фонд солнечной энергии с капиталом 50
млрд долларов. Пока конкретные действия в этом направлении не предпринимались, но
частные инициативы успешно реализуются.
Так, американская компания Solar Night Industries, Inc. недавно открыла в Москве свое
представительство, которое призвано содействовать исследованиям солнечной энергии и
освоению технологий по ее производству. Компания Nitol Solar, российский
производитель кремния для солнечных батарей, объявила о планах разместить акции на
Лондонской фондовой бирже и выразила заинтересованность в развитии солнечной
энергетики и ее практическом применении.
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
36
РФ обладает передовыми технологиями по преобразованию солнечной энергии в
электрическую. Есть ряд предприятий и организаций, которые разработали и
совершенствуют технологии фотоэлектрических преобразователей, как кремниевых, так и
на многопереходных структурах. Есть ряд разработок использования концентрирующих
систем для солнечных электростанций.
Согласно Федеральной целевой Программе «Энергоэффективная экономика» на период
до 2010 года, планируется производство и установка солнечных фотоэлектрических
установок общей мощностью 2,136 МВт с выработкой электроэнергии 3,77 млн. кВт.ч.
Установленная мощность гелионагревательных систем определена в объеме 69,89 Гкал/ч
при выработке энергии на 111.8 тыс. Гкал, что обеспечивает замещение органического
топлива в количестве 15,99 тыс. т.у.т. Средние удельные капитальные затраты 9,8 тыс.
руб./кВт установленной мощности.
В
области научных исследований в России осуществлен проект «Создание
высокоэффективных кремниевых фотопреобразователей и модулей с удельными
параметрами более 160 Вт/кв. м. и развертывание их опытно-промышленного
производства с объемом 300 кВт/год». Головным предприятием по проекту была
определена НПФ «Кварк» г. Краснодар. В 1998 г. проект был успешно выполнен. Была
разработана технология фотопреобразователей
и фотомодулей и осуществлено ее
внедрение в производство на фирме «Солнечный ветер» (г. Краснодар) и ОКБ «Красное
знамя» (г. Рязань). Это позволило данным предприятиям не только выйти и укрепиться на
мировом рынке, но и увеличить объемы поставок за рубеж. Так, например, фирма
«Солнечный Ветер» поставляет свою продукцию в Аргентину, Великобританию,
Германию, Грецию, Гонконг, Израиль, Испанию, Канаду, Тайвань, ЮАР и др. За 1996-
2001 гг. объем продаж увеличился в десять раз (с 60 кВт/год до 600 кВт/год), а в 2003 году
превысил 2 МВт. В 2004 году планируемый объем продукции фотоэлектричества в России
ожидается на уровне 4-6 МВт.
В области разработки и производства солнечных коллекторов (СК) Россия отстает от
ведущих стран мира. Это в основном связано с тем, что практически отсутствует
массовый спрос на такие установки, что, в условиях отсутствия государственных
программ поддержки, ведет к недостаточному финансированию НИР в этой области. Тем
не менее, в России есть ряд разработок, которые соответствуют мировому уровню. Так,
предприятие НПО «Машиностроения» выпускает полностью алюминиевые солнечные
коллекторы, а компания «Альтэн» - алюминиево-медные СК, которые по параметрам
соответствуют лучшим мировым образцам. К сожалению, производство таких
коллекторов не является массовым.
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
37
Ковровским механическим заводом серийно выпускаются медно-стальные СК, но их
эргономические характеристики оставляют желать лучшего. Есть также ряд мелких
предприятий, которые выпускают СК собственной разработки (в том числе стальные и
пластиковые), однако качество их не может считаться удовлетворительным и в
большинстве случаев уровень качества не подтвержден.
Тем не менее, солнечные системы горячего водоснабжения установлены и успешно
эксплуатируются на ряде объектов на юге России, Восточной Сибири и на Дальнем
Востоке.
Большой интерес представляет сегмент рынка индивидуальных солнечных систем
горячего водоснабжения и отопления, которые применяются на дачах и в коттеджах.
В России также накоплен большой опыт использования гидроэнергетических ресурсов
малых рек, а потому проблема производства оборудования для малых и микроГЭС в 90-е
годы в основном была решена. Здесь существует несколько предприятий, производящих
высококачественное, соответствующее мировому уровню оборудование для малых ГЭС.
Выпуском гидроагрегатов в России занимаются как крупные специализированные
предприятия, так и мелкие фирмы производители.
«Солнечный портрет» Украины в числе благодатных с позиции перспектив
экономической окупаемости практического использования данного вида энергии. Уровень
солнечной радиации в этой стране весьма высок и составляет 3,46 млрд. МВт/ч в год,
притом наибольший показатель солнечного сияния, 2300-2400 часов в год, принадлежит
Крыму и побережью Черного и Азовского морей. В степной зоне Украины длительность
солнечного сияния составляет 2000 - 2200 часов; в направлении
Полесья и на восток
страны длительность солнечного сияния понижается до 1740 - 1840 часов; в низинах
Закарпатской области она достигает 2025 часов в год.
Как видно из этого описания, гелиоситуация в рамках Украины являет неоднородность,
исходя из которой можно ожидать, что внедрение солнечных энергоагрегатов, как только
оно «станет на поток», будет охватывать страну постепенно.
Аналогичная
ситуация и в других странах с переходной экономикой. Солнечная
энергетика здесь остается диковинным товаром, что является прямым следствием
отсутствия государственной политики ее стимулирования, подобной проводимым в
передовых странах мира и, в частности, в государствах Евросоюза.
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
38
2.5. Технологии получения энергии от солнца
2.5.1. Анализ технологий
Технологии в области солнечной энергетики делятся на оборудование, вырабатывающее
электричество, и устройства, производящие тепло. На сегодняшний день солнечная
энергия используется в основном для производства низкопотенциального тепла для
коммунально-бытового горячего водоснабжения и теплоснабжения. Преобладающим
видом оборудования здесь являются так называемые плоские солнечные коллекторы.
Преобразование солнечной энергии в электроэнергию можно осуществить как
термодинамическими методами (получением пара высокого давления), так и прямым
преобразованием с помощью фотоэлектрических панелей (ФЭП) и концентраторами
солнечного излучения.
2.5.2. Солнечная электроэнергетика
Технология фотоэлектричества предусматривает использование полупроводникового
материала, который является источником электронов. Среди полупроводниковых
материалов наиболее распространен кремний. Чем выше световая интенсивность, тем
сильнее получаемый электрический ток. Таким образом, фотоэлектрическая система не
нуждается в ярком солнечном свете и может производить электричество даже в облачные
дни.
Рисунок 5 Изображение фотоэлемента или солнечного модуля
Фотоэлемент или солнечный модуль представляет собой «сэндвич» из кремния - второго
по распространенности на Земле вещества. Девяносто девять процентов современных
солнечных элементов изготавливают из кремния, а остальные построены на том же
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
39
принципе, что и кремниевые солнечные элементы. На один слой кремния наносится
определенное вещество, благодаря которому образуется избыток электронов. Получается
отрицательно заряженный слой («N»). На другом слое создается недостаток электронов,
он становится положительно заряженным («Р»). Собранные вместе с проводниками, эти
две поверхности образуют светочувствительный электронно-дырочный переход. Он
называется полупроводником, так как, в отличие от электропровода, проводит ток только
в одном направлении - от отрицательного к положительному. При воздействии солнца или
другого интенсивного источника света возникает постоянный ток напряжением примерно
в 0,5 Вольт. Сила тока пропорциональна световой энергии (количеству фотонов). В любой
фотоэлектрической системе напряжение почти постоянно, а ток пропорционален размеру
фотоэлементов и интенсивности света.
Элементы солнечного модуля заключены под стеклянной крышкой. Чем интенсивнее
свет, падающий на фотоэлементы и чем больше их площадь, тем больше вырабатывается
электричества и тем больше сила тока. Модули классифицируются по пиковой мощности
в ваттах (Втп). Ватт - единица измерения мощности. Один пиковый ватт - техническая
характеристика, которая указывает на значение мощности установки в определенных
условиях, т.е. когда солнечное излучение в 1 кВт/кв. м падает на элемент при температуре
25°C. Такая интенсивность достигается при хороших погодных условиях и Солнце в
зените. Чтобы выработать один пиковый ватт, нужен один элемент размером 10x10 см.
Более крупные модули, площадью 1 м x 40 см, вырабатывают около 40-50 Втп. Однако
солнечная освещенность редко достигает величины 1 кВт/ кв. м. Более того, на солнце
модуль нагревается значительно выше номинальной температуры. Оба эти фактора
снижают производительность модуля. В типичных условиях средняя производительность
составляет около 6 Вт/ч в день и 2000 Вт/ч в год на 1 Втп.
Энергия, производимая обычными солнечными батареями, приблизительно в пять раз
дороже по сравнению с традиционными источниками, что, естественно, препятствует их
широкому использованию. Одной из основных причин высокой стоимости является
необходимость использования дорогих кремниевых пластин.
Современное производство фотоэлементов практически полностью основано на кремнии.
Около 80% всех модулей производится с использованием поли- или
монокристаллического кремния, а остальные 20% используют аморфный кремний.
Кристаллические фотоэлементы - наиболее распространенные, обычно они имеют синий
цвет с отблеском. Аморфные, или некристаллические - гладкие на вид и меняют цвет в
зависимости от угла зрения. Монокристаллический кремний имеет наилучшую
эффективность (около 14%), но он дороже, чем поликристаллический, эффективность
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
40
которого в среднем составляет 11%. Аморфный кремний широко применяется в
небольших приборах, таких как часы и калькуляторы, но его эффективность и
долгосрочная стабильность значительно ниже, поэтому он редко применяется в силовых
установках.
В опытной разработке находятся несколько типов альтернативных тонкопленочных
фотоэлементов, которые в будущем могут завоевать рынок, поскольку позволяют
минимизировать использование кремния.
Наиболее отлаженными из исследуемых в настоящее время тонкопленочных систем
являются фотоэлементы из следующих материалов:
аморфный кремний (a-Si: H);
теллурид/сульфид кадмия (CTS);
медно-индиевый или медно-галлиевый диселенид (CIS or CIGS), тонкопленочный
кристаллический кремний(c-Si film);
нанокристаллические сенсибилизированные красителем электрохимические
фотоэлементы (nc-dye).
Оборотной стороной экономической выгоды, получаемой от использования 1-2 мкм
пленок, является то, что они способны преобразовать в электричество лишь от 5 до 10%
падающей на них солнечной энергии, что существенно ниже характеристик более толстых
кремниевых пластин (до 25%). Причина заключается в специальном процессе травления,
позволяющем повысить эффективность поглощения света солнечной батареей.
25
Для того чтобы фотоэлектрические модули были надежным источником электроэнергии,
необходимы дополнительные элементы: кабели, поддерживающая структура, и, в
зависимости от типа системы (соединенная с сетью, автономная или резервная), еще и
электронный инвертор и контролер заряда с аккумуляторной батареей. Такая система в
целом называется солнечной фотоэлектрической системой или солнечной станцией.
Типы фотоэлектрических систем
С выходом в сеть
Является наиболее распространенным типом фотоэлектрических систем для бытового и
корпоративного пользования в развитых странах. Выход в локальную электросеть
позволяет продавать избыточную электроэнергию коммунальным предприятиям. В
темное время суток используется энергия электросети. Для преобразования постоянного
тока в переменный применяется инвертор.
С поддержкой электросети
Система может быть подключена к локальной электросети, а также к резервной батарее.
25
Источник: http://www.strf.ru/science.aspx?CatalogId=222&d_no=14941