Що таке сонячна енергетика і чи потрібна вона сьогодні Україні?

Автор/джерело -  © В.А.Скришевський, Національне агентство екологічних інвестицій 

Сонячна енергетика залишається диковинкою для України, не часто зустрінеш на вулицях міст, на підприємствах чи в державних закладах сонячні батареї. Але тим не менш, енергію Сонця українці починають використовувати й сонячні батареї поступово проникають на наш ринок.

Сучасний розвиток світової економіки невід’ємно пов’язаний із зростанням темпів виробництва енергії. Це зумовлюється багатьма факторами: загальним збільшенням світового товаровиробництва, розвитком транспорту та телекомунікацій, розробкою віддалених родовищ корисних копалин, утилізацією відходів, ростом споживання енергії у побуті (опалення, освітлення, живлення побутової техніки), технічним переозброєнням армій тощо. Тому темпи зростання виробництва енергії перевищують нині темпи зростання населення землі. Зараз перед енергетикою стоїть багато проблем, і найбільш гостра- проблема її джерел.

На сьогоднішній день 6 млрд. чоловік на Землі споживають більше 12 млрд. кВт енергії за рік, тобто у середньому 2 кВт на людину. Ця енергія отримується за рахунок вугілля- 26%, нафти- 42 %, газу- 20%, гідроенергії- 4%, ядерної- 5%, інших джерел- 3%. Тобто біля 90% енергії ми отримуємо за рахунок органічних видів палива- нафти, вугілля, газу. Ці джерела енергії ще називають невідновлюваними, бо швидкість їх нагромадження в надрах Землі набагато менша швидкості їх витрачання (приблизно у 106 разів).

Людству необхідно все більше й більше енергії, отримати яку за рахунок невідновлюваних джерел у недалекому майбутньому буде важко чи взагалі неможливо. Дійсно, за різними оцінками, розвіданого органічного палива вистачить на 30-50 років. Якщо врахувати так звані геологічні запаси, які будуть своєчасно розвідані, а експлуатація їх не затримується, то, з урахуванням все зростаючого рівня витрат енергії, органічного палива може вистачити ще років на 100-150. Причому тільки вугілля ще довгий час може зберігати своє місце в енергетичному балансі. Проте використання його супроводжується високим рівнем забруднення атмосфери Землі. Ядерна енергетика, яка на сьогодні має значно більше сировинних ресурсів ніж органічне паливо, динамічно розвивалась у світі протягом останніх 20-30 років. Але сьогодні, на думку багатьох фахівців, вона вже не може вважатися перспективним видом енергії через високий ризик радіоактивного забруднення навколишнього середовища, що проявилося в серії техногенних аварій та катастроф, особливо під час сумно відомої Чорнобильської катастрофи.

Тому у світі все більше звертають увагу на використання так званих відновлюваних джерел енергії - тепла Землі, енергії вітру, припливів та відпливів, біогазу, сонячного випромінювання, тощо. Практично всі ці джерела енергії повністю зумовлені прямою дією Сонця. Серед зазначених джерел одним із найбільш перспективних є пряме перетворення сонячного випромінювання в електрику в напівпровідникових сонячних елементах.

Випромінювання з поверхні Сонця характеризується широким енергетичним спектром, що приблизно відповідає енергетичному спектру випромінювання “чорного тіла” при температурі 5800К. Максимум інтенсивності лежить у видимій області спектра (0.35-0.75 мкм), в якій зосереджена майже половина всієї енергії. Решта сонячного випромінювання розподіляється між ультрафіолетовою частиною спектра з довжиною хвиль меншою за 0.3 мкм (менша частина) і інфрачервоною з довжиною хвиль більшою 0.75 мкм (більша частина). Інтенсивність сонячного випромінювання біля атмосфери Землі дорівнює 1360 Вт/м2- величина відома як сонячна стала АМ0. При проходженні крізь атмосферу Землі інтенсивність сонячного випромінювання зменшується за рахунок його поглинання, розсіювання та відбивання при взаємодії з частинками пилу, з киснем, озоном, вуглекислим газом, парами води. При взаємодії з озоном та киснем поглинання сонячного випромінювання відбувається переважно в ультрафіолетовій частині спектру, водяна пара та вуглекислий газ поглинають переважно в інфрачервоній частині. Тому сонячне випромінювання, яке досягає земної поверхні, має меншу енергію, а його спектр змінюється.

Метод прямого перетворення сонячного випромінювання в електрику є, по-перше, найбільш зручним для споживача, оскільки отримується найбільш вживаний вид енергії, і, по-друге, такий метод вважається екологічно чистим засобом одержання електроенергії на відміну від інших, які використовують органічне паливо, ядерну сировину чи гідроресурси.

Основою напівпровідникового сонячного елементу є пластина напівпровідника з p-n переходом. Його робота їх заснована на явищі фотоефекту, відкритому ще в позаминулому столітті Г.Герцем та дослідженому О.Г.Столетовим. Теорію фотоефекту створив А.Ейнштейн у 1905 році, за що був відзначений Нобелівською премією. Суть ефекту полягає в тому, що кванти сонячного світла з енергією, більшою ніж ширина забороненої зони напівпровідника, поглинаються напівпровіднику і створюють пари носіїв струму: електрони в зоні провідності та дірки у валентній зоні. Для просторового розведення зарядів, а значить і виникнення електричного струму, необхідна наявність внутрішнього електричного поля у напівпровіднику. Таке поле існує в електронно - дірковому p-n переході, в контакті метал -напівпровідник, в контакті двох різних напівпровідників (гетеропереході).

Рис.1. Схема сонячного елементу з p-n переходом та його вольт-амперна характеристика. Цифрою 1 показано омічні контакти до n- та p- областей.

На рис.1 схематично показано сонячний елемент з p-n переходом та напрям руху фотогенерованих носіїв заряду. Фотогенеровані в р-області електрони витягуються електричним полем в n-область, і, навпаки, фотогенеровані в n-області дірки витягуються електричним полем в р-область. На омічних контактах виникає різниця потенціалів, яка називається напругою холостого ходу Uxx. Якщо закоротити контакти, то через сонячний елемент потече струм короткого замикання Iкз. Для того, щоб елемент віддавав енергію в зовнішнє коло, до його контактів підєднують навантаження, яке має електричний опір Rн. Тобто сонячний елемент виконує роль помпи, яка перекачує електрони в напрямку n-область - зовнішнє навантаження - р-область.

Оскільки вольт-амперна характеристика такого приладу проходить через четвертий квадрант (рис.1), то це значить, що прилад є джерелом струму. Слід відзначити, що на відміну від хімічних джерел світла напівпровідникові сонячні елементи не псуються при електричному замиканні контактів. При відповідному виборі опору навантаження енергія, що виробляється сонячним елементом, може досягати 80% від добутку UxxIкз. На рис. 1 показані також значення Uм та Iм – значення струму та напруги, для яких реалізується максимальна вихідна потужність Рм = UмIм. Коефіцієнт корисної дії ККД сонячного елементу визначається як відношення максимальної вихідної потужності Рм до потужності падаючого сонячного світла Р0: ККД= Рм/ Р0.

Чим більше фотонів сонячного світла поглинається сонячним елементом, тим більшим буде у нього струм Ікз. Це може бути досягнено за рахунок використання напівпровідників з меншою шириною забороненої зони (тоді підвищується доля фотонів в сонячному випромінюванні, які мають енергію вищу ширини забороненої зони напівпровідника). З іншого боку, напруга Uxx визначаються висотою потенціального бар’єру в p-n переході і буде тим більша, чим більша ширина забороненої зони напівпровідника. Оскільки для отримання максимальної вихідної потужності сонячного елементу треба створити такий елемент, у якого будуть найбільшими не величини Uхх чи Iкз окремо, а добуток Рм = UмIм, та, враховуючи розподіл енергії в спектрі сонячного випромінювання, можна підібрати найкращий напівпровідниковий матеріал для створення ефективних сонячних елементів.

Такий матеріал повинен мати ширину забороненої зони 1.3-1.5 еВ. Це, насамперед, арсенід галію, теоретична межа максимального коефіцієнту корисної дії сонячних елементів на ньому більше 31%. Проте найбільш широкого застосування набули сонячні елементи на основі більш дешевого ніж арсенід галію кремнію, хоча в нього ширина забороненої зони менша оптимальної (1.1 еВ), і тому теоретична межа максимального коефіцієнту корисної дії менша (до 29%).

Домінуюча позиція кремнієвої технології у промисловій сонячній енергетиці (90% світового виробництва сонячних елементів) визначає сучасні тенденції науково-технічного розвитку цієї галузі. Перевагами кремнієвої технології є достатня наявність кремнію у природі, його хімічна стабільність і відсутність будь-якого токсичного впливу на людей і навколишнє середовище, сумісність технології кремнієвих сонячних елементів і базових процесів мікроелектроніки. Ефективність промислових сонячних елементів на мульти- і монокристалічному кремнії вже досягла 14-18%, лабораторних зразків- 22-24%.

Чому ж ефективність сонячних елементів менша 100%? По-перше, не всі пари носіїв струму можуть бути розведені полем. Деякі з них можуть рекомбінувати (гинути) в результаті переходу збудженого електрона із зони провідності у валентну зону. По-друге, кванти світла з енергією меншою ширини забороненої зони, не поглинаються напівпровідником і не беруть участі у фотоелектричному процесі. По-третє, електрони і дірки, збуджені квантами світла з енергією, значно більшою ніж ширина забороненої зони, за дуже короткий час віддають надлишок енергії і опускаються до дна зони провідності (електрони) чи піднімаються до вершини валентної зони (дірки). Надлишкова енергія при цьому йде не на створення струму в зовнішньому колі, а на підвищення температури напівпровідника.

Рис.2. Фотографія лицевої поверхні кремнієвого сонячного елементу

Яку ж електричну енергію можна отримати від сонячного елементу? Це визначається як умовами освітлення, так і характеристиками сонячного елементу. На рис.2 подано фотографію типового промислового сонячного елементу на монокристалічному кремнію розміром 100х100 мм та товщиною 280 мкм. При коефіцієнті корисної дії 14.5% в умовах стандартизованого освітлення потужністю 100 мВт/см², сонячний спектр якого відповідає атмосферній масі 1.5 (положення Сонця під кутом 45^о), такий елемент може подати на зовнішнє навантаження напругу 0.49В (Uxx=0.6В) та струм 3А (Ікз=3.3А), тобто виділити 1.45 Вт потужності. Проте такий рівень освітлення існує лише на малих широтах влітку, у полудень при ясному небі. Тому при розрахунку електричної енергії від сонячного елементу треба знати кількість сонячної енергії, яка поступає протягом року в даній місцевості.

Рис.3. Сонячна батарея на 50 Вт. Параметри при освітленні 100 мВт/см2 із спектром АМ1.5: максимальна потужність - 50 Вт, струм при максимальній потужності -3.0А, напруга при максимальній потужності- 17 В. Вага 9 кг, розміри: 1060х485х60 мм.

Фотографія лицевої поверхні кремнієвого сонячного елементу, який має форму “псевдоквадрату”. Струмозбираюча металева сітка покриває поверхню з кроком 2 мм, загальний струм протікає через 2 шини товщиною 2 мм.

Вихідна потужність сонячного елементу може бути підвищена також за рахунок збільшення площі сонячного елементу (оскільки Ікз лінійно зростає з площею освітленого елементу), однак кремнієві елементи з більшою площею (150х150 чи 200х200 мм) ще не так поширені ніж елементи 100х100 мм.

Як видно, на відміну інтегральних схем та інших мініатюрних приладів сучасної мікроелектроніки, сонячні елементи характеризуються великою площею, що дозволяє отримувати великі струми (порядку одиниць ампера). Для зменшення можливих електричних втрат при проходженні такого великого струму лицева сторона елемента покривається електропровідною металевою плівкою. Її звичайно роблять у вигляді гребінки (рис.2) для того, щоб сонячне світло пройшло крізь металевий контакт без втрат та поглинулося у напівпровідниковому матеріалі. Для зменшення втрат сонячного світла на оптичне відбивання від поверхні напівпровідника n- область часто текстурують (наприклад, витравлюють спеціальні піраміди мікронних розмірів) та покривають антивідбиваючим шаром діелектрика. Тобто реально конструкція сонячного елементу більш складна, ніж та, що показана на рис.1.

Для практичного використання напівпровідникової сонячної енергетики для живлення навіть малогабаритної радіоапаратури одного сонячного елемента замало – у нього недостатня напруга за загальна вихідна потужність. Тому із окремих сонячних елементів збирають сонячні батареї (фотомодулі). Типова батарея номіналом 50 Вт складається із 36 послідовно з’єднаних сонячних елементів 100х100 мм. Така батарея в робочій точці розвиває 17 В при струмі 3 А при освітленні 100 мВт/см² (рис.3).

З’єднуючи такі фотомодулі, можна створювати електричні станції різної потужності, від декількох кіловатт до декількох мегаватт. На рис.4 дано принциповий вигляд установки для живлення побутової техніки в котеджі. Окрім сонячних батарей, які розміщують на фасаді чи на даху котеджу, до установки входить також ще два важливих прилади - хімічні акумулятори та регулятор - перетворювач. Вдень сонячні батареї живлять як електричні прилади, так і заряджують акумулятори. Вночі та в умовах недостатнього рівня освітлення джерелом живлення є виключно акумулятори. Регулятори-перетворювачі потрібні для автоматичного керування процесами зарядки-розрядки акумуляторів, перемикання навантаження сонячна батарея - акумулятор та для узгодження вихідної напруги батареї з номіналом апаратури.

Оцінки показують, що навіть в умовах середніх широт для невеликого котеджу вистачить батареї з потужністю в 2 (3) кВт, яка може бути легко розміщена на даху, оскільки займає площу всього 20 (30) м². Відомо, що в Україні середньорічні суми прямої та розсіяної сонячної радіації на горизонтальну поверхню змінюються від 1080 кВт.год/м2 (в районі Чернігова) до 1390 кВт.год/м² (Євпаторія). Тоді в залежності від зони, така батарея вироблятиме за рік 2200-2800 (3300-4200) кВт.год електрики, що задовольнить енергетичні потреби (без врахування теплопостачання) сім’ї на 3-4 чоловіка.

Рис.4. Схема електроживлення сонячними батареями котеджу Схема електроживлення сонячними батареями котеджу: 1- сонячна батарея, 2- хімічні акумулятори, 3- регулятор-перетворювач, 4- електричний кабель та освітлення, 5- телевізор чи інший споживач енергії.

Серед інших застосувань сонячної енергетики відзначимо: в системах телекомунікації та зв’язку (ретранслятори, телеметрія); для забезпечення електроенергією навігаційних вогнів, бакенів, дорожніх знаків, освітлення автошляхів в нічний час; для антикорозійного захисту металевих конструкцій та трубопроводів; у віддалених не електрифікованих оселях для живлення побутових приладів; в системах охоронної сигналізації; в сільському господарстві та засушливих районах для добування та подачі води; створення мережі автоматичних постів, обладнаних різними датчиками для моніторингу навколишнього середовища, тощо. Нарешті, в космічних апаратах та штучних супутниках сонячні батареї грають винятково важливу роль в системах живлення бортової апаратури.

На сьогоднішній день індустрія, яка пов’язана з виробництвом сонячних батарей, переживає неабиякий бум. Достатньо сказати, що у 2001 році в світі було виготовлено сонячних елементів загальної потужністю більше 150 МВт, що в перерахунку на кремнієві елементи розміром 100х100 мм та потужності 1.5 Вт означає виробництво в 100 млн. штук. На відміну від інших приладів мікроелектроніки, виробництво сонячних елементів у світі не тільки не скорочується, а характеризується щорічним 15% приростом протягом останніх 6 років. На наукові дослідження в області сонячної енергетики щорічно витрачаються сотні мільйонів доларів.

Єдине, що стримує ще більш широке поширення сонячної енергетики, це висока ціна енергії, яка отримується від сонячних елементів. Собівартість сонячної батареї потужності 1 Вт становить близько 2-3 доларів США, тому окупність енергії, що виробляється сонячними батареями, складає більше 20-30 років. Вартість 1кВт/год електроенергії, яка виробляється фотомодулями, сьогодні значно вища ніж для традиційної енергетики, але слід зауважити, що: по-перше, ця величина має тенденцію до зменшення для сонячної енергетики та до зростання для традиційної енергетики, а по-друге, сонячна енергетика може успішно конкурувати з традиційною в тих випадках, коли споживання енергії порівняно невелике, а підвести електроенергію від загальної електромережі дорого або зовсім неможливо. У цих випадках на перший план виступає не вартість електроенергії, а цінність або необхідність тих функцій, які здійснюються за рахунок електроенергії. Застосування сонячних батарей в наведених вище випадках (в засобах зв’язку, на транспорті, у побуті, сільському господарстві, для екологічного контролю) виправдано не стільки кількістю виробленої ними електроенергії, скільки появою нових можливостей, покращанням якості процесів, які вже використовуються. Ефект від застосування сонячних батарей в перерахованих напрямках і галузях підвищується, якщо використовуються економічніші споживачі енергії, спеціально розроблені для роботи з фотомодулями (лампи освітлення, холодильники, насоси, телевізори). Крім того, термін роботи сонячних елементів практично необмежений і може складати десятки років.

В розвинених країнах здійснюються потужні інвестиції в нові наукові розробки, головна мета яких- здешевлення сонячної енергії, іде формування нових ринків споживання. Досить згадати програму “Мільйон сонячних дахів” у США, “100 тисяч сонячних дахів” у Німеччині та Італії та інші. Уряди США, Японії та Західної Європи стимулюють споживання сонячної енергії населенням, в першу чергу, тому що ця енергія екологічно чиста і дозволяє економити обмежені ресурси органічного палива. Для цього виділяються без відсоткові довгострокові позики на покупку сонячних батарей, безкоштовно проводиться сервісне обслуговування цих установок.

А що робиться в галузі сонячної енергетики в Україні? Ми вже звикли, що в багатьох регіонах України вже стали нормою короткочасні відключення електрики чи погане освітлення вулиць наших міст і сіл. Сонячна енергетика могла б частково вирішити енергетичні проблеми України, особливо по енергопостачанню віддалених неелектрифікованих осель, а в умовах нестабільного електропостачання, відключення електроенергії такі установки забезпечували б безперебійне електропостачання. В сільському господарстві, особливо присадибному, тепличних виробництвах, сонячні батареї могли б забезпечувати подачу води за допомогою насосів та полив рослин, а в тваринництві у посушливих районах - подачу води для тварин. Системи сонячних батарей з хімічними акумуляторами є практично єдиними економічно придатними для живлення апаратури в умовах відсутності мережі центрального енергопостачання; в гірських районах Карпат та Криму, на польових станах, пасовиськах, тощо, тобто в умовах, коли створювати та використовувати мережу центрального енергопостачання нерентабельно чи небезпечно для здоров’я людини. Ця проблема не може бути розв’язана традиційним способом будівництва стаціонарної мережі внаслідок її дорожнечі. Крім того, фотобатареї зараз користуються великим попитом у світі і могли б експортуватись, особливо в південні країни третього світу.

Таким чином, застосування в Україні альтернативних джерел енергії, в першу чергу, сонячної енергетики, без сумніву дасть користь. З іншого боку, економіка України має відповідні потужності з виробництва необхідних компонентів та створення інфраструктури такої енергетики. Виробничі можливості тільки таких гігантів мікроелектроніки, як виробничі об’єднання «КВАЗАР», «ІРВА» (м. Київ), «Гравітон» (м. Чернівці), «Хартрон» (м. Харків), «Гамма» і «Електроавтоматика» (м. Запоріжжя), «Дніпро» (м. Херсон), «Позитрон» (м. Івано-Франківськ) дозволяють проводити повний технологічний цикл створення сонячних елементів. Україна має висококваліфікований науковий потенціал в цій галузі (Інститут фізики напівпровідників та Інститут електродинаміки НАНУ, Київський національний університет ім. Тараса Шевченка, Чернівецький національний університет ім. Ю.Федьковича, Національний технічний університет “КПІ”).

Залишилось дочекатися розуміння необхідності реальної державної підтримки сонячної енергетики з боку владних структур. Інакше в недалекому майбутньому разом з іноземними автомобілями, технікою та ширпотребним мотлохом в Україну почнуть потоком завозити і заморські сонячні батареї.

Доктор фізико-математичних наук, професор,
доцент радіофізичного факультету
Київського національного університету імені Тараса Шевченка
В.А.Скришевський