12.1. ВВЕДЕНИЕ

Мировая энергетика развивается по пути диверсификации ис­точников и систем энергоснабжения, среди которых, безусловно, найдут свое место для широкого практического использования и фотоэлектрические пре­образователи солнечной энергии (ФЭП). ФЭП непрерывно совершенствуются, а их стоимость снижается. Вместе с тем сравнивать ФЭП с другими системами преобразования энергии только с точки зрения инвестиционных затрат доволь­но сложно. Важно учитывать, что, поскольку ФЭП не нуждаются в каком-либо топливе, они характеризуются исключительно низкими эксплуатационными за­тратами, однако выработка электроэнергии с помощью ФЭП возможна только в солнечные дни. Средняя мощность ФЭП. оснащенных устройствами слеже­ния за солнцем, оказывается меньше половины пиковой мощности, достигаемой в полдень при ясном небе, а средняя мощность ФЭП без устройств слежения составляет около четверти пиковой мощности.

Из-за непостоянства потока солнечного излучения ФЭП, как правило, осна­щаются аккумуляторами энергии или резервными электрогенераторами, исполь­зование которых существенно увеличивает капитальные затраты. Исключение составляют ФЭП, использующиеся для покрытия пиковых нагрузок, совпадаю­щих с периодом максимальной интенсивности солнечного излучения, а так,»..' ФЭП, подсоединенные к электрической сети и поэтому не требующие исполь­зования аккумуляторов.

Важным показателем эффективности использования ФЭП является отно­шение средней генерируемой мощности к пиковой мощности. Это отноше­ние характеризует коэффициент использования установленной мощности. В гл. 1 мы отмечали, что атомные электростанции обычно имеют КИУМ на уровне 87 %. Это означает, что генератор с установленной мощностью 1 Вт

в среднем производит 0,87 Вт. Для АЭС основной причиной снижения КИУМ являются остановы при ремонтах и обслуживании станции. Для ветровых и сол­нечных преобразователей основные причины снижения КИУМ связаны с из­менчивостью во времени интенсивности ветровых потоков и поступления сол­нечной радиации. Напомним, что максимальный поток солнечного излучения, поступающего на поверхность земли, равен 1000 Вт/м2. Однако среднегодовое значение потока солнечного излучения составляет, как правило, от 1/4 до 1/6 максимального значения. Можно было бы ожидать, что КИУМ для фотоэлек­трических преобразователей должен также находиться в этом диапазоне значе­ний. Однако на практике отношение средней мощности установки к пиковой оказывается существенно меньше — от 0,11 до 0,16. Таким образом, для того, чтобы фотоэлектрическая станиия производила равное с АЭС количество энергии в течение года, ее установленная (пиковая) мощность должна быть примерно в 6 раз больше, чем на АЭС.

Эффективность фотоэлектрических установок преобразования энергии суще­ственно ниже, чем эффективность тепловых или гидроэлектростанций. У новых кристаллических кремниевых преобразователей КПД ФЭП может достигать 20 %, а для недорогих тонкопленочных преобразователей всего около 5 %. Однако КПД фотоэлектрических установок играет все же не самую главную роль. Более важной характеристикой является цена пиковой мощности. Фотоэлектрическая установка с низким КПД могла бы быть вполне конкурентоспособной, если бы стоимость 1 Вт ее пиковой мощности была около 20 центов (если такая стои­мость когда-либо окажется достижимой). Вспомним, что традиционные гидро - и тепловые электростанции имеют удельную стоимость на уровне 1 долл., а АЭС — на уровне 5 долл, за 1 Вт установленной мощности. Но эти энергоустановки в отличие от ФЭП могут работать непрерывно и, таким образом, производить го­раздо больше энергии.

Если цена фотоэлектрических преобразователей станет приемлемо низкой, ими можно будет покрывать внешние поверхности зданий. При этом в некото­рых случаях средняя выработка энергии может превышать потребности здания. Однако такая ситуация, скорее всего, будет возможна только в солнечные дни, тогда как в пасмурные дни и ночью энергия вообще вырабатываться не будет. С учетом того, что потребность зданий в электроэнергии в течение дня обычно гораздо меньше, чем вечером, фотоэлектрическая установка должна быть снаб­жена соответствующими аккумуляторами.

Если здание не подключено к электросети (например, в сельской местности), емкость аккумуляторов должна быть довольно большой, и их стоимость может оказаться соизмеримой со стоимостью самих ФЭП или даже выше. С другой стороны, если здание подключено к достаточно мощной электросети, то она, точнее местная энергосистема, может сама играть роль аккумулятора. В этом случае избыточная электроэнергия, выработанная ФЭП, может быть продана

сетевой компании (обычно по более низкой пене, чем электрическая компания продает энергию потребителю, но фиксированной в соответствии с местными законами). Эта разность в пене является платой за аккумулирование и распреде­ление энергии. При использовании такой двухтарифной системы один счетчик измеряет количество энергии, полученной потребителем из электросети, а дру­гой — количество энергии, отданное потребителем в сеть. В этом случае пот­ребитель энергии должен использовать дополнительное устройство — инвертор, чтобы частота и напряжение вырабатываемой ФЭП электроэнергии согласовы­вались с параметрами сети.

В районах с недостаточно надежным электроснабжением потребителей и частыми отключениями электроэнергии гибридные схемы электроснабжения от собственной фотоэлектрической установки и от сети представляются весьма привлекательными.

По мере снижения стоимости ФЭП интегрированные в здания солнечные ус­тановки будут становиться все более и более привлекательными. Следует иметь в виду, что при интегрировании ФЭП в конструкцию здания, в отличие от рас­положения установки вне здания, исключается плата за землю.

Интегрированные в здания системы представляются наиболее подходя­щими для малоэтажных жилых и офисных зданий, которые имеют большую суммарную поверхность крыши и стен, на одного человека, находящегося в здании.

Оценка эффективности использования ФЭП в зданиях во многом зависит от степени оптимизма. Сегодня единые методики таких оценок отсутствуют, поскольку в каж­дом конкретном случае имеет место много неопределенностей, и, исходя из тех или иных предположений, можно доказать как высокую эффективность системы, так и её полную неприемлемость.

Проиллюстрируем это на примере односемейного дома, расположенного в Кали форнии. Предположим, что он имеет крышу площадью около 200 м2. Если считать, что электроэнергия расходуется только на приготовление пищи и работу бытовых электроприборов, но не для отопления, то такой дом будет потреблять в среднем около 50 кВт • ч в сутки при максимальной (пиковой) потребляемой мощности менее 10 кВт. Пусть для рассматриваемых климатических условий среднегодовой поток солнечного излучения равен 250 Вт/м2. Если использовать относительно недорогие тонкопленочные ФЭП с КПД 5 %, то при оптимальных условиях с каждого квадратного метра крыши можно получить в среднем за сутки 12,5 Вт, а со всей крыши 2500 Вт электроэнергии. Вводя поправку на неоптимальность ориентации и наклона крыши, эти показатели следует снизить до 10 и 2000 Вт соответственно. Пиковая мощность установки, как мы уже отмечали ранее, будет приблизительно в 4 раза выше средне­го значения. В представленном случае она составит 8 кВт. Это значение несколько меньше требуемой пиковой мощности 10 кВт, однако недостающую энергию можно взять из сети.

Средняя мощность 2 кВт соответствует выработке 48 кВт • ч электроэнергии в сутки, что практически полностью удовлетворяет потребность дома ранее оцененную в 50 кВт ■ ч.

Продолж.

При максимальной интенсивности (1000 Вт/м2) солнечного излучения фотоэлектри­ческий преобразователь будет вырабатывать около 40 Вт с 1 м2 площади. Если цена ФЭП равна 1 долл, за Вт пиковый мощности, то в расчете на L м2 фотоэлектрический преобразователь будет стоить 40 долл., а полная стоимость ФЭП составит 8000 долл. Предположим, что дополнительные затраты равны соответственно:

1) стоимость монтажных работ — 3000 долл;

2) стоимость вспомогательного оборудования (инвертор и др.) — 2000 долл;

3) стоимость заемных средств — 15 % в год со сроком погашения займа 10 лет;

4) срок службы оборудования — более 10 лет.

С учетом перечисленных затрат начальные капиталовложения составят 13 000 долл., а годовые текущие расходы — 1950 долл. В течение одного года система должна вырабатывать 48-365 = 17 500 кВт-ч электроэнергии. Следовательно, стоимость выработанной энергии составит 1950/17 500 = 0,11 долл. ДкВт • ч), что в точности соответствует текущей цене электроэнергии в Северной Калифорнии, покупаемой потребителями у энергетических компаний. Таким образом, на первый взгляд, в течение первых 10 лет для потребителя нет никакого различия между ФЭП и простым подключением к электросети. Использование ФЭП можно считать более предпочтительным, поскольку после 10 лет эксплуатации установки электроэнер­гия стала бы для потребителя практически бесплатной вплоть до момента выхода оборудования из строя.

В действительности при более точном расчете следует учитывать, например, что, хотя средняя выработка электроэнергии ФЭП и будет равна среднему количеству потребляемой энергии, потребитель будет продавать избытки электроэнергии сетевой компании по цене ниже той, по которой впоследствии будет покупать недостающую энергию. Потребуются также дополнительные затраты на обслуживание и ремонт части оборудования. С другой стороны, с высокой степенью вероятности цена на сетевую электроэнергию со временем возрастет.

Данный пример показывает сложность проведения точных экономических расчетов. Если КПД ФЭП удалось бы существенно повысить по сравнению с 5 % и/или су­щественно снизить стоимость 1 Вт пиковой мощности, то система сразу же стала бы экономически более привлекательной. С большой степенью вероятности в ближайшем будущем в результате технологических усовершенствований эффективность тонкоп­леночных ФЭП будет повышена до 10 %, а стоимость пиковой мощности снижена до 0,5 долл./Вт.

Интегрированные в здания ФЭП пока не получили широкого распростра­нения, и их вклад в суммарное производство электроэнергии крайне мал. В то же время в ряде стран созданы достаточно крупные сетевые фотоэлектрические станции. По суммарной мощности вырабатываемой на интегрированных в зда­ния фотоэлектрических станциях энергии лидирующее положение занимает Япония. Однако большинство установок, эксплуатирующихся в Японии, имеет относительно небольшую единичную мощность, пиковое значение которой, как правило, меньше 1 МВт. По наиболее крупным фотоэлектрическим станциям

(ФЭС, табл. 12,1), лидерами являются Германия, где создана установка единич­ной мощностью более 20 МВт, и США с установкой мощностью 15 МВт[46]. За­метим, что традиционная АЭС обычно имеет мощность около 1 ГВт, а тепловые электростанции или ГЭС могут иметь единичную мощность до 12 ГВт. Таким образом, ФЭС по единичной мощности пока существенно уступают традици­онным электростанциям. Они уступают также и сетевым ветроэлектрическим станциям, суммарная установленная мощность которых в мире сегодня превы­шает 100 ГВт.

Удельная стоимость сетевых ФЭС составляет 5-7 долл./Вт пиковой мощ­ности.

Фотоэлектрические преобразователи сегодня незаменимы в системах энер­гообеспечения космических кораблей, которые летают не слишком далеко от Солнца. Для более дальних полетов, например к Юпитеру, более предпочтитель­ными оказываются более дорогие радиоизотопные термоэлектрические генера­торы (см. гл. 5 «Термоэлектричество»). Фотоэлектрические преобразователи на-

шли также широкое применение для электропитания автономных маломощных потребителей и бытовой электроники.

Для создания солнечных фотоэлектрических преобразователей используются три основные группы материалов:

1. Кристаллические материалы, чаще всего кремниевые. Их производство явля­ется достаточно дорогим, однако полученные на их основе монокристалли - ческие фотоэлементы обладают хорошей эффективностью (примерно 20 %). Поликристаллические элементы на основе кремния дешевле, но менее эф­фективны.

2. Тонкие аморфные пленки (Si, GaAs, CuInSe2, Ті02и т. п.) имеют эффек­тивность на уровне 7 %, но их цена также невысока. Фотоэлектрические преобразователи на их основе могут быть выполнены в виде гибких тонких листов.

3. Органические полимеры, разработка которых все еще находится на началь­ном этапе, в скором времени легко могут стать лучшим решением данной проблемы. Есть основани янадеяться, что они будут недорогими, легкими и гибкими. Они могут представлять собой фотоэлектрические «покрыва­ла», достаточно дешевые для того, чтобы использовать взамен кровельных материалов для покрытия крыш. Технологии производства таких материа­лов обещают быть менее вредными для окружающей среды, чем это имеет место сегодня при производстве фотоэлементов из неорганических мате­риалов.