Образовательные и технические решения проблемы внедрения солнечной энергетики Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Образовательные и технические решения проблемы внедрения солнечной энергетики

о см о см

о ш т

X

<

т О X X

Попова Снежана Николаевна

соискатель, кафедра электроэнергетики, ФГБОУ ВО «Сахалинский государственный университет», Kaf_energo@sakhgu.ru

Максимов Виктор Петрович

доктор педагогических наук, профессор, кафедра электроэнергетики, ФГБОУ ВО «Сахалинский государственный университет», maximov@sakhgu.ru

В статье рассмотрены вопросы технических решений внедрения солнечной энергетики в практику энергообеспечения промышленных, жилых и общественных зданий, который базируется на анализе потерь электроэнергии энергетической системы Сахалинской области. Обозначено современное состояния развития солнечной энергетики и внедрения солнечных панелей в качестве источников возобновляемой энергии. Дано описание разновидностей солнечных преобразователей по типу рабочего фотоэлектрического слоя. Проведено сравнение солнечных панелей по коэффициенту фотоэлектрического преобразования и по ценовым характеристикам. Представлен круг вопросов вовлечения обучающейся молодежи в процессы применения фотоэлектрических источников энергии в быту и на производстве через специально организованные целевые социальные проекты и образовательные программы. Отмечена роль Сахалинского государственного университета в реализации образовательных программ обучения и просвещения жителей региона. Ключевые слова: солнечная панель, фотоэлемент, КПД, источник, энергия.

Основные проблемы современной энергетики в наибольшей мере влияющие на все стороны жизни общества и отдельного человека составляют:

- недостаток энергоресурсов и электроэнергии;

- ухудшение состояния окружающей среды вследствие техногенного воздействия объектов энергетики;

- удорожание доступа к традиционным источникам энергии;

- социальная напряженность, неконтролируемая миграция населения, связанные с ухудшением условий жизни.

Политики и правительства ряда стран предлагают несколько способов улучшения энергообеспеченности:

1) купить энергоресурсы на международном рынке;

2) изыскать национальные энергоресурсы;

3) организовать энергосбережение энергоресурсов;

4) повышать энергоэффективность использования энергоресурсов;

5) вернуться к первобытному обществу, к природе, к натуральному хозяйству.

К счастью, решение проблемы удовлетворения потребностей человека в электроэнергии возможно с помощью возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

К сожалению, рост потребностей в электрической энергии в России не определяется демографическим прорывом или освоение территорий Дальнего Востока и Восточной Сибири. По-прежнему, характеристиками российской электроэнергетики являются высокая энергоёмкость экономики, не равномерность потребления в течение суток, сезонность электрических мощностей, высокие электрические потери. Так анализ потерь электроэнергии обособленной энергетической системы Сахалинской области, проведенный коллективом Сахалинского государственного университета за период 2010-2019 годов показал следующие причины:

1. Сложные климатические условия регионов -21,3%.

2. Энергоемкие технологии и устаревшее производственное оборудование - 20,7 %.

3. Большие расстояния передачи электрической энергии на средних напряжениях 6-35 кВ на их осуществление - 18,2 %.

4. Сравнительно меньшие чем в других странах, цены на электроэнергию, не стимулирующие энергосбережение - 13,9 %.

5. Отсталая нормативно-правовая база внедрения ВИЭ, несовершенство учёта энергии и значительные коммерческие потери - 10,8 %.

6. Энергорасточительный менталитет российских граждан - 10,5 %.

По нашему мнению, решение означенных проблем не может быть осуществлено только призывами экономить энергию, использовать энергосберегающие лампы, утеплять здания. Отсутствие массовых лично-сто-ориентированных образовательных проектов и программ не создают основы формирования персональных мотивов энергосбережения и формирования ресурсосберегающей модели поведения человека.

По нашему мнению, решение означенных проблем может быть осуществлено в условиях специально организованных целевых социальных молодежных проектов и образовательных программ, направленных на вовлечение подрастающего поколения к применению фотоэлектрических источников энергии в быту, производстве, системах связи, освещения, приборах медицины, средствах досуга и развлечения.

Примером таких программ стала региональная образовательная программа «Возобновляемые источники энергии», принятая в Сахалинской области по инициативе молодежных общественных организаций и сопровождаемая научным руководством сотрудников Сахалинского государственного университета. Основой программы стали образовательные курсы для обучающихся общеобразовательных организаций, учреждений СПО, студентов высших учебных заведений, работников предприятий и организаций в рамках повышения квалификации.

Особое внимание в содержании программ уделено возобновляемым источникам энергии (ВИЭ), потому что они представляют собой восполняемой энергоресурсы связанные с жизнедеятельностью человека, биосферы, а также энергоресурсы происходящих природных явлений и процессов на Земле.

К ВИЭ обычно относят энергию морей и океанов, солнечную и ветряную энергетику, водотоки (малые реки, каналы), земные недра и биомассу. В настоящее время также относят горючие бытовые и производственные отходы.

В настоящее время в энергоснабжении жилых и производственных помещений большое внимание уделяется технологическим разработкам в области применения солнечных источников электроэнергии. Среди них все более популярными становятся системы, использующие энергию солнца для генерации тепла и электрического тока. Они включают в себя набор компонентов, в том числе и различные виды солнечных батарей, отличающихся физическими свойствами и техническими характеристиками.

Т. В. Захарова считает, что существуют два основных способа преобразования солнечной энергии: фототермический и фотоэлектрический [1]. При фототермическом способе преобразования теплоносителем чаще всего является вода, а для средней полосы России рекомендовано использовать концентрацию про-пиленгликоля в 60 % (для южных районов Сахалинской области достаточно и 40 %). Теплоноситель используется для отопления помещений и нагревается в системе светопоглощающих труб (в солнечном коллекторе) до высокой температуры. Коллектор устанавливают с учетом его наибольшей освещенности в течение дня. Часть тепловой энергии аккумулируется химическими аккумуляторами для долгосрочного использования (например, на зимний период), а также тепловыми аккумуляторами для краткосрочной эксплуатации (на несколько дней). В среднем солнечный

коллектор площадью 1 м2 способен нагреть 50-70 литров воды до температуры 80-90°С за день, с учетом его простой конструкции.

Возможности солнечной энергии характеризует таблица 1, которая сопоставляет солнечную радиацию города Южно-Сахалинска и города Сочи.

Таблица 1

Сочи,

широта 43,6 янв фев р мар т апр май июн ь июл ь авг сент окт ноя б дек год

Гори-

зон-

таль-ная 37,0 55,2 84,0 116, 6 167, 1 199, 0 206, 8 185, 0 130, 1 95,4 54,2 34, 7 1365, 1

па-

нель

Накло

н панели 62,0 80,2 103, 125, 163, 184, 198, 197, 161, 141, 92,8 61, 1571,

5 0 0 9 1 0 6 7 7 4

35,0°

Южно

-Са-

ха- линск, ши- янв фев р мар т апр май июн ь июл ь авг сент окт ноя б дек год

рота 47

Гори-

зон-

таль-ная 50,9 77,1 128, 8 138, 6 162, 8 157, 5 146, 7 128, 5 105, 9 79,4 49,7 41, 7 1267, 5

па-

нель

Накло

н па- 102, 132, 175, 149, 153, 142, 136, 131, 130, 124, 94,8 87, 1560,

нели 2 7 4 1 7 2 6 5 4 2 2 2

45,0°

Техническое решение использования солнечной энергетики в обзоре технических проектов, внедренных строительно-инжиниринговой компанией АО «Сахалин-инжиниринг», увеличивает стоимость строительства зданий и сооружений до 10 %, но при этом заметно способствует снижению затрат на отопление помещений. Средний срок окупаемости в условиях южной части острова Сахалин в 2015 -2019 годах составил 2 года и 7 месяцев [3].

Комплексному развитию «солнечного» домостроения должно способствовать развитие не только солнечных коллекторов и тепловых насосов, но и массовое развитие фотоэлектрического преобразования.

Эффективность современных промышленных кремниевых (а также на основе арсенида галлия) фотоэлементов достаточно высока. КПД производимых в промышленных масштабах на территории России фотоэлементов в среднем составляет 23 %, у лучших зарубежных образцов до 34 % (пять лет назад это было 16 % и 25 % соответственно). В лабораторных условиях учеными Германии созданы фотоэлементы из ин-диево-галлий-арсенидной группы, которые достигли КПД 44,7 % [4].

Наиболее перспективным направлением является создание фотоэлементов на основе наноантенна. Наноантенны имеют потенциальный КПД до 85 %, однако они не требуют дорогого сырья для их производства. Наноантенны работают на выпрямлении токов, которые наводятся в антеннах малых размеров (порядка 200—300 нм) солнечным светом (электромагнитным излучением частоты порядка 500 ТГц) [5].

X X

о

го А с.

X

го т

о

м о м о

о см о см

о ш т

X

3

<

т О X X

Максимальные КПД различных солнечных панелей изменяются в большую сторону, благодаря тому, что в их исследования вкладываются огромные финансы.

В табл. 2 представлены КПД современных фотоэлектрических преобразователей по данным сайта «Совет инженера» [6]. В этой же таблице приведены экспериментальные данные, полученные в ходе лабораторных исследований, проведенных кафедрой электроэнергетики Сахалинского государственного университета (СахГУ) по заказу Ассоциации «Региональное отраслевое объединение работодателей «Сахалинское саморегулируемое объединение строителей».

Таблица 2

Тип Коэффициент фотоэлектрического преобразования,%

Данные сайта «Совет инженера» [6] Данные лабораторных исследований СахГУ

Кремниевые

Монокристаллический 24,7 16,3

Поликристаллический 20,3 14,7

Тонкопленочная передача 16,6 13,5

Тонкопленочный субмодуль 10,4 10,7

Аморфный / Нанокристаллический кремний

Аморфный 9,5 8,9

Нанокристаллический 10,1 10,8

Органические

Органический / полимерный 5,15 6,18

Солнечные панели и электростанции на фотоэлементах постепенно внедряются для использования в быту и на производстве и зарекомендовали себя как достаточно эффективные и экологически чистые системы.

По типу рабочего фотоэлектрического слоя солнечные панели разделяются на такие разновидности:

- кремниевые (монокристаллические, поликристаллические, аморфные);

- пленочные панели на основе сульфида или тел-лурида кадмия;

- пленочные панели на основе селенида меди-индия;

- полимерные органические;

- на основе арсенида галлия.

Широкое применение получили кремниевые монокристаллические солнечные панели. Для производства данного типа солнечных панелей используют очищенный кремний. Монокристаллическая солнечная панель внешне напоминает ячейки, соединенные в одну структуру, или силиконовые соты. После затвердевания, очищенный монокристалл, разделяют на максимально тонкие пластины, толщиной до 300 мкм. Готовые пластины соединяют между собой тонкой сеткой из электродов. По сравнению с аморфными батареями, цена таких панелей в разы выше, так как технология их производства намного сложнее. Такие батареи пользуются спросом из-за высокого КПД, который составляет 17-22%, что является хорошим показателем для солнечных панелей [7].

Поликристаллические солнечные панели получают поликристаллы путем медленного охлаждения

кремниевой субстанции. Следовательно, данный тип солнечных панелей выходит значительно дешевле, чем в предыдущем типе панелей. Также благотворно влияет на цену то, что для их производства требуется меньшее количество энергии. Коэффициент полезного действия поликристаллической панели составляет 12-18%, из-за того, что внутри поликристалла содержатся образования, которые снижают эффективность [8].

Аморфные солнечные панели или батареи из аморфного кремния отнести как к кремниевым (так как изготовлены из кремния) так и к плёночным, так как они изготовлены по принципу плёночных панелей (хотя и есть отличия). В данном виде панелей используются силан (кремневодород). Его наносят на подложку, внутри панелей. КПД у такого вида солнечных батарей составляет 5-6 %. Среди преимуществ: наиболее эффективное поглощение (в 20 раз лучше), действенно работают при отсутствии прямого солнца, при пасмурной погоде, а также их эластичность [9].

Существуют аморфные панели в сочетании с моно и поликристаллическими панелями. Данное сочетание соединяет все преимущества двух различных типов. Так как панели лучше работают, когда солнца недостаточно для обычных кристаллических батарей.

Пленочные панели на основе теллурида кадмия обладают высоким уровнем светопоглощения. В настоящее время, он активно используется в качестве материала для обычных солнечных батарей домашнего пользования.

Самая главная проблема в его использовании является ядовитость данного материала. Уровень кадмия не наносит вреда здоровью человека, так как его содержание в атмосфере слишком мало. У данного вида панелей низкий КПД (около 10%), но цена гораздо ниже, чем у аналогов.

Для солнечных батарей на основе селенида меди-индия материалов используют медь, индий, селен, как полупроводник. В производстве жидко-кристаллических мониторов используется индий. Соответственно, оставляя данный материал для этих целей, чаще всего используют галлий, который замещает индий по своим функциям. КПД составляет около 20%, что выше, чем у батарей из теллурида кадмия.

Полимерные солнечные панели выступают поли-фенилен, фуреллены, фталоцианин меди. Ширина такой плёнки составляет примерно 100 нм. КПД данного типа панелей - около 5%. Такие панели выбирают ввиду дешевизны, доступности материалов, отсутствии вредных выделений. Данные батареи обладают хорошей эластичностью и экологичностью, соответ-свенно они отлично подходят потребителям [10].

В основе органических панелей находятся углерод-содержащие материалы. В большинстве случаев для создания солнечных панелей используется кремний, так как он наиболее эффективен при преобразовании солнечного света в электричество. Но органические фотоэлементы, изготовленные из углерода и пластика, могут стать более дешевым способом производства электроэнергии. В условиях тестирования КПД составляет 15-17 %. Однако, авторы исследования утверждают, что эффективность можно увеличить до 25 %.

Главным недостатком этих панелей является то, что органические материалы имеют слабосвязанные

молекулы, которые могут улавливать электроны и замедлять производство электроэнергии.

Арсенид-галлиевые солнечные панели используют соединение мышьяка с галлием, обладающее такими же высокими гелиоэнергетическими свойствами, как и сам кремний, но с другой стороны более эффективный в плане производительности, что немаловажно.

Поэтому солнечные элементы на основе этого соединения демонстрируют более высокий показатель КПД (до 44%), что является значительной разницей. Но с другой стороны применяют такие системы довольно нечасто, чаще всего в сфере высоких технологий, космической отрасли и схожих направлениях.

Солнечные панели на основе арсенида галлия имеют ряд важных преимуществ, в том числе высокая способность к поглощению энергии [11].

Ширина запрещенной зоны. Этот термин отображает область энергии, которой обладать электрон не может в нормальном состоянии, ее ширина представляет собой минимальный объем энергии, который требуется для перемещения электрона, чтобы тот участвовал в формировании самого фототока. У этого материала эти показатели практически идеальны и не достигаются с применением других материалов.

Очень хорошая устойчивость к воздействию радиации, именно поэтому данный тип батарей используется в космической сфере. Небольшая чувствительность к нагреванию.

В таких панелях можно менять рабочие характеристики. Добавлять различные примеси, такие как фосфор, мышьяк, алюминий. Эти вещества позволяют корректировать параметры арсенида галлия, такие как, к примеру, ширина запрещенной зоны или другие. Благодаря этому можно значительно расширить возможности заданные параметрами панелей.

Несмотря на высокие показатели эффективности, такие панели обладают высокой стоимостью и при разрушении могут стать источником ядовитых веществ, что является преградой для их широкого распространения в быту и хозяйстве. И сам материал, и технологические особенности производства сами по себе очень затратные в финансовом плане, поэтому их стоимость сохраняется на высоком уровне. Поэтому такие панели не получили массового распространения.

В таблице 3 представлены оптовые цены на солнечные панели декабря 2019 года.

Масштаб развития солнечной энергетики сдерживается рядом характерных для неё недостатков, обусловленных как физической природой фотоэффекта, так и отсутствием личностных мотивов энергоповедения людей, несформированность массового сознания о возможностях солнечных панелей, что существенно снижает горизонты использования этой энергии.

На решение проблем превращения нетрадиционных возобновляемых источников энергии в традиционные обращено всемерное внимание научно-педагогических работников кафедр Сахалинского государственного университета. В учебные планы подготовки студентов технических направлений включен обязательный учебный предмет «Возобновляемые источники энергии»; в задание при прохождении производственных практик включён раздел «Альтернативная энергетика»; среди студентов разных направлений образования на тему солнечной энергетики проводится конкурс творческих проектов; осуществляется прове-

дение лабораторных экспериментов в разделах дисциплин «Электрические станции и подстанции», «Электроснабжение» и «Электроэнергетические системы»; тематика солнечной энергетики отражена в выпускных квалификационных работах.

Таблица 3

Цены на солнечные I

Тип Площадь, м2 Цен а, руб. Цен а руб. /м2 Цена руб. для 100 Втм2 Источник информации

Кремниевая монокристаллическая солнечная панель SilaSolar 51М300-24-PERC-5BB 1,62 1008 8 622 7 2076 Интернет-магазин «ТехноЛайн» https://e- solarpower.ru/solar/solar -panels/mono- panel/solnechnaya- batareya-silasolar- 300vt-perc-5bb/

Кремниевая поликри-сталличе-ская солнечная панель SilaSolar SIP300-24-5ВВ 1,94 8798 453 5 1512 Интернет-магазин «ТехноЛайн» https://e- solarpower.ru/solar/solar -panels/poli- panel/solnechnaya- batareya-silasolar- 300vt-5bb/

Аморфная кремниевая солнечная панель SG-НШ00^ 1,54 3000 4 98 1948 ООО «ГВС-Энерджи» https://gws- energy.ru/category/katal og/solnechnye- batarei/amorfnye/

Пленочные панели на основе сульфида или теллурида кадмия Са1ухо СХ3 80 0.72 0,11 789 3 10963 Интернет-магазин ЧП «Аванте» http://avante.com.ua/cat alog/batareja_solnechna ja_calyxo_cx3_80_v

Пленочные панели на основе селе-нида меди-индия SRCIGS275W 2,84 3348 0 117 88 4715 Интернет-магазин Alibaba.com https://russian.alibaba.c om/

В лабораториях Сахалинского государственного университета с использованием различного отечественного и зарубежного оборудования, в том числе производства компании Lucas Nulle (ФРГ), с помощью которого можно производить исследование физических моделей современных энергетических установок с традиционными и нетрадиционными видами энергии. Эксперименты позволяют производить эмуляцию энергопотоков приближенных к реальным условиям и режимам эксплуатации, посредством управляемых приборов нагрузки и программного обеспечения управления сетями WindSim.

В процессе экспериментов студенты изучают:

- строение и принцип действия современных электростанций, использующих возобновляемые источники энергии;

- параллельную работу тепловых и фотоэлектрических источников энергии;

- исследование явлений синхронизации солнечных панелей с электрической сетью, а также анализ возможных при этом аварийных ситуаций.

X X

о го А с.

X

го m

о

м о

M

о

о

CS

о

CS

В процессе выполнения дипломного проектирования группой студентов были смоделированы и апробированы режимы работы солнечных панелей обеспечивающих электрическое снабжение жилых домов в условиях характерных, по данным метеослужбы Сахалинской области, типичным параметрами температуры, влажности, силы ветра, уровня осадков.

Таким образом, благодаря постоянному вниманию науки и образования, рост предложения технологий солнечных панелей с фотоэлементами высокой эффективности в ближайшее время в должной мере будет соответствовать реальному спросу потенциального потребителя.

Литература

1. Захарова Т.В. Проект «СОЛ-1» // Строительный путеводитель. - 2001, № 22. - С. 46-49.

2. Солнечная радиация [Электронный ресурс]. -Режим доступа: http://www.sol-A.ru/region_Ru/summ/187/ (дата обращения: 28.09.2019).

3. АО «Сахалин-Инжиниринг» [Электронный ресурс] URL:http://sakhalin-engineering.ru/ (дата обращения: 09.12.2019).

4. Арсенид-галлиевые солнечные панели [Электронный ресурс] URL:https://konveyt.ru/info/articles/arsenid_galievye_soln echnye_batarei/ (дата обращения: 15.09.2019).

5. Виды солнечных батарей [Электронный ресурс] URL:https://www.solnpanels.com/vidy-solnechnyh-batarej/ (дата обращения: 05.12.2019).

6. Виды солнечных батарей: сравнительный обзор конструкций и советы по выбору панелей // Совет Инженера [Электронный ресурс] - Режим доступа. - URL: https://sovet-ingenera.com/eco-energy/sun/vidy-solnechnyx-batarej.html (дата обращения: 21.10.2019)

7. Разбираемся в многообразии видов солнечных панелей [Электронный ресурс] URL:https://altenergiya.ru/sun/irinogoobrazie-vidov-solnechnyx-panelej.html (дата обращения: 29.11.2019).

8. Виды солнечных батарей [Электронный ресурс] URL:https://electric-

220.ru/news/vidy_solnechnykh_batarej/2018-12-06-1615 (дата обращения: 09.12.2019).

9. Аморфные солнечные панели [Электронный ресурс] URL: https://gws-energy.ru/category/katalog/solnechnye-batarei/amorfnye/ (дата обращения 11.12.2019).

10. Типы солнечных элементов [Электронный ресурс] URL:https://www.sosvetom.ru/articles/tipy-solnechnyh-elementov/ (дата обращения: 15.09.2019).

11. Солнечные панели [Электронный ресурс] URL:https://e-solarpower.ru/solar/solar-panels/ (дата обращения 11.12.2019).

Educational and technical solutions problems of solar energy introduction

Popova S.N., Maksimov V.P.

Sakhalin State University

The article considers the issues of technical solutions for the introduction of solar energy in the practice of energy supply of industrial, residential and public buildings, which is based on the analysis of energy losses in the energy system of the Sakhalin Region. The current state of the development of solar energy and the introduction of solar panels as renewable energy sources is indicated. The varieties of solar converters are described by the type of working photovoltaic layer. The comparison of solar panels by the coefficient of photoelectric conversion and by price characteristics is carried out. The circle of questions of involving young students in the processes of using photovoltaic energy sources in everyday life and in production through specially organized targeted social projects and educational programs is presented. The role of Sakhalin State University in the implementation of educational programs for the education and enlightenment of the region's inhabitants is noted.

Keywords: solar panel, photocell, efficiency, source, energy.

References

1. Zakharova T.V. The project "SOL-1" // Building guide. - 2001,

No. 22. - S. 46-49.

2. Solar radiation [Electronic resource]. - Access mode: http://www.sol-A.ru/region_Ru/summ/187/ (accessed: 09/28/2019).

3. Sakhalin-Engineering JSC [Electronic resource] URL: http: //sakhalin-engineering.ru/ (accessed: 09.12.2019).

4. Gallium arsenide solar panels [Electronic resource] URL: https:

//konveyt.ru/info/articles/arsenid_galievye_solnechnye_batar ei/ (accessed: 09/15/2019).

5. Types of solar cells [Electronic resource] URL: https: //www.solnpanels.com/vidy-solnechnyh-batarej/ (accessed: 05.12.2019).

6. Types of solar panels: a comparative overview of structures and

tips for choosing panels // Engineer's Tip [Electronic resource] - Access mode. - URL: https://sovet-ingenera.com/eco-energy/sun/vidy-solnechnyx-batarej.html (accessed:

10.21.2019)

7. We understand the variety of types of solar panels [Electronic

resource] URL: https: //altenergiya.ru/sun/mnogoobrazie-vidov-solnechnyx-panelej.html (accessed: 11/29/2019).

8. Types of solar cells [Electronic resource] URL: https: //electric-

220.ru/news/vidy_solnechnykh_batarej/2018-12-06-1615 (accessed: 12/9/2019).

9. Amorphous solar panels [Electronic resource] URL: https://gws-energy.ru/category/katalog/solnechnye-batarei/amorfnye/ (accessed December 11, 2019).

10. Types of solar cells [Electronic resource] URL: https: //www.sosvetom.ru/articles/tipy-solnechnyh-elementov/ (accessed: 09/15/2019).

11. Solar panels [Electronic resource] URL: https: //e-solarpower.ru/solar/solar-panels/ (accessed December 11, 2019).

О Ш

m x

3

<

m о x

X