Автор: Борис Плавник
Энергия Солнца. Бесконечная и чуть ли не избыточная энергия. Казалось бы, бери — не хочу. Однако сама по себе эта энергия имеет достаточно низкую плотность (иначе с жизнью на этой планете были бы проблемы), так что человечеству пришлось учиться, как из мягкого солнышка выжать что-то серьёзное. И оно пришло к ряду решений, которые можно свести в две категории: использование напрямую тепловой составляющей солнечного излучения (так называемый SolarThermal) или же использование фотоэффекта — прямой генерации электрического тока при взаимодействии солнечного света и некоторых материалов. Данные штуки получили название «фотовольтаика» (photovoltaic), и именно про них и пойдёт речь в этой статье.
История
Свою историю данная область начинает в 1884 (!) году. Именно тогда проживающий в Нью-Йорке мистер Чарльз Фриттс (Charles Fritts) собрал первую фото-панель. Сделана она был из селена с тонким слоем золота поверх. Данное «устройство» оказалось рабочим, но ни про какую экономическую эффективность даже близко речи не шло. Но, как говорится, «маленький шаг…»
Сам по себе фотоэффект наблюдали различные физики по всему миру независимо друг от друга (как это частенько бывает с физическими явлениями). Беккерель в 1839 первым обнаружил нечто подобное в электролитах. Герц и Столетов в конце 80х XIX века довольно много изучали фотоэффект и даже эмпирически вывели пару закономерностей. Тем не менее, внятную теорию, почему это работает, выкатил лишь Альберт «наше всё» Эйнштейн в начале ХХ века. И именно за это в 1921 он и получил нобелевскую премию по физике.
Но кроме теории нужны были и точки её приложения. Хоть Фриттс и показал, что такое работает, но это был не самый оптимальный вариант исполнения. Пришлось подождать квантовую механику, на которой базируется теория полупроводников (наиболее годные материалы для этого дела). И которую доводили до ума физики и математики по всему миру во времена интербеллума.
Уже после второй мировой, в 50-х, лаборатория Белла в Нью-Джерси сконструировала фотоэлемент, пригодный для промышленного производства. Поначалу его ставили на телефоны, но потом такие штуки появились на калькуляторах и другой мелкой электронике. Впрочем, называть такое «энергетикой» язык не поворачивается, посему перенесёмся в более-менее наше время.
Современное состояние
Собственно, сам фотоэлемент. Подавляющее их большинство делается из кристаллического кремния (элементы с КПД 15-20 %), что при современном массовом производстве достаточно доступно и постоянно дешевеет. Есть и другие технологии – аморфный кремний, германий, кадмий-теллур, элементы с туннельными контактами… (тут хорошо разобрано: https://habr.com/ru/post/202650/) Теоретически они дают лучший КПД (переваливает за х3 от кристаллических кремниевых) и меньшее использование материала, но для массового производства они пока что слишком дороги. Далее будет идти речь только о кристаллических элементах.
Из-за того, что с них надо ещё собрать ток, элементы делаются достаточно маленькими, на мощность около 5 ватт. На них наносится слой припоя (который закрывает часть активной площади элемента), различные антиотражающие покрытия - и элементы готовы к соединению в модуль. Сам по себе фотоэлемент – источник постоянного тока. А такие вещи профитнее соединять последовательно. А что мы помним из школы про последовательное соединение в электрической цепи? Ток такой цепи един. Отсюда следует первая проблема этого дела – если ток одним фотоэлементом по какой-либо причине упадёт (заводской брак, упавший листик, снег, тень от не оптимальной установки и тд.) – падает мощность всего модуля. Частично это фиксится последовательно-параллельным соединением (например, на условном модуле 4 х 10 элементов «столбы» по 10 соединены последовательно, а между собой – параллельно), частично – байпас диодами. Но диоды на каждый элемент дороговато…
Сам модуль – это не просто фотоэлементы. Схематический разрез можно увидеть на схеме ниже. Слой EVA вытесняет воздух от фотоэлементов во время производства, и вместе с тедларом защищает начинку от непогоды и атмосферы. По массе примерно 3,5% приходится на кремний и припои (в основном — серебро и свинец), остальное… — остальное. Производство кремния (даже таких небольших дощечек) и алюминиевой рамы – очень энергозатратное мероприятие, из-за чего электростанции далеко не сразу отбивают энергию, затраченную на их производство.
Далее, много модулей соединяются вместе и образуют собственно электростанцию (поле). Разумеется, их тоже надо как-то посоединять между собой и оснастить электронными преобразователями. Для начала нужен инвертор, так как в сеть мы можем лить только переменное напряжение. Но инверторы умеют работать только при очень узких входных параметрах, так что нам нужен ещё и DC/DC преобразователь — такая штука, что из фактического постоянного тока делает постоянный ток с такими параметрами, которыми можно «кормить» инвертор. Помимо этого он выполняет такую полезную штуку, как отслеживание точки макс. мощности (MPPT), что позволяет модулям работать эффективнее. Фактически они в одной коробке, но суть в том, что это не просто инвертор DC/AC.
Теоретически тут работают те же положения, что и двумя абзацами выше. Всё последовательно и в один инвертор — дёшево, но проблемы одного модуля влияют на всю электростанцию. Инвертор на каждый модуль — дорого. Компромисс где-то посередине. Я недавно проезжал мимо одной фотоэлектростанции, и на ней в один инвертор было подключено 9 модулей. В любом случае такие преобразователи — не очень хорошая вещь для электросетей вследствие влияния высших гармоник, что создаёт определённые проблемы.
Далее, в дело вступает погода. Капитан Очевидность сообщает, что Солнце светит только днём, притом в полдень хорошо, а утром и вечером — хуже. А ночью не светит вообще. Следовательно, все эти штуки работают днём с чётким максимумом производства в полдень. Реальный график выработки можно посмотреть чуть ниже. Там же отличия летней выработки от зимней. Разумеется, облачность также влияет на это дело. Соответственно, для всяких Питеров с пятью солнечными днями в году фотовольтаика — не лучшее решение.
Три линии на графике — общее, прямое и рассеянное излучение (global, direct и diffuse соответственно). Данные получены с помощью сервиса PVGIS. Раздел Tools → Interactive tools → Daily Data. Можете посмотреть на ситуация в своём городе или на даче)
Чтобы как-то оценивать и сравнивать различные типы электростанций, энергетики придумали такую штуку, как «коэффициент использования установленной мощности», КИУМ. Это отношение реально произведённой энергии к той, что могла бы произвести электростанция, работай она на полную мощность весь год без остановок вообще. Выражается в процентах или часах. Например, у угольных электростанций этот параметр находится на уровне ~60%, у АЭС — ~85%. У фото — около 10% (в случае отсутствия и своевременного устранения проблем, описанных выше). Это на условиях страны пива, то есть примерно 50° северной широты. Дальше на север хуже, на юг — лучше.
Также окружающая температура влияет на эффективность выработки энергии. Чем выше температура — тем хуже КПД. Примерно -0,5%/1°C. Тем не менее, этот эффект меньше, чем от погодных и географических факторов, и пустыни таки лучшие места для фотополей. Идеальным местом была бы ледяная пустошь на экваторе, но такое не на этой планете.
А теперь вопрос: насколько это круто? Ответ: от «плохо» к «приемлемо». Набившие оскомину ветряки много лучше фотовольтаики в целом. Условная бесплатность нифига не бесплатная в энергетическом плане и рентабельность его довольно посредственная. Производство зависит от погоды и её ВНЕЗАПНЫХ капризов. Из-за инверторов качество энергии такое себе, плюс черные модули неслабо греются и соответственно греют воздух над собой. Координация с распределяющей сетью вызывает большие проблемы, в том числе из-за местного законодательства. Но с другой стороны технологический и научный прогресс не стоит на месте, массовое производство в общем и целом способствует внедрению новинок, и может скоро мы увидим какой-то серьёзный прорыв в этой области. А пока что данным способом производится около 2,8% от мирового потребления на электростанциях общей мощностью примерно в 500 ГВт.
Впрочем, есть места, где использование солнечных панелей очень хорошо себя оправдывает. В космосе. Там, наверху, нет атмосферы и связанных с этим проблем. Там нет необходимости координировать выработку с общей сетью, а параметры можно подстроить под конкретного потребителя (оборудование космического аппарата). Производство энергии можно прикинуть намного более точно, чем на Земле, ибо сверху оно зависит от конфигурации орбиты, а не от сиюминутных капризов погоды. Не надо таскать здоровенную раму, а температура очень низкая. Да, есть проблема с микрометеоритами, которые могут повредить отдельные элементы, но от этого никуда не деться. Но главный плюс — это почти полное отсутствие альтернатив, хе-хе. Всё остальное не подходит по длиннющему списку самых различных причин. За исключением РИТЭГов, смысл которых в прямом преобразовании тепловой энергии (выделяемой при естественном распаде радиоизотопов) в электрическую. Но их мощность и эффективность оставляют желать лучшего. Хотя для изучение удалённых объектов солнечной системы РИТЭГ вообще не имеет альтернатив. Пока что)
Собственная мини-фотоэлектростаниция
Космические станции и технологии обработки кремния — это конечно хорошо, но в воздухе повис ещё один вопрос: насколько выгодно прикрутить такое на себе на крышу? В общем и целом — выгодно. С поправкой на место где вы живёте и местное законодательство. Особенно, если у вас умные пылесосы-стиралки-посудомойки, которые можно включить днём в пик производства солнечной энергии. Однако есть в этом один большой нюанс. Цена на электричество настраивается так, чтобы более-менее покрывать расходы дистрибьюторов электроэнергии. Только их расходы на ваше подключение процентов так на 85 фиксированы, а у вас — наоборот. То есть, поставив фотопанели, вы начинаете платить меньше, но при этом нагрузка на сеть и связанные с этим расходы остаются почти такими же. Соответственно, то что вы наэкономите, заплатят ваши соседи, в общем и целом. Или наоборот, если сосед оказался расторопнее. Эту ситуацию можно решить двумя путями: поднять цену на электричество, что рано или поздно приведёт к очень неприятным вещам. Или включить в счёт некую фиксированную плату, которую люди будут платить независимо от того, сколько они спалят энергии. Тем не менее, насколько такая солидарность хороша, правильна или наоборот — меня уже не хватит дать однозначный ответ)
Картинка на обложке — Panda Green Energy PV Park, электростанция в виде собственно панд) Также расположена в Китае и имеет мощность порядка 80 МВт.
Автор: Борис Плавник
