Гелиоэнергетика - будущее украины
проф., д.ф.-м.н. Б.Т.Бойко
доцент, к.ф.-м.н. Г.С. Хрипунов
НТУ „ХПИ“ , г. Харьков
Введение
В настоящее время человечество активно внедряет новые экологически чистые источники энергии. Первый бурный переход на новые источники энергии состоялся с 1890 года по 1910 год, когда каретно-конная тяга была заменена автомобилями, а электрическое освещение сменило газовые светильники. Этот переход привел к промышленной революции в большинстве развитых стран мира. В настоящее время человечество вновь переживает очередной этап перехода на новые источники энергии, который начался в 1990 году и по прогнозам ученых продлиться до 2010 года. Особенность этого этапа заключается в его экологической направленности – уменьшение загрязнения окружающей среды, существенное сокращение выброса в атмосферу углекислого и сернистых газов. В течение этого времени человечество должно внедрить в повседневную жизнь возобновляемые экологически чистые источники энергии, прежде всего, такие как ветроэнергетика и гелиоэнергетики. В противном случае грядущие экологические катастрофы поставят под угрозу возможность дальнейшего существования жизни на нашей планете.
1. Анализ традиционных источников энергии
Энергетика является базовой отраслью экономики. Степень обеспечения собственными энергетическими ресурсами в значительной мере определяет суверенитет любой страны. Поэтому стратегической задачей развития экономики является максимальное увеличение в ее энергетическом балансе доли энергии, произведенной за счет собственных энергетических ресурсов. Энергетика Украина включает в себя атомную энергетику, гидроэнергетику и тепловую энергетику. Гидроэнергетика практически исчерпала возможности своего дальнейшего развития в силу ограниченности природных мест пригодных для строительства новых гидроэлектростанций. Топливо для работы атомных и тепловых электростанций необходимо закупать за границей. Кроме того, эти два направления развития энергетики в промышленно развитых странах считаются малоперспективными и экологически небезопасными. Экономические прогнозы показывают, что к середине 21 века потребление энергии будет в 15 раз больше энергии израсходованной в течение всего 20 века и потребует использования около 80% возможных запасов жидкого и твердого топлива планеты. К 2100 году интегральное потребление энергии более чем вдвое превысит известные оценки экономически доступных природных ресурсов [1]. Интенсивное использование тепловых электростанций привело к появлению ряда экологических проблем, среди которой самые острые по своим неблагоприятным последствиям - увеличение выбросов в атмосферу углекислого газа и уменьшение толщины озонового слоя. Так, каждый киловатт мощности тепловой электростанции за один год вырабатывает в качестве побочных продуктов в среднем 2,4 т золы, 30кг. окиси серы и 3 кг. окиси углерода. За последние 100 лет концентрация углекислого газа в атмосфере Земли повысилась на 13% [1]. Это увеличение может привести к развитию тепличного эффекта на планете. Углекислый газ задерживает инфракрасное излучение нашей планеты, нарушая тем самым тепловое равновесие между Землей и окружающим космическим пространством. Это уже обусловило повышение средней температуры земли и таяние льдов в Арктике и Антарктике. Если этот процесс не будет остановлен, то полное таяние этих льдов приведет к подъему уровня мирового океана на 80-90 метров и планетарной катастрофе.
Некоторые специалисты полагают, что атомные электростанции вырабатывают электроэнергию, которая сегодня является более дешевой, чем электроэнергия вырабатываемая тепловыми электростанциями. И этим тезисом сторонники развития атомной энергетики пытаются оправдать этот путь развития энергетического комплекса Украины, несмотря на общепризнанную экологическую опасность загрязнения окружающей среды радиоактивными отходами, о чем свидетельствует трагедия на Чернобыльской АЭС. Однако, и тезис о низкой себестоимости электроэнергии, произведенной на атомных электростанциях, не выдерживает критики. При оценке себестоимости такой электроэнергии не учитывается затраты на утилизацию радиоактивных отходов и себестоимость экологически безопасной консервации атомных электростанций, которые отработали допустимый срок эксплуатации (25-30 лет). При работе атомной электростанции около 99% топлива идет в отходы, которые представляют собой радиоактивные продукты расщепления. Проблема надежной герметизации отходов и определения безопасного места их хранения, по мнению представителей крупнейшей американской компании Рэнд корпорейшн практически еще не решена ни в одной стране мира. Поэтому утилизация радиоактивных отходов является дорогостоящей операцией, требующей постоянного экологического надзора. У большинства современных атомных электростанций истекает срок их эксплуатации. Поэтому в самое ближайшее время будут необходимы огромные капиталовложения для строительства гигантских защитных сооружений. Примеров удачной практической консервации отработавших свой срок эксплуатации атомных электростанций нет ни в одной стране мира.
Одним из перспективных направлений развития атомной энергетики является термоядерный синтез. Однако главной проблемой является незавершенность весьма дорогостоящих экспериментальных исследований. При этом в обозримом будущем, по мнению ученых, проблема промышленного управляемого термоядерного синтеза не будет решена. В тоже время энергия естественного огромного и удаленного на безопасное расстояние от Земли термоядерного реактора – Солнца используется в недостаточных объемах.
2. Потенциальные возможности гелиоэнергетики
Для оценки возможностей солнечной энергетики округленно считают, что плотность потока солнечной радиации вне атмосферы Земли равна 1.4 кВт/м2 , а на уровне океана на экваторе в полдень 1 кВт/м2 [2].
Общая мощность солнечной радиации, перехватываемая нашей планетой, составляет 1.7*1014 кВт. Это колоссальная мощность примерно в 500 раз превышает предельные и вряд ли достижимые потребности человеческой цивилизации, которые по оценке Римского клуба, могут составить 3*1011 кВт. Если оценить всю солнечную энергию, которую наша планета получает за один год, то она составит 1018 кВт*ч, что примерно в 10 раз больше энергии всех разведанных и неразведанных ископаемых топлив, включая и расщепляющиеся вещества. Из общего количества поступающей на Землю солнечной радиации около 30% немедленно отражается в космос в виде коротковолнового излучения, 47% адсорбируется атмосферой, поверхностью планеты (сушей и океаном) и превращается в тепло, которое большей частью рассеивается в космос в виде инфракрасного излучения, другие 23% вовлекаются в процессы испарения, конвекцию, осадки и кругооборот воды в природе. Небольшая часть, около 0.2%, идет на образование потоков в океане и атмосфере, включая океанские волны. И только 0.02% захватывается хлорофиллом зеленых растений и поддерживает жизнь на нашей планете. Малая доля от этих 0.02% обеспечила миллионы лет назад накопление на Земле запасов ископаемого топлива.
Солнечная энергия уверенно завоевывает устойчивые позиции в мировой энергетике. Привлекательность солнечной энергетики обусловлена рядом обстоятельств:
- Солнечная энергетика доступна в каждой точке нашей планеты, различаясь по плотности потока излучения не более чем в два раза. Поэтому она привлекательна для всех стран, отвечая их интересам в плане энергетической независимости.
- Солнечная энергия - это экологически чистый источник энергии, позволяющий использовать его во все возрастающих масштабах без негативного влияния на окружающую среду.
- Солнечная энергия – это практически неисчерпаемый источник энергии, который будет доступен и через миллионы лет.
- Основными направлениями использования солнечной энергии считаются:
- прямое превращение солнечной энергии в электрическую энергию;
- получение тепла путем абсорбции солнечного излучения.
3. Прямое превращение солнечной энергии в электрическую энергию
Прямое превращение энергии солнечной радиации в электричество осуществляется с помощью полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей (ФЭП). Фотоэлектрические преобразователи работают на принципе внутреннего фотоэффекта, при котором фотоны, поглощающиеся в базовом слое ФЭП, передают свою энергию непосредственно электронам. Фотоэлектрический эффект возникает в полупроводниковых структурах при наличии в них энергетического барьера [3]. Энергетический барьер большинства ФЭП представляет собой встроенное электрическое поле, возникающее на границе двух полупроводниковых материалов, отличающихся типом электропроводности (электронной - n-тип и дырочной - р-тип). При поглощении фотонов происходит генерация неравновесных электрон-дырочных пар, разделение которых встроенным электрическим полем приводит к формированию фото-э.д.с (Рис.1), которое существует до тех пор пока полупроводниковая структура освещается светом.
Рисунок 1. Схема внутреннего фотоэффекта в полупроводниковой барьерной структуре
hн - энергия падающего фотона; Ef - уровень Ферми;
Ev- потолок валентной зоны; Ec- дно зоны проводимости
Как и для любого преобразователя одного вида энергии в другой вид основной эксплуатационной характеристикой ФЭП является коэффициент полезного действия (к.п.д.). К.п.д. преобразователя солнечной энергии представляет собой отношение электрической мощности производимой при работе ФЭП к мощности солнечного излучения падающего на его поверхность при стандартной плотности солнечной радиации 1кВт/м2 (1000Вт/м2 ). Так, например, при к.п.д. 10% с 1м2 ФЭП можно получить 100Вт электрической мощности. По своему конструктивно-технологическому решению фотоэлектрические преобразователи представляют собой наукоемкие изделия электронной техники. Первые надежные и долговечные ФЭП были изготовлены на основе монокристаллического кремния для электроснабжения космических аппаратов.
Типичная конструкция современного ФЭП на основе pSi-nSi приведена на рисунке 2. К.п.д. таких единичных ФЭП обычно составляет 14%. При этом напряжение холостого хода составляет 0,6В, а плотность тока короткого замыкания достигает 40мА/см2.
Рисунок 2. Схема ФЭП на основе монокристаллического кремния
Так как для работы большинства потребителей требуются более высокие значения напряжения и тока, то единичные ФЭП параллельно-последовательно собираются в солнечные модули требуемой мощности и выходного напряжения. Стоимость этих модулей определяется высокой ценой пластин монокристаллического кремния толщиной 300-500 мкм., используемых в его конструкции. Такие пластины из Si получают разрезкой выращенного при температуре более 1000о С монокристального цилиндра диаметром до 150 мм. При резке на пластины почти половина этого дорогостоящего материала уходит в стружку. Поэтому ФЭП на основе монокристаллов Si используются преимущественно для аппаратов космического назначения. При производстве монокристаллических кремниевых ФЭП затрачивается такое количество энергии и труда, которое не окупится в течение всего времени их эксплуатации (20-25 лет). Таким образом, для широкомасштабного наземного использования ФЭП на основе монокристаллического кремния, по-видимому, могут применяться только как отходы от их космического производства. В то же время ФЭП на основе выращиваемой поликристаллической кремниевой ленты являются достаточно коммерчески привлекательными, несмотря на более низкие значения к.п.д., так как в течение их эксплуатации они вырабатывают электроэнергии значительно больше, чем было затрачено на их производство. По мнению большинства ученых наиболее перспективными для наземного использования являются тонкопленочные ФЭП, низкая стоимость которых при массовом производстве и при достаточной эффективности определяется уменьшением толщины ФЭП в 100 раз. Наибольшую эффективность демонстрируют солнечных элементы на основе пленок полупроводниковых поликристаллических соединений Cu(InGa)Se 2 , CdTe толщиной порядка нескольких мкм и пленок гидрогенизированного аморфного кремния aSi:H. Типичное конструктивно-технологическое решение таких ФЭП приведено на рисунке 3.
Рис 3. Схема тонкопленочного фотоэлектрического преобразователя
4. Получение тепла путем прямой абсорбции солнечного излучения
Получение тепла путем прямой абсорбции солнечного излучения представляет наиболее простой по технической реализации способ использования солнечной энергии.
Тепло, получаемое в результате прямой абсорбции солнечной радиации, используется для нагрева воды, обогрева помещений, сушки материалов и продуктов сельскохозяйственного производства. Большой практический интерес к обогреву помещений и получению горячей воды за счет солнечной радиации обусловлен тем, что в промышленно развитых странах около 30-40% производимой энергии потребляется на так называемые низкотемпературные нагревы (<100о С).
Получение такого низкотемпературного тепла можно осуществить с помощью плоских тепловых коллекторов, работающих на принципе тепличного эффекта [3]. Физическая суть этого эффекта заключается в том, что солнечное излучение, падающее на поверхность теплового коллектора, покрытого прозрачным для солнечных лучей материалом, практически без потерь проникает внутрь теплового коллектора и, попадая на теплоприемник нагревает его, а процесс рассеивания тепловой энергии теплоприемника минимизирован. Так как основная интенсивность солнечного излучения в наземных условиях находится в спектральном интервале 0.4мкм -1.8мкм (рис. 4а), то в качестве прозрачного верхнего слоя используется обычное стекло, имеющее коэффициент пропускания в этом спектральном диапазоне до 95% (рис. 4б). Расположенный в нижней части коллектора (рис.5) теплоприемник представляет собой абсорбирующее покрытие с коэффициентом поглощения солнечного излучения до 90%. Поглощая прямое солнечное излучение, это абсорбирующее покрытие даже без верхнего стекла может нагреваться в зависимости от мощности падающего излучения до (50-80)о С. Нагретое до таких температур тело излучает тепловую энергию, основная мощность которого находится в инфракрасном диапазоне (рис. 4с).
Рисунок 4. Схема тепличного эффекта
Длина волны соответствующая максимальной мощности излучения определяется по закону Вина [4]:
lmax*T=2989мкм*К, (1) где lmax - длина волны (мкм), соответствующая максимальной интенсивности излучения,
T - абсолютная температура нагретого тела в градусах Кельвина (К).
Рисунок 5. Схема солнечного колектора
Для спектрального диапазона, соответствующего инфракрасному излучению, стекло обладает низким коэффициентом пропускания (рис. 4б). Это и приводит к тепличному эффекту, заключающемуся в накоплении энергии под стеклом и увеличении температуры теплоприемника до 160о С, если преобразованная энергия не выводится из коллектора теплоносителем. В рабочем режиме накопленное тепло расходуется на нагрев воздуха или воды, которые циркулируют через коллектор(рис. 5.). В средней полосе Европы в летний период производительность таких коллекторов может достигать 50-60 литров воды, нагретой до 60о С -70о С с каждого квадратного метра в день [1] . К.п.д. солнечного коллектора составляет порядка 70% и зависит от температуры окружающей среды, плотности потока солнечной энергии и температуры, до которой необходимо нагревать воду в коллекторе. С уменьшением температуры, до которой необходимо нагреть воду, циркулирующую через коллектор, к.п.д. коллектора увеличивается . Однако стандартная температура нагреваемой воды составляет 50о С. Для солнечного коллектора основной технической характеристикой является объем воды или воздуха, нагретых до заданной температуры в течение светового дня квадратным метром коллектора. Этот параметр зависит от времени года и географического положения места, в котором устанавливаются коллекторы. Эффективность солнечного коллектора может быть увеличена примерно на 20% при использовании на теплоприемной поверхности селективно поглощающих покрытий, которые обладают свойством хорошо поглощать видимую часть солнечного спектра и практически не излучать в инфракрасной области спектра [4]. Селективные покрытия представляют собой единственный наукоемкий элемент в конструкции солнечного коллектора (один из видов селективных покрытий - черный алюминий - был разработан в Харьковском государственном политехническом университете). Одним из основных экономических показателей коллектора, наряду с его стоимостью, является надежность и долговечность. Именно этими показателями отличается продукция большинства Европейский стран. Срок службы коллектора составляет не менее 10 лет. Такие коллекторы обладают низкой материалоемкостью (вес материала затраченный на изготовление 1м2 поверхности) и низкой инерционностью (время нагрева воды до заданной температуры при заданном давлении воды).
В систему получения низкотемпературного тепла также входят накопители тепла, которые в простейшем случае представляют собой термоизолированные емкости (термосы) для хранения горячей воды. Объем накопителя и необходимая площадь коллекторов определяются суточным потреблением тепла и средним числом солнечных дней в году в данной местности. Если солнечный коллектор использует не воду, а незамерзающую жидкость, то с помощью теплообменника в накопительном теплоизолированном баке и дополнительного нагревателя (газ, электричество и т.п.) можно в течение года экономить до 50-60% энергии, необходимой для обогрева дома и других тепловых домашних нужд, что практически широко используется в промышленно развитых странах. В этом случае солнечные коллекторы работают круглогодично в автоматическом режиме параллельно с обычными топливными или электрическими нагревателями воды. В солнечных установках для сушки материалов и продуктов сельского хозяйства в качестве теплоносителя используется воздух.
5. Мировой опыт развития гелиоэнергетики
Первая международная программа ЮНЕСКО по использованию солнечной энергии была начата в 1973 году [3] и, начиная с этого года, на протяжении 6 лет эту программу возглавлял проф. Бойко Борис Тимофеевич, который в то время по квоте Украины работал в секторе Наука Секретариата ЮНЕСКО (Париж, Франция). Реализация подобных программ с 1973 года по 2000 год привели к глобальнымным изменениям в энергетическом балансе развитых стран Европы. Как видно из рисунка 6, с 1990 года по 1997 год максимальные темпы прироста имеет производство энергии за счет использования ветроэнергетики (25.7%) и фотоэлектричества (16.8%) [5].
Рисунок 6. Тенденции развития энергетики с 1990 года по 1997 год
Начавшееся в 1975 году практическое использование фотоэлектрических преобразователей в последнее время стремительно возрастает.
Рисунок 7. Стоимость ФЭП ($/Wp) в 1976-1996 гг.
Основным фактором, ограничивающим в настоящее время широкомасштабное применение в наземных условиях фотоэлектрических преобразователей, является стоимость ФЭП. Тем не менее с 1976 года по 1996 год стоимость ФЭП в US $, обладающих мощностью 1Вт при интенсивности солнечного излучения 1000Вт/м2 ($/Wp), снизилась на 80% . По прогнозам [5] к концу 2000 года стоимость ФЭП при их массовом производстве может быть снижена почти в два раза по сравнению с 1997 году (таблица 1). Снижение стоимости тонкопленочных ФЭП до 1$/Wp, которое прогнозируется к 2010 году (таблица 1), сделает фотоэлектричество конкурентно-способным с электроэнергией, производимой на тепловых электростанциях.
Таблица 1. Стоимость ФЭП ($/Wp) : состояние и прогноз * [5].
Материал ФЭП 1997 г. 2000г. 2010 г. Поликристаллический кремний 3.9 – 4.25 1.50 - 2.50 1.20 - 2.00 CdTe - 1.20 - 2.00 0.75 - 1.25 a-Si 2.50 - 4.50 1.20 - 2.00 0.75 - 1.25 Cu(InGa)Se 2 - 1.20 - 2.00 0.75 - 1.25
* Прогноз стоимости ФЭП на 2010 год представляет минимальный предел стоимости при существующих технологиях. Снижению себестоимости должно способствовать и увеличение эффективности фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии (таблица 2) [5]. Над этой проблемой работают ведущие ученые стран Европы в рамках международных проектов. Начиная с 1994 года, ученые кафедры ФМЭГ ХГПУ участвуют в реализации таких международных проектов.
Таблица 2 К.п.д. (%) солнечных модулей: состояние и прогноз
Материал ФЭП 1998 2000 2010 Поликристаллический кремний 13-15 16 20 a-Si 6-8 10 14 CdTe 7-8 12 14 Cu(InGa)Se 2 7-8 12 14 Рекордные в 1998 году значения эффективности для лабораторных образцов единичных ФЭП на основе пленочных слоев CdTe составляли 15%, на основе Cu(InGa)Se 2 - 18% [6].
Правительства экономически развитых стран всемерно содействуют развитию фотоэлектрического получения электроэнергии. 25 февраля 2000 года в Германии был принят закон, согласно которому правительство приобретает электроэнергию, вырабатываемую ФЭП в дневное время , по цене 0.99DМ за 1кВт*ч. у собственников фотоэлектрических солнечных модулей, подключенных через инверторы со счетчиками в государственную электрическую сеть, а вечером и ночью отдает своим гражданам необходимое им количество электроэнергии по цене 0.2 DМ за кВт*ч [7]. Этот закон в сочетании с существующей в Германии программой 100 000 солнечных крыш привел к тому, что только в два последние дня Апреля поступили заявки на ФЭП модули общей мощностью 20 MВт – это пятая часть общего годового производства ФЭП в Европе и в два раза больше, чем предсказывалось ранее для Германии на весь 2000 год. При этом для покупателей ФЭП модулей мощностью до 5kWp предлагается практически беспроцентный кредит на 10 лет [8]. Таким образом, правительство стимулирует немцев приобретать фотоэлектрические солнечные модули. В Японии при активной поддержке правительства развивается программа 25000 домов, энергопотребление которых обеспечивается за счет использования ФЭП. В 1997 году в США и странах Западной Европы были начаты аналогичные программы Миллион солнечных крыш(рис.8).
Рисунок 8. Фотоэлектрические преобразователи на крышах домов в Германии
Поворотным моментом в развитии солнечной энергетики в мире стала 2 Мировая конференция и выставка по фотовольтаическим преобразователям солнечной энергии с участием более 2000 ученых, в ходе работы которой с четырьмя докладами по разработке тонкопленочных ФЭП выступили сотрудники кафедры физического материаловедения для электроники и гелиоэнергетики Харьковского государственного политехнического университета. Эта конференция, состоявшаяся в 1998 году в Вене, объединила три конференции – Европейскую, Американскую, Азиатско-Тихоокеанскую. Здесь впервые были сформулированы цели Европейской Сообщества в области возобновляемой энергетики до 2010 года. В странах Европы предусматривается общее внедрение фотоэлектрической энергетики в объеме 3000 МВт (1МВт =1000кВт) и производство 1 миллиона фотоэлектрических систем.
2000 год стал переломным в плане широкомасштабного привлечения крупнейших энергетических компаний для автоматизированного крупносерийного производства солнечных модулей наземного применения. В Европе объем промышленного производства ФЭП в 2000 году достигнет 100МВт, из которого 80% будут представлять собой кристаллические кремниевые модули, 10% - солнечные модулями на основе теллурида кадмия и 5% -солнечные модули на основе пленок aSi:H. Это 10 кратное увеличение объема по сравнению с 1996 годом. Наиболее активными Европейскими странами в этом процессе являются Германия, Испания, Франция. В 2000 году в Европе вводится 4 крупнейших автоматизированных завода по производству ФЭП. Один из самых мощных заводов – завод фирмы Shell в Gelsenkirchen (Германия), который будет производить солнечные модули на основе поликристаллического кремния общей мощностью 25МВт в год. В будущем производство на этом заводе будет расширено до 50 МВт в год. Солнечные модули с размерами 60см.*120см. и к.п.д. (7-8) % на основе тонкопленочных ФЭП с базовым слоем теллурида кадмия выпускает завод ANTEC Solar GmbH at Rudisleben (Erfurt, Германия). Объем производства составляет 10 МВт в год. Первый в Европе завод фирмы Wurth Solar в Marbach (Германия) по производству модулей с размерами 60см.*120см. и к.п.д. (10 -12)% на основе пленок соединения Cu(InGa)Se 2 будет запущен летом 2000 года и иметь производительность 1МВт в год [7].
Несмотря на то, что преимущество фотоэлектрического преобразования энергии по сравнению с преобразованием солнечной энергии в тепло не вызывает сомнении, тем не менее на сегодняшний день масштабы применение тепловых коллекторов на порядок превышают масштабы использования ФЭП.
В настоящее время площадь используемых солнечных коллекторов исчисляется миллионами квадратных метров. К 1999 году в Европе было установлено тепловых коллекторов с суммарной площадью 7 миллионов м2 , тепловая мощность которых достигает 3500 МВт. В среднем стоимость 1м2 составляет менее 250$ и цена солнечного тепла в типичных условиях будет снижена до 0.06 ECU/ кВт*час [7]. Особенностью применения тепловых коллекторов является незначительное количество крупных теплостанций по сравнению с единичными небольшими по площади, которые обеспечивают тепловой энергией индивидуальных потребителей. Общая площадь крупных тепловых станций исчисляется тысячами м2 .
Несмотря на свое географическое положение, Швеция является Европейским лидером по использованию тепловых коллекторов (Рис.9) [7].
SE- Швеция, DK-Дания DE- Германия NL- Голландия
AT -Австрия, CH -Швейцария FIN-Финляндия
Рисунок 9. Общая площадь солнечных коллекторов (м2) на крупных теп-лостанциях в странах Европы
Из 46 Европейских крупномасштабных тепловых станций Швеция имеет 15 (Рис. 10). Начиная с 1997 года, в Германии и Австрии было построено 20 подобных теплостанций. Общий объем продаж солнечных тепловых коллекторов в 1998 году в Германии, Австрия, Швеция составил 1млн. м2 . К концу 2000 года суммарная площадь тепловых коллекторов в Европе составит 8 миллионов м2 , что позволит избежать выброса в атмосферу 1.4 млн. тонн СО 2 , которые вырабатываются при использовании на тепловых электростанциях 450 тыс. тонн нефти [7].
К лидерам использования солнечной тепловой энергии относится Израиль. Согласно существующему в этой стране Солнечного Закону, 80% населения страны использует тепловые коллекторы для получения горячей воды. Все новые строящиеся здания в Израиле должны иметь тепловые коллекторы для получения горячей воды. При этом для каждой 2-3 комнатной квартиры количество горячей воды нагретой до 50о С должно составлять 120 литров. Применение тепловых коллекторов уже сейчас позволяет экономить 5% производимой в Израиле электроэнергии.
Рисунок 10. Тепловая станция площадью 5500 м2 в Швеции
6. Потенциальные возможности использования гелиоэнергетики на Украине
На территории Украины энергия солнечной радиации за один среднегодовой световой день составляет в среднем 4 кВт* час на 1м2 ( в летние дни – до 6 – 6.5 кВт* час ) т. е. около 1,5 тысячи кВт* час за год на каждый квадратный метр. Это примерно столько же, сколько в средней Европе, где использование солнечной энергии носит самый широкий характер.
Кроме благоприятных климатических условий на Украине имеются высоко квалифицированные научные кадры в области использования солнечной энергии. После возвращения проф. Бойко Б.Т. из ЮНЕСКО, где он возглавлял международную программу ЮНЕСКО по использованию солнечной энергии (1973-1979г.), он начал интенсивную научную и организационную деятельность в Харьковском политехническом институте ( ныне Национальный Технический Университет -ХПИ) по развитию нового научного и учебного направления - материаловедения для гелиоэнергетики . Уже в 1983 году в соответствии с приказом Минвуза СССР N 885 от 13.07.83 г. в Харковськом Политехническом Институте впервые в практике высшей школы СССР была начатая подготовка инженеров-физиков с профилированием в области материаловедения для гелиоэнергетики в рамках специальности Физика металлов". Это заложило основы создания в 1988 году выпускающей кафедры "Физическое материаловедение для электроники и гелиоэнергетики" (ФМЭГ). Кафедра ФМЭГ в содружестве с Научно-исследовательским институтом технологии приборостроения (Харьков) в рамках космической программы Украины принимала участие в создании кремниевых солнечных батарей с к.п.д. 13-14% для украинских космических аппаратов.
Начиная с 1994 года, кафедра ФМЭГ при поддержке Штутгардского Университета и Европейского Сообщества, а также Цюрихского Технического Университета и Швейцарской Национального Научного Общества принимает активное участие в научных исследованиях по разработке пленочных ФЭП.
Вышеизложенное дает основание считать, что на Украине существуют все необходимые и достаточные условия для широкомасштабного внедрения гелиоэнергетики в народное хозяйство.
ЛИТЕРАТУРА
Б.Т. Бойко, Ю.Г. Гуревич Физика фотоэлектрических преобразовате - лей солнечной энергии, Харьков, Основа, 1992.
Преобразование солнечной энергии. Вопросы физики твердого тела / Под ред. Серафино Б., Москва, Энергоиздат, 1987.
W. Palz Solar Electricity, UNESCO, Paris, 1978.
Справочник по физике / Под редакцией Б.М. Яворского и А.А. Детлафа, Москва : 1986.
RENEWABLE ENERGY WORD, vol. 2, N4, July, 1999, pр. 16, 62.
2nd Word Conference on Photovoltaic Solar Energy Conversion: Proceeding of the International Conference, 6-10 July 1998, Vienna.
RENEWABLE ENERGY WORD, vol. 3, N2, March-April , 2000, p. 25.
RENEWABLE ENERGY WORD, vol. 3, N3, May-June , 2000, p. 9. НТУ ХПИ
Харьков - 2000
Краткие сведения об авторах
Бойко Борис Тимофеевич - Заслуженный деятель науки и техники Украины, заведующий кафедрой Физическое материаловедения для электроники и гелиоэнергетики Национального Технического Университета Харьковский Политехнический Институт , профессор, доктор физико-математических наук. С 1973 по 1979 года по квоте Украины работал в секторе Наука Секретариата ЮНЕСКО, где возглавлял первую международную программу ЮНЕСКО по использованию солнечной энергии. После своего возвращения в 1979 году профессор Бойко Б.Т. начал интенсивную научную и организационную деятельность в Харьковском политехническом институте по развитию нового научного и учебного направления в области материаловедения для гелиоэнергетики. В 1983 году в соответствие с приказом Мин вуза СССР N 885 от 13.07.83 г. в Харьковском политехническом институте, впервые в практике высшей школы СССР, была начатая подготовка инженеров-физиков с профилированием в области материаловедения для гелиоэнергетики в рамках специальности Физика металлов". Это заложило основы создания в 1988 году выпускающей кафедры "Физическое материаловедение для электроники и гелиоэнергетики " (ФМЭГ). В настоящее время кафедра готовит инженеров–физиков по специальности Физическое материаловедение в рамках специализации Физическое материаловедение для электроники и гелиоэнергетики. Кафедра ФМЭГ в содружестве с научно-исследовательским институтом технологии приборостроения (г. Харьков) в рамках космической программы Украины принимала участие в разработке технологии производства кремниевых солнечных батарей с к.п.д. 13-14% для украинских космических аппаратов.
Начиная с 1994 г. кафедра ФМЭГ при поддержке Штуттгартского Университета и Европейского Сообщества, а также Цюрихского Технического Университета и Швейцарского Национального Научного Общества принимает активное участие в Европейских научных проектах по разработке надежных, солнечных высокоэффективных пленочных батарей для наземного применения.
Проф. Б.Т. Бойко стажировался в течение учебного года в США в Университете штата Виржиния (1963-1964г.) в Канаде в Университете Торонто (март-апрель 1994г.) и в Германии в Штуттгартском Университете (апрель-май 1995 г.).
Хрипунов Геннадий Семенович –заместитель заведующего кафедрой физического материаловедения для электроники и гелиоэнергетики Харьковского государственного политехнического университета, доцент, кандидат физико-математических наук. Кандидатскую диссертацию защитил в 1990 году по теме Исследование структурных и фотоэлектрических процессов в пленочных тыльно-барьерных гетеросистемах на основе CdTe, в ходе которой были разработаны лабораторные образцы пленочных фотоэлектрических преобразователей с к.п.д. 6%. В 1998 году в течение двух месяцев доцент Хрипунов Г.С. стажировался в Цюрихском Техническом Университете (Швейцария). С 1994 года по 1999 год принимал участие в реализации трех международных проектов.
Наш адрес:
Национальный Технический Университет
Харьковский Политехнический Институт ( НТУ ХПИ ),
каф. ФМЭГ,
ул. Фрунзе, 21, 61002 Харьков-2
тел. + 380-572- 128386; + 380-572- 235791;
факс: + 380-572- 587003
e-mail: boyko@fmeg.kpi.kharkov.ua
