Элек­троэнергия представляет собой наиболее удобную форму энергии для большинства потребителей, в том числе и для отдаленных. Снабжение электроэнергией отдаленных рай­онов с помощью линии электропередач (ЛЭП) стоит дорого, достигая 5... 15 тыс. долл. США/км, в этом случае становится эффективным использование возобновляемых источников энергии [25].

Освоение солнечной энергии с целью получения электри­ческой энергии проводится по двум основным направлениям:

А) фотоэлектрической — электромагнитное излучение оп­тического диапазона Солнца превращается в электроэнергию постоянного тока (рис. 2.6).

Б) термодинамической — сконцентрированная солнечная энергия используется для получения пара, который подается на турбогенератор, вырабатывающий электроэнергию.

А. Фотоэнергетика. Фотоэлектрическое генерирование энергии обусловлено пространственным распределением но­сителей положительного и отрицательного зарядов в полу­проводниках электромагнитного излучения; в присутствии электрического поля эти заряды способны создавать элект­рический ток во внешней сети.

Приспособления на полупроводниковых переходах назы­вают фотоэлементами (ФЭ) или фотобатареями (ФБ), солнеч­ными батареями (СБ), солнечными фотоэлектрическими преоб­разователями (СФЭП).

Коэффициент полезного действия (КПД) промышленных СФЭП находится в пределах от 10 до 20 % при средних нор­мах попадания солнечного излучения. Они могут вырабаты­вать в день от 1 до 2 кВт • ч электроэнергии на 1 м² рабочей поверхности [73]. Солнечные элементы генерируют электри­ческий ток прямо пропорционально интенсивности солнеч­ного излучения.

Технология изготовления фотоэлементов совершенству­ется с каждым годом, при этом затраты на их изготовление и цена генерированной ими электроэнергии постоянно умень­шаются, а КПД увеличивается.

За последние годы достигнут значительный технический прогресс в фотоэлектрическом преобразовании солнечной энергии, что позволило значительно снизить удельные капи­таловложения в установки такого типа и себестоимость выработанной ими электроэнергии. Динамика мирового произ­водства фотобатарей по прогнозам до 2010 г. выглядит сле­дующим образом [114]:

•    на 1997 г. - 120 МВт;

•    на 2000 г. - 300 МВт;

•    на 2005 г. - 600 МВт;

•    на 2010 г. - 1750 МВт.

В Японии ежегодно выпускается до 100 миллионов кар­манных калькуляторов с электропитанием от СФЭП, общая мощность которых составляет 4,7 МВт, или 7 % их мирового производства. Особенно широкое распространение в начале 90-х годов СФЭП получили в развивающихся странах, где они применяются для освещения в качестве привода водя­ных насосов, заменяя керосиновые лампы, свинцовые акку­муляторы и дизельные двигатели [70].

Простота в обслуживании, небольшая масса, высокая на­дежность и стабильность СФЭП делают их привлекатель­ными для широкого использования. В середине 90-х годов наибольшее распространение получили СФЭП на основе монокристаллического кремния — почти половина всех вы­пущенных СФЭП; производятся также СФЭП на основе по­ликристаллического кремния [70].

В последнее время в качестве фотоэлектрических преоб­разователей солнечного излучения широко используются фо­тоэлементы из арсенида галия и других широкозонных полу­проводников; они имеют высокий КПД, достигающий в лучших образцах 15...22 %, а при использовании сложных каскадных систем на их основе — даже 27...30 % [100].

Дальнейшее повышение эффективности СФЭП связано с переходом от кремния на гетероструктуры с использованием концентраторов солнечного излучения. Фотоэлементы на осно­ве композитов аресенида галия и арсенида алюминия имеют КПД 20...22 %. При концентрации солнечного излучения кратностью 50...100 и использовании тепла, выделяющегося при этом, возможно увеличение КПД энергоустановок до 30...35% [141].

Усилия зарубежных фирм-разработчиков фотоэлектриче­ского оборудования направлены на уменьшение стоимости установленной мощности за счет:

• разработки и внедрения более эффективных технологий про­изводства полупроводникового кремния, солнечных элементов, солнечных батарей, систем аккумулирования электроэнергии;

•     наращивания более масштабного производства.

В Украине имеются мощные производители полупровод­никового кремния — завод чистых металлов в г. Светловодс-ке (Кировоградская область) и титано-магниевый комбинат в г. Запорожье. Наиболее благоприятные условия имеет Свет-ловодский завод чистых металлов, на котором осваивается производство фотоэлектрических батарей для рыночной про­дажи малыми партиями.

Кроме того, в Украине есть мощная база для производст­ва фотоэлементов — предприятие в г. Черновцы, где фото­элементы уже выпускаются малыми сериями, предприятия Министерства электронной промышленности в г. Киеве (НПО «Кристалл», НПО им. С. П. Королева) и предприятие по выпуску преобразователей в г. Запорожье (ПО «Преобра­зователь»). Прогнозные показатели эффективности СФЭП-технологий представлены в табл. 2.3.

Основным препятствием развития фотоэнергетики в Ук­раине является высокая стоимость установленной мощнос­ти СФЭС и, соответственно, генерированной электроэнер­гии. По состоянию на 1997 г. средняя стоимость установлен­ной мощности отечественных солнечных батарей в составе СФЭС приблизительно 8 грн/Вт, а стоимость генерирован­ной СФЭС электроэнергии 1 грн/кВт • ч.

Анализ выполнения заданий программы за 1998—1999 гг. показал отставание реальных объемов внедрения фотоэнер­гетического оборудования от запланированных вследствие недостаточного финансирования.

Б. Солнечные электростанции. Все солнечные электростан­ции (СЭС) создаются на основе солнечных тепловых энер­гетических установок, в которых с помощью оптических систем концентрируется солнечная энергия для нагрева ра­бочего тела до температуры, обеспечивающей эффективную работу тепловых машин.

Термодинамические солнечные электрические станции, по­лучившие наиболее широкое распространение в настоящее время, основаны на трех основных принципах [70]:

•     СЭС башенного типа (БТ) с центральным приемником-парогенератором, на поверхности которого концентриру­ется солнечное излучение от плоских зеркал-гелиостатов;

•     СЭС модульного типа (МТ), в которых в фокусе параболоцилиндрических концентраторов (ПЦК) размешаются вакуумированные приемники-трубы с теплоносителем (па­рогенератор);

•     комбинированные СЭС — солнечно-тепловые электростан­ции (СТЭС), производящие электрическую и тепловую энергию.

Электростанция того или другого типа (БТ или МТ) объ­единяется с теплоэлектроцентралью.

Максимальное количество мировых научно-исследователь­ских разработок в области термодинамических солнечных станций башенного типа приходится на 70-е и начало 80-х годов, когда в США, Италии, Испании, Японии и Фран­ции было построено шесть экспериментальных СЭС мощ­ностью от 0,5 до 10 МВт. Реализуется международный про­ект СЭС «Фобос» мощностью 30 МВт для Иордании, в кото­ром принимают участие Германия, Испания, США, Италия, Франция.

Наиболее приемлемыми в работе являются солнечные тепловые электростанции с центральным приемником, в ко­торых используется умеренное количество обычных конст­рукционных материалов, что увеличивает выход энергии в 20...60 раз. Они могут конкурировать с традиционными энергетическими установками. Компания «Luz International» за последние 10 лет построила 9 таких электростанций с ли­нейно-параболическими концентраторами общей мощно­стью 354 МВт [126].

В США, Японии, Франции, Италии, Испании с 1983 г. проводились натурные экспериментальные испытания и сравнение различных технологий термодинамического пре­образования солнечной энергии. В настоящее время по­строены такие СЭС с термодинамической схемой: «Солар-1» (Баретоу, США, 10 МВт), «Темис» (Мартисон, Франция, 2,5 МВт), «Юрелиос» (Адрино, Италия, 1 МВт), «Цеза-1» (Альмерия, Испания, 0,5 МВт), «Саншайн» (Нио, Япония, 1 МВт) [70].

С 1988 г. в США (Южная Калифорния) работают 7 СЭС модульного типа мощностью от 15 до 80 МВт, включенные в общую энергосистему общей мощностью 243,8 МВт. В 1989 г. закончено строительство первой очереди СЭС ком­бинированного типа — СТЭС мощностью 200 МВт. На 2000 г. в США запланировано 4000 МВт общей мощности СЭС [70].