Солнечная фотовольтаика. Окружающая среда и безопасность ФВ систем
Каталог первых двух разделов
Раздел 3. Солнечная фотовольтаика
1. Введение
2. Понятие «фотовольтаика»
3. Кремниевые солнечные ячейки: основные принципы
4. Конструкции солнечных ячеек. Монокристаллические ячейки кремния
5. Поликристаллический кремний
6. Арсенид галлия
7. Тонкие модули солнечных батарей
7.1. Аморфный кремний
7.2. Полупроводниковые ячейки с CuInSe2, CIGS и CdTe
8. Мультипереходные солнечные батареи
9. Концентрационные ФВ системы
10. Кремниевые сферы
11. Фотоэлектрохимические ячейки
12. «Третье поколение» ФВ ячеек
13. Электрические характеристики кремниевых ФВ ячеек и модулей
14. Конструкции солнечных ячеек. Системы ФВ для отдаленного питания (изолированные)
15. Соединенные с сетями ФВ системы
15.1. Бытовые ФВ системы
15.2. Системы ФВ для нежилых зданий
15.3. Крупные, интегрированные с сетями солнечные поля
15.4. Спутниковая Система Солнечной Энергетики
16. Стоимость фотовольтаической энергии (анализ на 2003 год)
17. Влияние на окружающую среду и безопасность производства солнечных модулей
Влияние на окружающую среду фотоэлектрических систем очевидно ниже, чем любых других систем производства возобновляемого или невозобновляемого электричества. В стандартных условиях фотоэлектрические системы не испускают никаких газообразных или жидких загрязняющих агентов, никаких радиоактивных субстанций. Однако, в случае с использованием в СНГ модулей CdTe, которые содержат очень незначительные количества ядовитых субстанций, есть небольшой риск при пожаре выброса ядовитых химикатов в окружающую среду.
Фотоэлектрические модули не имеют никаких двигающихся частей, так что они также безопасны в механическом смысле, и они не испускают никакого шума. Однако, как и с другой электроаппаратурой, есть некоторые риски удара от электрическим током - особенно в больших системах, действующих с напряжением существенно выше, чем 12-48 V, которое используется в самых маленьких установках Фотоэлектрических систем. Но самые большие риски неудачно сконструированных фотоэлектрических систем меньше, чем в сопоставимых по напряжению электрических установках другого принципа.
Модули солнечных батарей не всем по вкусу с эстетической точки зрения. Возможно, соседи из домов, откуда они будут видны, не сочтут их привлекательными. Поэтому несколько компаний произвели специальные модули в форме плиток для крыш, которые похожи на обычные кровельные структуры и более незаметны, чем обычные солнечные батареи.
см. Французский шифер, или 100 млн новых электростанций в США
Как уже было упомянуто, модули солнечных батарей на зданиях не требуют никакой дополнительной земли, но большие по площади мультимегаваттные модули устанавливаются на специально предназначенной для этого земле, что влечет за собой некоторое визуальное напряжение для тех, кому не нравится внешний вид солнечных модулей. Одно исследование (Gаgnon и другие., 2002) позволило рассчитать требование по площади для подобных наземных установок - это 45 км2 для производства фотоэлектричества TВт•час за год, но это подразумевает большую энергетической установку, солнечное поле. В некоторых странах, например, в Швейцария, власти устанавливают большие фотоэлектрические модули как шумовые барьеры вдоль автострад и железных дорог. Возможно эти солнечные модули снижают неблагоприятное влияние на окружающую среду за счет механического экранирования.
Влияние на окружающую среду производства кремниевых ячеек несущественно, также маловероятны несчастные случаи на производстве при их изготовлении. Основной материал, из которого делают большинство ячеек солнечных батарей - кремний - не вреден даже при попадании внутрь организма. Однако, небольшие количество ядохимикатов все же используется в производстве некоторых фотоэлектрических модулей. Например, кадмий, который используется в производстве модулей из теллурида кадмия. Небольшие количества кадмия в настоящее время также используются при производстве CIS и CIGS модулей - хотя уже есть новые технологии, которые позволяют этого избежать.
Как при любом химическом процессе, нужно проявлять осторожность при планировании производственных процессов, чтобы гарантировать изоляцию любых вредных химреактивов и предотвратить несчастные случаи или аварийные ситуации на заводе. Даже если солнечные фотоэлектрические поля - потенциально долговечные устройства, в конечном счете они прибудут к концу срока полезной службы и предпочтительно будет подвергнуть их переработке на вторсырье. Некоторые изготовители уже перерабатывают вторичное сырье модулей фотоэлектрических систем, и, выполняя правила ЕС, готовят модули для переработки.
18. Энергетический баланс ФВ систем
Всеобщее заблуждение о ячейках фотоэлектрических систем - это что на их производство используется больше энергии, чем генерируют в течение всей продолжительности их жизни. Это, возможно, было верно на ранних стадиях производства фотоэлектрических систем, когда очистка монокристаллического кремния и процесс Czoхrаlski требовали много энергией, а эффективность производимых ячеек была относительно низкой, приводя к низкому выпуску энергии за все время полезной эксплуатации ячеек.
Однако, при современных способах производства, используемых в последние годы, и с повышением эффективности модулей, сальдо энергии фотоэлектрических систем стало положительным. Недавнее исследования (Alsemа и Niewlааr, 2000) позволили рассчитать время окупаемости энергии для модулей фотоэлектрических систем (учитывая сроки эксплуатации и стоимость крепежных и поддерживающих структур) - оно между 2 и 5 годами в европейских условиях, а будущие усовершенствования должны сократить эти сроки до 1,5-2 лет. Использование материалов с низкоконцентрированной энергией (как, например, древесина) в поддерживающих структурах модулей может улучшить окупаемость энергии фотоэлектрических систем.
19. Интеграция ФВ систем
Фотоэлектрические системы могут повышать рентабельность глобальной выработки электроэнергии, но при развитии национальных программ поддержки. Этим они отличаются от невоспроизводимых источников энергии. Программы поддержки солнечной энергетики есть долго-, средне- и краткосрочные, а также с разной поддержкой государством производства солнечных батарей. В Великобритании большинство солнечных батарей производится летом, когда спрос на электроэнергию относительно низкий (а процесс энергоемкий!); намного меньше производят зимой, когда спрос высок. И хотя солнечные батареи весьма надежны и производят энергию в дневные часы в климате с ясным небом, их работа может быть чрезвычайно ненадежной в странах с высокой облачностью.
Но перебои в выработке солнечной энергии не сильно влияют на общую передачу энергии в сеть (большинство исследований называют цифру от 10 до 20%), и это не главная проблема. Сеть проектируется так, чтобы покрыть колебания из-за работы солнечных батарей. Эти колебания рассматриваются как эквивалент «отрицательной нагрузки» на сеть. Должна быть техническая возможность существенно сглаживать такие колебания, чтобы станции по производству фотоэлектричества можно было размещать в регионах, подверженных изменениям погоды и солнечного освещения в частности.
Однако, если станции по производству солнечной электроэнергии и других колеблющихся возобновляемых источников энергии, например, использующих энергию ветра, внесут вклад более 20% в общую выработку электроэнергии, и при этом будет использован «генерирующий микс» по снабжению электросети, можно будет заменить часть станций по выработке энергии на станции быстрого «ответа» (например, на гидро- или газовые турбины) и увеличить количество установок краткосрочного хранения энергии (увеличить «спиннинг резерв»).
Эти соображения высказывают некоторые аналитики. Они считают, что так можно поступить, чтобы обойтись без больших емкостей дешевого хранения электроэнергии, и до момента, пока неустойчивые возобновляемые источники энергии (такие как фотовольтаические) не смогут вносить главный вклад в производство электроэнергии. Либо нужно совершенствовать способы дешевого хранения энергии в больших количествах.
Это одна из главных причин для недавнего возрождения интереса к использованию водорода как средства для хранения и распределения энергии. Водород производился бы электролизом воды, используя электроэнергию от солнечных батарей или другого возобновляемого источника энергии. Водород был бы сохранен и доставлен в нужное место, а затем при необходимости снова превращен в электроэнергию в топливных ячейках.
Этот солнечный дом во Фрайбурге, южная Германия, не соединен с сетью. Модули солнечных батарей на крыше обеспечивают все потребности здания в электроэнергии. Когда фотоэлектричество доступно, но не расходуется, оно используется для производства водорода, которым заполнен большом резервуаре в саду. Когда есть дефицит фотоэлектричества, сохраненный водород используется, чтобы производить электричество посредством топливной ячейки, которая также производит горячую воду. Дом имеет очень высокий уровень инсоляции, так что его потребности в обогреве минимальны. Дом был сконструирован как прототип в 1990-х и сейчас используется в качестве лаборатории.
В следующий раз обсудим ресурсы и мировой рынок ФВ
Также рекомендую: Перспективы развития возобновляемой энергетики
.