Энергетические проблемы Крыма во многом определяются тем, что Крым плохо обеспечен собственными традиционными источниками энергии: извне поступает 93% электроэнергии, 52-55% природного газа, 96% жидкого топлива [1]. В Крыму почти вся электроэнергия вырабатывается тепловыми станциями. В 1986 году была построена Щелкинская атомная станция, но не была введена в строй из-за протестов общественности и серьезных доводов геологов, показавших, что в этом районе возможны сильные землетрясения. В регионе разведаны большие запасы газа на шельфе Черного и Азовского морей. Как отмечают специалисты [1], технические и экономические возможности позволяют увеличить его добычу в три раза по сравнению с современной, то есть на полуострове есть энергетические ресурсы, значительно превышающие его потребности. Вместе с тем, разведанные запасы углеводородов при сохранении существующих способов добычи и потребления могут быть исчерпаны через 40-50 лет, на длительную перспективу рассчитывать на собственный газ не следует.

Крымский регион обладает достаточно большими величинами возобновимых источников энергии: солнечной, ветровой, геотермальной, энергии биомассы (табл. 1). [2].

Таблица 1 – Потенциал возобновимых источников энергии в Крыму, МВт·ч в год [2]

Разрабатываемые и принимаемые в последние годы программы и проекты развития Крымского региона нацелены на обеспечение его устойчивого развития в будущем. [3]. Эта новая стратегия Крыма не может игнорировать и не учитывать мировые тенденции. Его топливно-энергетический комплекс должен трансформироваться в сторону уменьшения зависимости от поставок энергии извне, поэтапного, постепенного, и неукоснительного увеличения доли возобновляемой энергетики.

В настоящее время развитие возобновляемой энергетики ставит новые задачи, которые могут быть решены при помощи ГИС: выбор оптимальных территорий для размещения объектов на ВИЭ с учетом широкого спектра действующих факторов и возможных последствий (экологических, экономических, технических и социальных). При этом в качестве определяющего фактора размещения объектов необходимо считать наличие ресурсного потенциала, и только на перспективных территориях в дальнейшем целесообразно учитывать факторы (и их сочетание), препятствующие или ограничивающие строительство. Представляется, что такой анализ ограничений лучше всего проводить на региональном уровне, когда ставятся стратегические задачи регионального развития, обоснования инвестиций, поиска районов для ведения предпроектных работ, но не осуществления конкретных проектов. На стадии осуществления проектов проводятся и финансируются исследования более крупного масштаба и более дорогостоящие. Точность и применимость в дальнейшем таких оценок обусловлена правильностью выбора спектра природных, экологических и социально-экономических факторов, определяющих сооружение и работу объектов на ВИЭ. [4]

Целью данной работы является изучение потенциала территории Большой Феодосии для использования систем солнечной энергетики.

Изложение основного материала

Общая схема анализа солнечного энергетического потенциала территории представлена на рис. 1.

Рисунок 1 – Блок-схема оценки теоретического и технического потенциала территории для использования солнечных энергостанций [5]

В качестве модельной территории была выбрана территория Большой Феодосии –активно осваиваемая рекреационная зона Юго-Восточного Крыма с развивающимся виноградарством, пищевой и легкой промышленностью, табаководством, историко-культурными объектами и заповедными территориями, сохранившими первозданный ландшафт. В связи с тем, что на территории Феодосийского горсовета развиваются различные отрасли хозяйства, перед муниципалитетами и поселковыми советами ставятся задачи минимизировать отрицательное воздействие на окружающую среду, поэтому является актуальным исследование перспектив развития экологически безопасных источников энергии на данной территории. В первую очередь речь идет об обеспечении местного населения электроэнергией с использованием систем возобновляемой энергетики.

Одним из перспективнейших направлений использования солнечной энергетики является применение фотоэлектрических систем (ФЭС) – систем прямого преобразования световой энергии солнечного излучения в электричество[6]. Преимущество ФЭС прямого преобразования состоят в том, что они не имеют движущихся механических частей, не нуждаются в воде или другом теплоносителе [7]. В зависимости от конструктивного исполнения ФЭС практически не нуждаются в обслуживании [8, 9].

Для таких фотоэлектрических систем прямого преобразования проводился расчет валового и технического потенциалов использования солнечных электростанций на территории Большой Феодосии.

Первым этапом оценки солнечного энергетического потенциала территории является оценка теоретического потенциала территории – общее количество энергии, которым характеризуется каждый из источников возобновляемой энергии [10].

На основе космического снимка SRTM в программе ArcGIS при помощи функции Area Solar Radiation в инструментах Spatial Analyst были построены карты поступления солнечной радиации (рис. 2, 3) за каждый месяц с учетом среднемесячных значений общей облачности за период с 2004 г. по 2013 г. Функция Area Solar Radiation выводит поступающее солнечное излучение из поверхности растра. Выходные растры радиации всегда представлены числами с плавающей точкой и выражены в ваттах на квадратный метр (Вт/м²).

Участки, перспективные для строительства солнечных электростанций, были выбраны с учетом данных земельного кадастра территории [11].

Рисунок 2 – Поступление суммарной солнечной радиации на территорию Большой Феодосии в январе

Рисунок 3 – Поступление суммарной солнечной радиации на территорию Большой Феодосии в июле

Второй этап оценки солнечного энергетического потенциала территории заключается в оценке технического потенциала территории – часть энергии теоретического потенциала, которую можно реализовать с помощью современных технических устройств [10], установка которых лимитирована ландшафтными условиями. К таким условиям можно отнести закрытость склонов, современную систему землепользования, природоохранную, историческую, эстетическую, туристическую и рекреационную ценности территории и др. Важен учет инженерно-геологических и инженерно-геоморфологических условий строительства, а именно – инженерно-геологические свойства пород, развитие и распространение карста, наличие оползневых и селевых процессов, абразии, анализ микросейсмологических условий.

На территории Большой Феодосии сохранилось достаточно большое количество археологических памятников разных эпох. Одним из критериев выбора территории для строительства каких-либо объектов в целом является наличие и отдаленность от памятников местного и национального значения, особенно, археологических памятников. Для оценки историко-археологической ценности территории необходимо провести анализ и учет археологических памятников Юго-Восточного Крыма, их границ и охранных зон [12] (рис. 4).

Рисунок 4 – Фрагмент археологической карты Большой Феодосии

Расчет технического потенциала солнечной энергетики на выделенных участках производился в программе ArcGis 10, при помощи инструмента зональная статистика. Далее полученные данные были умножены площадь каждого участка. Площадь участков была посчитана в таблице атрибутов каждой территории.

В ходе анализа территории были выделены 5 перспективных участков для строительства солнечных электростанций, которые соответственно располагаются на территории Приморского поссовета, Береговского сельсовета г.Феодосия, Насыпновского сельсовета, Коктебельского поссовета (рис. 5).

Рисунок 5 – Территории, перспективные для строительства солнечных электростанций [13]

Полученные карты поступления солнечной радиации позволили количественно оценить максимальную мощность энергии, которую можно получить с каждой выделенной территории. Для того чтобы узнать сколько возможно получить электроэнергии с каждого участка, полученные данные были умножены на 17% – коэффициент эффективности преобразовании энергии. Взят именно такой коэффициент, так как большинство фирм крымского солнечного рынка предлагает фотоэлектрические элементы на пластинах, полученных на сравнительно дешевом «солнечном» кристаллическом кремнии, который позволяет достичь рекордного отношения коэффициент эффективности преобразовании энергии к цене [9]. Однако при использовании солнечных концентраторов и кремниевых матричных высоковольтных солнечных модулей изготавливаемых в ВИЭСХ, возможно увеличение коэффициента электрического преобразования до 25 % и более, а наряду с электроэнергией получать ещё и тёплый теплоноситель [14]. Срок номинальной мощности таких модулей увеличивается с 20-25 до 40-50 лет, потому что в качестве заполнителя используется не этиленвинилацетатная плёнка (при ламинировании модулей), а двухкомпонентный полисилоскановый компаунд (процесс герметизации) [7]. Таким образом, возможно увеличение выработки электроэнергии на единицу площади, увеличение срока службы самих модулей и получение тёплой воды для технических нужд на выходе модулей [15].

Были посчитаны площади внутри каждого населенного пункта, с целью определения самостоятельного обеспечения электроэнергией. При помощи карт поступления суммарной солнечной радиации был посчитан валовой и технический потенциал поступления электроэнергии на перспективные участки территории для строительства солнечных электростанций за каждый месяц и за год в целом.

В итоге, пересчитав полученные значения на общую площадь потенциально пригодных участков, получены значения технического потенциала мощности, которую можно достичь на территории Феодосийского горсовета, используя фотоэлектрические системы прямого преобразования.

Значения валового потенциала представлены на рис. 6. Расчет получаемой энергии на территории населенных пунктов представлен на рис. 7.

На рис. 8 приведено соотношение потребности населения Феодосийского горсовета в электроэнергии и рассчитанные данные возможной выработки электроэнергии с солнечных электростанций.

Рисунок 6 – Валовой потенциал солнечной энергетики на выделенных участках

Рисунок 7 – Технический потенциал солнечной энергетики на выделенных участках

Рисунок 8 – Соотношение потребностей в электроэнергии и потенциала территории выделенных участков в населенных пунктах Большой Феодосии по выработке электроэнергии солнечными электростанциями.

Из рис. 8 видно, что Большая Феодосия потребляет 56830.2 МВт∙ч в год, а возможная выработка электроэнергии за год солнечными электростанциями составит 8644658,8 МВт∙ч. Полученные данные дают нам основания утверждать, что при застройке выделенных территорий солнечными электростанциями территория Большой Феодосии сможет обеспечить местное население электроэнергией, так как выработка электроэнергии от солнечных электростанций намного превышает потребляемое количество электроэнергии местным населением.

Заключение

В результате проведенных исследований была проведена оценка возможности использования энергии солнца. Были выделены пять территории для постройки солнечных электростанций, которые расположены в Коктебельском, Приморском поссоветах, Насыпновском, Береговском сельсоветах и г.Феодосия, для которых был посчитан теоретический и технический потенциал поступления электроэнергии. Получаемая энергия за год на территории Коктебельского поссовета – 875069,2 МВт∙ч, Насыпновского сельсовет – 4252698,2 МВт∙ч, Береговского сельсовета – 1623404,5 МВт∙ч, Приморского поссовета – 1261466,3 МВт∙ч, г.Феодосия – 632020,6 МВт∙ч. Таким образом, при использовании систем солнечной энергетики можно полностью обеспечить потребности населения Большой Феодосии в электроэнергии.

Поэтому, не смотря на имеющиеся преимущества ITO, постоянно ведутся работы по поиску альтернатив. Так, например, довольно-таки часто используется оксид олова, легированный фтором (FTO). По последним данным физикам удалось достичь сопротивления 4.3 * 10^-4 Ом/см и прозрачности, равной 86%. Также в качестве альтернативы может быть использован оксид олова, легированный сурьмой (ATO), обладающий сопротивлением, равным 28010^-4 Ом/см [2]. Помимо уже обозначенных материалов могут быть использованы оксид цинка (AZO), легированный алюминием, или оксид цинка, легированный галлием (GZO) [3]. Несмотря на ощутимые достоинства последних (чуть большее сопротивление сопротивление и проводимость), они обладают рядом неприятных недостатков, таких как высокая чувствительность к кислороду и невозможность их нанесения на большие подложки.

Активно ведутся поиски органического материала, обладающего схожими с ITO свойствами. В качестве альтернативы называют соединения на основе графена, а также такие сети органических полимеров, как PEDOT (3,4-этилендиокситиофен).

Несмотря на все преимущества ITO, в качестве прозрачного проводящего покрытия для солнечных элементов на основе гибридных органо-неорганических перовскитов будут использоваться покрытия на основе оксида олова, легированного фтором FTO с целью уменьшения стоимости конечного устройства. В рамках данной работы оптимальными будут считаться те параметры FTO, которые будут иметь следующие значения (таблица 1).

Таблица 1 – Оптимальные параметры подложек с покрытием FTO

Существует несколько способов нанесения ППП на стеклянные подложки.  Среди них химическое осаждение металлорганических паров (MOCVD), лучевое осаждение металлорганического пучка (MBE), осаждение раствора, спрей-пиролиз, золь-гель метод, распыление через ультразвуковое сопло и импульсное лазерное осаждение (PLAD или PLD).

В сравнении с остальными методами золь-гель метод является наиболее привлекательным для получения прозрачных проводящих покрытий, поскольку является дешевым, простым в освоении и не токсичным. Данный метод позволяет наносить покрытия на подложки любого размера при комнатной температуре. Более того, за счет простоты организации производства возможно постоянно изменять свойства конечного раствора за счет изменения концентрации вводимых компонентов, что в конечном счете позволяет получать растворы, обладающие различными свойствами. Как правило, полученные в результате дальнейшей сушки пленки обладают одинаковыми свойствами. Таким образом, золь-гель метод может лечь в основу серийного производства. К тому же, данная технология хорошо изучена и активно применяется на кафедре «Нано- и микроэлектроника» Пензенского Государственного Университета.

Для получения прозрачного проводящего покрытия FTO на стеклянных подложках использовалось следующее оборудование кафедры: вытяжной шкаф и дозатор Proline, приобретенные в рамках программы У.М.Н.И.К. – 2010 И.А. Прониным, проект – «Разработка методики получения пористой матрицы на основе ортокремневой кислоты в качестве контейнера для полупроводниковой массы чувствительного элемента газового сенсора».

Очистка стеклянных подложек осуществлялась по используемой на кафедре «Нано- и микроэлектроника» технологии, в основе которой лежит проверка на смачиваемость. Результат считался хорошим, если пленка полностью смачивала поверхность подложки после ее погружения в раствор золя. Используемая технология очистки представлена ниже:

1. Проверка на наличие видимых дефектов (трещины, сколы, шероховатости). При их обнаружении экземпляр отбраковывался.

2. Проверка на наличие загрязнений (грязь, пыль, отпечатки пальцев и так далее). При их обнаружении проводилась механическая очистка батистовой салфеткой, смоченной в этаноле.

3. Обработка стеклянных подложек в ультразвуковой ванне УЗВ-4/150- МП, наполненной ацетоном в течение 15-20 минут. Уровень наполненности ванны ацетоном определяется количеством подложек.

4. Обработка стеклянных подложек в ультразвуковой ванне УЗВ-4/150- МП, наполненной жидким стеклоочистителем («Мастер блеск» (состав: изопропиловый спирт, этиленгликоль, сульфоэтоксилат натрия и др.)) в течение 15-20 минут.

5. Обработка стеклянных подложек в ультразвуковой ванне УЗВ-4/150- МП, наполненной дистиллированной водой в течение 15-20 минут.

6. Повторная обработка стеклянных подложек в ультразвуковой ванне УЗВ-4/150- МП, наполненной дистиллированной водой в течение 5-7 минут.

7. Сушка подложек в течение 20-30 минут.

Для получения раствора золя, в который впоследствии погружались стеклянные подложки с целью формирования на них тонкого слоя FTO, могут использоваться следующие химические вещества:

• Дистиллированная вода (H₂O)
• Соляная кислота 5% (HCl)
• Тетроэтоксилан (Si(C₂H₅)₄O₄)
• Триэтилфторсилан (Si(C₂H₅O)₃F)
• Олова хлорид дигидрат (SnCl₂2H₂O)
• Плавиковая кислота 40% (HF)
• Изопропиловый спирт 99.8% (CH₃CH(OH)CH₃)

На первом этапе формирования раствора золя производится взвешивание твердых прекурсоров (олова хлорид дигидрат (SnCl₂2H₂O)) на весах с ценой деления, равной 0.1 мг. Необходимое количество вещества помещается в рабочий объем, где растворяется в изопропиловом спирте. Параллельно с этим во второй пробирке производится смешивание триэтилфторсилана (Si(C₂H₅O)₃F), дистиллированной воды (H₂O) и плавиковой кислоты 40% (HF). После чего обе пробирки на два часа ставятся в держатель пробирок в вытяжной шкаф [4].

На втором этапе производится перемешивание полученных ранее растворов в объеме магнитной мешалки в течение 1 часа. Для ускорения процесса гомогенизации в итоговый раствор может быть добавлено несколько капель соляной кислоты 5% (HCl) [9].

На третьем этапе начинается погружение стеклянных подложек в раствор золя с их последующей сушкой горячим воздухом с целью формирования на их поверхности прозрачного проводящего покрытия FTO (рисунок 1).

Рисунок 1. Фотография образцов стеклянных подложек с нанесенным на них покрытием FTO

Исследование полученных образцов c нанесенными на них ППП FTO проводилось с помощью сканирующего электронного микроскопа Vega3 Tescan. На рисунке 2 представлено SEM – изображение, полученное с помощью данного микроскопа. Хорошо видно, что полученные покрытия являются плотными и равномерными по толщине.

Рисунок 2. SEM – изображение образцов с нанесенным на них FTO

• Диоксид титана (TiO2);
  
• Оксид Олова IV (SnO2);
  
• Оксид Меди (Cu2O);
  
• Оксид цинка (ZnO);
• Оксид Индия (In2O3).

Согласно [1] наиболее предпочтительным является оксид индия, однако, его высокая стоимость, как и в случае с ППП на основе ITO, накладывает определенные ограничения и существенно увеличивает цену конечного продукта, поэтому от данного типа металлооксида пришлось отказаться. Все прочие кроме диоксида титана не демонстрируют необходимой эффективности энергопреобразования [2] [3], поэтому в качестве основных материалов для формирования слоя металлооксида использоваться не могут. Таким образом, в данной работе был сделан выбор в пользу изготовления солнечных элементов на основе гибридных органо-неорганических перовскитов с использованием диоксида титана.

Существует несколько способов формирования слоя диоксида титана на поверхности прозрачного проводящего покрытия FTO на стеклянной подложке. Среди них электрохимическое анодирование, низкотемпературное газовое осаждение, спрей-пиролиз, золь-гель и так называемый роллерный метод [4].

Поскольку нанесение металлооксидных пленок методом спрей-пиролиза уже разрабатывается и используется в рамках другого проекта – победителя У.М.Н.И.К – «Разработка технологии получения металлооксидных пленок для сенсибилизированных красителем солнечных элементов» за авторством С.В. Ракши – данный способ рассматриваться не будет.

Электрохимическое осаждение и низкотемпературное газовое осаждение являются дорогими и ресурсоемкими методами [5]. Сюда же можно отнести золь-гель метод, который в данном случае не требует целой системы поддержания постоянной температуры в течение нескольких суток. [6].

Таким образом, для получения металлооксидных пленок будет использоваться роллерный метод, который представляет собой нанесение пасты диоксида титана с помощью стеклянного стержня. Для реализации подобного подхода понадобятся следующие химические вещества и оборудование:

• Кристаллический диоксид титана (TiO₂)
  
• Уксусная кислота (CH₃CO₂H)
  
• Этанол 95% (С₂H₅OH)
  
• Triton X-100 (C₁₄H₂₂O(C₂H₄O)_n)
  
• Скотч
  
• Электрическая плитка
  
• Ступка и пестик
• Шприц без иглы

Методика получения металлооксидных пленок с помощью роллерного метода состоит из следующих этапов:

1. Подготовить поверхности подложек (см. п. 2.1)
   
2. Размолоть необходимое количество диоксида титана в ступке. В полученную пыль добавить несколько капель уксусной кислоты до образования коллоидной суспензии гладкой консистенции.
   
3. Добавить некоторое количество Triton X-100 и снова перемешать.
4. Полученную пасту необходимо поместить в объем шприца и нанести на закрепленную на твердой поверхности скотчем стеклянную подложку (рисунок 1).

Рисунок 1. нанесение пасты на поверхность стеклянной подложки FTO

1. Аккуратно удалить скотч и поместить стеклянную подложку на электрическую плитку на 20 минут при температуре 80 градусов. В некоторых случаях стекло может треснуть. Данные образцы отбраковываются.
2. Позволить полученным образцам (рисунок 2) остыть.

Рисунок 2. Фотография образца стеклянных подложек с нанесенным на него металлооксидом диоксида титана

Исследование данного образца c нанесенным на него металлооксидом проводилось с помощью сканирующего электронного микроскопа Vega3 Tescan. На рисунках 3 и 4 представлены SEM – изображения, полученные с помощью данного микроскопа. Хорошо видно, что полученные покрытия обладают правильной поверхностной морфологией, что соотносится с исследованиями [2] и [6].

Рисунок 3. SEM – изображение образца с нанесенным на него слоем металлооксида диоксида титана (50 мкм)

.

Рисунок 4. SEM – изображение образца с нанесенным на него слоем металлооксида диоксида титана (5 мкм)