Lcoi reviews 2012 05 by Mykola Shestavin

LCOI-Reviews LOW-CARBON OPEN INNOVATION REVIEWS ОГЛЯДИ НИЗЬКО-ВУГЛЕЦЕВИХ ВІДКРИТИХ ІННОВАЦІЙ ОБОЗРЕНИЯ НИЗКО-УГЛЕРОДНЫХ ОТКРЫТЫХ ИННОВАЦИЙ

No. 05, 30.05.2012

Збірка наукових праць видається Донецьким національним університетом (Донецьк, Україна) за проектом „Низько-вуглецеві можливості для індустріальних регіонів України”, що фінансується Європейським Союзом за Тематичною програмою для довкілля та сталого управління природними ресурсами, зокрема енергією

Проект фінансується Європейським Союзом

Проект реалізується Донецьким національним університетом, Україна

LCOI-Reviews

LOW-CARBON OPEN INNOVATION REVIEWS ОГЛЯДИ НИЗЬКО-ВУГЛЕЦЕВИХ ВІДКРИТИХ ІННОВАЦІЙ ОБОЗРЕНИЯ НИЗКО-УГЛЕРОДНЫХ ОТКРЫТЫХ ИННОВАЦИЙ N o . 0 5, 3 0 . 0 5 . 2 0 1 2 Збірка наукових праць видається Донецьким національним університетом (Донецьк, Україна) за проектом „Низько-вуглецеві можливості для індустріальних регіонів України”, що фінансується Європейським Союзом за Тематичною програмою для довкілля та сталого управління природними ресурсами, зокрема енергією

Обозрения технических аспектов реализации технологий ЧУТ и УХУ, серия 2 Reviews of Technical Aspects of the Implementation of CCT and CC S, Series 2 Донецк - 2012

Проект фінансується Європейським Союзом

Проект реалізується Донецьким національним університетом, Україна

УДК 504.062.2, 504.062.4, 504.7 ББК 20.1, 20.3 С 232 Обозрения технических аспектов реализации технологий ЧУТ и УХУ, серия 2 - Reviews of Technical Aspects of the Implementation of CCT and CCS, Series 2 / Под общ. ред. С. В. Беспаловой и Н. С. Шеставина // LCOI-Reviews, No. 05, 30.05.2012. – Донецк: ДонНУ, 2012. – 88 с. Сборник содержит обозрения технических аспектов реализации чистых угольных технологий и технологий улавливания и хранения углерода с целью смягчения последствий изменения климата. Обозрения подготовлены для проекта «Низко-углеродные возможности для индустриальных регионов Украины», который финансируется Европейским Союзом. В этой серии рассмотрены особенности внедрения на территории Украины солнечной и ветровой энергетики, а также гибридных систем возобновляемых источников энергии. Сборник предназначен для научных и инженерно-технических работников, преподавателей высших учебных заведений, аспирантов и студентов естественнонаучных и экономических специальностей.

Редакционная коллегия: д.ф.-м.н., проф. Беспалова С.В. (отв. редактор), д.т.н., проф. Семко А.Н. (зам. отв. редактора), к.т.н. Шеставин Н.С. (отв. секретарь), д.т.н., проф. Недопекин Ф.В., к.т.н., с.н.с. Бескровная М.В., к.б.н., доц. Сафонов А.И., к.т.н. Казак О.В. Компьютерная верстка: вед. инж. Рева Е.В.

Адрес редакции: 83050, г. Донецк, ул. Щорса, 46/616, Донецкий национальный университет, Биологический факультат, Центр передачи низко-углеродных открытых инноваций, Web: www.lcoir-ua.eu , E-mail: lcoir@ukr.net

Мнения, отраженные в этой публикации, не обязательно совпадают с взглядами Европейской Комиссии и Правительства Украины

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

СОДЕРЖАНИЕ Chebotova O.M., Shestavin M.S., Yurchenko V.V. PROSPECTS for DEVELOPMENT of SOLAR and WIND ENERGY in UKRAINE Introduction 1. Prospects of wind energy development in Ukraine 2. Prospects for the development of solar energy in Ukraine 3. Prospects of energy development based on heat environment 4. Methods for CO2 capture from the air 5. Device for capture pollutants and carbon dioxide at the crossroads of the city streets to clean the air from car exhaust

4 4 7 9 11 18 23

Чертопалов С.В. СТРУКТУРА И ВИДЫ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Введение 1. Солнечное излучение: Солнце как источник энергии 2. Классификация солнечных элементов 3. Идеальная эффективность преобразования 4. Полимер-фуллереновые солнечные элементы 5. Солнечные элементы, сенсибилизированные красителем 6. Гибридные солнечные элементы Литература

30 30 31 34 37 41 49 50 53

Оверко В.С. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ВЕТРОВОЙ ЭНЕРГЕТИКИ В УКРАИНЕ Введение 1. Тенденции мировой ветроэнергетики 2. Ветровой потенциал Украины 3. Динамика роста ветроэнергетических мощностей Украины в 2011 году 4. Экологический эффект использования ветроэнергетики 5. Существующие барьеры развитию ветроэнергетики в Украине 6. Производство современных ветроэнергетических установок в Украине 7. Изменения в законодательстве Украины 8. Мероприятия, направленные на популяризацию ветроэнергетики 9. Новые ветроэнергетические проекты 10. Прогнозы развития ветроэнергетики Украины 11. Малая ветроэнергетика 12. Оценка среднегодовой выработки электроэнергии ветроэлектростанциями Литература

57 57 60 64 68 69 71 71 72 75 76 77 78 78 81

ANNEX A: GENERAL INFORMATION ABOUT A PROJECT “LOW-CARBON OPPORTUNITIES FOR INDUSTRIAL REGIONS OF UKRAINE (LCOIR-UA)”

ДОДАТОК Б: ЗАГАЛЬНА ІНФОРМАЦІЯ ПРО ПРОЕКТ «НИЗЬКО-ВУГЛЕЦЕВІ МОЖЛИВОСТІ ДЛЯ ІНДУСТРІАЛЬНИХ РЕГІОНІВ УКРАЇНИ (LCOIR-UA)»

ПРИЛОЖЕНИЕ В: ОБЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ПРОЕКТЕ «НИЗКО-УГЛЕРОДНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ДЛЯ ИНДУСТРИАЛЬНЫХ РЕГИОНОВ УКРАИНЫ (LCOIR-UA)»

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

PROSPECTS for DEVELOPMENT of SOLAR and WIND ENERGY in UKRAINE O.M. Chebotova, M.S. Shestavin, V.V.Yurchenko Donetsk National University Donetsk, Ukraine Introduction As can be seen from the analysis of possible ways to reduce greenhouse gas emissions in different sectors 1 wide implementation of Renewable Energy Sources (RES) in the national energy sector by 2050 will provide a 21% contribution to the overall reduction in CO2 emissions from 62 Gt to 14 Gt. RES will only make this significant contribution to mitigating climate change when the incentives for their widespread use to generate electricity and provide heating are created. The current share of renewable energy in the world is very small 2 , as shown in Figure 1, representing the share of primary energy sources in the world production of electricity in 2008.

Figure 1: Share of primary sources of energy in the global energy production in 2008 However, the successful integration of RES with existing energy systems was achieved in recent years in some countries, including:  Brazil, with more than 50% of transport fuel, which is produced from sugar cane and 80% of its electricity from hydropower;  China, which has two-thirds of the world's total solar water heaters; 1

Energy Technology Perspectives 2008: Scenarios and Strategies to 2050. - International Energy Agency, 2008. - 646 pp. 2 Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation. - IPCC, 2011 - Ottmar Edenhofer, Ramón PichsMadruga, Youba Sokona, Kristin Seyboth, Patrick Matschoss, Susanne Kadner, Timm Zwickel, Patrick Eickemeier, Gerrit Hansen, Steffen Schloemer, Christoph von Stechow (Eds.). - Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 1075 pp. 4

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

  

In Denmark approximately 20% (7180 GWh) of the total electricity generated in 2009 was derived from wind turbines; Spain, where since 2000 in Barcelona, solar thermal power plant supplies 40% of electricity for all new buildings in the region, as well as; New Zealand and Iceland, the energy system has been formed during the recent decades, in which most of the electricity comes from hydro and geothermal power plants.

In Ukraine, in 2010, the main source of electricity was nuclear power plants (47%), coal-fired thermal power stations (36%), gas-fired combined heat and power plants (10%) and hydropower stations (7%), while the share of RES is about 0.2% (Figure 2), which is significantly less compared to the world average index.

Figure 2: Share of various energy sources in Ukraine in 2010

Figure 3: Forecast of various energy sources in Ukraine by 2030

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

The Energy Strategy of Ukraine till 2030 provides for an intensive development of renewable energy sources (Figure 3) by stimulating the production of electricity from renewable energy sources through introducing a “green tariff”, which is effective from 1 April 2013 according to the Law of Ukraine “On amendments to the Law of Ukraine “On Electric Power Industry” to stimulate the production of electricity from alternative energy sources” 3 . Development of RES in Ukraine in the long term perspective should be based on economic competition with traditional sources with account of potential benefits of renewable energy. Currently, the cost of renewable energy generation is much higher than one of conventional generation. Therefore, the development of RES requires the use of support mechanisms and incentives (“green tariff”). It is however expected that the cost of construction of facilities for renewable energy generation will decrease, and provided a quantum leap in technology development, total cost of RES generation (including depreciation and return on invested capital) would be equal to the cost of conventional generation or reach its lowest level. Given the projected decline in the cost of facilities for RES generation and potential benefits for Ukraine from the development of the industry, the target total power of alternative and renewable energy by 2030 will be at least 10% of the installed capacity, or 5-7 GW, while the volume of production will total 11-16 TWh. These figures may increase in case of quantum leap in development of technologies for construction of RES objects, and due to significant reduction in the total cost of RES generation to the level of conventional generation cost. Wind power is considered to be the basis for the development of RES in Ukraine in the forecasted period. The ratio of the share of each type of renewable generation in the total volume can vary with changes in capital costs of their building. Today, the development of renewable energy generation in Ukraine is promoted by “green tariff”, which provides cost-effective production of electricity from non-conventional and renewable sources. Today, the rates of “green tariff” in Ukraine are sufficient to provide the required return on investments in renewable energy generation facilities. Reduction of “green tariff” coefficients envisaged in the Law corresponds to current forecasts on reducing the cost of construction of facilities for RES generation. The significant increase in generation of RES may request a review of the mechanism of distribution (between participants - generating companies and companies owning electrical supply networks) of costs of the renovation and construction of transmission and distribution networks required to connect the RES power stations to the energy system. At the same time, increasing amounts of renewable energy will require modernization of networks to switch to the so-called “smart grids”. According to the scenario of growth of electricity production based on renewable energy sources, operator of the regional power system must ensure the daily load with account of the most efficient and safe use of all types of generation. Based on this scenario, the use of consumer-controllers based on heat pumps, thermal storages and similar technologies could serve as an effective mechanism for regulating the power renewable energy sources (i.e. wind and solar power stations). 3

Law of Ukraine “On Amendments to the Law of Ukraine “On electric power industry” to stimulate the production of electricity from alternative energy sources” No. 5485-VI dated 20.10.2012 (in Ukrainian). – http://www.rada.gov.ua 6

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

More detailed reviews of the current state of the major renewable energy technologies are available in three LCOI-Reviews: “Wind Energy of Ukraine” (24 pages, 8 figures and 27 sources), “The structure and types of solar cells” (29 pages, 25 figures and 91 source) and “Hybrid solar and wind power plants” (32 pages, 18 figures and 48 sources) which are in uploaded as e-books at the project website. 1. Prospects of wind energy development in Ukraine Ukraine has a great potential for wind power development. The most promising for its development are the southern and south-eastern regions of the country, where the average wind speed is more than 5 m/s (Figure 4). However, this potential is not currently used. Ukraine lags far behind the global trends.

Figure 4: Distribution of average wind velocities at the territory of Ukraine 4 In 2009, Ukraine had 12 state-owned wind power plants (WPP) with a total installed capacity of 94 MW, representing only 0.2% of the total generating capacities of Ukraine. WES equipment does not meet modern standards of efficiency, because most of it was produced using old technologies of 80es. Another reason for the low level of installed capacity is the fact that until 2009, when “green tariff” was introduced, there were no incentives for potential investors. The potential for development of wind power in Ukraine, according to various estimates, could reach 10-15 GW. However, the construction of such number of wind turbines requires significant investments – over 200 billion UAH, which can not be attracted in the current situation. Based on the experience of the majority of European countries in RES introduction, the target level of installed capacity of wind farms in Ukraine until 2030 will total 3-4 GW, and electricity production will total 7-9 TWh.

3TIER – Renewable Energy Risk Analysis. – http://www.3tier.com 7

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

The significant growth of these indices during the same period was only demonstrated by those countries which strategic priority was active RES development and where the level of subsidies in the sector was extremely high. It is not possible to provide similar amounts of public subsidies to this sector in Ukraine in the near future, so it is necessary to introduce effective mechanisms to encourage investment in wind energy development in Ukraine.

Natural wind potential 2 kWh/m per year

Average wind speed (at height of 10 m)

Technically achievable wind potential 2 kWh/m per year

V<4,5 m/s V=4,5 m/s V=5,0 m/s

Specific indicators of wind energy potential at different heights

V=5,0 m/s

Figure 5: Wind energy potential in Ukraine 5 Wind power is distributed unequally across Ukraine (Figure 5). In the south wind potential is much higher than in the north. The average wind speed in the surface layer on the territory of Ukraine is quite low â&#x20AC;&#x201C; 4.3 m/s. Many wind generators start producing industrial current starting with the wind speed of 5 m/s. Given the fact that they can use wind power at the height of up to 50 m (at certain heights from the surface wind speed increases), the energy potential of the territory of Ukraine is huge amounting to 330 billion kW and exceeding the installed capacity of Ukrainian electrical power stations 6000 times. Wind conditions of a certain area are defined by the wind energy inventory, which includes various indices of wind speed based on the results of many years of observations: annual and monthly mean wind speeds, wind direction frequency rate during the year, month, day. With the reduction of influence of warm and humid Atlantic air masses that come to Ukraine from the north-west, there is a strengthening of continental climate, which generates favorable conditions for the development of wind energy. The wind power potential of the southern and south-eastern areas is also affected by the vigorous movement of air masses from the Black and Azov seas, and besides - the formation of local winds - in the coastal zone of the seas. The mountain territories of Ukraine, characterized by high wind speeds, should be considered separately. 5

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

The most favorable land territories for wind energy use are Crimea, Carpathian Mountains (Lviv, Ivano-Frankivsk, Transcarpathian and Chernovtsy oblasts), the Black Sea and the Azov Sea coast (Odessa, Mykolaiv, Kherson, Zaporizhzhya and Donetsk oblasts), and Luhansk oblast. Area of land, suitable for construction of wind power facilities is estimated at 8 - 9 thous. sq. km. Using 20-30% of these areas and provided that density of the wind farm construction 5-8 MW / sq.km, it is possible to build 8-24 thous. MW and generate 16-48 billion kWh of electricity per year. 2011 was quite successful for the wind energy sector in Ukraine. This year will go down in history as the year of the first private projects of industrial wind power stations (WPS) in Ukraine. Also for the first time in Ukraine there were established modern wind turbines of a megawatt class. The main catalyst for the development of wind power in Ukraine is the “green” tariff for the sale of electricity generated by wind power, operating in the country since 2009. In 2011, for the first time Ukraine was included in the rating the attractiveness of countries in terms of renewable energy, ranking 32th. The indices are calculated by Ernst and Young for 40 countries. Leaders of the ratings are China, the U.S. and Germany. Ernst and Young specialists have identified Ukraine as a country, which, after the introduction of the “green tariff” in 2009, has shown a steady growth of projects in the field of renewable energy. Commissioning of the megawatt-class wind turbines opens up new horizons for the development of Ukrainian wind sector, changing the previously adopted ideology, shifting the focus from “the number of installed wind turbines” to “efficiency of a wind turbine and power generation due to the wind”. Entry into Ukraine of international manufacturers of modern wind turbines, such as Vestas, Siemens, GE Wind, Gamesa, Fuhrlander will create a healthy competition at the market and thus attract greater interest to the national wind energy sector from investors. 2. Prospects for the development of solar energy in Ukraine As the result of processing of long-term statistical weather data of solar radiation, specific energy values for solar energy were identified and the energy potential of solar radiation for each of the regions of Ukraine was distributed. Annual average solar radiation coming to 1 m2 of Ukraine’s territory ranges from 1070 kWh/m2 in the northern Ukraine up to 1400 kWh/m2 and higher in Crimea (Figure 6-7). Solar energy potential in Ukraine is high enough for widespread introduction of heat- energy, and photo-energy equipment in practically all areas. Term of efficient operation of solar-energy equipment is 7 months in the southern regions of Ukraine (from April to October), and five months in the northern regions (from May to September). Photo-power equipment can be operated effectively throughout the year. In the climatic and meteorological conditions of the Ukraine, flat solar collectors, which use both direct and diffuse solar radiation, can be effectively used. Concentrating solar collectors can be quite effective only in the southern regions of Ukraine. Good standard of equipment for solar thermal power plants which is ready for series production in Ukraine shows that for large-scale introduction and obtaining of significant savings in fuel and energy resources it is necessary only to increase the interest of manufacturers in producing large quantities of this equipment. Conversion of solar energy into electrical one in Ukraine should be focused primarily on the use of photovoltaic devices. The presence of significant stocks of raw materials, industrial, scientific and technical basis for manufacturing of photovoltaic devices can provide not only the needs of domestic consumers, but also produce more than two-thirds of the products for export.

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

Figure 6: Global irradiation and solar electricity potential for Ukraine 6 Energy indicators shown at Figure 7 for solar radiation are basic for implementation of solar energy equipment, and are recommended to be used by designers of solar energy facilities for choosing the type of equipment (thermal and photovoltaic solar installations) and assessing their optimal power and efficient operation period in particular area. Solar energy coming annually to the territory of Ukraine makes about 1.2 MWh/m2, and only less than 1% of this energy belongs to the resources that are economically expedient for use. According to a study, the possible economic potential for solar power generation in Ukraine is about 4 GW. Taking into account the experience of the European countries with similar levels of solar radiation in implementation of solar power stations (SPS), and given the reduction in the cost of construction of SPS due to the development of technologies, the target level of installed capacity of Ukrainian SPS by 2030 will be 1.5-2, 5 GW and the level of their productivity â&#x20AC;&#x201C; up to 2-3,3 TWh per year at the expense of significant drop in the cost of construction of this type of generation.

Photovoltaic Geographical Information System / European Commission, Joint Research Centre, Institute for Energy and Transport. - http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/ 10

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

General potential (x10 ) 7

Technical potential (x10 ) Expedient economic 5 potential (x10 ) The total annual potential for solar energy, MWh/year

Figure 7: Potential of solar energy at the territory of Ukraine 7 3. Prospects of energy development based on heat environment Currently, solar energy finds its use in domestic hot water systems, solar distillation of sea and brackish water, water pumping, drying of agricultural products, industrial solar thermal processes, heating and cooling (passive and active constructions), natural lighting, solar refrigeration equipment, heat pumps, integrated photovoltaic systems for electricity production. Electricity can be produced by direct conversion of sunlight into electricity using photovoltaic cells or indirect conversion using solar thermal systems. These solar systems for electricity production include parabolic mirror systems, central radiation receiver, the Stirling engine and the Solar Chimney Power Plant (SCPP) 8,9 . Let us consider in more detail the principle of SCPP. SCPP is a solar thermal power plant, which uses the principle of the greenhouse (solar air collector) and the effect of buoyancy, which is supported in a tube and is induced by the sun as the convective flow that drives the turbine generator to produce electricity. Traditional SCPP consists of a circular transparent canopies or roofs raised to a certain height above the ground, with a pipe or a tower in the center, as shown in Figure 8.

Atlas of the Energy Potential of Renewable and Alternative Energy Sources in Ukraine: Wind energy, Solar energy, Small rivers, Biomass energy, Geothermal energy, Environment energy, Energy waste energo-technological potential, Energy of unconventional fuels. - Kyiv: Institute of Electrodynamics of NAS of Ukraine, State Committee of Ukraine for Energy Conservation, 2001. - 41 pp. (in Ukrainian) 8 Aja Ogboo Chikere, Hussain H., Al-Kayiem and Zainal Ambri Abdul Karim / Review on the Enhancement Techniques and Introduction of an Alternate Enhancement Technique of Solar Chimney Power Plant // Journal of Applied Sciences, 2011, Vol. 11. - P. 1877-1884. 9 Xinping Zhou, Fang Wang, Ochieng R.M. / A review of solar chimney power technology // Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2010, Vol. 14, Issue 8. - P. 2315â&#x20AC;&#x201C;2338. 11

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

Figure 8: Schematic representation of SCPP 10 principle In the central tube there are one or more turbine generators. Air enters the system from the environment at the point 0 (Figure 8) along the circumference between the collector roof and the ground. Radiation from the sun enters the collector through the roof and goes to the earth's surface and warms the earth and been reflected it heats the nearby air above the ambient temperature, then the heated to a certain temperature air goes to the output of the collector – point 1 (Figure 8). Warm air from the collector moves to the sides and up into the central tube, as a result of buoyancy and pressure difference between the ambient air and the warm air inside the SCPP. The kinetic energy of warm air is converted into electrical energy by means of the turbogenerator. In 1981, the German engineering firm Schlaich Bergermann and Partners (SBP) proposed, designed, built and tested SCPP in Manzanares, Spain (Figure 9). This SCPP has a collector of 240 m diameter and a pipe 195 m height and 10 m diameter. This is the largest built to date SCPP which is designed to produce 50 kW of power 11 . After the pilot phase, the SCPP prototype provided electricity to a Spanish network in a fully automatic mode from July 1986 to February 1989 for 8611 hours 12 . Rated output power of economically feasible SCPPs is three to four times higher than the result demonstrated by SCPP in Manzanares. But the result of SCPP operation in Manzanares showed that this concept is a possible alternative to conventional power plants. Based on the results of the experiment on the SCPP in Manzanares and various new model research t is possible to state that the overall efficiency of SCPP is below 2%, which largely depends on the height of the pipe and the collector area. 10

Nizetic, S., Ninic N., Klarin B. / Analysis and feasibility of implementing solar chimney power plants in the Mediterranean region. Energy, 2008, Vol. 33. - P. 1680-1690. 11 Fluri T.P. / Turbine layout for and optimization of solar chimney power conversion units // Ph.D. Thesis, Department of Mechanical and Mechatronic Engineering University of Stellenbosch, 2008. – 125 pp. 12 Schlaich J., Rudolf B., Wolfgang S. et al. / Design of commercial solar updraft tower systems - utilization of solar induced convective flows for power generation // J. Solar Energy Eng., 2005. Vol. 127. – P. 117-124. 12

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

The losses of heat in the flue gases are inevitable as part of any fuel stove, boiler or oven. In a furnace fuel, air and fuel are mixed and burned to generate heat, and the heat is transmitted to the heating device and its load. When the energy or heat carrier reaches its practical limit, the exhaust gases are discharged from the furnace through a pipe to make way for a new charge of hot combustion gases.

Figure 9: Appearance of SCPP in Manzanares, Spain These flue gases still contain significant heat which is discharged into the atmosphere in the form of heat. The flue gases produced by thermal power plants, contain more than 50% of the thermal energy of the fuel 13 . The waste heat from the flue gases can be classified according to the source and the flue gas temperature, based on the temperature to which it is are heated: high, medium or low. Significant economic advantages can be achieved through the use of heat energy from flue gases that are produced under normal circumstances as a heat loss. Use of this heat will reduce the heating of the gas prior to its discharge to atmosphere. Considering the use of flue gas as applied to a hybrid SCPP 14 it was shown that the heated exhaust gases can be used in applications such as combined cycle expansion in turbo systems for solar, biomass and geothermal power plants. In addition, some of the industries began to recover the energy of waste gases for economic and environmental goals. For instance, in studies of industrial tanks, in addition to burning, natural circulation of water through pipes is used for efficient recovery of boiler steam from the waste heat of flue gases 15 . Energy recovery in waste water treatment plants reduces operating costs 16 . 13

Al-Kayiem H.H., How M.G., Seow L.L. / Experimental investigation on Solar-Flue gas chimney // J. Energy Power Eng., 2009, Vol 3. – P. 25-31. 14 Romero M. / Waste heat recovery and air pollution control. AIChE Chicago Symposium, 2007. - http://www.aichechicago.org/symposium07/energy.htm 15 Phubalan K. / Waste Heat Recovery and Treatment of Paper Sludge at in Genting Sanyen // Malaysian Energy Professionals Association, Malaysian, 2004. – 32 pp. 16 Nouri J., Jafarinia M., Naddafi K., et al. / Energy recovery from wastewater treatment plant. // Pak. J. Biol. Sci., 2006, Vol. 9. – P. 3-6. 13

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

These studies showed that by optimizing the methane production and energy consumption in different parts of a company, it is possible to get 97% of electricity from waste heat, therefore, the reimbursement of energy generation in combined heat and power was about 35 478 kJ/day. SCPP has some advantages for power generation, as well as some disadvantages compared to other power systems. Many of these factors have already been mentioned 17,18 . Advantages:  SCPP uses direct and diffuse radiation;  Building materials (mainly glass and concrete) for SCPP are relatively inexpensive and available;  SCPP requires no renewable fuels to operate and produces no emissions;  SCPP works based on a simple technology, except, perhaps, the turbo-generator;  SCPP does not require water cooling;  SCPP has low maintenance cost;  SCPP has a long life (at least 80 to 100 years);  SCPP for working in the tropics, even in desert areas, where solar radiation is a very reliable source of energy. Disadvantages:  In order to be economically viable, SCPP is to be built at a very large scale;  Output power from SCPP is not constant throughout the day or year;  Construction of the SCPP requires a large amount of materials and thereby causing logistical problems associated with the availability and transportation of materials;  No structure assessments available to determine the economic viability of SCPP;  The effectiveness of SCPP is still below 2%, and is mainly dependent on the height of the chimney and the area of collector. To make solar energy supply much of the electricity needed by the mankind, it is necessary to create effective means for converting energy. For the use of renewable energy and related technologies, such as solar energy systems, these technologies should be simple, reliable and affordable for the less technologically developed countries, which have a lot of “sun” in terms of the potential for solar radiation, but often have limited financial and commodity resources. They should be based on environmentally friendly production of energy from renewable or recycled resources. The energy produced must be made available to consumers. SCPP meets these conditions, and that is the reason to further develop this form of solar energy until the development and installation of large, economically viable objects takes place. SCPP performance is the result of collector, chimney and turbine efficiency. A lot of research in mathematical modeling of SCPP collector performance has been done. The analytical model was developed by Schlaich19 in 1995. 17

Pretorius J.P., Kroger D.G. / Critical evaluation of solar chimney power plant performance // Solar Energy, 2006, Vol. 80. – P. 535-544. 18 Pretorius, J.P. / Optimization and control of a large-scale solar chimney power plant // Ph.D. Thesis, University of Stellenbosch, 2007. – 154 pp. 19 Schlaich J. / The Solar Chimney - Electricity from the Sun // Ed. Menges, Stuttgart, Germany, 1995. – 17 pp. 14

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

Then some numerical models have been presented Gannon and Backstrom 20 (2000), Hedderwick 21 (2001), Bernardes 22 (2004) and Pretorius and Kroger 23 (2006). According to Bernardes calculations (2004), the cost of the collector makes more than 50% of the investment value and about 50% of the total operating costs of the system. Therefore, improving the performance of the collector makes a large contribution to the creation of a competitive SCPP as a viable source of commercial electric power 24 . Analysis of inventions and ideas of hybrid SCPPs, where energy sources are solar energy and flue gases, showed that the performance of the collector can be improved through the use of heat recovery techniques. Furthermore, in order to predict the overall performance of SCPP, various mathematical models were developed: Haaf et al. 25 (1983), Pasumarthi and Sherif 26 (1998), Pastohr et al. 27 (2003) and Schlaich et al. 28 (2005). These models may differ in their approaches and computational implementation, but they have a very important trend. In all of the above models the output power increases with the height and area of the collector pipe, and they all show a large daily and seasonal fluctuations in power. In 1995, Schlaich showed that economically viable SCPPs must have a chimney height of 950 meters with a diameter of 115 meters. Then an analytical model of simplified SCPP, and the results of the design, construction and operation were used for creation of a prototype at small scale in Spain. In the result of this analysis, it was found out that the efficiency increases with the chimney height and the area of the reservoir area, so these SCPPs must be large enough to be competitive. In 1997 Kreetz 29 introduced new elements into SCPP model: water-filled pipes under the roof of the collector for thermal energy storage. In 2004, Bernardes 30 explored the possibility of using water-filled tubes on the floor of the reservoir (unit for heat storage), and proved that it would increase the power output of SCPP after sunset. This technology is shown on Figure 10. During the day (in the sunlight) the heat from the sun heats the water in the water-filled pipes and heat is stored in water due to the weak heat exchange. At night, when the air begins to cool down in the reservoir, the water in the pipes gives the heat back.

Gannon, A.J., Backstrom T.W.V. / Solar chimney cycle analysis with system loss and solar collector performance // J. Solar Energy Eng., 2000, Vol. 122. – P. 133-137. 21 Hedderwick, R.A. / Performance evaluation of a solar chimney power plant // Master Degree Thesis, University of Stellenbosch, 2001. – 89 pp. 22 Bernardes M.A.D.S. / Technical, economical and ecological analysis of solar chimney power plants // Ph.D. Thesis, Universitat Stuttgart, 2004. – 174 pp. 23 Pretorius J.P., Kroger D.G. / Critical evaluation of solar chimney power plant performance // Solar Energy, 2006, Vol. 80. – P. 535-544. 24 Seow L.L. / Energy recovery by conversion of thermal energy of flue gases to electricity // Undergraduate Thesis, Mechanical Engineering Dept, Universiti Teknologi PETRONAS, Malaysia, 2008. – 83 pp. 25 Haaf W., Friedrich K., Mayr G. et al. / Solar chimneys; Part I: Principle and construction of the pilot plant in manzanares // Int. J. Solar Energy, 1983. Vol. 2. – P. 3-20. 26 Pasumarthi N., Sherif S.A. / Experimental and theoretical performance of a demonstration solar chimney model - part I: mathematical model development // Int. J. Energy Res., 1998, Vol. 22. – P. 277-288. 27 Pastohr H., Kornadt O., Gurlebeck K. / Numerical and analytical calculations of the temperature and flow field in the upwind power plant // Int. J. Energy Res., 2003, Vol. 28. – P. 495-510. 28 Schlaich J., Rudolf B., Wolfgang S. et al. / Design of commercial solar updraft tower systems - utilization of solar induced convective flows for power generation // J. Solar Energy Eng., 2005, Vol. 127. – P. 117-124. 29 Kreetz H. / Theoretische Untersuchungen und Auslegung eines temporaren Wasserspeichers fur das Aufwindkraftwerk // Diploma Thesis, Technical University Berlin, 1997. – 79 pp. 30 Bernardes M.A.D.S. / Technical, economical and ecological analysis of solar chimney power plants // Ph.D. Thesis, Universitat Stuttgart, 2004. – 174 pp. 15

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

A comparison of this technology (water-filled pipes) with the ground showed that the heat exchange between the water in the pipes and the air is much higher than at the ground surface because the heat capacity of water is about five times higher than that of the soil. This helps to smooth consumption of heat and to create hot air to drive turbines and generate electricity for 24 hours. Heat capacity of the storage depends on thickness of water layer / volume of water contained in pipes. In experimental studies of thickness of water layer in pipes from 5 to 20 cm, it was found that the greater the thickness / volume of water, the more heat can be stored for a long time and the energy in the power generation during the day can be smoothed, and also diurnal variations (a power loss and night early in the morning) can be reduces. But, as expected, the peak power is reduced to about 50% of normal output without thermal media. This shows that part of the solar energy is absorbed by water in pipes.

Figure 10: Pipes, filled with water for heat storage in SCPP In 2007, Hussain proposed hybrid power plants – “Geothermal + SCPP” and “Geothermal + PV + SCPP” - as options for the introduction of potential SCPPs in the southern region of Libya. The technology of these hybrid systems can be described by the following diagram (Figure 11): geothermal hot water is pumped and distributed through pipes embedded at the surface of the ground under collector roof - and thus, regardless of the surrounding air an artificial wind (hot air) is created which rotates the turbine. The hybrid power plant “Geothermal + PV + SCPP” is like a hybrid power plant “Geothermal + SCPP”, but also includes PV as auxiliary energy and inverter that converts the DC power generated by PV, to the alternating current to increase the power generation (Figure 11). In the two proposed hybrid systems, heat pumps are necessary, but in hybrid power plants “Geothermal + PV + SCPP” there is also a need of photoelectric cells and inverters. The use of heat pumps will increase the operating costs, the expected reduction of energy, and most of the power generated by the hybrid power plant will be consumed by the pumping system. 16

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

Figure 11: Hybrid power: Geothermal energy + PV + SCPP 31

Figure 12: A device for combining SCPP with a solar pond to generate electricity 32

Hussain A. / Hybrid geothermal/solar energy technology for power generation // Higher Institute of Engineering, Libya, 2007. â&#x20AC;&#x201C; 4 pp. 32 Akbarzadeh A., Peter J., Randeep S. / Examining potential benefits of combining a chimney with a salinity gradient solar pond for production of power in salt affected areas // Solar Energy, 2009, Vol. 83. â&#x20AC;&#x201C; P. 1345-1359. 17

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

Pumping system needs constant maintenance and replacement of worn parts. In addition, the hybrid power plant â&#x20AC;&#x153;Geothermal + PV + SCPPâ&#x20AC;? includes PV and inverters, which will increase the total cost of the hybrid power plants, making the initial investment very high. In 2009, Akbarzadeh et al. 33 with colleagues examined the potential benefits of combining SCPP with a pond having large salinity gradient to generate electricity in areas where water is saturated with salt (for example, the northern part of the state of Victoria in Australia). In their analysis, they found two possible combinations of SCPP with solar pond for electricity generation (Figure 12). Technology of removing heat from solar ponds by extracting hot brine from water layers, located just below the interface between the layer of the gradient, and the bottom of the convective zone. The pump delivers this brine to a water-air heat exchanger inside SCPP. After the return of its heat, water is returned to the bottom of the solar pond. The surrounding air is heated in a pipe, and moves to the turbine where the energy of moving air is converted by turbine generator into electricity. The system uses two types of heat exchangers (heat exchangers of direct and indirect contact). In Figure 12, the pipe (A) provides a heat transfer through direct contact. In this process, the hot water from the solar pond is pumped to a certain height in the tube, then the water is sprayed all over the surface area of SCPP, the air in the tube is heated from the hot water, flows up to the turbine by the principle of buoyancy and loses some of its energy at turbogenerator which converts the kinetic energy into electrical energy. In this process, water is needed to compensate for the evaporation of water by direct contact between air and water. In Figure 12, the pipe (B) has no direct contact with heat exchangers. In this process, the hot water is pumped and goes into a good conductor, which extracts and transfers the heat from the water to the air inside the solar tube. Air moving with some acquired energy is used to turn a turbine to generate electricity. The analysis of systems, described above, shows that the efficiency of these systems will mainly depend on the diameter and height of the pipe because the pipe elements act as greenhouse. It should be noted that the efficiency of solar power of SCPP collector depends on collector diameter, pipe height and the efficiency of turbine. In this case, the diameter is determined by the volume of air that is available for the heating process. Furthermore, the use of pumps affect significantly the amount of electricity generated since some of the electricity generated will be directed to power the pump system. It is expected that the combination of solar energy, wind energy and thermal energy of the environment will increase the thermal energy available to the collector, and therefore, its performance and the overall performance of SCPP. 4. Methods for CO2 capture from the air A significant contribution to climate change is made by fugitive emissions of aerosols, fine dust and greenhouse gas emissions from low sources, which include: industrial emissions of aerosols from industrial shops, raising dust from the construction and industrial sites, streets and roads, blowing of dust from the surface of mine waste heaps and quarries, concentration of the exhaust gases from motor vehicles at cross-roads in cities, as well as emissions from volcanoes, smoke from forest fires etc. 33

Akbarzadeh A., Peter J., Randeep S. / Examining potential benefits of combining a chimney with a salinity gradient solar pond for production of power in salt affected areas // Solar Energy, 2009, Vol. 83. â&#x20AC;&#x201C; P. 1345-1359. 18

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

To combat the effects of fugitive emissions, measures are taken in the immediate vicinity of the low-emission sources or the source itself is provided with appropriate filters, and, if possible, the neighborhood area is cleaned up and decontaminated from the already discharged hazardous substances. In some cases, further propagation and dissemination of emissions is controlled, as well as its deposition is fixed and studied which is followed by removal of consequences at the infected territory. Usually the fugitive emissions are not effected during their propagation, that is in the process of their movement in the atmosphere. At the same time, in case of such situations in the aquatic environment (e.g., the elimination of oil spills from tankers and wells usually starts from the source of contamination and the adjacent territory, on the open water, and ends at the polluted shore) struggle with the effects of contamination is realized at all stages of pollutants spreading. This situation is reflected in the international strategy of combating global climate change (Kyoto Protocol is the main mechanism to limit greenhouse gas emissions through its impact at stationary sources of emissions) and in the priorities of scientific and technological development of the European Union (in the EU 7th Framework Programme for Research and Technological development in the areas of “Energy” and “Environment, including Climate Change” focuses on research and development of measures to mitigate climate change by implementing CCS). Currently, the main means of combating air pollution is the equipment installed on the sources of organized (planned) and fugitive (planned or emergency) emissions. Fugitive emissions are considered as unforeseen events, the consequences of which could be significant or insignificant for the environment and the population. Thus, the decision on eliminating the consequences of fugitive emissions is generally deferred to the next man-made or natural disaster. We can assume that environmental sciences should not only study the human impact on nature, but also to counter this effect; a strategy to respond to fugitive emissions from low sources consists of the following active elements 34 :  Control measures in case of expected (planned) emissions;  Control measures in case of unexpected (natural and man-made) emissions;  Stationary means of active influence on the expected emissions close to their sources;  Mobility devices for active impact on unintentional emissions located maximally close to their sources and the way of their dissemination;  Preventive active influence on the atmosphere to preserve and improve the environment. At least, there is a limited number of items that can be used in the framework of a special service after the work on design, manufacture and testing is done. Introduction of these elements will allow implementing the measures to reduce the impact of natural and man-made phenomena, energy and industrial accidents, forest fires, urban smog and concentration of combustion gas from vehicles on the atmosphere, removal of carbon dioxide and other harmful components from it. Development and implementation of such a strategy will not only reduce the risk of harmful impact on the atmosphere from facilities located throughout the country, but will also allow to minimize the consequences of natural and man-made disasters in other countries in order to promote global sustainable development.

Shestavin M. Strategy of Active Reacting Towards Pollution of Environment Caused by Non-Organised Emissions into the Atmosphere from Low Sources // Global Jean Monnet Conference. - Brussels: European Commission, 2007. - 3 pp. 19

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

Let’s consider the possible application of this strategy to the air quality problems that arise in large cities (for example, in the city of Donetsk in Ukraine) in connection with air pollution emissions from low sources, including the appearance of smog. “Smog” is a combination of English words smoke and fog and the term was first used more than 100 years ago to describe the yellow mixture of smoke produced by burning of large quantities of coal, and fog in London. In the 1950s it began to be used to describe foggy or smoky conditions in the atmosphere, related with pollution, including the type of a smog observed in Los Angeles, Detroit, New York and appearing in climatic conditions which are very different from those under which fogs traditionally appear. There are two types of smog:  Associated with air pollution by transport, containing nitrogen oxides, and  Associated with pollution of the atmosphere with soot or smoke containing sulfur dioxide. A necessary component in the process of formation of the first type of smog (Los Angeles smog) is photochemical reactions, in the second case (the London smog) photochemical reactions may be involved in formation of smog, but their participation is not mandatory. On the basis of observations of the state of air pollution in the Soviet times 35 and now 36 , one can argue that two types of smog can be formed in Donetsk: a factor of industrial emissions is constantly present, automobile exhaust gases contribute to the formation of Los-Angeles-type of smog in summer while the coal heating of houses in private sector provokes formation of a London-type smog in winter 37 . Significant contribution to the formation of smog is made by adverse weather conditions (during the year repeatability of light winds totals 30%) and temperature inversions (rising inversion prevents dispersal of emissions from high sources - the steel industry and power plants, while surface inversion contributes to the accumulation of harmful substances entering the atmosphere from low emission sources - cars, mines and waste heaps), the annual frequency of which is about 20%, and increases up to 40% in winter. In summer the air pollution is often increased due to waste heaps (over 30 of 125 waste dumps are burning) and vehicle emissions, which increase from year to year. The maximum concentration of nitrogen dioxide in Donetsk is usually observed in summer. Therefore, in summer strong surface inversions at night and clear sky at the daytime form the conditions for photochemical reactions and formation of smog. And in connection with climate change taking place in Donetsk and resulting quite dramatic increase of the average summer temperature and reduction of the average winter temperature, the likelihood of Los Angeles smog in summer and London smog in winter is increased. The presence of smog in the city can lead to damage of material objects (metal corrosion, aging of polymeric materials, damage to buildings and structures, etc.), degradation of the biosphere and deterioration of human health. Smog is particularly dangerous for children, the elderly people and people with heart and lung diseases, bronchitis, asthma, emphysema. Smog can cause shortness of breath, respiratory affection and standstill, headaches, coughing, as well as inflammation of the mucous membranes of eyes, nose and throat, decreased immunity. Smog often causes the increase in number of hospitalizations, remissions and deaths from respiratory and heart diseases. But doctors do not officially fix the direct connection between smog and the diseases.

Bezuglaya E.Yu., Rastorgueva G.P., Smirnova I.V. What does industrial city breathe with: Monograph. – Leningrad: Gidrometeoizdat, 1991. – 255 p. 36 Report on the state of the environment in the city of Donetsk in 2006-2007. - Donetsk, Donetsk City Council, 2008. – 108 p. 37 Shestavin M.S. Photochemical fog - smog: dependence on climate change, the impact on public health and means of capture // Problems of adaptation to climate change in the Donetsk region of Ukraine: Materials of the Roundtable of the World Bank. - Donetsk: Donetsk National University, 2010. - P. 34-37. 20

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

It is therefore necessary to introduce statistics in Donetsk calculating the days with the presence of smog, which is determined according to the standard criteria (for example, like in Toronto (Ontario, Canada) 38 , where in 2007 there were 29 days with smog in the city and 39 - in the province. Thus, it is officially recognized that every year in Toronto 1,700 people die prematurely from diseases caused by smog, and about 6,000 people get to hospitals with the diseases connected with presence of smog in the city. Especially, health problems of the city population and visitors worsen in periods of mass sports events. For example, in China in 2008 before the Summer Olympic Games special measures were taken to combat smog: several days before the games all the enterprises in Beijing were stopped, the entry of road transport to the city center was limited etc, but air pollution has decreased significantly only after heavy rain. Similar measures were taken in India before the Commonwealth Games, which were held in New Delhi in summer of 2010. The city government bought the large vacuum cleaners Model Citta from the Italian firm 39 (Figure 13a), which were installed on the busy streets of the city and provided purification of air (up to 10 cubic meters of air per hour each) from dust and other harmful substances. These installations are currently working in some Italian cities (within CAPTURE project 30 units were installed), under support of the National Association of Italian Municipalities, and in Rome there is an experimental mobile unit installed inside the bus (Figure 13b), which runs the most troubled streets and purifies the air on them.

Figure 13: Installations for direct air purification from pollutants in New Delhi (a) and Rome (b) This method of dealing with smog can be attributed to a strategy of proactive response to environmental pollution 40 , which has been developed to address the problems with the object “Shelter” at the fourth unit of the Chernobyl nuclear power plant 41 , and is now beginning to materialize in various independent projects which are considered represent geo-engineering means of exposure on natural atmospheric phenomena 42 . Some of these means are under development and testing phase, for example: 38

Toronto Smog Report Card 2007: The Year of Uncertainty. - Toronto: Toronto Environmental Alliance, 2007. - 17 pp. 39 SystemLife s.r.l. - http://www.systemlife.eu 40 Shestavin M. Strategy of Active Reacting Towards Pollution of Environment Caused by Non-Organised Emissions into the Atmosphere from Low Sources. - Brussels: Global Jean Monnet Conference 2007. - 3 pp. 41 “Sarcophagus” today and tomorrow / Bar'yakhtar V.G., Bitsky A.A., Borovoj A.A., et al. // Preprint Ukrainian Academy of Sciences, Institute of Cybernetics at Glushkov, No. 92-28, 1992. - 16 pp. (in Russian) 42 Clark W.C., Crutzen P.J., Shellnhuber H.J. Science for Global Sustainability: Towards a New Paradigm / / CID Working Paper No. 120. - Cambridge, MA: Science, Environment and Development Group, Center for International Development, Harvard University, 2005. - 28 pp. 21

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

- “Artificial trees” 43 , 44 (Figure 14a), which should replace the billboards on U.S. roads to clean air, capture CO2, along with other greenhouse gases and harmful vehicle emissions. The effectiveness of these devices will depend on wind direction and speed, which is a significant drawback. Now, the new project is proposed in which the air is supplied to the installations from the atmosphere, which includes significant additional energy costs compared to the original version;

Figure 14: “Artificial trees” (а) and “Wind wall” (b) projects

Figure 15: Projects by Swiss Federal Institute of Technology (ETH) in Zurich and Climeworks Ltd 43

Lackner K.S., et al. The urgency of the development of CO2 capture from ambient air // Proceedings of the National Academy of Sciences, US, No. 109 (33), 2012. - P. 13156-13162. 44 Global Research Technologies, LLC - http://www.grtaircapture.com 22

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

- “Wind wall” 45 , 46 (Figure 14b) is being constructed in Canada and will consist of more than one hundred powerful stationary fans, directs the flow of air in the system for CO2 capture. This arrangement requires significant financial costs at the phase of both construction and operation. - “Spray hangar” (Figure 15a), “Solar scrubber” (Figure 15b) and “Air Collector” (Figure 15c), developed by Swiss Federal Institute of Technology (ETH) in Zurich and Climeworks Ltd. 47 , which is a subsidiary of ETH company involved in commercialization of patented and highly efficient technologies for CO2 capture from the air. 5. Device for capture pollutants and carbon dioxide at the crossroads of the city streets to clean the air from car exhaust Official statistics of Ukraine for 2010 48 indicate a significant contribution to road transport CO2 emissions - this is the third position after the power and metallurgy. In addition, the fleet of vehicles in Ukraine is growing rapidly, especially in the category all-road vehicle, that are significantly more fuel burned per kilometer than cars that meet European standards in fuel consumption. The World Bank in its World Development Report 2010: Development and Climate Change 49 , leads an interesting assessment of the influence of cars on climate change, comparing: Emission reductions by switching fleet of American SUVs to cars with EU fuel economy standards; Emission increase by providing basic electricity to 1.6 billion people without access to electricity, - which are almost identical in size. Estimates are based on 40 million SUVs (sports utility vehicles) in the United States traveling a total of 480 billion miles (assuming 12,000 miles a car) a year. With average fuel efficiency of 18 miles a gallon, the SUV fleet consumes 27 billion gallons of gasoline annually with emissions of 2,421 grams of carbon a gallon. Switching to fuel-efficient cars with the average fuel efficiency of new passenger cars sold in the European Union (45 miles a gallon; see ICCT 2007) results in a reduction of 142 million tons of CO2 (39 million tons of carbon) annually. Electricity consumption of poor households in developing countries is estimated at 170 kilowatthours a person-year and electricity is assumed to be provided at the current world average carbon intensity of 160 grams of carbon a kilowatt-hour, equivalent to 160 million tons of CO2 (44 million tons of carbon). The size of the electricity symbol in the global map corresponds to the number of people without access to electricity. To analyze the potential for application of SCPP for removal of pollutants and carbon dioxide from exhaust gas accumulation zones car, i.e. the most intense crossroads, when incomplete combustion occurs in the standby mode was patent search carried out in this field in various open patent databases 50,51 . Found numerous patents, which are similar to the content of the proposed technical solution, five of which are shown below.

Holmes G., Keith D.W. An air-liquid contactor for large-scale capture of CO2 from air // Phil. Trans. R. Soc. A 370, 2012. - P. 4380-4403. 46 Fox T. Capturing CO2 from the air // Carbon Capture Journal. – Issue 22, 2011. – P. 15-17. 47 Climeworks LTD. - http://www.climeworks.com 48 Statistical Yearbook of Ukraine for 2010 / Edited by O.G. Osaulenko. - Kyiv: State Statistics Service of Ukraine, 2011. - 560 pp. (in Ukrainian) 49 World Development Report 2010: Development and Climate Change. - World Bank, 2009. - 424 pp. 50 European Patent Office. – http://www.epo.org 51 The United States Patent and Trademark Office. – http://www.uspto.gov 23

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

5.1. A method for using the low speed wind energy and solar energy complementary power generation device of 52 A method for using the low speed wind energy and solar energy complementary generating set belonging to renewable energy source field claims a method of using low speed wind energy and solar energy complementary power generation device of. The solar energy chimney the top end of the magnetic push bearing is installed with low speed vertical shaft wind power generator impeller solar energy chimney the bottom part of it is composed of frame bracket the supporting frame supporting frame is fixed on ground top part by four diagonal tight-wires fixed; Of said low speed vertical shaft wind power generator impeller is set with 3-4 inner part of blade is set with the gas spraying pipe gas injection pipe leads to low speed vertical shaft wind power generator impeller blade tip and it is set with the nozzle tip; The solar energy the internal part of the chimney wind power generator blade wheel is installed on the lower part of transmission shaft transmission shaft the bottom of the installed on the frame bracket is set on the speed increasing mechanism of alternating current generator is connected with the; The whole power generating device the structure is simple and reliable and the solar energy and wind energy is made organically complementary to each other to the environment the dependency degree is a method for generating electricity and the whole body of the small power generation capability of the single power mode is ratio is increased 60-80%.

Figure 16: A device for generating electricity under the influence of an additional low wind speed wind and solar energy 5.2. A by using industrial waste heat and solar energy heat power generation wind tower device and method for hot wind tower power generation device and method by using industrial waste heat and solar energy 53 The invention claims a by using industrial waste heat and solar energy heat power generation wind tower device and method by recycling industrial waste heat of waste hot water or waste steam and so on and heat-collecting shed set on the heat collecting tube of absorbed solar energy to make the temperature in the water tank water temperature reaches to 80-90 centigrade and sending it into the wind tower is set on the base and heat exchanger in the heating tower base of the air in the air be 52

Chong Du / A method for using the low speed wind energy and solar energy complementary power generation device of // CN102477966 (A) â&#x20AC;&#x2022; 2012-05-30 (in Chinese) 53 Kunfeng Liang; Chunyan Gao; Zhumu Fu; Lin Wang; Zhiyong Chang / A by using industrial waste heat and solar energy heat power generation wind tower device and method for hot wind tower power generation device and method by using industrial waste heat and solar energy // CN102691626 (A) â&#x20AC;&#x2022; 2012-09-26 (in Chinese) 24

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

heated to form floating heat flow heat floating the flow of stream guidance awl guiding the entering the wind tower the chimney of the driving is set in the wind tower a turbine generator to generate electricity and effectively reclaiming and utilizing the industrial waste heat at the same time increases the solar energy the utilization efficiency of the sending of electric guarantee the device itself the normal working of other parts can be used to the power network to supply power. The invention relates to a hot wind tower power generation device and a method by using industrial waste heat and solar energy. By the recovered industrial waste heat (waste hot water, waste steam and the like) and the solar energy absorbed by a heat collection tube arranged on a heat collector, the temperature of water in an insulation water tank reaches 80-90 DEG C; the water is sent into a heat exchanger in a wind tower footing to heat the air in the tower footing; the air is heated to form hot floating flow; and the hot floating flow, guided by a flow guide cone, enters a chimney of the wind tower so as to drive a turbine power generator arranged in the wind tower to generate power. The industrial waste heat is effectively recovered and utilized; meanwhile the utilization rate of the solar energy is improved; and most of the rest of the generated power can be merged into a power grid for power supply, apart from ensuring the self normal work of the device.

Figure 17: A hot wind tower power generating apparatus and method using a industrial heat and solar energy 5.3. Combining photovoltaic technology of solar heating wind power-generating system â&#x20AC;&#x201C; Solar chimney power generation system combining photovoltaic technology 54 This utility model claims a combining photovoltaic technology comprising solar heating wind power-generating system comprises a solar energy chimney and solar energy heat collector the solar energy heat collector the top of the shed coating transparent thin film solar energy photovoltaic battery board the solar energy heat collector is set on the bottom surface of the single crystal silicon solar energy photovoltaic battery board. This utility model has simple structure skillful design it has great market potential. The utility model discloses a solar chimney power generation system combining a photovoltaic technology, comprising a solar chimney and a solar heat collector; wherein a light-transmitting thin-film solar photovoltaic cell panel is coated on a ceiling of the solar heat collector; and a monocrystalline silicon solar photovoltaic cell panel is laid on a bottom surface of the solar heat collector. The solar chimney power generation system of the utility model has the advantages of simple structure, ingenious design, and huge market potential. 54

Xingwen Mo / Combining photovoltaic technology of solar heating wind power-generating system - Solar chimney power generation system combining photovoltaic technology // CN202385034 (U) â&#x20AC;&#x2022; 2012-08-15 (in Chinese) 25

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

Figure 18: Solar power chimney system that combines photovoltaic technology 5.4. Solar chimney with wind turbine 55 A solar chimney includes an elongated chamber having the general configuration of an hourglass. The chamber includes one or more heat exchangers for heating air in the chamber by solar energy. A turbine in the chamber is driven by updrafts of air created in the chamber, and the turbine drives an electric generator or other machine. An exhaust wind turbine assists in the production of such updrafts. A vertical axis wind turbine harnesses energy of wind in the environment of the chimney, and such energy is used to drive the exhaust wind turbine. Excess wind energy is stored for later use. A set of extendable and retractable vanes, mounted externally of the chimney, deflects wind, in the environment of the chimney, towards the vertical axis wind turbine.

Figure 19: Solar chimney with wind turbine

Yangpichit Pitaya / Solar chimney with wind turbine // EP2524137 (A1) â&#x20AC;&#x2022; 2012-11-21 26

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

5.5. Hybrid solar-wind powered power station 56 The power station comprises a collector (5) of air heated by solar radiation (R, S) during the day, said collector having a distal end (6) open towards the ambient surroundings, and an opposite, proximal end (8) in communication with a chimney (1), a series of turbines designed to drive a set of electric generators (12) being interposed between said proximal end (10) of said chimney (1), characterized in that said turbines are magnetically supported turbines with a vertical axis of rotation (7).

Figure. 20: Hybrid solar-wind powered power station 5.6. “Air Terrikon” in Donetsk Based on these prototypes to create solar power plants such as “Solar Chimney”, which will be cost-effective if the additional energy from the environment as a natural (sun and wind) and artificial (hot exhaust gases from automobiles) origin. Such a device is called “Air Terrikon” (AT), since the appearance of the device is almost the same as the views of the majority of the waste heaps of Donbass. AT is designed to clean the air from the exhaust gases of cars on the street corners and to capture greenhouse gases 57 . To fulfill these ecological functions used electricity generated by the vertical and horizontal wind turbines and solar panels system. Force structure of the heat pipe support glass cone, and monorails and ribs - a sector of the cone with solar panels. Heat pipe is placed on the viewing sphere. In the space between the glass cone and funnel heat pipe are commercial site, and in the sector of the cone - viewing platforms and cognitive rest area. On the following figures show: AT location at the crossroads of the city of Donetsk (Figure 21); 3D computer model of AT (Figure 22); Simplified diagram of the AT (Figure 23); AT scheme in functional colors (Figure 24). 56

Ung Seng-Hong / Hybrid solar-wind powered power station // WO2012127134 (A2) - 2012-09-27 (in French) Shestavin M.S. Capabilities Sequestration Anthropogenic Emissions from Low Fugitive Sources // Materials digest of the XXXII International Scientific and Practical Conference “Models and Methods of Solving Formal and Applied Scientific Issues in Phys.-Math., Tech. and Chem. Research” (United Kingdom, London, September 20-25, 2012). – London: International Academy of Science and Higher Education, 2012. – P. 65-67. 57

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

Figure 21: Location “Air Terrikon” in Donetsk, Ukraine

Figure 22: 3D computer model of “Air Terrikon” 28

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

Figure 23: Simplified scheme of “Air Terrikon”

Figure 24: Schematic of “Air Terrikon” in functional colors

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

СТРУКТУРА И ВИДЫ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С.В. Чертопалов Донецкий национальный университет Донецк, Украина Введение Целью данной работы является проведение литературного обзора по современным видам солнечных элементов. Солнечные батареи являются важными источниками энергии для космических кораблей и спутников. Также в последнее время существует множество программ, в которых предусматривается использование пленочных солнечных элементов для портативных устройств, таких как мобильные телефоны, ноутбуки, пульты дистанционного управления и др. Первый солнечный элемент был создан Чапеном, Фуллером и Пирсоном в 1954 г. на основе диффузионного кремниевого p-n перехода [1]. Впоследствии Рейнольдс и др. разработали солнечный элемент на сульфиде кадмия [2]. Затем солнечные элементы были созданы на многих других полупроводниках с использованием различных конструкций прибора и применением монокристаллических и поликристаллических материалов и аморфных тонкопленочных структур. Анализ основных характеристик солнечных элементов проведен Ховелом [3]. Обзор основных важнейших работ по солнечным батареям за период до 1974 г. составлен Бекусом [4]. Палфри [5] и Джонстон [6] составили обзоры по фотовольтаическим элементам, а в работе Бечмана [7] обсуждаются проблемы выбора материала для солнечных батарей. В восьмедисятых годах прошлого века были изданы переведенные с английского книги, которые стали классикой для университетов по физике полупроводников, полупроводниковым приборам и солнечным элементам [8-10]. За последние десять лет число статей, книг [11-51] и обзоров, посвященных солнечным элементам, материалам для фотовольтаики, а также методам анализа материалов и структур [21] стремительно растет. Необходимо отметить рост публикаций по солнечным элементам на основе органических, а также наноструктурированных материалов. В книгах [14, 15, 26, 50, 51] описываются важные результаты по органическим и гибридным структурам, применяемых для создания солнечных элементов. В последние годы активно используются полимеры, обладающими полупроводниковыми или металлическими свойствами. В книге, под редакцией нобелевского лауреата Хигера, Саричифчи и Намдаса [50], а также в [14, 15, 51], описываются результаты создания фотовольтаических и электролюминесцентных устройств, применяя полимерные материалы. Результаты моделирования солнечных ячеек приведены в книгах [9, 21, 43]. Результаты последних исследований можно найти в сборниках конференций для специалистов по фотовольтаике. В отчёте «Russia and Ukraine photovoltaic market report 2011», который был подготовлен в ходе мониторинга рынка фотовольтаики информационно-аналитическим агентством Cleandex [52], приведены основные результаты программ, которые проводятся в России и в Украине для увеличения объема производства электроэнергии, полученной от солнечных батарей.

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

1. Солнечное излучение: Солнце как источник энергии Источником энергии солнечного излучения служит термоядерная реакция. Каждую секунду примерно 6·1011 кг Н2 превращаются в Не. Дефект массы при этом составляет 4·103 кг, что приводит в соответствии с соотношением Эйнштейна Е=mc2 к выделению энергии, равной 4·1020 Дж. Основная часть этой энергии испускается в виде электромагнитного излучения в диапазоне от ультрафиолетового до инфракрасного (0,2-3 мкм). Полная масса Солнца в настоящее время составляет ~2 1030 кг, что должно обеспечивать его достаточно стабильное существование примерно с постоянным выделением энергии в течение свыше 10 млрд. (1010) лет. Интенсивность солнечного излучения в свободном пространстве на расстоянии, равном среднему расстоянию между Землей и Солнцем, называется солнечной постоянной. Ее величина равна 1353 Вт/м2 [4]. При прохождении через атмосферу солнечный свет ослабляется в основном благодаря поглощению инфракрасного излучения парами воды (H2O), кислородом (О2) и углекислым газом (СО2), поглощению ультрафиолетового излучения озоном (O3) и рассеянию излучения находящимися в воздухе частицами пыли и аэрозолями (рис. 1). Показатель атмосферного влияния на интенсивность солнечного излучения, доходящего до земной поверхности, определяется «воздушной массой» (Air Mass - АМ). Величина последней равна секансу угла межу Солнцем и зенитом (sес θ).

Рис. 1. Спектры, иллюстрирующие распределение солнечной энергии [54] На рис. 1 приведены три кривые, иллюстрирующие спектральное распределение интенсивности солнечного излучения [53] (мощность на единицу площади в единичном интервале длин волн). Верхняя кривая соответствует солнечному спектру за пределами земной атмосферы, т. е. при нулевой воздушной массе (АМ 0).

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

Это распределение можно аппроксимировать распределением интенсивности излучения черного тела при температуре 5250 0С. Спектр АМ 0 определяет работу солнечных батарей на спутниках и космических кораблях. Спектр АМ 1 соответствует распределению интенсивности солнечного излучения на поверхности Земли, когда Солнце стоит в зените; при этом полная мощность излучения составляет ~925 Вт/м2. Спектр АМ 2 реализуется при угле θ = 60°. В этом случае полная мощность излучения равна 691 Вт/м2. Средняя интенсивность излучения на Земле примерно совпадает с интенсивностью излучения, прошедшего через воздушную массу, равную АМ 1,5, что соответствует положению Солнца под углом 45° к горизонту. На рис. 2 схематично показаны положения Солнца [54] и приведено распределение мощности излучения Солнца по планете Земля, а на рис. 3 приведена карта распределения солнечной энергии по земной поверхности в Европе в среднем за год (по данным SolarGis) [55].

а)

б)

Рис. 2. Положения Солнца и классификация воздушных масс (а), карта распределения солнечной энергии по земной поверхности (б) [54] Для наиболее эффективного использования солнечных элементов необходимо знать примерное количество солнечной энергии, поступающей в течение года в различных регионах. На рис. 2б и 3 [5] приведена карта распределения солнечной энергии по земной поверхности. Поскольку на всех континентах имеются довольно большие площади с высоким средним уровнем солнечного освещения, можно ожидать, что в ближайшем будущем использование солнечной энергии будет интенсивно увеличиваться во всем мире. Интересным является тот факт, что растения используют только 0,3% энергии излучения Солнца для проведения фотосинтеза и этого, как мы видим, достаточно для их жизни. В сумме за год на Землю попадает энергия - 3·1024 Дж или 100 ПВт. Для человечества на сегодняшний день необходимо энергии на 4 порядка меньше (около 13 ТВт). Для этого необходимо покрытие 0,1% поверхности Земли фотоэлементами с эффективностью 10%. Для этого возможно создание как солнечных элементов по старой (кремниевой технологии) так и создание солнечных элементов нового типа на основе полимеров на гибкой основе. Для этого необходим дешевый фотовольтаический материал.

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

Рис. 3. Карта распределения солнечной энергии по земной поверхности в Европе в среднем за год [55] На рис.4 приведено распределение числа фотонов, приходящихся на единичный энергетический интервал на 1 см2 за 1 с в условиях АМ0 и АМ1,5 [56]. Для перевода длины волны (мкм) в энергию фотона (эВ) можно использовать соотношение







1,24 . hv

(1)

Рис. 4. Спектральное распределение потока фотонов, поступающих от Солнца в условия АМ 0 и АМ 1,5 [56] 33

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

Полная мощность солнечного излучения при АМ 1.5 составляет 844 Вт/м2. При тестировании солнечных элементов обычно используют ксеноновые лампы, которые обеспечивают мощность 1000 Вт/м2 (АМ 1.5). Для достижения идентичности спектров применяют светофильтры для оптического излучения. 2. Классификация солнечных элементов На сегодняшний день принято классифицировать солнечные элементы на три поколения:  фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) первого поколения – на основе пластин кристаллического кремния;  ФЭП второго поколения – на основе тонких пленок;  ФЭП третьего поколения – на основе органических и неорганических материалов. На рис. 5 приведена классификация и виды солнечных преобразователей, а также список некоторых производителей [52].

Рис. 5. Классификация и виды солнечных преобразователей, а также список некоторых производителей [52] ФЭП первого поколения на основе кристаллических пластин на сегодняшний день получили наибольшее распространение. Стоит отметить многолетний опыт при получении кремниевых пластин, а также имеющийся большой опыт в данной технологии. В последние два года (2010-2011 гг.) производителям удалось сократить себестоимость производства таких ФЭП, что обеспечило укрепление их позиций на мировом рынке [52]. ФЭП первого поколения имеют хороший коэффициент преобразования: на основе монокремения - КПД 24% и поликремния - КПД ≈12%. 34

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

Технология выпуска тонкопленочных ФЭП второго поколения подразумевает нанесение слоев вакуумным методом. Вакуумная технология по сравнению с технологией производства кристаллических ФЭП является менее энергозатратной, а также характеризуется меньшим объемом капитальных вложений. Она позволяет выпускать как ФЭП на стеклянной подложке, так и гибкие дешевые ФЭП большой площади (например на пленке Polyethylene terephthalate (PET)), однако коэффициент преобразования таких элементов ниже по сравнению с ФЭП первого поколения. Используя металлическую фольгу, которая является токопроводящим электродом, также изготавливают СЭ на основе халькогенидов CuInxGa(1-x)Se2 с КПД 12% [23], и на основе CdTe [23]. Идея создания ФЭП третьего поколения заключалась в дальнейшем снижении себестоимости ФЭП, отказе от использования дорогих и токсичных материалов в пользу дешевых и перерабатываемых полимеров и электролитов. Важным отличием также является возможность нанесения слоев печатными методами, например, по технологии "рулон-крулону" (roll-to-roll – (R2R)). В настоящее время основная часть проектов в области ФЭП третьего поколения находятся на стадии исследований. При уменьшении стоимости кремниевой технологии инновационным компаниям трудно конкурировать. Так, в этом году (2012 г.) из-за падения цен на кремниевые солнечные элементы американская компания «Конарка» (Konarka Technologies, Inc.) заявила о своём банкротстве. Однако, некоторые компании успешно продолжают развивать технологию создания ФЭП третьего поколения. Можно отметить три основных ветви ФЭП третьего поколения:  солнечные элементы сенсибилизированные красителем, Dye Sensitized Solar Sell (DSSC) [57-59];  полимер-органические солнечные элементы, Polymer Organic Solar Cell (POSC) [14, 15, 26-28, 51];  гибридные солнечные элементы, Hybrid Solar Cell (HSC) [14, 15]. Большую популярность получили солнечные элементы предложенные швейцарской группой Michael Graetzel с КПД 11% [57]. Эти солнечные элементы сенсибилизированные красителем с электролитом не требуют затрат, как в случае кристаллических кремниевых, но имеют свои недостатки (использование жидкого электролита и редкоземельных элементов в красителях). В последнее время много научных групп в мире работают над усовершенствованием солнечных элементов и интересным представляются органические солнечные элементы с КПД 5÷8%. Таким образом, требования к солнечным элементам такие – гибкость, легкость по весу, достаточный КПД (выше 10%), дешевые по цене (дешевле 1$/Вт). Для повышения эффективности преобразования солнечной энергии разрабатываются ФЭП на основе каскадных многослойных структур, а также используют концентраторы солнечного излучения. В последнем случае возникает проблема отвода тепла от солнечного элемента. Были предложены устройства совмещающие солнечные электропреобразователи и солнечные коллекторы (водонагреватели). На рис. 6 представлены фотографии солнечных элементов разных поколений.

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

Рис. 6. Виды солнечных элементов Для использования ФЭП собираются в модули (солнечные батареи), которые имеют нормируемые установочные размеры, электрические параметры и показатели надежности. Для установки и передачи электроэнергии солнечные модули комплектуются инверторами тока, аккумуляторами и прочими элементами электрической и механической подсистем. В зависимости от области применения различают следующие виды инсталляций солнечных систем: 1) частные станции малой мощности, размещаемые на крышах домов; 2) коммерческие станции малой и средней мощности, располагаемые, как на крышах, так и на земле; 3) промышленные солнечные станции, обеспечивающие энергоснабжение многих потребителей. На рис. 7 приведена схема электроснабжения дома солнечными батареями. Под номером 1 отмечены солнечные батареи, преобразующие энергию солнца в электроэнергию, мощностью от 22W 12V до 200W 12V. 2 - контроллер напряжения и зарядки аккумуляторных батарей от солнечных батарей, он надежно служит для защиты от глубокого разряда батареи аккумуляторов и от перезаряда системы солнечных модулей. 3 - солнечный инвертор от 500 вт до 2100 вт и более преобразуют постоянный ток (DC 12 В, 24 В, 48 В) в переменный ток (AC 230 В) и позволяет пользоваться обычными электроприборами. 4 подключение электросчетчика позволяет учитывать электроэнергию, потребляемую всеми электроприборами от общей электросети. В случае, если солнечные электростанции не вырабатывают достаточной мощности (в зимние, пасмурные дни), то можно выбрать наиболее экономичное решение. Были предложены решения, передачи электроэнергии от дома в электрическую сеть. Для этого ставится счетчик и в данном случае потребитель превращается в поставщика электроэнергии.

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

Рис. 7. Солнечная установка для дома (частная станция малой мощности) [60] 3. Идеальная эффективность преобразования Обычный солнечный элемент (например, работающий на основе p-n-перехода) имеет лишь одну характерную энергию — ширину запрещенной зоны Еg. Когда на элемент попадает солнечный свет, фотоны с энергией, меньшей Еg, не дают вклада в выходную мощность элемента (в пренебрежении поглощением света, сопровождаемым возбуждением фононов). Каждый фотон с энергией, большей Еg, дает вклад, равный Еg, в выходную мощность, а остальная часть энергии фотона переходит в тепло. Для того чтобы определить эффективность (или идеальный КПД) преобразования, рассмотрим диаграмму энергетических зон освещаемого p-n -перехода (рис. 8а). Будем полагать, что солнечный элемент имеет идеальную вольт-амперную характеристику. Соответствующая эквивалентная цепь показана на рис. 8б, где параллельно переходу введен источник постоянного тока IL, описывающий возбуждение неравновесных носителей солнечным излучением. Ток насыщения диода IS, RН - нагрузочное сопротивление. Вольт-амперная характеристика такого прибора определяется выражениями

I  I S (eqV / kT  1)  I L

(2)

 1 J S  I S / S  qN C NV   NA 

n



1 ND

D p   Eg / kT e  p 

(3)

где S - площадь прибора. График вольт-амперной характеристики, определяемой формулой (2), приведен на рис. 9, а для следующих параметров: IL = 100 мА, IS = 1нА, S = 4 см2 и T = 300 К [61].

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

а)

б) б Рис. 8. Энергетическая диаграмма солнечного элемента с p-n переходом при солнечном освещении (а) и идеализированная эквивалентная схема солнечного элемента (б).

б)

а) Рис. 9. Вольт-амперная характеристика освещенного солнечного элемента [61]

Поскольку вольт-амперная характеристика проходит через четвертый квадрант, это означает, что прибор служит источником энергии. При соответствующем подборе нагрузочного сопротивления вырабатываемая энергия может достигать 80 % произведения IКЗVХХ (IКЗ - ток короткого замыкания, VХХ - напряжение холостого хода элементов). Иногда вольт-амперную характеристику элемента изображают так, как показано на рис. 9б. На рис. 9б также определены величины Im и Vm — значения тока и напряжения, при которых реализуется максимальная выходная мощность Рm (Рm = Im·Vm). Из уравнения (2) получаем, что напряжение холостого хода (при I = 0) равно

Vxx 

 kT  I L  kT  I L ln   1  ln   . q  IS  q  IS 

(4)

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

Следовательно, при заданном токе IL напряжение холостого хода логарифмически возрастает при уменьшении тока насыщения IS. Выходная мощность равна

P  IV  I SV  e qV

 1  I LV .

(5)

Условие максимума мощности получаем, положив dP / dV  0 , откуда имеем

 1  I m  I S Vm e Vm I L 1  ,  V m   1  I I 1 1 Vm  ln  L S  VXX  ln(1  Vm ),   1  Vm   где

(6) (7)

  q kT . Максимальная выходная мощность определяется выражением

 1 1 Pm  I mVm I L VXX  ln(1  Vm )    I L ( Em / q ),     1 1 где Em  q VXX  ln(1   Vm )   .   

(8) (9)

Величина Еm соответствует той максимальной энергии, которая выделяется в нагрузке при поглощении одного фотона и при оптимальном согласовании элемента с внешней цепью. Для данного полупроводника плотность тока насыщения JS может быть получена из формулы (3). Минимальное значение JS для Si при 300 К составляет ~10-15 А/см2. При АМ 1,5 плотность тока короткого замыкания Jкз, равную JL, можно получить графически из рис. 4: 

J КЗ  J L ( Eg )  q

 

(dn ph dh )d (h ).

(10)

h  Eg

Результат такого интегрирования показан на рис. 10 (кривая 1) [53]. Если значения JS и JL известны, величину Еm можно получить с помощью численного решения трансцендентных уравнений (4), (7) и (9). Поскольку величина Еm зависит от JS, она зависит также от параметров материала (таких, как τ, D и уровни легирования). Идеальная эффективность преобразования реализуется при оптимальном выборе параметров материала, когда величина JS минимальна. Поведение Еm для полупроводников с различной шириной запрещенной зоны показано на рис. 10 (кривая г). Идеальная эффективность преобразования равна отношению максимальной выходной мощности к внешней мощности (мощности падающего излучения) Рin и может быть определена графически из рис. 10:



Pm I L ( Em / q )   Vm2 I S (q / kT )e qVm / kT  / Pin Pin Pin

(11)

или



Прямоугольник со сторонами Em и n ph Площадь под кривой 1

(11а)

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

где площадь под кривой 1 равна 5,2-1017 эВ/(см2·с). Максимальная эффективность оказывается равной 31 % и достигается при Еg = 1,35 эВ, если использовать параметры материала, характерные для полупроводников типа АIIIВV.

Рис. 10. Зависимость плотности потока фотонов в солнечном спектре от энергии фотона и графический метод определения эффективности преобразования [53]

Рис. 11. Зависимость идеального КПД солнечного элемента от Eg при солнечном освещении (Т=300 К) [62]

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

На рис. 11 приведена зависимость идеальной эффективности солнечного элемента при 300 К от ширины запрещенной зоны [62]. Кривая с отметкой С=1 соответствует АМ 1,5. Небольшие осцилляции на ней связаны с характером поглощения излучения в атмосфере. Предельное значение идеальной эффективности можно также вычислить на основании принципа детального равновесия [63] или в предположении, что потери обусловлены лишь излучательной рекомбинацией [53]. Эти методы также приводят к результатам, близким к получаемым с помощью графического построения и приведенным на рис. 11. Отметим, что кривая эффективности имеет широкий максимум, в пределах которого КПД слабо зависит от Еg. Поэтому все полупроводники, которые имеют ширину запрещенной зоны от 1 до 2 эВ, относятся к материалам, пригодным для создания солнечных элементов. Существует ряд факторов, снижающих идеальную эффективность, вследствие чего реальные значения эффективности преобразования ниже идеальных. 4. Полимер-фуллереновые солнечные элементы 4.1. Принцип работы органических солнечных элементов. Объёмный гетеропереход Органический фотоэлемент имеет многослойную структуру и представляет собой слой активного вещества, расположенный между подложкой, покрытой прозрачным анодом, и верхним металлическим катодом (рис. 12). Из двух электродов под катодом в этом случае подразумевается электрод с более низкой работой выхода. В роли анода чаще всего выступает слой ITO (indium tin oxide) - смесь оксидов индия и олова. Типичный активный слой представляет собой один слой органического материала, двухслойную структуру, или смесь двух (или более) компонент. После поглощения падающего света в объеме активного вещества генерируются носители заряда, которые под действием электрического поля и вследствие диффузии движутся в активном слое и достигают соответствующих электродов.

Рис. 12. Схема органического фотоэлемента В первых полимерных фотоэлементах использовался слой чистого полупроводникового полимера, однако КПД таких устройств не превышал 0,1% [64]. Прорыв в области органических фотоэлементов произошел в 1986 году, когда Танг обнаружил, что эффективности около 1% можно достигнуть, включив в состав фотоэлемента два слоя вещества: электронный донор и электронный акцептор [65]. Основная идея совмещения донора и акцептора (гетероперехода) состоит в использовании двух веществ с различными значениями электронного сродства и потенциала ионизации, что приводит к тому, что в окрестностях гетероперехода может эффективно происходить разделение экситона на свободные электрон и дырку (диссоциация экситона).

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

Диссоциация экситона, возбужденного в доноре, возможна, если электронное сродство акцептора будет больше, чем электронное сродство донора плюс энергия связи экситона (рис. 13). В первом приближении электронное сродство соответствует энергии низшей вакантной молекулярной орбитали (Lowest Unoccupied Molecular Orbital – LUMO) относительно вакуумного уровня. Исторически первой появилась конструкция планарного гетероперехода или так называемого «би-слоя». В фотоэлементах такого типа донор и акцептор представляют собой два отдельных соприкасающихся слоя. На рис. 14 приведены энергетические диаграммы такого устройства в случае разомкнутой (а) и замкнутой (б) внешней цепи.

Рис. 13. Схема энергетических уровней донора и акцептора в активном слое органического фотоэлемента Падающие фотоны, поглощающиеся внутри устройства, возбуждают экситоны в фазе донора (1). Экситон движется вследствие диффузии внутри донорного слоя (3). Если экситон достигает границы донора и акцептора, он может диссоциировать, при этом на LUMO акцептора появляется свободный электрон (4).

а)

б)

Рис. 14. Энергетические диаграммы фотоэлемента на основе планарного гетероперехода в случае разомкнутой цепи (а) и в случае замкнутой цепи (б).

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

В этом случае на высшей занятой молекулярной орбитали (Highest Occupied Molecular Orbital – HOMO) донора формируется дырка. Далее свободные носители заряда могут двигаться под действием внутреннего электрического поля и/или вследствие диффузии (электроны по фазе акцептора, а дырки по фазе донора) (5), после чего они собираются на соответствующих электродах (6) и дают вклад в фототок. Если экситоны были возбуждены далеко от границы слоев донора и акцептора, они могут исчезнуть за счет рекомбинации формирующих их электронов и дырок прежде, чем произойдет их диссоциация (2). Таким образом, необходимо, чтобы экситоны образовывались рядом с границей донора и акцептора на расстоянии не больше длины диффузии, соответствующей их времени жизни. Так как длина диффузии экситона обычно составляет порядка 10 нм [66], [67], что намного меньше толщины активного слоя, составляющей около 100 нм (толщина, на которой пленка эффективно поглощает падающий свет), большинство экситонов в таких фотоэлементах рекомбинируют, не давая вклад в фототок. Важный шаг в развитии органической фотовольтаики был сделан в 1991 году, когда был предложен объемный гетеропереход, представляющий собой смесь молекул донора и акцептора [57]. В этом случае резко возрастает площадь контакта донора и акцептора, т.е. практически все возникающие в активном слое экситоны могут дать пару свободных носителей заряда до того, как произойдет процесс рекомбинации (2). Таким образом, генерация свободных носителей заряда имеет место по всему объему активного слоя (рис. 15) [68].

а)

б)

Рис. 15. Схема (а) и (б) энергетическая диаграмма фотоэлемента на основе объемного гетероперехода. Пунктирными линиями обозначены энергетические уровни акцептора, сплошными линиями – энергетические уровни донора. Благодаря тому, что практически все образующиеся внутри таких фотоэлементов экситоны дают пару свободных носителей заряда, эффективность фотоэлементов на основе объемного гетероперехода существенно превышает эффективность фотоэлементов на основе планарного гетероперехода. На сегодняшний день объемный гетеропереход рассматривается как наиболее многообещающая концепция в области фотоэлементов на основе полупроводниковых полимеров [69].

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

Следует отметить, что в органических фотоэлементах большую роль играет правильный выбор материалов катода и анода. Для эффективного сбора фотоиндуцированных зарядов уровни Ферми электродов должны быть согласованы с транспортными энергетическими уровнями дырок и электронов таким образом, чтобы катод (анод) образовывал так называемый омический контакт с материалом акцептора (донора). В простейшем случае, уровень Ферми анода, должен совпадать с HOMO материала донора, а уровень Ферми катода – с LUMO акцептора (рис. 15б). Обычно омический контакт для электронов (дырок) образуется, если уровень Ферми электрода лежит не ниже (выше) 0.3 эВ относительно уровня LUMO (HOMO) [70]. На рис. 16 приведена структура солнечного элемента, которая состоит из следующих слоев: 1) используется стеклянная подложка с нанесенным на нее прозрачным проводящим слоем Indium Tin Oxide (ITO), который служит анодом; 2) наносится полимерный слой PEDOT:PSS, который служит для повышения работы выхода (уменьшения барьера для дырок); 3) рабочий слой, который образует объемный гетеропереход, состоящий из полимерфуллерена (P3HT:PCBM); 4) верхний электрод из CaAl, который служит катодом.

Рис. 16. Планарная структура солнечного элемента с объемным гетеропереходом. На рис. 17а показаны фотографии гибкого органического солнечного элемента со структурой PET\ITO\PEDOT:PSS\P3HT:PCBM\CaAl. Как видно на фотографии при проверке солнечного элемента напряжение холостого хода составляло 0,44 В при освещении со стороны катода. Используя ту же технологию получения солнечных элементов, но электролюминесцентные материалы можно создавать органические светодиоды (рис. 17б).

а)

б)

в)

Рис. 17. Солнечный элемент с объёмным гетеропереходом на гибкой ПЭТ плёнке [фотографии автора]

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

Коэффициент полезного действия (КПД) солнечного фотоэлемента можно определить из его вольт-амперной характеристики (ВАХ). Важнейшим показателем эффективности фотоэлемента является точка максимальной мощности Pмакс, располагающаяся в четвертом квадранте ВАХ, где произведение тока и напряжения максимально (рис. 18). Отношение максимальной мощности фотоэлемента Pмакс к произведению тока короткого замыкания (Iкз) и напряжения холостого хода (Vхх) называется фактором заполнения (ФЗ). I

Vмакс Pмакс=Vмакс*Iмакс

Vхх

Iмакс Iкз

Рис. 18. Вольт-амперная характеристика фотоэлемента КПД фотоэлемента равен отношению максимальной электрической мощности Pмакс к мощности падающего излучения (Pсвет):



Pмакс I КЗ  VXX  ФЗ  . Рсвет Рсвет

(12)

Таким образом, КПД фотоэлемента определяется тремя величинами: напряжением холостого хода, током короткого замыкания и фактором заполнения. Еще одной характеристикой солнечного фотоэлемента является эффективность преобразования энергии падающего фотона в пару зарядов на электродах фотоэлемента, которую называют внешней квантовой эффективностью (ВКЭ). Она равна отношению плотности тока короткого замыкания к плотности потока возбуждающих фотонов на определенной длине волны:

ВКЭ 

1240  I КЗ   Рсвет

(13) 2

где λ – длина волны в нм, Iкз – в А/см , а Рсвет – в Вт/см . Измерение ВКЭ на различных длинах волн дает спектральный отклик фотоэлемента.

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

4.2. Способы увеличения эффективности полимер-фуллереновых фотоэлементов В последнее время в качестве перспективных материалов для органических фотоэлементов исследуют смеси полупроводниковых полимеров с фуллеренами. Потенциально низкая стоимость технологии получения данных веществ и изготовления фотоэлементов на их основе, малый удельный вес и возможность нанесения полимерных пленок на гибкие подложки стимулируют работы в области полимер-фуллереновых фотоэлементов. На сегодняшний день в области полимер-фуллереновых фотоэлементов наиболее исследованным и эффективным считается донорно-акцепторный нанокомпозит растворимых производных политиофена (P3HT) и фуллерена С60 (PCBM) [71]. Полупроводниковый полимер в этом случае выступает в роли донора, а фуллерен – в роли акцептора. Производные фуллерена в настоящее время служат незаменимыми компонентами эффективных фотоэлементов на основе полупроводниковых полимеров, их массовое содержание в активном слое обычно составляет величину от 50 до 70% [72]. Фуллерен выполняет две основные функции: разделение зарядов при фотовозбуждении активного слоя и транспорт электронов к катоду. Обе эти функции реализуются очень эффективно, так что внешняя квантовая эффективность фотоэлемента, т.е. число носителей заряда, собранных на электродах, в расчете на падающий фотон превосходит 70% [73]. При этом вероятность диссоциации экситона на свободную электронно-дырочную пару может превосходить 90% [74]. Для фотоэлементов на основе нанокомпозита P3HT/PCBM Vxx≈0.6 В, Iкз≈10 мА/см2, ФЗ=0.55-0.68 [75] при облучении солнечным имитатором (100 мВт/см2). Данные параметры были достигнуты с помощью оптимизации наноморфологии активного слоя фотоэлемента путем тщательного подбора условий приготовления нанокомпозита и его последующего отжига. По-видимому, достигнутые значения эффективности преобразования энергии близки к предельным для данной комбинации производных политиофена и С60, поэтому существенное повышение эффективности требует новых подходов и материалов. Основные ресурсы увеличения КПД заключаются в повышении Vxx и Iкз, поскольку существенно увеличить ФЗ вряд ли возможно. Главным подходом к увеличению КПД полимерных фотоэлементов в настоящее время выступает разработка новых узкозонных полупроводниковых полимеров с шириной оптической щели менее 2 эВ [69], [76]. Вместе с тем, возможен иной подход к задаче повышения КПД, в котором основной акцент делается на оптимизацию свойств производной фуллерена — второго компонента органических фотоэлементов. Фуллерены обладают важнейшими свойствами, необходимыми для фотовольтаического материала:  выраженными электроноакцепторными свойствами, обеспечивающими генерацию долгоживущих свободных зарядов в нанокомпозите с донорным компонентом;  высокой дрейфовой подвижностью электронов  способностью образовывать наноструктурированные тонкопленочные композиты с полимерами и другими органическими соединениями. Для задач фотовольтаики наиболее всего исследованы метанофуллерены [77]. Однако все предпринятые попытки найти более эффективный фуллереновый акцептор для использования в органических фотоэлементах, чем PCBM, пока не были успешными. В настоящей работе впервые исследованы свойства экзоэдральных металлокомплексов фуллеренов (далее МКФ). 46

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

Имеющиеся данные о МКФ позволяют ожидать, что их использование может привести к существенному увеличению КПД органических фотоэлементов на основе полимер-фуллереновых нанокомпозитов. Экзоэдральные металлокомплексы фуллеренов известны с начала 90-х годов прошлого века. Их общая структурная формула представлена на рис. 19. К фуллереновому каркасу с раскрытием связи 6-6 двумя координационными связями присоединен ион металла платиновой группы (M). Остальные незаполненные орбитали металла образуют координационные связи с соответствующими лигандами (L). Число лигандов определяется типом металла. Два лиганда на рис. 19 отвечают, например, иону Pt.

Рис. 19. Структурная формула МКФ Перспективность использования МКФ в органических фотоэлементах определяется их структурными особенностями. Во-первых, ион металла переносит часть электронной плотности на фуллереновый каркас, что приводит к уменьшению электронного сродства фуллерена. Можно показать, что это способствует увеличению Vxx фотоэлемента. Для образцов полимер-фуллереновых фотоэлементов на основе P3HT/PCBM Vxx≈0.6 В при том, что основной вклад в фототок в композите P3HT/PCBM дают фотоны с энергией выше оптической щели P3HT, составляющей Eg≈2 эВ. Если считать, что для эффективной диссоциации фотовозбужденных экситонов в P3HT необходима энергия Δ~0.4 эВ, то e×Vxx может быть приближено к уровню Eg–Δ≈1.6 эВ путем уменьшения энергетического барьера между LUMO полимера и фуллерена при фотоиндуцированном переносе заряда. Действительно, было продемонстрировано, что при определенных условиях Vxx линейно зависит от энергии как HOMO сопряженного полимера [78], так и LUMO фуллерена [79]. Расчеты показывают [80], что, повышая положение LUMO фуллеренового акцептора на величину 0.6–0.7 эВ относительно С60, можно увеличить эффективность фотоэлемента более чем в 2 раза. Из электрохимических данных известно [81], что присоединение иона металла к фуллереновому каркасу приводит к уменьшению электронного сродства до 0.4 В по сравнению с исходным фуллереном. Следовательно, можно надеяться на увеличение напряжения холостого хода, например, на 0.3 В по сравнению с фотоэлементами на основе P3HT/PCBM (рис. 20). 47

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

Рис. 20. Схема энергетических уровней P3HT, PCBM и МКФ Во-вторых, известно, что МКФ имеют существенно более высокое оптическое поглощение в видимом диапазоне, чем исходные фуллерены [82], что может привести к увеличению Iкз фотоэлемента. Ввиду высокой квантовой эффективности диссоциации исходного экситона на свободные заряды в лучших фотовольтаических нанокомпозитах, существенно поднять Iкз можно только за счет увеличения доли поглощенного света в той спектральной области, где поглощение нанокомпозита мало. Основной вклад в оптическое поглощение нанокомпозита обеспечивает полупроводниковый полимер, спектр поглощения которого начинается примерно с 2 эВ (~600 нм). Фуллерен, в частности PCBM, имеет оптическую щель менее 2 эВ, однако его коэффициент поглощения весьма низок. Следовательно, значительная доля солнечного спектра, максимум которого соответствует диапазону 600–900 нм, слабо поглощается нанокомпозитом и не дает вклад в Iкз. На рис. 21 для сравнения приведены спектры поглощения растворов полупроводникового полимера MEH-PPV, производной фуллерена PCBM и металлокомплекса фуллерена с иридием IrC60. Видно, что поглощение МКФ IrC60 в диапазоне 600-900 нм значительно превосходит поглощение PCBM. Таким образом, использование МКФ в качестве акцептора может существенно увеличить Iкз полимерных солнечных фотоэлементов. При этом заслуживают исследования и МКФ на основе С70, т.к. поглощение С70 в видимой области существенно больше, чем С60[83].

Рис. 21. Сравнительные спектры поглощения полупроводникового полимера MEH-PPV, производной фуллерена PCBM и МКФ IrC [84] 60

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

В-третьих, соответствующим подбором лигандов можно обеспечить хорошую растворимость в органических растворителях, что важно для получения оптимальной наноморфологии полимер-фуллеренового композита. Более того, недавно методами спектроскопии фотолюминесценции и фотоиндуцированного поглощения было показано, что в пленках нанокомозитов MEH-PPV с МКФ при фотовозбуждении может происходить эффективная генерация зарядов [85], что указывает на возможность использования МКФ в качестве эффективных компонентов полимер-фуллереновых фотоэлементов. Из всего вышесказанного следует, что МКФ обладают свойствами, способными увеличить КПД полимер-фуллереновых фотоэлементов. Однако для эффективной работы органического фотоэлемента также необходимо наличие омических контактов акцептора (донора) с катодом (анодом). Так как в данной работе предлагается оптимизировать свойства акцептора, возникает вопрос о влиянии материала катода (верхнего электрода) на фотоэлектрические харатеристики полимер-фуллереновых фотоэлементов. Также вещество, претендующее на роль акцептора в эффективном органическом фотоэлементе, должно удовлетворять ряду необходимых для этого критериев, одним из которых является достаточная дрейфовая подвижность электронов. 5. Солнечные элементы, сенсибилизированные красителем В работе [57] была предложена модель солнечного элемента на основе диоксида титана TiO2, красителя на основе трёхмерных комплексов рутения, электролита на основе йода и противоположного электрода с платиновой тонкой плёнкой. Замена элементов платиновой группы для красителя и противоположного электрода является актуальной задачей на сегодняшний день, что позволит сделать процесс изготовления солнечных элементов такого типа более дешевым. Исходя из литературных данных, ZnO имеет более высокую подвижность электронов, чем TiO2. Преимуществом ZnO пленки выращенной электрохимическим методом из водного раствора ZnCl (5 mM) в фоновом электролите KCl (0.1 M), является использование низкотемпературного осаждения из раствора при температуре 70ºС [58]. Другой важной особенностью данного метода, является возможность управлять структурой пленки ZnO - от сплошной (ZnOc) до столбчатой (ZnOp). Третьим преимуществом, является большая подвижность электронов в ZnO, чем TiO2. Схема структуры солнечного элемента сенсибилизированного красителями приведена на рис. 22. Эта ячейка работает следующим образом (рис. 22 (б)): фотон падает на краситель, переводя электрон из валентной зоны в зону проводимости, затем электрон переходит через зону проводимости полупроводника к катоду благодаря диффузии электронов. Полупроводниковый материал, в данном случае на основе ZnO является также блокирующим слоем для дырок. Для того, чтобы возобновить окисленные молекулы красителя, необходим электролит на основе йода. Реакция происходит вблизи противоэлектрода покрытого платиновым катализатором. Разница потенциалов, которая генерируется при освещении равняется разнице между уровнем Ферми для ZnO и редокспотенциалом электролита.

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

а)

б)

Рис. 22. Схема (а) и энергетическая диаграмма (б) солнечного элемента сенсибилизированного красителем. Исходя из литературных данных [86], уровень работы выхода для платины может находиться в следующих пределах – для поликристалла 5,32 эВ, для монокристалла (плоскость (111)) – 5,7 эВ, при покрытии поликристаллической плёнки платины адсорбированным слоем кислорода – 6,55 эВ. Работа выхода для золота: поликристаллическое – 5,1 эВ, монокристаллы (100) – 5,47 эВ, (110) – 5,37 эВ, (111) – 5,31 эВ, при покрытии поликристаллической плёнки золота адсорбированным слоем кислорода – 5,66 эВ. Для изготовления солнечного предъявляются следующие требования:

элемента

сенсибилизированного

красителем

1) большая поверхностная площадь полупроводникового материала (TiO2, ZnO, SnO2, Nb2O5, Al2O3, SiO2, ZrO2, углеродные структуры), которая обеспечивает хемосорбцию значительного количества красителя, что приводит к увеличению поглощения фотонов, однако, в то же время приводит к увеличению вероятности рекомбинационных процессов перехода электрона из зоны проводимости полупроводника к акцепторам в электролит; 2) хорошая связь и перенос заряда между полупроводником и красителем (например, карбоксильные группы), хорошее соответствие энергетических уровней; 3) высокоэффективный краситель, который будет поглощать в широком диапазоне с высоким коэффициентом поглощения, имеет высокий коэффициент фотоэлектронного преобразования, радиационно- и температуростойкий, и способный к многократному окислению-восстановлению; 6. Гибридные солнечные элементы Диссоциация экситонов происходит на границе раздела донор-акцептор. следовательно, увеличивая интерфейс мы можем увеличивать ток короткого замыкания, что приведет к увеличению КПД солнечного єлемента.. Смешивая донор и акцептор (показано на рисунке 23 в центре) называется объёмным гетеропереходом. Для более тщательного контроля разделения фаз донор-акцептор и более эффективного сбора электронов возможно также применять колоночную структуру, которая показана на правом рисунке (рис. 23).

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

Рис. 23. Виды интерфейса донор-акцептор Для того, чтобы увеличить поверхность раздела возможно применение полупроводника со столбчатой структурой, например ZnO. В результате мы получим большую площадь с границей раздела донор-акцептор, а также возможность эффективно собирать носители заряда после диссоциации экситонов. Были предложены так называемые гибридные солнечные элементы, которые содержат как органические, так и неорганические материалы. По своей структуре они напоминают солнечные элементы сенсибилизированные красителем. Пространство между столбчатой структурой заполняется красителем или объёмным гетеропереходом. Они имеют преимущества, так как не содержат внутри электролита, который может испаряться либо закипеть на солнце. В обзоре [87] упоминается, что в зависимости от размера наночастиц возможно управлять шириной запрещенной зоны получаемых полупроводниковых материалов. С другой стороны, используя полимеры, которые являются более дешевыми, чем монокремний, можно получать различные функциональные устройства. Недавно вышел ряд работ [88-91], в которых авторы предприняли попытку создания гибридных солнечных элементов на основе ZnO, полимера P3HT, красителей и фуллерена С60. Основываясь на предыдущих результатах группы профессора Цукасы Йошиды Yoshida’s group (Gifu University, Japan) были получены пористые структуры ZnO используя различные красители (Eosin Y, Rhodamine B и Rhodamine 6G) для создания гибридных солнечных элементов (рис. 24). Работа выполнялась в рамках гранта Great Nagoya. На рис. 24 показаны различные структуры ZnO. Для использования ZnO в солнечных элементах сенсибилизированных красителями применяют наноколоночную стуктуру, с диаметром колонки 5-10 нм. Как выяснилось такая структура не эффективна при создании гибридных солнечных элементом с фуллерен-полимерами P3HT:PCBM, т.к. наносимый полимерный слой не смачивает поверхность оксида цинка. Для гибридный солнечных элементов необходимо применять либо структур ZnO с большим диаметром колонок (50-100 нм), либо проводить предварительную обработку поверхности ZnO поверхностно активными веществами. Структура солнечного элемента, которая показана на рисунке 25, является обратной по отношению к прямой, и имеет преимущества, т.к. возможно использование более стабильных (к воздуху и влаге) верхних электродов. 51

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

Рис. 24. Виды структур оксида цинка, полученного электрохимическим методом из водного раствора, применяя различные красители и варьируя время осаждения.

а)

б)

Рис. 25. Структура (a) и энергетическая структура (b) гибридного СЭ Слой ZnO имеет две функции: 1) он является коллектором электронов и 2) выступает барьерным слоем для дырок. Таблица 1. Основные характеристики гибридного солнечного элемента. Структура ITO/ZnOc(10min)/P3HT:PCBM/Au

ISC, mA/cm2 7.05

VOC, V

η, %

IPCE, % (λ, nm)

0.54

0.47

1.8

53(505)

По сравнению с CaAl контактом, как катодом для структуры ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/CaAl в обратных ячейках (ITO/ZnO/P3HT:PCBM/Au) использование Au электрода приводит к большей стабильности на воздухе. Тем не менее, остаётся множество невыясненных вопросов о взаимодействии красителей с ZnO и об эффективности фотоэлектронного преобразования.

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

Литература 1. Chapin D.M., Fuller C.S., Pearson G.L. A new silicon p-n junction photocell for converting solar radiation into electrical power, J.Appl.Phys., 25, 676 (1954). 2. Raynolds D.C., Leies G., Antes L.L., Marbutger R.E., Photovoltaic effect in cadmium sulfide, Phys.Rev., 96, 533 (1954). 3. Hovel H.J. Solar Cells, in Willardson R.K., Beer A.C. Eds., Semiconductors and Semimetals, V.11, Academic, N.Y., 1975. 4. Backus C.E. Ed., Solar Cells, IEEE Press, N.Y., 1976. 5. Pulfrey D.L. Photovoltaic Power Generation, Van Nostrand Reinhold, N.Y., 1978. 6. Johnston W.D. Jr. Solar Voltaic Cells, Dekker N.Y., 1980. 7. Bachmann K.J. Materials Aspects of Solar Cells, in Kaldis E., Ed., Current Topics in Material Science, Vol.3, North-Holland, Amsterdam, 1979. 8. Зи С. М. Физика полупроводниковых приборов. Кн.1.Пер. с англ. -М. Мир, 1984.- 456 с. 9. Зи С. М. Физика полупроводниковых приборов. Кн.2. Пер. с англ. -М. Мир, 1984.- 456 с. 10. Чопра К., Дас С. Тонкопленочные солнечные элементы: Пер. с англ. С сокращениями. – М.: Мир, 1986. -435 с. 11. S.O.Kasap. Principles of Electronic Materials and Devices. Third edition. McGraw-Hill. 2006. 874 P. 12. Ю П., Кардона М. Основы физики полупроводников / Пер. с англ. И.И. Решиной. Под ред.Б.П. Захарчени. – 3-е изд. – М.:ФИЗМАТЛИТ, 2002.- 560 с. 13. H. Haberlin. Photovoltaics System Design and Practice. Wiley-VCH. - 2012.- 732 p. 14. C.Brabec, V.Dyakonov, U.Scherf. Organic photovoltaics. Materials, Device Physics, and Manufacturing Technologies. Wiley-VCH, 2008, 575 p. 15. C. Lin, W. Su, C. Wu, I. Cheng. Organic, Inorganic and Hybrid Solar Cells: Principles and Practice. Wiley-VCH. - 2012.- 288 р. 16. S. Pizzini. Advanced Silicon Materials for Photovoltaic Applications. Wiley-VCH. - 2012. - 424 р. 17. G. Likhtenshtein. Solar Energy Conversion. Wiley-VCH. - 2012.- 283 р. 18. F. C. Krebs. Stability and Degradation of Organic and Polymer Solar Cells. Wiley-VCH. 2012. - 360 р. 19. R. Martins, E. Fortunato, P. Barquinha, L. Pereira. Transparent Electronics: From Materials to Devices. Wiley-VCH. - 2012.- 312 р. 20. G. Lanzani. The Photophysics behind Photovoltaics and Photonics. Wiley-VCH. - 2012.- 220 р. 21. U. Rau, D. Abou-Ras, T. Kirchartz. Advanced Characterization Techniques for Thin Film Solar Cells. Wiley-VCH. - 2011.- 585 р. 22. C. J. Chen. Physics of Solar Energy. Wiley-VCH. - 2011.- 352 р. 23. R. Scheer, H. W. Schock. Chalcogenide Photovoltaics. Wiley-VCH. - 2011.- 384 р. 24. Luque, S. Hegedus. Handbook of Photovoltaic Science and Engineering, 2nd Edition. WileyVCH. - 2010. - 1162 р. 25. R. C. Alkire, D. M. Kolb, J. Lipkowski, P. Ross. Photoelectrochemical Materials and Energy Conversion Processes, Volume 12, Wiley-VCH. - 2010.- 374 р. (ZnO)

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

26. D. Yan, H. Wang, B. Du. Introduction to Organic Semiconductor Heterojunctions. Wiley-VCH. - 2010. - 256 р. 27. S. Cosnier, A. Karyakin. Electropolymerization. Wiley-VCH. - 2010. - 296 р. 28. N. S. Allen. Photochemistry and Photophysics of Polymeric Materials. Wiley-VCH. – 2010. 689 р. 29. Facchetti, T. Marks. Transparent Electronics: From Synthesis to Applications. Wiley-VCH. 2010. - 470 р. 30. P. A. Lynn. Electricity from Sunlight: An Introduction to Photovoltaics. Wiley-VCH. - 2010. 238 р. 31. V. Quaschning. Renewable Energy and Climate Change. Wiley-VCH. - 2010. - 320 p. 32. D. M. Guldi, N. Martín. Carbon Nanotubes and Related Structures. Wiley-VCH. - 2010. 562 p. 33. P. Würfel. Physics of Solar Cells: From Basic Principles to Advanced Concepts. Wiley-VCH. 2009. - 256 p. 34. M. Pagliaro, G. Palmisano, R. Ciriminna. Flexible Solar Cells. Wiley-VCH. - 2008. - 202 p. 35. R. Wengenmayr, T. Bührke. Renewable Energy. Wiley-VCH. - 2008. - 120 p. 36. M. Kutz. Environmentally Conscious Alternative Energy Production. Wiley-VCH. - 2007. 336 p. 37. J. A. Duffie, W. A. Beckman. Solar Engineering of Thermal Processes, 3rd Edition. WileyVCH. - 2006. - 928 p. 38. J. Poortmans, V. Arkhipov. Thin Film Solar Cells: Fabrication, Characterization and Applications. Wiley-VCH. - 2006. - 502 p. 39. V. Petrova-Koch, R. Hezel, A. Goetzberger. High-Efficient Low-Cost Photovoltaics. Springer. 2009.- 234 p. 40. F. A. Farret, M. G. Simões. Integration of Alternative Sources of Energy. Wiley-VCH. - 2006. 504 p. 41. U. Eicker. Solar Technologies for Buildings. Wiley-VCH. - 2003. - 336 p. 42. R. Brendel. Thin-Film Crystalline Silicon Solar Cells. Wiley-VCH. - 2003. - 306 p. 43. L. Castaner, S. Silvestre. Modelling Photovoltaic Systems Using PSpice. Wiley-VCH. - 2002. 376 p. 44. Goetzberger, J. Knobloch, B. Voss. Crystalline Silicon Solar Cells. Wiley-VCH. - 1998. - 254 p. 45. V. M. Andreev, V. A. Grilikhes, V. D. Rumyantsev. Photovoltaic Conversion of Concentrated Sunlight. Wiley-VCH. - 1997.- 308 p. 46. T. Markvart. Solar Electricity, 2nd Edition. Wiley-VCH. - 2000. - 298 p. 47. A. Kitai. Principles of Solar Cells, LEDs and Diodes: The role of the PN junction. Wiley-VCH. - 2011. - 334 p. 48. T. Markvart, L. Castaner. Solar Cells: Materials, Manufacture and Operation. Elsevier. – 2005. – 556 p. 49. K. Ellmer, A. Klein, B. Rech. Transparent conductive Zinc Oxide. Basics and Applications in Thin Film Solar Cells. Springer-Verlag Berlin Heidelberg. – 2008. – 446 p. 50. A.J.Heeger, N.S.Sariciftci, E.B.Namdas. Semiconducting and metallic polymers. Oxford University Press, 2010, - 278 p. 54

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

51. S. Sun, N. S. Sariciftci. Organic Photovoltaics: Mechanisms, Materials, and Devices, CRC Press, Boca Raton, Florida, 2005, 629 p. 52. http://www.cleandex.ru/files/publications/3100/3105/cleandex_pv_russia_ukraine_2011_rev1.1.pdf 53. M. P. Thekaekara. Data on Incident Solar Radiation // in Proceedings, Twentieth Annual Meeting, The Energy Crisis and Energy from the Sun (Institute of Environmental Sciences, Mt.Prospect, IL, 1974), pp. 21-49. 54. http://www.eyesolarlux.com/Solar-simulation-energy.htm 55. http://solargis.info/imaps 56. Henry C.H. Limiting Efficiency of ideal single and multiple energy gap terrestrial solar cell // J.Appl.Phys., 51, 4494 (1980). 57. B. O’Regan, M.Gratzel. A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films // Nature, V.353, 1991. – pp. 737-740. 58. Yoshida T., Zhang J., Komatsu D. et. al. Electrodeposition of Inorganic/Organic Hybrid Thin Films // Adv. Funct. Mater. – 2009. – Vol. 19, № 1. – P. 17-34. 59. Б.К. Остафійчук, І.Ф. Миронюк, В.О. Коцюбинський та ін.. Сонячні елементи на основі сенсибілізованих барвниками напівпровідників (огляд). // Фізика і хімія твердого тіла, Т.9, №1 (2008), с.11-18. 60. http://www.multiwood.ru/solarsolutions.htm, http://n-wspb.ru/rub_Yelektrika_101101184814.html 61. Prince M.B. Silicon Solar converters, J.Appl.Phys., 26, 534 (1955). 62. Principal Conclusions of the American Physical Society Study Group on Solar Photovoltaic Energy Conversion, American Physical Society, N.Y., 1979. 63. Shockley W., Queisser H.J. Detailed Balance Limit of Efficiency of pn Junction Solar Cells, J.Appl.Phys., 32, 510 (1961). 64. Marks, R.N., et al., The Photovoltaic Response in Poly(P-Phenylene Vinylene) Thin-Film Devices//Journal Of Physics-Condensed Matter, 1994. 6(7): p. 1379-1394. 65. Tang, C.W., 2-Layer Organic Photovoltaic Cel // Applied Physics Letters, 1986. 48(2): p. 183-185. 66. Halls, J.J.M., et al., Exciton Diffusion and Dissociation in a Poly(P-Phenylenevinylene)/C-60 Heterojunction Photovoltaic Cell // Applied Physics Letters, 1996. 68(22): p. 3120-3122. 67. Markov, D.E., et al., Dynamics of Exciton Diffusion in Poly(P-Phenylene Vinylene)/Fullerene Heterostructures // Physical Review B, 2005. 72(4): p. 045216. 68. Brabec, C.J., N.S. Sariciftci, and J.C. Hummelen, Plastic Solar Cells // Advanced Functional Materials, 2001. 11(1): p. 15-26. 69. Peet, J., et al., Efficiency enhancement in low-bandgap polymer solar cells by processing with alkane dithiols // Nature Materials, 2007. 6(7): p. 497-500. 70. Mihailetchi, V.D., et al., Cathode dependence of the open-circuit voltage of polymer: fullerene bulk heterojunction solar cells // Journal of Applied Physics, 2003. 94(10): p. 6849-6854. 71. Hoppe, H. and N.S. Sariciftci, Morphology of Polymer/Fullerene Bulk Heterojunction Solar Cells // Journal of Materials Chemistry, 2006. 16(1): p. 45-61. 72. Nguyen, L.H., et al., Effects of Annealing on the Nanomorphology and Performance of Poly(Alkylthiophene): Fullerene Bulk-Heterojunction Solar Cells // Advanced Functional Materials, 2007. 17(7): p. 1071-1078. 73. Li, G., et al., High-Efficiency Solution Processable Polymer Photovoltaic Cells by SelfOrganization of Polymer Blends // Nature Materials, 2005. 4(11): p. 864-868. 55

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

74. Reyes-Reyes, M., K. Kim, and D.L. Carroll, High-Efficiency Photovoltaic Devices Based on Annealed Poly(3-Hexylthiophene) and 1-(3-Methoxycarbonyl)-Propyl-1-Phenyl-(6,6)C-61 Blends // Applied Physics Letters, 2005. 87(8): p. 083506. 75. Ma, W.L., et al., Thermally Stable, Efficient Polymer Solar Cells With Nanoscale Control of the Interpenetrating Network Morphology // Advanced Functional Materials, 2005. 15(10): p. 1617-1622. 76. Wong, W.-Y., et al., Metallated conjugated polymers as a new avenue towards high-efficiency polymer solar cells // Nature Materials, 2007. 6(7): p. 521-527. 77. Kooistra, F.B., et al., Increasing the Open Circuit Voltage of Bulk-Heterojunction Solar Cells by Raising the Lumo Level of the Acceptor // Organic Letters, 2007. 9(4): p. 551-554. 78. Scharber, M.C., et al., Design Rules for Donors in Bulk-Heterojunction Solar Cells - Towards 10 % Energy-Conversion Efficiency // Advanced Materials, 2006. 18(6): p. 789-795. 79. Brabec, C.J., et al., Origin of the Open Circuit Voltage of Plastic Solar Cells // Advanced Functional Materials, 2001. 11(5): p. 374-380. 80. Koster, L.J.A., V.D. Mihailetchi, and P.W.M. Blom, Ultimate Efficiency of Polymer/Fullerene Bulk Heterojunction Solar Cells // Applied Physics Letters, 2006. 88(9): p. 093511. 81. Lerke, S.A., et al., Electrochemical Studies on Metal Derivatives of Buckminsterfullerene (C60) // Journal of the American Chemical Society, 1992. 114(20): p. 7807-7813. 82. Brady, F.J., D.J. Cardin, and M. Domin, New Organometallic Complexes of Buckminsterfullerene Having Pi-Bonded Nickel, Palladium, or Platinum With Triorganophosphite Ligands, and Their Characterization // Journal of Organometallic Chemistry, 1995. 491(1-2): p. 169-172. 83. Kooistra, F.B., et al., New C-84 Derivative and Its Application in a Bulk Heterojunction Solar Cell // Chemistry of Materials, 2006. 18(13): p. 3068-3073. 84. А.А. Громченко. Солнечные фотоэлементы на основе нанокомпозитов полупроводниковых полимеров с металокомплексами фуллеренов. Дипломная работа, МГУ, 2008, Москва, 66 с. 85. Zapunidi, S.A., et al., Approaches to low-bandgap polymer solar cells: using polymer chargetransfer complexes and fullerene metallocomplexes // J. Pure and Appl. Chem., 2008. 80(10): p. 2156-2161. 86. Физические величины: Справочник / А.П.Бабичев, Н.А.Бабушкина, А.М.Братковский и др. Под. ред. И.С.Григорьева, Е.З.Мейлихова. - М.; Энергоатомиздат, 1991. – 1232 с. 87. S. Gunes, N. S. Sariciftci. Hybrid solar cells // Inorganica Chimica Acta 361 (2008) p. 581–588. 88. V.Saxena, D.K.Aswal, M.Kaur et al. Enhanced NO2 selectivity of hybrid poly(3hexylthiophene): ZnO-nanowire thin films // Applied Physics Letters 90, P.043516-1-043516-3 (2007). 89. P.Ravirajan, A.Peiro, M.K.Nazeeruddin et al. Hybrid polymer/Zink Oxide Photovoltaic devices with vertivally oriented ZnO Nanorods and an amphiphilic molecular interface layer\\ J.Phys.Chem.B 2006, 110, P.7635-7639. 90. K.Takanezawa, K.Hirota, Q.S. Wei et al. Efficient charge collection with ZnO nanorod array in hybrid photovoltaic devices // J.Phys.Chem. C 2007, 111, P.7218-7223. 91. N.Kudo, S.Honda, Y.Shimazaki et al. Improvement of charge injection efficiency in organicinorganic hybrid solar cells by chemical modification of metal oxides with organic molecules // Applied Physics Letters 90, P.183513-1-183513-3 (2007).

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ВЕТРОВОЙ ЭНЕРГЕТИКИ В УКРАИНЕ В.С. Оверко Донецкий национальный университет Донецк, Украина Введение Энергию ветра люди использовали с незапамятных времен. Еще первобытные люди использовали долбленые челноки с парусом. Древние персы задолго до голландцев при помощи ветряков мололи зерно, причем их ветряные мельницы вращались на вертикальной оси. Голландцы многие столетия назад уже использовали ветряки не только для перемалывания зерна, но также для откачки воды из обвалованных понижений ландшафта, на которых возделывали сельскохозяйственные культуры. Лопасти голландских ветряков достигали длины 12 м. Многие ветряные мельницы Голландии, которым сейчас более 500 лет, еще в рабочем состоянии. В 50-х годах XIX ст. в США был изобретен новый тип ветряных мельниц – многолопастный ветряк, а уже к середине ХХ века около 6 миллионов многолопастных ветряков на территории США качали воду из колодцев и давали первое электричество американским фермерам, мололи зерно, давали свет и тепло, помогли подключиться сельским районам к радио. В отдаленных от промышленных центров и городов фермах и поселках, куда нерентабельно или очень сложно проводить линии электропередач, и в настоящее время не только в США, но и в других странах Европы и Азии ветряки эффективно используются в качестве маломощных энергоустановок (откачка воды из колодцев, скважин, освещение, питание электроограждений и др.). До революции 1917 г. в России более 200000 ветряных мельниц производили около 95% муки, десятки тысяч ветряков функционировали в Украине, эффективно используя энергию ветра. В Украине насчитывалось около 30 тысяч «ветряков», которые вырабатывали до 200 тыс. кВт*ч энергии. С началом коллективизации их количество значительно уменьшилось, а к 1988 г. – осталось всего 15! Первый ветроагрегат в бывшем СССР был построен в 1931г., имел мощность 100 кВт и проработал до 1941г. По объективным причинам страна после войны не сумела закрепить успех и развить далее строительство ветроэлектроустановок (ВЭУ). Работы по созданию системы энергообеспечения на основе возобновляемых источников энергии значительно активизировались в Украине в последние годы. На территории бывшего СССР единственным производителем ветроустановок было НПО "Ветроэн" (г. Истра, Московской области), где производился малосерийный выпуск ветроустановок (ВЭУ) малой мощности (2-4 квт). Целенаправленное развитие ветроэнергетики началось в 80-х годах. В 1981 г. Госкомитетом СССР по науке и технике АН СССР была принята общесоюзная научно-техническая программа по развитию возобновляемых нетрадиционных источников энергии (ВНИЭ), а в 1987 году принято постановление Совета Министров СССР, посвященное ветроэнергетике. Этими документами предусматривалось создание к 1990г. ВЭУ мощностью 30, 100, 300, 1000 квт. Практически эта задача выполнена не была.

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

Однако были выполнены разработки установок различной мощности, в том числе ВЭУ мощностью 250 квт, 1000 квт (конструкторское бюро "Радуга" г. Дубны, Московской области), ВЭУ мощностью 200 квт (совместная разработка НПО "Ветроэн" и КБ "Южное"). Минэнерго СССР было принято решение о строительстве в Украине Восточно-Крымской ВЭС мощностью 12,5 МВт. По технологическим, а затем по политическим причинам этот объект не был сооружен. В Украине в 80-е годы развитию ветроэнергетики уделялось мало внимания. Это объяснялось, прежде всего, тем, что в условиях СССР вся инициатива в этом вопросе исходила от Минэнерго СССР, имеющего в своем распоряжении политические и экономические рычаги воздействия. Низкая активность общественного мнения в те годы также не могла влиять на ход событий. Тем не менее, в конце 70-х годов было создано несколько опытных образцов ВЭУ мощностью от 0.2 до 20 квт в Киевском политехническом институте и Институте электродинамики АН Украины. С 1992 года началось строительство Акташской, Черноморской, Аджигольской ветроэлектростанций (ВЭС). Разработкой, производством и внедрением целенаправленно занималось КБ "Южное", где была разработана ВЭУ мощностью 200 квт, АВЭ-250С. На научно-производственном объединении (НПО) "Южное" было изготовлено 24 ВЭУ АВЭ250С. Кроме того, в 1993 году начата реализация проекта строительства Донузлавской ВЭС на базе лицензионной ВЭУ USW-56/100 мощностью 107 квт. В это же время разработкой и производством ВЭУ занялись частные компании. Так, в 1994-1995 г.г. усилиями финансово-промышленной группы "Атика" г. Киев были разработаны и подготовлены к производству ВЭУ мощностью 5, 30, 45 квт. В настоящее время правопреемником является компания "Ветромаш" г.Днепропетровск. Так же в г. Днепропетровске компания "ЭСО" разработала ВЭУ мощностью 20 и 420 квт с вертикальной осью вращения. В настоящее время эти установки находятся в г. Евпатории, работают в экспериментальном режиме. Для организации выпуска на Украине ВЭУ USW-56/100 было создано украинскоамериканское предприятие (СП) "Уиндэнерго Лтд", зарегистрированное 11 декабря 1992 года. С американской стороны в состав СП вошли фирмы "US Windpower " (ветроэнергетическое отделение корпорации "Kenetech") и "Putman, Hayes and Bartlett". Первоначально в состав украинских участников СП предполагалось включение НПО "Укрэнергоресурсы" и "Крымэнерго", однако с изменением законодательства произведена перерегистрация СП с участием Фонда Госимущества Украины. СП "Уиндэнерго Лтд" единственная компания, созданная при участии иностранного инвестора. За этот период делались попытки со стороны иностранных компаний по участию в ветроэнергетических проектах, которые не завершались долговременным сотрудничеством. Это: Украинско-датский проект "Ай-Петри". По контракту Минэнерго Украины и датской фирмы "Genvind" в 1993 году началось строительство ветроустановки GV-270 квт, мощностью 270 квт. В ходе монтажа произошла поломка лопастей, что привело к срыву проекта. В настоящее время датская сторона намерена восстановить ветроустановку в рамках украинско-датского проекта "Завершение строительства ветроагрегата на Ай-Петри", финансируемого грантами датского энергетического агентства. Проведение тематических семинаров и конференций, информационный обмен датскими организациями ветроэнергетического сектора. Наиболее активна в этой области фирма "Genvind Engineering ApS" и "Folkecenter for Renewable Energy".

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

Переговоры компании "Атика" с американской фирмой "Sea West" (1993-1995г. г) на предмет создания СП с целью строительства ВЭС в Крыму. Проект не осуществлен по причинам неблагоприятных законодательных и экономических условий в Украине. Переговоры НПО "Ротор" г. Черкассы с германской фирмой "Genesis" (1996-1997гг) на предмет создания СП для производства безредукторных ВЭУ с переменной частотой вращения ветроколеса. Вопрос не решен из-за отсутствия гарантий возврата инвестиций с украинской стороны. В настоящее время процесс имеет новое начало с украинской стороны в лице "Уиндэнерго Лтд", имеющей намерения вовлечь фирму "Genesis" в совместный проект в рамках "Комплексной программы строительства ВЭС в Украине до 2010 года". В целом международное сотрудничество носит неактивный характер. Низкие темпы развития ветроэнергетики и невозможность установления международного сотрудничества в период до 1996 года можно объяснить отсутствием в эти годы четкой государственной политики в поддержку этого направления. Активизация процессов стала возможной только после принятия некоторых законодательных актов и программных документов на государственном уровне. В целом можно сказать, что сегодня Украина имеет опыт строительства и эксплуатации современных ВЭС. Всего по Украине установлено USW-56\100 112 шт., АВЭ250С-12 шт, ЭСО-0420-1 шт., общей мощностью 13402 квт, за весь срок эксплуатации выработано 15373 Мвт.час электрической энергии, что соответствует 5550 т. у. т.. Качественный сдвиг в развитии данного направления нетрадиционной электроэнергетики в Украине наметился после Чернобыльской катастрофы и получил дополнительный импульс в последние десять лет. К настоящему времени разработана целая серия ветроустановок различной мощности (0,5; 1,5; 2; 4; 10; 25; 80; 100 кВт) и разного назначения. Созданы ветроустановки с горизонтальной осью вращения мощностью 200, 250, 500 и вертикальной осью вращения – 1250 кВт, изготовлено 40 ВЭУ мощностью 200 кВт, предназначенных для работы на линии электропередач. В настоящее время (совестно с американской фирмой «Windpower») реализуется крупный проект создания ветростанции установленной мощностью 500 МВт на базе ВЭУ USW – 56 – 100 (мощность отдельной установки 107,5 кВт, количество 5000 шт.). Ветроэлектростанции этого типа будут размещены в Крыму, где уже установлены и работают на сеть 32 такие установки. 2011 год был довольно успешным для ветроэнергетики Украины. Этот год войдет в историю ветроэнергетики Украины как год реализации в Украине первых частных проектов промышленных ветроэлектростанций (ВЭС). Знаменательным является также тот факт, что впервые в Украине были установлены современные ветротубины мегаваттного класса. Главным катализатором развития ветроэнергетики в Украине в минувшем году был и остается сегодня «зеленый тариф» на продажу электроэнергии, выработанной за счет энергии ветра, действующий в стране с 2009 года. В 2011 году Украина впервые вошла в Рейтинг привлекательности стран с точки зрения возобновляемых энергоресурсов, заняв 32 место. Индексы рассчитываются компанией Ernst & Young для 40 стран. Лидерство в Рейтинге удерживают Китай, США и Германия. Специалисты Ernst & Young выделили Украину, как страну, где после введения «зеленого» тарифа в 2009 году наблюдается устойчивый рост проектов в области возобновляемой энергетики.

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

Введение в эксплуатацию ветротурбин мегаватного класса открывает новые возможности для развития украинского ветроэнергетического сектора, меняя ранее принятую идеологию, сместив акцент с «количества установленных ветротурбин» на «эффективность работы ветротурбины и выработку электроэнергии за счет ветра». Вхождение в Украину таких международных компаний-производителей современных ветротурбин, как Vestas, Siemens, GE Wind, Gamesa, Fuhrlander позволит создать здоровую конкуренцию на рынке, и тем самым привлечь значительно больший интерес к национальной ветроэнергетике со стороны инвесторов. 1. Тенденции мировой ветроэнергетики Согласно ежегодному статистическому докладу по вопросам развития рынка ветроэнергетики, опубликованному на днях организацией Global Wind Energy Council, в 2011 году было установлено более 41 ГВт новых ветрогенераторов, в результате чего общая установленная мощность подобных энергоблоков по всему миру к концу прошлого года составила 238 ГВт. Таким образом, мы стали свидетелями роста ветроэнергетики на 21%, в то время как размер мирового рынка вырос примерно на 6%. В настоящее время около 75 стран мира ввели в эксплуатацию и плодотворно используют ветряные электростанции (ВЭС). 22 из них производят более 1 ГВт энергии. "Несмотря на состояние мировой экономики, ветроэнергетика продолжает оставаться самой популярной из всего объема альтернативной энергетики", говорит Стив Сойер, генеральный секретарь GWEC. "2011 был трудным годом, в 2012 также вырисовывается не совсем благоприятная ситуация, но в долгосрочной перспективе основы отрасли остаются очень прочными. Уже второй год подряд большинство новых объектов создаются за пределами стран-членов Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР). Новые рынки, как то Латинская Америка, Африка и Азия, являются локомотивом роста отрасли."

Рис. 1. Лидеры в области ветроэнергетики (янв. – дек. 2011 г.)

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

"Китай укрепил свои позиции в качестве крупнейшего мирового рынка. Суммарная мощность проданных там энергоблоков составила 62000 МВт, и это несмотря на непростой год. 2011 год был непростым для китайской ветроэнергетической промышленности. Тем не менее, в конце концов, компании показали неплохие результаты. Китайским производителям не только удалось отбить нападки конкурентов, но и стать более устойчивыми к различным проблемам. В этом году отрасль будет адаптироваться к новым требованиям правительства и рыночных игроков. Мы ожидаем, что отрасль увеличиться и станет более конкурентоспособной," отметил Ли Юнфен, генеральный секретарь Китайской ассоциации промышленников, работающих в сфере альтернативной энергетики (Chinese Renewable Energy Industries Association; CREIA). Что касается еще одного крупного игрока в лице Индии, к концу 2011 года там было установлено в общей сложности чуть более 16 000 МВт энергоблоков. "Индия достигла еще одного этапа в развитии ветроэнергетики. В минувшем году в стране было установлено множество ветрогенераторов общей мощностью более 3000 МВт. Темпы ежегодного ввода в эксплуатацию новых генерирующих мощностей могут вырасти до 5000 МВт к 2015 году. Текущие инициативы индийского правительства в области альтернативной энергетики помогут привлечь большое количество частных инвестиций в данный сектор ", сказал Ди Ви Гири, председатель индийской ассоциации производителей ветрогенераторов. В соответствии с докладом Европейской ветроэнергетической ассоциации (EWEA) в 2011 году в странах еврозоны было установлено большое количество энергоблоков общей мощностью 9616 МВт. Теперь все ветрогенераторы региона создают в общей сложности 93957 МВт - достаточно, чтобы удовлетворить 6,3% потребностей в электроэнергии ЕС. Несмотря на экономический кризис, ветроэнергетика по-прежнему является приоритетным направлением развития в Европе. 2011 год оказался стабильным для оффшорной ветроэнергетики. В течение года 235 новых оффшорных ветротурбин общей стоимостью около 2.4 млрд евро были подсоединены к электросети. 19 января 2012 г. в Брюсселе Европейская ветроэнергетическая ассоциация (EWEA) представила свой годовой статистический отчет по оффшорной ветроэнергетике за 2011 год. В данном отчете сказано, что на 9 оффшорных ветроэлектростанциях, расположенных в Европе, были подсоединены к энергосети 235 новых ветроэнергетических турбин суммарной мощностью 866 МВт и общей стоимостью около 2.4 млрд евро.

866

883 584 327

900 800 700 600 500 400 300 200 100 0

2008 2009 2010 2011

Рис. 2. Суммарная мощность установленных оффшорных ветроустановок ЕС 61

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

Годовая установленная мощность оффшорныхх ВЭС, подсоединенных к энергосети за период 2008 – 2011 г.г. показана на рис. 2. Так же 9 оффшорных ветростанций, находящихся на данный момент на стадии строительства, «добавят» еще 2375 МВт, увеличив, таким образом, общую установленную мощностью оффшорной ветроэнергетики Европы на 62%. На сегодня в 10 странах Европы на 53 ветроэлектростанциях к сети подсоединена 1371 оффшорных ветротурбин, общей мощностью 3813 МВт. По мнению EWEA к 2020 году в Европе должно быть установлено 40 000 МВт мошности оффшорной ветроэнергетики, вырабатывающих около 4% электроэнергии, потребляемой в евросоюзе. «В 2011 году рынок оффшорного ветроэнергетического сектора был стабильным, комментирует ситуацию Джастин Уилкес, директор по политическим вопросам EWEA, Несмотря на финансовые трудности, наблюдаемые в экономике в целом, в 2011 году кредитное финансирование без права регресса оффшорных ветропроектов увеличилось с 1.46 млрд евро в 2010 году до 2.05 млрд евро в 2011 году*, что соответствует 40 % росту по сравнению с предыдущем годом». «Значительное количество развивающихся проектов, наблюдаемое финансирование подчеркивают важность для стран продолжать создавать и развивать стабильные долгосрочные рамки для оффшорной ветроэнергетики, содействующие дальнейшему развитию промышленности» - добавил он. Большинство (87%) всех новых установленных и подсоединенных к сети в 2011 году оффшорных ветроагрегатов размещены в акватории Великобритании. На долю Siemens в 2011 году пришлось 80% новых установленных оффшорных ветроэнергетических мощностей. Наиболее активными девелоперами в этом секторе ветроэнергетики были компании SSE, RWE. Компания DONG Energy продолжает оставаться наиболее активным участником в сфере привлечения собственного капитала в оффшорную ветроэнергетику. После трудного 2010 года в секторе ветроэнергетики США было установлено множество энергоблоков мощностью более 6800 МВт. По словам генерального директора Американской ассоциации энергии ветра (AWEA) Дэнис Боде, позиции США в плане долгосрочного развития ветроэнергетики остаются сильными. Страна находится на пути к выполнению плана по вводу новых мощностей. Как прогнозируется, к 2030 году ветроэнергетика будет обеспечивать 20% электроэнергии Америки. По официальным данным, общей мощности установленных в 2011 году ветрогенераторов хватит, чтобы обеспечить достаточно электроэнергии для удовлетворения потребностей почти двух миллионов американских домохозяйств. "Для ветроэнергетики в Канаде минувший год стал рекордным. Мощность вновь установленных энергоблоков в 2011 году превысила рубеж в 5000 МВт. Канада в целом и провинция Онтарио в частности становится очень привлекательным местом для инвестиций в ветроэнергетику. Этому способствуют дальнейшие шаги правительства по улучшению нормативно-правовой базы, что призвано способствовать выполнению агрессивных целей в области развития ветроэнергетики. Канада продолжает обновлять свои электростанции. С каждым годом ветроэнергетика будет играть все большую роль в обеспечении надежной, экономичной и экологически чистой электроэнергии", сказал Крис Форрест, вице-президент Канадской ассоциации ветроэнергетики по связям с общественностью и маркетингу. Для стран Латинской Америки 2011 также был удачным. Там был зафиксирован рост ветроэнергетики в общей сложности на 1200 МВт. Лидирует Бразилия. Мощность

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

установленных в этой стране ветрогенераторов выросла вдвое. Ввод в эксплуатацию новых энергоблоков мощностью 587 МВт означает, что Бразилия теперь производит в общей сложности чуть более 1500 МВт электричества с помощью ветра. Бразилия достигла рубежа в 1 ГВт в середине 2011 года. Проекты общей мощностью более 7000 МВт должны быть завершены до конца 2016 года. По словам Педро Перелли, исполнительного директора Бразильской ассоциации ветроэнергетики (ABEEOLICA), развитие ветроэнергетики в стране стимулируется значительным потоком инвестиций. Этому отчасти способствует кредитная политика BNDES (бразильский национальный банк устойчивого развития). Общая картина динамики ветроэнергетики показана в табл. 1. Табл. 1 Динамика развития ветроэнергетики в странах мира. Суммарная установленная мощность ВЭС, МВт Страна: 2005 г. 2006 г. 2007 г. 2008 г. 2009 г. 2010 г. Китай 1260 2405 6050 12210 25104 41800 США 9149 11603 16818 25170 35159 40200 Германия 18428 20622 22247 23903 25777 27214 Испания 10028 11615 15145 16754 19149 20676 Индия 4430 6270 7580 9645 10833 13064 Италия 1718 2123 2726 3736 4850 5797 Франция 757 1567 2454 3404 4492 5660 Великобритания 1353 1962 2389 3241 4051 5203 Канада 683 1451 1846 2369 3319 4008 Дания 3122 3136 3125 3180 3482 3752 Португалия 1022 1716 2150 2862 3535 3702 Япония 1040 1394 1538 1880 2056 2304 Нидерланды 1224 1558 1746 2225 2229 2237 Швеция 510 571 788 1021 1560 2163 Австралия 579 817 817,3 1306 1668 2020 Ирландия 496 746 805 1002 1260 1748 Турция 20,1 50 146 433 801 1329 Греция 573 746 871 985 1087 1208 Польша 73 153 276 472 725 1107 Австрия 819 965 982 995 995 1011 Бразилия 29 237 247,1 341 606 932 Бельгия 167,4 194 287 384 563 911 Норвегия 270 325 333 428 431 441 Болгария 14 36 70 120 177 375 Венгрия 17,5 61 65 127 201 329 Чехия 29,5 54 116 150 192 215 Финляндия 82 86 110 140 146 197 Литва 7 48 50 54 91 154 Эстония 33 32 58 78 142 149 Украина 77,3 86 89 90 94 87 Россия 14 15,5 16,5 16,5 16,5 16,5

Наиболее динамично развивают данную отрась энергетики Турция, Бразилия и Китай. 63

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

2. Ветровой потенциал Украины Суммарная кинетическая энергия ветра над планетой оценивается величиной порядка 2,431015 кВтч, что в 5 раз превышает современное мировое потребление электроэнергии. Технологии его использования становятся все эффективней, экологичность ветроустановок, по сравнению с ТЭС, АЭС довольно значительна, перспективы ветроэнергетики оцениваются высоко: до 10-12% от общей электроэнергии, вырабатываемой в мире (к 2050 г.) и до 10-25% - от электричества, используемого в США. Данные о ветропотенциале Украины основаны на научных исследованиях, проведенных специалистами Государственного научно-исследовательского и проектноконструкторского Института нетрадиционной энергетики и электротехники (ГосНИИ НЭЭ) Минэнерго Украины, Государственного комитета по энергосбережению Украины, Института электродинамики Национальной академии наук Украины, "Уиндэнерго" (украинскоамериканское СП). Энергия ветра распределена по Украине ветропотенциал значительно выше, чем на севере.

неравномерно.

На

юге

страны

Среднегодовая скорость ветра в приземном слое на территории Украины достаточно низкая – 4,3 м/с. Многие ветроагрегаты начинают вырабатывать промышленный ток начиная со скорости ветра 5 м/с. Если учитывать, что они могут использовать энергию ветра до высоты 50 м (на некоторой высоте от поверхности скорость ветра возрастает), то энергетический потенциал на территории Украины составляет гигантскую величину 330 млрд. кВт и превышает установленную мощность электростанций Украины в 6 тысяч раз. Разумеется, никто не допускает мысли о возможности его полного использования, но все равно эта величина впечатляет. Хотя, следует отметить, что это ориентировочные расчетные данные, поскольку прямые измерения скорости ветра на высотах выше мачты флюгера единичны. Ветровые условия района относительно использования ветра определяются ветроэнергетическим кадастром, который включает различные показатели скорости ветра, обусловленные результатами многолетних наблюдений: среднегодовые и среднемесячные скорости ветра; повторяемость скорости ветровых направлений на протяжении года, месяца, суток. С уменьшением влияния теплых и влажных атлантических воздушных масс, которые поступают на территорию Украины с северо-запада, происходит усиление континентальности климата, что формирует благоприятные условия развития ветроэнергетики. На значение ветроэнергетического потенциала южных и юго-восточных территорий влияет также энергичное перемещение воздушных масс с Черного и Азовского морей, и кроме того – формирование ветров местного значения – в береговой зоне морей. Отдельно следует рассматривать горные территории Украины, для которых характерны большие скорости ветра.

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

На суше наиболее благоприятны с точки зрения использования энергии ветра Крым, Карпаты (Львовская, Ивано-Франковская, Закарпатская, западная часть Черновицкой области), побережье Черного и Азовского морей, (Одесская, Николаевская, Херсонская, Запорожская и Донецкая области), а также Луганская область. Площади территорий, подходящих для сооружения ветроэнергетических объектов оцениваются в 8 - 9 тыс. км кв. На этих территориях при использовании 20 - 30% площадей и при плотности строительства ВЭС 5 -8 МВт/км кв. можно соорудить 8 - 24 тыс. МВт и генерировать 16 - 48 млрд. кВт× час электроэнергии в год.

Рис. 3. Ветропотенциал Украины Гораздо большие площади для строительства ветровых электростанций (ВЭС) есть на прибрежных и внутренних акваториях Украины. Так, только площади незамерзающего зимой мелководного (преобладающие глубины 0,5 м, максимальная - 3,2м,) залива Сиваш целиком не задействованные в хозяйственном использовании составляют 2700 км кв., значительная часть площадей залива длительный период времени (по 2 -3 мес.), особенно летом, стоит без воды. Ветропотенциал Сиваша по данным измерений ГосНИИ НЭЭ с использованием современной ветроизмерительной аппаратуры типа Logger 9200 на высоте флюгера 10 м характеризуется скоростью 5,8 - 6,3 м/с, а на высоте 25 м - 7,2 - 7,6 м/с, что является достаточно хорошим показателем для строительства экономически эффективных ВЭС. При плотности строительства ВЭС 8 - 14 МВт/км кв. здесь можно соорудить 21600 37800 МВт и обеспечить генерирование электроэнергии в объемах от 43,2 -75,6 млрд. кВт×час электроэнергии в год.

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

Кроме Сиваша еще большие территории акваторий с хорошим ветропотенциалом есть на Азовском море (площадь - 60 тыс. км кв.), на Чорном море (Одесская банка, площадь 10 тыс. км кв.; Каркинитский залив, площадь 25 тыс. км кв.), на приморских лиманах и водохранилищах Днепровского каскада ГЭС (площадь суммарная около 8 тыс. км кв.). В целом по площадям мелководных акваторий, пригодных для строительства ВЭС водного базирования Украина находится на втором месте в мире (после Норвегии). Для строительства ВЭС водного базирования в Украине есть ряд других благоприятствующих моментов, в частности в Украине освоена технология наплавного гидростроительства объектов в открытом море, которая может быть легко трансформирована для нужд ветроэнергетики. С учетом возможных объемов инвестиций общую мощность ВЭС, сооруженных в перспективных районах до 2020 года, можно оценить в 16000 МВт с возможным годовым объемом производства энергии около 32 млрд кВт.ч/год, что составляет 18% от общего объема современного производства электроэнергии в Украине или около 11% с учетом прогноза Министерства экономики Украины по росту потребления и генерации электроэнергии на 2020 год. Простые расчеты показали, что в приморской зоне Украины, в Донбассе и Южной части степей ВЭУ будут работать 180  200 полных рабочих дней при скорости ветра v = 5 м/с. Соответственно, запасы ветровой энергии составят 2  2,5 тыс. кВт – год/м2.

Рис.4. Среднегодовые скорости ветра на территории Украины Для современного технического уровня ВЭУ используются районы со среднегодовыми скоростями ветра 5 м/с и больше на высоте флюгера равным 10 м. Поэтому предварительная оценка ветровых характеристик территории Украины дается с использованием этого критерия.

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

Анализ данных многолетних наблюдений 214 метеостанций за долгий период времени свидетельствуют о том, что в Украине преобладают ветры от 0 до 5 м/сек (70-90%). Общая мощность перспективных ветроэлектростанций в Украине оценивается в 16000 Мвт с возможной годовой выработкой электроэнергии около 30 млрд. квт/час. При этом мощность ВЭС в составе энергетической системы не должна превышать величины генерирующего резерва, приблизительно 7500 Мвт. По среднегодовым скоростям ветра более 5м/с можно выделить семь регионов и две зоны. К регионам относятся Карпатский, Причерноморский, Приазовский, Донбасский, Западно-Крымский, Восточно-Крымский, к зонам - Харьковская и Полтавская. Карпатский регион выделен с использованием данных двух метеостанций: Пожежевской (Ивано-Франковская область, среднегодовая скорость-5,9 м/с ) и Плай (Закарпатская область-5,8м/с). Обе метеостанции расположены на территории с очень высокими отметками: Пожежевская-1451м и Плай-1330 м. Данные метеостанции основной сети Закарпатского региона показывают, что среднегодовые скорости ветра небольшие и составляют 1,4-3,4 м/с. Причерноморский регион. Это полоса побережья шириной 25-30 км от границы с Румынией до Крыма. Данные сети метеостанций в этой полосе дают среднегодовые скорости ветра более 5 м/с. Приазовский регион располагается вдоль побережья Сиваша и Азовского моря - от Перекопского перешейка до границы с Россией. Ширина полосы от 2-х до 25 км. Наибольшие значения показателей среднегодовой скорости ветра зафиксировано метеостанцией в г. Мариуполе- 6,1м/с. Донбасский регион начинается от Луганска (среднегодовая скорость-5,7 м/с) и распространяется до соединения с Приазовским регионом. Регион выделен по данным 5 метеостанций и относится к центральной части Донецкого кряжа. Западно-Крымский регион распространяется вдоль западного побережья Крыма, где по данным метеостанций средняя скорость ветра составляет 5,4 м/с. Восточно-Крымский регион. Это Керченский полуостров восточное предгорье Крымских гор и часть Арабатской стрелки. В регионе три метеостанции, в том числе метеостанция Мысовое, где среднегодовые скорости ветра составляют 6,2 м/с. Горный Крым. В горах и на южном берегу Крыма очень компактная сеть метеостанций, данные которых дают довольно пеструю картину распределения ветра, что характерно для горной местности. Первичный анализ показывает, что среднегодовые скорости около 5 м/с зарегистрированы на метеостанциях, открытых ветрам юго-западного направления и частично-Северного. Харьковская зона определена по данным одной метеостанции (г. Харьков). Анализ данных и орографии местности свидетельствуют о возможности образования площадок возле города, особенно в северо-восточном направлении со скоростями ветра больше 5 м/с. Полтавская зона выделена по данным одной метеостанции в г. Полтаве (5 м/с).

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

Как видно из выше изложенного материала, районирование территорий размещения ветроэлектростанций и оценка ветроэнергетических ресурсов в Украине ведется на основании среднегодовых скоростей ветра с общим орографическим анализом. Компьютерные технологии, позволяющие произвести детальные исследования в вопросах определения ветроэнергетического потенциала, не применялись. Исключение из этого составляет Крым, занимающий лидирующее положение в вопросах развития ветроэнергетики. По инициативе Совета министров Автономной Республики Крым (АРК) в рамках программы TACIS, проводимой Европейской Комиссией, с участием фирм: SOGELERG INGENIERIE (Франция), Conphoebus (Италия) с использованием программы WAsP (фирма Riso, Дания) был создан ветроатлас Крыма первого уровня, где были определены наиболее перспективные площадки для строительства ВЭС в Крыму. В целом территориальные особенности Украины и ветровые условия благоприятны для строительства ветроэлектростанций. Крайне необходимо использование современных компьютерных технологий для оценки ветрового потенциала и выбора площадок ВЭС. Следует отметить, что в рамках работ программы TACIS крымской стороне был передан полный пакет программы WAsP. Анализ данных по ветровой эффективности Украины свидетельствует о больших потенциальных возможностях и необходимости развития ветроэнергетики для электро- и теплоснабжения, в первую очередь, автономных сельскохозяйственных потребителей. ВЭР мощностью до 1 кВт достаточно для обеспечения энергией подсобного хозяйства. Серия установок общей мощностью 150 – 200 кВт обеспечит 50% потребности в электроэнергии поселка с населением 1000 человек, позволит сэкономить до 300 тыс. кВт в год. Установка мощностью 50  60 кВт решит остальные проблемы его энергоснабжения (теплом, водой и т.д.), при этом экономится еще до 200 тыс. кВт/год электроэнергии. 3. Динамика роста ветроэнергетических мощностей Украины в 2011 году Согласно данным Республиканского комитета по топливу и энергетике АР Крым, Национальной комиссии, осуществляющей государственное регулирование в сфере энергетики (НКРЭ), в 2011 году установленная мощность ветроэнергетики Украины увеличилась на 66,1 МВт. Таким образом, общая установленная ветроэнергетическая мощность Украины на конец 2011 года достигла 151,1 МВт (2,5 МВт были демонтированы) по сравнению с 87,5 МВт в 2010 году, что соответствует 73% роста ветроэнергетических мощностей. Отличительной чертой 2011 года является тот факт, что практически все новые ветроэнергетические мощности (65,5 МВт) были введены в эксплуатацию в рамках развития частных ветроэнергетических проектов, реализуемых компаниями ООО «Ветряной парк Новоазовский», ООО «Ветряной парк Очаковский», ООО «Виндкрафт Украина». Исключение составляет одна турбина Turbowinds T600-48 мощностью 600 кВт, установленная на Черноморском участке Донузлавской ВЭС, АР Крым. До 2011 года развитие ветроэнергетики Украины осуществлялось исключительно в рамках Государственной комплексной программы строительства ветроэлектростанций.

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

Табл. 2. ВЭС, подсоединенные к энергосети в рамках Комплексной программы (100% государственного капитала) Название ВЭС Новоазовская ВЭС

Регион Украины

Начало строительства

Проектная мощность, МВт

Установленная мощность на конец 2011, МВт

Донецкая область АР Крым

1998

21,8

1993

100 45 50 5 42 17 25 70

18,3 10,9 6,2 1,2* 26,0 20,0 6,0 16,7

9,6 271,6

2,8 85,6

ГП «Донузлавская ВЭС» участок Донузлавский участок Судакский участок Черноморский ЭТУ «Водэнергоремналадка» АР Крым Мирновская ВЭС Пресноводненская ВЭС АР Крым Тарханкутская ВЭС Предприятие «28 Управление начальника робот» ГП “Восточно-Крымская ВЭС” АР Крым Всего:

1996 2001 2008

* 0.6 МВт были введены в эксплуатацию в 2011 году Табл. 3. Новые ВЭС, введенные в эксплуатацию в 2011 году (100% частный капитал) Название ВЭС Ветряной парк Новоазовский Ветряной парк Очаковский Новороссийская ВЭС Всего:

Регион Украины

Начало строительства

Проектная мощность, МВт

Донецкая область Николаевская область Херсонская область

2010

57,5

Установленная мощность на конец 2011, МВт 37,5

2011

125,0

25,0

2011

24,0

3,0

206,5

65,5

Всего на конец 2011 года всеми ветростанциями Украины было выработано 88,984 МВт·ч электроэнергии. 4. Экологический эффект использования ветроэнергетики В экологическом плане развитие ветроэнергетики в Украине создает перспективы реального уменьшения уровня применения ископаемого топлива, за счет чего уменьшаются уровни вредных выбросов и загрязнения окружающей среды, это будет содействовать эффективному выполнению ряда ратифицированных международных договоров, таких как Конвенция о трансграничном загрязнении атмосферы на большие расстояния, Протоколу о сокращениях выбросов серы на 30%, Протоколу об ограничениях выбросов азота или его трансграничного потока. Сегодня тепловые электростанции на территории Украины выбрасывают в атмосферу 76% оксидов серы, 53% оксидов азота и 26% твердых частиц в отношении к общим выбросам стационарных установок. Один миллион квт. электрической мощности атомных электростанций (АЭС) выбрасывает в окружающую среду не менее 2 млн. квт неиспользуемой тепловой мощности.

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

Безвозвратные потери воды при эксплуатации АЭС блока составляют 30 млн. куб. м в год. Только за счет выполнения "Программы строительства ВЭС в Украине до 2010 года" размеры замещения ископаемого топлива составят : в 2000г-160,1 тыс. т.у.т, в 2005г-872 тыс.т.у.т, в 2010г-2306,0 тыс. т.у.т. При полном выполнении Программы эти значения вырастут более чем в 2 раза. В соответствии с договоренностями в Киото, Украина имеет возможность продавать право на объемы эмиссии парниковых газов другим государствам, а полученные средства в будущем вкладывать в переоборудование вредных производств. По данным "Уиндэнерго Лтд ", в случае реализации программ развития ветроэнергетики в Украине, стоимость проданных прав на выбросы СО2 за период с 1999 по 2010 год может составить 10433,4 млн.грн. или 2641 млн. долларов США. Особенно важен экологический аспект для курортно-туристических зон Украины, расположенных на юге и в Карпатах, являющихся наиболее благоприятными для строительства ВЭС. По данным экспертов TACIS в соответствии с результатами 2-сценариев развития энергопроизводства на ВЭС Крыма, экономия топлива может составить 233 ТДж/год и 480 ТДж/год. Объемы возможного сокращения выбросов углекислого газа, окислов серы и азота, с учетом среднего характерного для Крыма показателя и используемого типа топлива приведены в таблице. Табл. 4. Объемы сокращения выбросов по различным типам топлива Объемы выбросов в т/ТДж Вещество Уголь Нефть Природный газ СО2 256763 201816 135974 SО2 4500 4263 NО2 474 0842 158 Твердые частицы 7718 0270 8 Средняя мощность СО2 SО2 NО2 Твердые частицы

Объемы сокращения выбросов в т/год 59848 47040 1049 994 110 196 1799 63

Средняя мощность СО2 SО2

Объемы сокращения выбросов в т/год 123331 96938 2161 2048

65312

NО2

228

404

Твердые частицы

3707

130

31693 37 2

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

5. Существующие барьеры развитию ветроэнергетики в Украине Проблемы, мешавшие более успешному продвижению ветроэнергетики Украины в прошлом году: несовершенство законодательства, ограничения по подключению новых мощностей к энергосетям, отсутствие единых требований относительно этапов реализации ветроэнергетических проектов, политическая нестабильность и отсутствие государственных гарантий. Одним из главных барьеров современного ускоренного развития ветроэнергетического сектора на сегодня и главным расхождением между политикой ЕС и Украины является требование о «местной составляющей», предусмотренной Законом Украины «О внесении изменений в Закон Украины «Об электроэнергетике» относительно стимулирования использования альтернативных источников энергии», который предусматривает применение «зеленого тарифа» при условии, что, начиная с 1 января 2012 года, удельный вес сырья, материалов, основных средств, работ и услуг украинского происхождения в стоимости строительства соответствующего объекта электроэнергетики, производящего электрическую энергию с использованием альтернативных источников энергии, составляет не менее 15%, с 1 января 2013 года - 30%, а с 1 января 2014 года – 50%. Именно это требование создает серьезный барьер для вхождения западных инвесторов в украинский рынок ветроэнергетики. На данный момент в Украине не существует национального производства современных ветротурбин мегаваттного класса, которое способно было бы удовлетворить спрос развивающегося ветроэнергетического сектора и непосредственно требования действующего законодательства. Еще одним противоречием между политикой Украины и ЕС в реализации ветроэнергетических проектов является отсутствие четких правил подготовки и реализации ветроэнергетических проектов на основе европейских и мировых стандартов. Современная ветроэнергетика предусматривает неукоснительное соблюдение ряда обязательных правил по реализации ветроэнергетического проекта, без выполнения которых ни одна международная финансовая организация не станет вести переговоры по финансированию проекта. Несовершенство существующей разрешительной системы, начиная с выдачи Технических условий на подключение ВЭС к электросетям объединенной энергетической системы (ОЭС) Украины, заканчивая земельными вопросами, и низкий потенциал электросети для присоединения новых энергогенерирующих мощностей являются главными барьерами для инвесторов в Украине. 6. Производство современных ветроэнергетических установок в Украине 6 июня 2011 года в рамках официального визита в Украину Его Королевского Высочества Наследного принца Дании Фредерика состоялся Украинско-Датский бизнесфорум и круглый стол, посвященный вопросам развития ветроэнергетики. В рамках этого мероприятия состоялось подписание Меморандума о взаимопонимании между датской компанией VESTAS TOWERS и Государственным предприятием «Производственное объединение «Южный машиностроительный завод им. А. М. Макарова».

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

Датская компания заинтересована в поставках в Украину своих ветротурбин, и начать производство башен в Украине, ведь ввозить башни из Европы в страны Восточной и Центральной Европы экономически не выгодно. Со стороны Южмаша будет подготовлена техническая база для производства башен ветровых установок. В свою очередь, Vestas Towers обеспечит передачу технологий и обучение производственного персонала завода. Компания Vestas не является единственным производителем ветротурбин, нацеленным на создание производственных мощностей в Украине. В середине ноября 2011 компания Fuhrländer AG объявила о своих планах по производству ветрогенераторов мощностью 2,5 МВт на базе ОАО "Краматорский завод тяжелого станкостроения" (КЗТС), одного из крупнейших изготовителей тяжелых токарных и уникальных станков, Согласно ООО "Фурлендер Виндтехнолоджи", компании зарегистрированной в Украине. КЗТС выпустит около 40 ветротурбин в 2012 году, в то время как первые две ветротурбины мощностью 2,5 МВт были собраны на заводе из комплектующих немецкого производства еще в конце 2011 года. Общий объем предполагаемых инвестиций в данный проект составит 55 млн. евро. Fuhrländer планирует выйти на производство 100 агрегатов в год к концу 2013 г. 7. Изменения в законодательстве Украины Законы Украины, Указы Президента, Постановления Кабинета Министров Украины, принятые в 2011 году, внесли ряд изменений, важных для развития национальной ветроэнергетики. Постановлениями Кабинета Министров Украины № 36 от 24 января 2011 года и № 80 от 9 февраля 2011 года были внесены изменения относительно уполномоченных органов, связанные с изменениями структуры исполнительной власти в Украине. В соответствии с Постановлением № 80 для освобождения от налогообложения НДС и таможенной пошлины энергосберегающих материалов, оборудования, устройств и комплектующих, которые планируется ввезти в Украину, субъект хозяйственной деятельности теперь подает заявление об освобождении от налогообложения, а не заявление о включении в перечень товаров, которые планируется ввезти в Украину. В утвержденном перечне энергосберегающих материалов, оборудования и комплектующих, которые освобождаются от ввозной пошлины и НДС, графы «Единица измерения», «Объем» и «Стоимость» были исключены, что соответствует положениям статьи 197.16 Налогового кодекса Украины. 17 февраля 2011 года Верховная Рада приняла Закон Украины «О регулировании градостроительной деятельности» № 3038-VI. Настоящий Закон устанавливает правовые и организационные основы градостроительной деятельности и направлен на обеспечение устойчивого развития территорий с учетом государственных, общественных и частных интересов. Данным Законом предусмотрено проведение общественных слушаний, создание согласительных комиссий и постоянное информирование общественности обо всех этапах разработки градостроительной документации. Общественным слушаниям подлежат разработанные в установленном порядке проекты градостроительной документации на местном уровне: планы зонирования территорий, детальные планы территорий. Утверждение на местном уровне градостроительной документации без проведения общественных слушаний по проектам такой документации запрещается.

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

Согласно Закону все объекты строительства по сложности архитектурностроительного решения и инженерного оборудования делятся на I, II, III, IV и V категории сложности. Объекты строительства I-III категории сложности не требуют обязательной экспертизы. Обязательную экспертизу проходят объекты IV и V категории сложности. Для начала строительных работ для объектов I-III категории сложности Закон предусматривает Регистрацию в Государственной архитектурно-строительной инспекции (ГАСК). Декларации про начало выполнения строительных работ, для объектов IV-V категории сложности получение Разрешения на проведение строительных работ. Постановление Кабинета Министров Украины № 557 от 27 апреля 2011 года «Порядок отнесения объектов строительства к IV-V категории сложности». Данный Порядок разработан во исполнение ст. 32 Закона Украины от 17.02.11 г. № 3038-VI и устанавливает, что отнесение объекта строительства к соответствующей категории осуществляется проектировщиком и заказчиком согласно строительным нормам и госстандартам на основании класса последствий (ответственности) объекта ДБН В.1.2-142009). Постановлением Кабинета Министров Украины № 560 от 11 мая 2011 года утвержден "Порядок утверждения проектов строительства и проведения их экспертизы". Порядок касается утверждения проектной документации объектов архитектуры, разработанной для нового строительства, а также для реконструкции, реставрации, капитального ремонта домов и сооружений, технического переоснащения объектов производственного назначения на стадиях проектирования (техникоэкономического обоснования, расчета, эскизного проекта, рабочего проекта). Экспертизу проводят экспертные организации независимо от формы собственности, соответствующие критериям, определенным Министерством строительства и жилищно-коммунальным хозяйством (ЖКХ). 03 июня 2011 года Верховная Рада Украины приняла Закон № 3486-VI «О внесении изменений в Закон Украины «Об электроэнергетике» относительно гарантий государства по стимулированию использования альтернативных источников энергии». Согласно принятому Верховной Радой 03.06.2011 г. Закону «государство гарантирует на законодательном уровне закрепление на весь срок применения «зеленого» тарифа требования относительно закупки всей произведенной электроэнергии по установленному «зеленому» тарифу, а также относительно расчетов за такую электроэнергию в полном объеме, в установленные сроки и денежными средствами в порядке, установленном законом». При этом НКРЭ обязана согласовывать договоры на покупку такой энергии оптовым рынком электрической энергии Украины. 17 июня 2011 года Верховная Рада Украины внесла изменения в статью 171 Закона Украины “Об электроэнергетике” (относительно условий стимулирования производства электроэнергии из альтернативных источников). Согласно новой редакции «указанный порядок стимулирования производства электроэнергии из альтернативных источников энергии применяется при условии, что, начиная с 1 января 2012 года, удельный вес сырья, материалов, основных средств, работ и услуг украинского происхождения в стоимости строительства соответствующего объекта электроэнергетики, производящего электрическую энергию с использованием альтернативных источников энергии, составляет не менее 15%, с 1 января 2013 года – 30%, а с 1 января 2014 года – 50%.

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

18 ноября 2011 года Верховная Рада приняла Закон № 9444/П «О внесении изменений в статью 17-1 Закона Украины «Об электроэнергетике» относительно определения удельного веса украинских товаров в стоимости строительства объекта электроэнергетики. Согласно Закону обязательство относительно 15% «украинской составляющей» с 2012 года будет касаться только тех объектов, строительство которых началось после 01.01.2012 г., а введение в эксплуатацию произошло до 01.01.2013 г. Аналогично, требование о 30% и 50% будет приниматься только для тех объектов, строительство которых началось после 01.01.2012 г., а введение в эксплуатацию произошло после 01.01.2013 г. и 01.01.2014 г. соответственно. Также законом устанавливается, что порядок определения «украинской составляющей» утверждается Национальной комиссией, которая осуществляет государственное регулирование в сфере энергетики Украины. Более того, Законом предусмотрено, что украинское происхождение материалов (товаров) должно быть подтверждено соответствующими сертификатами происхождения. Порядок выдачи сертификатов о происхождении товаров для подтверждения их украинского происхождения в целях настоящего закона утверждается Кабинетом Министров Украины. К сожалению, на конец 2011 года ни Положение НКРЭ о порядке определения удельного веса материалов (товаров), работ и услуг украинского происхождения, использованных для строительства объекта электроэнергетики, который производит электрическую энергию с использованием альтернативных источников энергии, ни Положения КМ Украины о порядке выдачи сертификатов происхождения не утверждены. Кроме того, на сегодняшний день существуют сложности с получением технических условий (ТУ) и соответствующих разрешений на подключение объектов ветроэнергетики в общую энергетическую сеть, отсутствуют отдельные механизмы получения «зеленых» тарифов производителями электроэнергии от «малой» ветрогенерации, отсутствует государственная поддержка как производителей малых ВЭУ, так и тех, кто применяет малые ВЭУ для производства электроэнергии. Постановлением Кабинета Министров Украины № 1005 от 28 сентября 2011 года утвержден перечень товаров собственного производства, 80% прибыли предприятий от продажи которых на таможенной территории Украины освобождается от налогообложения:  ветроэнергетические установки мощностью 1 МВт и выше;  ветроэнергетические установки мощностью 0,5 — 150 кВт для автономного энергообеспечения. 07.07.2011 года Верховной Радой Украины был принят Закон «О внесении изменений в некоторые законодательные акты Украины о национальных комиссиях, осуществляющих государственное регулирование естественных монополий, в сфере связи и информатизации, рынков ценных бумаг и финансовых услуг» № 8403 от 18.04.2011 г. В соответствии с данным Законом 23 ноября 2011 года Указом Президента Украины № 1057 была ликвидирована Национальная комиссия регулирования электроэнергетики Украины.

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

В этот же день Указом Президента Украины № 1059 создано Национальную комиссию, которая осуществляет государственное регулирование в сфере энергетики, и утверждено положение, на основании которого она осуществляет свою деятельность. Сокращенное название комиссии (НКРЭ) оставлено без изменений. 9 декабря 2011 года Верховная Рада Украины приняла Закон Украины «О внесении изменений в некоторые законы Украины относительно обеспечения реализации прав на недвижимое имущество и их обременений при их государственной регистрации», который вступает в силу с 31 декабря 2011 г. Данным Законом перенесено на 01.01.2013 г. вступление в силу норм об изменении порядка государственной регистрации прав на недвижимое имущество и закона «О Государственном земельном кадастре». Таким образом, в течение 2012 года права собственности, права пользования (сервитут, постоянное пользование) земельными участками, договора аренды земельных участков продолжат регистрировать территориальные органы Госземагентства, а права собственности, пользования (найма, аренда) зданиями и строениями, права собственности на объекты незавершенного строительства и т.п. – соответствующие бюро технической инвентаризации. 8. Мероприятия, направленные на популяризацию ветроэнергетики Отличительной чертой 2011 года является тот факт, что практически все новые ветроэнергетические мощности (65,5 МВт) были введены в эксплуатацию в рамках развития частных ветроэнергетических проектов. На протяжении 2011 года практически во всех регионах Украины прошел ряд выставок, конференций, семинаров, форумов, посвященных вопросам развития возобновляемой энергетики и ветроэнергетики в частности. В работе многих из них активное участие принимали представители Украинской ветроэнергетической ассоциации. Главным событием года в области ветроэнергетики Украины стала Вторая международная конференция Украинской етроэнергетической ассоциации (УВЭА) «Факторы, способствующие успешной реализации ветроэнергетического проекта», прошедшая в Киеве 7 октября 2011 года. Конференция проходила в рамках ІІІ Международной выставки «GREENEXPO: Альтернативная энергетика». Около 150 делегатов из Великобритании, Бельгии, Германии, Греции, Австрии, Испании, Польши, Франции, России, Турции и Украины приняли участие в работе этого главного ежегодного мероприятия, проводимого УВЭА. На конференции был рассмотрен весь спектр вопросов – от законодательной базы до уже сегодня реализованных проектов, который интересует участников ветроэнергетического рынка Украины. «Проведение такого мероприятия позволяет не только осветить текущие состояние рынка, но и объединить государственные и бизнес структуры для выработки совместных решений, направленных на успешную реализацию современных ветроэнергетических проектов в Украине», - отметил Глава Правления УВЭА Андрей Конеченков.

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

9. Новые ветроэнергетические проекты 9.1. Ветряной парк Новоазовский, Донецкая область 11 июля 2011 года на побережье Азовского моря в Донецкой области состоялся официальный запуск первых 10 ветротурбин «Ветряного парка Новоазовский». Новоазовский - первый реализованный проект в Украине, где были установлены турбины МВт-ного класса. Инвестиционный проект «Ветряной парк Новоазовский» общей мощностью 57,5 МВт предполагает строительство на территории уже существующей Новоазовской ВЭС 23 ветроэнергетических установок (ВЭУ) производства немецкой компании «Fuhrlander AG» единичной мощностью 2,5 МВт. Реализация проекта запланирована на 2010-2012 годы. На конец 2011 года завершено строительство и введены в эксплуатацию 15 ВЭУ общей мощностью 37,5 МВт. Новоазовская ВЭС - ветровая электростанция, строительство которой было начато в 1997 году, расположена рядом с пос. Безымянное, Донецкой области, на побережье Азовского моря. До запуска нового инвестиционного проекта в эксплуатации находились 169 ветроагрегата USW 56-100 номинальной мощностью 107.5 кВт, изготовленных в рамках реализации Комплексной Программы строительства ВЭС в Украине по лицензии Kenetech WindPower. и шесть ветроагрегатов Т600-48, производства бельгийской фирмы «Turbowinds» с номинальной мощностью 600 кВт. По состоянию на 31 декабря 2010 года общая установленная мощность ВЭС составляла 21,8 МВт. 9.2. Новороссийская ветроэлектростанция, Херсонская область 17 ноября 2011 года ООО "Виндкрафт Украина", являющаяся партнёром компании Celynx, установила первую ветровую установку V-112 мощностью 3 МВт датской компании VESTAS в Скадовском районе Херсонской области. Установка турбины ознаменовала начало реализации первого этапа сотрудничества компаний по реализации ветроэнергетических проектов в Украине. В 2012 году планируется полностью вести в эксплуатацию ветроэлектростанцию мощностью 9 МВт на площадке между селом Новороссийское и поселком Лазурное в Херсонской области. В ходе реализации второго этапа компания планирует ввести в эксплуатацию 18 МВт «береговых» проектов, установив ветротурбины на береговой линии Черного моря.

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

сотрудничество двух компаний нацелено на реализацию В целом ветроэнергетического проекта суммарной установленной мощностью до 300 МВт. 9.3. Ветряной парк Очаковский, Николаевская область 18 декабря 2011 года была введена в эксплуатацию 1-я очередь Очаковской ветроэлектростанции суммарной мощностью 25 МВт (10 ветротурбин производства «Fuhrlander» FL2500). Проект реализуется ООО «Ветряной парк «Очаковский». Компания-производитель ветротурбин не только поставила ветрогенераторы, но также осуществляла технический контроль строительства станции и монтаж оборудования. Первая очередь ВЭС была построена в рекордно короткие сроки - менее шести месяцев. В 2012 году планируется ввести в действие еще четыре площадки в границах территории Очаковской ВЭС общей установленной мощностью 100 МВт. В целом на Николаевскую область приходится около 10% ветропотенциала страны. По оценкам специалистов этот регион является одним из наиболее привлекательных для украинской ветроэнергетики. Кроме Очаковского района значительным ветропотенциалом обладают также территории Березанского и Жовтневого районов Николаевской области. 10. Прогнозы развития ветроэнергетики Украины По данным УВЭА установленная ветроэнергетическая мощность Украины на конец 2012 года может достигнуть 700 МВт. Ветроэнергетические проекты, запланированные к реализации на 2012- 2013 гг. Название ВЭС Ветряной парк Новоазовский Ветряной парк Очаковский Новориссийская ВЭС Конкорд Групп-Казантипская ВЭС Конкорд Групп-Сивашская ВЭС Ботиевская ВЭС

Донецкая область Николаевская область Херсонская область АР Крым

57.5 100 27 100

Установленная мощность на конец 2011, МВт 37.5 25 3 -

АР Крым

180

Запорожская область

200

Регион Украины

Проектная мощность, МВт

Несмотря на необходимость укрепления национальной политики и ускорения распростронения ветроэнергетических технологий, по мнению УВЭА можно будет наблюдать дальнейшие впечатляющие темпы роста национальной ветроэнергетики, особенно в АР Крым, Донецкой и Запорожской областях.

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

Согласно проекту «Обновления Энергетической стратегии Украины на период до 2030 года в области электроэнергетики», подготовленному Государственным агентством по энергоэффективности и энергосбережению Украины в 2011 году, а также расчетам Украинской ветроэнергетической ассоциации, установленная мощность национальной ветроэнергетики к концу 2015 года может достигнуть 4000 МВт, к концу 2020 года – 5600 МВт, что соответствует доли рынка электроэнергетики Украины – 2.23%, 9.3% и 13% соответственно. 11. Малая ветроэнергетика По данным исследования, подготовленного Украинской ветроэнергетической ассоциацией (УВЭА), на конец 2011 года в стране было установлено 1560 ветроагрегатов мощностью от 300 Вт до 20 кВт, на конец 2010 года этот показатель составил 1440. Суммарная установленная мощность работающих в Украине ветроустановок малой мощности достигает 12 500 кВт, что соответствует 8,3% от суммарной установленной мощности всех ветрогенераторов, установленных в Украине. К сожалению, в 2011 году в связи со сложившейся экономической ситуацией в стране наблюдался некоторый спад, как по показателю проданных ветроустановок, так и суммарной мощности, введенной в эксплуатацию за год. Всего в 2011 году в Украине было установлено около 120 ветроагрегатов единичной мощностью в диапазоне 300 Вт - 10-ти кВт, что на 56% меньше по сравнению с 2010м годом (270 ветроустановок). Суммарная мощность ветроагрегатов, введенных в эксплуатацию в 2011 году, составила приблизительно 180 кВт, по сравнению с 600 кВт в 2010 году. Этот факт объясняется ещё и тем, что некоторые поставщики ветрогенераторов китайского производства в 2011 году практически полностью свернули свой импорт и осуществляли поставки ветрогенераторов из складских запасов, оставшихся с 2010-го и даже 2009 годов. В 2011 году количество малых ветрогенераторов украинского производства составило 33 единицы, а импортируемых (в основном производство – Китай) - 80 единиц. С точки зрения установленной мощности, на долю ветроагрегатов украинского производства пришлось 48%, а импортного - 52% соответственно, что подчеркивает существующее на сегодняшний день стремление украинского рынка к ветрогенераторам отечественного производства более высокой мощности. Лидером на рынке малой ветроэнергетики Украины является компания FLAMINGO AERO, доля которой на рынке малой ветроэнергетики Украины в 2011 году составила 30%. 12. Оценка среднегодовой выработки электроэнергии ветроэлектростанциями Первоочередной задачей при выборе места строительства ВЭУ или ветроэлектростанций (ВЭС) является предварительная оценка среднегодовой выработки электрической энергии ВЭУ в случае её безотказной работы, которая позволяет в первом приближении оценить экономические показатели проекта. В дальнейшем, наряду с этим, также необходимо рассмотреть большое количество других аспектов, ключевыми из которых являются вопросы экологичности проекта, а для ВЭС большой мощности – оценка возможности подключения к электрической сети.

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

Существующие методы позволяют с высокой точностью определить годовую выработку ВЭУ или ВЭС в выбранном месте установки. Рассмотрим, в частности, суть метода непосредственного расчета среднегодовой выработки ВЭУ, который состоит в том, что энергия, выработанная ВЭУ за период между соседними измерениями, определяется по формуле

W j  Pj  Tизм ,

(1)

где Pj – электрическая мощность ветроустановки на i-м промежутке, кВт; Tизм – период между измерениями, ч. Значения Pj для каждого промежутка измерения определяются для вычисленной на этом промежутке скорости ветра по энергетической кривой, используемой ВЭУ. Суммарная энергия, выработанная ВЭУ за весь период измерения, вычисляется по формуле

W  W j .

(2)

Метод требует наличия подробных метеорологических данных об изменении скорости ветра в течение нескольких лет (не менее трех) в выбранном месте установки ВЭУ, а значит, установки метеорологических станций и вышек, что не всегда экономически обосновано. Предлагаемая далее методика базируется на распределении скоростей ветра по Рэйлиху и позволяет проводить подобную оценку с инженерной точностью на основе среднегодовой скорости ветра в выбранном месте установки на уровне ступицы ветроколеса ВЭУ. Суть метода состоит в том, что диапазон рабочих скоростей ветра ВЭУ на уровне ступицы её ветроколеса разбивается на промежутки с шагом в 1 м/с. Для каждого из промежутков при заданной средней скорости ветра производится расчет коэффициента распределения Рейлиха по формуле

f y, i

  v  0,5   · i  4 v  e  ср 

  v  0,5   · i  4 v  e  ср 

(3)

где vi – скорость ветра на i-м промежутке, м/с; vср – средняя скорость ветра на высоте ступицы ветроколеса ВЭУ в рассматриваемой местности, м/с. Среднегодовая выработка ВЭУ определяется по формуле

W   f y , i ·Pi ·Tпер ,

(4)

где fy,i – коэффициент Рейлиха для i-го промежутка скорости ветра; Pi – мощность ветроустановки на i-м промежутке скорости ветра, кВт; Тпер – продолжительность рассматриваемого периода, ч.

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

Аналогичным образом, используя распределение Рэйлиха и учитывая энергетические кривые ВЭУ различного типа и различной номинальной единичной мощности, можно построить зависимости идеального, без учета простоя ВЭУ, коэффициента использования установленной мощности этих ВЭУ, отражающего их среднегодовую выработку электрической энергии, от средней скорости ветра на высоте ступицы ветроколеса ВЭУ в месте их установки (рис. 5). Анализ полученных зависимостей показывает, что среднегодовая выработка существенно зависит от типа выбранных к установке ВЭУ, в частности, ВЭУ на базе синхронных машин обеспечивают самый высокий коэффициент использования, при этом у ВЭУ на базе асинхронного генератора двойного питания он выше, чем у ВЭУ на базе асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором. Максимальная рабочая скорость ВЭУ также оказывает существенное влияние на среднегодовую вырабатываемую мощность, что обусловлено отключением ВЭУ и прекращением выдачи ею мощности при скоростях ветра выше максимальной рабочей. В частности, для всех ВЭУ с vкон = 25 м/с максимум годовой выработки ВЭУ находится в районе среднегодовой скорости ветра 14 м/с, для ВЭУ с vкон = 34 м/с — в районе 20 м/с. При этом стоимость ВЭУ с увеличенной максимальной рабочей скоростью ветра превышает стоимость обычных ВЭУ. Поэтому использование таких ВЭУ в составе ВЭС должно быть экономически обосновано, что может быть выполнено с использованием полученных зависимостей (рис. 5). 1

Коэффициент использования, о.е.

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 4

Средняя скорость ветра, м/с

16 20 24 АГ с короткозамкнутым ротором (Vкон=25 м/с) АГ двойного питания (Vкон=25 м/с) АГ двойного питания (Vкон=34 м/с) СГ (Vкон=25 м/с) СГ (Vкон=34 м/с)

Рис. 5. Кривые зависимости коэффициента использования ВЭУ различных типов от среднегодовой скорости ветра в месте установки

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

Литература 1. IRENA Secretariat. “Wind Power.” Working paper. International Renewable Energy Agency, 2012. 2. . Wallasch, Anna-Kathrin, Knud Rehfeldt and Jan Wallasch. "Vorbereitung und Begleitung der Erstellung des Erfahrungsberichtes 2011 gemäß§ 65 EEG." Federal Ministry for the Environment, Nature Conservation and Nuclear Safety, 2011. 3. Barber, Steve and P. Golbeck. “The benefits of a pro-active approach using preventive and predictive maintenance tools and strategies - actual examples and case studies.” WindRisk, n.d. 4. WWEA. Operation and Maintenance. 2006. World Wind Energy Association. August 2012 - http://www.wwindea.org/technology/ch03/estructura-en.htm 5. Marvuglia, A., & Messineo, A. (2012). Monitoring of wind farms’ power curves using machine learning techniques. Applied Energy, 98, 574-583. 6.

German Wind Energy Association. “Two thirds of all operators have full-service contracts.” Wind Energy Market: Yaerbook Service, Technology & Markets 2012, 22nd ed.: 84-91.

7. “Competing for top service.” Wind Energy Market: Yearbook Service, Technology & Markets 2012, 22nd ed.: 68-83. 8. IEA Wind. "2011 Annual Report." Annual report. International Energy Association, 2012. 9. Ветроэнергетика мира - 2011 (Всемирная ветроэнергетическая ассоциация. Отчет о развитии ветроенергетики в 2011 году) 10. Ветроэнергетика мира - 2010 (Всемирная ветроэнергетическая ассоциация. Отчет о развитии ветроенергетики в 2010 году) 11. ТЕМПЫ РОСТА МИРОВОЙ ВЕТРОЭНЕРГЕТИКИ ПАДАТЬ НЕ БУДУТ (GWEC, 2010) 12. Ветроэнергетика в мире, 2009 год ветроэнергетической ассоциацией, март 2010)

(Отчет

подготовлен

Всемирной

13. Ветроэнергетика в мире, 2008 год (Отчет ветроэнергетической ассоциацией, февраль 2009)

подготовлен

Всемирной

14. Количество рабочих мест в ветроэнергетическом секторе Европы удвоится к 2020 году (Пресс-релиз Европейской ветроэнергетической ассоциации, январь 2009) 15. Мировая ветроэнергетика в 2011 году (Пресс-релиз Всемирной ветроэнергетической ассоциации, январь 2010) 16. Модели ветротурбин, установленные в мире на 1 января 2008 года 17. Классификация ветротурбин согласно МЭК 18. Реальная стоимость эксплуатации и обслуживания ветротурбины 19. Об эффективности ветрогенераторов в электроэнергетике Германии / Б.А. Алексеев // Энергетик. – 2004. - №6. – С.31 20. Анализ эффективности ветроэнергетических установок для природных условий Украины / С.Ю. Денисов, А.Е. Денисова, А.С. Мазуренко, И.В. Урядникова // Экотехнологии и ресурсосбережение. - 2003. - №4. - С.7-11. 21. Перспективы развития мировой ветроэнергетики / А.В. Бежан // Промышленная энергетика. – 2007. - №11. - С.40-44. 81

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

22. Экологические преимущества развития ветроэнергетики/ А.В. Бежан // Энергия: экономика, техника, экология: Научно-популярный и общественно-политический иллюстрированный журнал Президиума РАН. - М.: Наука. - ISSN 0233-3619. - 2007. N1. - C. 45-47. 23. Современное состояние и мировые проблемы развития ветроэнергетики / В.Ф. Белей // Энергетик: Производственно-массовый журнал. - М.: НТФ "Энергопрогресс". ISSN 0013-7278. - 2007. - N12. - C. 21-25. 24. Ветроэнергетика в кривом зеркале // Экология и жизнь. – 2004. - №4. – С.58-60. 25. Построение комбинированных схем электроснабжения в сельских населенных пунктах с ветровыми электростанциями / М.И. Гончар // Энергетика и электрификация – 1998. - №4. – С.46-48. 26. Модель энергоэфективної системи теплохладопостачання будівлі за допомогою вітрогеліоустановки з використанням традиційних джерел енергії як компенсуючих / Л.П. Клименко, Н.О. Воскобойнікова // Энергосбережение: Всеукраинский научнотехнический журнал. - Донецк: Издательский дом "Кальмиус". - 2007. - N4. - C. 22-26. 27. Неисчерпаемая энергия: учеб. для студ. Вузов / В. С. Кривцов; Нац. аэрокосм. ун-т "Харьк. авиац. ин-т", Севастоп. нац. техн. ун-т. - Харьков: Изд-во Харьк. авиац. ин-та. - 2003. - ISBN 966-662-044-8 Кн. 2: Ветроэнергетика. - 2004. - 520 с.

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

ANNEX A: GENERAL INFORMATION ABOUT A PROJECT “LOW-CARBON OPPORTUNITIES FOR INDUSTRIAL REGIONS OF UKRAINE (LCOIR-UA)” The project is implemented by the Donetsk National University (Donetsk, Ukraine) - Research and Education Center “Convergence of Nano-, Bio- and Info- Technologies for Sustainable Regional Development”, - and funded by the European Union Thematic Programme for Environment and Sustainable Management of Natural Resources, including Energy (direction “Cooperation in Clean Coal Technology and technology of Carbon Capture and Storage”). CONCEPTION OF PROJECT Ukraine is the seventh country in Europe in terms of CO2, and more than 70% of these emissions result from the energy sector, mainly from the burning of domestic coal (5th report of Ukraine on Climate Change, Kiev, 2009). Most power plants, located in the eastern part of Ukraine, namely in the regions selected for the project. The remaining industries: metallurgy, mining companies and chemical industries - are enormous users of coal for energy and most of these factories are also located in the regions to be studied. In recent decades, in Ukraine there is a reduction of CO2 emissions from industrial production and folding of the regular closing of factories. To revive the industrial sector without excessive increase of CO2, in Ukraine, as well as in the Donbass industrial region in the main, it is necessary to begin implementation of clean coal technologies and technologies of carbon capture and storage (climate technology). The main problem faced by the Ukrainian energy sector is the deterioration of the equipment: a large part of which has been operating for over 50 years. Equipment is already very old, to be adapted to less emission and climate technologies, and thus should be dismantled and replaced by new technologies. Now is the time for Ukraine to update their technology and choose the most effective. So there is a need and the need to enhance knowledge in the area of climate technology for policy-makers, industrialists, engineers and scientists. AIMS OF PROJECT The overall objectives of the project are:  

Encourage and assist the actual implementation of activities to introduce climate technologies in Ukraine; Cooperation in the area of climate technology between Ukraine and the European Community.

The specific objectives are as follows:   

Improve knowledge of Ukrainian context for climate technology; Identify potential targets for the current programs of adaptation to climate technologies Ukraine; Creation of a major stakeholder views on climate technology as a tool to combat climate change.

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

Target groups of selected industrial regions (Donetsk, Dnipropetrovsk, Zaporizhzhya, Luhansk and Kharkiv regions) are:  Regional governments and local authorities;  Administrative and technical staff of regional energy and industrial companies;  Representatives of regional educational and scientific communities;  Students and graduates of natural sciences and economics departments of universities. COMPONENTS OF PROJECT Donetsk National University (DonNU) has three components of the project: 1. Research on a national and regional context the possibilities of using climate technology The results of this section will be reviews of the global context, the existing Ukrainian political trends, laws and regulations; of stakeholders, as well as advice on building climate technologies in Ukraine. 2. Rating: creation of geographic information systems (GIS) To assess the opportunities and challenges of climate deployment of technologies in Ukraine will be created GIS sources and sinks of CO2, but also provided recommendations for the actual implementation of the climate technology for facilities in the industrial regions of Ukraine. 3. Exchange of knowledge Sharing of knowledge created and accumulated during the project implementation will be carried out by organizing and conducting the following activities: educational sessions and round tables for representatives of government and business, for educators, scientists and engineers, an international scientific-practical conference on topical issues of climate change and the use of climate technologies, lectures for undergraduate students and graduate students DonNU. The project will be published: monograph, manuals on the use of climate technologies, quarterly newsletters, as well as to create a Web site aimed at different target groups of the project. For more information contact: Donetsk National University Universitetska str., 24 Donetsk, 83001 Ukraine Tel./fax: +380 (62) 302 9223 E-mail: research.div@donnu.edu.ua Web: http://research.donnu.edu.ua Co-ordinator of project: Dr. Mykola Shestavin Mob. tel.: +380 (50) 217 9443 E-mail: lcoir@ukr.net Web: http://www.lcoir-ua.eu The views expressed on this web-site do not necessarily reflect the views of the European Commission and Government of Ukraine

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

ДОДАТОК Б: ЗАГАЛЬНА ІНФОРМАЦІЯ ПРО ПРОЕКТ «НИЗЬКО-ВУГЛЕЦЕВІ МОЖЛИВОСТІ ДЛЯ ІНДУСТРІАЛЬНИХ РЕГІОНІВ УКРАЇНИ (LCOIR-UA)» Проект виконується за Тематичною програмою Європейського Союзу для довкілля і сталого управління природними ресурсами, зокрема енергією (напрямок „Співробітництво у галузі чистих вугільних технологій і технологій уловлювання і зберігання вуглецю”). Проект реалізується Донецьким національним університетом (м. Донецьк, Україна) Науково-навчальним центром „Конвергенція нано-, біо- та інфо- технологій для збалансованого регіонального розвитку”, та фінансується Європейським Союзом. Концепція проекту Україна є шостою країною у Європі по обсягам викидів CO2, і більше 70% цих викидів є результатом діяльності енергетичного сектора, в основному, за рахунок спалення місцевого вугілля (5-е Повідомлення України з питань зміни клімату, Київ, 2009). Більшість теплових електростанцій розташовані в східній частині України, а саме в регіонах, вибраних для реалізації проекту. Решта галузей промисловості – металургія, гірничодобувні підприємства, а також хімічні виробництва – є величезними споживачами вугілля для отримання енергії і велика частина цих заводів також знаходиться в регіонах, які досліджуватимуться. В останні десятиліття відбувається зниження викидів СО2 в Україні в результаті згортання промислового виробництва і регулярного закриття заводів. Щоб пожвавити промислові галузі без надмірного зростання викидів CO2, в Україні, а також у Донбасі, як в основному індустріальному регіоні, необхідно започаткувати упровадження чистих вугільних технологій і технологій уловлювання і зберігання вуглецю (кліматичні технології). Основна проблема, з якою стикається український енергетичний сектор, є знос устаткування, велика частина якого працює вже більше 50 років. Устаткування є дуже старим, щоб бути адаптованим до менш емісійних кліматичних технологій і, таким чином, повинно бути демонтовано і замінено новими технологіями. Зараз настав час для України відновити свої технології і вибрати найефективніші. Отже, існує потреба і необхідність розширення знань у сфері кліматичних технологій для осіб, що визначають політику, промисловців, інженерів і учених. Целі проекту: Загальні цілі проекту наступні: - Сприяти та допомагати фактичному здійсненню діяльності з впровадження кліматичних технологій в Україні; - Розпочати співпрацю у сфері кліматичних технологій між Україною і Європейським співтовариством. Конкретні цілі полягають у наступному: - Поліпшити знання українського контексту для здійснення кліматичних технологій; - Визначити потенційні об'єкти для актуальних програм адаптації в Україні кліматичних технологій; - Створити в основних зацікавлених сторін усвідомлення про кліматичні технології як інструменти боротьби із зміною клімату.

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

Цільові групи із обраних індустріальних регіонів (Донецької, Дніпропетровської, Запорізької, Луганської та Харківської областей) такі: - Регіональні органи державного управління і органи місцевого самоврядування; - Адміністративний та інженерно-технічний персонал регіональних енергетичних і промислових компаній; - Представники регіональних освітніх та наукових спільнот; - Студенти та аспіранти природничих й економічних факультетів університетів. Компоненти проекту Донецький національний університет виконує три компоненти проекту: 1. Дослідження національного та регіонального контексту можливостей використання кліматичних технологій Результатами цієї частини будуть доповіді про світовий контекст; про існуючі українські політичні рухи, закони та нормативні акти; про зацікавлені сторони, а також рекомендації щодо створення потенціалу кліматичних технологій в Україні. 2. Оцінка: створення географічних інформаційних систем (ГІС) Для оцінки можливостей та перешкод розгортання кліматичних технологій в Україні будуть створені ГІС джерел і поглиначів СО2, а також надані рекомендації із фактичного здійснення кліматичних технологій для об'єктів в індустріальних регіонах України. 3. Обмін знаннями Обмін знаннями, створеними і накопиченими в процесі виконання, буде здійснюватися шляхом організації та проведення наступних заходів: освітньої сесії та круглих столів для представників влади та бізнесу, для освітян, науковців та інженерів; міжнародна науково-практична конференція з актуальних питань зміни клімату та використання кліматичних технологій; лекції для студентів старших курсів і аспірантів. У рамках проекту будуть видані: монографія; огляди основних проблем, що виникають при зміні клімату, та шляхів їх вирішення; навчальний посібник з питань змін клімату та кліматичних технологій; інфо-бюлетені. За проектом створений веб-сайт, спрямований на різні цільові групи проекту. За додатковою інформацією звертайтеся: Донецький національний університет Університетська вул., 24 Донецьк, 83001 Україна Тел./факс: +380 (62) 302 9223 E-mail: research.div@donnu.edu.ua Web: http://research.donnu.edu.ua Координатор проекту: Шеставін Микола Степанович Моб. тел.: +380 (50) 217 9443 E-mail: lcoir@ukr.net Web: http://www.lcoir-ua.eu Думки, відображені у цій публікації, не обов’язково співпадають з поглядами Європейської Комісії та Уряду України

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

ПРИЛОЖЕНИЕ В: ОБЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ПРОЕКТЕ «НИЗКО-УГЛЕРОДНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ДЛЯ ИНДУСТРИАЛЬНЫХ РЕГИОНОВ УКРАИНЫ (LCOIR-UA)» Проект реализуется Научно-образовательным центром «Конвергенция нано-, био- и инфо- технологий для сбалансированного регионального развития» Донецкого национального университета (г. Донецк, Украина), и финансируется Европейским Союзом по Тематической программе Европейского Союза для окружающей среды и устойчивого управления природными ресурсами, в частности энергией (направление «Сотрудничество в области чистых угольных технологий и технологий улавливания и хранения углерода»). Концепция проекта Украина занимает шестое место в Европе по объемам выбросов CO2, и более 70% этих выбросов являются результатом деятельности энергетического сектора, в основном, за счет сжигания местного угля (Пятое Сообщение Украины по вопросам изменения климата, Киев, 2009 г.). Большинство тепловых электростанций расположены в восточной части Украины, а именно в регионах, выбранных для реализации проекта. Остальные отрасли промышленности - металлургия, горнодобывающие предприятия, а также химические производства - огромные потребители угля для получения энергии и большая часть этих заводов также находится в регионах, которые будут исследоваться. В последние десятилетия происходит снижение выбросов СО2 в Украине в результате свертывания промышленного производства и регулярного закрытия заводов. Чтобы оживить промышленные отрасли без чрезмерного роста выбросов CO2 в Украине, а также в Донбассе, как в основном индустриальном регионе, необходимо начать внедрение чистых угольных технологий и технологий улавливания и хранения углерода (климатических технологий). Основной проблемой, с которой сталкивается украинский энергетический сектор, является износ оборудования, большая часть которого работает уже более 50 лет. Оборудование очень старое, чтобы быть адаптированным к менее эмиссионным климатическим технологиям и, таким образом, должно быть демонтировано и заменено новыми технологиями. Сейчас настало время для Украины восстановить свои технологии и выбрать наиболее эффективные. Итак, существует потребность и необходимость расширения знаний в области климатических технологий для лиц, определяющих политику, промышленников, инженеров и ученых. Цели проекта: Общие цели проекта следующие: - Содействовать и помогать фактическому осуществлению деятельности по внедрению климатических технологий в Украине; - Начать сотрудничество в сфере климатических технологий между Украиной и Европейским сообществом. Конкретные цели заключаются в следующем: - Улучшить знания украинского контекста для осуществления климатических технологий; - Определить потенциальные объекты для актуальных программ адаптации в Украине климатических технологий; - Создать у основных заинтересованных сторон понимание климатических технологий как инструмента борьбы с изменением климата. 87

LCOI-Reviews, 2012, No. 05

Целевые группы проекта из избранных индустриальных регионов (Донецкой, Днепропетровской, Запорожской, Луганской и Харьковской областей) таковы: - Региональные органы государственного управления и органы местного самоуправления; - Административный и инженерно-технический персонал региональных энергетических и промышленных компаний; - Представители региональных образовательных и научных сообществ; - Студенты и аспиранты естественных и экономических факультетов университетов. Компоненты проекта Донецкий национальный университет выполняет три компоненты проекта: 1. Исследования национального и регионального контекста возможностей использования климатических технологий Результатами этой части будут обозрения о мировом и региональном контексте, о существующих украинских политических условиях, законах и нормативных актах, о заинтересованных сторонах, а также рекомендации по созданию потенциала климатических технологий в Украине . 2. Оценка: создание географических информационных систем (ГИС) Для оценки возможностей и препятствий развертывания климатических технологий в Украине будут созданы ГИС источников и поглотителей СО2 , а также даны рекомендации по фактическому осуществлению климатических технологий для объектов в индустриальных регионах Украины. 3. Обмен знаниями Обмен знаниями, созданными и накопленными в процессе выполнения проекта, будет осуществляться путем организации и проведения следующих мероприятий: образовательной сессии и круглых столов для представителей власти и бизнеса, для педагогов, ученых и инженеров; международная научно-практическая конференция по актуальным вопросам изменения климата и использования климатических технологий; лекции для студентов старших курсов и аспирантов. В рамках проекта будут изданы: монография; обзоры основных проблем, возникающих при изменении климата, и путей их решения, учебное пособие по вопросам изменения климата и климатических технологий; инфо-бюллетени. По проекту создан веб-сайт, направленный на различные целевые группы проекта. За дополнительной информацией обращайтесь: Донецкий национальный университет Университетская ул. 24 Донецк , 83001 Украина Тел. / Факс: +380 (62) 302 9223 E-mail: research.div @ donnu.edu.ua Web: http://research.donnu.edu.ua Координатор проекта: Шеставин Николай Степанович Моб. тел.: +380 (50) 217 9443 E-mail: lcoir@ukr.net Web: http://www.lcoir-ua.eu Мнения, отраженные в этой публикации, не обязательно совпадают с взглядами Европейской Комиссии и Правительства Украины 88