Технологии крупномасштабной солнечной энергетики

Д.С. Стребков, академик РАСХН

Всероссийский научно-исследовательский институт

электрификации сельского хозяйства

факс (095) 171 19 20

e-mail viesh@dol.ru

 

ABSTRACT

Essential factors, new materials and technologies determing the direction of development and the role of solar energy in future energy generation are considered. The key factors include 20% solar energy conversion efficiency, 50 years operation time of solar power system, 1000 US $/kWp cost of installed capacity, availability of low-cost materials and ecological safety of production and operation, the possibility of 24 hours a day solar electricity generation. New physical principles of solar energy conversion, new technologies of solar grade silicon, solar cells manufacturing and solar modules encapsulation, use of stationary solar concentrators and new method of electric power  transmission for solar – based global power system provide by the end of this century 60 -90% share of solar energy in future global energy production.

АННОТАЦИЯ

Рассмотрены важнейшие факторы, материалы и технологии, определяющие роль солнечной энергии в будущем производстве энергии. Ключевые факторы включают эффективность преобразования солнечной энергии не менее 20%, возможность производства электроэнергии 24 часа в сутки, 50 лет срок службы энергетической системы, цену 1000 американских долларов за киловатт пиковой мощности, доступность и низкая цена материалов для солнечной электростанции и экологическая безопасность производства и работы солнечной электростанции.

Новые принципы преобразования солнечной энергии, новые технологии солнечного кремния, производства солнечных элементов, герметизации солнечных модулей, использование стационарных солнечных концентраторов и новых методов передачи электрической энергии для глобальной солнечной энергосистемы обеспечат к концу столетия  60 -90% долю солнечной энергии в мировом производстве энергии.

Введение

Ресурсы солнечной  энергии огромны и доступны каждой стране. Количество солнечной энергии, поступающей на территорию России за неделю, превышает энергию всех российских запасов нефти, газа, угля и урана. В России и Европе доля солнечной энергии в виде биомассы и гидроэнергии составляет 6% в общем производстве энергии, в развивающихся странах 80% [1].  По терминологии, принятой в ООН, все виды энергии, в основе которых лежит солнечная энергия, называются возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ).

Доля ВИЭ в потреблении энергии в странах ЕЭС должна возрасти до 12% до 2010 г., а установленная мощность солнечных энергетических систем (СЭС) должна увеличиться до 3 ГВт в 2010 г.  Доля ВИЭ, включая  гидроэнергетику, должна составлять 22, 1% в потреблении электроэнергии в странах ЕЭС до 2010 г. В 2003 г. потребление энергии в ЕЭС составляло 2880, 8 ТВтxч. В 2030 г. прогнозируемая установленная мощность СЭС, использующих фотоэлектрический метод  преобразования солнечной энергии в мире составит 300 ГВт при стоимости 1000 евро/кВт и стоимости электроэнергии 0,05-0,12 евро/кВт*ч [2].  Возобновляемые источники энергии будут замещать уголь, нефть, газ и уран в производстве электроэнергии, теплоты и жидкого топлива.

 На Саммите на Окинаве, Япония в июле 2000 года лидеры «большой восьмерки» создали международную специальную груп­пу и группу советников для определения барьеров и подготовки решений для достижения существенных изменений в развитии миро­вой возобновляемой энергетики. В докладе [3], подготовленной специальной группой и утвержденном лидерами большой восьмерки  на Саммите в Генуе в июле 2001 года, поставлена задача за десять лет обеспечить 2 млрд. человек в мире энергией с помощью ВИЭ и предложена концепция электрификации сельского хозяйства развивающихся стран.

Общая стоимость проекта по обеспечению 2 млрд. людей энергией за 10 лет оценивается в 200-250 млрд. долларов. Для сравнения затраты этих 2 млрд. человек в собственную неэффективную и невозобновляемую энергетику: свечи, керосиновые лампы, печи на твердом и жидком топливе, бензиновые и дизельные электростанции составляют около 400-500 млрд. долларов за 10 лет [4]. Лидеры большой восьмерки заявили на Саммите в Генуе в июле 2001 года: «Мы будем предусматривать развитие ВИЭ в наших национальных планах и поддерживать исследования и инвестиции в новые технологии».

Целью работы является определение существенных факторов и технологий, определяющих направления и перспективы развития мировой солнечной энергетики и её роль в энергетике будущего, которая зависит от возможностей разработки и использования новых физических принципов, технологий, материалов и конструкций для создания конкурентоспособных СЭС.

Мы сформировали следующие критерии конкурентоспособности солнечной и топливной энергетики:

—                      КПД солнечных электростанций не менее 20 %

—                      Годовое число часов использования мощности солнечной энергосистемы должно быть равно 8 760 часов. Это означает, что Солнечная энергетическая система должна генерировать электроэнергию 24 часа в сутки 12 месяцев в году.

—                      Срок службы солнечной электростанции должен составлять 50 лет.

—                      Стоимость установленного киловатта пиковой мощности солнечной электростанции не должна превышать 1000 долл. США

—                      Производство полупроводникового материала для СЭС должно превышать один млн. тонн в год при цене не более 15 долл. США/кт.

—                      Материалы и технологии  производства солнечных элементов и модулей должны быть экологически чистыми и безопасными.

Рассмотрим, в какой степени современные цели и направления развития солнечной фотоэлектрической энергетики отвечают вышеуказанным критериям.

Повышение эффективности преобразования солнечной энергии.

Максимальный достигнутый в лаборатории КПД  солнечных элементов (СЭ) на основе каскадных гетероструктур составляет 36,9 % (фирма Спектролаб, США), для СЭ из кремния 24%. Практически все заводы в России и за рубежом выпускают солнечные элементы с КПД 14 -17%. Sun Power Согр. США начала в 2003 г. производство солнечных элементов из кремния размером 125 х 125 мм с КПД  20%.

Разрабатывается новое поколение СЭ с предельным КПД до 93%, использующее новые физические принципы, материалы и структуры. Основные усилия направлены на более полное использование всего спектра солнечного излучения и полной энергии фотонов по принципу: каждый фотон должен поглощаться в полупроводнике с запрещенной зоной,  ширина которой соответствует энергии этого фотона. Это позволит на 47% снизить потери в СЭ. Для этого разрабатываются перспективные СЭ: каскадные из полупроводников с различной шириной запрещенной зоны; с переменной шириной запрещенной зоны; с  примесными энергетическими  уровнями в запрещенной зоне.

Другие подходы к повышению КПД СЭ связаны с использованием концентрированного солнечного излучения, созданием полимерных СЭ, а также  наноструктур на основе кремния и фуллеренов. Предлагается использовать принципы микроволнового преобразования энергии (резонатор – волновод – выпрямитель) для преобразования солнечной энергии [2].

Новые технологии и материалы позволят в ближайшие пять лет увеличить КПД СЭ  на основе каскадных гетероструктур в лаборатории до 40%, в производстве до 26 – 30%, КПД СЭ из кремния в лаборатории до 28%, в промышленности  до 22%.

Повышение числа часов использования установленной мощности СЭС.

Число часов использования установленной  мощности в год составляет для тепловых электростанций в среднем 5200 ч, для ГЭС 1000 – 4800 ч. Для ВЭС 2000 — 3000 ч., для СЭС 1000 – 2500 ч. [5].

Стационарная солнечная электростанция с КПД 20% пиковой мощностью 1 кВт вырабатывает за год в центральной России и в Германии 2000 кВт·ч, в пустыне Сахара до 3500 кВт·ч. При слежении за Солнцем производство электроэнергии при тех же условиях возрастет в России до 2800 кВт·ч/кВт, в Сахаре до 5000 кВт·ч/кВт.  Зависимость вырабатываемой энергии СЭС от времени суток и погодных условий является ахиллесовой пятой СЭС в конкуренции с электростанциями на ископаемом топливе. Поэтому до настоящего времени в крупномасштабных проектах и прогнозах развития солнечной энергетики предусматривалось аккумулирование солнечной энергии путем электролиза воды и накопления водорода.

Мы провели компьютерное моделирование параметров глобальной солнечной энергетической системы, состоящей из трех СЭС, установленных в Австралии, Африке и Латинской Америке, соединенных линией электропередач с малыми потерями (рис. 1). При моделировании использовались данные по солнечной радиации за весь период наблюдений. КПД СЭС принимался равным 20%. На рис. 2 представлен график производства электроэнергии в глобальной солнечной энергосистеме. СЭС генерирует электроэнергию круглосуточно и равномерно в течении года. Размеры каждой из трех СЭС составляют 210 х 210 км, электрическая мощность 2,5 ТВт [6].

Рис. 1  Глобальная солнечная энергетическая система из трех солнечных электростанций

Рис. 2 Производство электроэнергии глобальной солнечной энергосистемой

В связи с развитием объединенных энергосистем в Европе, Северной и Южной Америке и предложениями по созданию глобальной солнечной энергосистемы появились задачи по созданию устройств для передачи тераваттных  трансконтинентальных потоков электрической  энергии. В конкуренцию между системами передачи на переменном и постоянном токе может вступить третий метод: резонансный волноводный метод передачи электрической энергии на повышенной частоте, впервые предложенной Н.Тесла в 1897 г [7].

Резонансная система передачи электрической энергии (рис.3) состоит из двух резонансных высокочастотных трансформаторов Тесла 2 и 4, соединенных однопроводниковой высоковольтной линией 3.

Рис. 3. Резонансная система передачи электрической энергии

С использованием модифицированных трансформаторов Тесла мы разработали резонансную систему  (РС) передачи электрической энергии электрической мощностью 20 кВт длиной 1,7 км. Результаты испытаний РС представлены в таблице  1. КПД РС при передаваемой мощности 20 кВт составил 85%, при мощности 1 кВт – 95 %. Основным источником потерь являются потери в преобразователях частоты 1 и 5 и контурах на входе и выходе РС, которые могут быть снижены до 5 – 7%. Джоулевы потери и потери на излучение в однопроводниковом волноводе незначительны.

Таблица 1

Результаты испытаний резонансной  системы  мощностью 20 кВт

 

 

 

На рис. 4 показана РС с питанием от СЭС мощностью 100 Вт , а на рис. 5  испытание РС с использованием водопроводной воды в качестве однопроводникового  волновода для электроснабжения макета электрического судна в бассейне [10].

Рис. 4.  Резонансная система передачи электрической энергии по однопроводниковому волноводу от солнечной электростанции мощностью 100 Вт

 

Рис. 5. Схема передачи электрической энергии на водный транспорт с использованием водного проводящего канала и испытания макета электрического речного судна в лаборатории ВИЭСХ с использованием водопроводной воды в качестве однопроводного  волновода. Передающий блок имеет электрическую мощность 100 Вт,  напряжение 1 кВ

Увеличение срока службы солнечной электростанции

 Срок службы ТЭС и АЭС составляет 30 – 40 лет. Срок службы полупроводниковых СЭ превышает 50 лет, так как взаимодействие фотонов с атомами и электронами не приводит к деградации кристаллической  структуры и изменению скорости поверхностной и  объемной рекомбинации не основных носителей заряда. Однако солнечные модули (СМ) имеют сроки службы 20 лет в тропическом климате и 25 лет в умеренном климате из-за старения полимерных материалов – этиленвинилацета и тедлара, которые используются для герметизации СЭ в модуле. Для увеличения срока службы модулей необходимо исключить из конструкции модуля полимерные материалы. В новой конструкции солнечного модуля СЭ помещены в стеклопакет их двух  листов стекла, соединенных по торцам пайкой или сваркой. Технология герметизации торцев гарантирует герметичность модуля в течении 50 лет. Для снижения температуры СЭ и оптических потерь внутренняя полость модуля заполнена кремнийорганической жидкостью [9].

Новая бесполимерная технология сборки солнечного модуля была использована для создания эффективной вакуумной прозрачной теплоизоляции (ВПТИ). Солнечные элементы и кремнийорганическая жидкость между стеклами заменены на вакуумный зазор 50 мкм. [10]. При наличии ИК – покрытия на внутренней поверхности стекол сопротивление теплопередачи может быть увеличено в 10 раз по сравнению с одинарным остеклением зданий. Солнечные установки с вакуумным остеклением  будут нагревать воду не до 60° , а до 90°С, т.е. из установок для горячего водоснабжения переходят в новый тип установок для отопления зданий. В теплицах и зимних садах потери энергии уменьшаются на 50 %. Облицовка южных фасадов зданий плитами вакуумной прозрачной теплоизоляцией с селективным покрытием превращает здание в гигантский солнечный коллектор и эквивалентно увеличению толщины стен на 1 метр кирпичной кладки при толщине ВПТИ 12 мм.

 Особенно эффективно использование ВПТИ в южных районах  РФ и в республиках Бурятия, Якутия, где в условиях зимнего антициклона при температуре воздуха — 30°С температура селективного покрытия  при толщине ВПТИ 10 мм составляет + 30° С. Использование ВПТИ в летние месяцы позволит на 50% снизить затраты на кондиционирование зданий.

Снижение стоимости солнечной электростанции

Стоимость установленного киловатта мощности составляет, долл. США/кВт:

ГЭС 1000 – 2500, ТЭС 800 – 1400, ВЭС 800 – 3000, АЭС 2000 – 3000 [7].

Основными компонентами современных СЭС, определяющем их стоимость является солнечный модуль изготавливаемый из СЭ на основе кремния. Стоимость СМ составляет сейчас 3500 – 4000 долл. США/кВт при объеме производства 1 ГВт/год, стоимость  СЭС 6000 – 8000 долл. США/кВт, стоимость СЭС 1000 долл. США/кВт прогнозируется достигнуть в 2020 г [2].

Основные пути снижения стоимости СЭС: повышение КПД СЭС, увеличение размеров СМ и объема производства, снижение стоимости солнечного кремния, снижение расхода солнечного кремния на единицу мощности СЭС, комбинированное производство электроэнергии и теплоты на СЭС.

Максимальный размер солнечного модуля ограничен размерами стекла и составляет сейчас 2,5 х 3 м. при электрической мощности 1 кВт. Объем производства  СМ растет на 30% в год, а их стоимость снизилась с 1976 года в 10 раз.

В России разработана бесхлорная технология производства солнечного поликремния со стоимостью 15 долл. США/кВт, что в два раза ниже, чем стоимость поликремния на европейском рынке (табл. 2) [11]. Сроки создания производства солнечного поликремния объемом 1000 – 5000 т в год по новой технологии  2008 – 2010 гг.

Таблица 2

Бесхлорная технология производства поликристаллического кремния

 

В новой технологии в качестве исходных материалов используются вместо  соляной кислоты  этиловый спирт и металлургический кремний, а в качестве промежуточных компонентов процесса – триэтоксисилан и моносилан. Снижение стоимости происходит благодаря снижению температуры процесса и затрат энергии. При этом значительно улучшаются экологические характеристики производства и увеличивается качество кремния в такой степени, что его можно использовать в электронной промышленности.

Наиболее быстрый путь снижения стоимости и достижения гегаватного уроня производства СЭС заключается в использовании концентраторов солнечного излучения. Стоимость 1 м² площади стеклянного зеркального концентратора в 10 раз меньше стоимости 1 м² площади См. В России разработаны  стационарные концентраторы с коэффициентом концентрации 3.5 – 10 с угловой апертурой 48⁰, позволяющие в пределах апертурного угла концентрировать прямую и рассеянную компоненту солнечной радиации (рис.6-7), [12]. Использование солнечного поликремния низкой стоимости и стационарных концентраторов позволяет сократить сроки достижения стоимости 1000 долл. США/кВт с 2020 до 2015 гг.

                            а)                                                                                  б)

Рис. 6. Оптическая схема симметричного стационарного солнечного концентратора
 с концентрацией 3  (а) и концентрацией 10 (б)

 

Рис. 7 Солнечная электростанция с параболоцилиндрическими стационарными

 концентраторами пиковой мощностью 1 кВт

 

Солнечные электростанции могут обеспечить производственные и жилые объекты электрической энергией, горячей водой и теплом. Коэффициент использования энергии Солнца составляет 50-60% при электрическом кпд 10-15%. Использование стационарных концентраторов позволяет увеличить температуру теплоносителя до 90° и снизить стоимость СЭС до 1000 долл. США/кВт. На основе концентраторных модулей разрабатываются солнечные микро-ТЭЦ для многоквартирных и односемейных домов и промышленных зданий, а также центральные стационарные солнечные электростанции для городов, поселков, сельскохозяйственных и промышленных предприятий.

Повышение эффективности СЭС приводит к снижению затрат энергии и материалов на производство единицы мощности СЭС, размеров и стоимости земельного участка  под строительство СЭС. На рис.8 представлена зависимость стоимости изготовления киловатта установленной мощности солнечных модулей со стационарными концентраторами от КПД. При КПД 20%  стоимость производства становится значительно меньше 1000 долл. США/кВт.

Рис.8. Стоимость стационарного  параболоцилиндрического концентрирующего модуля мощностью 1 кВт, с апертурным углом 36° для северных широт.

 

Увеличение объема производства полупроводникового  материала для СЭС

При современном объеме производства СЭС 1ГВт/год солнечные модули из кремния составляют более 85%  объема производства. По нашим прогнозам, солнечный кремний и в дальнейшем будет доминировать в фотоэлектрической промышленности, исходя из принципа: структура потребления ресурсов в долговременной перспективе стремится к структуре их имеющихся запасов на Земле [13]. Земная кора состоит на 29,5 % из кремния, который занимает второе место по запасам после кислорода.

При объеме производства 100 ГВт в год и расходе солнечного кремния 10 000 т/ГВт мировое потребление кремния составит 1 млн. тонн в год. Кроме рассмотренной ранее бесхлорной химической технологии получения кремния разрабатываются электрофизические методы восстановления солнечного кремния из особо чистых кварцитов с помощью плазматронов. Развиваются новые технологии получения кремния в виде тонких листов, лент, пленок с лазерным раскроем и автоматизацией процесса изготовления СЭ.

Обеспечение экологических характеристик производства СЭС

Человечеству не грозит энергетический кризис, связанный с истощением запасов нефти, газа, угля, если оно освоит технологии использования солнечной энергии. В этом случае будут также решены проблемы загрязнения среды обитания выбросами электростанций и транспорта, обеспечения качественными продуктами питания, получения образования, медицинской помощи, увеличения продолжительности и качества жизни. СЭС создают новые рабочие места, улучшают качество жизни и повышают энергетическую безопасность и независимость владельцев СЭС за счет бестопливного и распределенного производства энергии.

СЭС могут производить экологически чистую энергию в течение миллионов лет, они бесшумны, не потребляют топлива, работают в автоматическом режиме и затраты на их обслуживание такие же незначительные, как на обслуживание электрических трансформаторных подстанций [13].

При использовании СЭС органически сочетаются природные ландшафты и среда обитания с энергетическими установками. СЭС образуют пространственно-архитектурные композиции, которые являются солнечными фасадами или солнечными крышами зданий, ферм, торговых центров, складов, крытых автостоянок.

Разрабатываются технологические процессы производства компонентов СЭС, в которых экологически неприемлемые химические процессы травления и переработки заменяются на вакуумные, плазмохимические, электронно-лучевые и лазерные процессы. Серьезное внимание уделяется утилизации отходов производства, а также переработки компонентов СЭС после окончания срока службы [14].

На рис.9 показано изменение доли солнечной энергетики в мировом энергопотреблении. До 17 века солнечная энергия и энергия сжигания древесины, в которой солнечная энергия аккумулируется благодаря фотосинтезу, были единственными источниками энергии для человека. И сейчас 20% мирового производства энергии основывается на сжигании древесины, энергии рек и ветровой энергии, основой которых является солнечная энергия. Новые принципы преобразования солнечной энергии, новые технологии солнечного кремния, производства солнечных элементов, герметизации солнечных модулей, использование стационарных солнечных концентраторов и новых методов передачи электрической энергии для глобальной солнечной энергосистемы обеспечат к концу столетия 60 -90% долю солнечной энергии в будущем производстве энергии.

 

Рис. 9  Доля солнечной энергии в мировом производстве энергии

 

 

Выводы

1.           Существенными факторами, определяющими направления и перспективы развития солнечной энергетики являются:

1.1.          Обеспечение возможности круглосуточного и круглогодичного преобразования и использования солнечной энергии

1.2.          КПД  СЭС не менее 20%;

1.3.          Увеличение срока службы СЭС до 50 лет;

1.4.          Снижение стоимости пиковой мощности СЭС до величины, не превышающей
1000 долл.США/кВт;

1.5.          В случае использования солнечного поликремния в качестве исходного полупроводникового материала СЭС его стоимость не должна превышать 15 долл. США/кг, при объеме производства не менее 1 млн. тонн в год на 100 ГВт СЭС;

1.6.          Материалы и технологии СЭС должны быть экологически чистыми и безопасными;

2.                       Новые технологии позволяют достигнуть показателей развития солнечной энергетики указанных в п. 1,2 – 1,6 в 2015 г.,  по п. 1.1 в 2100 г.

3.                       Реализация факторов развития и новых технологий приведет к увеличению роли солнечной энергии в конце 21 века до 60 – 70%, в электроэнергетике до 80 – 90%. СЭС в течение миллионов лет будут обеспечивать каждого жителя Земли электричеством, теплом и топливом. Антропогенные выбросы энергетических установок будут снижены до приемлемого для экологии Земли уровня.

 

 

Литература

 

1.                           Стребков Д.С. Возобновляемая энергетика в третьем тысячелетии.// Энергетическая политика, 2001,  №2, с.23 – 27

2.                           Stefan Novak. Photovoltaic in the world. Status and Future Trends. Chairman IEA PVPS. Seminar in PV Research & Technological Development in European Union New Member and Candidate States. Warsaw, Poland 15 Nov. 2004.

3.                           Bezrukikh P.P., Strebkov D.S. et al. 2001 G8 Renewable Energy Task Force Chairmen ‘s Report 61pp. Chaimen Report Annexes 75 pp. Printed by the Italian Ministry of Environment, 2001. 

4.                           Стребков Д.С. Возобновляемая энергетика: для развивающихся стран или для России.// Энергия: экономика, техника, экология, 2002, № 9, с 11-14.

5.                           Кашфразиев Ю.А. Ветроэнергетические установки в России – роскошь или источник энергии// Энергия: экономика, техника, экология. Изд. РАН, 2004,  № 10, с. 34 – 39

6.                           Strebkov D.S.  , Irodionov A.E. Global solar power system. Eurosun – 2004, Freiburg, Germany. 14 Intern. Sonnenforum 2004, Vol. 2 p. 336 – 343

7.                           N. Tecla . Electrical Transformer. US Pat. # 593138, 02.11.1897

8.                           Стребков Д.С., Некрасов А.И. Резонансные методы передачи электрической энергии М: 2004, ВИЭСХ, 185.

9.                           Стребков Д.С., Безруких П.П. Новые экологически чистые энергетические  технологии.// Всероссийский энергетический форум «ТЭК России в 21 веке. Актуальные  вопросы. Стратегические ориентиры». 18 – 19 декабря 2002 г. Сборник докладов М., 2002, с. 95 -98

10.                       Стребков Д.С., Заддэ В.В., Шеповалова О.В. Вакуумные стеклопакеты для окон и солнечных коллекторов.// Возобновляемая энергетика, март 2004, с. 12

11.                       Strebkov D.S. , Zadde V.V., Pinov A.B., Touyryan K., Murphy L. Crystalline Silicon Technology in CIS countries. 11-th Workshop on  Crystalline Silicon Solar Cell Materials and Process. Colorado, August 19-22, 2001, Extended abstracts and papers, NREL, 2001, p. 199-207

12.                       Strebkov D.S., Litvinov  P.P., Tverianovich E.V. Research of functioning of a class of V-shaped stationary concentrators. Eurosun — 2004. Freiburg, Germany 14 Intern. Sonnenforum, Vol. 2 p. 3-072 – 3-078

13.                       Strebkov D.S., Koshkin  N.L. On development of Photovoltaic Power Engineering in Russia Thermal Engineering, 1996, vol. 43, # 5, p. 381-384

14.                       Tsuo Y.S. Touyryan K., Gee J.M., Strebkov D.S, Pinov A.B., Zadde V.V. Environmentally Benign Silicon Solar Cell Manufacturing. 2-nd World Conference and Exhibition on Photovoltaic Solar Energy Conversion. 6 – 10 July 1998, Hofburg Kongresszentrum , Vienna, Austria, p. 1199-1204