Инновационные технологии возобновляемой энергетики

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ВОЗОБНОВЛЯЕМОЙ
ЭНЕРГЕТИКИ
Д.С. Стребков, академик РАСХН
Всероссийский научно-исследовательский институт
электрификации сельского хозяйства
109456 г. Москва, 1-й Вешняковский проезд, д. 2
e-mail: www. viesh.ru, [email protected]
Солнечная энергетика – это самая быстрорастущая отрасль энергетики
в мире с темпами роста 53% в год и объемом производства в 2010 г. 27,2 ГВт
на 50,7 млрд. долл. (табл. 1).
Таблица 1
Мировой солнечный энергетический рынок
2005 2006 2007 2008
Объем производства, ГВт
1,7
2,6
3,9
7,9
Рост производства, %
44
58
50
82
Средняя цена модулей,
3,7 4,21 3,97 4,18
долл./Вт
Средняя цена установленной
7,1 7,67 7,43 7,56
мощности, долл./Вт
Годовой объем продаж,
12 17,9 26,6 50,7
млрд. долл.
Прибыль до уплаты налогов,
3
5,3
7,8 17,4
млрд. долл.
Источник: Photon Consulting www.photon-consultins.com
2009 2010
12,7 27,2
107 118
2011
40,9
42
3,73
3,33
3,06
6,74
6,05
5,66
96
32,6
170,5 228,3
56,3
73,7
Солнечные электростанции (СЭС) с концентраторами в Калифорнии
мощностью 354 МВт работают с 1980 г. и замещают ежегодно 2 млн.
баррелей нефти (1 баррель – 159 л).
Роль солнечной энергии в энергетике будущего определяется
возможностями промышленного использования новых физических
принципов, технологий, материалов и конструкций солнечных элементов,
модулей и электростанций, разработанных в России.
Для того чтобы конкурировать с топливной энергетикой, солнечной
энергетике необходимо выйти на следующие критерии:
• КПД солнечных электростанций должен быть не менее 25%.
• Срок службы солнечной электростанции должен составлять 50 лет.
• Стоимость установленного киловатта пиковой мощности солнечной
электростанции не должна превышать 2000 долл.
• Объем производства солнечных электростанций должен быть 100
ГВт в год.
• Производство полупроводникового материала для СЭС должно
превышать 1 млн. т в год при цене не более 25 долл./кг.
• Круглосуточное производство электрической энергии солнечной
энергосистемой.
• Материалы и технологии производства солнечных элементов и
модулей должны быть экологически чистыми и безопасными.
Рассмотрим, в какой степени цели и направления развития мировой
солнечной энергетики отвечают вышеуказанным критериям.
Повышение эффективности преобразования солнечной энергии
Максимальный достигнутый в лаборатории КПД солнечных элементов
(СЭ) на основе каскадных гетероструктур составляет 42%, для СЭ из кремния
24%. Практически все заводы в России и за рубежом выпускают солнечные
элементы с КПД 14-17%.
В ВИЭСХе созданы новые конструкции и технологии производства
солнечных элементов из кремния, позволяющие производить СЭ с КПД 25 %
при работе с концентраторами солнечного излучения.
В России и за рубежом 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 варизонном или
каскадном полупроводнике с запрещенной зоной, ширина которой
соответствует энергии этого фотона. Это позволит на 47% снизить потери в
СЭ. Для этого разрабатываются:
- каскадные СЭ из полупроводников с различной шириной
запрещенной зоны;
- солнечные элементы с переменной шириной запрещенной зоны;
- солнечные элементы с примесными энергетическими уровнями в
запрещенной зоне.
Другие подходы к повышению КПД СЭ связаны с использованием
концентрированного солнечного излучения, созданием нанокристаллических
СЭ.
Новые технологии и материалы позволят в ближайшие пять лет
увеличить КПД СЭ на основе каскадных гетероструктур в лаборатории до
45%, в производстве до 30%, КПД СЭ из кремния в лаборатории до 30%, в
промышленности до 25%.
Увеличение срока службы СЭС до 50 лет
Для увеличения срока службы модулей необходимо исключить из
конструкции модуля полимерные материалы этиленвинилацетат и тедлар,
которые ограничивают срок службы модулей до 20-25 лет. В новой
конструкции солнечного модуля, разработанной в ВИЭСХе, СЭ помещены в
стеклопакет из двух листов стекла, соединенных по торцам пайкой или
сваркой. Технология герметизации гарантирует срок службы модуля в
течение 50 лет. Для снижения температуры СЭ и оптических потерь
внутренняя полость модуля заполнена кремнийорганическим полимером.
2
Снижение стоимости СЭС
Основные пути снижения стоимости СЭС: повышение КПД до 25%,
увеличение мощности технологических линий до 1 ГВт в год и более,
снижение расхода кремния и его стоимости более чем в 2 раза.
Наиболее быстрый путь снижения стоимости и достижения
гигаваттного уровня производства СЭС заключается в использовании
концентраторов солнечного излучения. Стоимость 1 м2 площади стеклянного
зеркального концентратора в 10 раз меньше стоимости 1 м2 площади
солнечного модуля. В ВИЭСХе разработаны стационарные концентраторы с
коэффициентом концентрации 3,5-10 с угловой апертурой 120-180°,
позволяющие в пределах апертурного угла концентрировать прямую и
рассеянную компоненту солнечной радиации. Использование солнечного
поликремния низкой стоимости и стационарных концентраторов позволяет
организовать производство СЭС стоимостью 2000 долл./кВт, что сравнимо со
стоимостью электростанции, работающей на угле.
Производство солнечного кремния
В структуре цены солнечного элемента стоимость кремния и других
материалов составляет 76%.
Методы снижения расхода кремния включают увеличение объема и
размеров выращиваемых кристаллических слитков кремния и снижение
толщины солнечных элементов. В 2010 г. масса слитка кремния, получаемого
методом направленной кристаллизации, достигнет 1000 кг, а объем 0,4 м3.
Толщина СЭ снизится с 400 мкм в 2000 г. до 200 мкм в 2008 г., до 100 мкм в
2010 и до 2-20 мкм в 2015 г.
При современном объеме производства СЭС 7,1 ГВт/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. 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
10000 т/ГВт мировое потребление кремния составит 1 млн. т в год. Кроме
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.
3
Глобальная солнечная энергетическая система
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.
Стационарная солнечная электростанция с КПД 25% пиковой
мощностью 1 кВт вырабатывает за год в центральной России и в Германии
1000 кВтч, в пустыне Сахара до 1800 кВтч. При слежении за Солнцем
производство электроэнергии при тех же условиях возрастет в России до
1300 кВтч/кВт, в Сахаре до 2500 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.
В ВИЭСХе проведено 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 25%, электрическая мощность каждой СЭС
2,5 ГВт, размеры 190190 км2.
Рис. 1. Глобальная солнечная энергетическая система из трех солнечных электростанций
Глобальная
солнечная
энергетическая
система
генерирует
электрическую энергию круглосуточно и равномерно в течение года (рис. 2)
в объеме 17300 ТВтч/год, превышающем современное мировое потребление
электрической энергии. Это позволит перевести все угольные, газовые и
атомные станции в разряд резервных электростанций.
4
Рис. 2. Производство электроэнергии глобальной солнечной энергосистемой
Базовые солнечные электростанции блочно-модульного типа будут
ежегодно увеличивать свою мощность на 100-300 ГВт. Начало
функционирования глобальной солнечной энергетической системы
прогнозируется в 2050 г., выход на полную мощность в 2090 г. В результате
реализации проекта доля солнечной энергетики в мировом потреблении
электроэнергии составит 75-90%, а выбросы парниковых газов будут
снижены в 10 раз.
Обеспечение экологических характеристик производства энергии
Человечеству не грозит энергетический кризис, связанный с
истощением запасов нефти, газа, угля, если оно освоит технологии
использования возобновляемой 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.
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 переработке
компонентов СЭС после окончания срока службы.
При использовании СЭС органически сочетаются природные
ландшафты и среда обитания с энергетическими установками. СЭС образуют
пространственно-архитектурные композиции, которые являются солнечными
5
фасадами или солнечными крышами зданий, ферм, торговых центров,
складов, крытых автостоянок.
Новые методы передачи электрической энергии
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 предложенный
Н.Тесла в 1897 г.
Н.Тесла рассматривал свою резонансную однопроводниковую систему
передачи электрической энергии как альтернативу системе передачи энергии
на постоянном токе, предложенной Т.Эдисоном. Конкуренция между
системами передачи электрической энергии на постоянном и переменном
токе продолжается до настоящего времени, однако все это происходит в
рамках классических двух- трехпроводных замкнутых линий электропередач.
Однопроводниковые резонансные системы (рис. 3) открывают возможности
для создания сверхдальних кабельных линий электропередач и в перспективе
замены существующих воздушных линий на кабельные однопроводниковые
линии. Тем самым будет решена одна из важнейших проблем энергетики –
повышение надежности электроснабжения.
Рис. 3. Резонансная система передачи электрической энергии
1 – преобразователь частоты, 2 и 4 - резонансные высокочастотные трансформаторы Тесла,
3 - однопроводниковые высоковольтные линии, 3, 5 - инвертор
Преимущества резонансного метода передачи электрической
энергии:
• Электрическая энергия передается с помощью реактивного
емкостного
тока
в
резонансном
режиме.
Несанкционированное
использование энергии затруднено.
• Содержание алюминия и меди в проводах может быть снижено в 5-10
раз.
• Потери
электроэнергии
в
однопроводной
линии
малы,
электроэнергию можно передавать на большие расстояния.
• В однопроводном кабеле невозможны короткие замыкания, и он не
6
может быть причиной пожара.
В качестве источника электрической энергии в резонансной
электрической системе может быть использована не только СЭС, но и другие
возобновляемые источники энергии (ГЭС, ВЭС, ГЕоТЭС и др.).
На рис. 4 показано изменение доли солнечной энергетики в мировом
энергопотреблении.
Рис. 4. Доля солнечной энергии в мировом производстве энергии
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
энергетические
технологии,
новые
принципы
преобразования
возобновляемой 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% доли возобновляемой энергии в мировом
производстве энергии.
Литература
1. Арбузов Ю.Д., Евдокимов В.М. Основы фотоэлектричества. М. Изд. ГНУ
ВИЭСХ, 2008, 263 с.
2. Стребков Д.С. Матричные солнечные элементы. М. Изд. ГНУ ВИЭСХ,
2009, Т. 1, 118 с., т. 2, 227 с.
3. Стребков Д.С., Тверьянович Э.В. Концентраторы солнечного излучения.
М. Изд. ГНУ ВИЭСХ, 2007, 315 с.
4. Стребков Д.С., Некрасов А.И. Резонансные методы передачи и
применения электрической энергии. М. Изд. ГНУ ВИЭСХ, 2008, 351 с.
5. Росс М.Ю., Стребков Д.С. Биодизельное топливо из водорослей. М. Изд.
ГНУ ВИЭСХ, 2008, 250 с.
6. Инновационные проекты ВИЭСХ. Каталог. М. Изд. ГНУ ВИЭСХ, 2008,
127 с.
7