16+
Регистрация
РУС ENG
http://www.eprussia.ru/epr/54/3519.htm
Газета "Энергетика и промышленность России" | № 2 (54) февраль 2005 года

Перспективы развития крупномасштабной солнечной энергетики

Наука и новые технологии Д. С. СТРЕБКОВ, академик РАСХН 8365

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.

Сейчас в России и Европе доля солнечной энергии в виде биомассы и гидроэнергии составляет 6% в общем производстве энергии, а в развивающихся странах - 80%.

На саммите в Окинаве (Япония) в июле 2000 года лидеры «большой восьмерки» создали специальную международную группу для достижения существенных изменений в развитии мировой возобновляемой энергетики. В докладе, подготовленном этой группой через год, на саммите в Генуе, была поставлена задача за 10 лет обеспечить 2 млрд. человек в мире энергией возобновляемых источников.

Общая стоимость этого проекта 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.

В 2003 г. потребление энергии в ЕЭС составляло 2880,8 ТВт-ч. Прогнозируется, что в 2030 году установленная мощность солнечных энергетических систем (СЭС), использующих фотоэлектрический метод преобразования солнечной энергии, составит в мире 300 ГВт при стоимости СЭС примерно 1000 евро / кВт и стоимости электроэнергии 0,05‑0,12 евро / кВт-ч. Возобновляемые источники энергии смогут замещать уголь, нефть, газ и уран в производстве электроэнергии, тепла и топлива.

Роль солнечной энергии в энергетике будущего определяется возможностями разработки и использования новых физических принципов, технологий, материалов и конструкций для создания конкурентоспособных солнечных энергетических станций.

Какие критерии конкурентоспособности солнечной энергетики можно выделить?

1. КПД солнечных электростанций должен составлять не менее 20 %.

2. Годовое число часов использования мощности солнечной энергосистемы должно быть равно 8 760 часов, т. е. она должна генерировать электроэнергию 24 часа в сутки 12 месяцев в году.

3. Срок службы солнечной электростанции должен составлять не менее 50 лет.

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

5. Производство полупроводникового материала для СЭС должно превышать 1 млн. тонн в год при цене не более 12 долл. США / кт.

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

Есть ли предпосылки для развития солнечной фотоэлектрической энергетики в соответствии с этими критериями? Оказывается, есть.



Повышение эффективности преобразования солнечной энергии

Максимальный (достигнутый в лаборатории) коэффициент полезного действия солнечных элементов на основе каскадных гетероструктур составляет 36,9 % (фирма «Спектролаб», США). Для солнечных элементов из кремния он равен 24%. Практически все заводы в России и за рубежом выпускают солнечные элементы с КПД 14‑17%. Компания «Sun Power Согр.» (США) начала в 2003 г. производство солнечных элементов из кремния с КПД 20%.

Новые технологии и материалы позволяют в ближайшие пять лет увеличить коэффициент полезного действия солнечных элементов на основе каскадных гетероструктур до 40% в лаборатории и до 26‑30% в производстве. КПД солнечных элементов из кремния может достичь в лаборатории 28%, а в промышленности – 22%.

Разрабатывается также поколение солнечных элементов с предельным КПД до 93%, использующее новые физические принципы и материалы. Основные усилия при этом направлены на более полное использование спектра солнечного излучения и энергии фотонов по принципу: каждый фотон должен поглощаться в полупроводнике с запрещенной зоной, ширина которой соответствует энергии этого фотона. Новый метод позволит на 47% снизить потери в солнечных элементах.

Для этого создаются:
– каскадные солнечные элементы 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 солнечных элементов связаны с использованием концентрированного солнечного излучения, созданием полимерных солнечных элементов, а также наноструктур на основе кремния и фуллеренов. Предлагается использовать принципы микроволнового преобразования (резонатор – волновод – выпрямитель) для солнечной энергии.



Время использования СЭС

Время использования установленной мощности составляет для тепловых электростанций в среднем 5200 часов в год, для ГЭС – 1000‑4800 часов, для ВЭС – 3000 часов.

Стационарная солнечная электростанция с КПД 20%, пиковой мощностью 1 кВт может вырабатывать за год в Центральной России 2000 кВт- ч, а в пустыне Сахара – до 3500 кВт-ч.

Зависимость вырабатываемой энергии от времени суток и погодных условий является ахиллесовой пятой СЭС, если учитывать конкуренцию с электростанциями, работающими 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. При моделировании использовались данные по солнечной радиации за весь период наблюдений. КПД солнечной энергетической системы принимался равным 20%. Выяснилось, что глобальная солнечная энергетическая система может генерировать электроэнергию круглосуточно и равномерно в течение года. При этом размеры каждой из трех СЭС составляют 210х210 км, а их электрическая мощность – 2,5 ТВт.

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.

Резонансная система передачи электрической энергии состоит из двух резонансных высокочастотных трансформаторов Тесла, соединенных однопроводниковой высоковольтной линией.

С использованием модифицированных трансформаторов Тесла мы разработали резонансную систему передачи электрической энергии мощностью 20 кВт длиной 1,7 км. В результате испытаний резонансной системы при передаваемой мощности 20 кВт КПД составил 85%, а при мощности 1 кВт – 95%. Основным источником потерь стали потери в преобразователях частоты и в контурах на входе и выходе резонансной системы, но они могут быть снижены до 5‑7%. Джоулевы потери и потери на излучение в однопроводниковом волноводе незначительны.



Срок службы солнечной электростанции

Срок службы ТЭС и АЭС составляет 30‑40 лет. Срок службы полупроводниковых солнечных элементов превышает 50 лет, так как взаимодействие фотонов с атомами и электронами не приводит к деградации кристаллической структуры и изменению скорости поверхностной и объемной рекомбинации неосновных носителей заряда. Однако солнечные модули 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 солнечных элементов в модуле. Для увеличения срока службы модулей необходимо было исключить из конструкции модуля полимерные материалы.

В новой конструкции солнечного модуля солнечные элементы помещены в стеклопакет из двух листов стекла, соединенных по торцам пайкой или сваркой. Такая технология гарантирует герметичность модуля в течение 50 лет. Для снижения температуры солнечных элементов и оптических потерь внутренняя полость модуля заполнена кремнийорганической жидкостью.

Бесполимерная технология сборки солнечного модуля была использована также для создания эффективной вакуумной прозрачной теплоизоляции (ВПТИ). Солнечные элементы и кремнийорганическая жидкость между стеклами были заменены на вакуумный зазор 50 мкм. Сопротивление теплопередачи при остеклении зданий при этом может быть увеличено в 10 раз.

Снижение стоимости солнечной электростанции
Стоимость установленного киловатта мощности в настоящее время составляет: для ГЭС – 1000‑2500 $ / кВт, для ТЭС – 800‑1400 $ / кВт, для ВЭС – 800‑3000 $ / кВт, для АЭС – 2000‑3000 $ / кВт.

Стоимость современной СЭС определяется, в первую очередь, стоимостью солнечного модуля, изготавливаемого из солнечного элемента на основе кремния. При объеме производства 1 ГВт / год стоимость модуля составляет сейчас 3500‑4000 $ / кВт, а стоимость СЭС – 6000‑8000 $ / кВт. Однако к 2020 г. можно снизить стоимость СЭС до 1000 $ / кВт.

Основные пути снижения стоимости – это повышение КПД солнечных энергетических систем, увеличение размеров солнечных модулей и объема их производства, снижение стоимости солнечного кремния, снижение расхода солнечного кремния на единицу мощности СЭС, комбинированное производство электроэнергии и теплоты на солнечных энергетических системах.

Предпосылки для реализации этих путей есть.

В первую очередь следует учитывать то, что объем производства солнечных модулей растет на 30% в год, а их стоимость снизилась за 30 лет в десять раз.

В России, кроме того, разработана новая бесхлорная технология получения солнечного поликремния, позволяющая снизить его стоимость в два раза (до 15 $ / кВт) и увеличить его чистоту и качество в десять раз (до 99,999%). В качестве исходного материала здесь используется не соляная кислота, а этиловый спирт и металлургический кремний, а в качестве промежуточных компонентов процесса – триэтоксисилан и моносилан. Снижение стоимости конечного продукта происходит благодаря снижению температуры химического процесса и затрат энергии на него. При этом значительно улучшаются экологические характеристики производства. С помощью такой технологии уже к 2010 году можно увеличить объем производства кремния до 5000 тонн в год.

Наиболее быстрый путь снижения стоимости и достижения гигаваттного уровня производства солнечных энергетических станций заключается в использовании концентраторов солнечного излучения. Стоимость 1 м2 площади стеклянного зеркального концентратора в 10 раз меньше стоимости 1 м2 площади солнечного модуля. В России разработаны стационарные концентраторы с коэффициентом концентрации 3,5‑10, позволяющие концентрировать прямую и рассеянную компоненту солнечной радиации.

Кстати, на основе концентраторных модулей сейчас 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 приведет к снижению затрат энергии и материалов на производство единицы мощности СЭС, а также снижению размеров и стоимости земельного участка под строительство солнечной энергетической системы. При КПД 20% стоимость производства энергии становится даже значительно меньше 1000 $/кВт.



Увеличение производства полупроводникового материала

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

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



Характеристики производства солнечной энергии

Человечеству не грозит энергетический кризис, связанный с истощением запасов нефти, газа, угля, если оно освоит технологии использования солнечной энергии.

Солнечные энергетические системы могут производить экологически чистую энергию в течение миллионов лет, они бесшумны, не потребляют топлива, работают в автоматическом режиме и затраты на их обслуживание так же незначительны, как затраты на обслуживание электрических трансформаторных подстанций.

Проблема территории, необходимой для установки СЭС, может быть легко решена за счет использования фасадов или крыш 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 переработке компонентов СЭС после окончания срока службы.

Сейчас 20% мирового производства энергии основывается на сжигании древесины, энергии рек и ветровой энергии, основой которых является солнечная энергия. Новые принципы преобразования могут позволить к концу столетия повысить ее долю в общем производстве энергии до 60‑90%.

Кабельная арматура, АЭС, Возобновляемая энергетика, Дизельная электростанция , ЕЭС , Изоляция , Лампа , Мощность, Подстанции, Радиация , Солнечная энергетика, Топливо, Трансформаторы, ТЭС , ТЭЦ, Электроэнергия , Энергия , Возобновляемые источники энергии (ВИЭ), Провод, Солнечная электростанция, Электростанция, Энергетические системы, СРО,

Перспективы развития крупномасштабной солнечной энергетикиКод PHP" data-description="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. <br> <br>Сейчас в России и Европе доля солнечной энергии в виде биомассы и гидроэнергии составляет 6% в общем производстве энергии, а в развивающихся странах - 80%. " data-url="https://www.eprussia.ru/epr/54/3519.htm"" data-image="https://www.eprussia.ru/upload/share.jpg" >

Отправить на Email


Похожие Свежие Популярные

Войти или Зарегистрироваться, чтобы оставить комментарий.