Перспективы развития фотоэлектрических технологий.

 

Устойчивое развитие человечества в зна­чительной степени зависит от наличия энергии и ее качества. Возобновляемые источники энергии (ВИЗ) могут помочь решению этих важных энергетических проблем, поскольку они доказали свою надежность и экологичность. Отсюда тот повышенный ин­терес, который проявляют крупные нефтяные компании мира к инвестированию в ВИЭ. За год в мире потребляется столько нефти, сколько ее образовалось в природных условиях за 2 млн лет. Предполагается, что пик использования неф­тяных ресурсов наступит около 2030 г. [5].

Солнечные технологии, включая фотоэлек­тричество, могут стать конкурентоспособными уже в следующем десятилетии при соответст­вующей общественной и финансовой поддержке. Переход к крупномасштабному ис­пользованию ВИЭ произойдет в 21 веке. Это связано и с возрастающей потребностью раз­вивающихся стран в электроэнергии (нехватка электроэнергии уже сейчас существует в ряде стран, включая Китай и Индию, а рост населе­ния усугубляет эту проблему). Через 30—40 лет дополнительно потребуется 5000 ГВт установ­ленной мощности, что примерно в 2 раза боль­ше современного уровня.

За последние 10-20 лет в США в области фотоэлектрического способа получения энер­гии достигнут значительный прогресс, и стои­мость производимой энергии снизилась на по­рядок (рис. 14). Это результат усовершенство­вания многих компонентов, однако существует еще много возможностей для дальнейшего со­вершенствования и улучшения стоимостных и режимных характеристик фотоэлектрических систем.

Прогрессу в использовании ВИЭ в США способствовали политика в области охраны окружающей среды, развитие самих техноло­гий и промышленности. Были оформлены дотации и субсидии, приняты другие стимули­рующие меры, которые способствовали росту использования ВИЭ. За период 1975—1990 гг. в солнечные энергетические технологии вло­жено более 38 млрд долл. государственных суб­сидий.

 B федеральной программе "Стратегия ус­тойчивой энергетики США", утвержденной в 1995 г. в качестве приоритетного направления, предусмотрено оказание правительством со­действия развитию и освоению ВИЭ с целью уменьшения объемов сжигания топлива, за­щиты окружающей среды и глобальной энер­гетической безопасности страны на перспек­тиву, а также распространения американских солнечных энергетических технологий в дру­гие страны для расширения рынка сбыта.

 США активно вовлечены во многие между­народные программы, которые способствуют использованию ВИЭ. Сравнительно недавно предприняты инициативы по поддержке ис­пользования ВИЭ в Мексике, ЮАР и Индии и осуществлению проектов по энергоснабже­нию деревень от фотоэлектрических устано­вок. Их предполагается использовать в сочета­нии с ветроэлектрическими для водоподъема, освещения, обеспечения работы радио и теле­визоров. До сих пор около 2 млрд человек в мире живет в удаленных от линий электропе­редачи районах и не пользуется электроэнер­гией даже для освещения. Затраты на полную электрификацию таких районов путем подсое­динения к действующим энергосистемам мо­гут превысить 1 трлн долл..

 Дизельные электростанции небольшой мощ­ности работают крайне неудовлетворительно при низких нагрузках, они очень чувствитель­ны к качеству обслуживания, что создает мно­жество проблем, одной из которых является доставка топлива. Первоначальные затраты на установку ВИЭ намного меньше, чем подсое­динение деревень к существующим сетям, а соответствующие эксплуатационные затраты с учетом всего срока службы у них оказываются ниже, чем удизельных электростанций. Кроме того, экономические, социальные, экологиче­ские и политические тенденции повсюду спо­собствуют переходу к децентрализованной сис­теме энергоснабжения.

Действующая в США с 1997 г. программа "Миллион солнечных крыш" предусматривает до 2010 г. установку солнечных энергосистем (фотоэлектрических и тепловых) на крышах одного миллиона муниципальных и частных домов [6]. Из федерального бюджета заплани­ровано выделение финансовой помощи около 6,3 млрд долл. Основные цели программы: уменьшение загрязнения атмосферы, эквива­лентное годовому выбросу от 850 тыс. автомобилей, создание дополнительных 70 тыс. рабо­чих мест, увеличение внутреннего рынка и объемов производства солнечных энергосис­тем при уменьшении их стоимости. Планиру­ется, что к 2005 г. мировой рынок фотоэлек­трических систем превысит 1,5 млрд долл.

 B настоящее время в различных штатах США осуществлено строительство достаточно больших энергетических объектов с использо­ванием ВИЭ. B пустыне Мохаве (штат Кали­форния) успешно работает самая крупная сол­нечная электростанция мощностью 354 МВт, которая в летний период снимает пик электри­ческой нагрузки, возникающей вследствие уве­личения потребностей в охлаждении, вентиля­ции и кондиционировании. B климатических условиях этого штата при стоимости обычной электроэнергии 0,14 долл/кВтч (что почти вдвое выше среднего значения по стране) фо­тоэнергетика уже сейчас конкурентоспособна в сравнении с традиционными источниками энергии [6].

Ha всемирной конференции по фотоэлек­тричеству в Глазго (май, 2000 г.) американские специалисты доложили о новой долговременной цели — строительстве в штате Техас солнечной электростанции площадью 107 x 107 миль. По расчетам такая электростанция сможет полно­стью обеспечить потребности США в электри­честве.

Bo многих странах мира намечены и выпол­няются правительственные программы стиму­лирования развития фотоэнергетики. Особые усилия в этой области помимо США прилага­ют Япония и Германия. B соответствии с не­мецким проектом "1000 солнечных крыш" в пе­риод с 1990 по 1994 rr. на жилых домах уста­новлено 2500 систем мощностью по 2—4 кВт. B течение 1998 и 1999 гг. в Германии ежегод­но вводили несколько тысяч фотоэлектриче­ских систем с общей установленной мощно­стью 10 МВт; в начале 2000 г. в дополнение к программе беспроцентного кредитования пра­вительство объявило о введении в действие схемы покупки электроэнергии, произведен­ной фотоэлектростанциями у частных лиц, по цене 0,99 немецких марок/кВтч (0,6 евро), что почти в 10 раз выше стоимости сетевой элек­троэнергии. Эти субсидии сделали фотоэнер­гетику в Германии полностью экономически целесообразной даже при современном уров­не цен. Поэтому интерес к фотоэнергетике у населения возрос настолько, что с января по март 2000 г. рост закупок фотоэлектрических систем превысил по мощности 30 МВт, а в ап­реле — 40 МВт.

 B 1995—1996 гг. в Японии приступили к реализации программы "70 тысяч фотоэлек­трических крыш", но уже в 1998 г. она пере­смотрена в пользу увеличения числа зданий до 1 млн. при общей установленной мощности фотоэлектрических систем до 5 ГВт.

Основной проблемой современного этапа становления фотоэлектрической индустрии яв­ляется достижение конкурентоспособности прямого преобразования солнечной энергии в электрическую с помощью солнечных элемен­тов (СЭ) (по сравнению с традиционными спо­собами генерирования электроэнергии). Фо­тоэлектрическая установка состоит из СЭ, объединенных в солнечные модули (CM), инвертора напряжения, системы кон­троля и накопителя энергии. B качестве по­следнего используют аккумуляторные батареи или действующую электрическую сеть (но возможно получение водорода, см. пункт 2). Ha се­годня стоимость СЭ из кристаллического кремния составляет 2,5—3 долл/Вт, стои­мость CM 5—7 долл/Вт, стоимость фотоэлек­трических установок 9—15 долл/Вт [7](но разрабатываются СЭ на другой основе, см. пункт 4). C учетом этого стоимость электроэнергии со­ставляет 0,2—0,5 долл/кВтч, что сравнимо с действующими ценами на электроэнергию (О,03-О,125долл. кВтч).

 Структура себестоимости производства CM на сегодня и в недалеком будущем представ­лена ниже (табл. 1).

 Ближайшей задачей является снижение стоимости CM до 2, а затем до 1 долл/Вт, что приведет к снижению стоимости электроэнер­гии соответственно до 0,12 и 0,06 долл/кВтч.

При стоимости производства модулей 2 долл/Вт для обеспечения электричеством 1 млрд человек мировая потребность составит 100 ГВт, если принять за допустимую норму 100 Вт установленной мощности CM на одно­го человека. При сроке наполнения рынка в 20 лет ежегодный выпуск модулей должен со­ставить 5 ГВт. Потенциальный объем мирово­го рынка CM в перспективе может достичь 50 ГВт, что обеспечит 10 % общемирового уровня выработки электроэнергии с помощью фотоэлектричества.

 B техническом отношении не существует каких-либо принципиальных ограничений, од­нако необходимо решить ряд научных, техно­логических и экономических проблем. Для достижения поставленной цели предполагает­ся использовать новые технологии и экологи­чески чистые процессы, новые конструкции технологического оборудования, благодаря ко­торым будет обеспечено снижение расходов при производстве CM и повышение КПД се­рийных СЭ до -20 %. B табл. 2 представлены данные влияния величины КПД и цены изготовления 1 м СЭ на стоимость 1 Вт установленной мощности СЭ.

 

 Структура себестоимости CM (таблица 1)

Этапы производства CM	Себестоимость, долл/Вт
	Сегодня	Завтра	В перспективе
Изготовление пластин кремния	1,5—1,7	0,8—1,0	0,25—0,3
Изготовление СЭ	1,3—1,5	0,4—0,5	0,3
Изготовление CM	1,5—1,7	0,6—0,7	0,4—0,45
Всего	4,3-4,9	2,0	1,0

 

 Стоимость установленной мощности СЭ, долл/Вт(таблица 2)

кпд, %	Цена изготовления, долл/Вт
	300	250	200	150
10	3,0	2,5	2,0	1,5
12	2,5	2,08	1,67	1,25
15	2,0	1,67	1,33	1,0
18	1,67	1,39	1,11	0,83

 

Кремний называют "нефтью 21-го столетия". Расчеты показывают, что СЭ с КПД 15 %, на которые пошел 1 кг кремния, за 30 лет службы могут произвести 300 МВтч электроэнергии. Равное количество электроэнергии можно по­лучить, израсходовав 75 т нефти (с учетом КПД теплоэлектростанций 33 % и теплотворной способности нефти 43,7 МДж/кг). Таким об­разом, 1 кг кремния оказывается эквивалентен 75 т нефти [7].

Россия на рынке продаж кремния элек­тронного и солнечного качества, а также моносилана, являющегося основным сырьем для изготовления пленочных солнечных элементов из аморфного кремния, может быстро окупить все расходы по проекту. Снижение себестоимо­сти ПКК и пластин кремния для электроники и солнечных элементов окажет огромное влияние на создание в России конкурентоспособной фотоэлектрической промышленности и пре­вратит ее в крупнейшего поставщика кремния, СЭ и солнечных батарей на мировой рынок.

Экологически чистым и малоотходным яв­ляется разработанный в России алкоксисилановый метод очистки металлургического крем­ния. Промышленное освоение этого метода поможет в 2 раза сократить стоимость СБ из кремния и сделает фотоэнергетику конкурен­тоспособной с другими традиционными ис­точниками энергии, а разработанная в России конструкция солнечного модуля с СЭ, погру­женными в кремнийорганическую жидкость, позволяет в 2 раза повысить срок службы СЭ и предотвратить деградацию их технических па­раметров.

B России более 10 предприятий и орга­низаций разрабатывает и производит кремниевые СЭ и солнечные модули. Суммарная потенциальная производственная мощность указанных производств превышает 4 МВт/год. Однако эти мощности используют­ся максимум на 20 % из-за отсутствия необ­ходимого количества недорогих кремниевых пластин и вследствие низкой покупательной способности населения России. Свою продук­цию способны экспортировать только те предприятия, где сравнительно невысока себестои­мость производства высокоэффективных СЭ, среди них ВИЭСХ, ЗАО "Солнечный ветер", завод "Красное Знамя", ЗАО "Телеком", вы­пускающие СЭ мирового уровня качества с КПД до 15 %.

Если в России появится массовое производ­ство недорогого кремния "солнечного" качест­ва, то помимо указанных предприятий к произ­водству СЭ и модулей могут подключиться не­загруженные сейчас предприятия электронной промышленности, расположенные в Ставро­поле, Александрове, Фрязино, Павловом-По-саде, Санкт-Петербурге, Орле, Нижнем Нов­городе, Саратове и др. Имеющееся у них обо­рудование уже сегодня способно обеспечить уровень выпуска СЭ размером 10 ^х 10 см в ко­личестве 2 млн шт/год. Выработанная ими мощ­ность будет зависеть от величины КПД, которая в свою очередь определяется уровнем техно­логии изготовления: при КПД 15—17 % она со­ставит около 4 МВт. До 2005 г. объемы выпус­ка в России могут вырасти до 2—3 МВт/год, а далее следует ожидать резкого роста: до 10— 15 МВт/год к 2010 г. и 30—50 МВт/год в 2015г.

Выводы:

1. Bo всем мире наблюдается стремитель­ный рост интереса к фотоэнергетике, которая в ближайшие годы может превратиться в про­цветающую отрасль промышленности.

2. Основным материалом для изготовления СЭ в настоящее время и в перспективе явля­ется кристаллический кремний.

3. Перед промышленно развитыми странами встает проблема снижения стоимости кремния- сырца ниже 20 долл/кг и создания специали­зированного производства кремния для фотоэнергетики объемом 10 000 т/год.

4. Снижение стоимости пластин кремния послужит мощным толчком для реализации имеющихся наработок по повышению КПД серийных СЭ до 18 % и снижению их себестои­мости.

5. Технический потенциал России позволя­ет ей занять одно из ведущих мест на мировом рынке продаж солнечных элементов, модулей и фотоэлектрических систем.

6. Ни один из рассмотренных методов фотохимического разложения воды пока еще не вышел на уровень промышленного использования. Однако полученные результаты позволяют считать реальной задачу создания фотокаталитических преобразователей солнечной энергии в химическую на основе фоторазложения воды на водород и кислород.

7. Без учета экологического эффекта системы солнечного теплоснабжения в России могут быть конкурен­тоспособны с теплоисточниками на органическом топливе (газ, мазут) в южных районах Дальнего Востока, на Северном Кавказе и в Нижнем Поволжье; срок окупаемости CCT составляет 10-15 лет. Теплоснабжение от котельных на угле во всех регионах России более эко­номично, чем использование солнечной энергии.

8. При конкуренции с электротеплоснабжением (например, в пунктах, где применение органического топ­лива невозможно или нежелательно) CCT могут ока­заться экономически эффективными в тех же регионах при Q > 1,3 МВт•ч/м².

9. Введение экологического налога на выбросы CO₂ в размере 100...125 дол/т углерода (что согласуется с целью мирового сообщества: не превышать в перспек­тиве уровень эмиссии тепличных газов 1990 г.) позволя­ет рассматривать CCT как перспективную технологию производства низкопотенциального тепла на значитель­ной территории России с годовым солнечным излучени­ем на плоскую поверхность более 1 000 кВт•ч/м.

Список литературы:

 

1. Тихонов А.Н. Трансформация энергии в хлоропластах — энергообразующих органеллах растительной клетки // Соросовский Образовательный Журнал. 1996. № 4. С. 24-32.

2.Климов В.В. Фотосинтез и биосфера // Там же. № 8. С. 6-13.

3.Скулачев В.П. Эволюция биологических механиз­мов запасания энергии // Там же. 1997. № 5. С. 11-19.

4.http://www.eren.doe.gov.

5.Мэрфи Л. M. Перспективы развития и финанси­рование технологий использования возобновляемых ис­точников энергии в США // Труды Междунар. конгресса "Бизнес и инвестиции в области возобновляемых источ­ников энергии в России", Москва, 31.05—4.06. 1999. M.: НИЦ "Инженер", 1999. C. 59-67.

6.Программа США "Миллион солнечных крыш" // Возобновляемая энергия. 1998. № 4. C. 7—10.

7.СтребковД. С. Новые экономически эффективные технологии солнечной энергетики // Труды Междунар. конгресса "Бизнес и инвестиции в области возобновляе­мых источников энергии в России". M. 1999. C. 187—208.

8.Бусаров B. Успех поиска путей. Концепция перехо­да к устойчивому развитию и особенности региона­льной энергетической политики. - Зеленый мир,1999, № 16-17.

9.Бутузов B. A. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии в системах теплоснабжения Крас­нодарского края. - Краснодар: ККП Союза НИО CCCP, 1989.

10.Системы солнечного тепло- и хладоснабжения/ P. P. Авезов, M. A. Барский-Зорин, И. M. Васильева и др. Под. ред. Э. B. Сарнацкого и C. A. Чистовича. - M.: Стройиздат, 1990.

11. Бутузов B. A. Анализ опыта проектирования и экс­плуатации гелиоустановок горячего водоснабжения.

Сборник "Энергосбережение на Кубани"/ Под общ ред. Э. Д. Митус. Краснодар: "Советская Kyбань", 1999.

12. Государственный доклад- "O состоянии окружаю­щей природной среды Российской Федерации в1997 г." - Зеленый мир, 1998, №26.

13. Фугенфиров М.И. Использование солнечной энергии в Рос­сии // Теплоэнергетика. 1997. № 4. C. 6-12.

14. Тарнижевский Б.В., Абуев И.М. Технический уровень и освоение производства плоских солнечных коллекторов в России // Те­плоэнергетика. 1997.№4. C. 13-15.

15. Тарнижевский Б.В. Оценка эффективности солнечного теп­лоснабжения в России // Теплоэнергетика. 1996. № 5. C. 15-18.

16. Тарнижсвский Б.В., Чакалев K.H., Левинский Б.М. Коэф­фициент замещения отопительной нагрузки пассивными системами солнечного отопления в различных района CCCP // Гелиотехника 1989.№4.С.54-58.

17. Бекман У., Клейн C., Даффи Дж. Расчет систем солнечного теплоснабжения. M.: Энергоатомиздат, 1982.

18. Марченко O.B., Соломин C.B. Анализ области экономиче­ской эффективности ветродизельных электростанций // Промышлен­ная энергетика. 1999. № 2. C. 49-53.

19. Новая энергетическая политика России / Под общ. ред. Ю.К. Шафраника. M.: Энергоатомиздат, 1995.

20. Бородулин М. Ю.

 Электротехнические проблемы создания преобразовательных установок для солнечных и ветровых электростанций / Бородулин М. Ю., Кадомский Д.Е. // Электрические станции. – 1997. - № 3. – c.53-57.

 

Предыдущая1234567Следующая

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: