69 СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА: РЕАЛЬНОСТЬ И ПЕРСПЕКТИВЫ1

энергетика
максимального напряжения в пласте, то достигается
более высокая добыча нефти при более низкой обводненности, а прорыв воды наступает позже. Для
пласта со средней проницаемостью 3 мД добыча
нефти может различаться на 15% в зависимости от
ориентации трещин.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кадет В.В., Селяков В.И. Фильтрация флюида в среде,
содержащей эллиптическую трещину гидроразрыва//
Изв. вузов. Нефть и газ. 1988. № 5. С. 54–60.
2. Каневская Р.Д. Математическое моделирование
разработки месторождений нефти и газа с
применением гидравлического разрыва пласта. М.,
Недра, 1999. 214 с.
3. Aziz H. Reservoir simulation grids: opportunities and
problems // Paper SPE 25233. 1993. Р. 1–12.
4. Kanevskaya R.D., Andriassov A.R., Garipova A.A.
Fracturing optimization for multiwell system //
Proceedings. 9th ECMOR. Cannes, France, 30 August
– 2 September 2004. P. 005.
5. Mlacnik M.G., Heinemann Z.E. Using well windows in
fullfield reservoir simulation //SPE Res Eval.&Eng. 2003.
№ 4. P. 275–285.
6. Nghiem L.X., Forsyth P.A.Jr., Behie A.A Fully implicit
hydraulic fracture model //J. Petrol. Technol. 1984. V. 36.
№ 6. P. 1191–1198.
7. Nghiem L.X. Modeling infiniteconductivity vertical
fractures with source and sink terms // Soc. Petrol. Eng.
Journal. 1983. V. 23. № 4. P. 633–644.
8. Peaceman D.W. Interpretation of wellblock pressures
in numerical reservoir simulation //Soc. Petrol. Eng.
Journal. 1978. V. 18. № 3. P. 183–194.
9. Peaceman D.W. Interpretation of wellblock pressures
in numerical reservoir simulation with nonsquare grid
blocks and anisotropic permeability. //Soc. Petrol. Eng.
Journal. 1983. V. 23. № 3. P. 531–543.
10. Prats M. Effect of vertical fractures on reservoir behavior
incompressible fluid case //Soc. Petrol. Eng. Journal.
1961. № 1. Р. 105–118.
11. Settari A., Puchyr P.J., Bachman R.C. Partially decoupled
modeling of hydraulic fracturing processes // SPE Prod.
Eng. 1990. № 5. P. 37–44.
СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА: РЕАЛЬНОСТЬ
И ПЕРСПЕКТИВЫ1
Б. Цой2 , Ю.Д. Будишевский3, В.Э. Цой4
Московская государственная академия тонкой химической технологии (МИТХТ)
им. М.В. Ломоносова
3
ООО Агентство Паритет Авиа
4
Московский энергетический институт
2
SOLAR ENERGY: REALITY AND PERSPECTIVES
B. Tsoi, Yu.D. Budishevskii, V.E. Tsoi
На основе открытий явлений дискретности, эффекта
пучка и связанных с ними масштабных эффектов изменения
физических характеристик материалов, а также закономерностей
протекающих в полупроводниковых структурах разработаны и
изготовлены пучковые фотовольтаические ячейки (ФВЯ) нового
поколения для солнечных энергетических систем, эффективность
которых превышает несколько раз существующие. Эти ФВЯ выполненные из монокристаллического кремния являются предвестниками мирового прорыва в солнечной энергетике.
Fundamental discovery of the phenomenon of discreteness and
bundle effect as well as the related scale effects in changes of physical
characteristics of solids and specific features of various processes taking
place in semiconducting structures allowed the development of a new
generation of photovoltaic cells (PV cells) for solar energy supply systems, and the test samples illustrating the advantages of this approach
were prepared. Energy conversion efficiency of the proposed PV cells
based on single-crystal silicon appears to be much higher than the
corresponding characteristics of all commercial analogs. The proposed
PV cells can be considered as the first revolutionary steps in the global
break-through of solar energy supply.
ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИЕ ЯЧЕЙКИ
НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ ДЛЯ СОЛНЕЧНЫХ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
нового поколения с уникальными характеристиками
для солнечных энергетических систем, способные
преобразовывать как видимую часть, так и невидимую часть диапазона электромагнитного излучения:
УФ излучение, рентген и выше, а также ближнюю,
среднюю и дальнюю ИК часть излучения. Эффективность новых ФВЯ, названных изобретателями
пучковыми солнечными элементами (сокращенно
В настоящее время авторами разработаны, защищены патентами и получены в промышленных
условиях образцы фотовольтаических ячеек (ФВЯ)
1
Статья печатается в редакции В.В. Горбачева
ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК
2007/1
69
энергетика
ПСЭ), в эксплуатационных условиях несколько раз
превышают существующий уровень техники преобразования. На рис. 1 показаны оценочные экспериментально-аналитические спектральные характеристики пучкового СЭ и стандартного кремниевого,
полученные на основании измерения токов приращения в различных диапазонах электромагнитного
излучения (ЭМИ). Видно, что серийные стандартные
кремниевые СЭ преобразовывают узкий диапазон
видимого света от 0,4 мкм до 1,2 мкм, а диапазон
ПСЭ существенно шире – от дальнего ИК до УФ и
выше (на рис. 1 эта часть спектра солнечного излучения не показана).
Эти пучковые СЭ выполненные на основе
монокристаллического кремния являются предвестниками мирового прорыва в солнечной энергетике: в эксплуатационных условиях мощность и
КПД в несколько раз превышают все существующие аналогичные преобразователи, а в условиях
концентрированного излучения они отличаются на
порядок и выше.
Эти ФВЯ или преобразователи ЭМИ основаны
на явлениях, свойствах и закономерностях процессов в твердых телах и физических объектах,
открытых еще в конце прошлого столетия [1–3] и
осуществленных в полупроводниковых материалах
авторами настоящего сообщения. Высокая эффективность преобразования энергии в них обеспечивается, прежде всего, за счет явлений связанных с
дискретной структурой материи: это прежде всего
эффект пучка и связанные с ним масштабные эффекты изменения физических характеристик материалов; сверхпроводниковые эффекты и др. [6–8];
системы искусственных поверхностно-объемных
микронеоднородностей (СИПОМ) и связанные с
ними продольные и поперечные эффекты диффузионного тока;
Принципиально новыми техническими решениями в СЭ авторов являются: пучковая структура
элементов; создание управляемых высоких градиентов концентраций, образованных внешним
ЭМИ, неравновесных не основных носителей заряда
(НрНН3), обеспечивающих продольно-поперечные
составляющую диффузионного тока и образующие
фототок СЭ; управление генерационно-рекомбинационными процессами на поверхности и в объеме
полупроводника; использование в фототоке дрейфовой составляющей, дополняющей диффузионную;
расширение спектра преобразуемого ЭМИ, как в
сторону гипервысоких частот (УФ, рентгена, космического излучения), так и в сторону низких – к
ИК частотам и ниже, существенно увеличивающие
эффективность СЭ; сверхнизкие внутренние сопротивления СЭ, позволяющие им работать как
при очень высоких уровнях освещенности, так и
температурах, недоступных современным преобразователям.
Новое поколение ФВЯ отличаются от существующих [1–5, 9–15] высокой эксплуатационной
70
надежностью и увеличением срока эффективного
использования, а также высокой температурной стабильностью и радиационной стойкостью, обладают
большей мощностью и сверхнизким внутренним
сопротивлением – отличительным свойством пучковых ФВЯ и как следствие – выходной мощностью
не свойственной ни одному из существующих преобразователей.
Анализ современного состояния мирового
рынка показывает высокую динамику роста производства и потребления солнечных элементов, преимущественно кремниевых. Ежегодно этот рынок
прибавляется на 30%, а в прошедшем году рост превысил 45%, а в 2010 году по расчетам специалистов
достигнет отметки 18,5 млрд долл. США. При этом
общими недостатками всех доступных в настоящее
время энергосистем для преобразования солнечной
энергии в электрическую являются их высокая стоимость и низкая эффективность конверсии [1–5,
9–15]. Тем не менее правительства ведущих стран
мира и частные компании выделяют миллионы
долларов на исследовательские цели, главная задача которых – повышение эффективности СЭ и
снижение производственных затрат на каждый ватт
преобразованной энергии.
В настоящее время эффективность преобразования энергии в промышленных условиях для
аморфного кремния 5–8%, для монокристаллического кремния составляет не более 14–16%, для арсенида галлия не более 24%. Недавно в США компания
Sun Power заявила о серийном выпуске кремниевых
СЭ с КПД 22% на кремнии зонной плавки, являющимся довольно дорогим материалом. В еще более
дорогостоящих многокаскадных СЭ космического
применения КПД достигает 26–36%. На мировом
рынке стоимость 1 ватта электроэнергии полученной в результате преобразования солнечной энергии
составляет 6–7 долларов США. При этом стоимость
материала преобразователя достигает до 50% стоимости. Считается, что при 30% КПД кремниевых
СЭ или стоимости ватта энергии 3$/W солнечная
энергетика будет общедоступной и в ней возможен
мировой прорыв.
В настоящее время солнечные системы электроэнергии широко используются и активно разрабатываются в странах Западной Европы, Японии
и в США в основном при активной поддержке со
стороны правительства этих стран. Развитие энергетики за счет использования солнечных систем
является серьезным фактором решения государственно важных и обоснованных экологических
проблем при готовности потребителя платить
больше за экологически чистую энергию, а также
решения энергетических проблем при отсутствии
иного альтернативного источника электроэнергии
(например, районы пустынь, Арктики, Антарктики
или высокогорья).
В космической промышленности использование систем для преобразования солнечной энергии
ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК
2007/1
энергетика
Рис.1. Спектральные характеристики СЭ по данным приращения плотности
тока короткого замыкания от длины ЭМИ;
1 – серийный стандартный кремниевый СЭ;
2 – вариант кремниевого пучкового СЭ.
в электрическую находит свое широкое применение
в спутниковых системах и на космических станциях.
В этом случае отсутствие эффективной технологии
приводит к необходимости использования больших
поверхностей панелей с солнечными элементами,
что в свою очередь неизбежно приводит к значительному увеличению конечного веса, объема и стоимости такого рода оборудования. Использование
предлагаемых СЭ устранит эти недостатки.
ВОЛЬТ АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ,
МОЩНОСТЬ И КПД ПУЧКОВЫХ СОЛНЕЧНЫХ
ЭЛЕМЕНТОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ
В условиях промышленного полупроводникового производства, по некоторым из предлагаемых
вариантов конструкций были изготовлены пучковые
СЭ на монокристаллическом кремнии (100), p – типа
проводимости с удельным сопротивлением 10–12
Ом.см.
Образцы СЭ были выполнены на пластинах с
полированной (зеркально отражающей) поверхностью без текстурирования и просветляющих покрытий, являющихся в мировой практике хорошо
отработанными техническими приемами.
КПД СЭ измеряли на имитаторе «Solar Simulation SS-301» с АМ 0 в спектре ксеноновой лампы. При
этом значения КПД при Т =25° С составляли:
19,4% – образец (1), просветленный с коэффициентом отражения в видимом диапазоне ЭМИ
R=8%, серийно – промышленный, отработанный
для работы в космических условиях СЭ (АМ 0;
1353 W/ m2, диапазон спектра ксеноновой лампы
в 200 W);
18% – образец (2), пучковый СЭ без просветления c коэффициентом отражения в видимом диапазоне ЭМИ R= 65% (АМ 0; 1353 W/m2, диапазон
спектра ксеноновой лампы в 200 W);
Из этих данных следует, что только за счет своей
внутренней структуры пучковые СЭ, поглощающие
всего 25–35% падающего ЭМИ, уже достигли КПД,
сравнимого со сверхдорогими серийно – промышленными образцами преобразователей космического назначения.
Каково прогнозируемое поведение ПСЭ, если
его «просветить», т.е. послать через границу раздела
внешняя среда – поверхность всего лишь в два раза
больше света? Обратимся к внутренним свойствам
пучковых СЭ и их отличиям от стандартных.
На рис. 2–3 представлены зависимости плотностей токов короткого замыкания (КЗ) от интенсивности светового потока стандартных СЭ и образцов
ПСЭ в ИК спектре и в белом свете лампы накаливания в 300 Вт. Как видно, образец космического
применения в ИК спектре доходит до насыщения
на уровне 90 мА/см2 (кривая 1 рис. 2), а в белом
свете – на уровне 60 мА/см2 (кривая 1 рис. 3). Это
является своеобразной «платой» за спектральную
чувствительность в коротковолновой части последнего, обусловленного более высоким внутренним
сопротивлением, а также результатом тупикового
пути эволюции противоречий и компромиссов, присущих современной солнечной энергетике.
В противоположность серийным стандартным
СЭ пучковые СЭ не только не насыщаются, а сохраняют тенденцию роста фототока генерации пропорционально росту освещенности. ПСЭ способны
генерировать выходные токи без ограничений (кривые 2 рис. 2 и 3): чем больше интенсивность светового потока – тем больше величина фототока. Отсюда
вполне очевиден прогноз (кривая 3 рис. 3): снижение
отражающей способности элемента, к примеру, всего
лишь в два раза во столько же раз увеличит КПД
элемента. Естественно снижение отражения в ПСЭ
с 65% до 1–3% (учитывая то обстоятельство, что
ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК
2007/1
71
энергетика
поглощение 25–30% ЭМИ
дает КПД 18%) приведет
к увеличению КПД ПСЭ к
значению выше 50%. Эксперименты проведенные
с увеличением интенсивности светового потока и
расширением спектра падающего ЭМИ доказывают
справедливость таких прогнозов. Во всяком случае, с
имеющимися в распоряжении авторов источниками
света, не удалось довести
ни один из разработанных
вариантов ПСЭ в область
насыщения по току.
Такое свойство пучковых преобразователей открывает им применение не
Рис. 2. Зависимость плотности токов короткого замыкания от величины освещенности
только в наземных условиях для ПСЭ в ИК диапазоне:
1 – образец серийный для космоса;
преобразования концентри2– ПСЭ.
рованного излучения вплоть
до 5–10 солнц и более, но и в космическом приме- СЭ – 4 мВт/см2, соответственно КПД ПСЭ в 3 раза
нении, когда вместо тяжеловесной дорогостоящей больше по сравнению с серийными СЭ.
Уникальные свойства изобретенных преобплатформы солнечных батарей будет запускаться легковесный дешевый отражатель, направляющий свет разователей открывают им и неожиданную сферу
на компактный фотоприемник. Путем использования применения в наземных условиях – высокоэффекконцентраторов можно поднять эффективность ПСЭ тивное косвенное преобразование солнечной энерна порядок и более и тогда цена 1 ватта энергии будет гии, накопленной планетой Земля в виде угля, нефти
и газа в электрическую. Высокая чувствительность
стоить менее 1$/W США.
Вольт амперные характеристики пучковых изобретенных элементов в ИК спектре, когда с поэлементов при нормальных условиях показывают мощью ИК нагревателя, излучающего длину волны
высокие значения нагрузочных характеристик и 0,9–200 мкм удалось получить выходную мощность
более 2 кВт/м 2, в корне меняет существующую
близки к идеальным (рис. 4).
Однако, интенсивное освещение подразумевает энергетику.
Этот фактически термофотовольтаический эфи интенсивный нагрев. Как следствие – это выражается в потере генерируемой мощности стандартных фект с успехом применим для высокоэффективных
элементов. Особенности температурного феномена способов генерирования электроэнергии. Вместо
пучковых преобразователей позволяют обойти бездумного низкоэффективного сжигания в топках
и этот барьер: с ростом температуры ток КЗ воз- ценного химического сырья, альтернативы которому
растает при неизменном напряжении холостого нет, появляется возможность его бережного расхохода (ХХ). Этот феномен представлен в таблице и дования в электростанциях принципиально нового
кривой 2 рис. 5 – с ростом температуры КПД и вы- поколения на основе ИК излучателей, оснащенных
ходная мощность преобразователя возрастают, т.е. в пучковыми термофотовольтаическими преобразоусловиях наземного применения при естественном вателями с эффективностью более 80%.
нагреве 60–70° С такие преобразователи выходят на
пиковую мощность и КПД в этих условиях стано- ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, полученные авторами пучковится максимальным и выше, чем при 25° С.
Такое поведение пучковых СЭ их делает кон- вые СЭ являются очень обнадеживающими: они
курентноспособным не только с наземными пре- применимы с успехом как в солнечной энергетике,
образователями, для которых в реальных условиях например, для строительства электростанций в
эксплуатации выходная мощность и КПД падает в условиях Арктики, Антарктики, пустынь и в гор2–3 раза по отношению к паспортной при 25° С, но ных условиях или в космосе; они применимы с
и с серийными космическими, температурная за- успехом в современных термофотовольтаических
висимость мощности и КПД которых, для одного устройствах генерирования электроэнергии и могут
из этого класса, представлена в таблице и кривой использоваться для строительства экологически
1 рис. 5. Выходная мощность ПСЭ при Т=2000° С чистых, бесшумных и экономичных тепловых
составляет 12 мВт/см2, а серийного космического электростанций принципиально нового поколения,
72
ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК
2007/1
энергетика
Технология ФВЯ нового
поколения - это обычная кремниевая полупроводниковая технология, основанная на физической модификации структуры
кремния, т.е. без изменения его
химической структуры. Осуществление технического эффекта в этой технологии основано на
многоэлементном масштабном
эффекте пучка [6], закономерностях разброса физических
характеристик твердых тел [7],
одноэлементном масштабном
Рис. 3. Зависимость плотности тока короткого замыкания от освещенности эффекте [8], снижении внутренв белом свете;
него сопротивления элементов,
1– образец серийный для космоса;
увеличения поглощающей спо2 – ПСЭ без просветления;
собности полупроводникового
3 – ПСЭ после просветления (прогноз).
материала как для длинноволновой части спектра электромагнитного излучения, так и для коротковолновой части, а также управлением
диффузионно-дрейфовых процессов и
рекомбинацией в полупроводниковых
структурах.
Основная цель проекта на основе
ПСЭ – превращение солнечных систем
с использованием дешевого (по сравнению с гетерополупроводниками)
монокристаллического кремния в доступный для массового потребления
конкурентоспособный альтернативный
источник электрической энергии.
Таким образом, с точки зрения
глобальной экологической и энергетической безопасности планеты данная разработка представляет особый
Рис. 4. Вольт амперные характеристики в спектре АМ 0:2 – ПСЭ без про- интерес.
Внедрение данной технологии
светления; 3 – ПСЭ с просветлением (отражение снижено до 35 %) – прогноз.
может утолить энергетический голод
планеты. При этом изменится глобальвырабатывающих электричество без громоздких ная энергетическая политика на Земле. Запасы сырья
металлоемких турбин и других подвижных частей и на Земле – кремния занимают первое место среди
приспособлений с КПД, превышающем в несколько минералов. Это самый распространенный минерал
раз обычные тепловые станции.
на нашей планете.
Использование предлагаемых термофотоПредлагаемая технология позволит вывести
вольтаических ПСЭ без больших капитальных Россию в мировые лидеры в области неиссякаемых
затрат способно увеличить вдвое энерговоору- и возобновляемых источников энергии.
женность любого современного, как крупного
Принимая во внимание прогноз специалистов,
мегаполиса, так и маленького населенного пун- что общий мировой оборот в 18,5 млрд долл. США
кта. При этом возможны создания, как крупных будет достигнуто только в 2010 г., наиболее предпочтимультимегаватных электростанций, так и мелких тельный путь развития солнечной энергетики в Росмощностью в несколько кW, обслуживающих сии, на наш взгляд, дальнейшее развитие собственного
небольшие здания, сооружения или садово- производства солнечных батарей на основе кремния в
дачные домики, или к примеру, в автомобилях предложенной технологии, а также дальнейшая комвозможно, вмес то двигателей вну т реннего мерциализация и интегрирование пучковых преобсгорания, применить бесшумные термофото- разователей в существующие мировые системы.
вольтаические камеры и генераторы на основе
Такая стратегия подразумевает прорыв и выход
ИК излучения.
России на мировой рынок.
ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК
2007/1
73
энергетика
Рис. 5. Зависимости выходной мощности СЭ от температурыокружающей среды:
1 – серийный космического применения;
2 – ПСЭ .
Таблица 1. Зависимость КПД серийного СЭ и ПСЭ от температуры окружающей среды в спектре АМ 0
Температура T, °C
25
40
60
80
100
120
140
160
180
200
КПД, %. ПСЭ
18
20,5
20,5
20,1
19,1
17,1
14,7
12,4
10,8
10,1
19,4
15,8
11,2
9,6
8,5
7,3
6,4
5,6
4,8
3,2
КПД, %. СЭ
серийный для комоса
В настоящее время стратегия авторов проекта
будет направлена на развитие и обеспечение мировых производителей необходимыми лицензиями,
инженерными решениями, что позволит улучшить
существующие производственные линии и осуществить производство нового поколения солнечных
батарей.
ЛИТЕРАТУРА
1. Алферов Ж.И., Андреев В.М., Румянцев В.Д.
Тенденции и перспективы развития солнечной
энергетики. Физика и техника полупроводников.
2004, Т.38, вып.8. С. 937–948.
2. Колтун М.М. Солнечные элементы. М.: Наука,
1987. 192 с.
3. Константинов П.Б., Концевой Ю.А., Максимов Ю.А.
Кремниевые солнечные элементы. М.: МИРЭА,
2005. 70 с.
4. Мейтин М. Фотовольтаика: материалы, технологии,
перспективы. Электроника: наука, технология,
бизнес. 2000. № 6. С. 40–46.
5. Унтила Г.Г., Кост Т.Н., Закс М.Б. и др. Новый тип
высокоэффективных двусторонних кремниевых
солнечных элементов с внешними шинами и
проволочной контактной сеткой. Физика и техника
полупроводников. 2005, Т.39, вып.11. С. 1393–1398.
6. Цой Б., Карташов Э.М., Шевелев В.В. Явление
многоэлементного масштабного эффекта
74
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
характеристик физических объектов (эффект ЦояКаратшова-Шевелева). М. Диплом на открытие
№ 243 от 16 декабря 2003 г. Рег. № 287.
Цой Б., Карташов Э.М., Шевелев В.В.
Закономерность распределения значений
физических характеристик полимеров и твердых
тел при внешнем многофакторном воздействии. М.
Диплом на открытие № 209. от 2 октября 2002 г. Рег.
№ 248.
Цой Б. Закономерность изменения физических
характеристик одноэлементных структур полимеров
и твердых тел при изменении масштаба (эффект
Б. Цоя). М. Диплом на открытие №247 от 02 марта
2004 г. Рег. №293.
Aberie A.G., Altermatt P.P., Heizer G, Robinson S.J.
Limiting loss mechanisms in 23 % efficient silicon solar
cells//J.Appl. Phys. 1995. Vol. 77, N 7. P. 3491.
Goodrich J., Chaple-Sokol., Allendore G., Frank R. The
etched multiple vertical junction silicon photovoltaic cell
//Solar Cells. 1982. Vol.6, N 1. P. 87–101.
Green M.A. et al. 25% Efficent Low-Resistiviy Si
Concentrator Solar Cells. IEE Electron Device Letters.
1986, PP. 583–585.
Pat. DE 10127382 A1.
Pat. JP 3206350 B2.
Pat. RU 2139601.
Pat. US 6,998,288 В1 от 14.02.2006 г.
ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК
2007/1