технОлОгии крупнОмасштабнОй сОлнечнОй электрОэнергетики

3/2009
технологии крупномасштабной
солнечной электроэнергетики
Стребков Д.С., докт. техн. наук
Рассмотрены роль солнечной энергии в энергетике будущего, возможности повышения эффективности преобразования солнечной энергии, увеличение
срока службы, снижение стоимости СЭС, производство солнечного кремния, новые методы передачи
электроэнергии, глобальная солнечная энергетическая система. Описаны разработки и технологии возобновляемой энергетики, осуществляемые в ВИЭСХе
совместно с предприятиями Минэнерго РФ.
К л ю ч е в ы е с л о в а : возобновляемые источники
энергии; солнечная электроэнергетика; новые технологии; повышение эффективности
Ч
еловечество ищет ответы на глобальные вопросы:
– что делать в связи с изменением климата и
глобальным потеплением;
– где найти энергоресурсы, которые распределены крайне неравномерно и истощаются;
– как сохранить стабильность в мире и обеспечить
устойчивое развитие при наличии рисков, связанных с
изменением климата и недостатком энергоресурсов;
– как обеспечить энергетическую безопасность
каждой страны и глобальную безопасность.
Ответы на эти глобальные вызовы могут быть получены в результате реализации новой энергетической
стратегии.
Основные направления будущего развития
энергетики [1-3]
1. переход от энергетики, основанной на ископаемом топливе, к бестопливной энергетике с использованием возобновляемых источников энергии.
2. переход на распределенное производство энергии, совмещенное с локальными потребителями энергии.
3. создание глобальной солнечной энергетической системы.
4. замена нефтепродуктов и природного газа на
жидкое и газообразное биотопливо, а ископаемого
твердого топлива на использование энергетических
плантаций биомассы.
5. замена автомобильных двигателей внутреннего сгорания на бесконтактный высокочастотный резонансный электрический транспорт.
6. замена воздушных линий электропередач на
подземные и подводные кабельные линии.
По всем указанным направлениям в ВИЭСХе проведены исследования, разработаны технологии и экспериментальные образцы, защищенные российскими патентами.
Солнечная энергетика — это самая быстрорастущая отрасль энергетики в мире с темпами роста 53%
в год и объемом производства в 2008 г. 7,1 ГВт на
50,7 млрд долл. (табл. 1).
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 40 лет.
• Стоимость установленного киловатта пиковой
мощности солнечной электростанции не должна превышать 2000 долл.
Таблица 1
Мировой солнечный энергетический рынок
Объем производства, ГВт
Рост производства, %
Средняя цена модулей, долл./Вт
Средняя цена установленной мощности, долл./Вт
Годовой объем продаж, млрд долл.
Прибыль до уплаты налогов, млрд долл.
Источник: Photon Consulting www.photon-consultins.com
2
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
1,7
44
3,7
7,1
12
3
2,6
58
4,21
7,67
17,9
5,3
3,9
50
3,97
7,43
26,6
7,8
7,1
82
4,18
7,56
50,7
17,4
14,7
107
3,73
6,74
96
32,6
28,8
96
3,33
6,05
170,5
56,3
40,9
42
3,06
5,66
228,3
73,7
СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ
• 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 до 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 [4]
– 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 40 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
*Запрещенная энергетическая зона в полупроводнике находится
между валентной зоной и зоной проводимости. Она определяет
длинноволновую границу фотоэффекта.
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 40 лет. Для снижения температуры
СЭ и оптических потерь внутренняя полость модуля
заполнена кремнийорганическим полимером [2, 5].
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 гигаватного уроня 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 о,
позволяющие в пределах апертурного угла концентрировать прямую и рассеянную компоненту солнечной
радиации [6]. 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 [7]. 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
3/2009
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. [6].
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
Рис. 1. Глобальная солнечная энергетическая система
до 2500 кВт·ч/кВт. Зависимость выраиз трех солнечных электростанций
батываемой энергии СЭС от времени
суток и погодных условий является ахиллесовой пяэлектрическая мощность каждой СЭС 2,5 ГВт, разтой СЭС в конкуренции с электростанциями на исмеры 190 х190 км2 [2, 8].
копаемом топливе. Поэтому до настоящего времени
Глобальная солнечная энергетическая система
в крупномасштабных проектах и прогнозах развития
генерирует электрическую энергию круглосуточсолнечной энергетики предусматривалось аккумулино и равномерно в течение года (рис. 2) в объеме
рование солнечной энергии путем электролиза воды
17300 ТВт•ч/год, превышающем современное мирои накопления водорода.
вое потребление электрической энергии. Это позвоВ ВИЭСХе проведено компьютерное моделиролит перевести все угольные, газовые и атомные станвание параметров глобальной солнечной энергетиции в разряд резервных электростанций.
ческой системы, состоящей из трех СЭС, установБазовые солнечные электростанции блочноленных в Австралии, Африке и Латинской Америке,
модульного типа будут ежегодно увеличивать свою
соединенных линией электропередач с малыми помощность на 100-300 ГВт. Начало функционироватерями (рис. 1). При моделировании использования глобальной солнечной энергетической системы
лись данные по солнечной радиации за весь период
прогнозируется в 2050 г., выход на полную мощнаблюдений. КПД СЭС принимался равным 25 %,
ность в 2090 г. В результате реализации проекта
Рис. 2. Производство электроэнергии глобальной солнечной энергосистемой
4
СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ
доля солнечной энергетики в мировом потреблении
электро-энергии 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 [9].
При использовании СЭС органически сочетаются
природные ландшафты и среда обитания с энергетическими установками. СЭС образуют пространственноархитектурные композиции, которые являются солнечными фасадами или солнечными крышами зданий,
ферм, торговых центров, складов, крытых автостоянок.
В ВИЭСХе совместно с предприятиями Минэнерго
РФ разрабатываются и другие крупномасштабные технологии возобновляемой энергетики: получение жидкого и газообразного топлива из биомассы методом быстрого пиролиза с выходом топлива более 50% от массы
сырья, экологически чистые роторные ветровые элек­
тростанции без лопастей, комбинированные солнечноветро-дизельные электростанции, транспортные средства, ра­ботающие на солнечной энергии и на водороде.
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 [12]. Тем самым будет решена одна
из важнейших проблем энергетики — повышение надежности электроснабжения.
Рис. 3. Резонансная система передачи электрической
энергии
1 — преобразователь, 2 и 4 — резонансные высокочастотные трансформаторы Тесла, 3 — однопроводниковые высоковольтные линии 3, 5 — инвертор
В табл. 2 показаны результаты испытаний резонансной однопроводниковой кабельной системы передачи
энергии электрической мощностью 20 кВт с длиной кабеля 1,2 км, работающей на частоте 1 кГц в ВИЭСХе [12].
Таблица 2
Результаты испытаний резонансной системы
передачи электрической энергии мощностью 20 кВт
Электрическая мощность на нагрузке, кВт
20,52
Tок, А
54
Напряжение, В
380
Напряжение линии , кВ
6,8
Частота линии, кГц
1
Длина линии, м
6 1200
Диаметр провода линии, мм
0,08 1
Максимальная эффективная плотность тока
на единицу площади поперечного сечения
600
проводника линии, А/мм2
Максимальная удельная электрическая
4
мощность в однопроводниковой линии, МВт/мм2
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. [10, 11].
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
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 может быть причиной пожара.
В качестве источника электрической энергии в
резонансной электрической системе может быть
5
3/2009
использована не только СЭС, но и другие возобновляемые источники энергии (ГЭС, ВЭС, ГЕоТЭС и др.).
Другое глобальное применение резонасных однопроводниковых систем передач электроэнергии заключается в возможности создания бесконтактного
высокочастотного электрического транспорта.
Разработанная авторами экспериментальная модель небольшого электромобиля получает энергию от
однопроводниковой изолированной кабельной линии,
проложенной в дорожном покрытии. Ведутся работы по
увеличению мощности бесконтактного привода и разработке коммерческого проекта резонансной электротранспортной системы. В перспективе можно представить большой цветущий зеленый город без выхлопных
газов и смога, в котором под каждым рядом движения
на главных магистралях установлена кабельная линия,
и каждый автомобиль в дополнение к двигателю внутреннего сгорания имеет электрический двигатель и
бесконтактный троллей. Таким же образом может быть
организованно движение на крупных автострадах между городами, в том числе с использованием автоматических электротранспортных средств, управляемых
роботами и компьютерами.
Использование электрического бесконтактного
привода в сельской электрификации открывает перспективы большой экономии топлива и создания беспилотных, управляемых компьютером со спутниковой
навигацией роботов-автоматов для обработки земли,
выращивания и уборки сельскохозяйственной продукции. В этом случае сельскохозяйственное производство превратится в фабрики на полях, организованное
на принципах автоматизированных промышленных
предприятий. Таким образом, могут быть решены еще
три современные проблемы электрификации — энергосбережение, снижение вредных выбросов и автоматизация сельскохозяйственного производства.
Список литературы
1. Стребков Д.С. Основные направления повышения энергетической безопасности // Глобальная
безопасность. 2006. № 1. с. 108 -109.
2. Безруких П.П., Стребков Д.С. Возобновляемая
энергетика: Стратегия, ресурсы, технологии. М.: изд.
ГНУ ВИЭСХ, 2005. 263 с.
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. Арбузов Ю.Д., Евдокимов В.М. Основы фотоэлектричества. М.: изд-во ВИЭСХ, 2007. 289 с.
5. Стребков Д.С., Персиц И.С. Создание материалов, технологии и оборудования для герметизации
солнечных модулей с увеличением срока службы с 20
до 40 лет. Инновационные проекты ВИЭСХ. М.: 2008.
с. 16 -17.
6. Стребков Д.С., Тверьянович Э.В. Солнечные
концентраторы. М.: изд-во ГНУ ВИЭСХ, 2007. 315 с.
7. Стребков Д.С. О развитии солнечной энергетики в России // Теплоэнергетика. 1994. № 2. С. 53-60.
6
8. Strebkov D.S. , Irodionov A.E. Global solar power
system. Eurosun – 2004, Freiburg, Germany. 14 Intern.
Sonnenforum 2004, Vol. 2 p. 336-343.
9. 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.
10. N. Tecla . Electrical Transformer. US Pat. # 593138,
02.11.1897.
11. Стребков Д.С. Никола Тесла и современные
проблемы электроэнергетики. К 150 летию со дня
рождения Никола Тесла — 10 июля 1956 г. // Электро.
Электротехника, электроэнеретика, электротехническая промышленность. 2006. № 3. С. 47-52.
12. Стребков Д.С., Некрасов А.И. Резонансные методы передачи и применения электрической энергии.
М.: изд. ГНУ ВИЭСХ, 2008. 351 с.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На рис. 4 показано изменение доли возобновляемой 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 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 % долю возобновляемой энергии в мировом производстве энергии.
Рис. 4. Доля возобновляемой энергии
в мировом производстве энергии
Стребков Дмитрий Семенович — директор государственного научного учреждения Всероссийский научноисследовательский институт электрификации сельского
хозяйства (ГНУ ВИЭСХ), академик РАСХН 8 (495) 1711920 viesh@dol.ru