LINEBURG


<< Пред. стр.

страница 8
(всего 28)

ОГЛАВЛЕНИЕ

След. стр. >>


58
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.


виды энергии, в основе которых лежит солнечная энергия, называются возобновляе-
мыми источниками энергии (ВИЭ).
Доля ВИЭ в потреблении энергии в странах ЕЭС должна возрасти до 12% до
2010 г., а установленная мощность солнечных энергетических систем (СЭС) должна
увеличиться до 3 ГВт в 2010 г. Доля ВИЭ, включая гидроэнергетику, должна состав-
лять 22, 1% в потреблении электроэнергии в странах ЕЭС до 2010 г. В 2003 г. потреб-
ление энергии в ЕЭС составляло 2880, 8 ТВт?ч. В 2030 г. прогнозируемая установлен-
ная мощность СЭС, использующих фотоэлектрический метод преобразования солнеч-
ной энергии в мире составит 300 ГВт при стоимости 1000 евро/кВт и стоимости
электроэнергии 0,05-0,12 евро/кВт·ч [2]. Возобновляемые источники энергии будут за-
мещать уголь, нефть, газ и уран в производстве электроэнергии, теплоты и жидкого то-
плива.
На Саммите на Окинаве, Япония в июле 2000 года лидеры "большой восьмерки"
создали международную специальную группу и группу советников для определения
барьеров и подготовки решений для достижения существенных изменений в развитии
мировой возобновляемой энергетики. В докладе [3], подготовленной специальной
группой и утвержденном лидерами большой восьмерки на Саммите в Генуе в июле
2001 года, поставлена задача за десять лет обеспечить 2 млрд. человек в мире энергией
с помощью ВИЭ и предложена концепция электрификации сельского хозяйства разви-
вающихся стран.
Общая стоимость проекта по обеспечению 2 млрд. людей энергией за 10 лет
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 [4]. Лидеры большой восьмерки
заявили на Саммите в Генуе в июле 2001 года: «Мы будем предусматривать развитие
ВИЭ в наших национальных планах и поддерживать исследования и инвестиции в но-
вые технологии».
Целью работы является определение существенных факторов и технологий, оп-
ределяющих направления и перспективы развития мировой солнечной энергетики и её
роль в энергетике будущего. Роль солнечной энергии в энергетике будущего определя-
ется возможностями разработки и использования новых физических принципов, техно-
логий, материалов и конструкций для создания конкурентоспособных СЭС.
Мы сформировали следующие критерии конкурентоспособности солнечной и
топливной энергетики.
- КПД солнечных электростанций не менее 20 %.
- Годовое число часов использования мощности солнечной энергосистемы
должно быть равно 8 760 часов. Это означает, что Солнечная энергетическая система
должна генерировать электроэнергию 24 часа в сутки 12 месяцев в году.
- Срок службы солнечной электростанции должен составлять 50 лет.
- Стоимость установленного киловатта пиковой мощности солнечной электро-
станции не должна превышать 1000 долл. США.
- Производство полупроводникового материала для СЭС должно превышать
один млн. тонн в год при цене не более 12 долл. США/кт.
- Материалы и технологии производства солнечных элементов и модулей
должны быть экологически чистыми и безопасными.
Рассмотрим, в какой степени современные цели и направления развития солнеч-
ной фотоэлектрической энергетики отвечают вышеуказанным критериям.
59
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.



ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ
Максимальный достигнутый в лаборатории КПД солнечных элементов (СЭ) на
основе каскадных гетероструктур составляет 36,9 % (фирма Спектролаб, США), для СЭ
из кремния 24%. Практически все заводы в России и за рубежом выпускают солнечные
элементы с КПД 14 -17%. Sun Power Согр. США начала в 2003 г. производство солнеч-
ных элементов из кремния размером 125 х 125 мм с КПД 20%.
Новые технологии и материалы позволят в ближайшие пять лет увеличить КПД
СЭ на основе каскадных гетероструктур в лаборатории до 40%, в производстве
до 26-30%, КПД СЭ из кремния в лаборатории до 28%, в промышленности до 22%.
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 фо-
тонов по принципу: каждый фотон должен поглощаться в полупроводнике с запрещен-
ной 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 запрещен-
ной зоне.
Другие подходы к повышению КПД СЭ связаны с использованием концентри-
рованного солнечного излучения, созданием полимерных СЭ, а также наноструктур на
основе кремния и фуллеренов. Предлагается использовать принципы микроволнового
преобразования энергии (резонатор – волновод – выпрямитель) для преобразования
солнечной энергии [2].

ПОВЫШЕНИЕ ЧИСЛА ЧАСОВ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
УСТАНОВЛЕННОЙ МОЩНОСТИ СЭС
Число часов использования установленной мощности в год составляет для тепло-
вых электростанций в среднем 5200 ч, для ГЭС 1000 – 4800 ч. Для ВЭС 3000 ч., для СЭС
1000 – 2500 ч. [5].
Стационарная солнечная электростанция с КПД 20 %пиковой мощностью 1 кВт
вырабатывает за год в центральной России и в Германии 2000 кВт·ч, в пустыне Сахара
до 3500 кВт·ч. При слежении за Солнцем производство электроэнергии при тех же ус-
ловиях возрастет в России до 2800 кВт·ч/кВт, в Сахаре до 5000 кВт·ч/кВт. Зависимость
вырабатываемой энергии СЭС от времени суток и погодных условий является ахилле-
совой 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.
Мы провели 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 20%. На рис. 2 представлен график
производства электроэнергии в глобальной солнечной энергосистеме. СЭС генерирует
электроэнергию круглосуточно и равномерно в течении года. Размеры каждой из трех
СЭС составляют 210 х 210 км, электрическая мощность 2,5 ТВт [6].
60
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.




Рис. 1. Глобальная солнечная энергетическая система из трех солнечных элек-
тростанций




Рис. 2. Производство электроэнергии глобальной солнечной энергосистемой

В связи с развитием объединенных энергосистем в Европе, Северной и Южной
Америке и предложениями по созданию глобальной солнечной энергосистемы появи-
лись задачи по созданию устройств для передачи тераваттных трансконтинентальных
потоков электрической энергии. В конкуренцию между системами передачи на пере-
менном и постоянном токе может вступить третий метод: резонансный волноводный
метод передачи электрической энергии на повышенной частоте, впервые предложенной
Н.Тесла в 1897 г [7].
61
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.



Резонансная система передачи электрической энергии состоит из двух резонанс-
ных высокочастотных трансформаторов Тесла 2 и 4, соединенных однопроводниковой
высоковольтной линией 3 (рис. 3).

0,5 – 50 кГц

˜50 Гц
˜50 Гц



1 2 3 4 5

Рис. 3. Резонансная система передачи электрической энергии

С использованием модифицированных трансформаторов Тесла мы разработали
резонансную систему (РС) передачи электрической энергии электрической мощностью
20 кВт длиной 1,7 км. Результаты испытаний РС представлены в табл. 1. КПД РС при пе-
редаваемой мощности 20 кВт составил 85%, при мощности 1 кВт – 95 %. Основным ис-
точником потерь являются потери в преобразователях частоты 1 и 5 и контурах на входе
и выходе РС, которые могут быть снижены до 5 – 7%. Джоулевы потери и потери на из-
лучение в однопроводниковом волноводе незначительны.
Таблица 1
Результаты испытаний резонансной системы
передачи электрической мощностью 20 кВт

Электрическая мощность на на- 20,52 кВт
грузке 54 А
380 В
Tок
Напряжение
Напряжение линии 6,8 кВ
Частота линии 3,4 кГц
Длина линии 6м 1,7 км
Диаметр провода линии 0,08 мм 1 мм
Максимальная эффективная плот-
ность тока на единицу площади
600 А/мм2
поперечного сечения проводника
линии
Максимальная удельная электри-
4 МВт/мм2
ческая мощность в однопроводии-
ковой линии

На рис. 4 показана РС с питанием от СЭС мощностью 100 Вт , а на рис. 5 испы-
тание РС с использованием водопроводной воды в качестве однопроводникового вол-
новода для электроснабжения макета электрического судна в бассейне [10].
62
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.




Рис. 4. Резонансная система передачи электрической энергии по однопроводни-
ковому волноводу от солнечной электростанции мощностью 100 Вт




Рис. 5. Схема передачи электрической энергии на водный транспорт с
использованием водного проводящего канала и испытания макета электрического
речного судна в лаборатории ВИЭСХ с использованием водопроводной воды в
качестве однопроводного волновода. Передающий блок имеет электрическую
мощность 100 Вт, напряжение 1 кВ




63
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.


УВЕЛИЧЕНИЕ СРОКА СЛУЖБЫ СОЛНЕЧНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
Срок службы ТЭС и АЭС составляет 30 – 40 лет. Срок службы полупроводнико-
вых СЭ превышает 50 лет, так как взаимодействие фотонов с атомами и электронами не
приводит к деградации кристаллической структуры и изменению скорости поверхно-
стной и объемной рекомбинации не основных носителей заряда. Однако солнечные
модули (СМ) 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 СЭ в модуле. Для увеличения срока службы модулей
необходимо исключить из конструкции модуля полимерные материалы. В новой кон-
струкции солнечного модуля СЭ помещены в стеклопакет их двух листов стекла, со-
единенных по торцам пайкой или сваркой. Технология герметизации торцев гарантиру-
ет герметичность модуля в течении 50 лет. Для снижения температуры СЭ и оптиче-
ских потерь внутренняя полость модуля заполнена кремнийорганической жидкостью
(рис. 6, 7) [9].




Рис. 6 Солнечный фотоэлектрический модуль, изготовленный по технологии
бесполимерной герметизации. Размеры 450 х 970 мм Электрическая мощность 50 Вт,
напряжение 12 В




Рис. 7. Солнечный двусторонний фотоэлектрический приемник для стационар-
ного концентратора. Размеры 2м. х 0,12 м. Ожидаемый срок службы 40 лет.

Новая бесполимерная технология сборки солнечного модуля была использована
для создания эффективной вакуумной прозрачной теплоизоляции (ВПТИ). Солнечные
элементы и кремнийорганическая жидкость между стеклами заменены на вакуумный
зазор 50 мкм. [10]. В табл. 2 представлены теплоизолирующие характеристики ВПТИ.
При наличии ИК – покрытия на внутренней поверхности стекол сопротивление тепло-

64
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.


передачи может быть увеличено в 10 раз по сравнению с одинарным остеклением зда-
ний. Солнечные установки с вакуумным остеклением будут нагревать воду не до 60° ,
а до 90°С, т.е. из установок для горячего водоснабжения переходят в новый тип устано-
вок для отопления зданий. В теплицах и зимних садах потери энергии уменьшаются на
50 %. Облицовка южных фасадов зданий плитами вакуумной прозрачной теплоизоля-
цией с селективным покрытием превращает здание в гигантский солнечный коллектор
и эквивалентно увеличению толщины стен на 1 метр кирпичной кладки при толщине
ВПТИ 12 мм.
Особенно эффективно использование ВПТИ в южных районах РФ и в республи-
ках Бурятия, Якутия, где в условиях зимнего антициклона при температуре воздуха
-30°С температура селективного покрытия при толщине ВПТИ 10 мм составляет +30°С.
Использование ВПТИ в летние месяцы позволит на 50% снизить затраты на кондицио-
нирование зданий.

Таблица 2
Сопротивление теплопередачи прозрачных ограждений зданий теплиц и
солнечных установок

Сопротивление
Наименование Толщина теплопередачи
м2•°С/Вт
Один лист стекла 6 0,17
Два листа стекла с зазором 16 мм 30 0,37
Вакуумный стеклопакет 6 0,44
Вакуумный стеклопакет с ИК -
6 0,85
покрытием на одном стекле
Вакуумный стеклопакет с ИК -
6 1,2
покрытием на двух стеклах
Двойной вакуумный стеклопакет
с ИК - покрытием на двух стек- 12 2,0
лах
Кирпичная стена 2,5 кирпича 300 1,2

СНИЖЕНИЕ СТОИМОСТИ СОЛНЕЧНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
Стоимость установленного киловатта мощности составляет, долл. США/кВт:
ГЭС 1000 – 2500, ТЭС 800 – 1400, ВЭС 800 – 3000, АЭС 2000 – 3000 [7].
Основными компонентами современных СЭС, определяющем их стоимость яв-
ляется солнечный модуль изготавливаемый из СЭ на основе кремния. Стоимость СМ
составляет сейчас 3500 – 4000 долл. США/кВт при объеме производства 1 ГВт/год,
стоимость СЭС 6000 – 8000 долл. США/кВт, стоимость СЭС 1000 долл. США/кВт про-
гнозируется достигнуть в 2020 г [2].
Основные пути снижения стоимости СЭС: повышение КПД СЭС, увеличение
размеров СМ и объема производства, снижение стоимости солнечного кремния, сниже-
ние расхода солнечного кремния на единицу мощности СЭС, комбинированное произ-
водство электроэнергии и теплоты на СЭС.



65
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.


Максимальный размер солнечного модуля ограничен размерами стекла и со-
ставляет сейчас 2,5 х 3 м. при электрической мощности 1 кВт. Объем производства СМ
растет на 30% в год, а их стоимость снизилась с 1976 года в 10 раз.
В России разработана бесхлорная технология производства солнечного поли-
кремния со стоимостью 15 долл. США/кВт, что в два раза ниже, чем стоимость поли-
кремния на европейском рынке (табл. 3) [11]. Сроки создания производства солнечного
поликремния объемом 1000 – 5000 т в год по новой технологии 2008 – 2010 гг.

Таблица 3
Бесхлорная технология производства поликристаллического кремния


Исходные компоненты: этанол и металлургический кремний
Si + 3 C2H5OH ? SiH (OC2H5)3
4SiH (OC2H5)3 ? SiH4 + 3 Si(OC2H5)4
SiH4 ? Si + 2H2
В результате реализации технологии:
• Стоимость поликристаллического кремния снижается в 2 раза
до 15 долл. США/кг
• Чистота и качество кремния увеличивается в 10 раз до 99,999%
• Производство становится экологически безопасным


В новой технологии в качестве исходных материалов используются вместо со-
ляной кислоты этиловый спирт и металлургический кремний, а в качестве промежу-
точных компонентов процесса – триэтоксисилан и моносилан. Снижение стоимости
происходит благодаря снижению температуры процесса и затрат энергии. При этом
значительно улучшаются экологические характеристики производства и увеличивается
качество кремния в такой степени, что его можно использовать в электронной про-
мышленности.
Наиболее быстрый путь снижения стоимости и достижения гегаватного уроня
производства СЭС заключается в использовании концентраторов солнечного излуче-
ния. Стоимость 1 м2 площади стеклянного зеркального концентратора в 10 раз меньше
стоимости 1 м2 площади СМ. В России разработаны стационарные концентраторы с
коэффициентом концентрации 3.5 – 10 с угловой апертурой 480, позволяющие в преде-
лах апертурного угла концентрировать прямую и рассеянную компоненту солнечной
радиации (рис. 8 – 10) [12]. Использование солнечного поликремния низкой стоимости
и стационарных концентраторов позволяет сократить сроки достижения стоимости
1000 долл. США/кВт с 2020 до 2015 гг.




66
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.




б)
10 м


480


Фотоприемник




а) б)
Рис. 8. Оптическая схема симметричного стационарного солнечного концентра-
тора с концентрацией 3 (а) и концентрацией 10 (б)




Рис. 9. Солнечная электростанция с параболоцилиндрическими стационарными
концентраторами пиковой мощностью 1 кВт




67
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.




Рис. 10. Солнечный фасад с вертикальным асимметричным солнечным модулем
с углом раскрытия 360 (1-стеклянное покрытие; 2- отражатель; 3-апертурный угол;
4- двухсторонний приемник; 5 – южный фасад здания), а также фотография экспери-
ментального модуля

Солнечные электростанции могут обеспечить производственные и жилые объек-
ты электрической энергией, горячей водой и теплом. Коэффициент использования
энергии Солнца составляет 50-60% при электрическом кпд 10-15%. Использование ста-
ционарных концентраторов позволяет увеличить температуру теплоносителя до 90° и
снизить стоимость СЭС до 1000 долл. США/кВт. На основе концентраторных модулей
разрабатываются солнечные микро-ТЭЦ для многоквартирных и односемейных домов
и промышленных зданий, а также центральные стационарные солнечные электростан-
ции для городов, поселков, сельскохозяйственных и промышленных предприятий.
Повышение эффективности СЭС приводит к снижению затрат энергии и мате-
риалов на производство единицы мощности СЭС, размеров и стоимости земельного
участка под строительство СЭС. На рис. 11 представлена зависимость стоимости изго-
товления киловатта установленной мощности солнечных модулей со стационарными
концентраторами от КПД. При КПД 20% стоимость производства становится значи-
тельно меньше 1000 долл. США/кВт.




68

<< Пред. стр.

страница 8
(всего 28)

ОГЛАВЛЕНИЕ

След. стр. >>

Copyright © Design by: Sunlight webdesign