Виссарионов В.И., Дерюгина Г.В., Кузнецова В.А., Малинин Н.К. Солнечная энергетика

Подождите немного. Документ загружается.

241

устойчивую тенденцию к постоянному улучшению значений

уд

k и

уд

k во

времени, что является следствием учета объективных факторов в солнечной

энергетике мира. В частности, из-за совершенствования технологий и роста

масштабов производства СЭ в мире, значения

уд

k и

уд

k снизились в десятки

раз к 2000 г. по сравнению с уровнем 1980 г. В то же время, указанные

показатели на традиционных типах электростанций значительно возросли и

имеют устойчивую тенденцию к своему росту в силу целого ряда

объективных и общеизвестных факторов, действующих сегодня в мире.

На рис. 6.2 представлен также прогноз EPTA/Greenpeace дальнейшего

снижения

уд

k ($/Вт) для СФЭУ на период до 2020 г. Из приведенных там

данных со всей очевидностью следует, что солнечная энергетика становится

уже и сегодня все более и более конкуретноспособной в топливно-

энергетическом комплексе мира в целом и каждой страны в отдельности

Рисунок 6.2 Прогноз снижения капвложений в солнечные модули на период до 2020 г.

(EPIA/Greenpeace)

0.5

1.5

2.5

3.5

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

2011

2012

2013

2014

2015

2016

2017

2018

2019

2020

Годы

Евро/Вт

242

Аналогичные прогнозы по стоимости и объему производства солнечных

модулей в мире даются и в других источниках (см. таблицы 6.6 и 6.7). С

учетом более высокой экологической безопасности таких электростанций,

огромных запасов возобновляемой солнечной энергии и 40-летнего опыта

развития технологии СЭ, все более очевидно, что фотоэлектрические

солнечные станции будут играть стратегическую роль в мировой энергетике

будущего.

Таблица 6.6 Структура стоимости и объема производства солнечных

модулей в мире в настоящее время и в перспективе

Структура стоимости производства,

долл. США

Современный уровень

1. Производство кремниевых

пластин

1,5-1,7

2. Производство СЭ 1,3-1,5

3. Изготовление СМ 1,5-1,7

4. Стоимость производства

модулей

4,3-4,9

Ближайшая задача

1. Производство кремниевых

пластин

0,8-1,0

2. Производство СЭ 0,4-0,5

3. Изготовление СМ 0,6-0,7

4. Стоимость производства

модулей

2,0

Долгосрочная перспектива

1. Производство кремниевых

пластин

0,25-0,3

2. Производство СЭ 0,3

3. Изготовление СМ 0,4-0,45

4. Стоимость производства

модулей

1,0

243

Таблица 6.7 Технико-экономические характеристики кремниевых

солнечных элементов

1995 год 2000 год 2010 год

(прогноз)

Материал СЭ

КПД,

Цена,

долл.

КПД,

Цена,

долл.

КПД,

Цена,

долл.

Монокристаллический

кремний

15 2,40 18 2,00 22 1,5

Поликристаллический

кремний

14 2,25 16 1,95 20 1,45

Аморфный кремний 7-9 2,00 10 1,20 14 0,75

На основе анализа стоимости производства СЭ, проведенного по

различным технологиям, спроса на СЭ и СМ была сформулирована задача

поэтапного снижения стоимости производства до 2 дол. США/Вт

(ближайшая задача) и 1 дол. США/Вт (перспективная задача). Это приведет к

снижению стоимости электроэнергии, соответственно до 0,12 долл./кВт⋅ч и

0,6 долл./кВт⋅ ч.

При цене производства 2 долл. США/Вт мировая потребность составит

100 ГВт в расчете по 100 Вт на одного человека из 1 млрд. населения,

живущего без электричества. Предполагается, что мощность 100 Вт покроет

потребности в электроэнергии на освещение, питание телевизора,

небольшого холодильника и водяного насоса населения развивающихся

стран и удаленных сельскохозяйственных районов России. При сроке

наполнения рынка 20 лет ежегодная потребность составит 5 ГВт.

Себестоимость 1,0 долл. США/Вт может быть достигнута при

массовом применении солнечных установок, включенных в электросеть.

Если принять долю электроэнергии, произведенной путем преобразования

солнечного излучения за 10% общего объема электроэнергии, производимой

в мире, то рынок солнечной энергетики составит 50 ГВт⋅ч в год. В

техническом отношении не существует ограничений в использовании такого

количества солнечной энергии, однако, для этого необходимо решить ряд

научных, технологических и экономических проблем.

244

Снижение стоимости солнечной электроэнергии возможно либо при

совершенствовании техники полупроводниковых материалов, либо с

помощью концентраторов излучения. В основном, это касается СФЭУ на

базе кремния, так как кристаллический кремний занимает сегодня

доминирующее положение в производстве СЭ. Считая, что 1 кг кремния в СЭ

при однократной интенсивности солнечного излучения может произвести

300 МВт⋅ч электроэнергии за 30 лет, можно легко определить эквивалентное

количество нефти. Для производства 300 МВт⋅ч электроэнергии при

теплотворной способности потребуется 25 т нефти с теплотворной

способностью 43,7 МДж/кг, а с учетом того, что КПД теплоэлектростанции

составляет примерно 33%, количество нефти, эквивалентное 1 кг кремния

возрастает до 75 т.

В сравнении с ядерной энергией, 1 т природного урана в генераторе

открытого цикла производит 35 ГВт⋅ч, в то время как одна тонна кремния

(наиболее распространенного материала для изготовления СЭ) в установке с

концентратором за 30 лет срока службы сможет выработать 92 ГВт⋅ч. В этой

связи кремний часто называют "нефтью 21-го столетия", имея в виду

высокую прибыльность нефтяной отрасли.

Основным препятствием на пути к снижению стоимости СЭ является

высокая стоимость кремния солнечного качества (70-20 дол л./кг], поэтому

задача первостепенной важности состоит в разработке новых технологий

производства кремния.

Содержание кремния в земной коре составляет 29,5% (8⋅10

), что

превышает запасы алюминия в 3,35 раз (табл.6.8). Цена кремния степени

очистки 99,99 % равна "стоимости урана, используемого в реакторах

атомных электростанций, хотя содержание кремния в земной коре в 100 000

раз превышает содержание урана.

Мировой запас урана оценивается в 2 763 000 т. Производственный

цикл уранового топлива, включая производство гексафторида урана, гораздо

более сложен и опасен по сравнению с хлор-силановым методом

245

производства полупроводникового кремния. С учетом того, что уран в

земной коре находится в рассеянном состоянии и содержится в

несоизмеримо меньших концентрациях, чем кремний, непонятно, почему эти

материалы имеют примерно одинаковую стоимость. 'Этот "парадокс" можно

объяснить только тем, что на развитие технологии производства уранового

топлива были инвестированы в мире миллиарды долларов.

Таблица 6.8 Материалы для солнечных энергетических систем

Материал

Массовое

содержание в

земной коре, %

Мировое

производство,

млн. т/год

Цена, долл.

США/кг

Кислород 47 - -

Кремний

(металлургический)

29,5 0,72 1,3

Кремний

(полупроводниковый)

- 0,007 40-100

Алюминий 8,8 20 1,3

Железо (сталь) 4,65 480 0,25-0,3

Титан 0,63 0,25-,85

Никель 0,01 9 7,3

Медь 0,0047 0,7 1,3-2,0

Свинец 0,0016 7 0,3-0,5

Олово 0,00025 0,18 5,8-6,0

Кварц 12 - 0,2-2,0

Эти средства отпускались, главным образом, на военные программы.

Видимо, только поэтому объем мирового производства урана в несколько раз

превышает объем производства полупроводникового кремния (табл.6.9).

Хлор-силановый технологический цикл производства

полупроводникового кремния за 35 лет со дня его разработки практически не

претерпел значительных изменений и страдает всеми недостатками

химических технологий 50-х годов: высокое энергопотребление, низкий

выход кремния, высокий уровень экологической опасности (табл.6.10). В

настоящее время для производства "солнечного" кремния, как правило,

246

используется все та же традиционная технология полупроводникового

кремния, применяемого в электронной промышленности.

Основное сырье для производства кремния - оксид кремния в виде

кварцевого песка образует 12% массы литосферы. Русские кварциты

являются самыми чистыми в мире; их залежи достаточны, чтобы обеспечить

сырьем солнечные фотоэлектрические станции мощностью более 1000 ГВт.

Высокие энергетические затраты и низкий выход кремния (от 6 до

10%) при химическом способе очистки обусловлены высокой энергией связи

Si-O (64 кДж/моль). В настоящее время три новые технологии производства

солнечного кремния ждут своей окончательной доработки и коммерческого

освоения.

Таблица 6.9 Сравнение характеристик базовых материалов для

атомных и солнечных электростанций

Характеристика Уран Кремний

Содержание в земной коре, % 0,0003 29,5

Мировые запасы, тыс. т 2763 > 25 млн.

Годовой выпуск, тыс. т 45 1000 (металлургический) 7

(приборный)

Цена, долл. США/кг 40-60 2 (металлургический) 40-100

(приборный)

Энергетический эквивалент за 30

лет, МВт-ч/кг

3000 3000 (аморфный пленочный)

300 (кристаллический)

Срок службы электростанции, лет

30 50-100

Таблица 6.10 Сравнение характеристик технологии получения кремния

для солнечной энергетики

Характеристика Традиционная

технология

Новая технология

Процесс очистки Химический Физический

Энергопотребление, кВт*ч/кг 250 15-30

Выход кремния, % 6-10 80-95

Стоимость кремния, долл.

США/кг

40-100 5-15

Экологическая характеристика Опасная Чистая

247

В России сегодня разработана новая технология получения

энергетического кремния, основанная на больших запасах российского

кварца высокой чистоты.

Предлагаемый метод производства кремния основан на реакции его

восстановления из природного кварца высокой чистоты с помощью углерода

по специальной технологии, обеспечивающей достаточную чистоту

конечного продукта.

Россия располагает несколькими богатыми месторождениями

высокочистого кварца и графита. Анализ показывает, что эти материалы

можно использовать без предварительной химической очистки.

Предлагается производить восстановление кремния из природного

кварца в новых дуговых печах с помощью углерода: в виде сажи (вариант 1)

или из природного газа (вариант 2). Замкнутые, реакционные камеры должны

обеспечить высокую экологичность производства и снижение потребления

электроэнергии на единицу массы произведенной продукции в 10 раз.

Снижение трудозатрат и повышение выхода кремния до 80% позволит

снизить солнечного кремния до 25 долларов США за 1 кг. Было разработано

оборудования и получены образцы кремния солнечного качества, что

подтверждает практическую осуществимость данной технологии.

Запуск производства технологии производства солнечного кремния в

объеме 40 т в год потребует капиталовложений в размере 3 млн. долларов

США.

Изделия и сопутствующие продукты производства:

- Кремниевое сырье (чистота 99,999%) для выращивания слитков.

- Слитки поликристаллического кремния солнечного качества р-типа с

удельным сопротивлением 0,2-0,4 Ом.

- Диоксид кремния высокой чистоты для оптических приборов

(оптическое стекло, оптическое волокно).

248

- Углерод с чистотой 99,99% в виде сажи или в гранулах для

производства полиграфической краски, для использования в

электрохимической и резиновой промышленности.

Основные преимущества предлагаемой технологии:

- низкая себестоимость солнечного кремния *в 2-3 раза ниже, чем при

обычном производстве);

- снижение потребления электроэнергии (в несколько раз);

- использование патентно-чистых технологий;

- экологическая безопасность технологических процессов.

Сегодня в мире существуют и другие перспективные технологии

получения энергетического кремния. В частности технология высокочистого

кремниевого сырья для производства СЭ без применения хлорных

соединений. В качестве исходного материала используется технический

кремний степени очистки 96-98%.

Производство кремниевого сырья для производства СЭ

осуществляется по следующей технологической схеме:

− очистка размельченного (размер частиц 20-60 мкм)

металлургического кремния с помощью щелочного раствора;

− приготовление однородной смеси кремниевой пыли с

катализатором;

− получение и выделение триэтилсилана в результате реакции со

спиртом;

− получение моносилана;

− адсорбционная очистка моносилана с помощью твердых

сорбентов;

− получение кремниевого сырья путем пиролиза моносилана.

Каждая фаза процесса должна быть опробована в условиях

экспериментального производства. Процесс получения моносилана

отличается исключительной избирательностью синтеза моносилана и

предотвращает образование летучих компонентов с нежелательными

249

примесями в кремнии, что значительно упрощает очистку моносилана.

Процесс очистки кремния связан с применением замкнутого цикла

обработки, предусматривающего регенерацию использованных кислот.

Все процессы требуют доступных материалов, производимых

промышленностью в массовом масштабе: металлургического кремния и

спирта.

Основным достоинством данной технологии является использование

недорогих исходных материалов, исключение из производственного цикла

вредных хлорных соединений, производство недорогого кремниевого сырья

высокого качества. Таким образом удастся снизить степень зависимости

технологии ФЭП от производства кремния марок, используемых в

электронной промышленности.

Весьма перспективным является и технология производства

энергетического кремния из рисовой лузги, ежегодные запасы которой очень

велики в странах, занимающихся производством риса.

В этой технологии исходным сырьем служит рисовая лузга. В данном

случае производственный процесс включает в себя следующие стадии:

− химическая обработка лузги для отделения органических

примесей и производство пищевых и медицинских продуктов (ванилин,

ксилит и т. п.);

− быстрый гидролиз рисовой лузги в контролируемых условиях для

получения смеси аморфного диоксида кремния и углерода;

− подготовка шихты (гранулирование);

− карботермическое восстановление кремния в дуговой печи.

Данная технология позволяет решить задачу утилизации отходов

производства риса. Кроме того, загрязнение окружающей среды при синтезе

моносилана во много раз меньше по сравнению со стандартной технологией,

использующей соединения хлора.

В мире ежегодно остаются неиспользованными десятки миллионов

тонн рисовой лузги, которая может служить практически неограниченным

250

источником сырья для производства солнечного кремния. При этом

плазменные технологии обеспечивают десятикратное снижение

энергетических затрат по сравнению с хлор-силановым производственных

циклом.

Необходимость и перспективность развития солнечной энергетики в

разных странах мира подтверждается сегодня и различными

стимулирующими правовыми и экономическими актами и законами,

принятыми в них. Широко известны в мире законодательные акты, принятые

в разных странах мира для поддержки развития энергетики на базе

возобновляемых источников энергии в 80-90-е годы XX века (Дания, Индия,

Япония, Германия, США и т.д.). Все они способствовали интенсификации

использования ВИЭ в мире в целом. В начале XXI века в разных странах

мира и, особенно, в странах Европейского Союза (ЕС) особое внимание

государства было обращено и на развитие солнечной энергетики. В качестве

примера ниже приведены различные законодательные акты, принятые в

некоторых странах ЕС и способствующих развитию СФЭУ и СК в

энергетике.

Германия (см. таблицу 6.11): 01.08.2004 принят закон, по которому

установлены очень льготные тарифы на покупку электроэнергии от СФЭУ на

период 20 лет с учетом в них 5% инфляции в год.

Таблица 6.11 Системные тарифы на электроэнергию, получаемую от

СФЭУ в Германии в

кВт

евроцент

⋅

кВт

цент

⋅

, принятые в августе 2004 г и

действующие на период в 20 лет с учетом 5% уровня инфляции

Вид

СФЭУ

СФЭУ на

любых

свободных

поверхностях

СФЭУ

на

крышах

при

N<30

кВт

СФЭУ на

крышах

при

30≤N<100

кВт

СФЭУ

на

крышах

при

N≥100

кВт

СФЭУ

на

фасадах

при

N<30

кВт

СФЭУ на

фасадах

при

30≤N<100

кВт

СФЭУ

на

фасадах

при

N≥100

кВт

евроцент

⋅

45,7 57,4 54,6 54,0 62,4 59,6 59,0