Инновационные технологии в области ВИЭ, разработанные в ВИЭСХ
Стребков Д.С., Харченко В.В. Всероссийский институт электрификации сельского хозяйства
Аннотация
Всероссийский институт электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ) является одним из лидеров в области использования на практике технологий возобновляемой энергетики. В настоящем сообщении приводится описание некоторых выполненных в ВИЭСХ разработок в области возобновляемой энергетики, пригодных для практической реализации в Республике Молдова.
Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, солнечная энергетика, биотопливо, солнечные модули, матричные солнечные элементы, концентраторы.
Rezumat
Institutul rusesc de electrificare ruralг (IRER) este unul din lideri оn domeniul utilizгrii оn practicг a tehnologiilor energeticii regenerabile. Оn lucrarea datг se prezintг descrierea unor elaborгri efectuate de IER оn domeniul energeticii regenerabile posibil de aplicat оn Republica Moldova.
Cuvinte-cheie: surse regenerabile de energie, energie solarг, biocombustibil, module solare, elemente solare de tip matrice, concentratoare.
Abstract
The All-Russia institute for electrification in agriculture (VIESH) is one of leaders in the field of use in practice of renewable technologies. In the paper the description of some executed in VIESH workings out in the field of renewable power, suitable for practical realization in Republic Moldova is submitted.
Keywords: renewable energy sources, solar power, biofuel, solar modules, matrix solar cells, concentrators of solar radiation.
Масштабы использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) во всем мире с каждым годом неуклонно возрастают.
Установленная мощность электростанций, использующих (ВИЭ) превысила в 2010 г. установленную мощность АЭС в мире и составила 388 ГВт (рост на 60 ГВт по сравнению с 2009 г.). Объем инвестиций в мировую возобновляемую энергетику составил в 2010 г. 243 млрд. долл., рост инвестиций 630% с 2004 г. [1].
По темпам роста первое место занимает солнечная энергетика. В 2011 г. в мире построено 30 ГВт солнечных электростанций (СЭС). Темпы роста производства СЭС составили 118% по сравнению с 2009 г. [2].
Годовое использование биомассы в мире эквивалентно потреблению 1 млрд.тонн нефти и сравнимо с уровнем потребления природного газа и угля. В Российской Федерации имеется 21% мировых ресурсов леса. Ежегодный прирост лесной биомассы в России составляет 800 млн. м3, из которых 50 % может быть использовано в биоэнергетике. Биотопливо может обеспечить 20% тепловой энергетики России. Для этого потребуется менее 20% расчетной лесосеки. В северных областях на биотопливо можно перевести до 60% котельных [3].
В настоящей работе рассматриваются результаты некоторых разработок, выполненных в ВИЭСХ, которые могут представлять интерес для практического использования, в том числе и в Республике Молдова.
Солнечная энергетика
Расширение использования ВИЭ должно базироваться на оригинальных инновационных технологиях. В области солнечной энергетики ГНУ ВИЭСХ является обладателем более 100 патентов на уникальные технические решения.
Новый способ получения кремния
Более 95% всех солнечных электростанций в мире изготавливаются с использованием кремния. Стоимость монокристаллического кремния по-прежнему остается высокой, а общепринятая сегодня технология производства кремния хлоридным способом (Сименс-процесс) весьма сложен и экологически вреден.
В ГНУ ВИЭСХ разработана уникальная бесхлорная технология получения кремния с низкими энергетическими затратами, на которые получено 8 патентов РФ и США.
Эту технологию можно реализовать без какого-либо ущерба для экологии в местах строительства завода по производству кремния. В этом контексте ее можно рассматривать как перспективную для южных регионов. Введение новых мощностей по производству солнечного кремния стало бы мощным стимулом для развития отрасли производства солнечных элементов и модулей.
Применение концентраторов
Эффективный подход к решению проблемы сокращения расхода кремния связан с использованием новых типов концентраторов. В ВИЭСХ разработаны и запатентованы солнечные концентраторы со слежением за Солнцем с концентрацией х100-х1000 и без слежения за Солнцем - стационарные концентраторы с концентрацией х3-х5 [4]. Оба типа концентраторов обеспечивают равномерное освещение солнечных фотоэлектрических модулей, что исключительно важно при эксплуатации СЭС с концентраторами. Стационарные концентраторы без слежения за Солнцем могут концентрировать не только прямую, но и большую часть диффузной (рассеянной) радиации в пределах апертурного угла, что увеличивает производство электроэнергии
Матричные солнечные элементы
В ГНУ ВИЭСХ разработаны матричные солнечные элементы (МСЭ) на основе кремния, которые имеют КПД 25% в лаборатории и 20% в промышленности при 50-1000-кратной концентрации солнечного излучения [5]. Запатентованные в России МСЭ прозрачны для неактивной инфракрасной области спектра, что снижает нагрев фотоприемника и затраты на его охлаждение. Преимуществом МСЭ является генерация высокого напряжения 15-20 В на 1 погонный см рабочей поверхности. Схема получения матричных солнечных элементов с вертикальными p-n переходами представлена на рис.1.
Рис.1. Схема получения матричных солнечных элементов с вертикальными p-n переходами
Из рисунка видно, что для создания матричного фотоэлемента сначала надо изготовить многослойную структуру с заданным образом чередующимися слоями кремния заданного типа проводимости и удельного сопротивления (на схеме слева). При этом необходимо обеспечить электрические омические контакты между соседствующими р-п переходами. Это задача не простая. Но авторам удалось решить ее с помощью оригинального, нестандартного приема, пробоя всей многослойной структуры, что позволило существенно упростить конструкцию и технологию изготовления исходной многослойной заготовки. Такая структура обладала рядом преимуществ перед классической планарной схемой.
Усовершенствованная за многие годы работы конструкция матричного солнечного элемента позволила создать высокоэффективный модуль МЭС-концентратор (линза Френеля) с высокими характеристиками.
Принципиальная схема (а) и внешний вид (б) фотоэлектрического модуля на основе кремниевого матричного солнечного элемента с линзой Френеля в качестве концентратора приведены на рис.2.
Рис.2. Принципиальная схема (а) и внешний вид (б) фотоэлектрического модуля на основе кремниевого матричного солнечного элемента с линзой Френеля в качестве концентратора
МСЭ из кремния в сотни раз дешевле солнечных элементов на основе каскадных гетероструктур на единицу площади, технология МСЭ не требует применения серебра, многостадийной диффузии, фотолитографии, сеткографии, эпитаксии, текстурирования и других трудоемких операций, используемых на зарубежных заводах. Патент РФ на конструкцию и технологию МСЭ включен в перечень «100 лучших изобретений России».
Новая технология изготовления модулей
Все существующие в мире конструкции, материалы и технологии изготовления солнечных модулей обеспечивают срок службы модулей 20 лет в тропическом климате и 25 лет в умеренном климате с потерей до 20% мощности к концу срока службы. Причина - ультрафиолетовая и температурная деградация оптических полимерных герметизирующих материалов - этиленвинилацетата и других пластиков. Используемая технология ламинирования модулей включает вакуумирование, нагрев до 150о и прессование с затратами электроэнергии 80000 кВтч на изготовление 1 МВт солнечных модулей. В новой технологии, разработанной в ГНУ ВИЭСХ, этиленвинилацетат и технология ламинирования заменены на заливку силиконовой композиции с последующим отверждением жидкой компоненты в полисилоксановые гели. При этом срок эксплуатации солнечных модулей увеличивается в два раза до 40-50 лет, возрастает электрическая мощность модулей благодаря более высокой прозрачности геля и снижению рабочей температуры СЭ, снижаются энергозатраты на изготовление модулей на 70 000 кВтч/МВт. Кроме того, удвоение срока службы увеличивает производство электроэнергии на 20 млн. кВтч на 1 МВт пиковой мощности. Внешний вид установки для заполнения фотоэлектрических модулей двухкомпонентным полисилоксановым компаундом представлен на рис.3.
Рис. 3. Внешний вид установки для заполнения фотоэлектрических модулей двухкомпонентным полисилоксановым компаундом
Глобальная солнечная энергетическая система
Проблема непрерывного круглосуточного и круглогодичного производства электроэнергии солнечными электростанциями является основной в развитии глобальной бестопливной энергетики и обеспечения ее конкурентоспособности с топливной энергетикой. В ГНУ ВИЭСХ разработаны и запатентованы региональные и глобальные солнечные энергетические системы, позволяющие вырабатывать и доставлять электроэнергию потребителям независимо от времени суток и времён года. [6].В качестве иллюстрации этого подхода на рис.3 приведена принципиальная схема глобальной солнечной системы.
Глобальная солнечная энергетическая система из трех солнечных электростанций мощностью 2,5 ТВт, площадью 200х200км2
Глобальная солнечная энергосистема соединена с национальными энергосистемами и состоит из трех СЭС, установленных в Австралии, Северной Африке и Латинской Америке. КПД СЭС равен 25%, пиковая электрическая мощность каждой СЭС 2,5 ТВт, размеры 200200 км2.
На рис. 5 приведены данные по выработке электроэнергии глобальной энергосистемой в течение года.
Рис.4. Глобальная солнечная энергетическая система (на карте Мексики в масштабе показаны размеры солнечной электростанции; станции размещаются на территории пустынь)
Из рассмотрения рис. 4 видно, что глобальная солнечная энергосистема генерирует электрическую энергию круглосуточно и равномерно в течение года в объеме 20000 ТВтч/год на уровне, соответствующем мировому потреблению. Это позволит перевести все угольные, газовые и атомные станции в мире в разряд резервных электростанций, уменьшить перегрев атмосферы и остановить изменение климата.
В качестве источника электрической энергии в резонансной глобальной солнечной энергосистеме может быть использована не только СЭС, но и энергоустановки, использующие другие ВИЭ (ГЭС, ВЭС, ГеоТЭС и др.)
Рис. 5. Выработка электроэнергии глобальной энергосистемой в течение года
Среднемесячное производство электроэнергии глобальной солнечной энергосистемой, 17817,6ТВт·ч; ежегодное потребление электричества в Мире - 13810 ТВт·ч (2001)
Для создания региональных и глобальной солнечной энергетической системы в России созданы новые технологии, обеспечивающие конкурентоспособность солнечной энергетики по следующим критериям:
КПД солнечных электростанций должен быть не менее 25%.
Срок службы солнечной электростанции должен составлять 50 лет.
Стоимость установленного киловатта пиковой мощности солнечной электростанции не должна превышать 2000 долл.
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.
Начало функционирования глобальной солнечной энергетической системы прогнозируется в 2050 г., выход на полную мощность в 2090 г. В результате реализации проекта доля солнечной энергетики в мировом потреблении электроэнергии составит 75-90%, а выбросы парниковых газов будут снижены в 10 раз.
Солнечная электроэнергетика нуждается в поддержке государства для законодательного обеспечения реализации пилотных и демонстрационных проектов, ждет частный капитал и нового Моргана, банкира, который 100 лет назад финансировал работы Н.Тесла. В ГНУ ВИЭСХ разработаны резонансные волноводные технологии передачи электрической энергии, которые развивают работы Н.Тесла, получено 50 патентов.
Динамично развивающаяся солнечная энергетика, основанная на инновационных российских и мировых технологиях, является альтернативой топливной энергетике и в 2050 г. будет доминировать на рынке энергетически чистых технологий, а к концу 21 века обеспечит 75-90% всех потребностей Земли в электрической энергии.
Энергия биомассы
Годовое использование биомассы в мире эквивалентно потреблению 1 млрд.тонн нефти и сравнимо с уровнем потребления природного газа и угля. В Российской Федерации имеется 21% мировых ресурсов леса. Ежегодный прирост лесной биомассы в России составляет 800 млн. м3, из которых 50 % может быть использовано в биоэнергетике. Биотопливо может обеспечить 20% тепловой энергетики России. Для этого потребуется менее 20% расчетной лесосеки. В северных областях на биотопливо можно перевести 60% котельных [7].
Энергетические установки, использующие биомассу и отходы, в частности сельскохозяйственного производства, могут дать столько же энергии, сколько все атомные станции в России и все нефтяные месторождения республики Коми. Получение и использование этого топлива, а также смесевого и модифицированного топлива позволит пополнить энергобаланс сельских предприятий и регионов и в значительной мере снизить зависимость от централизованных закупок ископаемого топлива и электроэнергии [8,9]. По оценкам экспертов, доля биоэнергетики в мировой энергетике возрастет с 10% в 2010 г. до 40% в 2060 г. (таблица 1).