Тенденции и перспективы развития отрасли солнечной энергетики

Солнечная энергетика – это самая быстрорастущая отрасль энергетики в мире с темпами роста 40-50% в год и объемом производства в 2008 г. 7,1 ГВт на 50,7 миллиардов долларов.   Основные показатели развития мирового солнечного энергетического рынка, 2005-2011 гг.

Основные задачи отрасли

• Повышение эффективности преобразования солнечной энергии (увеличение КПД),

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 снизить потери в СЭ на 47%. 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 запрещенной зоне, которые позволяют увеличивать длинноволновую границу фотоэффекта за счет многофотонного поглощения.

Другие подходы к повышению КПД СЭ связаны с использованием концентрированного солнечного излучения, созданием нанокристал-лических СЭ. Новые технологии и материалы позволят в ближайшие пять лет увеличить КПД лабораторных СЭ на основе каскадных гетероструктур до 45%, а промышленных до 30%. Для СЭ из кремния значение этих параметров составит, соответственно, 30% и 25%.

• Увеличение срока службы СЭС,

Для увеличения срока службы модулей необходимо исключить из конструкции модуля полимерные материалы: этилен, винил, ацетат и тедлар, которые ограничивают срок службы модулей до 20-25 лет. В новой конструкции солнечного модуля, разработанной в ВИЭСХе, СЭ помещены в стеклопакет их двух листов стекла, соединенных по торцам пайкой или сваркой. Такая технология герметизации гарантирует срок службы модуля в течение 40 лет. Для снижения температуры СЭ и оптических потерь внутренняя полость модуля заполнена кремнийорганическим полимером.

• 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.

• 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.

Развиваются новые технологии получения кремния в виде тонких листов, лент, пленок с лазерным раскроем и автоматизацией процесса изготовления СЭ.

• Глобальная солнечная энергетическая система (проект ВИЭСХ).

Три СЭС, расположенные в Австралии, Африке и Латинской Америке, будут соединены линией электропередач с малыми потерями. Начало функционирования глобальной солнечной прогнозируется 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.

• Обеспечение экологических характеристик производства энергии (утилизация отработанных СЭС).

• Новые методы передачи электрической энергии.

Транспортировка электричества от электростанций на основе ВИЭ на длинные расстояния:

• В ближайшей перспективе Европа сможет черпать энергетические ресурсы Солнца путем использования солнечных батарей и ветрогенераторов, установленных в Северной Африке и на Ближнем Востоке.
• Уже сейчас солнечная энергия по сетям без особых потерь проходит из Испании.
• Китай, как крупнейший в мире (особенно – в скором будущем) производитель электричества из энергии солнца и ветра, сейчас занимается решением проблемы консервирования энергии, которую намерен продавать.

PV-генерация имеет свой максимум днем, т.е. во время дневного максимума потребления энергии. Начиная с некоторого уровня использования, PV-энергетика (объединения в сеть домашних и BIPV-блоков) может решить проблему регионального пикового производства электроэнергии днем, которая в большинстве случаев решается сейчас за счет дневного пуска газотурбинных энергоблоков, имеющих короткое время пуска/останова.

Одним из перспективных направлений развития фотоэнергетики является создание автономных фотоэлектрических установок с СБ мощностью 2-3 кВт площадью 20-30 м2, размещаемых на крышах и фасадах личных жилых домов и вырабатывающие в год ~3000 кВт·ч. При этом в Швейцарии, например, такие системы покупаются из средств муниципалитетов.

Достижение «Сетевого паритета», т.е. точки, в которой фотовольтаическое электричество равно по стоимости или даже дешевле, чем полученное по обычной электропроводной сети от электростанций. Сейчас это главнейшая задача PV-индустрии. Стоимость электроэнергии, генерированной PV-элементами, пока несколько выше цены электричества, добытого на традиционных электростанциях и доставленного потребителю обычным путем через электросеть.

Экономия от использования PV-энергии может во многих случаях не покрывать амортизационные отчисления до тех пор, пока не появятся преференции в тарифах для поставки излишков PV-электричества в общую сеть и при потреблении обычной энергии из сети («зеленый тариф») и учета покрытия дневного максимума  («двойной» тариф «день-ночь») за счет PV-генерации.

Солнечная энергия не может вырабатываться ночью или в условиях очень плотной облачности. Необходимо учитывать затраты на аккумулирующее энергию оборудование.

Использование принципа когенерации (выработка электрической и тепловой энергии одновременно) может существенно снизить стоимость аккумуляторов энергии, поскольку часть непотребленного количества энергии можно достаточно просто и дешево запасти в виде горячей воды с последующим ее использованием для коммунальных нужд и для обогрева зданий.

Ограниченная плотность потока энергии (невысокая среднедневная инсоляция в США и еще ниже – в Европе). Однако тонкопленочные технологии позволяют вырабатывать энергию при очень большом отклонении падающего света от перпендикуляра (±35°–42°), что означает существенное увеличение времени стабильной генерации в течение суток, и во многих случаях позволяет отказаться от механизма слежения за солнцем, что присуще модулям с использованием кремниевых пластин.

Практически все конструкции солнечных элементов, которые предназначены для получения энергии частным образом (встроенные в фасады здания, крышные или навесные), представляют собой рамочную конструкцию со стеклом, подобную конструкции современного окна со стеклопакетом. Это означает, что заниматься фотовольтаикой смогут и «оконщики» (те, кто производит, и те, кто устанавливает окна).

Развитие фотовольтаики в мире

Солнечная энергетика – одна из самых быстрорастущих отраслей в мире.

Региональное развитие