Фотовольтаика: глобальный источник энергии близкого будущего

За шестьдесят секунд Солнце обрушивает на Землю столько энергии, сколько нужно человеческой популяции на все нужды в течение года, а за сутки — сколько нынешнее человечество может потребить за 27 лет. Это звучит почти невероятно, но это факт, более того, энергия Солнца бесплатна и что называется «возобновляема» — по разным оценкам Солнце не погаснет в течение ближайших полутора-двух миллиардов лет. Одна общая проблема — как рационально и недорого преобразовать «дармовую» энергию нашей звезды в доступную для использования форму — электрическую или тепловую. В отличие от фотовольтаики (сокращенно — PV), установки по получению теп­ловой энергии от Солнца называются фототермальными. Общее название обоих способов получения энергии — солнечная энергетика, но все чаще ее называют солярной или реже — соларной энергетикой. Думается, что в ближайшее время терминология в этой области нормализуется.

Основной механизм PV-преобразования
Энергия света от Солнца, попадая на солнечный модуль, возбуждает в нем электроны и заставляет их двигаться, причем так, что электроны «отрываются» от атома, в области которого они прежде находились. Движение электронов и есть электрический ток. Конструкция, структура, затем собирает свободные электроны с кремния (вернее, пакета кремниевых пластин) и производит электричество. Отдельные пластинки кремния подсоединены проводами друг к другу внутри модуля, а уже модули тоже соединяются вместе и затем по проводам передают произведенное электричество в дома, офисы или к электрооборудованию.

• Share

Преимущества фотовольтаики
Производство электроэнергии использованием солнечной энергии имеет ряд неоспоримых преимущество по сравнению с традиционными способами электрогенерации:
Более 89 петаватт энергии Солнца, которая достигает поверхности Земли избыточно — это почти в 6000 раз больше чем 15 тераватт среднего потребления энергии всем человечеством. Солнечная энергогенерация имеет существенно б?льшую плотность мощности (количество энергии, вырабатываемой на единице площади) по сравнению со всеми другими источниками возобновляемой энергии.
Поток энергии Солнца бесплатен для использования. Производственные отходы и излучения полностью контролируемы и подвержены утилизации современными методами по охране окружающей среды.
PV-установка после инсталляции может функционировать в дальнейшем при минимальном требуемом обслуживании. Стоит только единожды произвести начальные капитальные вложения в строительство солнечной станции или локальной установки, а стоимость эксплуатации во много раз ниже, чем по сравнению с существующими технологиями получения энергии.
Солнечная электрогенерация становится экономически выгоднее, если есть географические трудности по прокладке электросетей или с доставкой топлива, или это обойдется дороже, или неудобно с точки зрения логистики. Это же относится к снабжению энергией спутников, островов, удаленных местностей и океанских суден.
По сравнению с минеральными ископаемыми или ядерными источниками энергии, и доныне в научно-исследовательскую разработку солнечных элементов было вложено крайне мало средств, таким образом, еще есть возможности для развития солнечных технологий. Экспериментальные высокоэффективные образцы выдают сейчас 40% к.п.д. преобразования свет/электричество, и эффективность этого преобразования быстро растет при быстром падении себестоимости при массовом производстве PV-модулей.

Кратко о мире PV-индустрии
PV-индустрия сегодня — одна из самых быстроразвивающихся отраслей производства в мире. Она сегодня опережает рост компьютерной индустрии, IT?отрасли, телекоммуникаций — признанных и очевидных лидеров последних двадцати лет. PV?производство удваивается каждые два года, увеличиваясь, начиная с 2002  г., ежегодно не менее чем на 50%. К концу календарного 2007 г. суммарное мировое производство фотовольтаики достигло 12,5 гигаватт. Около 90% этой генерации пришлось на т.н. электрические грид-системы (grid — сеть, электросеть, англ.).
Это единичные установки, связанные между собой электросетью, которые либо смонтированы на земле, либо установлены на крыши или навешены (вмонтированы) в фасады зданий, известны как BIPV (Building Integrated Photovoltaic, интегрированная в здания фотовольтаика). Мировой рынок солнечных фотоэлектрических установок достиг в 2007 г. продажи оборудования установленной мощностью 2856 мегаватт, т.е. продажи (по установленной мощности) выросли более чем на 60% всего за год.
Германия — мировой лидер производства и использования PV?уста­но­вок; рынок фотовольтаики там достиг 3862 МВт в 2007 и это мировой рекорд использования фотоэлектричества. Рынок PV в Испании взлетел на 480% (!) до 655 МВт, в то время как США увеличило установленную мощность на 57% до 830 МВт. США тем самым заняли третье в мире место (после Японии, еще одного мирового лидера, где установленная мощность составила 1920?МВт). Некоторые другие страны тоже обещают вскоре приблизиться к лидерам, например, Корея, Австралия и Италия. Именно в этих трех странах планируется ввести в эксплуатацию крупнейшие в мире солнечные электростанции. В Азии безусловными лидерами в области фотоэлектрической генерации помимо Кореи являются Китай, Индия, Тайвань, Таиланд, в этих странах прогноз для PV-рынка более чем оптимистичен.
Говоря о PV-производстве, мировое производство фотовольтаических модулей достигло цифры 3436 МВт в 2007 г., увеличившись с 2204 МВт годом раньше. Япония, которая раньше была основным PV-производителем еще несколько лет назад, в связи с переносом своих производств в страны Юго-Восточной Азии, продолжает «уступать» свою долю в производстве, занимая сейчас только 26% мирового производства. Подтверждая свое звание «фабрики мира», Китай увеличил свою долю в мировом производстве с 20% в 2006 г. до 35% в 2007  г.

• Share

• Share

Технологии
PV-элементы обычно делают или из кристаллического кремния, или из тонкой PV-пленки, помещенной в качестве промежуточного слоя между двумя боковыми сторонками, выполненными из относительно дешевого прозрачного материала, обычно стекла или пластика. Главную долю рынка производства модулей занимают кремниевые модули, что сложилось ранее. Однако сейчас очевиден прогрессирующий рост тонкопленочной технологии. Компании-производители PV-модулей во всем мире сейчас массировано инвестируют средства в исследования и развитие производства тонкопленочных фотоэлементов. Тонкопленочная технология основывается на фотоэффекте в кремнии или на составе из других материалов, и ожидается, что именно тонкопленочная технология будет развиваться в будущем, а технология ячеек из кремниевых пластин отойдет в прошлое в связи с очевидной их дороговизной, большим весом, большим общим расходом материалов, сомнительной эстетикой и однообразием внешнего вида и быстро сокращающемся преимуществом по к.п.д.

Кристаллический кремний
Кристаллический кремний пока остается основой большинства применяемых силовых модулей. Хотя по многим технико-экономическим показателям это далеко не идеальный материал для солнечных элементов, но его преимущество именно в широком его распространении, хорошей изученности свойств и использования для его производства такой же технологии, как и при производстве кремниевых пластин для электроники. В реально применяемых PV-модулях эффективность кремниевых ячеек в лабораторных условиях близка к 25%, но она находится в пределах 13–17%. Теоретический к.п.д. кремниевой технологии составляет около 30%.

Thin film
Тонкопленочная (Thin Film, TF) технология производства солнечных элементов — передовое решение для производства соларной электроэнергии. В отличие от технологии с использованием кремниевых пластин, TF-элементы в своем большинстве производятся на стекле. Изготовление стеклянных подложек требует менее экзотичного оборудования, делающего подложки более производительно и за меньшую цену. Активный кремниевый слой наносится на стекло по технологии, близкой к известной технологии изготовления плоских экранов телевизоров и мониторов дисплеев (TFT LCD, Thin Film Transistor of Liquid Crystal Display — тонкопленочных транзисторов для жидкокристаллических дисплеев).
Тонкопленочные модули конструктивно состоят из особо тонкого слоя дорогого фоточувствительного материала, нанесенного на достаточно дешевую подложку из стекла, нержавеющей стали или пластика. В результате, при малых затратах на производство по сравнению с технологией кремниевых пластин, солнечные элементы стали доступнее, но, в противовес сниженной цене, современные TF-элементы имеют меньшую эффективность фотоэлектрического преобразования и несколько меньший срок службы.
Коммерческого успеха достигли пока три технологии TF-модулей: произведенные из аморфного кремния (a-Si), медно-индиевого диселенида и теллурида кадмия. Все эти технологии предполагают наличие активного слоя с толщиной порядка нескольких микрометров. Технология производства, начиная с некоторого уровня производительности, позволяет быть высокоавтоматизированной и роботизированной, в ней используется интегральный подход и модульная архитектура построения. По сравнению с кремниевой технологией здесь требуется значительно меньше высококвалифицированного ручного труда при подключении ряда отдельных ячеек вместе. Занимая пока примерно 12% рынка PV-модулей в нарождающейся сейчас мировой солнечной энергетике, тонкопленочная технология обещает стать самой массовой, уже начиная с 2010 г., когда вступят в строй новые мощные роботизированные производства во всех основных странах-производителях фотовольтаической аппаратуры. На рис. 2 показано изменение цены за один ватт установленной мощности в последние годы. Существенное снижение цены вплоть до 2003 г. благодаря технологическим усовершенствованиям и снижению себестоимости за счет увеличения объемов производства сменилось некоторым ростом цен в связи с ростом спроса на PV-рынке.

• Share

• Share

Выводы
Итак, отрасль PV — самая динамичная отрасль не только среди энергетики, но и в строительстве, в производстве современных окон, дверей, фасадов. Однако есть несколько замечаний, которые надо учесть, чтобы PV-индустрия смогла наилучшим образом раскрыть свой потенциал:
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.
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: среднедневная инсоляция в США составляет 3–7 кВт.час/м2, а в Европе — еще ниже. 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.
Последнее замечание означает, что заниматься фотовольтаикой вполне по силам «оконщикам» — и производственникам, и монтажникам! Считается, что годом начала массового применения PV-модулей во всем мире станет 2010  год, когда уровень стоимости одного кВт установленной мощности станет менее 1–1,5 евро вместо сегодняшнего нижнего уровня 3–3,5 евро. Это произойдет, когда в Германии, США, Японии, Китае начнется массовое роботизированное производство тонкопленочных высокоэффективных PV-элементов, способных вырабатывать и поставлять электроэнергию для конечного потребителя дешевле, чем нынешний тариф на электричество «по проводам».

Источник: www.glassonweb.com