Проблемы и перспективы солнечной энергетики как возобновляемого источника энергии

Количество солнечной энергии, падающей на Землю за месяц, больше, чем могут дать планетарные запасы нефти, газа и угля. В настоящее время имеются два основных направления использования энергии солнца: преобразование ее в электрическую энергию и получение теплоты для различных нужд.

Почти во всех странах Евросоюза, Юго-Восточной Азии, Латинской Америки, а также в США, Японии, Китае, Австралии проводятся мероприятия по внедрению фотоэлектрических систем (ФЭС). Народнохозяйственную целевую программу создания и развития солнечной энергетики планируется принять и в Беларуси*.

• Share

Потребление топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) в Беларуси в 2005 году составило порядка 35 млн. т у.т., что соответствует 1,03 × 10¹² МДж/год. С учетом географической широты, облачности, атмосферных явлений, времени года и суток, годовое количество суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность при средних условиях облачности составляет от 3500 до 4050 МДж/м² в зависимости от географической широты. Соответствующая этой энергии среднегодовая плотность солнечного излучения на горизонтальную поверхность для Республики Беларусь — от 110 до 120 Вт/м²**.

В течение года территория Беларуси получает в среднем 7,5 × 10¹² МДж солнечной энергии, что в 750 раз превышает общее потребление ТЭР в республике. Анализ имеющихся материалов показывает, что в Беларуси уровень освещенности выше, чем в Германии, а солнечная энергия может составить достаточно весомую долю в топливно-энергетическом балансе Беларуси.

Одна из проблем использования солнечного излучения в качестве источника энергии связана с его сезонной неравномерностью. Максимум солнечного излучения приходится на период года с апреля по август (порядка 80% от общего количества), а максимальное потребление энергии приходится на зимние месяцы.

Еще одной проблемой является стоимость получаемой электри­ческой энергии, поскольку солнечные элементы все еще довольно дороги и при этом недостаточно эффективны. Однако эксперты прогнозируют, что массовое производство батарей из поликристаллического кремния приведет к позитивным переменам. Так, в 1980 году полная стоимость 1 Вт составила около $30, в 2005 — около $3,4, в 2010 — $2,5.

Среднесрочные прогнозы показывают, что стоимость 1 кВт/ч солнечной энергии может стать ниже, чем получаемой при сжигании нефти***.

Промышленно развитые страны планируют к 2031 г. иметь совокуп­ную установленную мощность электрогенераторов на солнечной энергии 1700 ГВт (для сравнения: в 2004 г. — 1256 МВт). Если сегодня солнечная энергетика занимает менее 1% в общемировом балансе произведенной электроэнергии, то к 2040 г. эта доля должна возрасти до 30%.

Более 90% мирового рынка сегодня занимают солнечные элементы на кремнии****. Первоначально (до 2000–2001 гг.) сырьевой базой солнечной энергетики являлись отходы «электронной» индустрии.

К настоящему времени источники сырья изменились: свыше 60% общей потребности обеспечивает поликремний, специально произведенный для солнечной энергетики двумя путями:

• по традиционной, но «упрощенной» технологии (либо прутки поликремния, полученные осаждением из трихлорсилана (ТХС) в «сименсовских» реакторах, либо гранулы поликремния, полученные пиролизом моносилана в реакторах кипящего слоя);
• по технологиям, специально разработанным для производства «солнечного» поликремния.

В технологической цепочке современного производства поликристаллического кремния существенная роль отводится методу кипящего слоя, который обеспечивает интенсивный теплообмен между взвешенными твердыми частицами и газовым потоком, а также между слоем и поверхностью теплообмена. При этом значительно возрастает площадь контакта реагентов, выравниваются температурные характеристики в рабочей зоне реактора.

Вследствие этого — высокая производительность реактора кипящего слоя, сравнительная простота оборудования и возможность организации непрерывного автоматизированного техно­логического процесса, а также снижение удельного потребления энергии по сравнению с используемыми реакторами стержневого типа. Это позволяет значительно сократить затраты на производство поликристаллического кремния и сделать его более массовым. И как следствие — удешевление стоимости получаемой энергии.

Проведенные в лабораторных условиях на созданной установке эксперименты продемонстрировали работоспособность и высокую эффективность технологии КС производства поликристаллического кремния из моносилана.

Так, показатели реактора кипящего слоя значительно превосходят аналогичные показатели реакторов стержневого типа: его производительность при равных расходах моносилана возрастает в несколько раз, а удельный расход электроэнергии, соотнесенный с производительностью, в 20–30 раз ниже. Выход кремния по отношению к стехиометрическому достигает 97%, что исключает необходимость введения рецикла обработанного газа.

Созданная установка применялась на заключительной стадии лабораторной отработки предложенной в Беларуси новой технологии производства высокочистого поликристаллического кремния.

Технологическая схема предполагает получение из кремнефтористой кислоты (побочного продукта при очистке экстракционной фосфорной кислоты от соединений фтора) кремнефторида натрия.

Далее на I стадии в результате термического разложения кремнефторида натрия выделяется газообразный тетрафторид кремния.

На II стадии происходит химический передел тетрафторида кремния в моносилан, III стадия — пиролитическое разложение моносилана с образованием кремния и водорода.

Для более глубокого изучения процессов, происходящих при пиролизе моносилана в реакторе кипящего слоя, оптимизации режимных параметров и устранения нежелательных эффектов выполнено систематическое численное исследование с помощью одномерной и двухфазной модели, которое позволило определить роль основных режимных и конструктивных факторов и найти технологические параметры, обеспечивающие высокую удельную производительность реактора кипящего слоя и степень конверсии моносилана.

Полученные результаты являются предпосылкой для создания опытно-промышленной установки с реактором кипящего слоя для получения поликристаллического кремния пиролитическим разложением моносилана.

Поликремний vs тонкопленочный модуль По данным, которые озвучил на выставке Intersolar North America 2010 вице-президент компании Hemlock Semiconductor Group (НSС, США) Гэри Хоман (Gary Homan), сетевой паритет (т.е. равенство полной стоимости производства электроэнергии на обычных электростанциях и солнечных установках) будет достигнут при величине мирового годового производства фотовольтаических модулей для выработки энергии с совокупной установленной мощностью порядка 20 ГВт-пик. Диаграмма выше показывает публичные данные компании HSC по мировому спросу (потреблению) поликристаллического кремния для нужд электронной и фотовольтаической промышленности до конца 2014 г. Диаграмма составлена без учета тонкопленочных модулей, но включает прогнозные данные по всем типам кристаллического, аморфного и т.н. «металлургического» кремния (модифицированный металлургический кремний, Upgraded Metallurgical Silicon, UMG-Si). Аналитики компании Hemlock прогнозируют, что в 2013 г. будет произведено 173069 мт (метрических тонн) поликремния и других видов кремниевых изделий, что позволит изготовить фотомодули общей мощностью примерно 26 ГВт-пик из расчета 6,67 г кремния на 1 Вт мощности фотоэлектрического модуля. Share Таким образом, мировой сетевой паритет может быть достигнут уже в 2013 г. Этот потенциал рассчитан без учета тонкопленочных модулей, но включая данные по всем типам кристаллического, аморфного и другим видам кремния. Гэри Хоман (Gary Homan) утверждает: «Имеется всего несколько ведущих групп в мире, чьи операционные затраты по производству поликремния могут достичь показателей на уровне или даже существенно ниже сетевого паритета. Итак, вы должны радоваться — хорошая новость в том, что это долгосрочный тренд. Сетевой паритет для поликристаллического кремния весьма достижим. Сейчас цена кремния в общей стоимости изделия (фотомодуля) уверенно движется в сторону 15%, возможно даже менее 10%. Это относится именно к поликремнию, а не к UMG-Si. … Сетевой паритет может быть достигнут в очень, очень недалеком будущем». Ускоренный рост спроса на солнечный кремний приведет к появлению на рынке новых производителей поликремния и новых производственных мощностей. Огромный рост спроса в мире на солнечный кремний привел к скачку цен в 2008 г. (до 80 $/кг), спровоцировав рост цены на кремний для электронной промышленности. Рост производства поликремния и развитие других технологий фотовольтаики привел к снижению цен на кремний до 60 $/кг уже в 2009 г., до 40 $/кг — в 2010 г. и до 20 $/кг в 2010 г. (см. диаграмму ниже). Ожидается дальнейшее снижение цен на поликремний вплоть до уровня 2000–2001 гг., затем цены стабилизируются. Немаловажная причина этого — развитие тонкопленочных и других технологий фотовольтаики. Share На выставке Intersolar North America 2010 прозвучал доклад д-ра Томаса Шурека (Thomas Surek) из компании Surek PV Consulting, который назывался «Гонки за сетевым паритетом: кристаллический кремний vs. тонкопленочные модули». В нем оценивались рыночные перспективы. Основной посыл доклада — несмотря на то, что на мировом рынке фотовольтаики сейчас доминируют кремниевые модули, тонкопленочная технология развивается небывалыми темпами. Уже в 2009 г. тонкопленочные модули заняли долю 16–17% от мирового рынка фотовольтаических устройств, и этот процесс уверенно движется к половине рынка. Именно тонкопленочной технологии прочат большое будущее в связи с мировым трендом по развитию и всеобщему применению BIPV — встроенных в здания фасадных и оконных фотовольтаических модулей. По материалам GuntherPortfolio.com

В.А. Бородуля, Л.М. Виноградов, А.В. Акулич, О.С. Рабинович.
Институт тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова НАН Беларуси, г. Минск, Республика Беларусь