Технический прогресс и экономика (стр. 10 )

Программы развития фотоэнергетики разработаны во всех развитых странах. Администрация президента Обамы ввела новую программу и пакет финансовых стимулов для развития возобновляемой энергетики на ближайшие 8 лет. Вероятно, США станет крупнейшим в мире рынком солнечной энергетики в течение десяти лет.

Во многих странах работают широкомасштабные программы, предусматри-вающие размещение СБ на крышах зданий, что представляется наиболее оптимальным вариантом, требующим минимальных затрат на установку, подключение и эксплуатацию, отсутствует необходимость аккумуляторов. Так в Германии в 1999 году была принята программа «100 тысяч крыш», в США в 1997 году была провозглашена программа «Миллион солнечных крыш», в Японии осуществлялась программа «70 тысяч крыш». Подобные программы выполняются и в других странах: Испании, Нидерландах, Италии, Великобритании. В Австралии по инициативе правительства предполагается к 2013 г. создать четыре «Солнечных города».

Необходимо отметить, что в Западной Европе, Японии и США развитие альтернативной энергетики щедро финансируется не столько по экологическим причинам, сколько в связи с необходимостью энергетической независимости. Европа – крупный импортер газа, США – нефти. По словам президента Обамы, перед американской экономикой стоит выбор, или страна остается крупнейшим импортером нефти или становится мировым экспортером чистой энергии. В Швейцарии программа внедрения генераторов на основе возобновляемых источников носит название «За энергонезависимую Швейцарию».

Конструкция ФЭУ и ФЭС

В фотоэлектрических генераторах СЭ размером до 200 х 200 мм, объединяют в модули, обычно размером не более 1 х 2 м и мощностью не более 250 Вт, размещаемые в раме и имеющие герметичную защиту. В последнее время налажен выпуск модулей и в бескаркасном исполнении.  Гарантийный  срок  службы модулей  сейчас составляет 25 лет, в тропическом климате – 20 лет. Некоторые модули имеют встроенный инвертор.

Модули могут устанавливаться на крышах и стенах домов или, смонтированные на плоских панелях, размещаться на отдельных опорах непосредственно на земле. При монтаже СБ на крыше здания модули закрепляются на металлических опорных конструкциях. При монтаже СБ крупных ФЭС на одной панели монтируют 9 - 16 модулей, при этом каждую панель устанавливают на своей опорной конструкции. В зависимости от выбранного проекта может быть несколько вариантов опорной конструкции для панели: стационарная, следящая за солнцем по одной оси, и оснащенная двухосевой системой слежения. Каждый вариант имеет свои достоинства и недостатки. В странах, где количество пасмурных дней больше и прямой поток солнечного излучения невысок, преобладает рассеянное излучение, и экономически более выгодно использовать стационарные опоры, поскольку они дешевле, не имеют движущихся механизмов, а обслуживание заключается лишь в содержании в чистоте поверхности модулей. В странах с жарким климатом, где количество ясных дней больше  и преобладает прямой поток, выгоднее использовать системы слежения. В 2010 г. немецкая компания «Garder» разработала конструкцию системы слежения по двум осям для панелей площадью 70 м2. Системами слежения по двум осям должны оснащаться и все СБ с модулями, имеющими мощные концентраторы излучения, которыми снабжаются все СБ из дорогих СЭ, т. к. они позволяют значительно сократить количество используемых СЭ и снизить общую стоимость. Концентраторы бывают самых разных видов, из которых наиболее распространены в настоящее время концентраторы в виде плоских линз Френеля, штампованных из пластических материалов.

Совокупность всех используемых модулей представляет собой СБ. СБ крупных ФЭС занимают территории из многих сотен гектар земли. Энергия таких ФЭС подается в электрическую сеть. Поскольку СБ генерируют постоянный ток, используются инверторы для преобразования его в переменный ток соответствующего напряжения и частоты, согласованный с параметрами сети. В 2009 году немецкая компания  Padcon GmbH наладила выпуск инверторов мощностью 2,5 МВт. В условиях непрерывно меняющегося в течение дня потока солнечного излучения и температуры для оптимизации выходной мощности СБ применяют регуляторы режима максимальной мощности, обеспечивающие работу СБ всегда при напряжении, соответствующем ее максимальной мощности в конкретных условиях. Автоматическая система управления отключает  СБ от инвертора в аварийных ситуациях и при снижении облученности до порогового значения.

Номинальная мощность ФЭС (за вычетом потерь 10 - 12 % в преобразователь-ной аппаратуре и системе управления) определяется мощностью СБ. Энергетические параметры фотоэлектрических модулей оценивают в установленных международными нормативами стандартных условиях: облученности 1000 Вт/м2 при спектре, соответствующим спектру солнечного излучения при атмосферной массе 1,5; температура ? 25о С. Эти условия на средних широтах бывают в летний полдень при ясном небе, поэтому номинальная мощность именуется «пиковой». Реально СБ работает большую часть времени при более низких уровнях освещения, и энергопроизводительность ФЭУ зависит от конкретного места ее эксплуатации, а также от используемых СЭ и конструкции СБ.

В Германии ФЭУ с кремниевыми СЭ и двухосевой системой слежения имеют удельную энергопроизводительность около 1250 кВт · ч на 1кВт мощности (пиковой). В Испании при тех же параметрах – 2000 - 2250 кВт · ч/кВт. В Италии эксперимент, специально проведенный для сравнения различных вариантов, показал следующие данные: ФЭУ из модулей на основе кристаллического кремния с КПД 11 % при двухосевой  системе  слежения обеспечивают удельную электропроизводительность 1940 кВт · ч/кВт, а из таких же модулей установленных стационарно с наклоном 30° - 1420 кВт · ч/кВт. Этот параметр для модулей из кристаллического кремния с концен-тратором, имеющих КПД 14 %, равен 1480 кВт·ч/кВт, а при использовании модулей на основе аморфного кремния с КПД 6 %, установленных стационарно с наклоном 20° ? 1315 кВт · ч/кВт [7]. Использование двухосевой системы слежения дает прирост энер-гии на 35 - 40 %, по сравнению со стационарной. (В зарубежной фотоэлектрической литературе для оценки удельной энергопроизводительности используют величину «Performance Ratio» – PR с единицей измерения в часах; в отечественной электро-энергетике узаконен термин «показатель использования установленной мощности» с единицей измерения в часах).

Солнечные элементы

Энергетические параметры непосредственно СБ зависят, главным образом, от характеристик  используемых СЭ. В настоящее время для коммерческих СБ применяют СЭ следующих типов:

- на основе кремния - монокристаллического, мультикристаллического (зерно более 1 мм), поликристаллического (зерно 1 - 1000 мкм), микрокристаллического (зерно менее 1 мкм), микроморфного (микрокристаллического и аморфного) и аморфного (каскадные);

- на основе диселенида меди-индия-галлия;

- на основе теллурида кадмия;

- каскадные (трехпереходные) СЭ на основе InGaP/GaInAs/Ge.

В 2007 году около 90 % модулей СБ изготовлено из кристаллического кремния. СЭ на основе монокристаллического кремния имеют КПД более 19 % (Sun Power Corp.- США, Centrotherm Photovoltaic AG - Германия), а лабораторные образцы – до 24,2 %, но сегодня в наземной энергетике они применяются мало. Промышленные образцы из мультикристаллического кремния имеют КПД 17,7 % (средний КПД СЭ размером 156 х 156 мм толщиной менее 150 мкм, выпускаемых фирмой Schott Solar AG); лабора-торные образцы – 21 %. Промышленные образцы из поликристаллического кремния – КПД 16,9 % (японская компания Kyocera); лабораторные образцы – 18,9 % (компания Mitsubishi Electric Corp.). Основной недостаток кристаллических СЭ – большой расход дорогого кремния, большая часть которого играет роль пассивной подложки.

Аморфный кремний имеет более высокий коэффициент оптического поглощения, и из него можно создавать дешевые тонкопленочные СЭ. Пленки наносят на подложки из металлической фольги, например, из нержавеющей стали, или на подложки из металлизированной полимерной пленки. Использование гибких подложек позволяет осуществить технологию массового производства. СЭ из аморфного кремния имеют серьезный недостаток – деградацию под воздействием солнечного излучения. Поэтому при рассмотрении параметров этих СЭ используют данные, полученные после светового облучения в течение не менее тысячи часов. КПД промышленных СЭ на основе аморфного кремния обычно не превышает 10 %, лабораторные образцы имеют КПД до 13 %.

Многокомпонентные полупроводниковые соединения со структурой халько-пирита (в особенности диселенид меди-индия-галлия – Cu (In, Ga)Se2 позволяют создавать недорогие пленочные СЭ с высоким КПД. Эти материалы обладают близкой к оптимальной шириной запрещенной зоны, высоким коэффициентом оптического поглощения, хорошей технологичностью. СЭ имеют высокую стабильность и высокую радиационную стойкость (в 50 раз выше, чем у СЭ из монокристаллического кремния). КПД промышленных образцов составляет 15 - 16 %, рекордное значение лабораторного образца –  20,1 %. Себестоимость модулей СБ при производстве 60 МВт в год около 0,65 - 0,80 долл./Вт. Рекордное КПД модуля размером 30 х 30 см – 15,1 % (немецкая фирма Avancis). В настоящее время СБ из этих СЭ все активней используют в наземной энергетике. КПД СЭ на основе другого халькопирита-дисульфида меди-индия в коммерческом варианте составляет 8 - 12 %.

Более широко начинают использоваться в фотоэнергетике и СБ, собранные из тонкопленочных СЭ на основе теллурида кадмия (CdTe),. В чистом виде теллур и, особенно, кадмий очень токсичны. Теллурид кадмия обладает оптимальной шириной запрещенной зоны, высоким коэффициентом оптического поглощения и позволяет получать СЭ с хорошими характеристиками. Лучшие лабораторные образцы СЭ имеют КПД 16,7 %. Промышленные образцы модулей имеют КПД 10 % и удельную стоимость 1 евро/Вт [8]. ФЭУ с СБ на основе CdTe в южной Европе окупаются за один год, в то время как ФЭУ с использованием поликристаллического кремния за полтора года. ФЭС Lieberose в Германии мощностью 53 МВт имеет СБ из СЭ на основе CdTe американской компании First Solar. В настоящее время First Solar строит новые заводы по изготовлению СЭ на основе CdTe в Германии, Франции и Малайзии и к 2012 г. доведет общую производительность с нынешних 1,3 ГВт до 2,1 ГВт. Мощность завода по изготовлению модулей во Франкфурте на Одере к 2012 г. будет увеличена с нынешних 233 до 446 мВт.