CC BY
437
УДК 620.91
А. Ф. Дорохов, Л. А. Осипова, А. П. Исаев, Г. Р. Махмудова Астраханский государственный технический университет
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ
Ситуация, сложившаяся в мировом энергетическом хозяйстве, требует вовлечения в энергетический баланс новых ресурсов, прежде всего таких, как солнечная энергия, энергия биомасс, геотермальная, ветровая и некоторые другие виды энергии, а также их эффективного использования с учетом экологических факторов (табл.).
Возобновляемые источники энергии
Возобновляемые источники энергии 2020 г.*
Минимум Максимум (при благоприятной политике поддержки)
МВт % МВт %
«Modern» биомасса 243 45 561 42
Солнечная 109 21 355 26
Ветровая S5 15 215 16
Г еотермальная 40 7 91 7
Мини-ГЭС 4S 9 69 5
Приливы и волны 14 3 54 4
Суммарная 539 100 1 345 100
* В 1990 г. мощность новых возобновляемых источников энергии составила 164 МВт - 1,9 % общей потребляемой энергии.
В связи с необходимостью рационально использовать топливо, уменьшать загрязнение окружающей среды и стоимость электроэнергии, перед топливно-энергетическим комплексом России необходимо поставить задачу снижать расход топлива на производство электроэнергии при минимальных капитальных затратах, а также определить наиболее перспективные направления вложения собственных и иностранных инвестиций [1].
В конце 70-х - начале 80-х гг. в разных странах мира было построено семь пилотных солнечных электростанций (СЭС) так называемого башенного типа с уровнем мощности от 0,5 до 10 МВт. Самая крупная СЭС мощностью 10 МВт (Solar Опе) была построена в Калифорнии. Все СЭС построены по одному принципу: поле размещенных на уровне земли зеркал-гелиостатов, следящих за солнцем, отражает солнечные лучи на приемник-ресивер, установленный на верху достаточно высокой башни; ресивер представляет собой по существу солнечный котёл, в котором производится водяной пар средних параметров, направляемый затем в стандартную паровую турбину.
Несмотря на то, что принцип преобразования солнечной энергии в электрическую известен уже более ста лет, технологии на его основе получили широкое применение только в течение последних десятилетий,
пройдя сложный путь от использования на космических объектах до массового применения на земле. Сейчас фотоэнергетика - вполне реальный, более того, развивающийся быстрыми темпами сектор энергетического рынка планеты с огромными возможностями для дальнейшего роста в недалеком будущем. Всплеск интереса к фотоэнергетике, наблюдающийся в настоящее время во всем мире, обусловлен радикальным снижением стоимости (в семь раз по сравнению с 1981 г.) оборудования фотоэлектрических систем (ФЭС) - основного фактора, сдерживающего их использование, - до уровня экономической жизнеспособности энергетических проектов [2]. Кроме того, солнечная энергетика обладает таким положительным качеством, как экологическая чистота. ФЭС - модульные конструкции с возможностью бесконечного наращивания мощностей с минимальными требованиями к текущему обслуживанию энергетического оборудования и очень привлекательным внешним видом [3].
До недавнего времени применение фотоэнергетических технологий ограничивалось довольно узкой сферой - для энергоснабжения потребителей в удаленных от сетей энергосбережения областях, где расходы на другие источники энергии оказывались намного выше.
Солнечная батарея (фотоэлектрический генератор, преобразующий энергию солнечного излучения в электрическую энергию) впервые была использована в 1958 г. на «Спутнике-3». С тех пор на всех космических аппаратах, кроме транспортных космических кораблей с малым ресурсом самостоятельного полета, первичными источниками электроэнергии являются солнечные батареи. Применение солнечных батарей в космосе стимулировало развитие фотоэлектрической энергетики, а в последние десятилетия фотоэнергетика все более широко стала использоваться в наземных условиях [4].
В настоящее время мировой рынок фотоэлектричества осваивает ФЭС, интегрированные в энергетические системы крупных городов, при общих установленных мощностях, превышающих в целом несколько МВт [5].
Физические принципы преобразования солнечной радиации были разработаны и использованы российскими учеными и специалистами в создании теоретических моделей и новых конструкций солнечных элементов, в том числе на основе гетероструктур, варизонных структур с предельным КПД до 93 %, п-р-р+структур из кремния с теоретической эффективностью до 44 %, многофункциональных высоковольтных структур. Максимальный КПД в 30 % был получен на каскадных солнечных элементах на основе гетероструктур в Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе [6].
В 1996 г. Министерством науки и технологий РФ в рамках федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения», подпрограммы «Экологически чистая энергетика» был инициирован проект «Создание высокоэффективных кремниевых фотопреобразователей и модулей с удельными параметрами более 160 и 140 Вт/м2 соответственно и развертывание их опытно-промышленного производства
с объемом 300 кВт/год». Головным предприятием по проекту была определена научно-производственная фирма «Кварк» (г. Краснодар). В 1998 г. проект был выполнен. Разработана оригинальная технология изготовления фотопреобразователей - солнечных элементов и модулей солнечных элементов с КПД до 16 % и осуществлено ее внедрение в опытнопромышленное производство на фирме «Солнечный ветер» (г. Краснодар). Технико-экономические характеристики выпускаемой продукции соответствуют лучшим мировым образцам. Одновременно было начато внедрение этой технологии в ЗАО «ОКБ завода «Красное знамя» (г. Рязань). Под руководством предприятия «Интерсоларцентр» разработан проект организации широкомасштабного производства кремния и кремниевых солнечных элементов и модулей общим объемом до 2 МВт в год.
Проект представлен замкнутым производственным циклом, включающим в себя выращивание монокристаллов кремния с заданными свойствами, проволочную резку кристаллов кремния на пластины, изготовление из этих пластин солнечных элементов, модулей и систем на их основе. На начальном этапе производство монокристаллического кремния будет основано на использовании скрапа - отходов кремния для электронной промышленности. В последующем для этой цели стали использовать поликристалли-ческий кремний, получаемый экономически эффективным и технологически доступным бесхлорным алкоксилановым методом, разработанным также под руководством прдприятия «Интерсоларцентр» (рис. 1, 2).
Рис. 1. Плоский солнечный модуль
Рис. 2. Солнечный коллектор
В Астраханском регионе показатели солнечной радиации позволяют использовать фотоэнергоустановки в течение 9 месяцев (рис. 3).
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Месяц
Рис. 3. Значения прямой солнечной радиации, Вт/м, по месяцам для различно ориентированных поверхностей:
1 - гелиоприемники направлены на юг (угол наклона к горизонту 46°);
2 - гелиоприемники располагаются горизонтально
Промышленная реализация этого проекта позволит создать в России мощное производство, способное, с одной стороны, поставлять на мировой рынок изделия с высокими удельными параметрами по конкурентоспособной цене и тем самым занять достойное место на рынке, а с другой - дать импульс формированию собственного фотоэнергетического внутреннего рынка [3]. Для Астраханского региона это одно из направлений, которое позволит вносить дополнительные доходы в бюджет г. Астрахани.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Макаров А. А., Чимятов В. Н. Возможности энергосбережения и пути их реализации // Теплоэнергетика. - 1995. - № 6. - С. 2-6.
2. Научно-технические и организационно-экономические проблемы внедрения энергосберегающих технологий / В. В. Бушуев, Б. Н. Громов, В. И. Доброхотов и др. // Теплоэнергетика. - 1997. - № 11. - С. 8-15.
3. Стребков Д. С., Пинов А. Б. Развитие фотоэлектричества в России // Возобновляемая энергия. - 2001. - № 1. - С. 6-7.
4. кир://риЬІісаґіот. ргое^ітоу. га.
5. Крайнов В. К., Селихов А. А. Повышение эффективности энергопроизводства. Анализ и пути реализации // Теплоэнергетика. - 1997. - № 11. - С. 26-30.
6. Концепция развития и использования возможностей малой и нетрадиционной энергетики в энергетическом балансе России / Ю. К. Шафранник, П. П. Безруких и др. - М.: Минтопэнерго РФ, 1994. - 486 с.
Получено 14.01.2006
PROSPECTS OF SOLAR ENERGY USE
A. F. Dorokhov, L. A. Osipova, A. P. Isaev, G. R. Makhmudova
Solar energy is a real, rapidly developing sector of the energy market of our planet with perspective opportunities for the further growth in the near future. Photo energy has such a positive quality as ecological purity. In connection with the necessity of rational use of fuel, decrease of pollution of the environment and reduction of electric rates it is necessary to the fuel and energy complex of Russia to set the task of reduction of fuel consumption for power generation. In the Astrakhan region parameters of solar radiation allow to use solar energy plants within 9 months. For our region it is one of the directions that will allow earning additional incomes in the budget of Astrakhan.
