Солнечные технологии

В мире 95 процентов всех СЭС изготавливают из кремния. Содержание кремния в земной коре – 29,5 процента, это второе место после кислорода, содержание урана – 0,0003 процента. Несмотря на то что кремния в земной коре больше, чем урана, в 98 300 раз, стоимость монокристаллического кремния лишь немного уступает стоимости урана, что связано с устаревшей грязной хлорной технологией производства (Сименс-процесс). Во Всероссийском институте электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ) разработаны уникальные бесхлорные технологии получения кремния с низкими энергетическими затратами, на которые получено восемь патентов РФ и США.

Другой подход заключается в снижении расхода кремния на один мегаватт мощности с 6‑8 тонн в настоящее время в сто - тысячу раз за счет использования новых типов концентраторов и матричных кремниевых солнечных элементов (МСЭ), разработанных в России.

Во ВИЭСХе разработаны и запатентованы солнечные концентраторы со слежением за Солнцем и без слежения за Солнцем. Оба типа концентраторов обеспечивают равномерное освещение солнечных фотоэлектрических модулей, что исключительно важно при эксплуатации СЭС с концентраторами. Неследящие концентраторы концентрируют не только прямую, но и большую часть диффузной (рассеянной) радиации в пределах апертурного угла, что увеличивает установленную мощность СЭС и производство электроэнергии.

Созданные во ВИЭСХе МСЭ из кремния обладают КПД 20 процентов при пятидесятитысячекратной концентрации солнечного излучения. Запатентованные в России двусторонние планарные СЭ и МСЭ прозрачны для неактивной инфракрасной области спектра, что снижает нагрев фотоприемника и затраты на его охлаждение. Преимуществом МСЭ является генерация высокого напряжения 15‑20 В на один погонный сантиметр рабочей поверхности.

На испанской солнечной электростанции «Эвклид» с концентратором пиковой мощностью 480 кВт для получения рабочего напряжения 750 В, необходимого для присоединения к бестрансформаторному инвертору, использовались последовательно соединенные планарные солнечные кремниевые модули общей длиной 84 метра. МСЭ напряжением 750 В в длину в 191 раз меньше – 0,44 метра, при этом МСЭ имеет рабочий ток в сотни раз меньше, чем планарные СЭ одинаковой мощности и, как следствие, низкие коммутационные потери. Приемник на основе МСЭ длиной 84 метра будет иметь напряжение 150 кВ, и в этом случае СЭС может быть подключена к высоковольтной ЛЭП постоянного тока без промежуточных трансформаторов, выпрямителей и других преобразующих устройств.

Цена «солнца»

МСЭ из кремния в сотни раз дешевле солнечных элементов на основе каскадных гетероструктур на единицу площади, технология МСЭ не требует применения серебра, многостадийной диффузии, фотолитографии, сеткографии, эпитаксии, текстурирования и других трудоемких операций, используемых на зарубежных заводах.

Все существующие в мире конструкции, материалы и технологии изготовления солнечных модулей обеспечивают срок службы модулей в двадцать лет в тропическом климате и двадцать пять – в умеренном климате с потерей до 20 процентов мощности к концу срока службы. Причина – ультрафиолетовая и температурная деградация оптических полимерных герметизирующих материалов – этиленвинилацетата и других пластиков. Используемая технология ламинирования модулей включает вакуумирование, нагрев до 150º и прессование с затратами электроэнергии 80 000 кВт-ч на изготовление 1 МВт солнечных модулей.

В новой технологии, разработанной во ВИЭСХе, этиленвинилацетат и технология ламинирования заменены на заливку силиконовой композиции с последующим отверждением жидкой компоненты в полисилоксановые гели. При этом срок эксплуатации солнечных модулей увеличивается в два раза, до сорока-пятидесяти лет, возрастает электрическая мощность модулей благодаря более высокой прозрачности геля и снижению рабочей температуры СЭ, снижаются энергозатраты на изготовление модулей на 70  000 кВт-ч / МВт. Кроме того, удвоение срока службы увеличивает производство электроэнергии на 20 миллионов кВт-ч на 1 МВт пиковой мощности.

Минимальная стоимость солнечных модулей из кремния на оптовом европейском рынке составляет 1250 евро / кВт, на американском рынке – 1700 долларов / кВт. Стоимость изготовления СЭС под ключ составляет для сетевых компаний 3400 долларов / кВт, для владельцев домов 6500 долларов / кВт. Министерство энергетики США в августе 2010 года объявило о программе снижения к 2012 году стоимости производства сетевых СЭС до 1000 долларов / кВт, а солнечных модулей – до 500 долларов / кВт. Стоимость изготовления солнечных модулей составляет 50 процентов от стоимости СЭС, еще 50 процентов стоимости включает закупку сетевого инвертора, металлоконструкций, кабелей и строительно-монтажные работы.

На региональном уровне в Италии и других странах мира и в ряде регионов России достигнут паритет цен между тарифами на электроэнергию от сети и ценой электрической энергии от СЭС. Например, в Калмыкии, Курской области, в ряде районов Якутии, Чукотки стоимость электроэнергии для юридических лиц составляет 7‑9 рублей за кВт-ч (0,25‑0,32 доллара / кВт-ч), что соизмеримо с существующей ценой электроэнергии от СЭС. Везде, где используются дизельные электростанции, тарифы на электроэнергию выше, чем стоимость электроэнергии от СЭС.

В ближайшие годы КПД МСЭ из кремния будет увеличен до 25‑30 процентов при работе с концентратором. Однако уже сейчас использование новых технологий кремния, концентраторов и МСЭ позволяет создавать солнечные электростанции, конкурентоспособные с электростанциями, работающими на угле.