Стационарная солнечная электростанция с к. п.д. 20% пиковой мощ­ностью 1 кВт вырабатывает за год в центральной России и в Германии 2000 кВт-ч, в пустыне Сахара — до 3500 кВт-ч. При слежении за Солн­цем производство электроэнергии при тех же условиях возрастет в Рос­сии до 2800 кВт-ч/кВт, в Сахаре — до 5000 кВт-ч/кВт. Зависимость вырабатываемой энергии СЭС от времени суток и погодных условий яв­ляется наиболее уязвимым качеством СЭС в конкуренции с электростан­циями на ископаемом топливе. Поэтому до настоящего времени в круп­номасштабных проектах и прогнозах развития солнечной энергетики предусматривалось аккумулирование солнечной энергии путем элект­ролиза воды и накопления водорода.

Перспективы увеличения срока службы солнечной электростанции Срок службы ТЭС и АЭС составляет 30 - 40 лет. Срок службы полупро­водниковых СЭ превышает 50 лет, так как взаимодействие фотонов с ато­мами и электронами не приводит к деградации кристаллической структу­ры и изменению скорости поверхностной и объемной рекомбинации не ос­новных носителей заряда. Однако солнечные модули (СМ) имеют сроки службы 20 лет в тропическом климате и 25 лет в умеренном климате из-за старения полимерных материалов — этиленвинилацета и тедлара, кото­рые используются для герметизации СЭ в модуле (рис. 27).

Для увеличения срока службы модулей необходимо исключить из конструкции модуля полимерные материалы. В новой конструкции сол­нечного модуля СЭ помещены в стеклопакет их двух листов стекла, со­единенных по торцам пайкой или сваркой. Технология герметизации торцев гарантирует герметичность модуля в течение 50 лет. Для сниже­ния температуры СЭ и оптических потерь внутренняя полость модуля заполнена кремний-органической жидкостью [50].

Новая бесполимерная технология сборки солнечного модуля была использована для создания эффективной вакуумной прозрачной тепло­изоляции (ВПТИ). Солнечные элементы, кремний и органическая жид­кость между стеклами заменены на вакуумный зазор 50 мкм [126].

Рис. 27. Солнечный фотоэлектрический модуль, изготовленный по техноло­гии бесполимерной герметизации. Размеры 450 х 970 мм, электрическая мощность 50 Вт, напряжение 12 В

При наличии ИК-покрытия на внутренней поверхности стекол теп­лопередача может быть снижена в 10 раз по сравнению с одинарным ос­теклением зданий. Солнечные установки с вакуумным остеклением будут нагревать воду не до 60 , а до 90 С, т. е. из установок для горячего водоснабжения переходят в новый тип установок — для отопления зда­ний. В теплицах и зимних садах потери энергии уменьшаются на 50 %. Облицовка южных фасадов зданий плитами вакуумной прозрачной теп­лоизоляцией с селективным покрытием превращает здание в гигантс­кий солнечный коллектор и эквивалентно увеличению толщины стен на 1 метр кирпичной кладки при толщине ВПТИ 12 мм.

Особенно эффективно использование ВПТИ в южных районах РФ и в республиках Бурятия, Якутия, где в условиях зимнего антициклона при температуре воздуха -30 С температура селективного покрытия при тол­щине ВПТИ 10 мм составляет + 30“ С. Использование ВПТИ в летние меся­цы позволит на 50% снизить затраты на кондиционирование зданий.

Перспективы снижения стоимости солнечной электростанции Стоимость установленного киловатта мощности составляет, USD/ кВт: ГЭС 1000 - 2500; ТЭС 800 - 1400; ВЭС 800 - 3000; АЭС 2000 - 3000 [130, 133].

Основным компонентом современных СЭС, определяющим их сто­имость, является солнечный модуль, изготавливаемый из СЭ на осно­ве кремния (рис. 28). Стоимость СМ составляет сейчас 3500 - 4000 USD/ кВт при объеме производства 1 ГВт/год; стоимость СЭС 6000 - 8000 USD/кВт; стоимость СЭС 1000 USD/кВт прогнозируется достигнуть в 2020 г. [2].

Основные пути снижения стоимости СЭС: повышение к. п.д. СЭС, увеличение размеров СМ и объема производства, снижение стоимости солнечного кремния, снижение расхода солнечного кремния на еди-

Рис. 28. Солнечный двусторонний фотоэлектрический приемник для стационар­ного концентратора. Размеры 2мх0,12мс ожидаемым сроком службы 40 лет

ницу мощности СЭС, комбинированное производство электроэнергии и теплоты на СЭС.

Максимальный размер солнечного модуля ограничен размерами стек­ла и составляет сейчас 2,5 х 3 м при электрической мощности 1 кВт. Объем производства СМ растет на 30% в год, а их стоимость снизилась с 1976 года в 10 раз.

Ожидается, что к 2030 г. прогнозируемая установленная мощность солнечных фотоэлектрических систем в мире составит 200 - 300 ГВт при стоимости капвложений 1000 /кВт и себестоимости электроэнергии 0,05 -0,12 EURO/кВт-ч.

Солнечные электростанции могут обеспечить производственные и жилые объекты электрической энергией, горячей водой и теплом. Ко­эффициент использования энергии Солнца составляет 50 - 60% при элек­трическом к. п.д. 10 -15% . Использование стационарных концентрато­ров позволяет увеличить температуру теплоносителя до 90" и снизить стоимость СЭС до 1000 долл. США/кВт. На основе концентраторных модулей разрабатываются солнечные микро-ТЭЦ для многоквартирных и односемейных домов и промышленных зданий, а также центральные стационарные солнечные электростанции для городов, поселков, сельс­кохозяйственных и промышленных предприятий.

Повышение эффективности СЭС приводит к снижению затрат энер­гии и материалов на производство единицы мощности СЭС, размеров и стоимости земельного участка под строительство СЭС. На рис. 29 пред­ставлена зависимость стоимости изготовления киловата установленной мощности солнечных модулей со стационарными концентраторами от к. п.д. При к. п.д. 20% стоимость производства становится значительно меньше 1000 USD/kBt.

Реализация факторов развития новых технологий приведет к увели­чению роли солнечной энергии в энергетике будущего до 60 - 70%, в электроэнергетике — до 80 - 90%. СЭС в течение миллионов лет будут обеспечивать каждого жителя Земли электричеством, теплом и топли-

Концентрация 20 Рис. 29. Стоимость стационарного параболо-цилиндрического концентрирую­щего модуля мощностью 1 кВт, с углом апертуры 36’ для северных широт

вом. Антропогенные выбросы энергетических установок будут сниже­ны до приемлемого для экологии Земли уровня.

Наиболее быстрый путь снижения стоимости и достижения гегават - тного уровня производства СЭС заключается в использовании концент­раторов солнечного излучения (рис. 30, 31). Стоимость 1 м2 площади стеклянного зеркального концентратора в 10 раз меньше стоимости 1 м2 площади СМ. В России разработаны стационарные концентраторы с ко­эффициентом концентрации 3,5 - 10 с угловой апертурой 480 , позволя­ющие в пределах апертурного угла концентрировать прямую и рассеян­ную компоненту солнечной радиации.

Использование солнечного поликремния низкой стоимости и стацио­нарных концентраторов позволяет сократить сроки достижения стоимо­сти 1000 USD/кВт с 2020 до 2015 гг. Вид современных концентраторов дан на рис. 30 и 31 [125].

Приведенная на рис. 32 мобильная фотоэлектрическая станция име­ет габариты модуля в рабочем положении 1480 х 345 х 4 мм и массу — 12 - 19 кг. Среднее время подготовки ее к работе составляет 30 ми­нут. МФС работоспособна в условиях умеренно-холодного климата при температуре не ниже минус 30 С. Срок службы - > 7 лет.

К перспективным разработкам российских специалистов относятся устройства, получившие название солнечных фасадов зданий, схема работы и вид которых приведен на рис. 33 [126].

Важным направлением международного сотрудничества является так­же освоение массового производства и рыночная реализация паяных ва­куумных стеклопакетов, предназначенных для герметизации солнечных фотоэлектрических элементов при изготовлении солнечных модулей и создания теплосберегающих прозрачных экранов в конструкциях зданий

Рис. 31. Солнечный модуль со стацио­нарным концентратором с электри­ческой мощностью 200 Вт. Размеры 2x2 м, масса ~ 70 кг

в виде различных стеклянных покрытий (оконные проемы, лоджии, зим­ние сады, оранжереи и т. п.). Пакеты отличаются высокой надежностью паяного соединения листов стекла, обеспечивающего увеличение срока службы в 4 - 5 раз по сравнению с клееными стеклопакетами и дающая возможность с помощью кварцевых распорок создавать между стеклами вакуумный промежуток. Схема пакета дана на рис. 34.

К преимуществам вакуумных стеклопакетов (рис. 35) относятся:

- малая толщина (5 — 6 мм), соизмеримая с толщиной одного стекла, возможность замены одного стекла на вакуумный стеклопакет при со­хранении рамы прозрачного ограждения;

Рис. 34.1 — стекло; 2 — стеклокерамические прокладки; 3 — вакуумная
камера; 4 — шов герметизации; h — толщина стеклопакета. Стеклопакеты
изготавливаются в однокамерном (а) и двухкамерном (б) варианте из высоко-
качественного листового полированного стекла (флоат-процесс), толщиной h
2; 2,5; 3; 3,5; 4;5; 6 мм, прямоугольной формы

- длительный срок службы - до 40 лет;

- снижение энергозатрат на отопление теплиц на 70%;

- снижение энергозатрат на отопление зданий на 20% в северных ре­гионах;

- повышение температуры воды в солнечном коллекторе с 60 С до 90 С;

Рис. 35. Солнечный коллектор с паяным вакуумным стеклопакетом, коллек­тор массой 25 кг с производительностью — 100 л/сутки горячей воды с температурой 60 - 90 °С. Снижение теплопотерь в коллекторе в 1,5 - 2 раза

- снижение шума;

- снижение энергозатрат на кондиционирование на 20% в южных ре­гионах.

В России также разработана бесхлорная технология производства сол­нечного поликремния со стоимостью 15 долл. США/кВт, что в два раза ниже, чем стоимость поликремния на европейском рынке (табл. 5) [127].

Таблица 5

Бесхлорная технология производства поликристаллического кремния

Исходные компоненты: этанол и металлургический кремний Si + 3 С2Н5ОН=> SiH (ОС2Н5)з 4SiH (ОС2Н5)3 =i> SiH4 + 3 Si(OC2H5)4 SiH4=> Si + 2H2

В результате реализации технологии:

Стоимость поликристаллического кремния снижается в 2 раза, до 15 USD/кг.

Чистота и качество кремния увеличивается в 10 раз, до 99,999%

______ Производство становится экологически безопасным

Сроки создания производства солнечного поликремния
объемом 1000 - 5000 т в год по новой технологии 2008 - 2010 гг.

В новой технологии в качестве исходных материалов используются вмес­то соляной кислоты этиловый спирт и металлургический кремний, а в ка­честве промежуточных компонентов процесса — триэтоксисилан и моноси­лан. Снижение стоимости происходит благодаря снижению температуры процесса и затрат энергии. При этом значительно улучшаются экологичес­кие характеристики производства и увеличивается качество кремния в та­кой степени, что его можно использовать в электронной промышленности.

Приложение Е