научная статья по теме КОНЦЕНТРАТОРНАЯ СОЛНЕЧНАЯ ФОТОЭНЕРГЕТИКА Комплексное изучение отдельных стран и регионов

Текст научной статьи на тему «КОНЦЕНТРАТОРНАЯ СОЛНЕЧНАЯ ФОТОЭНЕРГЕТИКА»

Статья поступила в редакцию 21.05.12. Ред. рег. № 1330

The article has entered in publishing office 21.05.12. Ed. reg. No. 1330

УДК 621.382.2/3

КОНЦЕНТРАТОРНАЯ СОЛНЕЧНАЯ ФОТОЭНЕРГЕТИКА

В.М. Андреев

Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН 194021 Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 26 Тел.: +7-812-2975649, факс: +7-812-2971017, e-mail: vmandreev@mail.ioffe.ru

Заключение совета рецензентов: 22.05.12 Заключение совета экспертов: 23.05.12 Принято к публикации: 24.05.12

Учеными ФТИ им. А.Ф. Иоффе внесен существенный вклад в создание высокоэффективных солнечных элементов на основе гетероструктур. Достигнуты КПД гетероструктурных каскадных солнечных элементов, превышающие 37% (1000 «солнц»), что в 2-3 раза выше, чем в существующих кремниевых и тонкопленочных солнечных батареях. На основе этих фотопреобразователей в ФТИ разработаны энергоустановки нового поколения с концентраторами солнечного излучения, открывающие перспективы существенного снижения стоимости получаемой электроэнергии за счет большей эффективности и снижения в 1000 раз площади солнечных элементов пропорционально кратности концентрирования солнечного излучения.

Ключевые слова: солнечный элемент, концентратор солнечного излучения, фотоэнергоустановка.

CONCENTRATOR SOLAR PHOTOVOLTAICS V.M. Andreev

Ioffe Physical-Technical Institute of the Russian Academy of Sciences 26 Polytechnicheskaya str., St.-Petersburg, 194021, Russia Tel.: +7-812-2975649, fax: +7-812-2971017, e-mail: vmandreev@mail.ioffe.ru

Referred: 22.05.12 Expertise: 23.05.12 Accepted: 24.05.12

The scientists of the Ioffe Institute have significantly contributed to the development of high-efficiency solar cells based on heterostructures. The efficiency of heterostructure cascade solar cells exceeds 37% (1000 suns), which is in 2-3 times that for silicon and thin-film solar arrays. New-generation CPV installations with sunlight concentrators have been elaborated at the Ioffe Institute on the basis of these solar cells, which open up prospects for a significant reduction of the cost of generated electric power due to the higher efficiency of solar cells and their 1000 times smaller area (in proportion to the sunlight concentration ratio).

Keywords: solar cell, sunlight concentrator, photovoltaic installation.

Сведения об авторе: зав. лабораторией фотоэлектрических преобразователей. Профессор, д-р техн. наук. Лауреат Ленинской и Государственной премий СССР, премии им. А.Ф. Иоффе РАН и Международной Беккерелевской премии, премии Фонда А.Гумбольдта. Заслуженный деятель науки РФ. С 1975 г. - преподавательская деятельность в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете (ЛЭТИ).

Образование: Ленинградский электротехнический институт им. В.И. Ульянова (Ленина) Область научных интересов: физика и технология полупроводников и солнечная фотоэнергетика.

Публикации: более 350, в том числе 90 авторских свидетельств и патентов на изобретения, 4 монографии.

Андреев

Ivb

Вячеслав Михайлович

Актуальность развития солнечной фотоэнергетики

Значение солнечной фотоэнергетики для мировой экономики определяют следующие факторы:

- запасы нефти и газа постепенно истощаются, и солнечное электричество должно компенсировать их уменьшающуюся добычу;

- увеличивающийся выброс двуокиси углерода в атмосферу должен обусловить ускоренное развитие экологически чистой солнечной фотоэнергетики для снижения загрязнения окружающей среды;

- внедрение фотоэнергетики позволяет демонополизировать и децентрализовать рынок электроэнергетики, обеспечивая эффективную конкуренцию и поддержку независимых производителей энергии;

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05-06 (109-110) 2012

© Scientific Technical Centre «TATA», 2012

- уже сегодня фотоэнергетика экономически рентабельна для ряда применений, например, для обеспечения электроэнергией автономных потребителей и для низковольтного электрообеспечения (дежурное освещение, датчики, сенсоры и др.).

Кроме этих факторов, касающихся энергетики, имеются и социальные факторы, определяющие необходимость государственной поддержки возобновляемой энергетики, и в первую очередь солнечной фотоэнергетики:

- более двух миллиардов людей в мире не имеют доступа к централизованному снабжению электричеством, причем большинство из них живет в солнечном поясе Земли. Организация системы централизованного электроснабжения невыгодна в ряде этих районов и потребовала бы огромных капитальных вложений. Этот фактор важен также и для России с ее большой территорией;

- скрытые социальные затраты на компенсацию вредного воздействия «тепловых» электростанций (лечение болезней, потери из-за уменьшения продолжительности жизни и др.) распределены на все общество и составляют более 50% цены производимой ими энергии. Если включить эти затраты прямо в тарифы на топливо и энергию, то экологически чистая фотоэнергетика станет конкурентоспособной уже на данном этапе ее развития;

- значительная часть стоимости электроэнергии от существующих электростанций распределена на все общество не только ныне живущих людей, но и будущих поколений. Наши дети и внуки будут лишены ископаемых ресурсов. Необходимо осознать факт прямого и косвенного государственного субсидирования традиционной энергетики. В связи с этим очевидно, что государственная поддержка возобновляемой энергетики должна проводиться в значительно больших масштабах.

Состояние работ по солнечной фотоэнергетике в России и мире

Современный мировой рынок фотоэнергетики -это вполне сложившийся, быстроразвивающийся сегмент мировой экономики с возрастающим темпом роста. Объем производства солнечных батарей с 2000 г. растет на 30-50% в год. В 2011 г. было произведено солнечных батарей на установленную мощность более 26 ГВт. Суммарная мощность установленных солнечных фотоэнергосистем к началу 2012 г. составила 67 ГВт. Согласно прогнозам, к середине века Солнце будет источником энергии, сравнимым по объемам с ископаемыми источниками, используемыми в традиционной электроэнергетике.

В большинстве европейских стран приняты государственные законы, стимулирующие развитие возобновляемой энергетики. Это так называемые законы «Feed-in Tariff», в соответствии с которыми государство гарантирует покупку по увеличенным тарифам электроэнергии, получаемой от возобнов-

ляемых источников. Например, в ряде стран электроэнергия, получаемая с помощью солнечных батарей, покупается государством по цене 0,3-0,4 евро за 1 кВт-ч, заметно превышающей стоимость сетевой электроэнергии. Данные законы обеспечили значительное увеличение мощностей солнечных фотоэнергосистем, установленных в Германии, Испании, Италии и других странах.

Несмотря на положительные тенденции развития фотоэнергетики, имеется существенный сдерживающий фактор - высокая стоимость фотоэнергосистем, обусловленная как дороговизной основного материала - кремния, так и дороговизной технологического процесса. На рис. 1 приведены примеры солнечных батарей трех типов.

III

Рис. 1. Солнечные батареи трех поколении: I - на основе кристаллического кремния;

II - с тонкопленочной структурой; III - гетероструктурные

с концентрированием солнечного излучения Fig. 1. Solar arrays of three generations: I - based on crystalline silicon; II - with thin-film structures;

III - with heterostructure solar cells and sunlight concentrators

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 05-06 (109-110) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012

Солнечные батареи первого типа изготавливаются на основе моно- и поликристаллического кремния. Они имеют в производстве КПД 13-15% при малом потенциале дальнейшего увеличения эффективности. Однако доля таких батарей составляет около 90% от всего объема выпускаемой фотоэлектрической продукции. Оставшуюся долю, увеличивающуюся в последние годы, обеспечивают тонкопленочные батареи (второй тип), изготавливаемые на основе аморфного кремния, а также соединений СОТе и Си1ива8е2. КПД таких батарей в производстве составляет 8-11%, т.е. заметно ниже, чем в кремниевых батареях. Главное преимущество тонкопленочных батарей - это возможность снижения стоимости за счет уменьшения в десятки раз расхода полупроводниковых материалов. Наконец в последнее время на рынок выходят солнечные батареи третьего типа на основе наногетероструктурных каскадных фотопреобразователей и концентраторов солнечного излучения. Они являются наиболее перспективными с точки зрения увеличения КПД до значений более 40% и радикального (в 500-1000 раз) снижения расхода полупроводниковых материалов в соответствии с кратностью концентрирования излучения.

Отечественные исследования и разработки в области солнечных батарей на основе кремния проводятся с конца 1950-х годов. За прошедшие 60 лет накоплен большой опыт в области создания батарей космического назначения (ОАО «НПП «Квант», ОАО «Сатурн»), а также наземных батарей (фирма «Солнечный ветер», г. Краснодар; ОАО «Рязанский завод металлокерамических приборов»; «Телеком-СТВ», г. Зеленоград и другие). В 2008-2010 гг. при поддержке ГК «Роснанотех» стартовали три новых «солнечных» проекта: один - по производству поликристаллического кремния для солнечных батарей и микроэлектроники («НИТОЛ Солар»), второй - по производству солнечных батарей на основе аморфного кремния (ГК «Ренова» при участии ФТИ им. А. Ф. Иоффе) с планируемым выпуском батарей на мощность 120 МВт/год и третий - по выпуску солнечных фотоэнергоустановок на основе каскадных гетероструктур и концентраторов солнечного излучения с объемом производства 95 МВт/год (ФТИ им. А. Ф. Иоффе, ООО «Солнечный поток»).

Гетероструктурные фотопреобразователи на основе соединений А3В5 уже широко используются как в наземной, так и в космической энергетике. Несмотря на большую исходную стоимость, использование гетероструктурных космических батарей позволяет существенно снизить суммарные затраты на запуск и эксплуатацию космических аппаратов благодаря увеличению в два раза удельного энергосъема и увеличению ресурса работы в космосе. Производство каскадных ко

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком