10:1630.08.2010г.
Солнечный свет – самый перспективный источник электроэнергии
В этом убежден зав. кафедрой физики Севастопольского национального университета ядерной энергии и промышленности, доктор технических наук, профессор Игорь Евгеньевич Марончук.
Недавно он провел презентацию своего проекта организации комплексного пилотного производства солнечных фотоэлектрических установок (СФЭУ) в Севастополе. Игорь Евгеньевич – один из немногих ученых в Украине, который не просто досконально знает мировую практику производства электроэнергии за счет солнца, но является автором ряда разработок в этой отрасли. Предлагаем вашему вниманию некоторые его материалы, которые были оглашены на презентации.
Севастополь является энергетически зависимым регионом, развитие которого определяется поставками электроэнергии извне. Значительные финансовые ресурсы Севастополя направляются на развитие электрогенерирующих областей Украины (Запорожской и Донецкой), которые поставляют в г. Севастополь электрическую энергию.
Фотоэнергетика - децентрализованная энергетика, которая в условиях рынка позволяет населению решать проблемы собственного энергоснабжения, не привлекая государственные средства. При наличии определенных льгот и стимулов процесс развития возобновляемой энергетики осуществляется самопроизвольно по законам цепной реакции. Это обусловлено тем, что в современном обществе достаточно широко распространен синдром «Ноева ковчега», т.е. желание каждого обеспечить себя хотя бы частично собственным источником энергии, не полагаясь на государственные или акционерные энергетические компании. Таким образом, фотоэнергетика может развиваться без государственных субсидий.
Создание собственного промышленного производства солнечных фотоэлектрических установок (СФЭУ) в Севастополе позволит:
- направить значительные ресурсы на развитие города за счет
обеспечения госбюджетных учреждений солнечной фотоэнергетикой, которая в перспективе будет бесплатной для них;
- улучшить экологическую обстановку в городе;
- создать новые рабочие места, и в области высоких технологий.
Расположение предлагаемого производства в нашем городе целесообразно потому, что здесь имеются инженерные кадры, морской и железнодорожный транспорт, свободные производственные помещения с соответствующей инфраструктурой таких крупных предприятий, как «Муссон», «Парус», которые могут быть использованы для реализации предлагаемого проекта.
Следует также участь выгодное географическое расположение Севастополя на юге Украины, где находятся основные потребители СФЭУ - Крым, Херсонская, Николаевская, Запорожская, Одесская и Донецкая области, имеющие высокий уровень солнечной инсоляции.
Солнечная фотоэнергетика является рентабельной и дешевой, если изготовление СФЭУ основано на полном технологическом цикле, исключающем межцеховые расходы, когда очистка кремния технической чистоты, получение монокристаллов, пластин кремния, фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), фотоэлектрических модулей (ФЭМ), СФЭУ осуществляется на одном производстве, в котором используются все отходы производства (шлам после резки кристаллов, обрезки слитков и т.д.).
В настоящее время в Севастополе отсутствует рынок сбыта СФЭУ и, пока он не занят, есть возможность его формировать, используя (как это сделано в Испании и Израиле), принудительные меры при постройке новых домов, а именно: требования устанавливать СФЭУ, без которых дом не может вводиться в эксплуатацию. Бурное развитие строительства частного сектора в Севастополе, при использовании указанных требований, позволит создать стабильный рынок СФЭУ.
Удержать этот рынок в дальнейшем можно только низкими ценами местной продукции фотоэнергетики и государственными льготами (высокими тарифами на «зеленую» энергетику).
Солнечная фотоэлектрическая энергетика в настоящее время является одной из наиболее быстро развивающихся областей не только в энергетике, но и среди других отраслей промышленности, т.к. ее рост достигает 100%/год. Если с 2000 по 2004 гг. ежегодно устанавливаемая мощность фотовольтаики в мире выросла в 4 раза (с 250 МВт до 1ГВт), то с 2004 по 2008 гг. в 6 раз (с 1ГВт до 6 ГВт), причем в 2008 г. по сравнению с 2007 г. рост составил 100%, а в 2009 г., когда разразился мировой кризис, рост фотоэнергетики по сравнению с 2010 г. превысил 100%.
В Испании в 2008 г. рост фотовольтаики составил 348%, т.е. в течение одного года введено 2,5 ГВт солнечных фотовольтаических установок (более 1/3 того, что произведено в мире в этот год). Это видно из ниже приведенных диаграмм и графиков.
Рис.1. Ежегодный рост фотоэнергетики в мире
Рис.2. Рост мощностей фотоэнергетики в мире
Состояние фотоэлектроэнергетики в Украине
По уровню состояния производства фотоэнергетики, Украина занимает устойчивое последнее место в Европе, т.к. не только отсутствует производство СФЭУ, модулей, ФЭП, кремния и других полупроводниковых материалов, но и отсутствует рынок фотоэнергетики.
Отсутствие рынка обусловлено высокими таможными и другими налогами, большими транспортными расходами на ввозимые СФЭУ, что приводит к увеличению цены более чем в 2 раза, по сравнению с стоимостью СФЭУ в Европе. Так если в Европе СФЭУ мощностью 3,5 кВт стоит $17000, то при продаже в Украине ее стоимость превышает $30 000.
Существенным тормозом в развитии солнечной фотоэнергетики в Украине является отсутствие тарифов и льгот на «зеленую» энергетику.
Предлагаемая в настоящем проекте технология полного производства СФЭУ открывает возможности развития фотоэнергетики в Украине.
Суть проекта – создание экологически чистого, стабильного, высокоэффективного, самодостаточного производства солнечных фотоэлектрических установок в оптимальном для их использования регионе: рекреационной зоне, энергетически зависимой, самой южной области Украины.
Цели проекта:
1. Осуществление перехода от крупномасштабного экологически грязного химического производства в технологии изготовления полупроводникового кремния к экологически чистому малотоннажному металлургическому производству полупроводникового кремния.
2. В качестве эксперимента в г. Севастополе осуществить переход от традиционных источников энергии к местным возобновляемым экологически чистым источникам солнечной энергии путем обеспечения госбюджетных учреждений и население города собственными энергогенирирующими устройствами.
Полная схема производства СФЭУ
Полная технологическая схема производства (СФЭУ) включает следующие основные стадии:
- получение кремния технической чистоты карботермическим или алюмотермическим восстановлением кварцитов (SiO2);
- очистку кремния технической чистоты от неконтролируемых примесей;
- выращивание монокристаллических слитков кремния марки «солнечный» из кремния, прошедшего стадию очистки;
- резка монокристаллических слитков кремния на пластины;
- изготовление фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) на основе пластин из кремния марки «солнечный»;
- изготовление фотоэлектрических модулей (ФЭМ) из ФЭП;
- изготовление СФЭУ из ФЭМ.
Реализация полной схемы производства СФЭУ возможна только при наличие экологически чистого малотоннажного металлургического производства кремния марки «солнечный».
Рис.3. Общая структурная схема производства СФЭУ
Исходным продуктом для изготовления СФЭУ могут быть кварциты (SiO2) или Si технической чистоты.
Каждый продукт в технологической цепочке производства СФЭУ является ликвидным, т.е. реализация проекта может начинаться с любой стадии и заканчиваться любой стадией производства, представленного на схеме.
Получение кремния из диоксида кремния
Получение кремния технической чистоты осуществляется в процессе алюмотермического восстановления кварцитов высокой степени чистоты или диоксида кремния, полученного в качестве отходов при химическом производстве (например, на заводе «Титан» расположенного в Красноперекопском районе Крыма).
Алюмотермическое восстановление осуществляется методом, защищенным украинским патентом № 90286 и реализуется на установке, созданной в соответствии с патентом № 89661 авторов Марончука И.Е., Кулюткиной Т.Ф. и Марончука И.И.
Затраты на получение кремния технической чистоты
Затраты на создание производства кремния технической чистоты из диоксида кремния в объеме 30тонн, необходимом для изготовления СФЭУ мощностью 3МВт, составят не менее 250 000 долл. и окупятся в течение не менее 5-ти лет.
В настоящее время на рынке цена кремния технической чистоты не превышает 3 долл./кг и, возможность его свободного приобретения, обусловлено большим производством такого кремния в мире (ежегодно 1,5 млн. тонн).
Для производства СФЭУ мощностью 3 МВт/год необходимо кремния технической чистоты около 30 тонн/год, т.е. затраты на его приобретения на рынке составят 90 000долл./год.
Создание собственного производства кремния технической чистоты алюмотермическим методом будет целесообразно в том случае, если возникнет проблема с приобретением кремния технической чистоты на рынке.
Очистка кремния технической чистоты
Очистка кремния технической чистоты осуществляется в процессе растворения и кристаллизации кремния в расплавах легкоплавких металлов в соответствии со способом, защищенным украинским патентом № 84653 и заявкой на патент № а2010 0161 авторов Марончука И.Е., Кулюткиной Т.Ф. Марончука И.И.
Реализация этого способа осуществляется на установке, конструкция которой защищена заявкой на патент № а201004604 (авторы Марончук И.Е., Кулюткина Т.Ф. Марончук И.И.)
Достоинства метода и установки по очистке кремния
Основными достоинствами разработанного метода очистки кремния технической чистоты являются:
- экологическая чистота процесса очистки по сравнению с используемыми в современной промышленности методами пиролиза моносилана кремния и восстановление трихлорсилана кремния водородом;
- возможность постепенного наращивания мощностей производства очищенного кремния, начиная с объемов в несколько десятков тонн в год, что невозможно осуществить с помощью современных технологий;
- получение более дешевого кремния путем снижения энергетических затрат и капитальных вложений в его производство.
Основным достоинством разработанной установки является:
- возможность очистки кремния технической чистоты с помощью легкоплавких металлов высокой степени чистоты в непрерывном технологическом процессе;
- высокая производительность установки, позволяющая очищать кремния технической чистоты в объеме 100 кг/сутки;
- Возможность наращивания объема производства чистого кремния из кремния технической чистоты путем увеличения количества установок.
Выращивание монокристаллов кремния
Выращивание монокристаллического кремния осуществляется на установке Чохральского по стандартной технологической схеме из кремния, прошедшего очистку в растворе-расплаве легкоплавкого металла.
Характеристики установки:
Диаметр тигля 450 мм
Потребление электроэнергии 160 кBA
Максимальный диаметр слитка 200 мм
Потребление воды 10 м3/ч
Площадь 1,0х2,0 м
Высота 6,5 м
Длина слитка 1500 мм
Стоимость установки 200 000 долл.
Количество работающих в 2 смены составляет 14 человек.
Производство фотоэлектрических преобразователей (ФЭП)
Производство ФЭП включает следующие основные стадии:
- Щелочное травление, очистка кремниевых пластин, текстурирование поверхности.
- Нанесение легирующих композиций фосфора и бора, диффузия.
- Нанесение и вжигание контактной системы (на основе серебросодержащих паст).
- Нанесение просветляющих покрытий.
- Контроль параметров ФЭП.
Количество работающих в 2 смены составляет 32 человека
Производство фотоэлектрических модулей (ФМ)
- Сортировка ФЭП по эффективности.
- Присоединение шин к ФЭП.
- Сборка ФЭП в последовательные цепочки.
- Распайка ФМ и сборка пакетов.
- Герметизация ФЭП методом ламинирования.
- Сборка ФМ (с момента обрамления клеммных коробок)
- Контроль параметров модулей.
Количество работающих в 2 смены составляет 28 человек.
Производство СФЭУ
В комплект СФЭУ с выходом на переменном токе (220 вольт, 50 герц) входят:
- Тракер (Tracker);
- система слежения за солнцем);
- солнечная батарея;
- контроллер заряда;
- инвертор 24В/220В, 50 Гц;
- комплект кабелей и разъемов;
- аккумуляторная батарея.
Количество работающих в 2 смены составляет 36 человек.
Резюме
Для производства СФЭУ 3 MВт/год необходимо 30 тонн технического кремния (90 000 долл.), 1 млн. пластин кремния, 1 млн. ФЭП, 75 000 модулей (40W), 1 000 тракеров, 1 000 СФЭУ (мощностью 3 kВт). Продажа 3 МВт СФЭУ – 16,5 млн. долл.
Суммарное производство электроэнергии, полученное в течение года на СФЭУ мощностью 3МВт составляет - 9 млн. кВт час. При расходе на семью 300 кВт час/месяц будет обеспечена электроэнергией около 2500 семей, т.е. около 8 000 жителей. Новые рабочие места составят 130 -150 человек.
Капитальные вложения на создания каждого из основных производств (кремния, ФЭП, модулей, СФЭУ) в зависимости от приобретаемого оборудования, составляет от 2,5 до 3 млн. долларов, т.е. для создания 3МВт необходимо 10 -12 млн. долл.
Срок окупаемости полного производства 3 МВт СФЭУ составляет 3-4 года в зависимости от стоимости приобретаемого оборудования.
Выводы
ФЭП на основе кремния при прямом солнечном облучении могут достигать максимальную эффективность преобразования солнечной энергии в электричество 25%, т.е. с одного квадратного метра солнечной батареи можно получить 250 Вт электрической энергии.
В Севастополе солнечная инсоляция составляет 3000 час/год, т.е. с 1м2 солнечной батареи может быть получено 750 кВт час электрической энергии в год, что составляет более 60 кВт час в месяц с 1м2 солнечной батареи, расположенной на тракере.
Тракер площадью S=10м2 солнечной батареи на основе кремния обеспечит коттедж электроэнергией в объеме 600 кВтчас/месяц.
Для увеличения эффективности преобразования солнечной энергии необходимо переходить от кремниевых солнечных батарей к высокоэффективным батареям на основе полупроводниковых соединений III-V.