1

Шарафутдинов Р.Г., Щукин В.Г., Константинов В.О., Городецкий С.А.

Новосибирск, май 2016 г.

ФГБУН Институт Теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН

СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

2

Современное потребление энергии и энергоресурсы

http://proekteconomia.blogspot.ruФортов В.Е., Попель О.С. Энергетика в современном мире. – Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2011. –168 с.

3

№ Виды энергетических ресурсов Количество *1015

1 Уголь, нефть, газ, МВт 91,7

2 Уран, МВт 66,7

3 Солнечная энергия, МВт/год 1091,7

4 Ветровая энергия, МВт/год 16,7

5 Гидроэнергия, МВт/год 58,3

6 Биомасса, МВт/год 0,8

7 Мировое энергопотребление, МВт/год 0,1

1 кВт*час = 3,6 МДж = 0,12кг у.т.

1МВт*час = 120 кг у.т.

Количество солнечной энергии в регионах мира и России

4

Месячная сумма солнечной радиации на горизонтальной площадке

http://coollib.comhttp://www.solbat.su/meteorology/insolation

Инсоляцией (от латинского in solo – выставляю на солнце) называется облучение параллельным пучком лучей,

поступающих с направления солнечного диска.Среднегодовое суммарное солнечное излучение, падающее на горизонтальную площадку, составляет: в Центральной

Европе, Средней Азии и Канаде — приблизительно 1000 кВтч/м2; в Средиземноморье — приблизительно 1700 кВтч/м2; вбольшинстве пустынных регионов Африки, Ближнего Востока и Австралии — приблизительно 2200 кВтч/м2.

Годовая инсоляция одного квадратного метра горизонтальной площадки в разных городах России (кВт час/год)

Архангельск 850 ; широта 64 Новосибирск 1140 ; широта 55.2 Петербург 930; широта 55.9

Москва 1010 (1520*); широта 55,7 Омск 1260; широта 55.9 Ростов-на-Дону 1290; широта 47.2

Петрозаводск 860 (1460*); широта 61 Астрахань 1380 (2200*) ; широта 46,4 Симферополь 1450; широта 44,5

Владивосток 1290 (2150); широта 43,1 Южно-Сахалинск 1270 (1970*); широта 46.5 Сочи 1370 (2130*); широта 43,6

кВт час/м2

* Годовая инсоляция одного квадратного метра на тракере (кВт*час/год)

0

50

100

150

200

250

300

Янв Фев Март Апр Май ИюньИюль Авг Сент Окт Нояб Дек

Москва; широта 55,7

Астрахань; широта 46,4

Новосибирск; широта 55,2

Петрозаводск; широта 61

Сочи; широта 43,6

Экватор; широта 0

Арктика; широта 80

Солнечную энергетику выгодно применять на всей территории России, особенно в энергодефицитных районах.

Солнечное излучение

Спектр солнечного излучения

В космосе - 1367 Вт/м2

На Земле АМ 1.5 - 1000 Вт/м2

5

Возобновляемые источники энергии (ВИЭ)

Структура мирового производства электроэнергии

6SOURSE: REN21 • RENEWABLES 2015 GLOBAL STATUS REPORT

Мировое энергопотребление

∑ВИЭ = 8,3% ∑ВИЭ = 39%

7

8 мая 2016 г. Германия установила рекорд - в этот солнечный и ветреный день возобновляемыеисточники обеспечили 87% потребляемой энергии (55 ГВт из 63 ГВт). Из-за этого цены наэлектроэнергию упали настолько, что стали отрицательными.

https://slon.ru/posts/67931

8

Всего за 10 лет ВИЭ перегнали все традиционные технологии и стали основным источником электроэнергии.

Мировое энергопотребление Валовое производство электроэнергии Германии

1. Геополитические• Не нужно бороться за энергоресурсы на планете. – Доступность в любой

точке Земли.

• Установка в удаленных районах.

• Автономный источник энергии.

• «Двойное применение».

2. Экономические• Объем рынка огромен и не освоен.

• Экономичность, низкие эксплуатационные расходы.

• Дешевая энергия.

• Долгий срок службы.

3. Экологические• Экологически чистая энергия.

• Переход на «солнечную энергию» сократит вредные выбросы в 1000 раз.

9

Солнечная энергетика решает задачи:

Динамика развития фотовольтаики

Ежегодный мировой рынок фотовольтаики(Годовая вводимая мощность солнечных модулей)

SOURSE: NREL • P. Basore • The Capital Intensity of Photovoltaics Manufacturing • 19 October 2015.10

Динамика развития фотовольтаики

11

Мировой рынок фотовольтаики (Суммарная установленная мощность солнечных модулей в мире)

SOURSE: Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems • PHOTOVOLTAICS REPORT • 11 March 2016www.ise.fraunhofer.de

Динамика развития фотовольтаики

12

Изменение стоимости Ватта установленной мощности по годам(Стоимость солнечного модуля за 1 Вт )

SOURSE: Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems • PHOTOVOLTAICS REPORT • 11 March 2016www.ise.fraunhofer.de

Этапы производства конечного продукта –солнечных систем различного назначения

13

основное сырье

солнечный элемент

(Solar Cell)солнечный модуль

(PV module)солнечная батарея

(Array)солнечная система

(System)

Солнечные системы на кристаллическом кремнии

Солнечные системы на тонкопленочном кремнии

Солнечная батарея;Инвертор;Счетчик выхода;Счетчик входа.

Солнечная батарея;Инвертор;Контролер заряда;Аккумулятор.

Подключенная к общей электрической сети

Отключенная от общей электрической сети

модуль на гибкой подложке

модуль на стекле

< 10% от стоимости модуля

> 50% от стоимости модуля

подложка

+

СЭ является частьюсолнечного модуля

СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГОСИСТЕМА

1. Солнечные панели- преобразование солнечного света в электричество.2. Контролер заряда - регулирование процессов заряд/разряд , мониторинг параметров системы. 3. Блок аккумуляторных батарей - накопление энергии выработанной солнечными модулями.4. Инвертор - преобразование постоянного напряжения с аккумуляторных батарей в переменное.5. Монтажный комплект - коммутация оборудования.

Солнечный модуль

52%

Инверторы6%

Аккумуляторы36%

Контроллеры заряда

4%

Монтажный комплект

2%

14

СТРУКТУРА ЦЕНЫ ТИПОВОЙ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ

(установленная мощность 10 кВт)

СТРУКТУРА ЦЕНЫ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ (установленная мощность 100 МВт)

Опорная конструкция 10,1%

Солнечный модуль 60,80%

Сетевые инверторы 16,85

Кабель 4,52%

Разработка проекта 0,1%

Проектирование 0,1%

Строительно-монтажные работы 7,53%

Проекты в области фотовальтаикиоснованные на холодной неравновесной плазме.

Разработки ИТ СО РАН

Основы газоструйного плазмохимического метода (GJ-EBP CVD)в сравнении с RF PECVD

• Зона активации и область осаждения совмещены.Незначительные изменения в зоне активации сильно

влияют на качество получаемых слоев.

• Доставка активированных частиц к подложке определяется процессами диффузии.

Нежелательные столкновения в газовой фазе приводят к образованию высокодисперсного порошка. Молекулы фонового газа влияют на процессы в области осаждения.

Это приводит к ограничению скоростей осаждения (не более 1-3 A/сек).

Как следствие огромные габариты установок и высокие затраты на оборудование

Базовыми элементами метода являются:

• Электронный пучок

• Сверхзвуковая струя

• Электронно-пучковая плазма в сверхзвуковом потоке

Это обеспечивает устойчивость, воспроизводимость и контролируемость процесса.

Время доставки частиц к подложке меньше на 3 порядка.

Струя защищает зону осаждения от молекул фонового газа.

Метод может обеспечивать очень высокие скорости осаждения до 100 А/сек.

Как следствие малогабаритные установки и небольшие затраты на оборудование, (меньшие в разы инвестиционные вложения)

16

Элементы холодного плазмотрона:Электронная пушка системами

4. Система водяного

и масляного охлаждения

3.Система вакуумной откачки ЭП

2. Система питания

(Блок питания разряда.Блок питания ускоряющего потенциала.)

5. Система электронной

оптики6. Система

подачи гелия

7. Система мониторинга

процесса работы ЭП(давление,

температура,…)

Электронная пушка с плазменным катодом обладает преимуществами (по сравнению с термокатодными):• Более высокий ресурс;• Более высокий рабочий уровень давления (более простые откачные средства);• Возобновляемый эмиттер электронов;• Возможность выводить пучки электронов c более высокими уровнями тока.

1.

Принцип нанесения слоев по «roll-to-roll» технологии

• Осаждение одновременно на две поверхности• Компактность установок• Простота транспортировки продукта в виде рулона• Равномерность нанесения вдоль движения ленты-подложки• Размер конечного продукта задается шириной ленты-подложки

Фото установки плазмохимического нанесения слоев по R2R технологии, состоящей из трех камер осаждения, камеры загрузки и камеры выгрузки ленты-подложки.

18

19

Традиционная технологическая цепочка производства солнечных модулей на кремниевых пластинах.

20

Проект «Электронно-пучковое рафинирование металлургического кремния»

Блок-схема

1. Получаемый продукт – кремний солнечного качества 99,9995%

2. Себестоимость – 10-15 $/кг3. Сырье – металлургический кремний 98%.

Преимущества

•Отказ от больших заводов, переход на модульный принцип.•Отказ от хлорсилановой очистки.•Нет отходов в виде хлорсиланов.•Низкие (в десятки раз) капитальные затраты.

98% 99,999%

21

Проект «Плазмохимический синтез моносилана»

Блок-схема

1.Получаемый продукт - моносилан солнечного качества 99,9995%.

2. Себестоимость - менее 5 $/кг (по литературным данным)3. Сырье - кремний солнечного качества 99,999%, метан,

водород.

Преимущества продукта

•Отказ от больших заводов, переход на модульный принцип.•Отказ от хлорсилановой очистки.•Нет отходов в виде хлорсиланов.•Низкие (в десятки раз) капитальные затраты.•Простота технологического цикла.•Меньше (существенно) исходных продуктов.

Преимущество технологии

•Высокая добавленная стоимость.•Широкий спектр применения.

22

Проект «Плазмохимический синтез поликристаллического кремния»

Эскизный проект реактора установки

1. Получаемый продукт - кремний солнечного качества 99,999%.2. Себестоимость - 12-15 $/кг.3. Сырье – моносилан солнечного качества 99,999%.

Преимущества

•Отказ от больших заводов, переход на модульный принцип.•Отказ от хлорсилановой очистки.•Нет отходов в виде хлорсиланов.•Низкие (в десятки раз) капитальные затраты.•Низкие удельные энергозатраты 40-60% в структуре цены.

23

Проект «Производство тонкопленочных солнечных модулей на гибкой подложке»

Схема производства солнечных модулей Преимущества продукта

Преимущество технологии

•Отказ от больших заводов, переход на модульный принцип.•Отказ от хлорсилановой очистки.•Нет отходов в виде хлорсиланов.•Низкие (в десятки раз) капитальные затраты.•Отказ от производства пластин.•Низкая себестоимость.•Экономия сырья.

•Удобство в применении.•Двойное применение.•Лучшие потребительские свойства.•Большее количество энергии на единицу установленной мощности.•Широкий рынок применения.

Получаемый продукт – солнечные модули на гибкой подложке.Себестоимость - менее 0,4 $/Вт установленной мощности.

подложка

Различные секторы применения тонкопленочной PV продукции

Переносныесистемы

Освещение

Солнечные электростанции

Солнечная архитектура (BIPV)

Grid Connected SystemСетевые системы

Stand Alone SystemНезависимый потребитель

Мощность PV системы, kW

Солнечныепалатки,

тенты

24

Technology Thin Film Crystalline wafer based

a-Si CdTe CIGS Mono- Poly-

Module Efficiency

9% 12% 15% 16% 16%

Area needed per kW (for modules)

12 м2 9 м2 7 м2 7 м2 7 м2

25

Место и значимость проектов, основанных на использовании электронно-пучковой плазмы, в технологической цепочке

производства кремниевых солнечных модулей.

• Отказ от больших заводов, переход на модульный принцип.• Отказ от хлорсилановой очистки.• Нет отходов в виде хлорсиланов.• Низкие (в десятки раз) капитальные затраты.• Низкая себестоимость.• Экономия сырья.

Преимущество технологий основанные на электронно-пучковой плазме

26

Солнечная энергетика в России. Солнечные электростанции.

Международный Конгресс « Возобновляемая энергетика XXI век: энергетическая и экономическая эффективность». Доклад 13-14 октября 2016 г.«Карта отрасли ВИЭ в России оптовый рынок электроэнергии (мощности)». Карта отрасли ВИЭ в России оптовый рынок электроэнергии(мощности). к.т.н. Г.В. Ермоленко, Ю.А. Фетисова.

• Распределенная электрогенерация.

• Доступная энергетика в любой «точке» – так же как светит Солнце на планете.

• Экономия энергоресурсов планеты.

• Экологическая чистота.

• Сокращение в 1000 раз вредных выбросов.

• Экономическая рентабельность.

• Огромный рынок.

27

Для чего нужны наши проекты

Спасибо за внимание!Контакты:

(ИТ СО РАН)630090, РФ, г. Новосибирск, пр. Ак. Лаврентьева, д. 1

Тел/факс: (383) 330 64 51 e-mail: molkin@itp.nsc.ru

ФГБУН Институт Теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН

28