Выдержки из отчета Международного Энергетического Агентства (International Energy Agency) – Technology Roadmaps. Solar photovoltaic energy.
Технологии
Солнечные фотоэлектрические системы (ФЭС) предназначены для преобразования солнечной энергии в электричество. Базовым элементом фотоэлектрических систем является фотоэлектрический преобразователь – полупроводниковый прибор, который преобразует световую энергию солнца в электрическую энергию. Данные преобразователи соединяются между собой в фотоэлектрический модуль, мощность которого обычно составляет 50-200 Ватт.В свою очередь, фотоэлектрические модули соединяются между собой электрически и механически в солнечные батареи, мощность которых уже достигает несколько киловатт.
В настоящее время благодаря масштабным научно-исследовательским и производственным проектам освоен целый комплекс технологий изготовления фотоэлектрических систем, находящихся на разных стадиях коммерческой реализации.
Весь спектр широко представленных на рынке солнечных модулей можно разделить на две основные категории: кремниевые (wafer based c-Si) и тонкопленочные (thin films).
Кремниевые солнечные модули занимают в настоящее время 85-90% мирового рынка. Они, в свою очередь, подразделяются на моно- (sc-Si) и поликремниевые (mc-Si).
На долю тонкопленочных солнечных модулей приходится от 10 до 15% продаж. В этих элементах наиболее часто применяются два дорогостоящих химических соединения - селенид меди индия и галлия (copper indium gallium selenide) и теллурид кадмия (cadmium telluride). Также возможно применение аморфного кремния (a-Si).
К числу развивающихся технологий производства солнечных модулей относятся фотоэлектрические концентраторы (CPV – Concentrator PhotoVoltaics) и органические солнечные модули.
Фотоэлектрические концентраторы предполагают использование линзы с целью увеличения удельной мощности батарей. Данная линза позволяет собрать на поверхности полупроводникового элемента мощность до 230 Вт на каждый квадратный сантиметр. В результате с каждого квадратного сантиметра поверхности полупроводниковых элементов удается собрать электрический ток мощностью 70 Вт – это в пять раз выше, чем у самых современных солнечных батарей обычного типа. В настоящее время технология фотоэлектрических концентраторов опробируется на пилотных производствах.
Органические фотоэлектрические модули обладают наибольшей эффективностью в сравнении с предшественниками. В данном случае используется технология лазерного скрайбирования (нанесение неглубоких канавок) стеклянной подложки, где органические полупроводниковые элементы осаждаются на подложку, а затем лазером разделяются на несколько клеток. Эффективность преобразования солнечного света повышается путем высокой интеграции. Органические модули выступают в настоящий момент объектом исследований.
Соотношение технологий с точки зрения стоимости и производительности представлено на рис.1.
Рис. 1. Соотношения технологий изготовления солнечных модулей по стоимости и производительности (источник: IEA)
КПД (отношение электрической мощности модуля к произведению плотности потока солнечной энергии на площадь модуля) широко представленных на рынке солнечных модулей варьируется в зависимости от технологии от 6 до 20%.
Таблица 1. Сравнительный анализ КПД солнечных модулей (источник: IEA)
Инвестиции в производство солнечных модулей по-прежнему высоки. Вместе с тем с развитием технологий объем необходимых капиталовложений сокращается. Высокий финансовый порог является основным препятствием развития рынка солнечной энергетики. Совокупный объем затрат включает расходы как на производство самого модуля, так и на его установку (стоимость инвертора, стоимость строительно-монтажных работ и т.д.). В среднем конечная стоимость варьируется от 4000 долл./кВт для промышленного использования до 6000 долл./кВт – для индивидуального использования.
Стоимость выработки электрической энергии зависит от двух основных факторов: уровня годовой солнечной радиации и уровня скидки/процента. Поскольку солнечные фотоэлектрические системы не имеют движущихся компонентов, уровень затрат на обслуживание станций относительно низкий – около 1% совокупного объема капиталовложений в год. С учетом процентной ставки в размере 10%, стоимость генерации в 2008 году для масштабных объектов составила 240 долл./МВт в регионах с высоким уровнем солнечного излучения и мощностью систем, 480 долл./МВт – для регионов со средним и низким уровнем солнечного излучения и мощными системами. Стоимость генерации для индивидуальных систем варьировалась в 2008 году от 360 до 720 долл./МВт.
Тенденции развития рынка
Мировой рынок солнечного фотоэлектричества на протяжении более 10 лет характеризовался стремительным ростом – около 40% в год. Консолидированная мощность ФЭС увеличилась с 0.1 ГВт в 1992 году до 14 ГВт в 2008 году. Всего по итогам 2008 года было введено почти 6 ГВт новых мощностей. На рис. 2 отображена динамика ввода ФЭС на протяжении практически двух десятилетий.
Рис. 2. Динамика ввода ФЭС (сетевых и несетевых) в мире в 1992 – 2008 гг. (источник: IEA)
Четыре региона мира располагают возможностями выработки солнечного фотоэлектричества в объеме более 1 ГВТ: Германия (5.3 ГВт), Испания (3.4 ГВт), Япония (2.1 ГВт) и США (1.2 ГВт). На долю этих стран приходится 80% глобальной мощности ФЭС (рис. 3). К числу развивающихся регионов в этом направлении относятся Австралия, Китай, Франция, Греция, Индия, Италия, Корея и Португалии.
Рис. 3. Структура регионального распределения мощностей ФЭС в 2008 г. (источник: IEA)
Потребители солнечной энергии
Выделяют четыре направления использования солнечной электрической энергии:
- Системы индивидуального пользования. Мощность не превышает 20 Квт. Место использования – дома для частного проживания.
- Коммерческие системы. Мощность до 1 МВт. Место использования – здания коммерческого назначения, школы, больницы, торговые сети.
- Комплексные системы промышленного значения. Мощность от 1 МВт. Устанавливаются на здания либо непосредственно на земле.
- Несетевые установки. Различные вариации.
В зависимости от сферы использования ФЭС характеризуются различной стоимостью. До середины 1990-х годов большинство систем были несетевыми и использовались в качестве телекоммуникационных единиц, удаленных и сельскохозяйственных объектов генерации энергии. С тех пор, благодаря введению льготных программ в ряде регионов, стало активно расти число сетевых установок. Большинство сетевых ФЭС установлено в систему BIPV. Вместе с тем значительную долю рынка стали занимать устанавливаемые на земле ФЭС мощностью 10 МВт. Доля несетых систем сократилась до менее 10%. Однако данное направление использования солнечной энергии по-прежнему остается важным для отдаленных регионов ряда развивающихся стран с дефицитом поставок электроэнергии.
Исследования и разработки
На протяжении последних 10 лет значительно увеличились расходы на научно-исследовательские работы в сфере солнечной энергетики. Объем расходов на R&D (включая запуск пилотных и демонстрационных проектов) в основных регионах вырос с 250 млн долларов США в 2000 году до 500 млн долларов США в 2007 году (рис. 4). На долю пилотных и демонстрационных проектов пришлось в 2007 году 30% совокупных расходов. Основная доля затрат приходится на исследование характеристик солнечных модулей – 75% расходов (IEA PVPS 2009).
Рис. 4. Динамика объемов финансирования R&D в сфере солнечной энергетики (источник: IEA)
В ряде регионов приняты государственные программы, предусматривающие переход на использование солнечного фотоэлектричества в качестве одного из основных источника энергии в ближайшие 10 лет:
- Согласно Европейскому плану (European Union's SET Plan) прогнознизуются три варианта развития отрасли: базовый сценарий – 4% совокупной выработки электроэнергии, сценарий ускоренного роста – 6%, сценарий "paradigm shift" – 12%.
- Согласно Американскому плану (Solar America Initiative) технологические разработки должны обеспечить равную конкуренцию по стоимости между ФЭС и традиционными объектами генерации электричества.
- В Японии еще в 2004 г. были разработаны дорожные карты PV roadmaps towards 2030 (PV2030), предусматривающие значительные вложения в R&D. В 2009 году программа была обновлена (PV2030+): ряд технологических параметров должны быть достигнуты на 3-5 лет быстрее ранее установленного плана.
- Основная цель программы Solar Flagships initiative в Австралии – стимулирование включения ФЭС совокупной мощностью 1 000 МВт в единую сеть электроснабжения.
- В Китае и Индии приняты меры для стремительного развития солнечной энергетики.
- Бразилия лидирует по числу установлленых ФЭС для электрификации сельскохозяйственных регионов.