Перспектива развития "солнечной" энергетики в Удмуртии

Журнал "Энергетика.Энергосбережение.Экология" август 2011 

Залиханов М.Ч. – академик РАН,
Председатель Подкомитета
по проблемам устойчивого развития РФ
Государственной Думы Федерального собрания РФ;

Кузнецов Н.П. – д.т.н., профессор,
Ижевский государственный технический университет

Интенсивный рост энергопотребления, в том числе за счет углеводородного сырья, сжигание которого приводит к усилению парникового эффекта, в том числе за счет значительных выбросов тепла в атмосферу (тепловые потери современных технологий) приводит к изменению климата на планете Земля [1]. Аномальная жара в Европе летом 2010 года, аномально высокая температура в Восточной Европе в апреле 2011 года явно указывают на своеобразный «перегрев» поверхности планеты, и о необходимости расширения таких энергопроизводящих технологий, которые бы исключали выбросы в атмосферу тепла и парниковых газов, что наиболее характерно для теплоэнергетики. Одной из альтернатив теплоэнергетики [2] были атомные электрические станции, но развитие этой области энергетики будет резко остановлено в ближайшее время из-за аварии АЭС в г. Фокусима.

Тем самым, можно констатировать, что в настоящее время нет масштабных проектов, направленных на борьбу с уже наступившим глобальным потеплением, нет эффективных технологий борьбы с последствиями природных катастроф, нет отработанных технологий, предотвращающих такие катастрофы [3].

Однако имеются определенные перспективные направления развития мировой энергетики, состоящие в следующем [4]:

• переход от энергетики, основанной на ископаемом топливе, к бестопливной энергетике с использованием возобновляемых источников энергии;
• распределенное производство энергии на региональном уровне, совмещенное с локальными потребителями энергии;
• создание глобальной солнечной энергетической системы.

Энергетические характеристики солнечных батарей определяются полупроводниковым материалом, конструктивными (структурными) особенностями солнечных элементов в батарее. Наиболее распространенные материалы для солнечных элементов  - Si, Ga. Для солнечных элементов из кремния со структурой, имеющей электронно-дырочный переход, при освещении в земных условиях КПД достигает 15-18%. Для солнечных элементов на основе GaAs с полупроводниковым гетеропереходом КПД превышает 25 %.

Выполняемые в последние годы исследования, в том числе под руководством академика РАН, лауреата Нобелевской премии Ж. Алферова  показывают, что КПД солнечных батарей на основе арсенида галлия за счет многослойных структур можно довести до 60-80. Увеличивая КПД отдельного элемента солнечной батареи и используя концентраторы солнечного света можно существенно уменьшить площадь чувствительных элементов (чипов) солнечных батарей, которые являются наиболее дорогой составляющей солнечной батареи.

В настоящее время в мире наблюдается устойчивый рост потребления арсенида галлия, используемого для производства различных классов полупроводниковых приборов. Основными сырьевыми компонентами для производства элементов солнечных батарей, как следует из выше сказанного, являются особо химически чистые галлий и мышьяк.

В настоящее время в мире объемы выпуска высокочистого мышьяка квалификации 99,9999 мас.% (6N) на базе традиционного сырья – мышьяковистых руд оценивается 220 – 250 т/год и достаточны для покрытия его потребности. Средний уровень цен на мышьяк 6N составляет 320 – 400 долл./кг.

В нашей стране производство высокочистого мышьяка отсутствует. Необходимое количество мышьяка марки 6N (около 400 - 500 кг/год) для производства монокристаллов арсенида галлия закупается за рубежом (Германия, Япония).

Одним из перспективных направлений решения этой проблемы для получения мышьяка является создание промышленного производства высокочистого мышьяка и его соединений из нетрадиционного сырья – продуктов детоксикации химического оружия (люизита). С технической точки зрения целесообразно производство высокочистого мышьяка и его соединений квалификации 6N (99,9999 мас.%) и 7N (99,99999 мас.%) из продуктов детоксикации люизита организовать в блочно-модульном варианте (мощность модуля – 4т/год особо чистого продукта марки 6N и 300 кг/год – марки 7N).

Производство монокристаллов и пластин арсенида галлия, используемые в качестве подложки для выращивания тела фотоэлемента, включая полуизолирующий (легированный и нелегированный) и легированный теллуром, цинком, кремнием, оловом, увеличенного диаметра (до 150 мм), ориентируясь, прежде всего, на малодислокационный материал, организовать на базе методов Чохральского и Бриджмена.

Самостоятельными задачами является производство панелей солнечных батарей, производство концентраторов солнечного света и непосредственная сборка солнечных батарей. Заключительной задачей является разработка и производство системы управления ориентацией панелей солнечных батарей относительно положения солнца.

Отличительной особенностью предлагаемого Проекта является подход, при котором наряду с созданием производства ЧИПов на основе арсенида галлия для солнечных батарей одновременно организуется  выпуск высокочистого мышьяка из реакционных масс, полученных при уничтожении химического оружия, и представляющих собой весьма эффективное и очень дешевое исходное сырье для производства высокочистого мышьяка. Это создает замкнутую технологическую схему, обеспечивающую условия охраны окружающей среды и экономии финансовых средств.

Ввиду масштабности проекта для его реализации необходимо сотрудничество десятков предприятий и организаций. Конечной целью проекта является организация крупносерийного производства солнечных батарей наземного базирования на основе арсенида галлия, что целесообразней всего реализовать  на производственной базе промышленных предприятий Удмуртии, где только в п. Камбарка при утилизации люизита получено более 6000 тонн технического мышьяка.

С сентября 2008 года в ИжГТУ при поддержке Министерства промышленности и энергетики УР проводятся работы по оценке возможности серийного и массового производства солнечных батарей на основе арсенида галлия на базе промышленных предприятий Удмуртии. С рядом таких предприятий уже заключены договоры о  намерениях сотрудничества в решении поставленной задачи (ЭМЗ «Купол», «Элеконд» и т.д.).

Обсуждение проблемы организации производства солнечных батарей на основе арсенида галлия со специалистами института общей и неорганической химии им. Курнанова Н.С., со специалистами ряда промышленных предприятий России, специализирующихся на производстве полупроводниковой продукции, заключенные ИжГТУ с этими предприятиями договора о намерениях показали возможность реализации проекта.

Полученные результаты позволили выйти в комитет по науке и наукоемким технологиям Государственной Думы Федерального собрания Российской федерации пятого созыва с письмом-предложением о реализации проекта по промышленному производству солнечных батарей. В мае 2009 года  на заседании экспертного Совета по проблемам устойчивого развития было рассмотрено обращение директора Института общей и неорганической химии, академика РАН В.М. Новоторцева и ректора ИжГТУ Б.А.Якимовича о необходимости производства на профильных промышленных предприятиях России солнечных батарей на основе арсенида галлия, которое было одобрено и поддержано комитетом.

Осуществляя эффективную координацию работ между институтами Академии наук РФ и отраслевыми организациями, необходимо разработать и реализовывать, в зависимости от задач, гибкую технологическую схему (используя блочно-модульный принцип) и в сжатые сроки приступить к выпуску солнечных батарей на основе арсенида галлия. К выполнению данного крупномасштабного проекта в качестве соисполнителей отдельных этапов предполагается привлечь новых участников из числа Российских предприятий, имеющих значительный практический опыт по разработке и изготовлению оборудования и созданию аналогичных производств.

Дешевое сырье для производства чипов арсенида галлия позволит снизить стоимость стоимость таких чипов при их массовом производстве до стоимости аналогичных чипов на основе аморфного кремния.

 

Литература:

1. Будыко МИ. Глобальное потепление // Изменение климата и их последствия: Сборник. СПб: Наука, 2002. – С.7 – 12.
2. Стребков Д.С. Возобновляемая энергетика: для развивающихся стран или для России // Энергия: экономика, техника, экология, 2002, № 9. – С. 11 – 14.
3. Бедрицкий А.И., Коршунов А.А., Шаймарданов М.З. Опасные гидрометеорологические явления и их влияние на экономику России. Обнинск: Изд-во ВНИИГМИ-МПД, 2001. – 36 с.
4. Стребков Д.С. Возобновляемая энергетика в третьем тысячселетии // Энергетическая политика, 2001. № 2. 0- С. 23 – 27.