eng
Выпуск #4/2025
Е. А. Ионова, К. А. Овчинников, Д. А. Малевский
Критерий оценки полноспектральных модулей для солнечной энергетики
Критерий оценки полноспектральных модулей для солнечной энергетики
Просмотры: 1019
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2025.19.4.324.332
Использование высокоэффективных (КПД>40%) полноспектральных солнечных
элементов в наземной солнечной энергетике сопряжено с усложнением конструкции солнечной электростанции, что может привести к возрастанию капитальных затрат, не покрываемых увеличением энерговыработки. Предложено использовать относительный LCOE (средневзвешенная себестоимость электроэнергии, англ. – Levelised Cost of
Energy) как критерий, позволяющий оценить конкурентоспособность электростанции на
начальном этапе ее разработки. Показано, что конкурентоспособность электростанции
с полноспектральными солнечными элементами в географической точке (51 с.ш, 108 в.д.) будет обеспечена в случае, если капитальные затраты в расчете на 1 м2 апертуры модуля не более чем в 1,9 раз превышают капитальные затраты на 1 м2 сравниваемого кремниевого модуля.
Использование высокоэффективных (КПД>40%) полноспектральных солнечных
элементов в наземной солнечной энергетике сопряжено с усложнением конструкции солнечной электростанции, что может привести к возрастанию капитальных затрат, не покрываемых увеличением энерговыработки. Предложено использовать относительный LCOE (средневзвешенная себестоимость электроэнергии, англ. – Levelised Cost of
Energy) как критерий, позволяющий оценить конкурентоспособность электростанции на
начальном этапе ее разработки. Показано, что конкурентоспособность электростанции
с полноспектральными солнечными элементами в географической точке (51 с.ш, 108 в.д.) будет обеспечена в случае, если капитальные затраты в расчете на 1 м2 апертуры модуля не более чем в 1,9 раз превышают капитальные затраты на 1 м2 сравниваемого кремниевого модуля.
Критерий оценки полноспектральных модулей для солнечной энергетики
Е. А. Ионова 1, К. А. Овчинников 2, Д. А. Малевский 1
ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург, Россия
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург, Россия
Использование высокоэффективных (КПД > 40%) полноспектральных солнечных элементов в наземной солнечной энергетике сопряжено с усложнением конструкции солнечной электростанции, что может привести к возрастанию капитальных затрат, не покрываемых увеличением энерговыработки. Предложено использовать относительный LCOE (средневзвешенная себестоимость электроэнергии, англ. – Levelised Cost of Energy) как критерий, позволяющий оценить конкурентоспособность электростанции на начальном этапе ее разработки. Показано, что конкурентоспособность электростанции с полноспектральными солнечными элементами в географической точке (51 с. ш, 108 в. д.) будет обеспечена в случае, если капитальные затраты в расчете на 1 м2 апертуры модуля не более чем в 1,9 раз превышают капитальные затраты на 1 м2 сравниваемого кремниевого модуля.
Ключевые слова: солнечная электростанция, LCOE (средневзвешенная себестоимость электроэнергии, англ. – Levelised Cost of Energy), солнечный элемент
Статья получена: 26.02.2025
Статья принята: 26.04.2025
ВВЕДЕНИЕ
Солнечная энергетика включает в себя генерирующие объекты малой мощности, которые могут рассматриваться как часть распределенной энергетики. В рамках данной концепции развития отрасли централизованная система дополняется генерацией энергии вблизи от ее потребителей. Распределенная электроэнергетика может быть связана с активно-адаптивными («умными») сетями передачи электроэнергии, позволяющими оперативно менять характеристики тока в электрической сети, снижая энергозатраты за счет перераспределения нагрузки между источниками. Активно-адаптивные сети позволят встроить в энергетику солнечные электростанции (СЭС), характеризующиеся большим разбросом как по значениям установленной мощности – от нескольких КВт до десятков МВт, так и по энерговыработке в течение суток, обеспечивая их функционирование в централизованной системе или в изолированном режиме [1–2].
В настоящее время уже существуют или находятся на заключительных этапах разработки [3–6] солнечные элементы (СЭ) с несколькими (3–6) активными p-n–переходами с совокупным спектральным интервалом фотоответа 380–1 850 нм. Они поглощают солнечный спектр в его энергетическом наполнении практически полностью, в отличие от кремниевых (СЭ), работающих в интервале спектра 350–1 100 нм, и других СЭ с еще более узким интервалом фотоответа. И хотя КПД СЭ только отчасти зависит от интервала спектрального отклика, многопереходные СЭ имеют самый большой КПД – 40% и выше, продолжаются работы по дальнейшему его увеличению. Модули на основе таких многопереходных СЭ в дальнейшем будем называть полноспектральными модулями (ПСМ), используя этот признак как определяющий.
Проблематика использования СЭС на основе ПСМ в солнечной энергетике для реализации преимуществ их высокого КПД представляет не только практический, но и научный интерес, так как ПСМ имеют значительные отличия от кремниевых и других солнечных батарей. Да и выход на рынок СЭС на основе ПСМ будет отличаться: хотя бы тем, что свое место в нем потребуется «завоевывать» за счет своих конкурентных преимуществ.
Особенность СЭС на основе ПСМ состоит в том, что они практически всегда включают в себя оптическое концентрирование солнечного излучения и слежение за положением Солнца. Специфичность проявляется и из-за самих процессов концентрирования и слежения, которые протекают одновременно с генерированием электроэнергии, и из-за наличия соответствующих конструкционных элементов (см. рисунок).
Слежение необходимо из-за концентрирования прямого солнечного излучения на поверхность многопереходных СЭ, а концентрирование необходимо из-за миниатюрности таких СЭ и из-за того, что КПД преобразования при концентрировании излучения повышается. Отметим, что СЭС на основе других СЭ практически никогда не используют концентрирование солнечного излучения, но слежение за Солнцем, чаще одноосное, может иметь место для увеличения суточной электрогенерации.
Еще одна особенность таких СЭС состоит в том, что разработка ПСМ усложнена обширной вариативностью параметров конструкции по типу и размеру его компонент: концентратора, СЭ, следящей опоры. Как следствие этой вариативности формируется научная задача по созданию специального критерия оценки ПСМ, учитывающего и свойства конструкции, и возможность внедрения СЭС на их основе в распределенную энергетику.
Относительный LCOE как критерий при разработке СЭС на основе ПСМ
В настоящее время основным критерием при разработке солнечных модулей традиционно выступает стандартизированный КПД для СЭ и для модуля (стандарт ASTM G 173-03). Нацеленность на данный критерий дает возможность проводить исследования, направленные на снижение оптических потерь при концентрировании излучения, на увеличение эффективности фотопреобразования. Если при этом дополнительным критерием выступает точность слежения за Солнцем, то при обеспечении ее приемлемого значения следящая опора с модулями наивысшего КПД воплотит собой завершение этапа прототипирования СЭС. На следующем этапе работы над проектом СЭС предполагается расчет КИУМ (коэффициент использования установленной мощности) в локации СЭС и расчет укрупненных экономических показателей в известных рыночных условиях для обоснования целесообразности проекта. Например, для сравнения энергетических технологий широко применяется показатель LCOE (средневзвешенная себестоимость электроэнергии, англ. – Levelised Cost of Energy).
Однако процесс усовершенствования модуля по критерию КПД может подразумевать выход на максимальное значение в ущерб экономическому фактору: рост стоимости компонент и технологических процессов может иметь преимущественный вклад в размер LCOE, не покрываемый увеличением энерговыработки.
Кроме того, при полноспектральном преобразовании в большей степени проявляется зависимость энерговыработки от спектрального состава солнечного излучения в годовом периоде [9]. Это отразится на значении КИУМ, но не на номинальном КПД, так как последний как критерий оценки разработки включает в себя информацию только о том, как работает модуль при спектре АМ1.5, согласно стандарту ASTM G 173-03.
Наконец, максимизация КПД СЭ и ПСМ в качестве основного критерия не решает проблему оптимальности конструкции по типу и размеру компонент, так как достижение максимального КПД станет результатом совершенствования технологии изготовления варианта конструкции, выбранного единожды на самом раннем этапе проектирования, что делает невозможным провести разработку с учетом текущей или прогнозируемой рыночной ситуации.
Указанные выше задачи, как мы полагаем, могут быть решены таким образом, что уже на начальном этапе разработки конструкции СЭС принимается во внимание ее будущая конкурентоспособность. Одним из основных критериев оптимизации может выступать LCOE (руб. / кВт · ч). Значение LCOE в абсолютном выражении зависит от рыночных условий на этапе обоснования экономического проекта и от результатов их прогнозирования, а также, не в меньшей степени, от условий инсоляции места расположения СЭС. Временной лаг от начала разработки до обоснования экономического проекта и отсутствие сведений о том, где будет расположена СЭС, делают на начальном этапе невозможным определение LCOE в абсолютном выражении.
В связи с этим предлагается оценивать LCOE СЭС на основе ПСМ в отношении к LCOE одной из востребованных на рынке СЭС, решая тем самым проблему оценки конкурентоспособности в одинаковых и известных условиях, которые имеют сходный прогностический потенциал, проявляемый в сходных атмосферных условиях, влияющих на инсоляцию.
Показатель LCOE (руб. / кВт · ч) учитывает затраты на производство электроэнергии, разнесенные на протяжение жизненного цикла СЭС, представляет собой среднюю расчетную стоимость производства единицы электроэнергии с учетом инвестиционных условий.
LCOE = Σ Σ , (1)
где затраты в год t будут следующих типов: CAPEXt – удельные капитальные, руб. / кВт; OPEXt – удельные операционные, руб. / кВт; E1 – удельная выработка электроэнергии в первый год работы электростанции кВт · ч / кВт; r – ставка дисконтирования, % в год; n – количество лет эксплуатации; d – коэффициент деградации электростанции, % в год [10]. Капитальные затраты – единоразовые: CAPEX1 = CAPEX, CAPEX2 = CAPEX3 = …= CAPEXt = 0, операционные затраты за каждый год допустимо принять одинаковыми: для t = 1 .. n OPEXt = OPEX. Тогда формула (1) принимает вид:
LCOE = · +
+ · = RCAPEX + ROPEX, (2)
где RCAPEX – капитальная составляющая себестоимости электроэнергии, а RОPEX – условно-постоянная составляющая себестоимости.
Условие конкурентоспособности любой новой конструкции СЭС и референтной:
LCOE ≤ LCOEref или RCAPEX ≤ Rref CAPEX − (ROPEX − RrefOPEX). (3)
То есть капитальная составляющая себестоимости электроэнергии разрабатываемой СЭС должна быть не больше аналогичного параметра у референтной СЭС за вычетом разности условно-постоянных составляющих себестоимости новой и референтной технологий.
Операционные расходы (OPEX) на СЭС со слежением определенно выше и ожидается, что ROPEX будет больше RrefOPEX, однако может быть и наоборот, если энерговыработка первого года эксплуатации новой технологии Е1 будет в достаточной степени превышать аналогичный параметр референтной технологии. В последнем случае условие конкурентоспособности (3) новой технологии смягчится.
Характер технологий СЭС таков, что операционные расходы много ниже капитальных, поэтому, не ограничивая общности, можно в качестве условия конкурентоспособности использовать отношение капитальных составляющих себестоимости электроэнергии новой и референтной технологий (4).
RCAPEX ≤ RrefCAPEX (4)
Условие конкурентоспособности новой технологии при равных финансовых условиях (r), коэффициентах деградации (d), расчетных сроков эксплуатации (n):
CAPEX ≤ CAPEX ref · E1Eref1 (5)
Для конкурентоспособности удельные капитальные затраты на СЭС новой технологии не должны превышать удельные капитальные затраты на референтную СЭС, умноженные на коэффициент СЕ = E1 / Eref1, отражающий прирост (СЕ > 1) или недостаток (СЕ < 1) годовой энерговыработки по новой технологии.
Удельная (на единицу установленной мощности) годовая энерговыработка E1 связана с показателем КИУМ: Е1 = КИУМ · 365 · 24 ч · 1 кВт.
Установленная мощность определяется для плотности потока солнечного излучения 1 кВт / м2. Так как рассматривается единица установленной мощности, то влияние разницы в КПД СЭ и в других технических параметрах сравниваемых СЭС проявляется в разнице общей площади апертур модулей, которая требуется для генерирования 1 кВт при поглощении излучения с плотностью мощности 1 кВт / м2. Для предварительной оценки можно допустить, что реальная электрогенерация изменяется при естественном изменении плотности мощности поступающего излучения линейно с коэффициентом пропорциональности единица. Тогда коэффициент СЕ равен отношению фактически поступающей за год солнечной энергии, P и Pref, кВт · час / м2 в расчете на единицу установленной мощности сравниваемых СЭС.
СЕ = E1 / Eref1 = КИУM / KИУМref = P / Pref, (6)
Для большей точности при определении СЕ рекомендуется оценивать удельные выработки электроэнергии в первый год работы электростанций E1 и Eref1.
Формулы (3–6) пригодны для оценки затрат на смену локации для известной СЭС. Или для определения целесообразности установки на следящие системы известных солнечных модулей, обычно установленных статично. В этом случае P – это энергия падающего солнечного излучения на СЭС с устройством слежения, попадающего на перпендикулярную лучам площадку, а Pref – энергия солнечного излучения, попадающего на статично закрепленную поверхность.
Чтобы выразить капитальные затраты (CAPEX) на 1 м2 апертуры СЭС, исходим из того, что CAPEX в расчете на 1кВт установленной мощности больше CAPEX в расчете на 1 м2 апертур во столько же раз, сколько площади апертур в м2 необходимо для выработки 1 кВт установленной мощности.
CAPEX / CAPEXm2 =
= 1 kW (уст. мощн.) / (1 kW / m2 (солнечн. изл.) × η), (7)
где CAPEXm2 – капитальные затраты на единицу площади апертур фотоэлектрических модулей, η – КПД фотоэлектрического модуля. Тогда, исходя из формул (5) и (6),
CAPEXm2 ≤ CAPEXrefm2 · P / Pref · η / ηref. (8)
Основное внимание при проектирования СЭС на основе ПСМ предлагается обратить на ее надежность, как способность сохранять требуемые свойства и выполнять предназначенные функции в течение заданного срока. В случае СЭС этот срок составляет порядка 25 лет.
Таким образом, внимание разработчиков должно быть направлено на обеспечение безотказности, ремонтопригодности и долговечности установки, неопределяемых, к сожалению, в текущем моменте времени из-за отсутствия статистических данных о параметрах надежности.
Остальные характеристики СЭС, а именно, годовая энерговыработка и капитальные затраты, включающие стоимость компонент и технологий (на текущий момент разработки), предлагается рассматривать в качестве базисных и зависимых переменных при расчете и минимизации LCOE. Рассчитанное LCOE как критерий конкурентоспособности конструкции СЭС на основе ПСМ должен удовлетворять неравенствам (1–8). Сравнение может производится с СЭС, которые вышли из стадии разработки и у которых известны точные LCOE и СAPEX, а также с СЭС, находящейся на стадии разработки, тогда эти параметры будут иметь оценочный характер. Оценочный характер также частично будет иметь СAPEX разрабатываемой СЭС на основе ПСМ, с точки зрения его будущего снижения за счет эффекта масштаба при укрупнении производства.
Пример оценки по формуле (8) показан для локации в Забайкальском крае (51 с. ш, 108 в. д.), где усредненная за несколько лет плотность прямого солнечного излучения – 1 636 КВт · час / м2 / год, а усредненная плотность солнечного излучения, падающая на статичную, наклоненную на оптимальный угол площадку, – 1 717 КВт · час / м2 / год [11]. В работе [12] представлен ПСМ с η = 36%, который ниже, чем КПД используемого в этом модуле СЭ (42,7%), из-за оптических потерь при концентрировании солнечного излучения. В качестве сравнения использован широко распространенный кремниевый модуль с КПД ηref = 18% [1]. Тогда для конкурентоспособности по фактору себестоимости допустимо, чтобы капитальные затраты в расчете на 1 м2 апертуры ПСМ были выше капитальных затрат на сравниваемый кремниевый модуль не более, чем в 1,9 раз.
Для более точной оценки относительного LCOE СЭС на основе ПСМ требуется учесть спектральный состав годового солнечного излучения, так как в регионах с высоким показателем мутности атмосферы КПД ПСМ снижается [9]. Также необходимо учесть температурное изменение КПД СЭ, в большей степени характерное для кремниевых модулей. Снижению LCOE способствует оптимизация конструкции СЭС по типам и размерам пары концентратор – СЭ и размещение СЭС в локации с высоким уровнем прямого солнечного излучения. Отметим, что в мире есть территории, где в отличие от рассмотренной локации в Забайкальском крае годовое прямое излучение выше годового излучения, падающего оптимально наклоненную статичную площадку.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Для упрощения выхода на рынок СЭС на основе ПСМ с высоким КПД было предложено уже на стадии разработки проводить оценку средневзвешенной себестоимости, с которой будет генерироваться электроэнергия на СЭС, и использовать ее отношение к средневзвешенной себестоимости конкурентных технологий СЭС как критерий при проведении НИОКР. Использование относительного LCOE в качестве критерия оценки СЭС на основе ПСМ на этапе проектирования конструкции обеспечит рациональный подход к достижению цели по разработке и внедрению ПСМ.
REFERENCES
Popel’ O. S.,Tarasenko A.B. Modern Development Trends in Photovoltaics (Review). Thermal Engineering. 2021;11(5): 5–25. DOI: 10.1134/S0040363621100039.
Попель О. С., Тарасенко А. Б. Современные тенденции развития фотоэлектрической энергетики (обзор). Теплоэнергетика. 2021;11(5): 5–25. DOI: 10.1134/S0040363621100039.
Lyubimova N. G. The definition of “distributed energy”. Vestnik universiteta. 2014; 5: 103–105. eLIBRARY ID: 21596142. ISSN 2686‑8415.
Любимова Н. Г. Определение понятия «Распределенная энергетика». Вестник университета. 2014; 5: 103–105. eLIBRARY ID: 21596142. ISSN 2686‑8415.
http://www.azurspace.com/index.php/en/products/products-cpv/cpv-solar-cells.
Green M. A., Dunlop E. D., Siefer G. et al. Solar cell efficiency tables (version 57). Progress in Photovoltaics Research and Applications. 2023;31:3–16. DOI:10.1002/pip.3646.
Schroth P., Löckenhoff R., Fuhrmann D. et al. AZUR’s new 5C46 CPV cell: Final design for optimized outdoor performance. AIP Conference Proceedings. 2022; 2550:020008. DOI:10.1063/5.0100397.
Geisz J. F., France R. M., Schulte K. L., Steiner M. A., Norman A. G., Guthrey H. L., Young M. R., Song T., Moriarty T. Six-junction III–V solar cells with 47.1% conversion efficiency under 143 Suns concentration. Nature Energy. 2020;5:326–335. DOI:10.1038/s41560‑020‑0598‑5.
Andreev V. M., Davidyuk N. Y., Malevski D. A., Pan’chak A.N., Rumyantsev V. D., Sadchikov N. A., Chekalin A. V., Luque A. New-Generation Concentrator Modules Based on Cascade Solar Cells: Design and Optical and Thermal Properties. Tech. Phys. 2014;59(11):1650–1657. DOI: 10.1134/S1063784214110024.
Андреев В. М., Давидюк Н. Ю., Малевский Д. А., Паньчак А. Н., Румянцев В. Д., Садчиков Н. А., Чекалин А. В. Концентраторные модули нового поколения на основе каскадных солнечных элементов: конструкция, оптические и температурные свойства, ЖТФ. 2014;84(11):72–79.
RU Patent 2476957. Solar photo energy apparatus/ Andreev V. M., Rumyantsev V. D., Pokrovsky P. V., Malevsky D. A., Kognovitsky S. O., Gushchina A. A.
RU Патент № 2476957. Солнечная фотоэнергоустановка / Андреев В. М., Румянцев В. Д., Покровский П. В., Малевский Д. А., Когновицкий С. О., Гущина А. А.
Ionova E. Power generation of multi-junction solar cells, taking into account the latitudinal variability of the spectral composition of radiation. Photonics Russia. 2023;17(7): 516–524. DOI:10.22184/1993‑7296.FRos.2023.17.7.516.524.
Ионова Е. А. Энерговыработка многопереходных солнечных элементов с учетом широтной изменчивости спектрального состава излучения. Фотоника. 2023;17(7): 516–524. DOI:10.22184/1993‑7296.FRos.2023.17.7.516.524.
Barinova V. A., Demidova K. V. Economic Feasibility of Solar Energy in Russia. Russian Economic Development. 2023; 30(10):18–31.
Баринова В. А., Демидова К. В. Экономическая целесообразность развития солнечной энергетики в России. Экономическое развитие России. 2023; 30(10):18–31.
Photovoltaic geographical information system. URL: https://re.jrc.ec.europa.eu/pvg_tools/en/#api_5.3.
Steiner M., Bösch А., Dilger А., Dimroth F., et al., Steiner M. et al. FLATCON® CPV module with 36.7% efficiency equipped with four junction solar cells. Progress in Photovoltaics Research and Applications. 2015; 23(10): 1323–1329. DOI: 10.1002/pip.2568.
АВТОРЫ
Ионова Евгения Александровна, науч. сотр. ФТИ им. А. Ф. Иоффе, лаб. фотоэлектрических преобразователей, e-mail: ionova@mail.ioffe.ru; Санкт-Петербург, Россия. Область интересов: концентраторная фотовольтаика
ORCID: 0000-0003-2886-6706
Овчинников Кирилл Андреевич, магистрант, СПбПУ, e-mail: owe4kink@yandex.ru; Санкт-Петербург, Россия. Область интересов: экономика инноваций в энергетике.
ORCID 0009-0006-5774-0925
Малевский Дмитрий Андреевич, науч. сотр. ФТИ им. А. Ф. Иоффе, лаб. фотовольтаики, e-mail: dmalevsky@scell.ioffe.ru; Санкт-Петербург, Россия. Область интересов: концентраторные энергоустановки.
ORCID: 0000-0002-9337-4137
АВТОРСКИЙ ВКЛАД
Ионова Е. А.: концепция статьи, построенная на путях решения трех проблем: внедрение новой разработки в сфере энергетики, оценка ее энергетических параметров, оценка экономического проекта; Овчинников К. А.: оценка экономических характеристик инновационного проекта в сфере энергетики; Малевский Д. А.: разработка солнечной энергетической системы с полноспектральными солнечными элементами.
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Е. А. Ионова 1, К. А. Овчинников 2, Д. А. Малевский 1
ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург, Россия
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург, Россия
Использование высокоэффективных (КПД > 40%) полноспектральных солнечных элементов в наземной солнечной энергетике сопряжено с усложнением конструкции солнечной электростанции, что может привести к возрастанию капитальных затрат, не покрываемых увеличением энерговыработки. Предложено использовать относительный LCOE (средневзвешенная себестоимость электроэнергии, англ. – Levelised Cost of Energy) как критерий, позволяющий оценить конкурентоспособность электростанции на начальном этапе ее разработки. Показано, что конкурентоспособность электростанции с полноспектральными солнечными элементами в географической точке (51 с. ш, 108 в. д.) будет обеспечена в случае, если капитальные затраты в расчете на 1 м2 апертуры модуля не более чем в 1,9 раз превышают капитальные затраты на 1 м2 сравниваемого кремниевого модуля.
Ключевые слова: солнечная электростанция, LCOE (средневзвешенная себестоимость электроэнергии, англ. – Levelised Cost of Energy), солнечный элемент
Статья получена: 26.02.2025
Статья принята: 26.04.2025
ВВЕДЕНИЕ
Солнечная энергетика включает в себя генерирующие объекты малой мощности, которые могут рассматриваться как часть распределенной энергетики. В рамках данной концепции развития отрасли централизованная система дополняется генерацией энергии вблизи от ее потребителей. Распределенная электроэнергетика может быть связана с активно-адаптивными («умными») сетями передачи электроэнергии, позволяющими оперативно менять характеристики тока в электрической сети, снижая энергозатраты за счет перераспределения нагрузки между источниками. Активно-адаптивные сети позволят встроить в энергетику солнечные электростанции (СЭС), характеризующиеся большим разбросом как по значениям установленной мощности – от нескольких КВт до десятков МВт, так и по энерговыработке в течение суток, обеспечивая их функционирование в централизованной системе или в изолированном режиме [1–2].
В настоящее время уже существуют или находятся на заключительных этапах разработки [3–6] солнечные элементы (СЭ) с несколькими (3–6) активными p-n–переходами с совокупным спектральным интервалом фотоответа 380–1 850 нм. Они поглощают солнечный спектр в его энергетическом наполнении практически полностью, в отличие от кремниевых (СЭ), работающих в интервале спектра 350–1 100 нм, и других СЭ с еще более узким интервалом фотоответа. И хотя КПД СЭ только отчасти зависит от интервала спектрального отклика, многопереходные СЭ имеют самый большой КПД – 40% и выше, продолжаются работы по дальнейшему его увеличению. Модули на основе таких многопереходных СЭ в дальнейшем будем называть полноспектральными модулями (ПСМ), используя этот признак как определяющий.
Проблематика использования СЭС на основе ПСМ в солнечной энергетике для реализации преимуществ их высокого КПД представляет не только практический, но и научный интерес, так как ПСМ имеют значительные отличия от кремниевых и других солнечных батарей. Да и выход на рынок СЭС на основе ПСМ будет отличаться: хотя бы тем, что свое место в нем потребуется «завоевывать» за счет своих конкурентных преимуществ.
Особенность СЭС на основе ПСМ состоит в том, что они практически всегда включают в себя оптическое концентрирование солнечного излучения и слежение за положением Солнца. Специфичность проявляется и из-за самих процессов концентрирования и слежения, которые протекают одновременно с генерированием электроэнергии, и из-за наличия соответствующих конструкционных элементов (см. рисунок).
Слежение необходимо из-за концентрирования прямого солнечного излучения на поверхность многопереходных СЭ, а концентрирование необходимо из-за миниатюрности таких СЭ и из-за того, что КПД преобразования при концентрировании излучения повышается. Отметим, что СЭС на основе других СЭ практически никогда не используют концентрирование солнечного излучения, но слежение за Солнцем, чаще одноосное, может иметь место для увеличения суточной электрогенерации.
Еще одна особенность таких СЭС состоит в том, что разработка ПСМ усложнена обширной вариативностью параметров конструкции по типу и размеру его компонент: концентратора, СЭ, следящей опоры. Как следствие этой вариативности формируется научная задача по созданию специального критерия оценки ПСМ, учитывающего и свойства конструкции, и возможность внедрения СЭС на их основе в распределенную энергетику.
Относительный LCOE как критерий при разработке СЭС на основе ПСМ
В настоящее время основным критерием при разработке солнечных модулей традиционно выступает стандартизированный КПД для СЭ и для модуля (стандарт ASTM G 173-03). Нацеленность на данный критерий дает возможность проводить исследования, направленные на снижение оптических потерь при концентрировании излучения, на увеличение эффективности фотопреобразования. Если при этом дополнительным критерием выступает точность слежения за Солнцем, то при обеспечении ее приемлемого значения следящая опора с модулями наивысшего КПД воплотит собой завершение этапа прототипирования СЭС. На следующем этапе работы над проектом СЭС предполагается расчет КИУМ (коэффициент использования установленной мощности) в локации СЭС и расчет укрупненных экономических показателей в известных рыночных условиях для обоснования целесообразности проекта. Например, для сравнения энергетических технологий широко применяется показатель LCOE (средневзвешенная себестоимость электроэнергии, англ. – Levelised Cost of Energy).
Однако процесс усовершенствования модуля по критерию КПД может подразумевать выход на максимальное значение в ущерб экономическому фактору: рост стоимости компонент и технологических процессов может иметь преимущественный вклад в размер LCOE, не покрываемый увеличением энерговыработки.
Кроме того, при полноспектральном преобразовании в большей степени проявляется зависимость энерговыработки от спектрального состава солнечного излучения в годовом периоде [9]. Это отразится на значении КИУМ, но не на номинальном КПД, так как последний как критерий оценки разработки включает в себя информацию только о том, как работает модуль при спектре АМ1.5, согласно стандарту ASTM G 173-03.
Наконец, максимизация КПД СЭ и ПСМ в качестве основного критерия не решает проблему оптимальности конструкции по типу и размеру компонент, так как достижение максимального КПД станет результатом совершенствования технологии изготовления варианта конструкции, выбранного единожды на самом раннем этапе проектирования, что делает невозможным провести разработку с учетом текущей или прогнозируемой рыночной ситуации.
Указанные выше задачи, как мы полагаем, могут быть решены таким образом, что уже на начальном этапе разработки конструкции СЭС принимается во внимание ее будущая конкурентоспособность. Одним из основных критериев оптимизации может выступать LCOE (руб. / кВт · ч). Значение LCOE в абсолютном выражении зависит от рыночных условий на этапе обоснования экономического проекта и от результатов их прогнозирования, а также, не в меньшей степени, от условий инсоляции места расположения СЭС. Временной лаг от начала разработки до обоснования экономического проекта и отсутствие сведений о том, где будет расположена СЭС, делают на начальном этапе невозможным определение LCOE в абсолютном выражении.
В связи с этим предлагается оценивать LCOE СЭС на основе ПСМ в отношении к LCOE одной из востребованных на рынке СЭС, решая тем самым проблему оценки конкурентоспособности в одинаковых и известных условиях, которые имеют сходный прогностический потенциал, проявляемый в сходных атмосферных условиях, влияющих на инсоляцию.
Показатель LCOE (руб. / кВт · ч) учитывает затраты на производство электроэнергии, разнесенные на протяжение жизненного цикла СЭС, представляет собой среднюю расчетную стоимость производства единицы электроэнергии с учетом инвестиционных условий.
LCOE = Σ Σ , (1)
где затраты в год t будут следующих типов: CAPEXt – удельные капитальные, руб. / кВт; OPEXt – удельные операционные, руб. / кВт; E1 – удельная выработка электроэнергии в первый год работы электростанции кВт · ч / кВт; r – ставка дисконтирования, % в год; n – количество лет эксплуатации; d – коэффициент деградации электростанции, % в год [10]. Капитальные затраты – единоразовые: CAPEX1 = CAPEX, CAPEX2 = CAPEX3 = …= CAPEXt = 0, операционные затраты за каждый год допустимо принять одинаковыми: для t = 1 .. n OPEXt = OPEX. Тогда формула (1) принимает вид:
LCOE = · +
+ · = RCAPEX + ROPEX, (2)
где RCAPEX – капитальная составляющая себестоимости электроэнергии, а RОPEX – условно-постоянная составляющая себестоимости.
Условие конкурентоспособности любой новой конструкции СЭС и референтной:
LCOE ≤ LCOEref или RCAPEX ≤ Rref CAPEX − (ROPEX − RrefOPEX). (3)
То есть капитальная составляющая себестоимости электроэнергии разрабатываемой СЭС должна быть не больше аналогичного параметра у референтной СЭС за вычетом разности условно-постоянных составляющих себестоимости новой и референтной технологий.
Операционные расходы (OPEX) на СЭС со слежением определенно выше и ожидается, что ROPEX будет больше RrefOPEX, однако может быть и наоборот, если энерговыработка первого года эксплуатации новой технологии Е1 будет в достаточной степени превышать аналогичный параметр референтной технологии. В последнем случае условие конкурентоспособности (3) новой технологии смягчится.
Характер технологий СЭС таков, что операционные расходы много ниже капитальных, поэтому, не ограничивая общности, можно в качестве условия конкурентоспособности использовать отношение капитальных составляющих себестоимости электроэнергии новой и референтной технологий (4).
RCAPEX ≤ RrefCAPEX (4)
Условие конкурентоспособности новой технологии при равных финансовых условиях (r), коэффициентах деградации (d), расчетных сроков эксплуатации (n):
CAPEX ≤ CAPEX ref · E1Eref1 (5)
Для конкурентоспособности удельные капитальные затраты на СЭС новой технологии не должны превышать удельные капитальные затраты на референтную СЭС, умноженные на коэффициент СЕ = E1 / Eref1, отражающий прирост (СЕ > 1) или недостаток (СЕ < 1) годовой энерговыработки по новой технологии.
Удельная (на единицу установленной мощности) годовая энерговыработка E1 связана с показателем КИУМ: Е1 = КИУМ · 365 · 24 ч · 1 кВт.
Установленная мощность определяется для плотности потока солнечного излучения 1 кВт / м2. Так как рассматривается единица установленной мощности, то влияние разницы в КПД СЭ и в других технических параметрах сравниваемых СЭС проявляется в разнице общей площади апертур модулей, которая требуется для генерирования 1 кВт при поглощении излучения с плотностью мощности 1 кВт / м2. Для предварительной оценки можно допустить, что реальная электрогенерация изменяется при естественном изменении плотности мощности поступающего излучения линейно с коэффициентом пропорциональности единица. Тогда коэффициент СЕ равен отношению фактически поступающей за год солнечной энергии, P и Pref, кВт · час / м2 в расчете на единицу установленной мощности сравниваемых СЭС.
СЕ = E1 / Eref1 = КИУM / KИУМref = P / Pref, (6)
Для большей точности при определении СЕ рекомендуется оценивать удельные выработки электроэнергии в первый год работы электростанций E1 и Eref1.
Формулы (3–6) пригодны для оценки затрат на смену локации для известной СЭС. Или для определения целесообразности установки на следящие системы известных солнечных модулей, обычно установленных статично. В этом случае P – это энергия падающего солнечного излучения на СЭС с устройством слежения, попадающего на перпендикулярную лучам площадку, а Pref – энергия солнечного излучения, попадающего на статично закрепленную поверхность.
Чтобы выразить капитальные затраты (CAPEX) на 1 м2 апертуры СЭС, исходим из того, что CAPEX в расчете на 1кВт установленной мощности больше CAPEX в расчете на 1 м2 апертур во столько же раз, сколько площади апертур в м2 необходимо для выработки 1 кВт установленной мощности.
CAPEX / CAPEXm2 =
= 1 kW (уст. мощн.) / (1 kW / m2 (солнечн. изл.) × η), (7)
где CAPEXm2 – капитальные затраты на единицу площади апертур фотоэлектрических модулей, η – КПД фотоэлектрического модуля. Тогда, исходя из формул (5) и (6),
CAPEXm2 ≤ CAPEXrefm2 · P / Pref · η / ηref. (8)
Основное внимание при проектирования СЭС на основе ПСМ предлагается обратить на ее надежность, как способность сохранять требуемые свойства и выполнять предназначенные функции в течение заданного срока. В случае СЭС этот срок составляет порядка 25 лет.
Таким образом, внимание разработчиков должно быть направлено на обеспечение безотказности, ремонтопригодности и долговечности установки, неопределяемых, к сожалению, в текущем моменте времени из-за отсутствия статистических данных о параметрах надежности.
Остальные характеристики СЭС, а именно, годовая энерговыработка и капитальные затраты, включающие стоимость компонент и технологий (на текущий момент разработки), предлагается рассматривать в качестве базисных и зависимых переменных при расчете и минимизации LCOE. Рассчитанное LCOE как критерий конкурентоспособности конструкции СЭС на основе ПСМ должен удовлетворять неравенствам (1–8). Сравнение может производится с СЭС, которые вышли из стадии разработки и у которых известны точные LCOE и СAPEX, а также с СЭС, находящейся на стадии разработки, тогда эти параметры будут иметь оценочный характер. Оценочный характер также частично будет иметь СAPEX разрабатываемой СЭС на основе ПСМ, с точки зрения его будущего снижения за счет эффекта масштаба при укрупнении производства.
Пример оценки по формуле (8) показан для локации в Забайкальском крае (51 с. ш, 108 в. д.), где усредненная за несколько лет плотность прямого солнечного излучения – 1 636 КВт · час / м2 / год, а усредненная плотность солнечного излучения, падающая на статичную, наклоненную на оптимальный угол площадку, – 1 717 КВт · час / м2 / год [11]. В работе [12] представлен ПСМ с η = 36%, который ниже, чем КПД используемого в этом модуле СЭ (42,7%), из-за оптических потерь при концентрировании солнечного излучения. В качестве сравнения использован широко распространенный кремниевый модуль с КПД ηref = 18% [1]. Тогда для конкурентоспособности по фактору себестоимости допустимо, чтобы капитальные затраты в расчете на 1 м2 апертуры ПСМ были выше капитальных затрат на сравниваемый кремниевый модуль не более, чем в 1,9 раз.
Для более точной оценки относительного LCOE СЭС на основе ПСМ требуется учесть спектральный состав годового солнечного излучения, так как в регионах с высоким показателем мутности атмосферы КПД ПСМ снижается [9]. Также необходимо учесть температурное изменение КПД СЭ, в большей степени характерное для кремниевых модулей. Снижению LCOE способствует оптимизация конструкции СЭС по типам и размерам пары концентратор – СЭ и размещение СЭС в локации с высоким уровнем прямого солнечного излучения. Отметим, что в мире есть территории, где в отличие от рассмотренной локации в Забайкальском крае годовое прямое излучение выше годового излучения, падающего оптимально наклоненную статичную площадку.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Для упрощения выхода на рынок СЭС на основе ПСМ с высоким КПД было предложено уже на стадии разработки проводить оценку средневзвешенной себестоимости, с которой будет генерироваться электроэнергия на СЭС, и использовать ее отношение к средневзвешенной себестоимости конкурентных технологий СЭС как критерий при проведении НИОКР. Использование относительного LCOE в качестве критерия оценки СЭС на основе ПСМ на этапе проектирования конструкции обеспечит рациональный подход к достижению цели по разработке и внедрению ПСМ.
REFERENCES
Popel’ O. S.,Tarasenko A.B. Modern Development Trends in Photovoltaics (Review). Thermal Engineering. 2021;11(5): 5–25. DOI: 10.1134/S0040363621100039.
Попель О. С., Тарасенко А. Б. Современные тенденции развития фотоэлектрической энергетики (обзор). Теплоэнергетика. 2021;11(5): 5–25. DOI: 10.1134/S0040363621100039.
Lyubimova N. G. The definition of “distributed energy”. Vestnik universiteta. 2014; 5: 103–105. eLIBRARY ID: 21596142. ISSN 2686‑8415.
Любимова Н. Г. Определение понятия «Распределенная энергетика». Вестник университета. 2014; 5: 103–105. eLIBRARY ID: 21596142. ISSN 2686‑8415.
http://www.azurspace.com/index.php/en/products/products-cpv/cpv-solar-cells.
Green M. A., Dunlop E. D., Siefer G. et al. Solar cell efficiency tables (version 57). Progress in Photovoltaics Research and Applications. 2023;31:3–16. DOI:10.1002/pip.3646.
Schroth P., Löckenhoff R., Fuhrmann D. et al. AZUR’s new 5C46 CPV cell: Final design for optimized outdoor performance. AIP Conference Proceedings. 2022; 2550:020008. DOI:10.1063/5.0100397.
Geisz J. F., France R. M., Schulte K. L., Steiner M. A., Norman A. G., Guthrey H. L., Young M. R., Song T., Moriarty T. Six-junction III–V solar cells with 47.1% conversion efficiency under 143 Suns concentration. Nature Energy. 2020;5:326–335. DOI:10.1038/s41560‑020‑0598‑5.
Andreev V. M., Davidyuk N. Y., Malevski D. A., Pan’chak A.N., Rumyantsev V. D., Sadchikov N. A., Chekalin A. V., Luque A. New-Generation Concentrator Modules Based on Cascade Solar Cells: Design and Optical and Thermal Properties. Tech. Phys. 2014;59(11):1650–1657. DOI: 10.1134/S1063784214110024.
Андреев В. М., Давидюк Н. Ю., Малевский Д. А., Паньчак А. Н., Румянцев В. Д., Садчиков Н. А., Чекалин А. В. Концентраторные модули нового поколения на основе каскадных солнечных элементов: конструкция, оптические и температурные свойства, ЖТФ. 2014;84(11):72–79.
RU Patent 2476957. Solar photo energy apparatus/ Andreev V. M., Rumyantsev V. D., Pokrovsky P. V., Malevsky D. A., Kognovitsky S. O., Gushchina A. A.
RU Патент № 2476957. Солнечная фотоэнергоустановка / Андреев В. М., Румянцев В. Д., Покровский П. В., Малевский Д. А., Когновицкий С. О., Гущина А. А.
Ionova E. Power generation of multi-junction solar cells, taking into account the latitudinal variability of the spectral composition of radiation. Photonics Russia. 2023;17(7): 516–524. DOI:10.22184/1993‑7296.FRos.2023.17.7.516.524.
Ионова Е. А. Энерговыработка многопереходных солнечных элементов с учетом широтной изменчивости спектрального состава излучения. Фотоника. 2023;17(7): 516–524. DOI:10.22184/1993‑7296.FRos.2023.17.7.516.524.
Barinova V. A., Demidova K. V. Economic Feasibility of Solar Energy in Russia. Russian Economic Development. 2023; 30(10):18–31.
Баринова В. А., Демидова К. В. Экономическая целесообразность развития солнечной энергетики в России. Экономическое развитие России. 2023; 30(10):18–31.
Photovoltaic geographical information system. URL: https://re.jrc.ec.europa.eu/pvg_tools/en/#api_5.3.
Steiner M., Bösch А., Dilger А., Dimroth F., et al., Steiner M. et al. FLATCON® CPV module with 36.7% efficiency equipped with four junction solar cells. Progress in Photovoltaics Research and Applications. 2015; 23(10): 1323–1329. DOI: 10.1002/pip.2568.
АВТОРЫ
Ионова Евгения Александровна, науч. сотр. ФТИ им. А. Ф. Иоффе, лаб. фотоэлектрических преобразователей, e-mail: ionova@mail.ioffe.ru; Санкт-Петербург, Россия. Область интересов: концентраторная фотовольтаика
ORCID: 0000-0003-2886-6706
Овчинников Кирилл Андреевич, магистрант, СПбПУ, e-mail: owe4kink@yandex.ru; Санкт-Петербург, Россия. Область интересов: экономика инноваций в энергетике.
ORCID 0009-0006-5774-0925
Малевский Дмитрий Андреевич, науч. сотр. ФТИ им. А. Ф. Иоффе, лаб. фотовольтаики, e-mail: dmalevsky@scell.ioffe.ru; Санкт-Петербург, Россия. Область интересов: концентраторные энергоустановки.
ORCID: 0000-0002-9337-4137
АВТОРСКИЙ ВКЛАД
Ионова Е. А.: концепция статьи, построенная на путях решения трех проблем: внедрение новой разработки в сфере энергетики, оценка ее энергетических параметров, оценка экономического проекта; Овчинников К. А.: оценка экономических характеристик инновационного проекта в сфере энергетики; Малевский Д. А.: разработка солнечной энергетической системы с полноспектральными солнечными элементами.
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Отзывы читателей
