Цель этой темы – давать всем заинтересованным доступную информацию о ВИЭ ( возобновляемые источники энергии), показать преимущества и новые подходы по энергообеспечению на возобновляемых и альтернативных источниках энергии, помочь в выборе и создании на своей крыше (своем поле) солнечной электростанции.
Я хочу, чтобы каждый заинтересованный благодаря это теме подходил к выбору какой-либо конкретной системы на ВИЭ не только как к дани моде или под влиянием рекламы и пропаганды в СМИ, а осознанно, технически и экономически выверено.И так начнем......
осматриваясь вокруг мы видим двойственную картину:
1. с одной стороны - огромный интерес - караванеров - в первую очередь, а так же собственников отдельных жилых домов, коттеджей, предпринимателей-владельцев небольших объектов – мини-гостиниц, кафе, заправок, а также главных инженеров, энергетиков промышленных предприятий, - к солнечным батареям, солнечным коллекторам и другим альтернативным источникам энергии.
2. с другой стороны - неготовность людей решиться к внедрению их у себя в своем хозяйстве.
Но оценивая ситуацию объективно, стало понятно - дело даже не в дороговизне ВИЭ, это заложено в природе человека - осторожно подходить ко всему новому, непривычному, необычному.
Итак начнём с самого начала....
Сегодня мы поговорим о том, откуда берется кремний для солнечных батарей, как производятся фотоэлектрические преобразователи (ФЭПы).
Прежде всего – что такое
кремний?
Кремний — элемент главной подгруппы четвертой группы третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 14 и атомной массой 28,09. Обозначается символом Si (лат. Silicium).
В аморфной форме — коричневый порошок, в кристаллической — тёмно-серый, слегка блестящий
Содержание кремния в земной коре составляет по разным данным 27,6—29,5 % по массе. Таким образом, по распространённости в земной коре кремний занимает второе место после кислорода. Концентрация в морской воде 3 мг/л.
Основные физические свойства:
- плотность при 20 °С - 2,33 г/см3;
- температура плавления 1440 °С;
- температура кипения 2630°С.
По химическим свойствам кремний—металлоид;
по электрическим свойствам он относится к полупроводникам, но при 1000 °С становится хорошим проводником тока.
Практически весь кремний в природе находится в виде химических соединений.
Чаще всего кремний встречается в виде кремнезёма – соединений на основе диоксида кремния SiO2.
Вторую по распространённости в природе группу соединений кремния составляют силикаты и алюмосиликаты.
Самородный кремний диагностирован лишь в двух пунктах земного шара в очень малых количествах (Новгородова М.И. Самородные металлы в гидротермальных рудах / М.И. Новгородова. – М.: Наука, 1983).
Таим образом, несмотря на то, что кремний является вторым элементом в земной коре, в чистом виде его нет для промышленного использования.
Производство и доведение до нужной кондиции для применения в фотовольтаике является технологически сложным и энергоемким процессом.
Поэтому одним из сдерживающих факторов еще более быстрого развития солнечной электроэнергетики, является дороговизна исходного материала – солнечного кремния.
Процесс изготовления солнечного кремния и создание пластин – исходного материала для ФЭПов, - проходит как бы 4 этапа производства:
1. Горно-добывающее производство.
2. Металлургическое.
3. Химическое.
4. Электронное.
1. Этап. Подготовка исходного сырьяИсходным сырьем для производства солнечного кремния является кремнезём, или диоксид кремния SiO2 (около 12 % массы земной коры в свободной форме и более 60% в составе других минералов в виде смесей и силикатов). Температура плавления кремнезема 1713 °С, плотность 2,65 г/см3.
Известно более двухсот разновидностей природного кремнезема: песок, кварц , кварцит , горный хрусталь, опал и многие другие. Для выплавки кремния и его сплавов используют наиболее дешевые и в то же время богатые кремнеземом материалы: кварцит, кварц и кварцевый песок.
Главным минералом кварцитов и большей части песчаников является кварц — широко распространенный минерал, представляющий собой более или менее чистый кремнезем SiO2.
Кристалл кварца.
Основные виды горных пород, которые используются для производства кремния, это кварцит и кварцевый песок. Более широко используется кварцит.
Горная порода кварцит.
Перед выплавкой кремния кварциты дробят, и часть примесей удаляется с мелочью. Дробление совмещается с промывкой для удаления глинистых намазок, пылевидных наносов и кальцийсодержащих корок.
Кварц или кварцит для плавки на технический кремний поступают в виде кусков размером 20—80 мм, которые должны обладать определенной механической прочностью. Механическая прочность зависит от содержания примесей в сырье.
Требование к кварцитам для изготовления кремния по содержанию SiO2 - не менее 97%.
Технический кремний получают восстановлением SiO2 углеродом в электродуговых печах.
Поэтому несколько слов об углеродных восстановителях.
Углеродистые материалы, применяемые в качестве восстановителя при выплавке кремния, должны обладать высокой реакционной способностью, достаточной механической прочностью, высоким электросопротивлением, содержать минимальное количество золы и быть дешевыми. Опыт промышленного производства кристаллического кремния показывает, что этими качествами обладают:
древесный уголь,
нефтяной кокс,
некоторые сорта малозольного каменного угля и
древесная щепа.
Однако нужно отметить, что полностью всем предъявляемым требованиям к восстановителю не удовлетворяет ни один из названных материалов. Только использование их в различных комбинациях позволяет создать наиболее благоприятные условия для протекания процесса восстановления кремния.
Древесный уголь измельчают до 80 мм, частицы менее 5 мм отсеивают.
Нефтяной кокс, имеющий относительно высокую электропроводность, измельчают до кусков не более 15 мм. Кокс крупностью менее 2 мм отсеивают.
Процесс получения кремния методом углеродного восстановления кремнезема в электродуговых печах является на данном этапе самым распространенным промышленным способом. Технологию выплавки кремния и получения металлургического (другое название – технического) кремния рассмотрим дальше.
Возможно написанное будет кому то не интересно, но что бы правильно оценивать ситуацию и производить расчёты хотелось бы написать о том, чтобы мы с Вами могли «говорить на одном языке».
Что имеется ввиду?
Дело в том, что неважно, чем Вы занимаетесь и почему интересуетесь солнечными батареями –
Может Вы просто хотите поставить у себя дома (на даче) солнечную мини-электростанцию,
может быть Вам нравится быть «кулибиным» и хотите сами собрать ее,
Может Вы в руководстве какого-либо предприятия и у вас животрепещущая проблема энергосбережения, и вы поняли, что в ваших условиях наилучшим способом решения этой проблемы является использование для этого энергии солнца,
А может, работаете в администрации муниципалитета, или региона и отвечаете за вопросы внедрения инновационных технологий и энергосбережения, и у вас стоит вопрос – какую новую электростанцию построить в районе (регионе) – солнечную, ветряную, биогазовую или может быть малую ГЭС?
Или Вы работаете в инвестиционном отделе крупного банка и Вам объявили, что банк выделяет средств на создание крупной СЭС и поставлена задача разработать проект строительства крупной сетевой СЭС мегаваттного класса,
Или может Вы пока еще студент и ищите материалы для реферата или курсовой по дисциплине «Возобновляемые источники энергии», -
Неважно чем Вы занимаетесь, но раз уж Вы интересуетесь этой темой, то в любом случае, чтобы понимать физическую суть вещей, говорить в дальнейшем с поставщиками, проектировщиками, монтажниками на одном языке, нужно четко разбираться в основных физических величинах и размерностях, которыми описываются СЭС.
Зачем это надо ?Я бы хотел, чтобы Вы НЕ попадали в неловкое положение из-за этих вещей. Например, часто приходится слышать или читать про «фотогальванические модули». И более того, иногда даже на конференциях некоторые путают киловатты с киловатт-часами.
Я не предлагаю изучать или вспоминать все физические величины и их размерности.
Здесь все просто – я вам напомню из курса школьной физики всего лишь два понятия – что такое энергия и мощность и дам некоторые коэффициенты перевода. Это наиболее важные понятия, величины, чтобы оценивать характеристики любой СЭС.
Итак, начнем с энергии.
Для простоты начнем с механической энергии.
Как Вы помните –
Энергия(обозначим
Е) – это мера способности тела совершить работу,
а
работа (
А) - мера воздействия на тело, вызывающего перемещение под действием силы:
A = F • s,Т.е. сила, умноженная на расстояние.
Измеряется в джоулях (
Дж = Н • м).
Работа равна энергии, следовательно
E = A= F • s,
Также измеряется в джоулях (
Дж = Н • м).
Теперь вспомним про мощность.
Мощность - мера скорости совершения работы, а также мера скорости расхода или поступления энергии:
W = A / t = ΔE / t. Т.е. по-простому – энергия, деленная на время.
Измеряется в ваттах
Вт = Дж / с. Таким образом, даже если ваша деятельность далека от использования этих величин, и Вы уже забыли школьный курс физики, просто запомните две простые формулы:
1.
Энергия = работа = сила умножить на расстояние = F • s,Измеряется в Джоулях.
2.
Мощность = энергия, деленная на время= F • s / t,Измеряется в ваттах, Вт.
Помня это, легче будет с электрическими величинами разобраться.
Работа электрического тока на участке цепи (а также потраченная электроэнергия) определяется силой тока
I и напряжением
U на этом участке, а также временем их действия
t:
A = U • I • t.Соответственно, мощность
электрического тока (а мы помним, что
мощность – это энергия, деленная на время):
W= U • I.
Мощность измеряется также в ваттах (
Вт), но на практике чаще в киловаттах –
кВт.
А количество энергии (потраченной или выработанной), которое измеряется, как мы помним в джоулях, в электротехнике принято измерять в киловатт-часах, т.е. - т.к. мощность это энергия, деленная на время, а здесь как бы мы снова возвращаемся к энергии, - умножая мощность на время.
Обратите внимание – количество электроэнергии измеряется в кВт•час (
кВт•ч).
Здесь иногда возникает путаница – многие думают, иногда даже пишут – в кВт/час.
Вы можете "для прикола" набрать в поисковиках в интернете «кВт/час» и посмотреть, сколько такой путаницы гуляет по разным СМИ, сайтам и т.д.
Приведем упрощенный пример. Если один солнечный модуль мощностью 200 Вт за солнечный день в течение 5 часов вырабатывает 1 кВт•ч электроэнергии, то если включить утюг мощностью 1 кВт или 10 лампочек накаливания по 100 Вт, то они за 1 час израсходуют эту энергию.
Теперь посмотрим на соотношения размерностей.
1 кВт·ч равен энергии, потребляемой устройством мощностью 1 киловатт в течение одного часа. Отсюда
1 кВт·ч = 1000 Вт · 3600 с = 3,6 МДж.
Также Вам будет еще встречаться измерение энергии в калориях:
1 Дж = 0,24 Кал
1 кДж = 0,278 Вт·ч (1 МДж = 0,278 кВт·ч)
1 Кал = 4,19 Дж
1 ккал = 4,19 кДж = 1,163 Вт·ч;
1 л.с. ·ч = 2,65 МДж.
Соответственно, соотношение размерностей мощности:
1 Вт = 1 Дж/с
1 кКал/ч = 1,163 Вт
1 Гкал/час = 1,163 мВт
1 л.с. = 0,74 кВт или 1кВт =1.36 л.с.
Таким образом, теперь Вам будет легче разбираться в этих основных величинах – энергии и мощности, а также легко подбирать основные характеристики для Ваших СЭС.
И, как небольшое задание для закрепления:
Посмотрите по записям платежей за электроэнергию в Вашей квартире или дому - какое количество электроэнергии в кВт·ч у вас расходуется в среднем за месяц?
Затем разделите на 30 дней, а потом на 24 часа – и Вы получите усредненную суммарную мощность ваших потребителей в квартире (доме), если бы они работали круглосуточно.
И отдельно посчитайте суммарную мощность всех Ваших потребителей, если бы разом все включить - какая мощность потребовалась бы?
... дальше мы вернёмся к производству кремния и солнечных панелей......
[size=85]
Добавлено спустя 21 минуту 37 секунд:[/size]
и так мы продолжаем начатую выше тему о производстве кремния и солнечных модулей.
Как вы помните, мы условно разделили процесс производства солнечного кремния и создание кремниевых пластин, - исходного материала для ФЭПов, - на 4 этапа производства:
Горно-добывающее производство.
Металлургическое.
Химическое.
Электронное.
В прошлом выпуске было подробно рассказано о первом этапе – технологиях добычи и производства сырья для последующего этапа, а именно: о добыче кварцевого сырья и доведения его до нужных кондиций для использования при производстве технического кремния.
Сегодня более подробно остановимся на втором этапе – производстве технического кремния. Иногда его называют металлургическим кремнием.
Технический кремний по действующему ныне в России, Украине, возможно в Казахстане ГОСТу 2169 – 69 имеет чистоту 96-99% содержания кремния.
Технологический процесс основан на реализации химической реакции
восстановления кремнезема углеродом:
Si02 + 2C = Si + 2CO.
(Помните из курса школьной химии: есть реакции окисления – получаются оксиды, а при восстановлении – кислород забирается).
Как это реализуется?
Сырье – гранулированный кварцит с восстановителем (это может быть древесный уголь, нефтяной кокс, некоторые сорта малозольного каменного угля или древесная щепа), - подают в электродуговые печи.
Энергия подается с помощью графитовых электродов.
Бывают однофазные печи мощностью 5 - 6 кВА, они имеют производительность 430-450 кг/ч. Удельный расход электроэнергии при этом составляет 11,7-12,4 тыс. кВт∙ч/т.
Применяются также и трехфазные дуговые печи мощностью от 9 до 25 тыс. кВА. Наиболее мощные дуговые печи 25 МВА производительностью 22000 т/год установлены на заводе фирмы Electrosilex в Бразилии. Годовая производительность трехфазных печей:
мощностью 15 МВт — 9 000 т кремния;
мощностью 25 МВт — 22 000 т.
Реакция идет при температуре около 1800 °С.
После этого — выдержка в печи расплавленного кремния при температуре 1500-1600°С. Это снижает содержание примесей алюминия до 0,26% и кальция до 0,1%. Потери кремния при отстаивании в печи составляют 1,2-2,6%.
Кремний выпускается из плавильной печи в чугунные изложницы, футерованные угольными блоками, при температуре 1500-1600°С. Масса слитков достигает 1200 кг, масса шлака, образующегося при выплавке, — в среднем 1,5% от массы кремния.
После остывания кремний дробят на мелкие куски гидромолотом.
Кремний технический
Для получения наглядного представления об этом технологическом процессе посмотрите видео, снятое на одном из предприятий в Казахстане.
[youtube]http://www.youtube.com/watch?v=tvkoIuXDmkk[/youtube]
У многих возникнут вопросы –
Где производится технический кремний?
Как обстоят дела в других странах?
Так исторически сложилось, что еще со времен СССР традиционно выпуск технического кремния осуществлялся в электротермических цехах алюминиевых заводов, которые большей частью расположены вблизи мощных источников дешевой электроэнергии и крупных месторождений кварцитов.
Самые значимые мощности по производству технического кремния сосредоточены на 4 предприятиях:
– ОАО «Кремний-Урал» (Уральский алюминиевый завод, г. Каменск-Уральский, Свердловская обл.) ныне - ООО «СУАЛ-Кремний-Урал»
– ЗАО «Кремний»– (Иркутский алюминиевый завод, г. Шелехов, Иркутская обл.);
– ОАО «Братский завод ферросплавов» (Братский алюминиевый завод (г. Братск, Иркутская область);
– ОАО «Запорожский алюминиевый комбинат» – (ЗаЛК г. Запорожье, Украина).
Забегая вперед, следует отметить, что технический кремний используется не только для производства «солнечного кремния», что является темой нашей рассылки, но и в других отраслях:
кремний может использоваться в черной металлургии, как легирующая добавка,
в цветной металлургии, например производство силумина и других алюминиево-кремниевых сплавов,
в химической промышленности, например, для производства кремнийорганических соединений,
а также в полупроводниковой (микроэлектронной) индустрии, которая развивается очень быстрыми темпами во всем мире.
Мировыми лидерами производства и технологии по металлургического кремния являются - Китай, Норвегия, Франция,США, Япония, Германия, Италия, Южная Корея..
Конечно, в настоящее время идет реализация крупных проектов по производству поликремния электронного и солнечного качества, таких как НИТОЛ, Красноярский ГХК и др. проектов. Успешно идут работы на Украине на базе бывших советских предприятий в Запорожье, ведутся работы в Казахстане.
Но вряд ли в одиночку этим странам удастся выйти если не в лидеры, хотя бы в ведущие производители.
Вероятно, объединив усилия, эти республики могли бы достичь весомого положения не только на рынке производства поликремния электронного и солнечного качества, но и встать на уровень стран с развитым высокотехнологическим производством.
Поживем – увидим.
