Солнечная фотовольтаик-термальная электростанция

Объективные предпосылки развития исследований

Солнечная инсоляция (годовое солнечное излучение) в южных областях Казахстана превышает 1550 кВт∙час/м2 в день, энергетический потенциал ветра также высок. По этим показателям Казахстан относится к государствам с благоприятными условиями для развития солнечной энергетики.

Коллектив ученых АО «КазНИИ Энергетики им. академика Ш.Ч.Чокина» и КазНУ им. аль-Фараби на основе результатов исследований гидродинамики и теплообмена пленочных течений в плоских каналах разработал технологию охлаждения кремниевых фотоэлементов, которая повышает надежность и долговечность линейных фотомодулей, снижает себестоимость их производства. Получено два инновационных патента, есть несколько know-how в технологии изготовления линейных фотомодулей и ветрогенераторов.

Срок службы фотомодулей не менее 25 лет, инверторов и аккумуляторов – 10 лет, ветрогенераторов — 10 лет. Обслуживание автономных солнечных электростанций заключается только в очистке стекол и профилактическом осмотре оборудования.

Стоимость углеводородного топлива постоянно растет, растут и затраты, связанные с утилизацией многотоннажных отходов производства электроэнергии и тепла из этого топлива, а стоимость материалов и комплектующих для солнечных электростанций падает. Например, стоимость фотоэлементов за последние пять лет снизилась почти в два раза – с 4 до 2 $/Вт.

Актуальность

На большой территории южной части РК многие сельские объекты удалены от городских тепловых и электрических сетей, что сдерживает их экономическое развитие. Эту проблему может разрешить использование хозяйствующими объектами локальных возобновляемых источников энергии, не требующих прокладки дорогостоящих тепловых и электрических сетей. Многие развитые государства в мире пошли именно этим путем и для обеспечения собственного населения солнечными и ветровыми электростанциями развили высокотехнологическое производство соответствующих материалов и оборудования. К сожалению, уровень цен этого оборудования слишком высок для казахстанского потребителя, поэтому нам необходимо развивать собственное производство недорогих и относительно простых в обслуживании солнечных, ветровых и комбинированных электростанций.

Для сельских жителей основной сферой деятельности является переработка продукции растениеводства и животноводства, где велико потребление тепла. Поэтому оптимальным для них является применение нетрадиционных источников с большим выходом тепловой энергии. Это направление развития производства нетрадиционных источников энергии называется фотовольтаик-термальным PVT (photovoltaic thermal), которое отличается от традиционного PV(photovoltaic) фотовольтаического преобразования солнечной энергии наличием концентраторов солнечной энергии и теплообменников с теплоносителями для съема излишнего тепла с теплонапряженных фотоэлементов. Введение в дизайн солнечных электростанций концентраторов и теплообменников увеличивает ее первоначальную стоимость, однако более глубокое преобразование солнечной энергии в полезную для потребителя снижает срок их окупаемости по сравнению с обычными PV(photovoltaic) системами.

Производство PVT электростанций в широком масштабе снимет проблему реализации отечественных фотоэлементов из поликристаллического кремния, которые предполагается изготавливать на строящемся в Астане заводе из отечественного сырья по французской технологии. Мощность строящегося около 50 МВТ фотоэлементов в год. После реализации проекта до 10 % продукции завода будет уходить на изготовление линейных фотомодулей, что обеспечит гарантированный сбыт отечественной продукции.

Солнечные электростанции сами по себе не вносят загрязнения в окружающую среду, однако производство кремниевых фотоэлементов из кремниевого сырья по химической технологии является источником выбросов фторсодержащих газов, влияние которых затмевает вредное влияние выбросов углекислого газа. Экологи начинают бить тревогу в связи с резким всплеском производства фотоэлементов по традиционной «грязной технологии» во всем мире. В дизайне наших солнечных электростанций с концентрацией солнца используется на порядок меньше фотоэлементов, при той же выходной электрической мощности. Отсюда следует, что нагрузка на окружающую среду при производстве солнечных электростанций нашего дизайна будет значительно меньше.

В ближайшем будущем стоимость фотоэлементов останется высокой — на уровне 2 долл./Вт, поэтому многие фирмы в мире (в том числе и наш научный коллектив) сделали ставку на развитие PVT систем с применением концентраторов солнечной энергии и утилизацией тепла, выделяемого на фотоэлементах. Направление является новым и интенсивно развивающимся, и Казахстан может занять в нем свою нишу и экспортировать на молодом рынке свои технологии и оборудование с использованием десятикратной концентрации солнечного излучения на относительно дешевых кремниевых фотоэлементах большой площади, что снимает проблему прецизионного слежения за солнцем дорогими трекерами.

Развитие современного производства автономных солнечных электростанций создаст новые квалифицированные рабочие места, послужит стимулом для развития сопутствующих инновационных технологий и поднятия интереса молодежи к техническим специальностям.

Сегодня такие малоразвитые в техническом плане государства, как например, Ливан приходят на рынок Казахстана с чужими разработками по ветровой и солнечной энергетики только потому, что вовремя оценили зарождающийся ранок нового оборудования и предприняли все усилия, чтобы закрепиться на нем. Наши коллективы ученых уже проиграли тендеры по проведению ТЭО и строительства ветровой электростанции мощностью 300 МВТ, а также солнечной электростанции мощностью 2 МВт, поскольку не имеют законченных НИР и ОКР на инсталляцию действующих образцов коммерческого оборудования по возобновляемой энергетике. А без них ни один технический институт РК не выиграет тендер на ТЭО и инсталляцию солнечных электростанций среди соревнующихся иностранных фирм, у которых опыт, деньги и немалые технологические секреты. Этот злополучный круг можно разорвать только при вложении финансовых средств в НИР и ОКР по разработке оборудования для возобновляемой энергетики, их инсталляции и проведении натурных испытаний.

Краткая характеристика и основные технико-экономические параметры солнечной фото-термальной электростанции

Солнечная электростанция производится из законченных функциональных блоков, тестируемых независимо друг от друга, что позволяет мобильно их изготавливать на любом технически средне оснащенном предприятии. Основными элементами станции являются линейные фотомодули, представляющие собой герметичный канал с установленными в нем фотоэлементами, охлаждаемыми проточным теплоносителем в режиме свободного гравитационного течения. Концепция безнапорного течения теплоносителей по поверхности фотоэлементов оказалась плодотворной и позволила уменьшить затраты на циркуляцию теплоносителя, устранить проблемы с герметизацией канала и упростить технологию изготовления фотомодуля.

На риcунке представлены схема линейного фотомодуля и фотография действующего образца одного из его вариантов на диагностическом стенде. Плоские стеклянные зеркала концентраторов отражают и направляют солнечное излучение на фотоэлементы линейных фотомодулей и рабочие поверхности коллектора с коэффициентом эффективности не хуже 85 %. Опорная платформа выполнена из стального профиля и закреплена на устройстве перемещения по двум координатам – по азимуту и по высоте солнца над горизонтом. В фотомодуле используются кремниевые фотоэлементы площадью 150х81 мм с КПД преобразования солнечной энергии не менее 15%. Шаговые   двигатели и редукторы используются пока зарубежного производства, а термическое стекло, алюминиевый и стальной профиль, автоматика слежения за солнцем, теплообменники, аккумуляторы, зарядные системы и многое другое казахстанских производителей. Благодаря комплектации станции в основном изделиями казахстанских производителей ее конечная стоимость становится значительно ниже зарубежных аналогов той же мощности.

  

 Схема линейного фотомодуля и фотография его на диагностическом стенде

В известных устройствах без концентраторов (фотомодулях и плоских коллекторах) получают низкопотенциальное тепло, т.е. техническую воду с относительно низкой температурой, которая мало пригодна для хозяйственных целей. В нашем случае используется новый подход — концентрируется солнечное излучение на поверхности коллектора с селективным покрытием, поднимается температура теплоносителя в его циркуляционном контуре до кипения и передается им тепло в теплообменнике технической воде, которая поступает непосредственно потребителю. Вторым вариантом является объединение циркуляционных контуров фотомодулей и коллектора в один с получением повышенной температуры и экономией одного циркуляционного насоса. И в первом и втором варианте потребитель получает горячую техническую воду с хорошим расходом и высокой температурой (на уровне 600С) даже в холодное время года. Вследствие относительно малой длины циркуляционных контуров энергетические затраты на движение теплоносителей не велики, и для перекачки используются экономичные насосы мощностью до 25 Вт.

Нам удалось разработать систему концентраторов (отражающих зеркал) с максимальным на сегодняшний день соотношением величин площадей приемной апертуры и опорной следящей за солнцем платформы. Технология изготовления фотомодулей защищена патентами и содержит несколько know-haw.

Правильность стратегического направления наших исследований аргументируется следующим: стоимость единицы площади стекла или поликарбоната толщиной 2 мм с зеркальным покрытием всегда будет ниже стоимости фотоэлемента той же площади; КПД преобразования солнечной энергии в электричество в ближайшие десять лет не превысит отметку 20%, поэтому львиную долю поступающей энергии следует утилизировать, и научиться делать это надо «здесь и сейчас»; температура охлаждаемых фотоэлементов и соединяющих проводников не превышает 500С, поэтому снижается их количество на один линейный фотомодуль, выдающий требуемое напряжение заряда батарей аккумуляторов; концентраторы из планарных зеркал не только снижают число фотоэлементов, герметиков, медных проводников и т.д., но и время на проведение соединений и тестирование линейных фотомодулей.

Моделирование техпроцессов, оптики и характеристик фотоэлементов в высококонцентрированных системах позволило придти к заключению о целесообразности использования кремниевых фотоэлементов в сравнении с арсенид-галлиевыми по нескольким причинам. Во-первых, последние являются дорогими и дефицитными. Во-вторых, для их применения требуется изготовление платформы с уникальными концентраторами и прецизионной системой слежения за солнцем, что трудно осуществимо отечественным машиностроением. Это было по силам испанской фирме ISOFOTON, потратившей миллионы долларов и несколько лет на разработку трекеров и фотопанелей мощностью 25 кВт с высокой концентрацией с арсенид-галлиевыми фотоэлементами. Поэтому мы сделали ставку на не дефицитные, простые и дешевые кремниевые фотоэлементы большой площади. В процессе разработки фотомодуля пришлось решить ряд теплотехнических задач по гидродинамике и теплообмену жидких теплоносителей при течении их вдоль горячих поверхностей фотоэлементов. В результате были найдены способы повышения устойчивости и интенсификации теплообмена пленочных гравитационных течений неагрессивных жидкостей в продольных каналах фотомодулей. Исследования проводились с использованием современного оборудования и методик измерения параметров теплообмена. Процессы измерения и обработка результатов экспериментов проводятся с применением компьютерных методов измерения на основе преобразователей NI USB-6009 известной фирмы National Instruments и исследовательской программы LABView.

Расчеты и эксперименты показывают, что разработанная технология позволяет снять излишнее тепло с фотоэлементов теплоносителем в режиме ламинарного течения его по тыльной поверхности фотоэлементов при десятикратной концентрации солнца.

По расчетам пиковая электрическая мощность образца солнечной PVT электростанции с двумя фотомодулями будет достигать ≈0,6 кВт и тепловая мощность около 4 кВт. В сутки потребитель получит электрическую энергию примерно 0,6∙4,2 кВт∙час ≈ 2,52 кВт∙час (в зависимости от географической широты расположения потребителя) и тепловую энергию более 10,5 кВт∙час в виде горячей воды, что на 70% удовлетворяет нужды сельской семьи из четырех человек по электричеству и на 100% по горячей воде.

Оценка себестоимости производства солнечных фотовольтаик-термальных электростанций

На этом этапе исследований сведения по экономическому эффекту являются пока чисто ориентировочными, построенными на энергетических показателях и стоимости основных элементов солнечной электростанции. Стоимость одного фотоэлемента хорошего качества (не менее 20 лет эксплуатации) равна 2,5 долл/Вт, а всех фотоэлементов — 390 долларов. Стоимость стекла толщиной 2 мм для концентраторов (850 тг/м2)с учетом доставки, резки, напыления зеркального слоя и его герметизации составит около 180 долл. Термическое готовое стекло для фотомодулей потянет на 30 долл. Стоимость герметика с его наложением составит около 50 долл. Металл для опорной платформы и ее изготовление составит не менее 300 долл, а изготовление механизма ее перемещения — 250 долл. Изготовление циркуляционных контуров с теплообменниками, насосами и теплоносителем оценивается в 310 долл. Наложение стойкой грунтовки и покраска оцениваются в 50 долл. Аккумуляторы и автоматика управления требуют не менее 170 долл. Итого получим себестоимость изготовления основных элементов стации с учетом стоимости материалов и комплектующих около 1750 долл. Плюс монтаж и тестирование солнечной электростанции 500 долл. В итоге мы можем уложиться в величину себестоимости изготовления солнечной PVT электростанции в 2500 долларов.

В основу расчета энергетических показателей примем годовую среднюю инсоляцию солнца в г. Капчагай, равную 1560 кВт∙час/м2. Пиковую мощность станции умножаем на это число и получаем количество электричества, произведенное станцией за год: 0,6 ∙ 1560 кВт∙час = 936 кВт∙час/год. При прогнозируемой стоимости электричества 14 тг/кВт∙час за год получим 14 тг/кВт∙час х 936 кВт∙час ≈13100 тг. При стоимости 1 кВт∙час тепла 3,89 тг за год получим: 7,6∙1560 кВт∙час∙ 3,89 тг/ кВт∙час = 461120 тг. В сумме получаем 13100 тг + 461120 тг = 59219 тг. Итак, в год мы получим экономию по исключению платежей в энергосистему за электричество и горячую воду не менее 59219 тг. С учетом снижения стоимости комплектующих цена на рынке автономной комбинированной PVT электростанции может быть около 3000 долларов (450 тыс. тг). В этом случае ее покупка жителями РК окупится через 7,5 года. Все комплектующие PVT электростанции, кроме аккумуляторов, имеют срок гарантированной эксплуатации не менее 15 лет. Простой расчет показывает экономическую целесообразность развития производства разработанной недорогой PVT электростанции. Следует подчеркнуть, что стоимость электростанции аналогичной мощности зарубежного производства в несколько раз больше.

Обращает на себя внимание относительно высокая доля тепловой энергии в общем показателе вырабатываемой энергии – более 90%. В зимний период такая ситуация имеет плюс, т.к. тепловую энергию мы активно используем для отопления, Однако в летний период получаются излишки тепловой энергии, если конечно тепловая энергия не используется по своему прямому назначению, например для сушки сельскохозяйственных продуктов, нагрева воды в бассейнах и т. п. Поэтому встает вопрос о перераспределении энергии, получаемой от преобразователей. Один из путей – организация на базе платформы солнечной электростанции ветровой части электростанции с преобразователями типа Дарье или Савониуса, мощность которых подбирается согласно мощности солнечной части станции, т.е. не более 1 кВт. В этом случае ее рабочие элементы — цилиндрическая труба теплообменника, платформа, аккумуляторы, зарядная автоматика и другие будут активно работать и ночью для выработки электричества от ветра. Установка дополнительных элементов для ветровой части станции потянет за собой повышение стоимости комбинированной (назовем с этого момента ее так) электростанции. Однако дополнительные выгоды в виде дополнительного электричества в ночное время и облачные дни значительно превышает дополнительные затраты. Подробный анализ плюсов и минусов комбинированной станции еще предстоит выполнить, и для этого также необходимы финансовые средства. Грубо можно оценить ввод ветровой части так. Стоимость изготовления лопастей и направляющих ветра с системой их крепления на цилиндре теплообменника будет не менее 150 долл. Подшипниковые узлы и генераторы на постоянных магнитах мощностью около 300 Вт потянут на 350 долл. электричества. Стоимость дополнительного оборудования не будет превышать 500 долл,, а общая стоимость комбинированной ветро-солнечной PVT электростанции находится в пределах 4000 долл. При этом вырабатывается дополнительное электричество, величина которого зависит от места расположения автономной солнечной электростанции. В случае инсталляции станции в г. Капчагай с постоянными ветрами можно получить гарантированную электрическую энергию не менее (0,3+0,3) ∙ 14 кВт∙час = 8,4 кВт∙час в сутки или 3066 кВт∙час в год. В переводе на стоимость электрической энергии это составит 3066 кВт∙час х 14тг/ кВт∙час = 49924 тг. В сумме автономная комбинированная электростанция сэкономит за год 59219 + 49924 = 109143 тг. Приобретение автономной комбинированной ветро-солнечной PVT электростанции окупается за 5,5 года. Следует отметить, что практически все удаленные сельские объекты южной части РК расположены в зоне постоянно дующих умеренных ветров.

Потребители PVT электростанций возвращают затраченные на их покупку средства через шесть лет. Служба сервиса обеспечивает инсталяцию солнечной станции на месте и проводит технологическое обслуживание и своевременную замену ее компонентов.

Инвесторы, вложившие финансовые средства в развитие производства автономных комбинированных PVT электростанций начнут получать прибыль в среднесрочном периоде (через семь лет).

Нестеренков А.Г. — к.т.н., директор центра инноваций АО «КазНИИ Энергетики им. академика Ш.Ч.Чокина»

Нестеренкова Л.А. — к. ф.м.н., доцент КазНУ им. аль-Фараби

Справка.

Нестеренков Александр Геннадьевич, 1951 г.р. Директор центра инноваций АО «КазНИИ Энергетики им. академика Ш.Ч.Чокина». В 1973 г. закончил КазГУ и получил специальность физика, физическая газовая динамика. В 1989 году защитил диссертацию в МГТУ им . Баумана по специальности «Теплофизика». Является автором более семи авторских свидетельств и патентов и соавтором еще восьми патентов, инновационных патентов и предваоительных патентов. В соавторстве написано более 25 научных статей.

Нестеренкова Лариса Алексеевна, уч. степень — кандидат физико-математических наук, уч. звание – доцент, должность – доцент кафедры Информатики Казахского Национального университета им. аль-Фараби.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *