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.

Солнечная фотовольтаик-термальная электростанция: 28 комментариев

  • 31.01.2018 в 12:53
    Permalink

    I simply want to say I am just very new to blogging and site-building and definitely liked you’re blog. Likely I’m likely to bookmark your site . You surely have impressive articles. Thanks a bunch for sharing with us your web site.

    Ответ
  • 05.02.2018 в 22:14
    Permalink

    Very well written article. It will be supportive to anyone who employess it, including yours truly :). Keep doing what you are doing — for sure i will check out more posts.

    Ответ
  • 05.02.2018 в 23:53
    Permalink

    Excellent remarkable things here. I am just incredibly glad to peer your site. Thank you a lot and I am just looking forward to get in touch with you. Will you please drop me an e-mail?

    Ответ
  • 07.02.2018 в 05:13
    Permalink

    You could certainly see your enthusiasm in the work you write. The world hopes for even more passionate writers such as you who aren’t afraid to mention how they believe. All the time follow your heart. «The point of quotations is that one can use another’s words to be insulting.» by Amanda Cross.

    Ответ
  • 08.02.2018 в 05:55
    Permalink

    I haven’t checked in here for some time because I thought it was getting boring, but the last few posts are good quality so I guess I will add you back to my daily bloglist. You deserve it my friend 🙂

    Ответ
  • 08.02.2018 в 11:23
    Permalink

    Great blog right here! Also your site so much up very fast! What host are you the usage of? Can I am getting your affiliate link on your host? I desire my web site loaded up as quickly as yours lol

    Ответ
  • 08.02.2018 в 11:24
    Permalink

    hey there and thank you for your info – I’ve definitely picked up something new from right here. I did however expertise a few technical points using this web site, as I experienced to reload the website a lot of times previous to I could get it to load correctly. I had been wondering if your web hosting is OK? Not that I am complaining, but slow loading instances times will often affect your placement in google and could damage your quality score if advertising and marketing with Adwords. Well I am adding this RSS to my email and could look out for a lot more of your respective exciting content. Make sure you update this again soon..

    Ответ
  • 08.02.2018 в 11:25
    Permalink

    I am really impressed with your writing skills and also with the layout on your weblog. Is this a paid theme or did you customize it yourself? Anyway keep up the nice quality writing, it’s rare to see a great blog like this one today..

    Ответ
  • 09.02.2018 в 04:37
    Permalink

    I really appreciate this post. I’ve been looking all over for this! Thank goodness I found it on Bing. You’ve made my day! Thanks again!

    Ответ
  • 09.02.2018 в 14:03
    Permalink

    You have brought up a very wonderful details , appreciate it for the post.

    Ответ
  • 10.02.2018 в 18:05
    Permalink

    Thanks for the sensible critique. Me and my neighbor were just preparing to do a little research on this. We got a grab a book from our local library but I think I learned more from this post. I am very glad to see such wonderful information being shared freely out there.

    Ответ
  • 11.02.2018 в 20:51
    Permalink

    Just wish to say your article is as amazing. The clearness in your post is just excellent and i could assume you’re an expert on this subject. Well with your permission allow me to grab your feed to keep up to date with forthcoming post. Thanks a million and please keep up the enjoyable work.

    Ответ
  • 12.02.2018 в 07:14
    Permalink

    Some really good info , Glad I found this. «The past is a guide post, not a hitching post.» by L. Thomas Holdcroft.

    Ответ
  • 12.02.2018 в 16:40
    Permalink

    You can definitely see your expertise in the paintings you write. The sector hopes for even more passionate writers such as you who are not afraid to say how they believe. At all times go after your heart. «Billy Almon has all of his inlaw and outlaws here this afternoon.» by Jerry Coleman.

    Ответ
  • 13.02.2018 в 20:21
    Permalink

    Hi, i think that i saw you visited my blog thus i came to “return the favor”.I’m trying to find things to enhance my web site!I suppose its ok to use some of your ideas!!

    Ответ
  • 15.02.2018 в 16:13
    Permalink

    I genuinely enjoy looking through on this internet site , it holds fantastic posts . «Those who complain most are most to be complained of.» by Matthew Henry.

    Ответ
  • 15.02.2018 в 19:43
    Permalink

    Good recommendations and really true. Probably the most major things web owners, or any kind of enterprise, are capable of doing is you should not give up. Despite that instances are powerful it is essential to be there for the site visitors and prospects since they will be intending to just remember you at a confident light as soon as things become better and you can be recognised for your hard works.

    Ответ
  • 16.02.2018 в 07:31
    Permalink

    Thanks for the sensible critique. Me & my neighbor were just preparing to do some research about this. We got a grab a book from our local library but I think I learned more from this post. I’m very glad to see such great info being shared freely out there.

    Ответ
  • 16.02.2018 в 15:02
    Permalink

    Wow! Thank you! I permanently needed to write on my site something like that. Can I take a part of your post to my website?

    Ответ
  • 16.02.2018 в 16:16
    Permalink

    Good – I should certainly pronounce, impressed with your website. I had no trouble navigating through all the tabs as well as related info ended up being truly easy to do to access. I recently found what I hoped for before you know it at all. Reasonably unusual. Is likely to appreciate it for those who add forums or anything, website theme . a tones way for your client to communicate. Excellent task.

    Ответ
  • 17.02.2018 в 11:45
    Permalink

    I get pleasure from, cause I found just what I used to be looking for. You have ended my 4 day lengthy hunt! God Bless you man. Have a nice day. Bye

    Ответ
  • 18.02.2018 в 06:02
    Permalink

    Merely wanna remark on few general things, The website style and design is perfect, the subject matter is rattling great : D.

    Ответ
  • 18.02.2018 в 14:00
    Permalink

    I like this post, enjoyed this one regards for putting up. «What is a thousand years Time is short for one who thinks, endless for one who yearns.» by Alain.

    Ответ

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.