Создание комбинированных солнечных PVT электростанций

Нестеренков А.Г. АО «КазНИИ Энергетики имени академика Ш.Ч.Чокина»

В 2012 году в фотовольтаику было инвестировано $137,7 млрд, или 57 % от всех вложений в альтернативную энергетику. 1 кВт час её установленной мощности в среднем стал стоить ∙ 3 930долл. Обширные инвестиции в оборудование по производству фотоэлементов, сделанные до 2012 года привели к росту в следующем году производства солнечных батарей на 10%.

По материалам Объединенного исследовательского центра Европейской комиссии.

Предпосылки для развития концентраторных солнечных электростанций в Казахстане

Âàðèàíò_2_2.wmv

Солнечная инсоляция в южных областях Казахстана превышает в среднем 4,5 кВт час/м∙ 2 в день. Энергетический потенциал ветра также высок. По этим показателям Казахстан относится к государствам с благоприятными условиями для развития солнечной энергетики.

РК обладает огромными и доступными для ведения сельского хозяйства территориями, но с практически полным отсутствием на них тепловых и электрических сетей. Обеспечить жителей этих территорий электричеством и теплом можно за счет инсталяции относительно недорогих солнечных фотомодулей и коллекторов, а также ветрогенераторов и обязательно с запасным источником энергообеспечения - дизель-генератором или малым котлом на твердом топливе с когенерацией.

Производство фотоэлементов является чрезвычайно вредным для окружающей среды и затратным для промышленности. Одним из направлений снижения удельных затрат на получение энергии из солнца является уменьшение числа относительно дорогих фотоэлементов и фокусировка на их поверхности солнечного излучения, а также утилизация выделяемого ими тепла. Это направление является новым для всех занимающихся солнечной энергетикой фирм, поэтому Казахстан находится на одной линии старта со всеми и в состоянии завоевать свою долю молодого рынка технологий и оборудования.

Инсталляция солнечных электростанций с концентрацией света улучшает экологию и отвечает решениям Киотского протокола по снижению выбросов в атмосферу окислов углерода.

В Казахстане построены заводы по получению из отечественного кремниевого сырья по технологической цепочке - металлургический кремний - солнечный кремний – кремниевые пластины - фотоэлементы - фотомодули. Развитие производства комбинированных солнечных электростанций обеспечит гарантированный сбыт до 10 % продукции завода по изготовлению фотоэлементов.

Способы преобразования солнечной энергии

В АО «КазНИИ Энергетики имени академика Ш.Ч.Чокина» разрабатывает новый дизайн солнечной электростанции с концентрацией излучения на поверхностях перемещаемых за солнцем фотоэлементов и коллектора с селективным покрытием.

Дополнительные капиталовложения на приобретение и монтаж концентраторов, трекеров, контроллера слежения за солнцем, деталей циркуляционного контура теплоносителей окупаются в течение трех лет за счет увеличения на 30-35 % годичной выработки энергии в сравнении с неподвижными установками без концентрации. Кроме того, потребитель даже в зимний сезон года получает на выходе бойлера горячую воду для хозяйстенных нужд и отопления.

Солнечная электростанция содержит три преобразователя солнечной энергии – кремниевые фотоэлементы, работающие от концентрированного излучения 70х25 мм и без концентрации 125х125мм, коллекторы с селективным покрытием и термогенераторы.

ТермогенераторTEC1-07112, 12 ВтСтоимость 20 долл.

Average Power (Watts): 1.8 WAverage Current (Amps): 3.6 AmpsExact dimension: 80 mm х 150 mmСтоимость ≈ 1 долл.

Инновационные патенты РК : № 25139 от 30.12.2010 «Солнечная энергетическая установка», № 26293 от 21.10.2011 г. «Солнечная PVT электростанция», № 25136 от 26.08.2011 Способ сжигания твердого топлива и печь для осуществления способа.

Использование кремниевых фотоэлементов относительно большой площади сняло непреодолимую проблему для отечественного машиностроения - обеспечение прецизионного слежения концентраторов за солнцем по двум координатам

Стоимость ≈ 32 долл. Стоимость ≈ 380 долл.

Схема получения тепла и электричества от солнечной электростанции

Выходные технические характеристики солнечной электростанции

При слежении за солнцем платформа занимает в плане площадь не более 13,5 м2.

Пиковая мощность фотоэлементов без концентрации ≈ 160 Вт

Термогенераторы типа ТЕГ-07112 установлены вдоль поверхности коллекторов и выдают до 0,2 кВт электроэнергии. В итоге пиковая электрическая мощность станции достигает ≈ 1 кВт.

Селективное покрытие коллектора наноситься с применением вакуумной технологии и имеет отношение коэффициента поглощения излучения солнца к собственному тепловому ≈ 11.

Фотоэлементы нового поколения (институт Фраунгофера КПД 0,2) с апертурой концентратора 4,4 м2

выдают пиковую электрическую мощность 0,84 кВт и тепловую 2,3 кВт.

Коллектор с апертурой концентратора 6,7 м2 при КПД 0,75 вырабатывает пиковую тепловую мощность 5,2 кВт.

Разработан способ изготовления зеркал концентраторов, достигнута эффективность отражения света на 2 мм стекле 87%

Оценка себестоимости изготовления концентраторной солнечной электростанции

Материалы и комплектующие ≈ 240, изготовление, монтаж и тестирование ≈ 150. Итого себестоимость ≈ 390 тыс. тенге. С учетом НДС и прибыли изготовителей ориентировочная цена концентраторной солнечной электростанции на внутреннем рынке ≈ 500 тыс. тенге.

При годовой инсоляции солнца 1560 кВт час/м∙ 2 (г. Капчагай) количество вырабатываемой электроэнергии за год составляет 1660 кВт час, а тепловой 11701 кВт час.∙ ∙

При цене за электроэнергию ≈ 15 тг/кВт час величина стоимости электрической энергии, выработанной за ∙год составляет ≈ 26400 тенге. При цене тепловой энергии ≈ 3,9 тенге/ кВт час стоимость тепловой энергии за ∙год составит 45670 тенге. В сумме величина стоимости выработанных электроэнергии и тепла за год составляет ≈ 72 тыс. тенге. Солнечная электростанция окупается через 500/72 ≈ 6,9 лет.

Конкурентоспособность комбинированных солнечных электростанций с малой концентрацией излучения определяется следующим:

• Производство стекла для концентраторов толщиной 2 мм значительно менее вредно для окружающей среды, чем производство фотоэлементов той же площади, а стоимость стекла с зеркальным покрытием в несколько раз ниже стоимости фотоэлементов;

• преобразование солнечной энергии в электричество однослойными фотоэлементами, работающими при десятикратной концентрации достигает теоретического предела по КПД - 21%, и остальную ее часть в виде выделяемого на фотоэлементах тепла целесообразно утилизировать с применением жидкого теплоносителя;

• благодаря охлаждению фотоэлементов теплоносителем увеличивается выход электроэнергии на единицу площади, занимаемую ими

• применение концентрации солнечного излучения значительно снижает не только число самих фотоэлементов, но и энергозатраты при проведении монтажа и количество расходных материалов (герметики, пленка для ламинации, медные проводники, припой и т.д.), а также время на тестирование фотомодулей ;

• включение ветрогенератора в комплекс солнечной электростанции переводит дорогостоящее оборудование (контроллеры, аккумуляторы, силовые шины отбора мощности, инверторы) в круглосуточный режим работы, что снижает капитальные затраты на ввод и эксплуатацию интегрированного комплекса при выработке той же энергии в сравнении с раздельной инсталяцией солнечной и ветровой установок.

выводыДостигнут максимальный коэффициент использования оптической апертуры на единицу

площади подвижной платформы концентраторов с фотоэлементами и коллекторами. Увеличивается количество преобразованной солнечной энергии, полученной в течение года в

виде тепла и электричества на 30%. Концентраторы изготавливаются из недорогих стеклянных пластин с нанесенным зеркальным

слоем и устанавливаются вдоль площади апертуры рам из металлического профиля.Применение низконапорного циркуляционного контура и фотоэлементов относительно большой

площади с охлаждением тыльной стороны в проточном канале дает конкурентные преимущества:•упрощается технология сборки, повышается надежность герметизации фотоэлементов, стекла и

электрических соединений, снижается себестоимость производства;•отсутствие перепада давления с внешней средой снижает вероятность образования течей

жидкости через микротрещины, образующиеся при длительной эксплуатации фотомодулей; •снижается мощность циркуляционного насоса для перекачки теплоносителя; Относительно небольшая рабочая поверхность коллектора упрощает технологию нанесения на

нее селективных покрытий, что снижает себестоимость производства коллекторов. Не менее 93% площади поверхности коллектора воспринимает мощное двадцатикратное

солнечное излучение, что повышает температуру теплоносителя на выходе выше 100 градусов Цельсия и соответственно температуру воды в бойлере потребителя.

Между селективными пластинами и стенками плоского канала коллектора формируется высокий градиент температуры, в котором установленные вдоль коллектора термогенераторы типа TEC1-07112 дополнительно выдают электрическую мощность до 0,2 кВт.

Солнечная электростанция гарантированно окупается за семь лет при используемой на сегодняшний день комплектации компонентов. Стоимость последних имеет устойчивую тенденцию к снижению на 4 % в год.

Спасибо за внимание !