КазНИИ Энергетики имени академика Ш.Ч.Чокина

Создание комбинированных солнечных
PVT электростанций
Нестеренков А.Г.
АО «КазНИИ Энергетики имени академика Ш.Ч.Чокина»
По материалам Объединенного исследовательского центра Европейской комиссии.
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%.
Предпосылки для развития концентраторных солнечных
электростанций в Казахстане
Солнечная инсоляция в южных областях Казахстана превышает в среднем 4,5
кВт∙час/м2 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.
Термогенератор
TEC1-07112, 12 Вт
Стоимость 20 долл.
Average Power (Watts): 1.8 W
Average Current (Amps): 3.6 Amps
Exact dimension: 80 mm х 150 mm
Стоимость ≈ 1 долл.
Стоимость ≈ 32 долл.
Стоимость ≈ 380 долл.
Использование кремниевых фотоэлементов относительно большой площади сняло
непреодолимую проблему для отечественного машиностроения - обеспечение
прецизионного слежения концентраторов за солнцем по двум координатам
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.
Схема получения тепла и электричества от солнечной электростанции
Выходные технические характеристики солнечной электростанции
Разработан способ изготовления зеркал концентраторов, достигнута эффективность отражения света
на 2 мм стекле 87%
При слежении за солнцем платформа занимает в плане площадь не более 13,5 м2.
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.
Пиковая мощность фотоэлементов без концентрации ≈ 160 Вт
Коллектор с апертурой концентратора 6,7 м2 при КПД 0,75 вырабатывает пиковую тепловую
мощность 5,2 кВт.
Селективное покрытие коллектора наноситься с применением вакуумной технологии и имеет
отношение коэффициента поглощения излучения солнца к собственному тепловому ≈ 11.
Термогенераторы типа ТЕГ-07112 установлены вдоль поверхности коллекторов и выдают до 0,2
кВт электроэнергии. В итоге пиковая электрическая мощность станции достигает ≈ 1 кВт.
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/м2 (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.
выводы
Достигнут 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 TEC107112 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 !