Технические науки, Энергетика

Бухарбаев Ж.М. (научный руководитель Жексембиева Н.С.)

Западно-Казахстанский аграрно-технический университет имени Жангир-хана, Республика Казахстан

Солнечная энергия

Солнечная энергетика рассматривается как один из возможных дополнительных источников энергоснабжения в ближайшем будущем. Но уже в настоящее время экономически выгодно использовать солнечные энергоустановки для целей водоснабжения мелких потребителей, опреснение воды, электроснабжения маломощных объектов. Экспериментальные и расчетные исследования, выполненные в нашей стране и за рубежом, позволяют надеяться, что в ближайшее время будут созданы экономически приемлемые солнечные генераторы, мощностью до 5 кВт. Солнечные энергоустановки экономически выгодно использовать в районах, лежащих между 35-й и 50-й параллелями, т.е. в тех районах, годовое число солнечной активности не менее 6000.

Преобразование солнечной энергии может осуществляться как с помощью установок прямого преобразования, так и с помощью эффективных динамических преобразователей.

В настоящее время достаточно отработаны и нашли практическое применение солнечные энергетические установки, работающие по принципу прямого преобразования энергии. К таким установкам относятся полупроводниковые фотопреобразователи и солнечные термоэлектрические генераторы. Достоинства таких генераторов определяются отсутствием движущихся частей, малой инерционностью, автономностью и возможностью гибкой оптимизации режимов работы системы генератор-нагрузка.

Однако энергоустановки с использованием полупроводниковых фотопреобразователей имеют в настоящее время сравнительно высокую стоимость, а для получения установки мощностью в сотни ватт и единицы киловатт необходимо значительное увеличение площади фотопреобразователей.

Поэтому разработка новых эффективных методов преобразования солнечной энергии для автономных энергоустановок малой мощности представляет собой важную задачу.

Одно из возможных решений задачи заключено в разработке специальных концентраторов солнечной энергии.

Солнечные энергоустановки найдут свое практическое применение в районах с большой солнечной активностью в качестве автономных энергоисточников на удаленных сельскохозяйственных объектах.

Производство фотоэлементов (прямое преобразование солнечной энергии в электрическую) и систем на их основе резко увеличивается. В 2005 г. годовое производство энергии с помощью фотоэлементов в мире составило 200 МВт. Годовые темпы роста за последние 5 лет составляют 30%. Страны-лидеры: Япония - 80, США - 60, Германия - 50 МВт. Общая площадь солнечных водонагревателей (солнечных коллекторов) в мире превысила по неполным данным 21 млн. м², при этом годовое производство солнечных коллекторов превышает 1.7 млн. м². Страны-лидеры: Япония - 7, США - 4, Израиль - 2.8, Греция - 2.0 млн. м².

В США, например, существует несколько экспериментальных ФЭС мощностью от 0,3 МВт до 6,5 МВт, работающих на энергосистему. Центром развития солнечной энергетики в США можно считать Сакраменто. Там фотоэлектрические панели установлены на крышах домов, зоопарка, стоянок автомобилей и даже церквей. Администрация города обещает превратить регион в «Силиконовую долину» гелиоиндустрии. В Европе, в частности в Германии действует правительственная программа, предоставляющая налоговые льготы производителям солнечных батарей, монтируемых на крышах домов. Фотоэлектрические преобразователи обладают значительными потенциальными преимуществами:

-не имеют движущихся частей, что значительно снижает стоимость обслуживания,

-срок службы модулей достигать, до 100 лет при незначительном снижении эксплуатационных характеристик;

-не требуют высокой квалификации обслуживающего персонала;

-эффективно используют как прямое, так и рассеянное (диффузное) излучение;

-пригодны для создания установок любой мощности.

В феврале 2000 г. в Германии был принят закон по возобновляемой энергетике, в котором главная роль отведена использованию солнечной энергии.

Согласно данному закону устанавливаются повышенные закупочные цены на электроэнергию, произведенную возобновляемыми источниками энергии и поставленную в централизованную электросеть.

Для фотоэлектрических установок минимальная цена установлена в размере 0.51 € за кВт/ч против 0.08 € существовавшей ранее.

Эта цена распространяется как на уже существующие установки (в общем более 40 МВт), так и на те, которые планируется установить после 1 января 2000 г., с условием, что все вложения будут сделаны не позднее 1 января 2002 г. После этой даты минимальная цена должна снижаться на 5% ежегодно. Этот механизм будет действовать в течение 20 лет при условии, что общая мощность установок не будет превышать 350 МВт.

Имеются и некоторые другие ограничения на реализацию этого закона. Первое состоит в том, что государство или дистрибьюторы энергии не должны владеть более чем 25%-й долей в производящей компании. Другое ограничение связано с тем, что мощность установок не должна превышать установленной величины. Для фотоэлектричества эта величина составляет 100 кВт для фотоэлектрических установок, которые не интегрированы в здание, и 5 МВт для установок других типов (крыши, фасады и др.).

Закон вступил в силу 1 апреля 2000 г. и идет как дополнительная поддержка программе «100 000 солнечных крыш», утвержденной 1 января 1999 г. Эта важнейшая программа мирового уровня обеспечена федеральным бюджетом. Ее цель - стимулировать инвестиции частных лиц, мелкого и среднего бизнеса в создание энергоисточников на основе ВИЭ, соединенных с энергетической сетью.

Наиболее практическое применение получили гибридные солнечно-топливные электростанции с параметрами: КПД 13,9%, температура пара 371 °С, давление пара 100 бар, стоимость вырабатываемой электроэнергии 0,08-0,12 USD/кВт·ч, суммарная мощность в США 400 МВт при стоимости 3 USD/Вт. Солнечная электростанция работает в пиковом режиме при отпускной цене за 1 кВт ч электроэнергии в энергосистеме: с 8 до 12 ч. - 0,066 USD и с 12 до 18 ч.- 0,353 USD. КПД СЭС может быть увеличен до 23% -среднего КПД системных электростанций, а стоимость электроэнергии снижена за счет комбинированной выработки электрической энергии и тепла.

Главным технологическим достижением этого проекта является создание Германской фирмой Flachglass Solartechnik GMBH технологии производства стеклянного параболоцилиндрического концентратора длиной 100 м с апертурой 5,76 м, оптическим КПД 81% и ресурсом работы 30 лет. При наличии такой технологии зеркал в Казахстане целесообразно массовое производство СЭС в западных районах, где имеются месторождения газа и прямая солнечная радиация превышает 50% от суммарной.

Принципиально новые типы солнечных концентратов, использующие технологию голографии. Его главные характеристики сочетание положительных качеств солнечных электростанций с центральным приемником модульного типа и возможность использования в качестве приемника как традиционных паронагревателей, так и солнечных элементов на основе кремния.

Одной из важнейших перспективных технологий солнечной энергетики является создание фотоэлектрических станций с солнечными элементами на основе кремния, которые преобразуют в электрическую энергию прямую и рассеянную составляющие солнечной радиации с КПД 12-15%. Лабораторные образцы имеют КПД 23%. Мировое производство солнечных элементов превышает 50 МВт в год и увеличивается ежегодно на 30%.

Современный уровень производства солнечных элементов соответствует начальной фазе их использования для освещения, подъема воды, телекоммуникационных станций, питания бытовых приборов в отдельных районах и в транспортных средствах. Стоимость солнечных элементов составляет 2,5-3 USD/Вт при стоимости электроэнергии 0,25-0,56 USD/кВт ч. Солнечные энергосистемы заменяют керосиновые лампы, свечи, сухие элементы и аккумуляторы, а при значительном удалении от энергосистемы и малой мощности нагрузки - дизельные электрогенераторы и линии электропередач.

В США находится несколько экспериментальных фотоэлектрических станций мощностью от 0,3 МВт до 6,5 МВт, работающих на энергосистему. Вторая фаза массового производства и использования СЭС в энергосистеме связана с созданием технологий и материалов, позволяющих снизить стоимость установленной мощности примерно в 5 раз, до 1-2 USD/Вт, а стоимость электроэнергии до 0,10-0,12 USD/кВт·ч. Принципиальным ограничением для такого снижения стоимости является высокая стоимость кремния солнечного качества - 40-100 USD/кг. Поэтому создание новых технологий получения кремния, обеспечивающих радикальное - на порядок - снижение его стоимости, является задачей номер один в перечне альтернативных технологий в энергетике. Ситуацию с кремнием можно сравнить с ситуацией с алюминием после его открытия в 1825г., когда он стоил как серебро и использовался для украшений. Только после разработки технологии электролиза в 1886 г. алюминий стал дешевым и доступным материалом.

Расчет эксплуатации СЭС показывает, что почасовая выработка электроэнергии, пропорциональная изменению солнечной радиации в течение дня, в значительной степени соответствует дневному максимуму нагрузки в энергосистеме.

Поскольку удельная себестоимость СЭС не зависит от ее размеров и мощности, в ряде случаев целесообразно модульное размещение СЭС на крыше сельского дома, коттеджа, фермы. Собственник СЭС будет продавать электроэнергию энергосистеме в дневное время, и покупать ее у энергетической компании по другому счетчику в ночные часы. Преимуществом такого использования, помимо политики поощрения малых и независимых производителей энергии, является экономия на опорных конструкциях и площади земли, а также совмещение функции крыши и источника энергии. При модульном размещении СЭС 1 млн. кВт способна обеспечить электроэнергией 500000 сельских домов и коттеджей.

Наибольший теоретический потенциал, имеет солнечная энергия, это более 2000 млрд. тонн условного топлива. Несмотря на такой большой потенциал, вклад возобновляемых источников энергии был в очень малом объеме. Таким образом, анализ известных технических решений по существующим электроэнергетическим системам на основе солнечных модулей показал, что известные схемные решения таких систем недостаточно эффективны в эксплуатации и не в полной мере отвечают требованиям сегодняшнего дня.

Литература:

1. Энергетика мира: уроки будущего. Под ред. Башмакова И.А., МТЭА, -М: 1992, 355-380.

2. Огребков Д.С., Муругов В.П. Энергосбережение и возобновляемые источники энергии // Вестник сельскохозяйственной науки. -М.: Агропромиздат. 1991. N2. (413), С. 117-125.

3. Концепция энергетической политики России в новых экономических условиях // Энергия. N 26-28. 05.08.1992. С. 1-6.

4. Бородин И.Ф., Судник Ю.А. Автоматизация технологических процессов. М: Колос, 2003.

5. Тюхов И.И. Энергообеспечение сельского хозяйства солнечными комбинированными системами // Техника в сельском хозяйстве. 2005. № 2. С. 19-23.

6. Огребков Д.С., Безруких П.П. Возобновляемая энергетика: стратегия, ресурсы, технологии. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2005. - 261 с.