А.Б.Алхасов-Возобновляемые-источники-энергии-Москва-2016

В настоящее время в Европе функционируют 10 солнечных систем теплоснабжения с площадью коллекторов от 2400 до 8040 м2, 22 системы с площадью коллекторов от 1000 до 1250 м2 и 25 систем с

площадью коллекторов от 500 до 1000 м2. Ниже приведены характеристики для некоторых крупных систем [14].

Hamburg (Германия).

Площадь отапливаемых помещений — 14 800 м2. Площадь солнеч-

ных коллекторов — 3000 м2. Объем водяного аккумулятора тепла — 4500 м3.

Fridrichshafen (Германия).

Площадь отапливаемых помещений — 33 000 м2. Площадь солнечных коллекторов — 4050 м2. Объем водяного аккумулятора тепла —

12000 м3.

Ulm-am-Neckar (Германия).

Площадь отапливаемых помещений — 25 000 м2. Площадь солнечных коллекторов — 5300 м2. Объем грунтового аккумулятора

тепла — 63 400 м3. Rostock (Германия).

Площадь отапливаемых помещений — 7000 м2. Площадь солнеч-

ных коллекторов — 1000 м2. Объем грунтового аккумулятора тепла — 20000 м3.

Hemnitz (Германия).

Площадь отапливаемых помещений — 4680 м2. Площадь вакуумных солнечных коллекторов — 540 м2. Объем гравийно-водяного

аккумулятора тепла — 8000 м3.

Attenkirchen (Германия).

Площадь отапливаемых помещений — 4500 м2. Площадь вакуумных солнечных коллекторов — 800 м2. Объем грунтового аккумуля-

тора тепла — 9850 м3. Saro (Швеция).

Система состоит из 10 небольших домов, включающих 48 квартир. Площадь солнечных коллекторов — 740 м2. Объем водяного

аккумулятора тепла — 640 м3. Солнечная система покрывает 35 % общей тепловой нагрузки системы теплоснабжения.

В настоящее время в России существует несколько фирм, выпускающих солнечные коллекторы, пригодные для надежной эксплуата-

161

Рис. 3.10. Солнечные коллекторы Ковровского механического завода

ции. Основные из них — это Ковровский механический завод, НПО «Машиностроение» и ЗАО «АЛЬТЭН».

Коллекторы Ковровского механического завода (рис. 3.10), не имеющие селективного покрытия, дешевые и простые по конструкции, ориентированы в основном на внутренний рынок. В Краснодарском крае в настоящее время установлено более 1500 коллекторов такого типа.

Коллектор НПО «Машиностроения» по характеристикам близок к европейским стандартам. Абсорбер коллектора выполнен из алюминиевого сплава с селективным покрытием и рассчитан главным образом на работу в двухконтурных схемах теплоснабжения, поскольку прямой контакт воды с алюминиевыми сплавами может привести к питинговой коррозии каналов, по которым проходит теплоноситель.

Коллектор АЛЬТЭН-1 имеет совершенно новую конструкцию и удовлетворяет европейским стандартам, можно использовать как в одноконтурных, так и двухконтурных схемах теплоснабжения. Коллектор отличается высокими теплотехническими характеристиками, широким диапазоном возможных применений, небольшой массой и привлекательным дизайном.

Опыт эксплуатации установок на основе солнечных коллекторов выявил ряд недостатков подобных систем. Прежде всего это высокая стоимость коллекторов, связанная с селективными покрытиями, повышением прозрачности остекления, вакуумированием и т.д. Существенным недостатком является необходимость частой очистки

162

стекол от пыли, что практически исключает применение коллектора в промышленных районах. При длительной эксплуатации солнечных коллекторов, особенно в зимних условиях, наблюдается частый выход их из строя из-за неравномерности расширения освещенных и затемненных участков стекла за счет нарушения целостности остекления. Отмечается также большой процент выхода из строя коллекторов при транспортировке и монтаже. Значительным недостатком работы систем с коллекторами является также неравномерность загрузки в течение года и суток. Опыт эксплуатации коллекторов в Европе и европейской части России при высокой доле диффузной радиации (до 50 %) показал невозможность создания круглогодичной автономной системы горячего водоснабжения и отопления. Все гелиосистемы с солнечными коллекторами в средних широтах требуют устройства больших по объему баков-аккумуляторов и включения в систему дополнительного источника энергии, что снижает экономический эффект от их применения. В связи с этим наиболее целесообразно их использование в районах с высокой интенсивно-

стью солнечной радиации (не ниже 300 Вт/м2).

3.1.5.Эффективное использование солнечной энергии

Вжилых и административных зданиях солнечную энергию в основном используют в форме тепла для удовлетворения нужд в горячем водоснабжении, отоплении, охлаждении, вентиляции, сушке

ит.п. Использование солнечного тепла с экономической точки зрения наиболее выгодно при создании систем горячего водоснабжения и в близких к ним по техническому воплощению установках для подогрева воды (в бассейнах, промышленных устройствах). Горячее водоснабжение необходимо в каждом жилом доме, и, поскольку потребности в горячей воде относительно мало меняются в течение года, эффективность таких установок высокая и они быстро окупаются. Что касается систем солнечного отопления, то период их использования в течение года короткий, в отопительный период интенсивность солнечного излучения низкая и соответственно площадь коллекторов значительно больше, чем в системах горячего водоснабжения и экономическая эффективность ниже. Обычно при проектировании совмещают систему солнечного отопления и горячего водоснабжения.

Всистемах солнечного охлаждения период эксплуатации еще ниже (три летних месяца), что влечет к продолжительному простою оборудования и очень низкому коэффициенту их использования. С учетом высокой стоимости оборудования для охлаждения экономическая эффективность систем становится минимальной.

163

Годовой коэффициент использования оборудования в комбинированных системах теплохладоснабжения (горячее водоснабжение, отопление и охлаждение) получается наиболее высоким, и эти системы на первый взгляд более выгодны, чем комбинированные системы отопления и горячего водоснабжения. Однако если при этом учесть стоимость необходимых солнечных коллекторов и механизмов системы охлаждения, то окажется, что такие солнечные установки будут очень дорогими и едва ли станут экономически выгодными.

При создании систем солнечного отопления следует применять пассивные схемы, в которых предусмотрено повышение теплоизоляции здания и эффективное использование поступающего через оконные проемы солнечного излучения. Проблему теплоизоляции необходимо решать на основе архитектурно-конструктивных элементов, с использованием малотеплопроводных материалов и конструкций. Недостающее тепло рекомендуется восполнять при помощи активных солнечных систем.

3.1.6. Экономические характеристики солнечных коллекторов

Основная проблема широкого использования солнечных установок связана с их экономической эффективностью по сравнению с обычными системами теплоснабжения. Стоимость тепловой энергии в установках с солнечными коллекторами выше, чем в установках с традиционным топливом. Срок окупаемости солнечной тепловой установки Ток можно определить по формуле

где С — удельная стоимость солнечной установки, руб/м2; Е — годовое количество энергии, вырабатываемое солнечной установкой,

кВтæч/(м2 æгод); Цт — стоимость энергии традиционного источника,

руб/(кВтæч); Иэк — издержки эксплуатации, руб/(м2 æгод).

Экономический эффект установки солнечных коллекторов в зонах централизованного энергоснабжения Э может быть определен как доход от продажи энергии в период всего срока службы установки за вычетом издержек эксплуатации:

Э = (Tсл – Tок)(ЕЦт – Иэк )S, (3.6) где Тсл — срок службы установки; S — площадь коллекторов, м2.

В табл. 3.2 представлена стоимость систем солнечного теплоснабжения (в ценах 1995 г.) [19]. Данные показывают, что отечественные

164

разработки в 2,5—3 раза дешевле зарубежных. Низкая цена отечественных систем объясняется тем, что они выполнены из дешевых материалов, простые по конструкции и ориентированы на внутренний рынок.

Удельный экономический эффект (Э/S) в зоне централизованного теплоснабжения, в зависимости от срока службы коллекторов,

составляет от 200 до 800 руб/м2.

Гораздо больший экономический эффект имеют установки теплоснабжения с солнечными коллекторами в регионах, удаленных от централизованных энергосетей, которые в России составляют свыше 70 % ее территории с населением около 22 млн человек. Эти установки предназначены для работы в автономном режиме на индивидуальных потребителей, где потребности в тепловой энергии весьма значительны. В то же время стоимость традиционных видов топлива намного выше их стоимости в зонах централизованного теплоснабжения из-за транспортных расходов и потерь топлива при транспортировке, т.е. в стоимость топлива в регионе Цтр включается регио-

нальный фактор rр:

где rр > 1 и для различных регионов может изменять свое значение. В

то же время удельная стоимость установки С почти не изменяется по сравнению со стоимостью Цтр. Поэтому при замене Цт на Цтр в (3.5)

и (3.6) рассчитываемый срок окупаемости автономных установок в зонах, удаленных от централизованных сетей, уменьшается в rр раз, а

экономический эффект возрастает пропорционально rр.

В настоящее время, когда цены на энергоносители постоянно растут и неравномерны в регионах России из-за условий транспортировки, экономическая целесообразность использования солнечных коллекторов сильно зависит от местных социально-экономических, географических и климатических условий.

165

3.2.Солнечные электростанции

3.2.1.Солнечные электростанции с центральным приемником

Солнечные электростанции (СЭС) с термодинамическим циклом преобразования используют концентрированное солнечное излучение для нагрева промежуточного теплоносителя или непосредственно рабочего тела теплосиловой установки. В качестве концентраторов преимущественно используются зеркальные системы в виде:

•поля отдельных плоских гелиостатов, следящих за Солнцем и фокусирующих прямую солнечную радиацию на гелиоприемник, установленный наверху высокой башни (башенные СЭС);

•параболоцилиндров, следящих за Солнцем по одной координате, в фокусе которых установлена приемная труба, по которой протекает нагреваемая жидкость. Для уменьшения тепловых потерь и достижения высоких температур подогрева труба заключена в вакуумированную прозрачную оболочку;

•параболоидов, в фокусе которых находится тепловоспринимающая поверхность двигателя Стирлинга, газотурбинной установки, либо нагревателя рабочего тела паротурбинной установки.

Из названных схем наибольшее распространение получили СЭС с параболоцилиндрическими концентраторами. В начале 90-х годов прошлого столетия в Калифорнии (США) было сооружено девять СЭС этого типа с суммарной мощностью 354 МВт. Часть из них работает и до сих пор. В качестве теплоносителя, нагреваемого в концентраторе до температуры 380 °С, используется высокотемпературное минеральное масло, отдающее тепло водяному пару — рабочему телу паротурбинной установки. Предусмотрено дополнительное сжигание (до 20 % в год по теплу) природного газа. В последнее время в различных странах (Египте, Индии, Марокко, Мексике) обсуждаются проекты создания подобных СЭС, однако окончательных решений по этому поводу не принято.

Примерно в это же время в разных странах (в том числе в СССР)

были сооружены СЭС башенного типа мощностью от 1 до 10 МВт. Наиболее известна СЭС Solar One мощностью 10 МВт, сооруженная в США и впоследствии реконструированная в Solar Two с той же мощностью. Solar Two проработала несколько лет и после проведения запланированного цикла исследований была остановлена из-за неконкурентоспособности. Особенностью этих СЭС является работа только за счет солнечной энергии, без использования обычного топлива. С этой целью схема СЭС включает тепловой аккумулятор, использующий расплавленную соль, и позволяющий несколько продлить работу СЭС за пределы светового дня. Ряд СЭС подобного

166

Рис. 3.11. Поле зеркал Крымской солнечной электростанции

рода планируется создать в Испании, где действует благоприятное для солнечных установок законодательство (премия 0,12 евро/кВтæч сверх базовой цены за электроэнергию). В ЮАР в стадии рассмотрения находится проект башенной СЭС мощностью 100 МВт.

В 80-е годы прошлого столетия в Крыму была построена первая экспериментальная солнечная электростанция (СЭС-5) мощностью 5 МВт с термодинамическим циклом преобразования энергии (рис. 3.11). Парогенератор СЭС-5 установлен на вершине башни высотой 70 м, расположенной в центре кругового поля гелиостатов, которые концентрируют и направляют солнечную радиацию на его поверхности нагрева, размещенные по всему открытому снаружи периметру. Парогенератор выполнен в виде 16-гранника с диаметром описанной окружности 7176 мм и высотой обогреваемой части 7000 мм. Его поверхность нагрева образована вертикально-трубными цельносварными панелями, расположенными по граням его наружного периметра. Гелиостаты в количестве 1600 шт. концентрическими кругами расположены на площадке радиусом более полукилометра. Каждый гелиостат оснащен специальным устройством для поворота

зеркала площадью 25 м2. Зеркала должны двигаться непрерывно вслед за Солнцем, чтобы при любом положении Солнца ни один из них не оказался в тени, а отбрасываемый каждым из них солнечный зайчик попал бы точно в вершину башни, где расположен паровой котел. Солнечный парогенератор предназначен для получения 7,8 кг/с насыщенного пара давлением 4 МПа. Пар высокого давления температурой 250 °С приводит во вращение турбину, которая. в свою очередь, — электрогенератор. Опыт эксплуатации СЭС-5 показал, что ее характеристики ниже зарубежных аналогов и выявил серьезные ошибки в проектировании.

Зарубежный опыт создания СЭС свидетельствует о том, что в перспективе такие станции станут конкурентоспособными с обычными источниками электроэнергии.

167

Мощность СЭС с параболическими концентраторами ограничена размерами параболоида. Наибольший параболоид, сооруженный в

Австралии, имеет площадь апертуры в 400 м2, и с двигателем Стирлинга при КПД около 20 % мог бы развивать мощность до 60 кВт. Все другие СЭС с параболоидами создавались как опытные образцы мощностью 10—25 кВт.

3.2.2. Солнечные фотоэлектрические преобразователи

Впервые на связь электричества и света указал Максвелл. В дальнейшем эта связь была доказана профессором МГУ А.Г. Столетовым, в экспериментальной установке которого (1888 г.) потек электрический ток, рожденный световыми лучами. В 1954 г. Пирсон, Чепмен и Фуллер осветили лучами две различные кремниевые пластины, соединенные вместе наподобие бутерброда. Образовалась электрическая цепь, в которой в результате внутреннего фотоэффекта возник ток.

Прямое преобразование солнечной радиации в электроэнергию осуществляется полупроводниковыми фотоэлектрическими преобразователями (ФЭП). Российские ученые являются признанными лидерами в сфере конструирования материалов для полупроводниковых элементов. Исследователям, во главе с нобелевским лауреатом академиком Ж. Алферовым, удалось создать совершенно новые структуры полупроводниковых материалов для фотоэлементов. В настоящее время наибольшее распространение получили ФЭП на основе кремния, легированного элементами III и V групп для получения так называемого p-n-перехода. Применяются ФЭП из монокристаллического, поликристаллического и аморфного кремния. Основой ФЭП являются солнечные элементы, в виде многогранника или круга диаметром до 100 мм. Элементы собираются в модули, имеющие при стандартной инсоляции мощность до 100 Вт (рис. 3.12). Из таких модулей набираются батареи в ряде случаев мощностью до нескольких мегаватт.

Преимуществом ФЭП является то, что он использует как прямое, так и рассеянное излучение, не требует слежения за Солнцем и практически не нуждается в обслуживании. Лучшие серийно производимые модули из монокристаллического кремния имеют КПД около 18 % и стоимость 3,5— 4 долл/Вт.

По данным МЭА в 20 индустриально развитых странах суммарная установленная мощность ФЭП к концу 2003 г. составила 1,8 ГВт, причем только за 2003 г. она возросла на 0,43 ГВт [24]. В 2005 г. в мире было произведено ФЭП суммарной мощностью 1,727 ГВт, а к концу 2010 г. предполагается увеличение производства в 3,5 раза [21].

168

Рис. 3.12. Модули ФЭП фирмы «Муссон»

Несмотря на высокие темпы увеличения установленной мощности ФЭП как в развитых, так и в развивающихся странах, за счет высокой стоимости материалов и технологии изготовления, стоимость электроэнергии от ФЭП все еще высока — в благоприятных условиях около 0,20 цент/кВтæч. Некоторую перспективу снижения стоимости электроэнергии связывают с работой ФЭП на концентрированном солнечном излучении. При этом уменьшается удельная стоимость собственно ФЭП, но добавляется стоимость концентрирующего устройства. В этом случае оказывается целесообразным применять вместо кремния более дорогие материалы и структуры, обеспечивающие более высокий КПД. Однако такие системы пока не нашли распространения.

На юго-востоке Испании ведутся работы по созданию 5 МВт СЭС (рис. 3.13). Новое солнечное предприятие объединит 500 установок по 10 кВт каждая, общей поверхностью солнечных панелей около

350 тыс. м2. Благодаря применению двуосной системы слежения за Солнцем, индивидуальные фотоэлектрические системы будут постоянно повернуты к светилу, что позволит максимально использовать его энергию от рассвета до заката. Согласно предварительным расчетам, применение следящей системы по сравнению с неподвижными модулями позволит повысить выработку электроэнергии на 40— 45 %. Это увеличит производство электроэнергии примерно на 2000 кВтæч/год с каждого киловатта установленной мощности СЭС, что даст ежегодную прибавку в выработке электроэнергии до 10 ГВт æч [16].

Создание нового фотоэлектрического предприятия происходит на фоне принятого в Испании плана развития возобновляемой энерге-

169

Рис. 3.13. Батареи фотоэлектрического преобразователя

тики, в котором правительство поставило цель установить 400 МВт фотоэлектрических солнечных систем к 2010 г.

ВГермании введено в действие крупнейшее из создаваемых когда-либо предприятий для производства солнечных панелей. Оно построено неподалеку от уже действующего аналогичного предприятия Aleo/SMO. Его производственная мощность составляет 90 МВт, что соответствует примерно 550 тыс. модулей в год. Это количество ежегодно производимых фотоэлементов обеспечит электроэнергией около 45 тыс. человек. Создание предприятия явилось ответом не только на быстрый рост внутреннего рынка фотоэлектрических технологий Германии, но также — на стремительный рост мирового рынка этих технологий.

ВРоссии имеются достаточная научная база для развития фотоэнергетики и мощное производство, которое способно создавать любые современные солнечные фотоэлектрические установки. Экономический потенциал солнечной энергии в России сравнительно невелик, из чего следует, что сооружение СЭС с термодинамическим циклом вряд ли целесообразно. Вместе с тем условия для создания солнечных водонагревательных установок (СВУ) для горячего водоснабжения существуют практически повсеместно, особенно в теплое полугодие. Солнечное отопление с помощью систем подогрева теплоносителя в солнечных коллекторах для России экономически нецелесообразно. Малая плотность потока солнечной радиации, поступающей в холодное время года, потребовала бы непомерно больших размеров солнечных коллекторов в расчете на единицу отапливаемой площади [27]. Однако представляет интерес пассивное использование солнечного тепла за счет разумной архитектуры зданий.

170