- Солнечные фотоэлектрические станции и солнцезащитные сооружения
В. Г. Никифоров, В. Н. Потапов, С. В. Рябиков, Д. С. Стребков
Развитие фотоэлектрической энергетики основывается на следующих факторах, характерных для солнечных фотоэлектрических станций (СЭС) с полупроводниковыми фотопреобразователями (ФП): возможность автономного получения электроэнергии практически в любом географическом районе, высокая надежность, длительный ресурс работы во всех климатических зонах без заметной деградации выходных параметров, независимость к.п.д. преобразования от величины генерируемой мощности, автономность функционирования в течение длительного промежутка времени, экологическая чистота источника энергии [7—10].
Экономически оправданным является применение СЭС для питания автономных потребителей малой мощности (до нескольких киловатт), работающих в автоматическом режиме в районах, удаленных от сети централизованного энергоснабжения. Для энергоснабжения таких потребителей используются дизельные электростанции и бензоэлектроагрегаты, сменные аккумуляторы и гальванические элементы [11, 12].
Основной проблемой фотоэлектрической энергетики является снижение стоимости установленной мощности и электроэнергии СЭС. Стоимость электроэнергии, вырабатываемой наземными СЭС из кремния, в 20—50 раз дороже, чем у атомных электростанций; разница в стоимости может быть компенсирована как за счет снижения стоимости полупроводниковых материалов и автоматизации производства, так и за счет использования концентраторов солнечного излучения [13, 14].
Разрабатывают три типа СЭС: энергоустановки мощностью 1—10 кВт для жилых зданий, местные системы средней мощности 100 кВт — 10 МВт и центральные станции мощностью 50—1000 МВт [10].
Особый интерес представляют системы солнечного энергообеспечения зданий. На крышу одноквартирного дома площадью 100 м2 в зависимости от времени года в средних широтах поступает 200—700 кВт· ч солнечной энергии в сутки. В наиболее холодные зимние месяцы энергозатраты на обогрев хорошо изолированных домов составляют 60 -200 кВт· ч/сут, а затраты электроэнергии около 20 кВт-ч/сут. Таким образом, расположенная на крыше здания СЭС с электрическим к.п.д. 10—15% и тепловым к.п.д. 30—50%, которая имеет систему аккумулирования или дублер в виде энергосистемы на случай ненастной погоды, обеспечила бы все энергетические потребности «солнечного» дома [9, 10].
Для «солнечных» домов выработка тепловой энергии должна в 1,5—3 раза превышать производство электроэнергии. Поскольку стоимость электрической энергии в 5—6 раз дороже тепловой, целесообразно использовать комбинированные СЭС для энергоснабжения зданий теплотой и электрической энергией.
При анализе технико-экономических показателей стоимости СЭС следует учитывать зависимость стоимости электроэнергии от к.п.д. Если расход на подсистемы аккумулирования и инвертор на единицу площади ФП пропорционален к.п.д., то затраты на герметизацию, монтаж и фундаменты не зависят или обратно пропорциональны к.п.д. Отсюда ясна неэкономичность СЭС с низким к.п.д. По общепринятым оценкам СЭС с к.п.д. ФП менее 10% являются экономически неприемлемыми.
3.2.1. Выбор материала фотопреобразователей.
В проектах, в которых рассматривается возможность применения в наземной энергетике фотоэлектрического метода преобразования солнечной энергии, указывается, что СЭС большой мощности будут представлять собой энергетические поля из ФП, а для снижения стоимости СЭС предлагается использовать вместо монокристаллического кремния более дешевые аморфные, поликристаллические или органические полупроводники.
Основная тенденция развития фотоэлектрической энергетики заключается в замене монокристаллического кремния его поликристаллической и аморфной модификацией. В будущем каскадные, многопереходные и пленочные ФП будут играть доминирующую роль, а монокристаллические материалы в виде тонких слоев будут использоваться в основном для создания каскадных ФП, в преобразователях концентрированного излучения и в ряде других областей.
Важным вопросом является выбор полупроводниковых и конструкционных материалов для СЭС. В табл. 3.3. представлены данные о содержании в земной коре, о мировом производстве и стоимости некоторых полупроводников и металлов, применяемых при изготовлении СЭС Чтобы обеспечить ежегодный прирост мировых энергетических ресурсов на 5%, необходимо изготавливать 200 км/г ФП с к.п.д. 10%. Принимая толщину материала 3 мкм, плотность 104 кг/м3 и объем применения материала для СЭС в размере 10% общего объема выпуска, получим требуемый общий объем годового производства материала 108 кг/г [15].
Из этих данных следует, что германий, кадмий и галлий не могут быть использованы даже в пленочном исполнении в крупномасштабной солнечной энергетике. Существуют экологические проблемы, связанные с переработкой и использованием большого количества кадмия и мышьяка. Кремний, алюминий и железо в качестве материала для концентраторов, опорно-поворотных конструкций, солнечных элементов и контактов являются более предпочтительными. Учитывая высокий к.п.д. и температурную стабильность параметров, можно ожидать расширение областей применения ФП на основе гетероструктур GaAs — GaAlAs (ГПФ) с концентраторами.
3.2.2. Солнечные электростанции с концентраторами.
Одним из перспективных путей снижения стоимости электроэнергии, получаемой от СЭС, и повышения к.п.д. ФП является использование концентраторов солнечного излучения. В этом случае СЭС будут иметь вид полей из отражателей, концентрирующих солнечную энергию на приемниках из монокристаллических ФП.
Для создания ФП, эффективно работающих при сильном освещении, используют кремний и арсенид галлия. Для снижения потерь на коммутацию и повышения надежности целесообразно использовать высоковольтные фотоэлектрические преобразователи (ВФП) концентрированного излучения. ВФП можно изготавливать как из кремния, так и из арсенида галлия и других полупроводниковых материалов.
Увеличение к.п.д. при сильном освещении в основном определяется увеличением напряжения ФП и представляется выражением [13—16]
(3-57)
где η н V — к.п.д. и фото-э.д.с при нормальной освещенности; А — коэффициент, учитывающий отклонение ВАХ от идеальной; х — кратность увеличения освещенности по отношению к нормальной 1000 Вт/м2.
СЭС, работающая на энергосистему, имеет три основных блока: блок полупроводниковых преобразователей энергии, блок зеркальных отражателей, фокусирующих солнечную энергию на энергоблоке, и блок управления и автоматики. Для автономных потребителей необходима система аккумулирования энергии.
Поскольку СЭС должна быть оптимизирована по стоимости всех входящих в нее элементов, целесообразно рассмотреть теоретические зависимости стоимости 1 кВт установленной мощности от удельной мощности и к.п.д. при различной стоимости 1 м2 ФП и концентратора. Задавшись к.п.д. СЭС и стоимостью 1м2 ФП и отражателей, можно подсчитать стоимость 1 м2 ФП и отражателя в расчете на 1 кВт мощности СЭС (рис. 3.6, 3.7).
Солнечные фотоэлектрические водоподъемные установки с концентрацией 5—10 и солнечные батареи для космических аппаратов [7] имеют удельную мощность 0,05—0,5 кВт/м2 (заштрихованная область АС на рис. 3.6). Точка В соответствует американскому проекту Глазера космической гелиостанции на 10 млн. кВт. Современная стоимость 1 кВт мощности для рассмотренных станций составляет 10 000—500 000 руб., что для большой энергетики экономически неприемлемо.
Снижение стоимости 1 кВт мощности ФП до 100 руб. возможно, если удельная мощность ФП превышает 10 кВт/м2 (область ДЕ, см. рис. 3.6). Концентрация 100 (точка Е) соответствует современному состоянию стоимости кремниевых ФП. Концентрация 1000 (точка Д) соответствует оптимальной области использования ГФП на основе арсенида галлия.
Общая стоимость солнечного фотоэлектрического модуля с концентратором определяется выражением
(3.58)
где Ск и Сфп — стоимости единицы площади концентратора и ФП. Первое слагаемое в формуле (3.58) представляет эмпирическую зависимость стоимости концентратора от степени концентрации X, ао — коэффициент, учитывающий стоимость конструкции и технологии изготовления концентратора ао= 0,5— 1,5.
Общая стоимость имеет минимум при
(3-59)
Расчет по формулам (3.58), (3.59) при Ск=40 руб/м2, СФП=1600 руб/м2 для ФП из кремния и 40 000 руб/м2 для ГФП, ао= 1 дает Хо=40 для кремния и Хо=1000 для ГФП.
Хотя пока не существует СЭС с параметрами, соответствующими области ДЕ, очевидно, что работы по созданию СЭС с такими параметрами наиболее перспективны для большой энергетики.
При снижении к.п.д. площадь отражателя, необходимая для получения 1 кВт мощности, увеличивается и, соответственно, возрастает его стоимость (см. рис. 3.7). Максимальный вклад отражателя в стоимость СЭС при к.п.д. 10% составляет 400—1200 руб/кВт, при к.п.д. 20% — 200—600 руб/кВт. Если предположить, что блок управления и автоматики имеет такую же стоимость, то суммарная стоимость 1 кВт мощности СЭС даже при существующей стоимости кремния становится соизмеримой с показателями атомных электростанций.
Из анализа экономических показателей СЭС следует, что к.п.д. ФП при заданной удельной мощности не повлияет на стоимость энергоблока, а скажется только на площади и стоимости отражающих зеркал, фокусирующих солнечное излучение. Поскольку стоимость единицы площади зеркала на три порядка меньше стоимости кремниевых ФП, а солнечная энергия является бесплатной, главным показателем СЭС следует считать удельную мощность ФП при работе с концентраторами, т.е. способность ФП сохранять к.п.д. при увеличении освещенности. Если к.п.д. СЭС при увеличении удельной мощности ФП не сохранится, то суммарная стоимость ФП и отражателей имеет минимум, который с увеличением к.п.д. сдвигается в сторону больших удельных мощностей. Если же к.п.д. не зависит от удельной мощности, то верхний предел удельной мощности и освещенности будет определяться не снижением стоимости ФП, а возможностями создания экономичных высокоточных концентраторов и обеспечения охлаждения энергоблока.
По конструкции разрабатываемые СЭС с концентраторами можно разделить на два типа: СЭС с полем гелиостатов и центральным приемником и СЭС, содержащие энергетические поля из распределенных фотоприемников и концентраторов. СЭС с полем гелиостатов содержит установленные в несколько рядов ориентируемые гелиостаты, отражающие солнечное излучение на приемник, расположенный на центральной башне. Лучи от всех гелиостатов собираются на приемнике и концентрация излучения равна числу гелиостатов в электростанции. Особенностью такой конструкции СЭС является сложность изготовления и эксплуатации приемника, установленного на башне на большой высоте, а также низкий коэффициент использования площади гелиостатов и поверхности приемника. При перемещении Солнца используется только часть гелиостатов в утренние, полуденные и вечерние часы.
На рис. 3.8, 3.9 показаны принципиальная и оптическая схемы солнечной электростанции с полем гелиостатов [34]. СЭС содержит установленные в несколько рядов ориентируемые гелиостаты 1, отражающие солнечное излучение на приемник 2. Между гелиостатами 1 и приемником 2 установлены под углом β'=5—20° друг к другу фоконы (фоклины) с параметрическим углом γ0=10—30°, а угол ω между нормалями n1 и n2 к гелиостатам, расположенным в крайних рядах, равен параметрическому углу γ0. В зависимости от типа приемника выбирается дополнительное отражающее устройство — фоклин или фокон.
Гелиостаты установлены в несколько рядов в направлении с запада на восток на склоне горы и ориентированы на юг. Приемник 2 расположен в фокальной области на выходе фоклинов (фоконов), суммарная длина которых равна одному из размеров поля гелиостатов.
Рис. 3.5. Зависимости к.п.д различных типов коллекторов от температурного перепада 1 — плоский коллектор с одинарным остеклением, 2 — плоский коллектор с двойным остеклением; 3 — фокусирующий коллектор на базе ПЦ фоклина с концентрацией K=3
Рис. 3.6. Зависимость стоимости ФП в расчете на 1 кВт мощности СЭС от удельной мощности ФП при различной стоимости 1 м2 ФП, тыс. руб/м2
АС — солнечная батарея с обычными ФП; В — проект Глэзера, DE — СЭС с концентраторами
Рис. 3.7. Зависимость стоимости отражателя в расчете на 1 кВт мощности СЭС от к.п.д СЭС при различной стоимости I м2 отражателя, руб/м2 ДЕ — СЭС с концентраторами
Рис 3.8. Общий вид СЭС с полем гелиостатов 1 — гелиостат, 2 — фотоприемник, 3 — фоконы (фоклины)
Рис. 3.9 Оптическая схема СЭС
Ίι, п2, п3 — нормали к плоскости гелиостатов, / — гелиостат, 2 — фокон (фоклин)
Рис. 3.10. Ход лучей в СЭС для восходящего и заходящего солнца (1 и 2 — то же, что на рис 3.9)
Рис 3.11. Ход лучей в СЭС для полуденного солнца (1 и 2 — то же, что на рис. 3 9)
Для солнечных электростанций с концентраторами электрической мощностью до 10 кВт, предназначенных для получения электрической и тепловой энергии, целесообразно использовать концентрирующие системы с одноосной ориентацией, с оптической осью, расположенной в направлении восток—запад, например, фоконы (фоклины), линейные линзы Френеля или параболоцилиндрические концентраторы. Электрическая энергия СЭС в этом случае используется для питания, освещения, электрических насосов, блоков автоматики в системах горячего водоснабжения и отопления, бытовой электрорадиоаппаратуры.
При дальнейшем увеличении мощности предпочтительнее оказываются конструкции СЭС с гелиостатами и неподвижными приемниками, объединенными в одном блоке с тепловым аккумулятором, насосами и теплорегулирующей аппаратурой. В этом случае СЭС может выполнять функции теплоэлектроцентрали, обслуживающей крупный административный, общественный центр или группу жилых зданий. Однако для личных сельских домов целесообразно использовать индивидуальные комбинированные установки.
