Лукутин Б.В. и др. Возобновляемая энергетика в децентрализованном электроснабжении

Подождите немного. Документ загружается.

201

Примером использования низкопотенциальных геотермальных

вод для производства электрической и тепловой энергии является эс-

кизный проект строительства на территории Томской области 12 гео-

термальных электростанций общей мощностью 12 МВт. Проект был

инициирован Региональным центром энергосбережения Томской облас-

ти в 2002 году, прошел экспертизу в Министерстве Природы и Энерге-

тики Российской Федерации и получил поддержку United Nations Jndu-

strial Development Organizatin (UNIDO) и Global Environment Facility

(DEF).

Основной целью проекта является обеспечение сельскохозяйст-

венных потребителей Томской области электроэнергией и теплом путем

использования огромных запасов геотермальных вод, залегающих прак-

тически по всей территории Томской области на глубинах 2–4 км. Про-

ведённые исследования энергетического потенциала геотермальных вод

области позволили оценить его величину в 500–1000 МВт.

Особенностью проекта является отсутствие

привязки расположе-

ния ГеоЭС к конкретному геотермальному месторождению. Обширные

территории, обладающие геотермальной энергией, позволяют учиты-

вать расположение населённых пунктов-потребителей электрической и

тепловой энергии, наличие законсервированных разведочных скважин и

другие местные особенности.

В частности, одним из перспективных населённых пунктов Том-

ской области является п. Трубачево, Бакчарского района. В непосредст-

венной

близости от посёлка имеется законсервированная скважина, со-

держащая геотермальную воду с параметрами:

– глубина залегания геотермальных вод 2500 м;

– внутрипластовая температура 105

С;

– статическое давление + 2,5 кГ/см

;

– минерализация 5–10 г/л;

– концентрация взвешенных частиц > 30 мГ/л.

Предварительные расчета показали, что опытный образец ГеоЭС,

основанный на использовании гидропаровой турбины типа Сегнерова

колеса, мощностью 30 кВт будет потреблять порядка 20 м

/час воды

температурой 100

С.

Стоимость производимой электроэнергии ожидается на уровне

стоимости энергии от дизельных электростанций.

Общая стоимость реализации всего проекта оценивается в преде-

лах 50 млн. долларов США.

202

5.2. Классификация солнечных электростанций и особенности

их применения в децентрализованном электроснабжении

Принципиально солнечные электростанции (СЭС) могут быть

двух типов: термодинамические и фотоэлектрические. Термодинамиче-

ские СЭС основаны на нагревании теплоносителя солнечным излучени-

ем с помощью специальных оптических систем с дальнейшим преобра-

зованием тепловой энергии в механическую и далее в электрическую.

Фотоэлектрические станции используют эффект прямого преоб-

разования солнечного излучения в электроэнергию, открытый

в 1839

году французским физиком Беккерелем. Фотоэлементы в большинстве

случаев представляют собой кремниевые полупроводниковые фотодио-

ды. При поглощении света полупроводниковой структурой энергия фо-

тонов передается электронам материала, что вызывает появление сво-

бодных носителей заряда. Носители заряда создают потенциальный

градиент в области р-n перехода, под воздействием которого возникает

электрический ток через электроприёмники. Типичная

величина разно-

сти потенциалов – 0,5 В, плотность фототока – 200 А/м

при удельной

мощности солнечного излучения 1 кВт/м

Концепция термодинамических СЭС была разработана в 50-х го-

дах прошлого века. Практическая реализация таких электростанций по-

лучила распространение в 70–80 годах.

Преобразование солнечного излучения в тепловую энергию теп-

лоносителя может быть осуществлено по трём принципам: применение

рассредоточенных коллекторов, использование системы с центральной

солнечной башней, построение солнечного коллектора с центральной

трубой.

Солнечные

электростанции с рассредоточенными коллекторами

имеют на сегодняшний день наибольшее распространение. Преобразо-

вание солнечного излучения в тепловую энергию теплоносителя осуще-

ствляется множеством сравнительно небольших концентрирующих

коллекторов, каждый из которых независимо ориентируется на солнце.

Концентраторы имеют зеркальную отражательную поверхность парабо-

лической формы. В фокусе концентраторов устанавливается приемное

устройство, в котором солнечная энергия передаётся

жидкости-

теплоносителю. Нагретая жидкость от всех коллекторов консолидиру-

ется, и ее тепловая энергия используется для получения механической

энергии в соответствующих тепловых двигателях.

В качестве теплоносителя может использоваться вода, которая

под воздействием концентрированного солнечного излучения преобра-

зуется в пар, используемый в паровой турбине. Часто теплоносителями

203

в солнечном контуре являются различные химические вещества с высо-

кой теплоемкостью и температурой кипения (например, натрий, диссо-

циированный аммиак, углеводородный оксид дифениля и др.). В по-

следнем случае в состав СЭС входит теплообменник, предназначенный

для получения водяного пара во вторичном контуре. Далее пар высоко-

го давления поступает на лопатки турбины, которая

вращает турбогене-

ратор. Использованный пар после турбины концентрируется и возвра-

щается в энергетический блок, где вода вновь преобразуется в пар.

В течение летних месяцев СЭС, построенная южнее 45

северной

широты, может работать по 10–12 часов в день с номинальной мощно-

стью. Однако темное время суток и сезонные колебания продолжитель-

ности светового дня определяют необходимость дублирующих энерге-

тических установок на органическом топливе. Часто, для согласования

мощностей СЭС и потребителей электроэнергии, в состав станции вво-

дят накопители тепловой энергии, позволяющие эффективно

покрывать

энергопотребление в часы максимальных нагрузок.

СЭС с параболическими зеркалами на сегодня представляют са-

мый распространенный тип электростанций, мощность которых дости-

гает 80 МВт с ближайшей перспективой строительства станций на

мощности 160 и 320 МВт.

В солнечных электростанциях башенного типа оптическая систе-

ма представляет собой комплекс однотипных, автономно ориентируе-

мых зеркал-гелиостатов. Приемник концентрированного

солнечного из-

лучения устанавливается на башне. Дальнейшие преобразования тепло-

вой энергии в электрическую осуществляются аналогично энергопреоб-

разованию на тепловых электростанциях.

В эксплуатационно-техническом плане СЭС башенного типа ме-

нее зрелы, чем станции с рассредоточенными коллекторами. Однако в

течение последних двадцати лет были построены экспериментальные

станции во многих странах: США, Японии,

Испании, Италии, Франции

и др. Проводятся исследования процессов энергопреобразования во всех

элементах СЭС, в том числе и перспективных типов тепловых машин,

таких как двигатели Стерлинга, Брайтона.

Разновидностью СЭС термодинамического типа является элек-

тростанция в виде «солнечной трубы», проект которой был разработан в

начале 80-х годов XX века. Идея такой электростанции состоит в

нагре-

вании большого объема воздуха, находящегося под солнечным коллек-

тором большой площади. Нагретый воздух поднимается и засасывается

в трубу, где создается устойчивый воздушный поток, вращающий аэро-

генератор.

204

Для получения приемлемых технико-экономических характери-

стик такой СЭС «солнечная труба» должна быть очень больших разме-

ров. Так, опытный образец станции с номинальной мощностью 50 кВт,

построенный и успешно проработавший 7 лет в Испании, имел диаметр

крыши-коллектора 240 м и высоту трубы 197 м.

Следует отметить, что подобные СЭС хорошо сочетаются с сель-

скохозяйственным

производством – например с теплицами, что позво-

ляет повышать их экономические показатели.

Основными путями совершенствования термодинамических СЭС

сегодня являются:

– увеличение единичной мощности станций;

– улучшение их экологических характеристик, достигаемых пу-

тем замены дублирующих ТЭС накопителями тепловой энергии;

– повышение энергоэффективности основных элементов солнеч-

ных электростанций, что в конечном итоге определяет снижение стои

мости производимой ими электроэнергии.

В целом СЭС термодинамического типа целесообразны для при-

менения в «большой» системной энергетике. Такие станции производят

достаточно дешевую электроэнергию (8–10 центов за кВт

⋅ч), сопоста-

вимую по цене с электроэнергией экологически чистых ТЭС.

Рис. 64. Структурная схема фотоэлектростанции: 1 – солнечные панели; 2 – диоды;

3 – контроллер пиковой мощности; 4 – контроллер зарядного тока; 5 – ключ;

6 – автономный инвертор; 7 – зарядное устройство;

8 – аккумуляторная батарея; 9 – нагрузка

Фотоэлектрическая станция, кроме собственно фотопреобразова-

теля – солнечной панели, содержит аккумуляторную батарею с заряд-

ным устройством, инвертор для преобразования постоянного напряже-

3 1 1

205

ния в переменное стандартной частоты и другие вспомогательные эле-

менты. Основные элементы фотоэлектрической системы показаны на

рис. 64

[5].

Солнечные панели 1 выдают электроэнергию в соответствии с ин-

тенсивностью солнечного освещения. Контроллер 3 обеспечивает ре-

жим генерирования максимума мощности для текущих климатических

условий, коммутирующее устройство 5 обеспечивает подключение вы-

хода панелей к инвертору 6, питающему нагрузки переменного тока 9.

Избыточная мощность через зарядное устройство 7 аккумулируется в

аккумуляторной батарее 8. При отсутствии солнечного света нагрузка

питается

от аккумулятора. Диод в цепи аккумуляторной батареи защи-

щает ее от избыточного заряда, а диоды в цепи солнечных панелей не

позволяют аккумулятору разряжаться на панель при отсутствии осве-

щения.

Собственно солнечные

панели представляют собой

группы из нескольких фото-

электрических модулей, со-

единенных последовательно-

параллельно для получения

требуемых мощности и на-

пряжения

. Модуль, в свою

очередь, объединяет не-

сколько солнечных ячеек –

фотоэлементов. Обычно

мощность ячейки около 1 Вт,

размер – несколько квадрат-

ных миллиметров.

Большинство фотоэлементов представляет собой кремниевые по-

лупроводниковые фотодиоды. При облучении полупроводниковой

структуры внешним источником света, энергия полученных фотонов

передается электронам, что вызывает появление свободных носителей

электрического заряда, разделенных p-n переходом. Носители

заряда:

электроны и дырки создают потенциальный градиент в области перехо-

да и создают ток при наличии внешней электрической цепи.

Энергетические характеристики фотоэлементов, главным обра-

зом, определяются следующими факторами: интенсивностью солнечно-

го освещения, величиной нагрузки, рабочей температурой.

Влияние интенсивности солнечного освещения на вид вольт-

амперной характеристики солнечного модуля иллюстрируется кривыми,

показанными на

рис. 65.

0,5

50% освещенности

100% освещенности

Рис. 65. Вольт-амперные характеристики

модуля при различной интенсивности

солнечного освещения

206

При снижении интенсивности солнечного излучения вольт-

амперная характеристика фотоэлемента сдвигается вниз, что определяет

значительное снижение тока короткого замыкания. Напряжение холо-

стого хода при этом уменьшается незначительно.

Величиной, оказывающей влияние на интенсивность облучения

фотоэлектрической панели, является угол падения солнечных лучей на

ее поверхность. Если обозначить через

Q угол падения лучей, отложен-

ный от нормали приемной поверхности панели, то зависимость тока на-

грузки, вызываемого солнечной батареей, от величины

Q имеет коси-

нусоидальный характер

I = I

·cosQ, где I

– максимальный ток панели,

облучаемой перпендикулярно падающими световыми лучами. Указан-

ная зависимость, называемая косинусом Kelly, дает удовлетворитель-

ный результат для углов

Q в диапазоне от 0 до 50

. С дальнейшим уве-

личением

Q выходные параметры фотопреобразователя заметно откло-

няются от косинусоидальной зависимости и при

Q = 85

ячейка пре-

кращает генерировать электроэнергию.

Следует отметить, что

коэффициент полезного дей-

ствия фотопреобразователя

мало зависит от интенсивно-

сти солнечной радиации в ра-

бочем диапазоне. Данная за-

висимость представлена гра-

фически на рис. 66. По графи-

ку видно, что в диапазоне из-

менения интенсивности сол-

нечного излучения 800–1000

Вт/м

эффективность фото-

преобразования меняется не-

значительно

[5]. Следователь-

но, мощность фотоэлектриче-

ского модуля в облачный день снижается по сравнению с солнечным

только из-за меньшей солнечной энергии, падающей на приемную по-

верхность фотопреобразователя. Обычно, при небольшой облачности,

солнечная панель может выдавать до 80% своей максимальной мощно-

сти. В пасмурную погоду эта величина снижается до 30%.

Для солнечных панелей большой

площади, состоящих из множе-

ства последовательно-параллельно соединенных ячеек, следует учиты-

вать теневой эффект, возникающий при частичном затемнении панели.

Если ячейка в последовательной цепи полностью затенена, то она из ис-

Рис. 66. Зависимость эффективности

фотопреобразования от интенсивности

солнечного освещения

50%

100%

солнечная радиация

500

Вт/м

1000

207

точника мощности превращается в потребителя. Из-за последователь-

ной связи с освещенными ячейками в цепи протекает ток, разогреваю-

щий затененную ячейку мощностью потерь, выделяющейся на ее внут-

реннем сопротивлении.

Таким образом, происходит снижение электрической мощности,

снимаемой с панели.

Для минимизации отрицательного влияния теневого эффекта на

энергетику солнечной панели последовательную цепь фотоэлектриче

ских модулей делят с помощью обходных диодов (рис. 67) на несколько

коротких участков.

Рис. 67. Схема включения обходных диодов

В результате ток последовательной цепи «обходит» затененный

участок по диоду, и теряется только часть мощности. Режим работы ос-

вещенной части панели практически не изменяется.

Выходные параметры солнечного модуля зависят от температуры.

С нагреванием модуля происходит уменьшение напряжения холостого

хода и увеличение тока короткого замыкания. При увеличении темпера-

туры на

ΔТ значения тока и напряжения можно определить по выраже-

нию

[6]:

= Io (1 + αΔT); U

= Uo (1 – βΔT),

где I

, U

– ток короткого замыкания и напряжение холостого хода при

температуре

Т; α и β – температурные коэффициенты напряжения и то-

ка (

α ≅ 0,07%/град; β ≅ 0,4%/град). В целом зависимость мощностной

характеристики солнечного модуля от температуры иллюстрируется

кривыми, показанными на рис. 68.

208

Следовательно, генерируемая модулем мощность увеличивается

при более низкой температуре. Однако максимуму мощности при раз-

личных температурах соответствуют различные напряжения. Для уст-

ранения этого недостатка фотоэлектростанция должна снабжаться регу-

лятором напряжения. Величина нагрузки солнечной батареи в значи-

тельной степени влияет на величину снимаемой с нее мощности. Рабо-

чая точка фотоэлектрической панели может

быть определена как точка

пересечения ее вольт-амперной характеристики с вольт-амперной ха-

рактеристикой нагрузки. Точно также может быть определена рабочая

точка на пересечении энергетических характеристик фотопреобразова-

теля и нагрузки. Вид рабочих характеристик системы показан на рис.

69. Очевидно, что максимальную мощность можно снять с солнечной

батареи на нагрузку с сопротивлением

Солнечные элементы на

основе кремния имеют КПД

12–15%. КПД лабораторных

образцов достигает 23% [5].

Мировое производство сол-

нечных элементов превышает

50 МВт в год и увеличивается

ежегодно на 30% [7].

Каскадное соединение

модульных фотопреобразова-

телей позволяет построить

фотоэлектрические станции

(ФЭС) на мощности до сотен кВт. Общая площадь солнечной панели,

требуемой для получения необходимой мощности энергоустановки

оп-

ределяется исходя из приведенных выше значений КПД фотопреобра-

зования и удельного уровня электрической освещенности поверхности

солнечной батареи, которая зависит от времени суток, широты местно-

сти, метеоусловий, расположения поверхности фотопреобразователя

относительно солнечного излучения и др.

Исходными данными для определения экономической эффектив-

ности использования солнечных электростанций (СЭС) являются:

– среднемесячная дневная

энергетическая освещенность Е

(кВт/м

);

– средние годовые суммы суммарной радиации на горизонталь-

ную поверхность

год

, кВт⋅ч/м

;

– среднемесячные суммы суммарной радиации на горизонтальную

поверхность

мес

, кВт⋅ч/м

Рис. 68. Зависимость мощностной

характеристики солнечного модуля от

температуры

min

мощность

напряжение

max

209

Технически приемлемый уровень солнечной радиации в на-

стоящее время может быть определен из выражения:

Е ≥ 0,2 кВт/м

Основу любой СЭС составляют фотоэлектрические модули, сред-

няя удельная стоимость которых составляет 100–140 руб/Вт

[8].

Рис. 69. Вольт-амперные и энергетические характеристики

фотоэлектрических систем: R

, R

– сопротивления нагрузок

Для производства электрической энергии переменного тока стан-

дартных параметров, кроме собственно фотоэлектрического преобразо-

вателя, необходим полупроводниковый преобразователь постоянного

напряжения, накопитель электроэнергии – аккумуляторная батарея, со-

гласующие устройства, коммутационная аппаратура и др. Удельная

стоимость полнокомплектной СЭС соответственно возрастает до

уст.уд

= 240000–300000 руб/кВт установленной мощности.

Полная стоимость комплектного оборудования СЭС определяется

из выражения:

уст

уст.уд

⋅Р

СЭС

К капитальным затратам на СЭС следует также отнести стоимость

проектных

пр

и строительных

стр

работ по определению место-

расположения и установки станции на местности.

Для определения требуемой мощности фотопреобразователей це-

лесообразно использовать данные не о полной установленной мощности

потребителей электроэнергии объекта электроснабжения

Р, а о средне-

суточном потреблении электроэнергии

210

Эксплуатация автономной ФЭС в режиме многолетней непрерыв-

ной работы предполагает отсутствие периодической подзарядки АБ от

внешнего источника. В этом случае солнечная батарея – единственный

источник энергии в системе, который при минимуме ее пиковой мощ-

ности должен полностью обеспечить электроэнергией автономный объ-

ект.

Для определения мощности СЭС необходимо рассчитать общее

количество электроэнергии, которое

может выработать один солнечный

модуль за расчетный промежуток времени. Для расчета потребуется

значение солнечной радиации, которое берется в период работы стан-

ции, когда солнечная радиация минимальна

мес

. В случае круглого-

дичного использования – это декабрь.

Определив значение солнечной радиации за интересующий нас

период и разделив его на 1000, получим так называемое количество пи-

кочасов, т. е., условное время, в течение которого солнце светит как бы

с интенсивностью 1000 Вт/м

Модуль мощностью

в течение выбранного периода выработает

следующее количество энергии:

1000

= , кВт⋅ч,

где Е – значение инсоляции за выбранный период, кВт⋅ч/м

; k – коэф-

фициент, учитывающий поправку на потерю мощности солнечных эле-

ментов при нагреве на солнце, а также наклонное падение лучей на по-

верхность модулей в течение дня.

Величина

k принимается равной 0,5 летом и 0,7 в зимний период.

Разница в его значении зимой и летом обусловлена меньшим нагревом

элементов в зимний период.

Полная мощность модулей СЭС определяется из выражения:

W⋅

СЭС

, кВт,

где

W – среднесуточное потребление электроэнергии объектом элек-

троснабжения, кВт

⋅ч.

В таблице 34 даны месячные и суммарные годовые значения сол-

нечной радиации (кВт·ч/м

) для основных регионов России, а также с

градацией по различным ориентациям световоспринимающей плоско-

сти.