Коровин Константин Юрьевич

Электротехнический факультет
Кафедра электрических станций
Специальность «Электрические станции»

Исследование режимов работы автономной электрической станции на базе фотопреобразователей

Научный руководитель: к.т.н., доцент Левшов Александр Васильевич

Реферат по теме магистерской работы

Содержание

Актуальность
          Цель работы и задачи исследования
          Текущее положение гелиоэнергетики Украины
          ФЭП
          Будущее отрасли
          Литература

Актуальность

Автономные электростанции являются широко востребованными в различных секторах экономики и географических регионах Украины. Сегодня энергоснабжение автономных потребителей обеспечивается в основном с помощью бензиновых и дизель-генераторов, эксплуатация которых сопряжена с большими затратами на периодический завоз топлива и обслуживание. Дополнительными негативными факторами использования таких установок являются выбросы продуктов сгорания в окружающую среду и шум. Серьезной экологической проблемой является загрязнение окружающей среды топливными контейнерами [1].

Решением этой проблемы может стать применение автономных электростанций на базе фотопреобразователей. Это обеспечит экологически чистой и дешевой энергией труднодоступных потребителей. Безусловным плюсом таких автономных электростанций является их общедоступность и минимальные затраты на обслуживание. Украина обладает неплохим потенциалом энергии солнечной радиации, сопоставимым с Европейским регионом в котором процент её использования самый высокий в мире. Для лучшей реализации таких проэктов необходимо проанализировать режимы автономных электрических станций и разработать методы по повышения их эффективности.

Цель работы и задачи исследования

Цели исследования: экспериментальным путем исследовать режимы работы автономных электростанций на базе фотопреобразователей, разработать методы повышения их эффективности, обосновать применение таких станций в Украине.

Задачи исследования:

Анализ состояния проблем и современных путей их решения.
Определение зависимости вырабатываемой солнечными элементами мощности.
Разработка методов улучшения режима работы автономных электростанций.
Расчетный эксперимент.

Текущее положение гелиоэнергетики Украины

Не секрет, что время «столпов» развития промышленности и энергетики 20-го века угля, газа и нефти подходит к концу. В 21 веке человечество активно принялось искать новые источники энергии, источники более доступные, дешевые, экологически чистые, а главное - возобновляемые. Ученые пошли разными путями: кто-то развивает идею ветроэнергетики, кто-то видит будущее в геотермальной энергии или использует отливы в океанах, кто-то занимается биоэнергией. В любом случае все усилия направлены на развитие альтернативной энергетики в мире и, безусловно, многогранность такой энергетики лишь говорит о том, что надежность получаемой энергии высока, так как исходит от разных источников. На политическом уровне так же можно увидеть поддержку на мировом уровне «Повестка дня на 21 век» [2].

Этот реферат посвящается одному из направлений нетрадиционной энергетики – гелиоэнергетике. В Украине доля нетрадиционных и возобновляемых источников в энергобалансе составляет 7,2% [4]. Отсутствие значительных запасов энергоресурсов и зачастую изношенное оборудование в отрасли, ставит страну в зависимое положение. Это приводит к ухудшению темпов роста экономики страны и ее социальной сферы. Внедрение возобновляемой энергетики в целом в Украине уже сегодня может сократить потребление природного газа до 20 млрд. м3 [5].

С недавнего времени Украина начала стимулировать развитие гелиоэнергетики, пока, правда, на законодательном уровне. В соответствии со Стратегией энергетической безопасности одним из ключевых ее направлений является развитие альтернативного энергоснабжения, использование нетрадиционных источников энергии. Также можно привести "зеленый тариф" – украинский аналог компенсационной политики стран Евросоюза. В сентябре 2008 года Верховная Рада законодательно определила данный инструмент как тариф, по которому должна закупаться электроэнергия, произведенная из альтернативных источников энергии. Принцип его заключается в том, что "зеленый тариф" предполагает цену гораздо выше, чем та, по которой продают электроэнергию традиционные производители, при этом оптовый рынок электроэнергии Украины в лице ГП "Энергорынок" обязан покупать такой товар. "Зеленый тариф" рассчитывается по следующей формуле: розничный тариф для потребителей второго класса (по которому электроэнергию на энергорынке покупают юридические лица) умножается на коэффициент "зеленого тарифа", который устанавливается индивидуально для каждого из четырех основных видов источников "зеленой" энергии (солнце, ветер, вода, биомасса).

Ожидаемого всплеска интереса к отрасли со стороны инвесторов сразу после принятия закона не случилось. Посему уже в апреле 2009 года депутаты внесли в законодательство о "зеленом тарифе" несколько весьма логичных изменений и дополнений. Во-первых, были установлены государственные гарантии для предприятий, работающих по "зеленому тарифу", на получение этого тарифа до 2030 года, при этом с каждым годом у желающих присоединиться будет все меньше привилегий. Так, коэффициент "зеленого тарифа" будет уменьшаться для объектов, построенных или существенно модернизованных после 2014 года (на 10%), 2019-го (на 20%) и 2024 года (на 30%). Во-вторых, был введен запрет отказывать в доступе к электросетям их собственникам, а также – во избежание риска прогореть – была прописана привязка размеров "зеленого тарифа" к курсу евро. Для электричества, произведенного из основных видов альтернативной энергии, вместо среднего был установлен фиксированный минимальный "зеленый тариф" [11].

Основной привлекательной чертой гелиоэнергетического оборудования является использование бесплатной и возобновляемой энергии солнца. Абсолютно неоспоримым достоинством солнечной энергии является ее общедоступность. В удаленных местах, куда дотянуть кабель от электростанций или доставить другие источники энергии очень дорого, а иногда и просто невозможно, использование солнечной энергии незаменимо.

Рисунок 1 – Принцип преобразования энергии солнечного излучения в электрическую

Развитые мировые государства и крупные энергетические концерны (BP, Shell) инвестируют значительные средства в развития солнечной энергетики и связанные с ней научные исследования [8]. В 2010 году четвертая часть мировых венчурных инвестиций, направленных в сферу чистых технологий, приходилась на солнечную энергетику. Главным географическим регионом развития рынка венчурных инвестиций является Северная Америка, 21% приходится на Европу и Израиль, привлекательными для инвестирования признали Китай и Индию, на остальные регионы приходится менее 1% [12].

В Украине, использование гелиоэнергетического оборудования усложняется наличием следующих проблем:

Высокая стоимость преобразованной солнечной энергии, которая пока не может конкурировать по цене с традиционными ее источниками, а также долгий срок окупаемости самого оборудования, иногда сопоставимый с заявленным сроком службы самого оборудования.
Низкая информированность общественности о технологиях солнечной энергии и возможностях ее использования в украинских условиях.
Отсутствие реальной государственной поддержки сектора возобновляемой энергетики в виде льгот и субсидий, а также специальных кредитов.
Рынок гелиоэнергетического оборудования насчитывает всего несколько отечественных компаний-производителей эффективных, надежных и долговечных гелиосистем.

Институтом возобновляемой энергии НАН Украины создан атлас энергетического потенциала возобновленных источников энергии, согласно которому общий потенциал энергии солнечного излучения для Украины эквивалентен 718,4*109 МВт/час в год, при этом технически достижимый потенциал составляет 345,1*107 МВт/час в год, а целесообразно экономический потенциал эквивалентен 53,8*105 МВт/час в год [9]. Таким образом, на территории Украины энергия солнечной радиации сопоставима со средними аналогичными показателями (около 1,5 тысячи кВт/час за год на каждый м2), а в некоторых случаях превышает аналогичные показатели по Европе, где использование солнечной энергии носит самый широкий характер [7].

Рисунок 2 – Солнечно-энергетические ресурсы Украины

ФЭП

В гелиоэнергетике выделим прямое превращение энергии солнечного излучения в электричество, которое осуществляется с помощью полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей (ФЭП).

Солнечные батареи – устройства, состоящие из тонких (примерно 50 мкм) пленок кремния или других полупроводниковых материалов и реализующих так называемый фотоэффект. Суть этого физического явления состоит в том, что при попадании электромагнитного излучения (в нашем случае световых и инфракрасных волн) на полупроводниковый материал с р–n проводимостью в нем поглощаются фотоны и возникает ЭДС, способная стать источником тока для любых внешних нагрузок.

Рисунок 3 – Типы фотоэлектрических преобразователей (эта анимация сделана в программе Easy GIF Animator 5.2, имеет 7 кадров с задержкой между ними 80мс, повторяется 4 раза)

На данный момент на Солнечных Электростанциях применяются различные типы ФЭП. У каждой ФЭП может быть своя структура, на основании различных видов материалов с полупроводниковыми свойствами. Но, к сожалению, не все материалы соответствуют общим требованиям относительно систем:

Повышенная надежность и работоспособность не зависимо от сроков использования.
Отсутствие проблем с поставкой необходимого материала для изготовления элементов системы в достаточном количестве. А также установка систем на линию массового производства.
Положительные сроки окупаемости в зависимости от энергозатрат на создание самой системы.
Уменьшение затрат и расхода энергии на управление системой преобразования. Комфорт в плане технического контроля и обслуживания.

В настоящее время более 80% производимых в мире солнечных фотоэлементов (ФЭП) изготавливается на основе кристаллического кремния. В 2009 г. 34% ФЭП были изготовлены на основе монокристаллического кремния, 47% - на основе поли- или мультикристаллического кремния, 1,5% - в виде микрокристаллических кремниевых лент. Около 17% мирового рынка солнечных фотоэлементов сегодня составляют ФЭП, производимые в виде тонких пленок таких материалов, как аморфный кремний, теллурид кадмия, диселенид меди и индия (CIS) и других, нанесенных на различные подложки.

В основу технологий производства монокристаллического кремния и PV-пластин на его основе положены два метода:

* метод Чохральского (Czochralski method, CZ) – выращивание монокристалла кремния из расплава поликристаллического кремния, с последующим его распилом на пластины и их полировкой;

* метод бестигельной зонной плавки (Float-Zone method, FZ) – выращивание монокристалла по направлению перемещения узкой зоны его расплава, созданной индукционным нагревом, с последующим распилом на пластины и их полировкой.

Максимальные значения эффективности фотоэлементов и модулей, достигнутые в лабораторных условиях*

Тип	Коэффициент фотоэлектрического преобразования, %
Кремниевые
Si (кристаллический)	24,7
Si (поликристаллический)	20,3
Si (тонкопленочная передача)	16,6
Si (тонкопленочный субмодуль)	10,4
III-V
GaAs (кристаллический)	25,1
GaAs (тонкопленочный)	24,5
GaAs (поликристаллический)	18,2
InP (кристаллический)	21,9
Тонкие пленки халькогенидов
CIGS (фотоэлемент)	19,9
CIGS (субмодуль)	16,6
CdTe (фотоэлемент)	16,5
Аморфный/Нанокристаллический кремний
Si (аморфный)	9,5
Si (нанокристаллический)	10,1
Фотохимические
На базе органических красителей	10,4
На базе органических красителей (субмодуль)	7,9
Многослойные
GaInP/GaAs/Ge	32,0
GaInP/GaAs	30,3
GaAs/CIS (тонкопленочный)	25,8
a-Si/mc-Si (тонкий субмодуль)	11,7
Органические
Органический полимер	5,15

* - по материалам сайта http://www.nitolsolar.com/

Материалом для ФЭП в своей магистерской работе я выбрал кремний, так как на данный момент он имеет высокий КПД и соответствует всем требованиям к системам.

В гелиоэнергеВ Украине такую продукцию производят всего несколько украинских компаний, наиболее известные из них «Квазар» и «Афрос». Остальные компании на рынке представлены в качестве посредников, которые поставляют оборудование на украинский рынок из Германии, Израиля, Китая и т.д.

В данном контексте, необходимо отметить, что в Украине имеются мощные производители полупроводникового кремния – завод чистых металлов в г. Светловодске (Кировоградская область) и завод полупроводников в г. Запорожье (предприятие «Графи-Сич») [10]. Это создает уникальные преимущества для дальнейшего освоения производства солнечных батарей внутри страны.

Будущее отрасли

Сейчас Украина стала на путь серьёзного развития альтернативных источников энергии, в частности и гелиоэнергетики. Первые шаги со стороны власти сделаны: приняты законы о «зеленом тарифе» и о развитии отрасли. Наступает время строительства новых объектов, время для прилива инвестиций в отрасли. В стране уже имеются предприятия, которые могут обеспечить оборудованием и ресурсами новые электростанции. При грамотном менеджменте и нормальном инвестиционном климате, отрасль в короткие сроки может сделать большой шаг вперед и увеличить свою долю на энергорынке Украины.

В этом плане хочется отметить, что 20 апреля 2011года в Запорожской облгосадминистрации состоялась презентация двух инвестиционных проектов по строительству солнечных электростанций на территории Приморского района. Оба проекта предусматривают строительство электростанций на солнечных батареях мощностью 10 МВт. Первый инвестиционный проект представила донецкая компания ООО «Укргелиос». Согласно проекту гелиоэлектростанция будет расположена в селе Бановка и займет участок в 48 га. Стоимость проекта – 109 млн. грн.

Второй инвестпроект презентовали представители немецкой кампании Manages energy. Стоимость проекта – 10 млн. евро (около 100 млн. грн.). Солнечная электростанция будет расположена на территории Приморска и займет 21,5 га земли. Руководство районной власти одобрило оба проекта, но с одним условием: заказчик обязан вложить в развитие социальных проектов района 4% от общей стоимости проекта [13].

Также австрийская компания Activ Solar Gmb, занимающаяся добычей кварцитов, производством кремния, монтажом солнечных энергетических систем и электростанций, еще в 2009 году получила официальное разрешение украинских властей на реализацию своего инвестиционного проекта. Планы у компании достаточно амбициозные, так как до 2012 г. запланировано построить в Крыму целых 5 гелиоэлектростанций общей мощностью в 300 мегаватт. И если проект будет полностью реализован, Крым не только сможет обеспечить внутренние потребности в электроэнергии на 30%, но и сможет "похвастаться" самыми большими солнечными электростанциями в Европе.

На сегодняшний день основные работы сосредоточены на строительстве 2-х гелиостанций, расположенных около с. Родниковое (Симферопольский р-он) и пгт. Щелкино. Специалисты австрийской компании неслучайно выбрали Крым для возведения будущих электростанций, ведь продолжительность солнечного сияния в регионе строительства (район Симферополя) составляет 2452 часа в год (около 7-ми часов/день). А это для сравнения, даже больше, чем в таких известных городах-курортах, как Евпатория и Ялта [14].

Литература:

О. С. Попель – Автономные энергоустановки на возобновляемых источниках энергии [электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.abok.ru
Повестка Дня на XXI век/ Agenda 21 [электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.un.org
Ляшков В.И., Кузьмин С.Н. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: Учебное пособие. – Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2003. – 96 с.
Энергетическая стратегия Украины до 2030 г. (19.04.06) [электронный ресурс]. – Режим доступа: http://mpe.kmu.gov.ua
Костерін В. Майбутня енергетична незалежність країни починається вже сьогодні//Дзеркало тижня. – 2006. – № 10 (589). – 18–24 берез.
Сайт о солнечной энергии [электронный ресурс]. – Режим доступа:http://solar-energy-x.pp.ua.
Бойко Б.Т., Хрипунов Г.С. – Гелиоэнергетика - будущее украины [электронный ресурс]. – Режим доступа: http://subscribe.ru
Отчёт о развитии фотоэлектрической промышленности в 2006 г. [электронный ресурс]. – Режим доступа: http://subscribe.ru
Атлас енергетичного потенціалу відновлених та нетрадиційних джерел енергії. – К.: Изд. Института возобновляемой энергетики НАН Украины, 2005. – 44 с.
Нюансы рынков полупроводникового кремния//Металл. – 2006. – №1 (73). – С.42-43.
ЗУ "Про альтернативні джерела енергії" №555-15, вiд 21.10.2008 [электронный ресурс]. – Режим доступа: http://zakon.rada.gov.ua
Каждый 4-й доллар инвестиций идет на гелиоэнергетику [электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ubr.ua
Партия регионов: Официальный сайт [электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.partyofregions.org.ua
Строительство солнечных электростанций в Крыму продолжается [электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.facepla.net

!!! При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Дата окончательного завершения работы: декабрь 2011 г. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его научного руководителя после указанной даты.