Магистр ДонНТУ Коровин Константин Юрьевич

Коровін Костянтин Юрійович

Електротехнічний факультет
Кафедра електричних станцій
Спеціальність «Електричні станції»

Дослідження режимів роботи автономної електричної станції на базі фотоперетворювачів

Науковий керівник: к.т.н., доцент Левшов Олександр Васильович

Реферат за темою магістерської роботи

Зміст

Актуальність
          Мета роботи і завдання дослідження
          Поточне положення геліоенергетики Україні
          ФЕП
          Майбутнє галузі
          Література

Актуальність

Автономні електростанції є широко затребуваними в різних секторах економіки та географічних регіонах Україні. Сьогодні енергопостачання автономних споживачів забезпечується в основному за допомогою бензинових і дизель-генераторів, експлуатація яких пов'язана з великими витратами на періодичний завезення палива та обслуговування. Додатковими негативними факторами використання таких установок є викиди продуктів згоряння в навколишнє середовище і шум. Серйозною екологічною проблемою є забруднення навколишнього середовища паливними контейнерами [1].

Вирішенням цієї проблеми може стати застосування автономних електростанцій на базі фотоперетворювачів. Це забезпечить екологічно чистою і дешевою енергією важкодоступних споживачів. Безумовним плюсом таких автономних електростанцій є їх загальнодоступність й мінімальні витрати на обслуговування. Україна володіє непоганим потенціалом енергії сонячної радіації, порівнянними з Європейським регіоном у якому відсоток її використання найвищий у світі. Для кращої реалізації таких проектів необхідно проаналізувати режими автономних електричних станцій і розробити методи по підвищення їх ефективності.

Мета роботи і завдання дослідження

Цілі дослідження: Дослідити режими роботи автономних електростанцій на базі фотоперетворювачів, розробити методи підвищення їх ефективності, обгрунтувати застосування таких станцій в Україну.

Завдання дослідження:

Аналіз стану проблем й сучасних шляхів їх вирішення.
Визначення залежності вироблюваної сонячними елементами потужності.
Розробка методів поліпшення режиму роботи автономних електростанцій .
Розрахунковий експеримент .

Поточне положення геліоенергетики Україні

Не є таємницею, що час «стовпів» розвитку промисловості та енергетики 20-го століття вугілля, газу і нафти добігає кінця. У 21 столітті людство активно почало шукати нові джерела енергії, джерела більш доступні, дешеві, екологічно чисті, а головне – поновлювані. Учені пішли різними шляхами: хтось розвиває ідею вітроенергетики, хтось бачить майбутнє в геотермальної енергії або використовує відливи в океанах, хтось займається біоенергією. У будь-якому випадку всі зусилля спрямовані на розвиток альтернативної енергетики в світі і, безумовно, багатогранність такої енергетики лише говорить про те, що надійність отримуваної енергії висока, тому що виходить від різних джерел. На політичному рівні так само можна побачити підтримку на світовому рівні «Порядок денний на 21 століття» [2].

Цей реферат присвячується одному з напрямів нетрадиційної енергетики – геліоенергетики. В Україні частка нетрадиційних і поновлюваних джерел в енергобалансі становить 7,2% [4]. Відсутність значних запасів енергоресурсів і часто зношене обладнання в галузі, ставить країну в залежне становище. Це призводить до погіршення темпів проста економіки країни та її соціальної сфери. Впровадження відновлюваної енергетики в цілому в Україні вже сьогодні може скоротити споживання природного газу до 20 млрд. м3 [5].

З недавнього часу Україну початку стимулювати розвиток геліоенергетики, поки, щоправда, на законодавчому рівні. Відповідно до Стратегії енергетичної безпеки одним з ключових її напрямків є розвиток альтернативного енергопостачання, використання нетрадиційних джерел енергії. Також можна навести "зелений тариф" – український аналог компенсаційної політики країн Євросоюзу. У вересні 2008 року Верховна Рада законодавчо визначила даний інструмент як тариф, за яким повинна закуповуватися електроенергія, вироблена з альтернативних джерел енергії.Принцип його полягає в тому, що "зелений тариф" передбачає ціну набагато вище, ніж та, за якою продають електроенергію традиційні виробники, при цьому оптовий ринок електроенергії України в особі ДП "Енергоринок" зобов'язаний купувати такий товар. "Зелений тариф" розраховується за наступною формулою: роздрібний тариф для споживачів другого класу (по якому електроенергію на енергоринку купують юридичні особи) множиться на коефіцієнт "зеленого тарифу", який встановлюється індивідуально для кожного з чотирьох основних видів джерел "зеленої" енергії (сонце, вітер, вода, біомаса).

Очікуваного сплеску інтересу до галузі з боку інвесторів відразу після прийняття закону не сталося. Тому вже в квітні 2009 року депутати внесли в законодавство про "зелений тариф" кілька дуже логічних змін і доповнень. По-перше, були встановлені державні гарантії для підприємств, які працюють за "зеленим тарифом", на отримання цього тарифу до 2030 року, при цьому з кожним роком у бажаючих приєднатися буде все менше привілеїв. Так, коефіцієнт "зеленого тарифу" буде зменшуватися для об'єктів, побудованих або суттєво модернізованих після 2014 року (на 10%), 2019-го (на 20%) і 2024 року (на 30%). По-друге, було введено заборону відмовляти в доступі до електромереж їх власникам, а також – щоб уникнути ризику прогоріти - була прописана прив'язка розмірів "зеленого тарифу" до курсу євро. Для електрики, виробленої з основних видів альтернативної енергії, замість середнього було встановлено фіксований мінімальний "зелений тариф" [11] .

Основною привабливою рисою геліоенергетичного обладнання є використання безкоштовної та відновлюваної енергії сонця. Абсолютно незаперечним достоїнством сонячної енергії є її загальнодоступність. У віддалених місцях, куди дотягнути кабель від електростанцій або доставити інші джерела енергії дуже дорого, а іноді й просто неможливо, використання сонячної енергії незамінне.

Рисунок 1 - Принцип перетворення енергії сонячного випромінювання в електричну

Розвинені світові держави і великі енергетичні концерни (BP, Shell) інвестують значні кошти в розвитку сонячної енергетики та пов'язані з нею наукові дослідження [8]. У 2010 році четверта частина світових венчурних інвестицій, спрямованих в сферу чистих технологій, припадала на сонячну енергетику. Головним географічним регіоном розвитку ринку венчурних інвестицій є Північна Америка, 21% припадає на Європу і Ізраїль, привабливими для інвестування визнали Китай та Індію, на решту регіонів припадає менше 1% [12].

В Україні, використання геліоенергетичного обладнання ускладнюється наявністю наступних проблем:

Висока вартість перетвореної сонячної енергії, яка поки що не може конкурувати за ціною з традиційними її джерелами, а також довгий термін окупності самого обладнання, іноді порівнянний із заявленим терміном служби самого устаткування.
Низька інформованість громадськості про технології сонячної енергії та можливості її використання в українських умовах.
Відсутність реальної державної підтримки сектора відновлюваної енергетики у вигляді пільг та субсидій, а також спеціальних кредитів.
Ринок геліоенергетичного обладнання нараховує всього кілька вітчизняних компаній-виробників ефективних, надійних і довговічних геліосистем.

Інститутом відновлюваної енергії НАН України створено атлас енергетичного потенціалу відновлених джерел енергії, згідно з яким загальний потенціал енергії сонячного випромінювання для Україні еквівалентний 718,4 * 109 МВт / год на рік, при цьому технічно досяжний потенціал складає 345,1 * 107 МВт / год на рік , а доцільно економічний потенціал еквівалентний 53,8 * 105 МВт / год на рік [9]. Таким чином, на території Україні енергія сонячної радіації порівнянна з середніми аналогічними показниками (близько 1,5 тисячі кВт / год за рік на кожен м2), а в деяких випадках перевищує аналогічні показники по Європі, де використання сонячної енергії носить самий широкий характер [7].

Рисунок 2 - Сонячно-енергетичні ресурси України

ФЕП

У геліоенергетиці виділимо пряме перетворення енергії сонячного випромінювання в електрику, яке здійснюється за допомогою напівпровідникових фотоелектричних перетворювачів (ФЕП).

Сонячні батареї – пристрої, що складаються з тонких (приблизно 50 мкм) плівок кремнію або інших напівпровідникових матеріалів і реалізують так званий фотоефект. Суть цього фізичного явища полягає в тому, що при попаданні електромагнітного випромінювання (в нашому випадку світлових і інфрачервоних хвиль) на напівпровідниковий матеріал з р-n провідністю в ньому поглинаються фотони і виникає ЕРС, здатна стати джерелом струму для будь-яких зовнішніх навантажень.

Рисунок 3 - Типи фотоелектричних перетворювачів (ця анімація зроблена у програмі Easy GIF Animator 5.2, має 7 кадрів із затримкою між ними 80мс, повторюється 4 рази)

На даний момент на сонячних електростанціях застосовуються різні типи ФЕП. У кожної ФЕП може бути своя структура, на підставі різних видів матеріалів з напівпровідниковими властивостями. Але, на жаль, не всі матеріали відповідають загальним вимогам щодо систем:

Підвищена надійність і працездатність не залежно від термінів використання.
Відсутність проблем з постачанням необхідного матеріалу для виготовлення елементів системи в достатній кількості. А також установка систем на лінію масового виробництва.
Позитивні терміни окупності в залежності від енерговитрат на створення самої системи.
Зменшення витрат і витрати енергії на управління системою перетворення. Комфорт в плані технічного контролю та обслуговування.

В даний час більше 80% вироблених у світі сонячних фотоелементів (ФЕП) виготовляється на основі кристалічного кремнію. У 2009 р. 34% ФЕП були виготовлені на основі монокристалічного кремнію, 47% – на основі полі-або мультикристалічного кремнію, 1,5% – у вигляді мікрокристалічних кремнієвих стрічок. Близько 17% світового ринку сонячних фотоелементів сьогодні становлять ФЕП, виготовлені у вигляді тонких плівок таких матеріалів, як аморфний кремній, теллурид кадмію, міді й індію діселенід (CIS) та інших, нанесених на різні підкладки.

В основу технологій виробництва монокристалічного кремнію і PV-пластин на його основі покладено два методи:

* Метод Чохральського (Czochralski method, CZ) – вирощування монокристала кремнію з розплаву полікристалічного кремнію, з наступним його розпилом на пластини і їх поліруванням;

* Метод бестигельной зонної плавки (Float-Zone method, FZ) – вирощування монокристалу за напрямком переміщення вузької зони його розплаву, створеної індукційним нагрівом, з подальшим розпилюванням на пластини і їх поліруванням.

Максимальні значення ефективності фотоелементів і модулів, досягнуті в лабораторних умовах *

Тип	Коефіцієнт фотоелектричного перетворення,%
Кремнієві
Si (кристалічний)	24,7
Si (полікристалічний)	20,3
Si (тонкоплівкова передача)	16,6
Si (тонкоплівковий субмодуль)	10,4
III-V
GaAs (кристалічний)	25,1
GaAs (тонкоплівковий)	24,5
GaAs (полікристалічний)	18,2
InP (кристалічний)	21,9
Тонкі плівки халькогенідів
CIGS (фотоелемент)	19,9
CIGS (субмодуль)	16,6
CdTe (фотоелемент)	16,5
Аморфний/нанокристалічний кремній
Si (аморфний)	9,5
Si (нанокристалічний)	10,1
Фотохімічні
На базі органічних барвників	10,4
На базі органічних барвників (субмодуль)	7,9
Багатошарові
GaInP/GaAs/Ge	32,0
GaInP/GaAs	30,3
GaAs / CIS (тонкоплівковий)	25,8
a-Si/mc-Si (тонкий субмодуль)	11,7
Органічні
Органічний полімер	5,15

* - за матеріалами сайту http://www.nitolsolar.com/

Матеріалом для ФЕП у своїй магістерській роботі я вибрав кремній, тому що на даний момент він має високий ККД і відповідає всім вимогам до систем.

В Україні таку продукцію виробляють лише кілька українських компаній, найбільш відомі з них «Квазар» і «Афрос» . Решта компаній на ринку представлені в якості посередників, які постачають обладнання на український ринок з Німеччини, Ізраїлю, Китаю і т.д.

В даному контексті необхідно підкресліти, що в Україні є потужні виробники напівпровідникового кремнію – завод чистих металів у м. Світловодську (Кіровоградська область) і завод напівпровідників у м. Запоріжжя (підприємство «Графи-Січ») [10]. Це створює унікальні переваги для подальшого освоєння виробництва сонячних батарей всередині країни.

Майбутнє галузі

Зараз Україна стала на шлях серйозного розвитку альтернативних джерел енергії, зокрема і геліоенергетики.Перші кроки з боку влади зроблені: прийняті закони про «зелений тариф» і про розвиток галузі. Настає час будівництва нових об'єктів, час для припливу інвестицій у галузі. В країні вже є підприємства, які можуть забезпечити обладнанням і ресурсами нові електростанції. При грамотному менеджменті і нормальному інвестиційному кліматі, галузь в короткі терміни може зробити великий крок вперед і збільшити свою частку на енергоринку України.

У цьому плані хочеться зазначити, що 20 квітня 2011 року в Запорізькій облдержадміністрації відбулася презентація двох інвестиційних проектів з будівництва сонячних електростанцій на території Приморського району.Обидва проекти передбачають будівництво електростанцій на сонячних батареях потужністю 10 МВт. Перший інвестиційний проект представила донецька компанія ТОВ «Укргеліос». Згідно з проектом геліоелектростанція буде розташована в селі Банівка і займе ділянку в 48 га. Вартість проекту – 109 млн. грн.

Другий інвестпроект презентували представники німецької кампанії Manages energy. Вартість проекту – 10 млн. євро (близько 100 млн. грн.). Сонячна електростанція буде розташована на території Приморська і займе 21,5 га землі. Керівництво районної влади схвалив обидва проекти, але з однією умовою: замовник зобов'язаний вкласти в розвиток соціальних проектів району 4% від загальної вартості проекту [13].

Також австрійська компанія Activ Solar Gmb, що займається видобутком кварцитів, виробництвом кремнію, монтажем сонячних енергетичних систем та електростанцій, ще в 2009 році отримала офіційний дозвіл української влади на реалізацію свого інвестиційного проекту. Плани в компанії досить амбітні, тому що до 2012 р. заплановано побудувати в Криму цілих 5 геліоелектростанцій загальною потужністю в 300 мегават. І якщо проект буде повністю реалізований, Крим не тільки зможе забезпечити внутрішні потреби в електроенергії на 30%, але і зможе "похвалитися" найбільшими сонячними електростанціями в Європі.

На сьогоднішній день основні роботи зосереджені на будівництві 2-х геліостанцій, розташованих біля с.Джерельне (Сімферопольський р-он) та смт. Щолкіно. Фахівці австрійської компанії невипадково обрали Крим для зведення майбутніх електростанцій, адже тривалість сонячного сяйва в регіоні будівництва (район Сімферополя) становить 2452 години на рік (близько 7-ми годин / день). А це для порівняння, навіть більше, ніж у таких відомих містах-курортах, як Євпаторія і Ялта [14].

Література:

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 написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення - грудень 2011 р. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.