Солнечная энергетика в России и на Украине

В России в настоящее время имеется восемь предприятий, имеющих технологии и производственные мощности для изготовления 2 МВт солнечных элементов и модулей в год.

В 1992 году на двух заводах объединения "Интеграл" в г.Минске освоено массовое производство солнечных элементов по технологии, разработанной в соответствии с программой "Экологически чистая энергетика" во Всероссийском научно-исследовательском институте электрификации сельского хозяйства Россельхозакадемии. Производственные мощности этих заводов позволяют выпускать ежегодно 1-2 МВт солнечных элементов и модулей без перестройки основного производства. В случае специализации нескольких заводов на выпуске солнечных элементов в России объем производства к 2010 г. Может превысить 2000 МВт в год. Однако для этого необходима государственная инвестиционная поддержка новых энергетических технологий, в первую очередь технологии производства солнечного кремния. Имеющиеся в Министерстве топлива и энергетики скромные финансовые средства следует тратить не на демонстрационные проекты, а на создание новых технологий, оборудования и производственных мощностей. В качестве примера можно привести проект солнечной электростанции в Кисловодске мощностью 1 МВт. Ее стоимость в ценах 1992 года составляет 1 млрд.руб. По нашим оценкам, этих средств достаточно для создания в течение 3-4 лет производства солнечных элементов по новой технологии с объемом 10 МВт в год, включая производство солнечного кремния.

Развитие фотоэлектрической отрасли промышленности потребует, помимо солнечного кремния, создания производства специального закаленного стекла с низким содержанием железа, алюминиевого проката, электронных регулирующих устройств. В России соответствующие производственные мощности имеются.

Известно, что солнечная электростанция, работающая на энергосистему, может не иметь суточного и сезонного аккумулирования, если ее мощность составляет 10-15% от мощности энергосистемы. Это соответствует мощности СЭС 40 ГВт, для размещения которой потребуется площадь солнечных элементов около 400 км. Для расчета выработки электроэнергии СЭС разработан алгоритм, реализованный на языке FORTRAN в виде программы SVET. В состав последней входят подпрограмма GIS, разработанная с использованием результатов работ 30,31 и позволяющая рассчитать гистограммы часовых значений инсоляции, и подпрограмма TILT для расчета облученности различно ориентированных наклонных поверхностей, в том числе и в следящих системах. Используется анизотропная модель рассеянной солнечной радиации.

Для каждого часа эксплуатации определялась плотность распределения вероятности для мощности солнечного излучения, приходящего на поверхность СЭС.

Для средних многолетних месячных сумм суммарной радиации ошибка, при доверительной вероятности 0,9 и за период осреднения 30 лет, не превышает 8% . Для метеостанций с меньшим периодом осреднения она может возрасти в 1,5-2 раза.

Погрешность оценки часовых сумм суммарной радиации, приходящей на горизонтальную поверхность, составляет 5-7%. По оценке, полученной прямым сравнением экспериментальных данных по поступлению солнечной радиации на наклонные поверхности и расчетных результатов для этих же поверхностей (программа SVET), погрешность в практически важных случаях не превышает 18%. При этом, в большинстве случаев, погрешность расчета составляет от 1 до 8 %.

При выборе места расположения СЭС на территории России использованы данные метеостанций Астрахань, Сочи, Хужер (Байкал), Улан-Удэ, Борзя (Читинская область), Каменная степь (Воронежская область), Оймякон (Якутия), Хабаровск, Нижний Новгород.

Расчет и опыт эксплуатации СЭС показывает, что почасовая выработка электроэнергии, пропорциональная изменению солнечной радиации в течение дня, в значительной степени соответствует дневному максимуму нагрузки в энергосистеме.

Максимальные значения выработки электроэнергии за год для СЭС пиковой мощностью 1 млн.кВт получены при южной ориентации с углом наклона к горизонту 45 гр. для г.Хабаровска 1,846 млрд. кВт ч, для г.Борзя Читинской области 1,898 млрд.кВт ч, для г.Улан-Удэ 1,703 млрд. кВт ч, а при слежении по двум осям соответственно 2,51 млрд.кВт ч, 2,607 и 2,345 млрд.кВт ч . В европейской части России оптимальные районы размещения СЭС - это побережье Каспийского и Черного морей, Поволжье. Площадь центральной СЭС примерно в 4 раза превышает активную площадь солнечных элементов.

Поскольку удельная стоимость СЭС не зависит от ее размеров и мощности, в ряде случаев целесообразно модульное размещение СЭС на крыше сельского дома, коттеджа, фермы. Собственник СЭС будет продавать электроэнергию энергосистеме в дневное время и покупать ее у энергетической компании по другому счетчику в ночные часы. Преимуществом такого использования, помимо политики поощрения малых и независимых производителей энергии, является экономия на опорных конструкциях и площади земли, а также совмещение функции крыши и источника энергии. При модульном размещении СЭС 1 млн.кВт способна обеспечить электроэнергией 500000 сельских домов и коттеджей.

Некоторые достижения России в области солнечной энергетики

Мобильная фотоэлектрическая станция

Мобильная фотоэлектрическая станция (МФС) является автономным источником электропитания.

МФС может быть использована как в полевых условиях, так и для электроснабжения стационарных потребителей.

МФС предназначена для зарядки аккумуляторов, питающих нагрузку. (Контроллеры заряда, обеспечивающие защиту аккумуляторов от перезаряда и глубокого разряда, в комплект поставки не входят).

В некоторых случаях возможно применение МФС без аккумуляторов, например, для питания водоподъемного оборудования (при использовании соответствующего согласующего устройства).

Принцип действия МФС основан на прямом преобразовании солнечного излучения в электричество при помощи солнечных элементов (СЭ) из монокристаллического кремния.

МФС состоит из 4х модулей солнечных батарей (СБ), сборно-разборной опорной конструкции и кабеля для межмодульной электрической коммутации.

Модули СБ представляют собой складную конструкцию, обеспечивающую удобство транспортирования и хранения. Используемые в модулях СЭ защищены от воздействия окружающей среды и механических повреждений с лицевой стороны прозрачной светостойкой пленкой, а с тыльной стороны - жесткой подложкой.

Электрические характеристики модулей рассчитаны на заряд аккумуляторов, питающих нагрузку номинальным напряжением 12В.

Такие модули могут быть использованы в качестве самостоятельных источников электроэнергии.

Опорная конструкция состоит из рамы, в которой с помощью натяжных устройств устанавливаются модули СБ, и двух пар опор, которые позволяют регулировать угол наклона рабочей поверхности МФС к горизонту.

С помощью кабеля возможна коммутация всех модулей параллельно для зарядки аккумуляторов номинальным напряжением 12В или последовательно - параллельно - для напряжения 24 В.

Для обеспечения напряжения 48 В все модули соединяют собственными токовыводами в последовательную цепь.

Технические характеристики мобильной фотоэлектрической станции

1. Электрические параметры*

Параметр	Единицы измерения	Исполнение
		МФС12	МФС24	МФС48
Номинальная мощность	Вт	150-200**
Номинальное напряжение	В	16	32	64
Напряжение разомкнутой цепи	В	20	40	80

* - Электрические параметры указаны для стандартных условий измерений.

** - Диапазон номинальных мощностей указан в зависимости от эффективности использованных СЭ.

2. Геометрические данные мобильной фотоэлектрической станции, мм

1	Максимальная высота МФС	2100
2	Габариты рамы	1690x1620x30
	В рабочем положении	1480x345x4
	В транспортном положении	360x345x18
3.	Диапазон изменения углов наклона рабочей поверхности МФС	40° - 75°
4.	Масса в зависимости от материала опорной конструкции, кг	12-19
5.	Средняя продолжительность подготовки к работе, мин	30
6.	МФС работоспособна в условиях умеренно - холодного климата	при температуре не ниже минус 30 °С.
7.	Срок службы, лет	не менее 7.

Портативная система солнечного электропитания

Предназначена для питания бытовой и специальной электроаппаратуры постоянного тока мощностью до 60 Вт. Изготавливается на основе солнечных фотоэлектрических модулей (МФ). В состав системы входят: солнечная батарея, герметизированная аккумуляторная батарея (АБ) с контроллером заряда – разряда и устройством сигнализации о режиме работы системы (смонтированы в отдельном блоке), сетевое зарядное устройство (адаптер) и светильник с компактной люминесцентной лампой.

Технические характеристики портативной системы солнечного электропитания

Номинальное рабочее напряжение, В	12 и 9
Максимально отдаваемая мощность, Вт	60
Электрическая емкость аккумулятора, А/ч	7,2 – 14,4
Максимально отдаваемая энергия аккумулятором, Вт/ч	28,8–57,6
Максимально допустимая глубина разряда аккумулятора	30
Максимальный зарядный ток, А	0,7 – 1,4
Максимальное напряжение при зарядке, В	14,4
Минимальное допустимое напряжение на аккумуляторе, В	11,5
Мощность светильника с компактной люминесцентной лампой, Вт	7
Габаритные размеры, мм	256x258x98
Масса, кг	3,2

Особенности системы солнечного электропитания:

• Аккумулирование энергии, поступающей от различных источников, включая солнечные и термоэлектрические батареи, сетевого зарядного устройства.
• Технологичность, простота сборки и эксплуатации осуществляется благодаря применению электрических разъемов.
• Небольшой вес и компактность.

Солнечная система автономного освещения

Предназначена для освещения внутри и снаружи зданий и улиц без использования традиционных источников электропитания (склад пожароопасных и взрывчатых веществ, места отдыха и т.п.).

Электропитание осуществляется от солнечной батареи и аккумуляторной батареи.

Особенности:

• работоспособность в условиях минусовой температуры (до 20С),
• широкий диапазон программирования рабочего режима,
• большой срок эксплуатации без обслуживания (до 5 лет).

• 1 – фотоэлектрический модуль;
• 2 – люминесцентный светильник;
• 3 – опора;
• 4 – гравий;
• 5 – аккумуляторная батарея;
• 6 – бетонный фундамент;
• 7 – грунт

Солнечная водоподъемная установка

Предназначена для подъема воды из водоисточников с глубиной залегания воды до 20 м. Установка применяется для водоснабжения садово-огородных и дачных участков, приусадебных и фермерских хозяйств, отгонных пастбищ и других объектов.

Состав и параметры комплекта

Солнечная батарея
Число модулей типа МФ36/4-С, шт.	2
Мощность, Вт	60
Габаритные размеры, мм	900x960x30
Масса, кг	11
Контроллер
Мощность выходная, Вт	250
Напряжение, В	12
Габаритные размеры, мм	200x200x80
Масса, кг	1,0
Аккумуляторная батарея
Количество, шт	1
Напряжение, В	12
Емкость, Ач	90
Тип	автомобильный
Масса, кг	34
Инвертор напряжения
Напряжение входа, В	12
Напряжение выхода, В	220
Мощность, Вт	600
Масса, кг	2,2
Водяной насос (вибрационный)
Мощность, Вт	200
Производительность, л/ч	300
Номинальная высота подъема, м	20
Максимальная высота подъема, м	40
Масса, кг	3,5
Водяной шланг
Диаметр, мм	19
Длина, м	25
Масса, кг	10

Энергосберегающие вакуумные стеклопакеты

Предназначены для герметизации солнечных фотоэлектрических элементов при изготовлении солнечных модулей и создания теплосберегающих прозрачных экранов в конструкциях зданий и теплиц в виде различных стеклянных покрытий (оконные проемы, лоджии, зимние сады, оранжереи и т.п.)

Использование вакуумных паяных стеклопакетов позволяет в значительной мере решить проблемы энергосбережения. Стандартные стеклопакеты состоят из двух или трех листов стекла, склеенных между собой с помощью специальной рамки. Такие стеклопакеты заполнены инертным газом и снабжены поглотителями влаги для предупреждения запотевания и замерзания стекла.

ВИЭСХом совместно с предприятиями электронной промышленности разработаны принципиально новые вакуумные стеклопакеты, обладающие уникальными свойствами. В результате срок службы, определяемый ресурсом сохранения герметичности, составляет 4050 лет.

Воздух (или инертный газ) в пространстве между стеклами заменен на вакуум, что улучшило теплоизолирующие и шумопоглощающие свойства. В таблице представлены теплоизолирующие свойства вакуумных стеклопакетов. При наличии специального покрытия на стеклах сопротивление теплопередачи может быть увеличено в 10 раз по сравнению с одинарным остеклением.

Сопротивление теплопередачи прозрачных ограждений зданий, теплиц и солнечных установок

Наименование	Толщина, мм	Сопротивление теплопередачи, м2°С/Вт
Один лист стекла	6	0,17
Два листа стекла с зазором 16 мм	30	0,37
Вакуумный стеклопакет	6	0,44
Вакуумный стеклопакет со спецпокрытием на одном стекле	6	0,85
Вакуумный стеклопакет со спецпокрытием на двух стеклах	6	1,2
Двойной вакуумный стеклопакет со спецпокрытием на двух стеклах	12	2,0
Кирпичная стена в  2,5 кирпича	64	1,2

Высокая долговечность и прекрасные теплоизолирующие свойства получены при толщине вакуумного зазора 40 мкм и толщине стеклопакета 45 мм. Если в жилом доме двойные оконные рамы с толщиной стекла 5 мм, то при замене стекла на стеклопакеты толщиной 5 мм используются те же оконные рамы. Теплоизолирующие свойства окна улучшатся в 510 раз и будут такими же, как у кирпичной стены толщиной 0,51 м. Это самый экономичный метод повышения комфортности жилого помещения, так как не требует замены рам. Минимальная стоимость стеклопакета толщиной 5 мм составляет 1000 руб./м2.

При строительстве теплицы или зимнего сада из вакуумных стеклопакетов затраты энергии на отопление снизятся на 90%. Солнечные установки с вакуумными стеклопакетами (см. рисунок) будут нагревать воду не до 60°С, а до 90°С, т. е. они из установок для горячего водоснабжения переходят в разряд установок для отопления зданий. Новые технологии дают простор для фантазии архитекторов и строителей. Представьте себе обычный теплый дом с кирпичными стенами толщиной 1 м и такой же теплый дом с толщиной стен 10 мм, выполненных из вакуумных стеклопакетов.

Конструкция стеклопакетов защищена свидетельствами на полезную модель и двумя патентами на изобретения. Технология изготовления имеет ноу-хау.

Солнечная энергия в Крыму

В Крыму наблюдается также наибольшее число часов солнечного сияния в течение года (2300-2400 часов в год) , что создает энергетически благоприятную и экономически выгодную ситуацию для широкого практического использования солнечной энергии.

В то же время, источник имеет довольно низкую плотность (для Крыма до 5 ГДж на 1 м 2 горизонтальной поверхности) и подвержен значительным колебаниям в течение суток и года в зависимости от погодных условий, что требует принятия дополнительных технических условий по аккумулированию энергии.

Основными технологическими решениями по использованию энергии являются: превращение солнечной энергии в электрическую и получение тепловой энергии для целей теплоснабжения зданий.

Прямое использование солнечной энергии в условиях Крыма, для выработки в настоящее время электроэнергии, требует больших капитальных вложений и дополнительных научно-технических проработок. В 1986 г. вблизи г. Щелкино построена первая в мире солнечная электростанция (СЭС-5) мощностью 5 тыс. кВт. К 1994 г. она выработала около 2 млн. кВт. час электроэнергии. Эксперимент с СЭС показал реальность преобразования солнечной энергии в электрическую, но стоимость отпускаемой электроэнергии оказалась слишком высокой, что в условиях рыночной экономики является малоперспективным.

В настоящее время ПЭО "Крымэнерго" обосновало применение в Крыму солнечно-топливных электростанций, являющихся СЭС второго поколения с более высокими технико-экономическими показателями. Такую электростанцию планируется построить в Евпатории. Сегодня солнечная энергетика получила широкое развитие в мире. Мировым лидером по строительству СЭС является американско-израильская фирма "Луз", сооружающая станции мощностью 30-80 МВт, на которых используется принципиально новая технология с параболоциливдрическими концентратами солнечного излучения.

Себестоимость вырабатываемой ими электроэнергии ниже, чем на атомных электростанциях. Перспективность применения фотоэлектрического метода преобразования солнечной энергии обусловлено его максимальной экологической чистотой преобразования, значительным сроком службы фотоэлементов и малыми затратами на их обслуживание. При этом простота обслуживания, небольшая масса, высокая надежность и стабильность фотоэлектропреобразователей делает их привлекательными для широкого использования в Крыму.

Основными задачами по широкому внедрению фотоэлектрических источников питания являются:

• разработка научно-технических решений по повышению КПД фотоэлементов;
• применение высокоэффективных фотоэлементов с использованием концентраторов солнечного излучения.

Техническая подготовленность отечественных предприятий на Украине позволяет освоить производство фотоэлектрических источников питания на суммарную установленную мощность до 100 МВт.

Мощность фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии, внедряемых в Крыму к 2010 г., может составить до 3,0 МВт, что может обеспечить экономию топлива до 1,7 тыс т у. т. в автономных системах энергообеспечения.

Солнечная энергия в Крыму может использоваться не только для производства электроэнергии, но и тепла. Это реально при широком распространении в республике солнечных батарей (коллекторов) , легко сооружаемых и высокорентабельных. Разработкой и изготовлением солнечных коллекторов новой конструкции занимаются ГНПП “Гелиотерн” , “Крымэнерго” (пос. Утес) и трест “Южстальмонтаж” (г. Симферополь) . Горячее водоснабжение от солнца (коллекторов) сбережет дефицитное органическое топливо и не будет загрязнять воздушный бассейн. В настоящий же период 80% тепловой энергии производят более трех тысяч котельных, которые не только сжигают огромное количество органического топлива, по и существенно повышают концентрацию газопылевых загрязнений воздушной среды.

Для успешного внедрения экологически чистых систем солнечного теплоснабжения, повышения надежности их функционирования необходимо:

• разработать и внедрить в производство на предприятиях Крыма различные виды энергетически эффективных солнечных коллекторов с улучшенными теплотехническими характеристиками, отвечающими современному зарубежному уровню, в частности: с селективным покрытием, вакуумные, пластмассовые для бытовых нужд, воздушные для нужд сельского хозяйства;
• довести выпуск солнечных коллекторов к 2010 г. до 3-5 тыс. штук в год, что эквивалентно замещению годового использования топлива - 0,35 - 0,65 тыс. у.е. т.;
• увеличить в 2-3 раза выпуск высокоэффективных теплообменников для солнечных установок;
• обеспечить достаточную постановку запорной и регулирующей арматуры, приборов для автоматизации технологических процессов.

Реализация этих предложений позволяет создать в Крыму собственную промышленную индустрию по выпуску основного специализированного оборудования для комплектации и строительства установок по использованию солнечной энергии.

Наиболее перспективными направлениями солнечного теплоснабжения на ближайшую перспективу (до 2010 г.) являются:

• солнечное горячее водоснабжение индивидуальных и коммунальных потребителей сезонных объектов (детские, туристические, спортивные лагеря, объекты санаторно-курортной сферы, жилых и общественных зданий);
• пассивное солнечное отопление малоэтажных жилых домов и промышленных сооружений, главным образом, в сельской местности и Южном берегу Крыма;
• использование солнечной энергии в различных сельскохозяйственных производствах (растениеводство в закрытых грунтах, сушка зерна, табака и других сельхозпродуктов и материалов);
• применение низкопотенциальной теплоты, полученной на солнечных установках, для разнообразных технологических процессов в различных отраслях промышленности (для пропарки при производстве железобетонных изделий и др. целей).

Экономия топлива на отопительных котельных от внедрения этих установок может составить к 2000 г. - 4,01 тыс. т у.т., за период 2001-2005 г. - 6,5 тыс. т у.т. и за период с 2006 по 2010 г. - 11,66 тыс у.т.

Дополнительная выработка электроэнергии от работы солнечных фотоэлектрических преобразователей батарей может составить к 2000 г. - 0,30 млн. кВт.ч., за период с 2001 по 2005 г. - 0,72 млн. кВт.ч., за период с 2006 по 2010 гг. - 1,8 млн. кВт.ч.

Для реализации программы к 2010 г. промышленность Крыма должна обеспечить производство солнечных коллекторов до 3,5 - 4,0 тыс. штук ежегодно.

Крымская солнечная электростанция

Проекты электростанции, где турбину будет вращать пар, полученный из нагретой солнечными лучами воды, разрабатывается сейчас в самых различных странах. В СССР экспериментальная солнечная электростанция такого типа построена на солнечном побережье Крыма, вблизи Керчи. Место для станции выбрано не случайно — ведь в этом районе солнце светит почти две тысячи часов в год. Кроме того, немаловажно и то, что земли здесь солончаковые, не пригодные для сельского хозяйства, а станция занимает довольно большую площадь.

Станция представляет собой необычное и впечатляющее сооружение. На огромной, высотой более восьмидесяти метров, башне уста¬новлен солнечный котел парогенератора. А вокруг башни на обширной площадке радиусом более полукилометра концентрическими кругами располагаются гелиостаты — сложные сооружения, сердцем каждого из которых является громадное зеркало, площадью более 25 квадратных метров. Очень непростую задачу пришлось решать проектировщикам станции — ведь все гелиостаты (а их очень много — 1600) нужно было расположить так, чтобы при любом положении солнца на небе 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 (поэтому башня и сделана такой высокой).

Каждый гелиостат оснащен специальным устройством для поворота зеркала. Зеркала должны двигаться непрерывно вслед за солнцем — ведь оно все время перемещается, значит, зайчик может сместиться, не попасть на стенку котла, а это сразу же скажется на работе станции. Еще больше усложняет работу станции то, что траектории движения гелиостатов каждый день меняются: Земля движется по орбите и Солнце ежедневно чуть-чуть меняет свой маршрут по небу. Поэтому управление движением гелиостатов поручено электронно-вычислительной машине — только ее бездонная память способна вместить в себя заранее рассчитанные траектории движения всех зеркал.

Под действием сконцентрированного гелиостатами солнечного тепла вода в парогенераторе нагревается до температуры 250 градусов и превращается в пар высокого давления. Пар приводит во вращение турбину, та — электрогенератор, и в энергетическую систему Крыма вливается новый ручеек энергии, рожденной солнцем. Выработка энергии не прекратится, если солнце будет закрыто тучами, и даже ночью. На выручку придут тепловые аккумуляторы, установленные у подножия башни. Излишки горячей воды в солнечные дни направляются в специальные хранилища и будут использоваться в то время, когда солнца нет.

Мощность этой экспериментальной электростанции относительно невелика — всего 5 тысяч киловатт. Но вспомним: именно такой была мощность первой атомной электростанции, родоначальницы могучей атомной энергетики. Да и выработка энергии отнюдь не самая главная задача первой солнечной электростанции — она потому и называется экспериментальной, что с ее помощью ученым предстоит найти решения очень сложных задач эксплуатации таких станций. А таких задач возникает немало. Как, например, защитить зеркала от загрязнения? Ведь на них оседает пыль, от дождей остаются потеки, а это сразу же снизит мощность станции. Оказалось даже, что не всякая вода годится для мытья зеркал. Пришлось изобрести специальный моечный агрегат, который следит за чистотой гелиостатов. На экспериментальной станции сдают экзамен на работоспособность устройства для концентрации солнечных лучей, их сложнейшее оборудование. Но и самый длинный путь начинается с первого шага. Этот шаг на пути получения значительных количеств электроэнергии с помощью солнца и позволит сделать Крымская экспериментальная солнечная электростанция.

Советские специалисты готовятся сделать и следующий шаг. Спроектирована крупнейшая в мире солнечная электростанция мощностью 320 тысяч киловатт. Место для нее выбрано в Узбекистане, в Каршинской степи, вблизи молодого целинного города Талимарджана. В этом краю солнце светит не менее щедро, чем в Крыму. По принципу действия эта станция не отличается от Крымской, но все ее сооружения значительно масштабнее. Котел будет располагаться на двухсотметровой высоте, а вокруг башни на много гектаров раскинется гелиостатное поле. Блестящие зеркала (72 тысячи!), повинуясь сигналам ЭВМ, сконцентрируют на поверхности котла солнечные лучи, перегретый пар закрутит турбину, генератор даст ток 320 тысяч киловатт — это уже большая мощность, и длительное ненастье, препятствующее выработке энергии на солнечной электростанции, может существенно сказаться на потребителях. Поэтому в проекте станции предусмотрен и обычный паровой котел, использующий природный газ. Если пасмурная погода затянется надолго, на турбину подадут пар из другого, обычного котла.