Главная » Новости » Солнечная энергетика в России

Солнечная энергетика в России

08.02.2013

Солнечная энергетика в России. Часть 1Суммарное количество энергии солнца, которое поступает на поверхность нашей планеты за одну неделю, превышает энергию всех запасов нефти, угля, газа и урана во всем мире. И в России сосредоточен максимальный теоретический потенциал солнечной энергетики, что составляет более 2000 млрд. тонн условного топлива (т.у.т.). Но в энергетической программе нашей страны вклад возобновляемых источников энергии определяется в достаточно малом объеме – 15-19 т.у.т.

Есть распространенное мнение, что энергия солнца является экзотической и ее использование на практике является делом далекого будущего (после 2020 г).

В данной статье мы покажем, что это совсем не так, что солнечная энергетика может быть серьезной альтернативной традиционной энергетике уже сегодня.

Перед тем, как сравнивать различные энергетические технологии с точки зрения экономики, нужно определить их реальную стоимость, так как цены на энергию и топливо, действующие в России последние 70-80 лет не отражали действительные затраты на их получение. Лишь при нормальном ценообразовании начнут действовать экономические стимулы, сбережение энергии и будут изобретены новые технологии в энергетике.

Мы будем отталкиваться от мировых цен, хотя до сегодняшних дней ни в одной стране мира значительная часть стоимости получения энергии не отражалась в тарифах на энергию, а распределялась на расходы всего общества.

В мире ежегодно потребляется нефти столько, сколько ее зарождается в природных условиях за 2 млн. лет. Невероятные темпы потребления невозобновляемых ресурсов энергии по сравнительно небольшой цене, которая не отражает действительные совокупные затраты общества, означают по существу жизнь в кредиты, в займы у будущих поколений, которым никогда уже не будет доступной энергия по такой же низкой цене.

Следующая составляющая стоимости энергии, распределяющаяся на все общество и не входящая в тарифы за энергию, имеет отношение к загрязнению природной среды энергетическими установками.

Ядовитые выбросы тепловых электростанций в основном состоят из углекислого газа, который способствует образованию тепличного эффекта и изменению климата, например, приводит к засухе в областях производства картофеля и зерна. Другие выбросы содержат окислы азота и серы, которые превращаются в атмосфере в азотную и серную кислоты и возвращаются со снегом или с дождем на землю. Повышенная кислотность воды снижает плодородие почвы, сокращает рыбные запасы и приводит к засыханию лесов, повреждает строительные конструкции и здания. Тяжелые токсичные металлы – свинец, кадмий, ртуть – могут растворяться кислотами и проникать в чистую питьевую воду и продукты сельскохозяйственной деятельности.

Имеется большая неопределенность в определении действительной стоимости электрической энергии, которую вырабатывают атомные электростанции. Можно смело утверждать, что реальные цены в атомной энергетике будут рассчитаны только после того, как решатся вопросы безопасности АЭС и технологий ядерной энергетики по получению топлива, а также вопросы по захоронению отходов, когда будут сформированы принципы обращения с оборудованием, сооружениями и зданиями АЭС, выводимыми через тридцать лет работы из эксплуатации. И эти цены будут гораздо выше цен, существующих сегодня.

Наши и иностранные оценки прямых социальных затрат, имеющих отношение к вредному действию электростанций, в том числе болезни и сокращение продолжительности жизни людей, расходы на медицинское обслуживание, снижение урожая, потери на производстве, восстановление лесов, почвы и воды дают величину, добавляющую 75% мировых цен на энергию и топливо. По существу, это затраты целого общества – экологический налог, который граждане платят за несовершенство установок для получения энергии, и данный налог должен включаться в стоимость энергии для образования государственного фонда сбережения энергии и создание совершенно новых экологически чистых технологий в области энергетики.

Если учесть в тарифах на энергию скрытые затраты, то множество новых технологий возобновляемой энергетики, в том числе солнечной энергетики, окажется конкурентоспособным с имеющимися технологиями. Вместе с тем образуется источник для финансирования новых проектов по солнечной энергетике, являющейся экологически чистой. Именно такой «экологический» налог в пределах 10-30% от стоимости нефти существует в Финляндии, Швеции, Нидерландах.

Ветровые, геотермальные и гидроэлектростанции являются экономически конкурентоспособными при различном уровне мощности, который ограничивается лишь наличием соответствующих энергетических ресурсов. При строгом рассмотрении геотермальная энергетика возобновляемой не является, ее методы в данной работе не считаются традиционными.

Солнечная энергетика в России. Часть 2

Потенциал гидроэнергии и ветровой энергии соответственно 0,07% и 0,02% от солнечной энергии позволяют обеспечивать электроэнергией региональных и локальных потребителей при общей мощности, достигающей нескольких тысяч мегаватт.

Для солнечного дома энергосберегающие технологии являются самыми подходящими с точки зрения экономической эффективности их применения. Их использование даст возможность сократить потребление энергии в домах до 60%. Примером успешного применения данных технологий является проект солнечной энергетики в Германии «2000 солнечных крыш».

Солнечные водонагреватели суммарной мощностью 1400 МВт функционируют в США в 1,5 млн. домов. В Германии создана новая технология прозрачной теплоизоляции жилых и общественных зданий и солнечных коллекторов, их температура достигает 50-90 градусов.

При стремлении к мировым ценам оказываются экономически приемлемыми технологии выработки моторного топлива и газа из биомассы. Опыты показывают, что фермер, в распоряжении которого находятся посевы рапса и масло на его основе, может получить независимость от завозов моторного топлива. В областях, богатых древесиной и торфом, где наблюдается острая нехватка моторного топлива, технологии газификации, выработка метанола и этанола дадут возможность применять газ и синтетическое топливо в автомобилях и дизельных электрогенераторах.

Отсутствие технологий аккумулирования, приемлемых экономически, сдерживает широкое применение электрического транспорта и водорода. Но поисковые работы в данной области ведутся достаточно интенсивно и возможно в ближайшие годы появятся новые решения, как это случилось в системах преобразования и транспортировки электроэнергии.

Технологии солнечной энергетики можно использовать и для решения локальных задач энергетики, и для решения глобальных проблем. При КПД солнечной электростанции равном 12% все потребление электрической энергии в России может снабжаться от СЭС площадью всего 4000 кв. км, что равно 0,024% территории страны.

Наибольшее применение на практике в мире получили солнечно-тепловые электростанции, параметры которых: КПД 13,%, давление пара 100 бар, температура пара 371 градус, стоимость получаемой электрической энергии 0,08-0,12 долл/кВт.ч, общая мощность в США 400 МВт, стоимость 3 доллара/Вт.

СЭС действует в пиковом режиме при цене за 1 кВт.ч электрической энергии в энергетической системе: с 8 до 12 часов – 0,066 долларов и с 12 до 18 часов – 0,353 доллара. КПД СЭС можно повысить до 23% — среднего показателя КПД системных электростанций, а стоимость электричества снизить за счет комбинированной выработки тепла и электроэнергии.

Ключевым технологическим достижением в солнечной энергетике является создание Германской компанией Flachglass Solartechnik GMBH технологии изготовления параболоцилиндрического стеклянного концентратора. Его длинна 100 м, апертура 5,76 м, ресурс работы 30 лет и оптический КПД 81%. С такой технологией зеркал в России оказывается целесообразным массовое производство СЭС на юге страны, где есть газопроводы или небольшие газовые месторождения, а прямая солнечная радиация выше 50% от общей.

Абсолютно новые типы солнечных концентраторов, применяющих технологию голографии, предложены ВИЭСХом. Основные его характеристики – сочетание выгодных качеств солнечных электростанций, оснащенных центральным модульным приемником и возможность применения в качестве приемника обычных паронагревателей и солнечных элементов на базе кремния.

Одной из перспективных технологий в области солнечной энергетики является изобретение фотоэлектрических станций с солнечными элементами, изготовленными на основе кремния. Они преобразуют в электроэнергию рассеянную и прямую компоненты солнечной радиации с КПД 12-15%. Образцы в лабораториях характеризуются КПД 23%. Производство солнечных элементов в мире составляет более 50 МВт в год и ежегодно повышается на 30%.

Сегодняшний уровень производства солнечных элементов совпадает с начальной фазой их применения для освещения, телекоммуникационных станций, подъема воды, питания бытовых электроприборов в отдаленных районах, а также в транспортных средствах. Солнечные элементы стоят около 4,5-5 долларов/Вт при стоимости электрической энергии 0,25-0,56 долларов/кВт.ч. Системы солнечной энергетики заменяют свечи, керосиновые лампы, аккумуляторы и сухие элементы, а при большом удалении от энергетической системы и малой нагрузке мощности – линии электропередач и дизельные электрогенераторы.

Солнечная энергетика в России. Часть 3

В США действует несколько фотоэлектрических экспериментальных станций мощностью 0,3-6,5 МВт, работающих на энергетическую систему. Вторая фаза массового выпуска и применения СЭС в энергосистеме связана с появлением материалов и технологий, позволяющих уменьшить стоимость установленной мощности в 5 раз, до 1-2 долларов/кВт.ч. Для такого снижения стоимости принципиальным ограничением является дорогая цена кремния солнечного уровня – 40-100 долларов/кг. Поэтому разработка новых технологий выработки кремния, которые позволяют радикально – на порядок – уменьшить его стоимость, является первостепенной задачей в списке альтернативных технологий в солнечной энергетике. Положение с солнечным кремнием аналогично положению с алюминием, когда он был только открыт в 1825 году, в те годы он по стоимости приравнивался к серебру и применялся только для украшений. Лишь после появления технологии электролиза в 1886 году алюминий подешевел и стал доступным материалом.

В земной коре содержание кремния составляет 29,5% (810т), что выше содержания алюминия в 3,35 раза. В недрах Земли содержится кремния 15,2% по массе, что равносильно фантастической массе 9,0810т. Солнечный кремний с чистотой 99,9% по стоимости аналогичен урану для АЭС, хотя в земной коре содержание кремния больше содержания урана в 100000 раз.

Достоверные мировые запасы урана примерно 2763000 т. Топливный цикл урана, в том числе производство гексафторида урана, намного сложнее и опаснее хлорсиланового метода выработки солнечного кремния для солнечной энергетики. Учитывая малое содержание и рассеянность урана в недрах Земли в сравнении с кремнием, кажется странным, почему урановое топливо для ядерной энергетики и кремний для солнечной энергетики имеет равносильную стоимость. Есть несколько причин для объяснения данной ситуации. В развитие технологии производства урана были вложены огромные средства, которые выделялись, как правило, по военным программам, и производственные объемы урана превышают производственные объемы солнечного кремния в 6 раз.

Хлорсилановая технология получения солнечного кремния для солнечной энергетики, разработанная более 35 лет назад, почти не изменилась до настоящего времени, сохранив все отрицательные свойства химических технологий 50-х годов: низкий выход кремния, высокая энергоемкость, экологическая опасность.

Ключевой материал для выработки кремния – кремнезем в виде кварцевого песка или кварцита, составляет 12% от массы литосферы. Связь Si-0 обладает большой энергией – 464 кДж/моль, что обуславливает большие расходы энергии на процесс восстановления кремния и дальнейшую очистку его химическими методами – 250 кВт.ч/кг, а на выходе кремний составляет 6-10%.

В Германии, СССР, США и Норвегии с 1970 года проводились исследования по разработке технологий получения кремния, исключающие хлорсилановый цикл. После исследований в течение двух лет, в СССР данные работы исключили из национальной программы.

В 1974 году компания «Сименс» (Германия) и в 1985 году организации „Элкем“ (Норвегия), „Эксон“ и „Дау Корнинг“ (США) сообщили о разработке технологии получения солнечного кремния для солнечной энергетики карботермическим восстановлением кварцитов особой чистоты с КПД солнечных элементов в 10,8-11,8%.

Японские компании в 1988 году заявили о разработке солнечной технологии.

КПД элементов на базе солнечного кремния уже к 1990 году составил 14,2%, из хлорсиланового же кремния он был равен 14,7%. Технология компании «Сименс» подразумевала применение особо чистых кварцитов, где содержание примесей составляло 20.10 по массе. Совместными исследованиями с компанией „Сименс“ было доказано, что качество российских кварцитов является самым высоким в мире, а запасов достаточно для производства солнечных фотоэлектрических станций, мощность которых будет превышать 1000 ГВт.

Новая технология получения кремния нужного для солнечной энергетики качества с помощью метода прямого восстановления из чистых природных кварцитов имеет следующие свойства: расход электричества 15-30 кВт.ч/кг, цена кремния составляет 5-15 долларов/кг, выход кремния 8-85%. При использовании данной технологии в крупных масштабах стоимость солнечных модулей и элементов составит 1,0-2,0 долларов/Ватт и 0,7-1,4 долларов/Вт соответственно, а стоимость электрической энергии – 0,10-0,12 долларов/кВт.ч. В изобретенной технологии химические методы заменены на экологические электрофизические методы.

Сегодня в России действуют восемь компаний, имеющие технологии и достаточные мощности на производстве для выпуска 2 МВт солнечных модулей и элементов в год.

На заводах объединения «Интеграл» (г. Минск) запущено массовое изготовление солнечных элементов по новой технологии, соответствующей программе „Экологически чистая энергетика“. Производственные мощности данных заводов позволяют ежегодно выпускать 1-2 МВт солнечных модулей и элементов, не перестраивая основного производства.

Для повышения качества и объемов производства необходима инвестиционная государственная поддержка новых технологий в области солнечной энергетики, в основном технологии производства солнечного кремния. Скромные финансовые средства, предоставленные Министерством топлива и энергетики, следует расходовать не на проекты для демонстрации, а на создание производственных мощностей.

Для развития солнечной энергетики в промышленности нашей страны и всего мира необходимо, наряду с солнечным кремнием, обеспечить производство специального закаленного стекла с пониженным содержанием железа, алюминиевого проката, регулирующих электронных устройств. В России имеются соответствующие производственные мощности.

Солнечная энергетика в России. Часть 4

Солнечная электростанция, работающая на энергетическую систему, может не иметь сезонного и суточного аккумулирования, если ее мощность приравнивается к 10-15% от мощности энергетической системы. Это равносильно мощности СЭС 40 ГВт, для расположения которой необходима площадь солнечных элементов примерно 400 км.

Для определения выработки электроэнергии СЭС существует алгоритм, осуществленный на языке FORTRAN, представленный в образе программы SVET. В ее став входят программа GIS, созданная с применением результатов других работ, с ее помощью рассчитываются гистограммы часовых значений инсоляций, и программа TILT, предназначенная для вычисления облученности поверхностей под наклоном, ориентированных по-разному, также и в следящих системах. Применяется анизотропная модель рассеянной радиации солнца. Для каждого часа в режиме эксплуатации рассчитывалась плотность распределения вероятности соответственно мощности излучения солнца, поступающего на поверхность СЭС.

Для многолетних средних месячных сумм суммарной радиации в солнечной энергетике ошибка, при показателе доверительной вероятности 0,9 и за время осреднения 30 лет, не более 8%. Для метеорологических станций с меньшим периодом осреднения, возможно, она увеличится в 1,5-2 раза. Отклонение оценки часовых сумм общей радиации, поступающей на горизонтальную поверхность, равно 5-7%.

По оценке, которая получена непосредственным сравнением экспериментальных данных по приходу солнечной радиации на поверхности, расположенные под наклоном, и расчетных данных для тех же поверхностей (SVET), погрешность в важных практических случаях составляет не более 18%. В большинстве случаев, при этом, погрешность расчета составляет 1-8%.

В процессе выбора места расположения СЭС на территории нашей страны используются данные метеостанций Сочи, Астрахань, Улан-Удэ, Хужер (Байкал), Каменная степь (Воронежская область), Борзя (Читинская область), Хабаровск, Оймякон (Якутия), Нижний Новгород.

Расчет и опыт использования СЭС в солнечной энергетике показывает, что почасовая выработка электрической энергии, пропорциональная изменению радиации солнца в течение дня, в большей степени соответствует максимуму нагрузки в энергетической системе в дневное время.

Максимальные значения получения электрической энергии за год для СЭС максимальной мощностью 1 млн. кВт получены при ориентации на юг с наклоном к горизонту под углом 45° для г. Улан-Удэ — 1,703 млрд. кВт.ч, Хабаровска — 1,846, г. Борзя Читинской области — 1,898, в процессе слежений по двум осям: 2,345 млрд.кВт.ч, 2,51 и 2,607 млрд.кВт.ч. В европейской части России самые подходящие районы для размещения СЭС – побережье Черного и Каспийского морей, Поволжье. Площадь центральной СЭС больше активной площади солнечных элементов примерно в 4 раза.

Поскольку удельная стоимость СЭС не зависит от ее мощности и размеров, в некоторых случаях целесообразно ее модульное размещение на крыше коттеджа, сельского дома, фермы. Хозяин СЭС сможет продавать электроэнергию энергетической системы компании в ночные часы по другому счетчику. Преимуществом данного применения, кроме политики поощрения независимых и малых поставщиков энергии, является экономия на площади земли и опорных конструкциях, а также совмещение функции источника энергии и крыши. При размещении СЭС 1 млн. кВт модулями можно обеспечить электричеством 500000 сельских коттеджей и домов.

В заключение отметим несколько общих положений, касающихся путей развития мировой цивилизации. Опыт развития и экономические законы показывают, что рациональная структура применения в долгосрочной перспективе природных ресурсов характеризуется стремлением к структуре их запасов, которые имеются на Земле.

Так как кремний в земной коре занимает второе место после кислорода по массе, то можно сделать предположение, что от первобытных людей с кремниевыми примитивными орудиями труда человечество спустя тысячи лет входит в период, где в качестве ключевых конструкционных материалов будут использоваться стекло, керамика, композиционные и силикатные материалы на базе кремния. А в качестве основного источника электроэнергии – солнечные кремниевые электростанции.

Проблемы сезонного и суточного аккумулирования, возможно, будут решены при помощи водородной и солнечной энергетики, а также широтного размещения солнечных электростанций и инновационных систем передачи между ними, сберегающих энергию.

Учитывая, что 1 кг кремния, содержащегося в солнечном элементе, дает 300 МВт.ч электроэнергии за 30 лет, можно вычислить нефтяной эквивалент кремния. Непосредственный пересчет электрической энергии 300 МВт.ч, учитывая теплоту сгорания нефти 43,7 МДж/кг, показывает 25 т нефти на 1 кг кремния. Если учесть, что КПД ТЭС, действующей на мазуте, равняется 33%, то 1 кг кремния по получаемой электроэнергии равносилен 75 т нефти.

В связи с повышенной надежностью период службы СЭС по главной составляющей – солнечным элементам и кремнию может увеличиться до 50-100 лет. Для этого необходимо исключить полимерные материалы из технологии герметизации. Ограничением может быть лишь замена их на более высокоэффективные. КПД 25-30% в производстве будет достигнут в ближайшие 10-20 лет. При замене солнечных элементов кремний можно будет использовать повторно и число циклов его применения ограничений во времени не имеет.


Источник

Источник

Источник

Источник