Комбинированная PVT электростанцияНестеренков А.Г. АО «КазНИИ Энергетики им. академика Ш.Ч.Чокина»,

Нестеренкова Л.А. КазНУ им. аль-Фараби

Предпосылки: солнечная инсоляция (годовое солнечное излучение) в южных областях Казахстана превышает1550 кВт∙час/м2 в день. Энергетический потенциал ветра также высок. По этим показателям Казахстанотносится к государствам с благоприятными условиями для развития солнечной и ветровой энергетики.

Актуальность:

1. Сельские жители из-за удаления от тепловых и электрических сетей лишены возможности использоватьэлектроэнергию и горячее отопление в своих хозяйственных нуждах. Проблема решается при приобретенииими недорогих автономных PVT (photovoltaic thermal) электростанций, вырабатывающих в достаточномколичестве электричество и тепло.

2. Основными компонентами в разрабатываемых PVT электростанциях являются кремниевые фотоэлементы,которые будет выпускать в конце следующего 2013 года завод в Астане. Тем самым мы обеспечим сбытпродукции и поддержим отечественного производителя солнечных пластин. В настоящее времяиспользуются фотоэлементы из США, от которых без больших изменений в технологии изготовленияфотомодуля можно перейти на отечественные фотоэлементы.

3. Концентраторные солнечные установки имеют на порядок меньшее количество кремниевых пластин притой же выходной мощности. Производство энергии с использованием солнечных фотоэлементов – чистое, авот производство самих фотоэлементов чрезвычайно грязное, поэтому наше научное направлениезначительно снижает количество вредных выбросов в атмосферу, причем выбросов, которые по вредностизатмевают пресловутую двуокись углерода.

4. Мы входим в новую отрасль возобновляемых источников энергии термо - фотовольтаику практическиодновременно со многими ведущими зарубежными компаниями, поэтому при соответствующемфинансировании РК может экспортировать на молодом развивающимся рынке свои запатентованныетехнологии и оборудование.

5. Развитие производства солнечных электростанций создаст новые квалифицированные рабочие места исопутствующие инновационные технологии.

Проблемы на пути изготовления PVT преобразователей солнечной энергии связаны с отводом излишнего тепла с поверхности фотоэлементов

1. Сезонные и суточные перепады температуры между конструкционными материаламифотомодуля – стеклом, металлом, герметиками приводят с течением времени к нарушениюгерметизации и протечкам в самом слабом звене циркуляционного контура – каналефотомодуля при напорном течении теплоносителей ;

2. Изолированный от атмосферы канал с охлаждаемыми фотоэлементами имеет большоегидравлическое сопротивление для теплоносителя и требует дополнительных затрат на егоциркуляцию;

3. Сочетание большого числа хрупких фотоэлементов и необходимости вывода ихэлектрических контактов из герметизируемого корпуса канала определяют сложностьсборки и относительно большую себестоимость изготовления фотомодулей.

4. Применение метода «погружного охлаждения фотоэлементов в проточном теплоносителе»дополнительно добавляет проблему нарушения стабильности его оптических свойств

Концепция нового дизайна PVT электростанции 1. Использование безнапорного течения теплоносителя вдоль тыльных сторон фотоэлементов большой площади в

каналах фотомодулей и сброс утилизированного тепла в теплообменнике;2. Концентрация солнечного излучения на установленных между фотомодулями поверхностях с селективным

покрытием для получения высоких температур и размещение вдоль них термогенераторов, тепло от которыхотводится высокотемпературным теплоносителем и сбрасывается в тот же теплообменник;

3. Применение квазинепрерывного слежения за солнцем для снижения затрат энергии на перемещениенесущей платформы и создание оптической системы с максимальным отношением площади приемнойапертуры к площади несущей конструкции

4. Изготовление PVT электростанции с выдаваемой суточной энергией, обеспечивающей нужды семьи из четырехчеловек в электричестве и горячей воде и одновременно доступной по стоимости жителям РК со среднимдостатком.

5. Размещение на опорной трубе несущей платформы ветрогенератора с выдаваемой номинальной мощностью,сравнимой с мощностью фотомодулей и эксплуатация части рабочих элементов электростанции как в солнечное, так и в ночное время суток

Power-1.8W; Current-3.6AmpsVoltage-0.5V; Thickness-0.2mm;Exact dimension: 80х150 mm. Стоимость 1,8 долл. на два фотомодуля ≈130 долл.

Циркуляционный насос – Teichpumpen-Set (Германия): 1.6 л/ч; 2,2 м; 25 Вт. Стоимость: 3х 50 долл.

Термогенераторы Thermoelectric Power GeneratorTEG,Module:40х40х3,3 мм; 0-16 В; 0-10,5 А; до 180 град. ≈3Вт Стоимость 20 долл. (США) и 11 долл. Китай Всего 140 шт. 1500 долл. ( ≈420 Вт)

Selective.Cover silvermirror-реактив для нанесения селективных покрытий Рабочие температуры до 365 гр.Ц. Коэффициент селективности от 12 до 16. Одного флакона реагента хватает на 6 м.кв. электрохимическим способом. Стоимость 700 UAH или 700 грн.

$91.00

Образец разработанного PVT фотомодуля и стендов для исследования гидродинамики и теплообмена теплоносителей в каналах с фотоэлементами

Проводятся теоретические и экспериментальные исследования повышения эффективности съема тепла с пластин фотоэлементов, разрабатываются инженерные методы расчета каналов фотомодулей

Математическая модель расчета охлаждения фотоэлементов жидким теплоносителем основывается навыполнении баланса тепловой энергии, выделяемой фотоэлементами, поглощаемой пленкой теплоносителя итеряемой излучением и конвекцией с нижней поверхности канала фотомодуля

где β – поглощательная способность фотоэлементов (≈0,85); Е – плотность солнечного излучения,поступающего на зеркала концентраторов, ≈1000 Вт/м2; k – кратность концентрации солнечного излучения; Sф -площадь поверхности всех фотоэлементов в канале, м2; t – средняя по длине канала температурафотоэлементов, К; t1 и t2 – температура теплоносителя на входе и выходе канала, К; G, Cp– расход итеплоемкость теплоносителя,

, )1

()()(85,0 012свc

cpф

httttCGSkE

1 2 3 4 5 6 7 80

10

20

30

40

50

60

70

m = 0,6 л/мин 0 m = 2,5 л/мин

k, концентрация

t2 , 0C

0,85∙β∙1000 ≈ 0, 72 кВт/м2

α ≈ 360 Вт/м2 * К

Пиковая электрическая мощность разработанной солнечной PVT электростанции с площадью отражающих зеркал ≈ 18 кв.м с двумя фотомодулями при эффективности оптической системы 0,85 достигает ≈0,6 кВт и тепловая мощность около 4 кВт с получением горячей воды с температурой около 60град. Применение имеющихся в продаже термогенераторов добавляет еще ≈ 0,2 кВт. В сутки потребитель может получить электрическую энергию примерно (0,6+0,2)∙ 4,2 кВт∙час ≈ 3,36 кВт∙час, что полностью удовлетворяет нужды сельской семьи из четырех человек по электричеству и горячей воде.

Технология изготовления фотомодулей содержит несколько know-hоw. Например, разработана технология получения селективных покрытий с коэффициентом эффективности 18, решена задача распределения тонкой пленки теплоносителя по нагретой поверхности фотоэлементов с использованием специального состава жидкостей.

В ближайшем будущем КПД преобразования солнечной энергии в электричество не превысит отметку 20%, поэтому оставшуюся часть поступающей энергии следует утилизировать, и научиться делать это надо «здесь и сейчас»;

Комплектация PVT электростанции изделиями казахстанских производителей снижает себестоимость изготовления в несколько раз по сравнению с зарубежными аналогами, и она становится доступной для приобретения потребителем со средним достатком. Это является основной целью разработчиков - довести конечный продукт до массовой реализации.

Ключевые аспекты PVT технологии, определяющие ее востребованность в будущем:

1. Стекло толщиной 2 мм с зеркальным покрытием всегда будет ниже стоимости фотоэлемента той жеплощади, поэтому себестоимость фотомодулей с концентраторами и простой следящей системойостанется ниже себестоимости солнечных батарей той же мощности ;

2. Температура фотоэлементов не превышает 60 0С и падение напряжение зарядки аккумуляторнойбатареи незначительно и в жаркие дни лета, поэтому снижается общее количество фотоэлементов наодин фотомодуль и, соответственно, его массогабаритные характеристики;

3. Концентрирующая система из планарных зеркал не только снижает число фотоэлементов исопутствующих материалов (герметики, медные проводники, припой и т.д.), но и время на сборку итестирование фотомодулей по сравнению со сборкой обычных фотобатарей. При этом сборка итестирование других рабочих элементов проводится другими рабочими группами параллельно.

4. В связи с загрязнением окружающей среды вредными выбросами производства кремниевыхпластин растут требования по дополнительной их очистке, что повышает стоимость конечнойпродукции - солнечных электростанций. Эта тенденция мало отражается на производствеконцентраторных систем.

5. Комплектация передвигаемой по солнцу платформы PVT электростанции ветрогенераторамисравнимой мощности обеспечивает круглосуточную эксплуатацию нескольких ее ключевых рабочихэлементов и снижает стоимость комбинированной электростанции по сравнению сэлектростанциями той же мощности, работающими только от ветра, или солнца.

6. Концентрация солнца на селективных поверхностях позволяет оптимизировать выборразрабатываемых термогенераторов, настраивая термогенераторную часть электростанции наоптимальный градиент температуры в области максимальных рабочих температур горячих сторон всоответствии с их паспортными данными

40*40MM PELTIER T.G.M.(Thermoelectric Generating Module) Power Module

Guangdong (China)

THERMOELECTRIC POWER GENERATIONTEG Module

Thermal Enterprises (USA)

• 40mm x 40mm x 4 mm • Operates from 0-16 volts DC and 0-10.5 amps • Operates from -50 deg C to +150 deg C • Price: US $11.59

• 40mm x 40mm x 3.3mm • Operates from 0-16 volts DC and 0-10.5 amps • Operates from -60 deg C to +180 deg C • Price: US $19.99