Солнечно-дизельные станции с применением систем ориентации и концентрации

Солнечно-дизельные станции с применением систем
ориентации и концентрации
Работа является логическим продолжением проекта с учётом знаний, полученных
на стажировке в Германии в области солнечной энергетики от партнёрства
"ЕВРОСОЛАР русская секция", а также с условием установки на реальные (не
учебно-лабораторные) места своего региона.
Научная новизна:
 Разработана уникальная система ориентации солнечных установок,
позволяющая повысить эффективность сбора энергии на 30-40% и
обладающая преимуществами в сравнении с аналогами
 Разработана концентрирующая система, позволяющая снизить стоимость
солнечной установки в 3-4 раза, которая превосходит другие аналогичные
решения и имеет патент
 Создана система управления гибридными станциями на основе солнечной
энергии и дизеля, получены новые алгоритмы более эффективной работы,
создана система управления всем комплексом, позволяющая снизить срок
окупаемости всей системы в перерасчёте на обычные дизельные установки
до 1,5 лет.
Применение:
 Установка электростанции на территории богашёвской школы Томской
области для обеспечения собственных нужд левого крыла школы (заказчик
администрация Томской области)
 Оснащение установки посёлка Томской области (заказчик томский центр
ресурсосбережения и энергоэффективности)
 Эффективно в любом районе нашей страны без ограничений по
применению
Актуальность:
В настоящее время солнечная энергетика растёт по экспоненциальной
зависимости - на 20-30% ежегодно. За 2014 год было введено 47ГВт солнечных
мощностей, тогда как в 2013 году эта цифра равнялась 30ГВт.
1
300
250
200
Оптимистический
прогноз
150
Базовый прогноз
100
К концу года
50
0
Рис. 1. Установленные солнечные мощности по годам (в ГВт) Источник: EPIA 2014
Особенно актуален этот вид автономной энергии в районах с
децентрализованным электроснабжением. В России от централизованного
электроснабжения отрезано порядка 70% территории страны, на которой
проживает более 20 млн. человек. В этих районах в большинстве своём
используются
дизельные
установки, во
многих
районах
стоимость
вырабатываемой электроэнергии доходит до 50руб за КВт*ч и более. В связи с
этим применение солнечных установок весьма актуально. Такие системы не
только эффективны но и могут быть экономически выгодны, особенно в таких
регионах как Сибирь, Якутия, Забайкалье, Юго-Восточная и Восточная Сибирь.
Проблемы и предлагаемые решения:
Тем не менее, в настоящий момент солнечная энергетика имеет несколько
проблем, из которых основные две:
1)относительно невысокая эффективность преобразования солнечной энергии в
электрическую в течение дня
2)высокая стоимость солнечных установок и, как следствие, довольно большой
срок их окупаемости
Для решения данных проблем мы предлагаем использовать следующие наши
изобретения:
1) Акриловый концентратор
(рисунок 2) - оптическая система,
выполненная преимущественно из акрила. Позволяет собирать солнечную
энергию с большей площади и направлять её на меньшую площадь. Как сказал
нобелевский лауреат Жорес Алфёров - за концентрирующими системами будущее
солнечной энергетики.
2
Рис.2 Внешний вид акрилового концентратора (опытный образец)
На рисунке 3 схематически представлен разрез акрилового концентратора. Он
содержит оптические клинья 1,2 с рабочими гранями 3,4 и торцами 5, на которых
расположены фотоэлементы, светоотклоняющий элемент 6 и зазор 7,
заполненный специальным клеем.
Принцип действия концентратора основан на явлении полного внутреннего
отражения. Солнечные лучи, падая на рабочую грань 3 оптического клина 1,
частично отражаются, а частично, испытывая преломление на границе раздела,
проникают
внутрь клина. В зависимости от коэффициента преломления
материала клиньев, оптической среды 7 и угла клина лучи, попавшие в клин 1,
либо отражаются от его грани 4, либо проходят сквозь нее и оптическую среду 7,
имеющую показатель преломления, меньший, чем показатели преломления
оптических клиньев 1 и 2, внутрь клина 2. При этом, вследствие эффекта полного
внутреннего отражения лучи, отразившиеся от грани 4 клина 1, попадают в
конечном счете
на основание 5 оптического клина 1. Лучи, прошедшие в
оптический клин 2, проходят через его рабочую грань 3 и попадают на
светоотклоняющий элемент 6, отражаясь им обратно в оптические клинья 1 и 2.
Элемент 6 выполнен таким образом, что отраженные от него лучи входят в
клинья 1 и 2 под углами, обеспечивающими их полное внутреннее отражение
внутри клиньев, с дальнейшим попаданием их на основания 5 клиньев.
3
Рис.3 Схема акрилового концентратора в разрезе
Все характеристики системы имеют жёсткую привязку друг к другу и подобраны
под работу для длин волн от ультрафиолетового до инфракрасного излучения.
Неверно подобранная характеристика хотя бы одного значения делает систему в
разы менее эффективной, что делает предлагаемый концентратор уникальным.
Это подтверждается также полученным патентом, который обеспечивает
сохранность научной идеи, имеется рабочий опытный образец.
Предлагаемый нами концентратор имеет ряд преимуществ в сравнении со своими
аналогами:
-низкая себестоимость
-концентратор очень лёгкий
-размеры и толщина как у обычных солнечных панелей
-в данном концентраторе не скапливается конденсат
-концентратор не требует систем охлаждения
-для работы концентратору не требуется точного наведения на солнце
Применение нашего концентратора позволит значительно снизить себестоимость
солнечных панелей, так как он позволяет получить ту же мощность, используя в 7
раз меньше солнечных элементов!
2)Солнечный трекер. Трекер - устройство, позволяющие вращать солнечные
панели или концентратор, направляя их на солнце. Мной предложен собственный
уникальный трекер, обладающий рядом конкурентных преимуществ в сравнении
с аналогами, что подтверждается патентом на него "Солнечная установка", заявка
на который была подана в июле 2014 года. Патент составлялся с учётом бесед с
профессором Клаусом Тиссеном, коллегой Жореса Алфёрова, а также
наблюдений и изучений разработанного ими трекера (RU 2286517 C1, МПК
F24J2/42 (2006.01), опубл. 27.10.2006), который описывается в нашей заявке на
патент в качестве одного из аналогов для нашего собственного устройства. Нам
удалось улучшить трекер по нескольким ключевым параметрам, таким как
4
снижение энергопотребления установки и улучшения возможностей поворота без
требований к подстилающей поверхности.
Трекер превосходит не только свои аналоги, но и свой собственный прототип
прошлого года благодаря разработанной новой плате управления, позволяющей
ещё больше повысить точность наведения, снизить энергопотребление, улучшить
арсенал ручной настройки вращения пользователем. Так же установка питается
напрямую от аккумулирующего блока благодаря встроенному коллекторному
двигателю постоянного тока, не требуя инверторов и контроллеров заряда, что
делает систему проще, дешевле и надёжней.
Основные преимущества трекера со своими аналогами представлены в таблице 1.
Таблица 1. Сравнение трекера с аналогами в России и странах СНГ
-------------------
Угол
поворота
Цена для батарей
установленной
мощностью 3,5
КВт
$3,4 тыс.
Увеличение
мощности
(в августе)
Регулировка
вручную
Сервисное
обслуживание
Наша
продукция
Более 200
градусов
32%
имеется
дешёвое,
доступное, раз в 2
года
«Энергия
Дисижн»
(Челябинск,
Омск), ED1500
150
градусов
$7,8 тыс.
28%
отсутствует
Дорогое,
раз в 2 года
«flagma» (СанктПетербруг),HS1000
150
градусов
$8,5 тыс.
28%
отсутствует
Дорогое,
раз в 2 года
«БайкалЭнергия
(Иркутск)
120
градусов
$8,4 тыс.
26%
отсутствует
Дорогое,
раз в 2 года
«Солнечные
батареи»
(Украина)
«SAT Control»
(Словения),
ST40M2V3P
180
градусов
$7,2 тыс.
30%
отсутствует
Дорогое,
ежегодично
100
градусов
$4 тыс.
20%
имеется
Дорогое,
Раз в 2 года
-более широкий угол поворота позволяет повысить уровень выработки
электроэнергии в вечерние и утренние часы
-установка даёт более высокое увеличение производительности (до 40%) в
сравнении с аналогами
-систему возможно регулировать и настраивать пользователем без специальных
умений
-себестоимость установки ниже аналогов
-трекер требует значительно более редкое и дешёвое обслуживание
5
Имеется собранный опытный образец с панелями мощностью 200Вт (рисунок 4),
заканчивается доработка установок для промышленного производства
(мощностью по 400Вт штука).
Рис.4 измерение мощности солнечной установки от угла падения лучей
3) Не смотря на снижение стоимости солнечных панелей, в Технопарке БерлинАдлерсхоф владельцами солнечных установок был озвучен также ещё один
фактор, который значительно влияет на применение данного вида энрегии и даже
обонкротил часть из них - крайне высокие затраты на аккумуляторы. Срок
службы свинцовых аккумуляторов всего около 3х лет, а их стоимость часто может
составлять порядка половины цены солнечной станции для объектов, требующих
бесперебойного питания.
Так как сейчас на большинстве таких объектов установлены дизельные станции,
то мы предлагаем использовать совмещённые солнечно-дизельные станции. Для
таких установок устанавливается только минимальное количество аккумуляторов
на 2-3 часа бесперебойного питания, что примерно в 20-30 раз меньше чем
для стандартных солнечных станций. Выработка электроэнергии осуществляется
преимущественно за счёт солнечных установок, составляя примерно 80% от
общей выработки. Дизель-генераторы включается в основном только в поздние
вечерние часы и аномально пасмурные дни. В результате с учётом применяемых
трекера и концентратора достигается максимальная экономическая выгода и
низкие сроки окупаемости - стоимость вырабатываемой электроэнергии в
перерасчёте на КВт*ч может достигать в некоторых районах 4-5 руб/ кВт*ч, что в
10 раз меньше аналогичных классических дизельных станций. Достигается это, в
свою очередь, за счёт разработанной нами системы управления всем комплексом.
Она позволяет обеспечить максимально экономичный режим работы по
специально разработанному алгоритму, который показал себя эффективней
аналогов (которых у нас в стране практически нет), позволяя снизить срок
окупаемости во многих районах до 3х лет, а в некоторых (труднодоступных) до
6
1,5 лет. Разработанная схема реализации совмещения дизельного генератора и
солнечной установки показана на рисунке 5.
Рисунок 5. Солнечно-дизельная электростанция при смешанном включении солнечной
энергоустановки и дизельного генератора
1 - СЭУ; 2 – солнечная панель; 3, 9 - электрический генератор; 4 - выпрямительконвертор напряжения; 5 - батарея аккумуляторов (суперконденсаторов); 6 реверсивный конвертор напряжения; 7 - ДГ; 8 - дизельный двигатель; 10 устройство плавного запуска; 11 - система управления; 12 - шина постоянного
тока; 13 - трехфазный инвертор напряжения; 14 - потребители постоянного
напряжения; 15 - распределительная сеть 380В 50Гц (шина переменного тока); 16
- потребители электроэнергии; 17 - повышающий силовой трансформатор; 18 потребители электроэнергии напряжением 6 или 10 кВ; 19 - объект
децентрализованного электроснабжения
Итоги
Предлагаемый мной проект позволяет снизить стоимость солнечных установок во
всех основных аспектах, увеличить собираемую ими мощность, а также наиболее
эффективно совместить их с дизельными установками, обеспечив минимальное
количество шума и выброса газов в атмосферу от работы таких установок в 5-8
раз.
Данный проект поддержан грантом фонда содействия инновациям в размере 400
тыс. рублей. Получен заказ на установку такой станции около Богашёвской
школы Томского района (главный заказчик - администрация Томской области).
Получен заказ на модернизацию дизельной станции посёлка от Томского центра
ресурсосбережения и энергоэффективности.
7
Данный проект эффективен для практически всей территории нашей страны, в
том числе и Московской области, что позволит популяризовать возобновляемую
энергетику в таких немаловажных учреждениях как школы, развлекательные
комплексы и т.д.
8