Доклад 4: Эксперимент с увеличением производительности солнечных батарей в 2,9 раз и новый тип электростанции (Часть 2)

3) Основа сравнения: обычная солнечная электростанция (с неподвижными фотоэлементами из монокристаллического кремния)

Я имею в виду электростанцию без аккумуляторов, которая подает электроэнергию в общую сеть во время солнца

Инвестиции на запуск 1 кв. м фотомодуля (без НДС) = 526 EUR:

1) 1 кв. м фотомодуля, включая установку (500 Е / кв. м)

500 Е

2) DC / AC-преобразователь и другое электрооборудование для 0,15 кВт (150 Е / кВт) 

23 Е

3) Помещения для 0,15 кВт (1 кв. м / 20 кВт, 400 Е / кв.м)

3 Е

Годовая выработка электроэнергии 1 кв. м фотомодулей = 1400 х 0,9 х 16 % = 202 кВт-час в год, где:

— 1400 кВт-час / (кв. м х год) – годовая солнечная радиация в Южной Европе на горизонтальную площадку площадью 1 кв. м

— 0,9 – коэффициент, учитывающий увеличение годовой радиации при переходе от горизонтальной площадки к наклонной, уменьшение КПД фотомодуля в утренние и вечерние часы, а также во время облаков и в жаркие дни  

— 16 % — полное КПД (в первые 5 лет работы) системы «Фотомодуль + DC / AC-инвертор + кабели и провода + др. электрооборудование»  

Долговечность фотомодуля – падение КПД в 4 раза за 320 лет (на основе известных экспериментальных и практических данных – уменьшение в 1,1 раз за 20-25 лет)

Годовые расходы (без НДС) на выработку этих 202 кВт-час:

1) Стоимость инвестиций (по ставке 5 % в год) = 526 Е х 5 % = 26,3 Е / год

2) Расходы на плановую замену оборудования = 2,3 Е / год:

 

Стоимость замены

Период замены

Итого на год

1) 1 кв. м фотомодулей

500 Е

320 лет

1,6 Е

2) 0,15 кВт преобразователей и другого электрооборудования

23 Е

40 лет

0,6 Е

3) 0,0075 кв. м помещений

3 Е

50 лет

0,1 Е

3) Аренда земли (пустырь, пустыня, степь, луг – 200 Е / га в год) = 3 кв. м х 0,02 Е / (кв. м х год) = 0,1 Е / год

4) Другие расходы (по норме 5 Е / год на 1 кВт установленной мощности) – порядка 0,8 Е / год

Таким образом:

— Годовые расходы на 1 кв. м фотомодулей = 26,3 + 2,3 + 0,1 + 0,8 = 29,5 EUR

— Себестоимость вырабатываемой электроэнергии = 29,5 E / 202 кВт-час = 0,146 EUR / кВт-час (без НДС)

 

4) Новый тип солнечной электростанции

Я предлагаю электростанцию, в которой используются фотомодули с усилителями типа описанного в 1-й главе (более подробно – в «Докладе 3») вместо неподвижных фотомодулей. Отличия новой электростанции от типичной (из 3-й главы):

— Теперь нужно в 2,9 раз меньше фотомодулей для выработки 202 кВт-час в год: 0,34 кв.м фотомодулей вместо 1 кв. м. Однако цена фотомодуля увеличивается из-за охлаждающего радиатора на задней стенке. Хотя существуют и факторы удешевления фотомодуля: более дешевый корпус, самостоятельная сборка элементов в модуль, стоимость крепления фотомодуля уже учтена в стоимости солнечного усилителя 

— Срок службы фотомодулей теперь ниже из-за большего потока радиации. К сожалению, я не смог найти исследований по зависимости старения фотомодулей от интенсивности радиации (хотя мой поиск был очень коротким). Я нашел в Internet мнения о причинах старения фотомодулей: «стареет герметик, соединяющий пластины – он темнеет, крошится» и «кванты света высокой энергии генерируют в кремнии точечные эффекты». Судя по всему, срок службы обратно пропорционален интенсивности ультрафиолетовой радиации. С небольшим влиянием других факторов: рабочая температура, электромагнитные поля, дожди, погодные перепады температуры и влажности, факторы течение времени, механические нагрузки от ветра и др. Если сомнения в высоком сроке старения фотомодулей (50-100 лет до снижения КПД в 4 раза) еще останутся, то коэффициент усиления солнечной радиации может быть ограничен, например на уровне 1,5-2,5 (т.е. фотомодули с усилителями в Норвегии эквивалентны фотомодулям без усилителей в Сахаре) 

— Нужно в 1,2 раза больше электрооборудования, вследствие снижения коэффициента его использования. Однако из-за этого срок его службы увеличивается в 1,2 раз

— Появляются новые расходы: на солнечные усилители и на перестройку их вертикального угла

— Нужно больше земли: примерно 4,5 кв. м – вместо 3 кв. м

Инвестиции (на годовое производство 202 кВт-час) оказываются в 2,34 раз меньше (чем у типичной электростанции) = 225 EUR (без НДС):

1) 0,34 кв. м фотомодуля (530 Е / кв. м)

180 Е

2) 0,18 кВт DC / AC-преобразователей и другого электрооборудования (150 Е / кВт) 

27 Е

3) 4,1 кв. м усилителей, включая установку и настройку (3,4 Е / кв. м)

14 Е

4) Помещения для 0,18 кВт (1 кв. м / 20 кВт, 400 Е / кв.м)

4 Е

Годовые расходы (без НДС) на выработку 202 кВт-час:

1) Стоимость инвестиций (ставка 5 % в год) = 225 Е х 5 % = 11,3 Е / год

2) Расходы на плановую замену оборудования = 3,4 Е / год:

 

Стоимость замены

Период замены

Итого на год

1) 0,34 кв. м фотомодулей

180 Е

100 лет

1,8 Е

2) 0,18 кВт преобразователей и другого электрооборудования

27 Е

48 лет

0,6 Е

3) 4,1 кв. м усилителей

14 Е

15 лет

0,9 Е

4) 0,009 кв. м помещений

4 Е

50 лет

0,1 Е

3) Аренда земли = 4,5 кв. м х 0,02 Е / (кв. м х год) = 0,1 Е / год

4) Зарплата сотрудников, которые перестраивают вертикальную ориентацию солнечных усилителей (ставка зарплаты – 15 Е за рабочий час = 2600 E за календарный месяц = 0,25 Е за рабочую минуту)(Норма на 12 перестроек усилителей в год – 4 человеко-минуты на 20 кв. м зеркал) = 4 мин х (4,1 кв. м / 20 кв. м) х 0,25 Е / мин = 0,2 Е / год 

5) Другие расходы (норма 5 Е / год на 1 кВт) – порядка 0,9 Е / год

Таким образом:

— Годовые расходы (на производство 202 кВт-час) = 11,3 + 3,4 + 0,1 + 0,2 + 0,9 = 15,9 EUR

— Себестоимость вырабатываемой электроэнергии = 15,9 E / 202 кВт-час = 0,079 EUR / кВт-час (без НДС), т.е. в 1,85 раз дешевле, чем у типичной электростанции (из 3-й главы)

 

5) Перспективы еще большего снижения стоимости

Размер инвестиций 1,11 EUR / (кВт-час х год) и себестоимость кВт-час электроэнергии 7,9 евроцентов – это еще не предел снижения. Можно сделать еще следующее:

1) Увеличение коэффициентов усиления солнечного потока до 8,0-10,0. Цель – увеличение производительности фотомодулей солнечным усилителем не в 2,9 раз, а примерно в 7 раз. Однако система охлаждения фотомодулей теперь нужна будет более мощная

2) Переход на другой тип солнечного усилителя, например на описанный в «Докладе 2». Он более эффективно использует зеркала (примерно в 2 раза) и может достичь более высокого коэффициента усиления

3) Закупка более дешевого электрооборудования (DC / AC-преобразователи, возможно повышающие трансформаторы и др.) за счет уменьшения требований к его КПД. Электростанция из 3-й главы имеет правило экономической целесообразности «Разрешается купить более дешевое в 1,1000 раз электрооборудование, если КПД ухудшается меньше чем в 1,0059 раз». Это правило смягчается для электростанции из 4-й главы до ««Разрешается дешевле в 1,1000 раз, если КПД ухудшается меньше чем в 1,0119 раз». Более перспективные электростанции имеют тоже мягкое правило — «Разрешается купить более дешевое в 1,1000 раз электрооборудование, если КПД ухудшается меньше чем в 1,0114 раз». Возможно, это правило исполняется до нормы 80 EUR / кВт (без НДС), а при переходе от 150 EUR / кВт до 80 EUR / кВт КПД электрооборудования ухудшается на 2 %     

4) Закупка более дорогих фотомодулей, однако с более высоким КПД. Электростанция из 3-й главы имела правило экономической целесообразности «Разрешается купить более дорогой в 1,1000 раз фотомодуль, если его КПД вырастает в более чем 1,0998 раз». Электростанция из 4-й главы имеет более мягкое правило «Разрешается дороже в 1,100 раз, если его КПД вырастает в более чем 1,080 раз». Перспективные электростанции имеет еще более мягкое правило — «Разрешается купить более дорогой в 1,100 раз фотомодуль, если его КПД вырастает в более чем 1,075 раз». Возможно, это правило исполняется до КПД 18 % при росте цены фотомодулей до 650 EUR / кв. м (без НДС, с учетом системы охлаждения)

Таким образом, для выработки 202 кВт-час в год потребуется 0,13 кв. м фотомодулей (= (16 % / 18 %) х 1,02 / 7,0)

Инвестиции в перспективную электростанцию (на годовое производство 202 кВт-час) оказываются в 4,5 раз меньше, чем у типичной электростанции = 117 EUR (без НДС):

1) 0,13 кв. м фотомодуля (650 Е / кв. м)

85 Е

2) 0,22 кВт DC / AC-преобразователей и другого электрооборудования (80 Е / кВт) 

18 Е

3) 2,9 кв. м усилителей, включая установку и настройку (3,5 Е / кв. м)

10 Е

4) Помещения для 0,22 кВт (1 кв. м / 20 кВт, 400 Е / кв.м)

4 Е

Годовые расходы (без НДС) на выработку 202 кВт-час:

1) Стоимость инвестиций (ставка 5 % в год) = 117 Е х 5 % = 5,9 Е / год

2) Расходы на плановую замену оборудования = 3,2 Е / год:

 

Стоимость замены

Период замены

Итого на год

1) 0,13 кв. м фотомодулей

85 Е

40 лет

2,1 Е

2) 0,22 кВт преобразователей и другого электрооборудования

18 Е

59 лет

0,3 Е

3) 2,9 кв. м усилителей

10 Е

15 лет

0,7 Е

4) 0,011 кв. м помещений

4 Е

50 лет

0,1 Е

3) Аренда земли = 7 кв. м х 0,02 Е / (кв. м х год) = 0,1 Е / год

4) Зарплата сотрудников, которые перестраивают вертикальную ориентацию солнечных усилителей (ставка зарплаты – 15 Е за рабочий час = 2600 E за календарный месяц = 0,25 Е за рабочую минуту)(Норма на 20 перестроек усилителей в год – 6 человеко-минут на 20 кв. м зеркал) = 6 мин х (2,9 кв. м / 20 кв. м) х 0,25 Е / мин = 0,2 Е / год 

5) Другие расходы (норма 5 Е / год на 1 кВт) – порядка 1,1 Е / год

Таким образом:

— Годовые расходы (на производство 202 кВт-час) = 5,9 + 3,2 + 0,1 + 0,2 + 1,1 = 10,5 EUR

— Себестоимость вырабатываемой электроэнергии = 10,5 E / 202 кВт-час = 0,052 EUR / кВт-час (без НДС), т.е. в 2,81 раз дешевле, чем у типичной электростанции (из 3-й главы)

 

Себестоимость электроэнергии 1 евроцент за кВт-час достигается, например, при комбинации следующих условий:

1) Global horizontal irradiation – 1900 кВт-час / кв. м: юг Испании, Крит, Кипр. Полное КПД системы «фотомодули + электрооборудование» — 18,5 %

2) Увеличение производительности фотомодулей солнечным усилителем – в 12 раз

3) Стоимость фотомодулей – 300 Е / кв. м (без НДС, с системой охлаждения). Их долговечность (падение КПД в 4 раза) – 50 лет

4) Стоимость солнечных усилителей – 2,5 Е за кв. м зеркала. Их долговечность – 30 лет

5) Стоимость электрооборудования – 20 Е / кВт (без НДС). Их долговечность (коэффициент использования – 0,15) – 50 лет

6) Аренда земли – 60 Е / га в год

7) Помещения станции – по норме 1 кв. м / 50 кВт

8) Норма категории «Другие расходы» — 2 Е / кВт в год (коэффициент использования станции – 0,2). Это электростанции мощностью более 100 МВт 

9) Ставка стоимости инвестиций – 4 % в год

Доклад 4: Эксперимент с увеличением производительности солнечных батарей в 2,9 раз и новый тип электростанции (Часть 1)

Моя основная идея не нова. Уже существовали предложения уменьшить затраты на солнечные батареи (фотоэлементы), снабдив их зеркалами, которые усиливают поток радиации на фотоэлементы в несколько раз. Однако необходимо было еще провести экономический (и подробный технический) анализ и прийти к следующим выводам:

— Зеркала должны быть очень дешевыми. Предел рентабельности – 20-50 EUR за кв. м  отражающей поверхности (включая крепление, установку, настройку). Кривые стеклянные зеркала – нерентабельны. Системы из плоских стеклянных зеркал могут быть рентабельными при определенных условиях. Одно из моих предложений – зеркальная полимерная пленка, наклеенная на пенополистирольный лист. Результат, полученный мною раньше (см. Доклады 2 и 3) – 3,4 EUR за кв. м зеркала (включая крепление, установку, настройку)

— Отношение площади зеркал к площади фотоэлементов должно быть от 10 до 20. Коэффициент усиления солнечного потока зеркалами – от 2-3 до 5-10

— Зеркала должны подстраиваться под расположение солнца. Современная автоматическая подстройка для зеркал (она часто используется для фотоэлементов, но не для зеркал) делает систему нерентабельной. Я предлагаю ручную подстройку под вертикальный угол солнца 8-20 раз в год. Однако затраты времени должны быть очень малы. Результат, полученный мною раньше – порядка 2-4 минуты на 20 кв. м зеркал в год  

— Усиленный (до 2-4 кВт / кв. м) поток солнечной радиации сильно нагревает фотоэлемент. Последствия: падение КПД и возможность выхода из строя кремниевого слоя или передней прозрачной пластины. Я предлагаю устанавливать охлаждающие ребра на заднюю поверхность фотоэлемента. Эти эксперименты описаны во 2-й главе Доклада

 

1) Эксперимент с увеличением производительности фотоэлементов

Я купил фотоэлемент из монокристаллического кремния с активной поверхностью 125 мм х 125 мм (= 1,56 кв. дм). В течении всего дня 8 августа 2011 я измерял мощность фотоэлемента в трех ситуациях:

1) Ситуация «Фотоэлемент расположен неподвижно на юг под вертикальным углом 45 град» (45 град – оптимальный среднегодовой угол для Миргорода – 50 град сев. широты). Эта ситуация имитирует работу большинства солнечных электростанций (электростанции с неподвижными фотоэлементами)

2) Ситуация «Фотоэлемент постоянно переориентируется так, чтобы его плоскость была перпендикулярна направлению на солнце». Это имитация работы некоторых солнечных электростанций (электростанции с автоматической подстройкой фотоэлементов на солнце)

3) 3-я ситуация имитирует работу нового типа солнечных электростанций, который будет описан в 4-й главе Доклада. Рисунок показывает вид сбоку: фотоэлемент 1 расположен между верхним 2 и нижним 3 вогнутыми зеркалами, которые отражают дополнительный поток радиации от солнца 4 на фотоэлемент 1. Этот солнечный усилитель более подробно описан в «Докладе 3» и характеризуется следующим:

— Отношение площади зеркал 2 и 3 к высоте поверхности под фотоэлемент 1 равно 12,0: высота этой поверхности – 13,5 см, высота двух зеркал – по 81 см

— Замеренный ранее коэффициент усиления солнечной радиации достигал 3,5-4,0 в некоторых точках и до 3,0-3,5 в среднем по поверхности

— Зеркала 2 и 3 являются листами пенополистирола, на которые наклеена зеркальная полимерная пленка

— Горизонтальная ориентация усилителя – на солнце в 12.40 по киевскому времени

— Перестройка вертикальной ориентации таких усилителей может производиться одновременно для 3-6 усилителей одним человеком за 10-20 секунд

8 августа было безоблачное небо, однако с небольшой туманностью (люксометр показывал 80-100 вместо максимальных 90-120). Вертикальный угол солнца – 56,5 град, вертикальная ориентация усилителя – 57,5 град. Далее замеры мощности фотоэлемента (в Вт) в трех упомянутых ситуациях:

Время (по Киеву)

6.30

7.30

8.30

9.30

10.30

11.30

12.30

1) Неподвижный

0,15

0,45

0,78

1,06

1,27

1,38

2) Подстройка на солнце

0,41

0,88

1,05

1,18

1,25

1,29

1,39

3) С усилителем

0,20

0,95

2,32

3,89

4,24

4,79

 

Время (по Киеву)

13.30

14.30

15.30

16.30

17.30

18.30

19.30

1) Неподвижный

1,33

1,20

0,99

0,65

0,31

0,06

2) Подстройка на солнце

1,37

1,34

1,31

1,22

0,93

0,67

0,04

3) С усилителем

4,86

3,58

1,89

0,92

0,09

0,03

Дорожки фотоэлемента были ориентированы перпендикулярно линии восток-запад. Разница между ориентациями очень большая – до 20-30 %. Скорее всего это следствие очень больших градиентов освещенности фотоэлемента перпендикулярно линии восток-запад

Далее выводы о выработке электроэнергии (в Вт-час):

 

До

8.30

8.30-

10.30

10.30-

12.30

12.30-

14.30

14.30-

16.30

После

16.30

Всего за

день

1) Неподвиж-

Ный

0,32

1,54

2,49

2,63

1,93

0,66

9,57

2) Подстройка

на солнце

1,70

2,35

2,61

2,74

2,59

2,27

14,26

3) С усилите-

лем

0,57

4,97

8,62

9,18

4,20

0,52

28,06

Таким образом:

— Использование подстройки фотоэлемента на солнце увеличило выработку электроэнергии на 49 %

— Использование солнечного усилителя описанного типа увеличило выработку электроэнергии на 193 % (в 2,93 раз)

 

2) Эксперименты с воздушным охлаждением фотоэлементов

Я купил несколько алюминиевых радиаторов от компьютерных процессоров, удалил их вентиляторы, и наклеил эти радиаторы на заднюю поверхность фотоэлемента теплопроводящей пастой КПТ-8 (силикон с оксидом цинка). Таким образом, тепло от кремневой пластины фотоэлемента начало идти вперед (через прозрачный пластик толщиной 0,6 мм) и назад через следующие слои:

1) Непрозрачный пластик толщиной 1,6 мм. Визуально похож на какой-то из эпоксидных пластиков – они имеют теплопроводность порядка 0,25 Вт / (м х град)

2) Слой пасты КПТ-8 толщиной около 1,8 мм (теплопроводность – 0,65-0,8 Вт / (м х град))

3) Алюминиевые ребра высотой 30 мм и интервалом 2,4 мм (Коэффициент оребрения – 26,0) 

17 августа 2011 такой фотоэлемент был установлен в солнечный усилитель (ребра радиаторов располагались перпендикулярно линии восток-запад). Люксометр показывал коэффициент усиления солнечной радиации в 3,0 раз. Через 20 минут нахождения фотоэлемента в усилителе (генерация им электричества была включена):

— Переднее стекло фотоэлемента нагрелось на 22-30 град выше окружающего воздуха, а алюминиевые ребра радиаторов – на 18-22 град. Однако это в безветрие. Когда ветер появлялся, температура быстро уменьшалась

— Нагретый фотоэлемент производил электроэнергию 348 Вт / кв. м (напряжение максимума – 14,3 В)

Затем я изъял фотоэлемент из усилителя, охладил его в течение 10 минут и замерял его производительность. Оказалось в 3,91 раз меньше – 89 Вт / кв. м при напряжении максимума – 14,5 В (без усилителя, направление – точно на солнце)

Ранее (16 августа) фотоэлемент без радиаторов производил электроэнергию в положении «направление – точно на солнце» (генерировалось 73 Вт / кв. м). Тогда переднее стекло фотоэлемента нагрелось на 12-15 град выше воздуха. Задняя стенка фотоэлемента тоже нагрелась – на 12-15 град

Позже я снял алюминиевые радиаторы и установил стальные ребра на заднюю стенку фотоэлемента. Ребра показаны ниже на левом рисунке. Отдельная пара ребер является швеллером с основанием 5 шириной 10 мм и двумя крыльями 6 длиной по 30 мм. Верхние концы крыльев 6 сведены друг к другу до 5 мм. Я изготовил такие швеллера из старого стального сайдинга: лист толщиной 0,49 мм, покрытый антикоррозионной краской с обоих сторон. Я гнул швеллера молотком и после этого вставлял их в тиски (между крыльями – пластина толщиной 6 мм) и расплескивал их дно до плоского (оно получалось как дно гильзы патрона). Швеллера были установлены на заднюю поверхность 7 фотоэлемента вплотную друг к другу через слой 8 пасты КПТ-8 толщиной 1,7 мм. Таким образом я получил стальной радиатор со средним интервалом ребер 5 мм и высотой 30 мм (Коэффициент оребрения – 13,0) 

22 августа 2011 такой фотоэлемент был установлен в солнечный усилитель (ребра располагались перпендикулярно линии восток-запад). Люксометр показывал коэффициент усиления солнечной радиации в 3,65 раз. Через 15 минут нахождения фотоэлемента в усилителе (генерация им электричества была включена):

— Переднее стекло фотоэлемента нагрелось на 30-38 град выше окружающего воздуха, а ребра радиатора – на 20-25 град. Ветер имел место, однако порывами и очень слабый

— Нагретый фотоэлемент производил электроэнергию 409 Вт / кв. м (напряжение максимума – 14,1 В)

Затем я изъял фотоэлемент из усилителя, охладил его в течение 15 минут и замерял его производительность. Оказалось в 4,05 раз меньше – 101 Вт / кв. м при напряжении максимума – 14,7 В (без усилителя, направление – точно на солнце)

Установка таких ребер в больших масштабах будет стоить порядка 40 EUR / кв. м фотомодулей:

1) Заказ заготовок для ребер – гнутый швеллер или уголок из стали толщиной 0,5 мм, оцинкованный или покрытый антикоррозионной краской – 27 кг стали / кв. м фотомодулей, т.е. порядка 20 Е / кв. м

2) Теплопроводящая паста: силикон смешивается с оксидом цинка или алюминия. Для слоя 1-2 мм нужно 1-2 литр пасты / кв. м фотомодуля, т.е. порядка 5 Е / кв. м

3) Зарплаты работников для четырех операций: нарезка профиля на ребра, смешивание силикона с оксидами, ручное нанесение слоя пасты на фотомодули, ручная установка ребер на слой пасты. Всего – порядка 1 человеко-час / кв. м фотомодулей, т.е. примерно 15 Е / кв. м

Интересно подсчитать, что установка ребер охлаждения экономически оправдана только при коэффициентах усиления солнечной радиации выше чем 2,5. Это при следующих условиях: увеличение стоимости фотомодуля в (500 Е + 40 Е) / 500 Е раз, обычный солнечный поток нагревает кремний на 15 град, применение ребер снижает температуру кремния в 2 раза, температурный коэффициент производительности фотомодуля – 0,45 % / град

Однако охлаждающие ребра неизбежны при высоких коэффициентах усиления радиации. Иначе температура кремния (и переднего прозрачного листа) может достигнуть +100 град и выше

Мои предложения по сборке элементов в фотомодуль (экспериментально не проверялось):

— Модуль состоит из одного ряда элементов высотой 10-20 см

— Длина модуля может быть до 0,8-1 м (устанавливается одним человеком) и больше (два человека)

— Элементы вставляются внутрь двух швеллеров 9 (см. правый рисунок вверху) на силикон

— Каждый из двух швеллеров 9 имеет по два стальных уха 10 (присоединены электросваркой) для крепления на солнечный усилитель через шурупы

— Два ребра модуля имеют отличную от других ребер конструкцию: их концы должны крепиться к ухам 10 через винты 11

                                           ( ПРОДОЛЖЕНИЕ  СЛЕДУЕТ )