Месяц: Сентябрь 2011

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

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 )