В области фотоэлектрического преобразования солнечной энергии орга­низуется и проводится целый ряд конференций и выставок. Их них самые важ­ные следующие: «Европейская Фотоэлектрическая Конференция» (EPVC, Ев­ропа), «ІЕЕЕ конференция специалистов в области фотоэлектричества» (IEEEPSC, Америка), «Международная Фотоэлектрическая Конференция по Науке и Инжинирингу» (IPVSEC, Азия), международная ярмарка Inter Solar Europe.

Каждые четыре года европейские и американские общества IPVSEC, IEEE и EPVSC организовывают объединенную конференцию: «Мировая Кон-

ференция по Фотоэлектрическому Преобразованию Солнечной Энергии» (WCPSEC). Все эти конференции представляют собой крупные собрания спе­циалистов в конференционных центрах больших городов, с участием обычно 2500 — 3000 участников со всех континентов. Эти конференции, как правило, сопровождаются выставками с 500 — 800 экспонентами из разных стран.

Рис. П. 4.1. Географическое положение Чешской Республики

В течение последних лет организации, в которых работают авторы, прини­мали участие в большинстве этих мероприятий [42 — 44]. На конференциях де­монстрировались технические разработки в области солнечных энергетических систем, включая TRAXLE, M стенд для автоматического слежения, представлен­ный компанией Poulek Solar Ltd., Чешская республика (см. рис. 18.95 и 18.96).

Фотоэлектрические панели обычно демонстрируются следующими ком­паниями: Sharp (Япония), BP Solar (Великобритания), Eurosolar (Италия), Photowatt (Франция). Инверторы представляются фирмами Solarfabrik (Герма­ния), Trace Engineering (США), Mastervolt (Нидерланды) и Fronius (Австрия). Кабели и водонепроницаемые контакты показываются, например, компаниями Tyco Electronics (США) и Multi-Contact (Швейцария). Deger Energie (Германия) демонстрирует следящие стенды с использованием пирамиды фотоэлектриче­ских панелей. Диффузионные печи для технологии производства полупровод­ников представлялись компанией SVCS, Ltd. (Чешская Республика). Большое число других компаний представляет иные солнечные технологии. Например рис. 18.73 — 18.74 демонстрируют примеры водонепроницаемых контактов высшего качества и водонепроницаемых корпусов от фирмы Multi-Contact. Они являются стойкими не только по отношению к воздействию дождя, но и к по­гружению в воду.

На рис. 18.75 показан металлический водонепроницаемый корпус компании Fischer, который является более стойким к воздействию высоких температур при прямом освещении, чем стандартные черные пластмассовые коробки. Изоляцион­ные свойства этого корпуса проверены на безопасность при напряжении 10 кВ.

19-я Европейская Фотоэлектрическая Конференция и выставка по вопро­сам Солнечной энергетики, проведенная 7-11 июня 2004 г. в Париже во Двор­це Конгрессов (Франция) [45] и 20-я Европейская Фотоэлектрическая Конфе­ренция и выставка по вопросам Солнечной энергетики, проведенная 6-10 ию­ня 2005 г. в 1-м Международном центре конгрессов в г. Барселона, были важ­нейшими европейскими событиями. В Парижском конгресс-центре в общей сложности было зарегистрировано 1919 участников из 75 стран и 233 экспонен­тов из 26 стран. В Барселонском конгресс-центре было зарегистрировано 2151 участников и 274 экспонента из 32 стран. Ясно, что это были престижные встречи. Упомянутое количество участников иллюстрирует возрастающую зна­чимость солнечной энергии.

В 2007 г. в общей сложности 3035 участников из 83 стран и 520 экспо­нентов из 32 стран приняли участие в 22-й Европейской Фотоэлектрической Конференции и выставке по вопросам Солнечной энергетики в Милане. На следующей 23-й Европейской Фотоэлектрической Конференции и выставке по вопросам Солнечной энергетики в 2008 г. в Валенсии уже было зарегистриро­вано 3150 участников из 84 стран и 715 экспонентов из 34 стран.

Наш опыт участия в таких мероприятиях за прошлые 10 лет показывает, что эта тенденция продолжается. Приятно, что Чешская республика внесла свой вклад в эту проблему. На Парижской и Барселонской встречах число чешских участников составляло 8 и 10 человек соответственно. Три чешские компании участвовали в выставках. Это не так уж мало, если принять во внимание размер и местоположение Чешской республики. Географическое положение Чешской республики (и Праги как ее столицы) в центре Европы показано на рис. П.4.1.

Архитекторы, рассматривающие возможность встраивания фотоэлектри­ческих систем в их проекты, также все больше интересуются участием в этих мероприятиях. Рисунки 18.40 — 18.43 демонстрируют примеры «солнечной ар­хитектуры» на этих выставках. Пленарные лекции, девять специальных сессий и постеровские презентации сообщили о многих новых результатах. Сборники трудов этих конференций обычно составляют 4000 — 5000 страниц. Секции конференции были ориентированы в особенности на следующие проблемы:

— фундаментальные исследования, новые материалы и продукты;

— солнечные элементы на основе кристаллического кремния и его произ­водств;

— аморфный и микрокристаллический кремний;

— солнечные элементы на основе других полупроводников;

— фотоэлектрические панели и компоненты фотоэлектрических систем;

— фотоэлектрические системы, применяемые для работы с сетью;

— глобальные аспекты электрификации с использованием фотоэлектриче­ских систем;

— солнечные фотоэлектрические системы в космосе;

— специальные пленарные секции «Новинки фотоэнергетики»;

— солнечная архитектура.

В последние годы российские компании значительно активизировали свою деятельность по участию в международных мероприятиях высокого уров­ня, посвященных фотоэлектричеству. Ярким примером этому стала Междуна­родная выставка и конференция IntrerSolar-2012. Впервые на выставке такого уровня Россия была представлена собственной экспозицией, которая была ор­ганизована по прямому указанию Правительства РФ. В конференции приняло участие большое число представителей госучреждений (в частности Министер­ства энергетики, Государственной думы и др.), а также промышленности и нау­ки. Продемонстрированы новейшие достижения науки и техники. На заседании Круглого стола были обсуждения самые актуальные проблемы современной фотоэнергетики (рис. 18.126). В процессе личных контактов с представителями ряда научных организаций и бизнес-структур рассмотрены вопросы сотрудни­чества науки с бизнесом, в том числе с зарубежными бизнес-структурами. Про­ведены переговоры о возможности сотрудничества по данным направлениям.

Особо следует отметить, что проведенное мероприятие позволило не только установить полезные контакты с зарубежными организациями, но, что не менее важно, обеспечило возможность для российских участников провести двусторонние и многосторонние обсуждения существующих проблем и наме­тить направления возможного сотрудничества в рамках как национальных, так и международных (рис. 18.148) проектов.

Необходимо отметить и тот факт, что кроме крупных мероприятий (кон­ференций, симпозиумов и выставок), целиком посвященных проблеме фото­электрического преобразования солнечной энергии и использования энергии Солнца, эти вопросы, как правило, активно обсуждаются и на конференциях с более широкой тематикой, проводимых различными организациями. К таким мероприятиям можно отнести проводимую через каждые два года в ГНУ ВИЭСХ Международную научно-техническую конференцию «Энергообеспе­чение и энергосбережение в сельском хозяйстве». На этой многопрофильной конференции всегда огромное внимание уделяется возобновляемым источни­кам энергии, в том числе вопросам фотоэлектрического преобразования сол­нечного излучения. Кроме докладов во время работы конференции работает выставка достижений ГНУ ВИЭСХ в этом направлении (рис. 18.149).

К числу аналогичных мероприятий можно отнести Международную Конференцию ТАЕ-2010 «Тенденции в Сельскохозяйственной Инженерии» (In­ternational Conference ТАЕ, Trends in Agricultural Engeneering), проводимую Пражским сельскохозяйственным университетом в г. Прага, и Международную Конференцию по электротехнологиям и технологиям управления (International Conference on Electrical and Control Technologies ЕСТ), проводимую ежегодно в г. Каунасе (Литва) под эгидой Каунасского технического университета.

[1] РИА «Новости», 13.04.2012. 34

[2] Для модуля с системой точного слежения за Солнцем энергия, погло­щаемая поверхностью модуля площадью S0 = 1 м2 в день, может быть выражена следующим образом (снова пренебрегая эффектами атмосферы):

W= IS„t = 4,75 х Ю7Втс= 13,2 кВт ч.

Периодические колебания в поступлении солнечного излучения — боль­шое неудобство в контексте эксплуатации солнечных энергетических систем. Ночью, когда мы в наибольшей степени нуждаемся в электроэнергии, Солнце не светит. Поэтому необходимо накапливать энергию в период ее избыточного производства для более позднего использования во время периодов дефицита. Существует много способов и устройств для аккумуляции электрической энер­гии, выработанной на солнечных энергетических установках.

Конденсаторы. Накопление электроэнергии в конденсаторах имеет огра­ниченное применение, поскольку относительно большой конденсатор в состоя­нии накопить небольшое количество энергии. Конденсаторы пригодны для применения только в определенных целях, например для энергоснабжения маленьких устройств. Например, в электронных устройствах они используются для обеспечения функционирования памяти во время прерываний энергоснаб­жения. На рис. П.3.1 показан большой конденсатор для напряжения U = 24 В емкостью С = 1,2 F. Согласно известному соотношению между энергией заряженного конденсатора, его напряжением и емкостью этот конденсатор

может накопить W ~ —СИ1 « 345 Дж.

Рис. П.3.1. Конденсатор высокой емкости
(С = 1,2 Ф; U = 24 В)

Электрохимические аккумуляторы. Известны как аккумуляторные ба­тареи (возможно перезаряжающиеся) различных размеров и применения. Пере­зарядка достигается [46] путем приложения электрического тока для того, что­бы преобразовать продукты реакции обратно к исходным реагентам.

Во время зарядки с помощью внешнего электрического тока электроэнер­гия превращается в химическую энергию, во время разрядки аккумулятора эта накопленная химическая энергия снова преобразуется в электрическую энер­гию, поставляемую в электрическую сеть, с которой аккумулятор связан. Во время разрядки реагент окисляется, и свободные электроны поступают к отри­цательному электроду. Положительный электрод действует как анод во время разрядки и как катод во время новой зарядки.

В качестве примера можно привести свинцовый аккумулятор. Он имеет свинцовые электроды, которые высвобождают электроны во время разрядки. Разбавленная серная кислота используется как электролит. В растворе она дис­социирует на положительные ионы водорода и отрицательные ионы сульфата. Этот процесс происходит согласно уравнениям

H2S04 -> 2 Н+ + S04”, РЬ -> РЬ2+ + 2е”.

Во время разрядки реакция Pb + S04” —> PbS04 + 2 е имеет место на

отрицательном электроде, в результате чего два свободных электрона перено­сятся к электроду.

Реакция РЬ02 + 2 Н+ + H2S04 + 2 е" -» PbS04 + Н20 происходит на по­ложительном электроде, и два свободных электрона отбираются от электрода. Полная реакция может быть, таким образом, выражена уравнением РЬ02 +2 H2S04 + Pb -> PbS04 +2H20 + PbS04.

Она вызывает осаждение сульфата свинца на обоих электродах. Схема свинцового аккумулятора приведен на рис. П.3.2. Электродвижущее напряже­ние одной заряженной ячейки свинцового сумматора составляет около Ц. = 2 V.

Например в автомобильном аккумуляторе с U = 12 В шесть таких ячеек соединены последовательно.

Кроме свинцовых аккумуляторов существуют аккумуляторы со щелоч­ным электролитом (Ni-Cd, Ni-Zn, Ag-Zn) [46]. Солнечные зарядные устройства для зарядки аккумуляторов весьма распространены. Они могут иметь различ­ные размеры, от маленького и простого с выработкой в несколько ватт, до больших управляемых компьютером версий, возможно с температурными дат­чиками, имеющих мощность в несколько киловатт. У последних могут быть индикаторы, сообщающие о состоянии зарядки и других параметрах. Все поле солнечных модулей может быть соединено с такими зарядными устройствами, и они могут обеспечить зарядку домашних или муниципальных источников энергии, как показано на рис. 18.77. Портативные аккумуляторы немецкой компании Akku, демонстрировавшиеся в 2007 г. в Милане, показаны на рис. 18.76.

разряженная батарея зарядка батареи разрядка батареи PbS04+2H20 —► Pb02 + 2hr+H2SC!4 + 29- РЬ0з + 2І-Г+Н25О4+2<Г — PbS04+2H20

 

Рис. П.3.2. Схема работы свинцового аккумулятора

Электростанция с насосным накопителем. Это еще один способ нако­пления солнечной электроэнергии. Устанавливая на различных уровнях два бассейна, связанных трубопроводом с обратимой турбиной, мы можем накачать воду в верхний бассейн в периоды выработки излишней энергии. Потенциаль­ная энергия воды увеличивается на величину AWp = mg Ah за счет перекачи­вания воды из нижнего бассейна в верхний.

Наоборот, во время периодов нехватки энергии вода поступает из верхне­го в нижний бассейн, передавая свою энергию на турбину и, таким образом, на генератор, находящийся на валу турбины. Размеры и параметры бассейна, тур­бины и генератора должны быть подобраны с учетом параметров солнечной энергетической установки. Схема небольшой электростанции с указанной сис­темой аккумулирования энергии приведена на рис. П.3.3.

Другим перспективным вариантом представляется аккумулятор с исполь­зованием процесса накопления энергии в форме водорода, получаемого элек­тролизом воды. Водород используется как источник энергии в течение прибли­зительно последних 200 лет. Это главный компонент синтетических газов, про­изведенных газификацией ископаемого топлива и биомассы [47]. Жидкий во­дород используется как топливо для двигателей ракет и может использоваться для реактивных самолетов. В настоящее время водород, главным образом по­лученный из ископаемого топлива, составляет приблизительно 1% всех источ­ников энергии. Интерес к водороду как топливу будущего в последнее время возрос, особенно в прошлое десятилетие, как результат рассмотрения проблемы изменения климата, вызванного в значительной степени выбросами при сжига­нии ископаемого топлива.

Рис. П.3.3. Схема небольшой электростанции с насосным накопителем

Водородные накопители. Идея водородных энергетических систем (так называемая водородная экономика) серьезно рассматривается с 1960-х годов. Идея состоит в том, чтобы использовать лишнюю непиковую энергию, особен­но от атомных электростанций, способом, подобным тому, который использу­ется в насосных системах. Возможность использовать лишнюю энергию от солнечных фотоэлектрических систем и ветрогенераторов стала рассматривать­ся относительно недавно. Принимая эффективность электролизера т/ = 90 %, можно оценить, что для производства электролизом 1 кг водорода требуется приблизительно W| = 38 кВт ч электроэнергии. Чтобы ожижать водород на сле­дующем этапе, необходимо W2 = 10 кВт*ч. У водорода как топлива есть опреде­ленные преимущества. У него самая высокая из всех топлив теплотворная спо­собность. В таблице П.3.1 приведены сравнительные данные по теплотворной способности различных топлив (заметьте, что здесь ядерное топливо рассмат­ривается вместе с другими видами топлив). При сгорании водорода в воздухе образуется только водяной пар и совсем небольшие количества окисей азота. Ни окислы углерода, ни окислы серы, ни какие либо другие загрязнители атмо­сферы не образуются.

Жидкий и газообразный водород может использоваться как топливо в двигателях внутреннего сгорания, но такие двигатели еще должны быть разра­ботаны, с учетом требования обеспечить системы прямой подачи топлива. Та­ким образом, можно обеспечить более высокие степени сжатия и увеличенные значения коэффициента полезного действия. Однако смешивание водорода с

кислородом в карбюраторе полностью исключается. В Соединенных Штатах это направление развивается от создания экспериментальных автомобилей, приводимых в движение водородом, до массового производства таких автомо­билей и строительства водородозаправочных станций вдоль некоторых важных автострад.

Производство электроэнергии в так называемых топливных элементах — возможно, самое многообещающее использование водорода [46]. Однако эта тема выходит за рамки настоящей книги. Поэтому мы отсылаем читателя, заин­тересовавшегося этой проблемой, к специальной литературе.

Таблица П.3.1. Сопоставление различных видов топлив по теплотворной
способности (ядерное топливо интерпретируется здесь
как обычное топливо)

Вид топлива	Теплотворная способность (МДж/кг)
Лигнит из Южной Моравии	10
Бурый уголь из Соколов	14
Твердая древесина	16
Бурый уголь из Северной Богемии	16
Коммунальный газ	19
Битуминозный уголь из Кладно	23
Кокс	27-30
Битуминозный уголь из Остравы	28
Мерное топливо	29
Чистый углерод	33
Нефть	43
Метан	50
Чистый водород	96
Ядерное топливо “(У	3.9 х 106
Термоядерное топливо ]D+T	3.4 х Ю8
Аннигиляция материи	9.0 х Ю10

Комбинированные накопители. Это передовая технология комбиниро­ванного накопления солнечной энергии [53] (рис. П.4.5 также представляет оп­ределенный интерес). Солнечное излучение, сконцентрированное параболиче­ским концентратором с точечным фокусом, направляется в фотохимический реактор. Природный газ вместе с высококачественным порошком окиси цинка подается в реактор. Происходит цепь химических реакций, которые в упрощен­ной форме могут быть описаны уравнением

СН4 + ZnO -» Zn + СО + 2 Н2.

Рис. П.3.4. Схема комбинированной технологии
с использованием концентратора солнечного излучения

Газообразная смесь СО + Н2, также называемая «сингаз» (syngas), при­годна для прямого сжигания. Но лучше «синтетический газ» использовать для производства метанола (СН3ОН), что позволяет накапливать энергию в форме жидкого топлива. Восстановленная цинковая пудра может использоваться дву­мя возможными способами. Ее можно использовать в реакторе для разложения воды и окисления цинка согласно упрощенной реакции на рис. П. З.4., накапли­вая энергию в форме произведенного водорода. Альтернативно, восстановлен­ная цинковая пудра может быть окислена, для того чтобы произвести электро­энергию с помощью управляемой химической реакции в топливном элементе (снова согласно упрощенной реакции на рис. П.3.4).

В обоих случаях переработанная окись цинка возвращается в фотохими­ческий реактор.

Все фотоэлектрические генераторы вырабатывают постоянный ток. Од­нако для последующей работы с произведенной электроэнергией необходимо ее преобразовать в переменный ток и обеспечить получение напряжения, при­годного для изолированных или распределительных электрических сетей.

Для преобразования постоянного тока от фотоэлектрических панелей в переменный ток с заданными напряжением и силой тока обычно используются преобразователи (конвертеры). Далее в случае необходимости напряжение пе­ременного тока (АС) может быть далее преобразовано в трансформаторах. В Центральной и Западной Европе эффективные значения низкого напряжения в трехфазной сети обычно составляют величину Uef =230 /400 V а с частотой у = 50 ГЦ. Напряжение в распределительных сетях составляет обычно — и, фф =22 кВ *, и ,фф =220кВ « и U 1фф =400 кВ.

Для применения на практике производятся следующие инверторы:

— инверторы для работы без подключения к сети;

— инверторы, работающие с сетью.

Под замкнутой сетью мы подразумеваем закрытую локальную сеть, кото­рая не связана с общественной распределительной сетью. Замкнутые инверто­ры генерируют свою собственную частоту, которая соответствует частоте рас­пределительных сетей (в индустриальных странах 50/60 Гц). Таким образом, в этих сетях могут использоваться электрические приборы общего назначения. К примеру, здесь можно упомянуть продукцию компании SMA — Solar Island (Солнечный Остров) в качестве типичных представителей этих инверторов. На рис. П.2.1 показан инвертор компании Suntel с максимальной мощностью 1000 Вт, демонстрировавшийся на выставке в Шанхае в 2005 г.

В последнее время сетевые инверторы приобрели большое значение, осо­бенно в связи с быстрым развитием фотоэлектрических электростанций и сете­вых фотоэлектрических систем. Сетевые инверторы синхронизируют свою час­тоту с частотой распределительной сети. Из соображений безопасности важно незамедлительно отключать инверторы в случае прекращения подачи электро­энергии из распределительной сети. В противном случае инверторы могут по­ставлять электроэнергию в отключенную распределительную сеть, и рабочие, работающих на этих сетях, могут подвергнуться опасности. Типичная зависи­мость качества инвертора от выбранной мощности была представлена ранее на рис. 6.5. Инверторы известных компаний автоматически согласуются с сетью и автоматически отключаются в случае падения напряжения в распределительной сети.

С технической точки зрения инверторы могут быть разделены на две группы; с трансформаторами; и без трансформаторов.

Исторически раньше появились инверторы с трансформаторами. В соот­ветствии со своим названием эти инверторы используют классический транс — 302

форматор для преобразования напряжения. Трансформатор одновременно обеспечивает гальваническую развязку фотоэлектрических панелей от распре­делительной сети. Инверторы с трансформаторами все еще представляют ос­новную номенклатуру современных производств. Они надежны, но в то же время более тяжелы, и затраты на их производство выше, чем на изготовление инверторов без трансформаторов.

Наряду с развитием полупроводниковой силовой техники, увеличением номенклатуры и объема их выпуска, а также с увеличением их надежности воз­растает объем производства инверторов без трансформаторов. Поскольку в этих инверторах входные и выходные цепи гальванически не развязаны, к ним предъявляются более высокие требования по технике безопасности. С другой стороны, более низкий вес и более низкие затраты на производство по сравне­нию с инверторами с трансформаторами — их большое преимущество. В связи с быстрым развитием силовой электроники (например, униполярных транзисто­ров) или вследствие перехода от кремниевой технологии к карбидкремниевой можно ожидать дальнейшее увеличение эффективности инверторов без транс­форматоров.

Рис. П.2.1. Инвертер Suntel для работы вне сети с максимальной мощностью
1000 Вт, демонстрировавшийся на выставке в Шанхае в 2005 г.

По мощности сетевые инверторы могут быть классифицированы как:

— однопанельные инверторы с мощностью обычно до 250 Вт, которые часто устанавливаются непосредственно в контактной коробке фотоэлектриче­ской панели. Эти инверторы обычно снабжаются схемой, обеспечивающей

электрическое согласование параметров инвертора с параметрами фотоэлек­трической панели;

— системные инверторы с мощностью приблизительно 5-6 кВт, рабо­тающие обычно с одной цепью фотоэлектрических модулей, соединенных по­следовательно («в ряд») с максимальным напряжением 1000 В. Эти инверторы обычно оснащаются схемой, которая обеспечивает электрическое согласование параметров инвертора с параметрами фотоэлектрических модулей (устройство максимальной мощности МРРТ). Есть также инверторы, работающие с 2 — 3 схемами, где фотоэлектрические модули соединены последовательно («мульти­рядные»), Каждый «ряд» оснащен схемой МРРТ;

— центральные инверторы имеют обычно мощность приблизительно от 5 кВт до 1 МВт и работают с сотнями соединенных в единую цепь фотоэлектри­ческих модулей («ряды»).

Рис. 18.70 — 18.72 демонстрируют инверторы известных производителей, на рис. 18.99 показан инвертор типа Sunny Boy («Солнечный Мальчик») произ­водства компании SMA, используемый Инженерным факультетом Чешского Университета сельского хозяйства в Праге.

Описание устройства. Весь механизм (рис. П.1.1) состоит из одной TRAXLE оси слежения (1), снабженной солнечными панелями (2), которая вы­полняет две функции. Она следует за движением Солнца в небе и, в зависимо­сти от положения Солнца, поставляет энергию двигателю постоянного тока (DC). Двигатель установлен на узел слежения. Оба конца оси защищены против проникновения паров влаги и пыли. Это гарантирует длительное время жизни и работу с минимальным обслуживанием даже при самых тяжелых условиях экс­плуатации.

Рис. П. 1.1. Схема по установке фотоэлектрической системы
со следящим стендом TRAXLE™

Солнечные модули (6) прикреплены к стойкам (4), которые в свою оче­редь присоединены к оси слежения посредством U-образных болтов (5). Узел слежения прикреплен к стенду (3). Этот узел обеспечивает электроэнергией внешнюю схему через кабель (7).

Работа и обслуживание. Благодаря уникальной конструкции блока сле­жения никакое обслуживание в течение работы установки не требуется.

Рис. П.1.2. Влияние размера прокладки на баланс при наклоне

Благодаря специальному движению всего устройства в очистке солнеч­ных коллекторов нет необходимости в отличие от стационарного варианта. Только при очень сложных и тяжелых условиях одноразовое обслуживание и

297

очистка панелей и системы слежения может потребоваться. Особое внимание должно быть обращено на U-образные болты (5), поддерживающие стойки (4) и стопорящие механизм так, чтобы они не ослаблялись. Неподвижный конец оси слежения должен быть особенно хорошо зажат.

Разрешение (точность слежения) системы TRAXLE обычно колеблется в пределах ±5 (это не имеет никакого отношения к свободному разгруженному допуску ±2° в начале слежения). Это стандартный эксплуатационный параметр устройства. В комбинации с новым механизмом с автоблокировкой это разре­шение гарантирует, что устройство может работать под воздействием сильного ветра, когда другие устройства не в состоянии работать надежно. В полдень вибрирующая стойка стучит в стенд, что обеспечивается пластмассовыми сто­порами. Затем стойка полностью выдвигается против стенда (в положении мак­симальной ориентации на запад) таким образом, чтобы вечерние колебания бы­ли ограничены.

Неполадки в работе. Если устройство останавливается, что может про­изойти либо из-за механической блокировки, либо вследствие механической неустойчивости, то в этом случае необходимо проверить соединения и угол между солнечной панелью и блоком управления (контрольной панелью) и лик­видировать все дефекты. В случае дефекта контрольной панели весь блок дол­жен быть заменен согласно инструкции. О любом потенциальном повреждении первичной системы необходимо сообщить изготовителю. Пользователь не дол­жен пытаться произвести ремонт первичной системы самостоятельно.

Материалы, используемые в системе TRAXLE™:

TRAXLE ‘ (1). Стойкий к воздействию морской воды алюминиевый сплав (6061/Тб);

Выходной зажим. Стандартная нержавеющая сталь (AISI 304).

Стойка (4). Стойкий к воздействию морской воды алюминиевый сплав (6061/Тб);

Выходной зажим. Стойкий к воздействию морской воды алюминиевый сплав (6061/Тб);

Фиксатор. Стандартная нержавеющая сталь (стандарт AISI 304);

Безопасность

Территория, на которой размещается солнечная энергетическая система, должна быть надежно огорожена забором, чтобы предотвратить несанкциони­рованный доступ людей, особенно детей и животных. Забор будет смягчать воздействие порывов ветра. Система крепления к фундаменту должна противо­стоять даже самым суровым ветровым нагрузкам. Более чем 0,1 м3 бетона на 1 м должно быть использовано в области расположения солнечных модулей. Коэффициент безопасности > 2!

• Все установки должны соответствовать местным актам регулирования.

• Покупатель (пользователь) несет ответственность за повреждение или несоблюдение местных инструкций.

• Должен быть установлен четко видимый предупредительный знак «Ос­торожно! Электрическая установка».

Балансирован ие

Блок должен быть хорошо уравновешен (см. рис. П.1.2), чтобы гаранти­ровать надлежащие условия работы. Мы предупреждаем, что несовершенное балансирование уменьшит выработку и надежность. Центр тяжести стойки от­носительно вертикальной оси X должен быть на оси TRAXLE™ или приблизи­тельно на 1 — 5 мм ниже оси. Толщина распорной детали зависит от типа сол­нечной панели. Рис. П.1.2 показывает, как распорные детали влияют на балан­сирование собранной системы. Распорные детали — часть комплекта TRAXLE™ и должны всегда использоваться так, как описано в руководстве по монтажу. В то же время, панель должна быть равноудалена относительно оси Y так, чтобы была обеспечена надлежащая балансировка. Панели должны быть одного типа и иметь одинаковый вес с обеих сторон TRAXLE™. Приложение каких-либо объектов к стойке во избежание появления неустойчивости системы запрещено. Предварительно просверленные отверстия в стойке можно затребо­вать во время заказа на поставку оборудования. Они могут быть приспособлены к данному типу панелей.

Инструкция по установке

• Части, указанные в приложенном списке, должны быть доставлены к месту монтажа в пакете для транспортировки.

• TRAXLE™ (1) должен быть сориентирован в направлении между севе­ром и югом. Никакие ограждения (деревья, другие установки и т. д.) не должны присутствовать поблизости, чтобы не экранировать устройства с 6:00 до 18:00.

• TRAXLE™ (1) должен быть установлен на стенде (3) согласно рис. П.1.3. Примечания: а) стенд не включен как часть стандартной поставки; б) могут использоваться различные типы стендов (например, круглый поддержи­вающий шест).

• Угол наклона TRAXLE™ (1) должен быть выбран с учетом географиче­ской широты (угол наклона горизонтального регулирования должен быть в пределах 2 — 5 °).

• Стойка (4) должна быть присоединена к TRAXLE™ (1) U-образным болтом (5). Захват на верхней поверхности стойки должен быть установлен в отверстие, просверленное в TRAXLE™ (1).

• Коллектор (6) должен быть установлен на стойке (4). Солнечные кол­лекторы должны быть надлежащим образом уравновешены (см. Приложение 1. Инструкция по монтажу и обслуживанию стенда со слежением TRAXLE™). Солнечные модули должны быть хорошо уравновешены во время сборки. Во время установки различие между числом панелей с обеих сторон не должно быть больше одной панели.

• Вспомогательная солнечная панель (2) должна быть установлена к TRAXLE™ (1). Булавка В на вспомогательной солнечной панели (2) должна

299

быть вставлена в отверстие В, которое сверлят в TRAXLE™ (1). Соединяющие элементы должны быть связаны. К ним строго запрещено прикреплять какие — либо объекты.

• Кабель выхода (7) должен быть присоединен к TRAXLE™, а не к стой­ке. На выходном кабеле должна быть расположена гибкая петля.

• Для тестирования движения всей системы между ее ограничивающими положениями в восточном и западном направлениях может быть использована 300 ваттная галогеновая лампа для фотографии/видео (не инфракрасная) Рас­стояние между лампой и вспомогательной солнечной панелью (2) должно все­гда составлять по крайней мере 300 мм (чтобы предотвратить избыточный на­грев). Угол падения лучей должен быть больше чем 90°.

Гаринтия на механическое устройство

Ответственность компании Poulek Solar Ltd ограничена дефектами, кото­рые проявляются в течение первых двух лет после продажи. Poulek Solar Ltd должна устранить неисправности, обусловленные дефектами в использованных материалах или механизмах, при условии, что устройство было должным обра­зом установлено. Любая модификация устройства или вмешательство в ее кон­струкцию лишают законной силы условия гарантии. В течение гарантийного срока дефектные части должны быть возвращены компании Poulek Solar Ltd за счет отправителя вместе с копией коммерческого счета. Часть должна быть возвращена в том виде, в каком была получена, без изменений или модифика­ций, которые лишили бы законной силы гарантию. Poulek Solar Ltd не ответст­венна за дефекты в следующих случаях:

• Повреждение, вызванное ненадлежащей установкой (особенно непод­ходящим балансированием);

• Неправильная эксплуатация, неподходящее хранение или обслужива­ние;

• Повреждение от чрезвычайных естественных условий, таких как силь­ные бури, морозы, штормы или стихийные бедствия;

• Повреждение от установки большего числа фотоэлектрических моду­лей, чем рекомендовано, или от установки неподходящих типов модулей;

• Повреждение, вызванное неподходящей упаковкой возвращенных ком­понентов;

• Химическое повреждение.

Технические характеристики

Масса устройства, не более	8 kg/m2
Стандартный размер	до 20 ш2, до 3 кВт
Длина TRAXLE™	2-8 м

Масса коллекторов, не более	20 кг/м1
Точность слежения	±5° (AM 1.5)
Допуск для разгруженной системы (в на­чале слежения)	±2°
Угол слежения, шах.	150°
Максимальный статический вращающий момент	500-1.500 Нм
Момент относительно к площади	2 Нм/м2 (AM 1.5)
Максимальная скорость ветра	140 км/час
Продолжительность утренней переори­ентации	5 мин
Температурные пределы	-30 — +80°С
Водо — и пылеустойчивость	IP67

Источники	Естественное	Техническое	Вторичная
первичной	проебраэование	преобразование	потребляемая
энергии	энергии	энергии	энергия

движение волн

фотоэлектричество

Горючее

вещество

Планеты

Рис. 18.104. Виды возобновляемых источников энергии [59]

Рис. 18.105. Наиболее распространенные на практике возобновляемые источники энергии [111]

Мировое энергопотребление

Рис. 18.106. Ежегодное мировое потребление энергии в сравнении с объемом поступающей на Землю солнечной энергии в течение года [63]

Годовое поступление солнечной энергии

Фотосинтез Рис. 18.107. Темпы развития ВИЭ в мире (темпы развития традиционной энергетики 2-3% в год, в том числе крупная гидроэнергетика 2%, атомная энергетика 1,6%) [61]

Рис. 18.108. Распределение прихода солнечной радиации по территории России (кВт час/м2сутки) на оптимальную поверхность: а-по [60]; б-по [62], в-по (Hevel Solar / http://www. hevelsolar. com/solar/)

Проіпвод< тв о 2011 (МВт) Я Тонкії* пленки J Ленты-Si Я Мульти-Si Я Moho-S’i

Ц — regions with a share of power generation using RE > 50%of the total electricity generation in the region

иркутская облдс’ь ‘Амурская об:

Bm<bnan (Yevrey A

□ — regions that do not use REfor electricity production

Рис. 18.110. Карта России с указанием уровня использования ВИЭ
в регионах России (Презентация Минэнерго РФ, Круглый стол,
InterSolarEurope, Мюнхен, 2012)

Рис. 18.111. Централизованное и автономное энергоснабжение в России [60]

 

а

Линза Френеля

Солжмиое

излучение

Фото- преобраэп&эг «іь

Рис. 18.112. Принципиальная схема (а) и внешний вид (6) фотоэлектрического модуля на основе кремниевого матричного солнечного элемента с линзой Френеля в качестве концентратора [ 136]

Рис. 18.113. Внешний вид двустороннего солнечного элемента с изотипными переходами (фото Л. И. Брука)

Рис. 18.114. Устройство для измерения параметров двусторонних солнечных элементов

Рис. 18.115. Солнечная станция на модулях каскадный элемент — линза Френеля, разработанная в ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН (г. Санкт-Петербург) (Андреев В. М. Презентация, InterSolarEuro 2012 (Мюнхен)

Рис. 18.116. Взаимодействие солнечного «ветра» с Землей (Нургалиев И. С. (Презентация)

18.117. Некоторые важные космические проекты (RWE Solar Power GmbH)

Рис. 18.118. Загрузка кремниевых пластин в диффузионную печь (www. Kesoyan. ru)

Рис. 18.119. Фактические данные по выпуску солнечных элементов (Cells) и модулей (Modules) в сравнении с реальными возможностями предприятий Российской Федерации (Photonlnternation. 2007, №11, November) Годы

Рис. 18.120. Производство солнечных модулей в разных странах (Елистратов В. А.
Применение солнечных фотоэлектрических установок в системах электро-
снабжения автономных потребителей малой мощности. Презентация.

VIII Международная научно-техническая конференция «Возобновляемая и малая
энергетика -2011», Москва, 7-8 июня 2011 г.)

США 2.528 MW (696) Тайланд 10 MW [0.0396) Тайвань 22 MW (0.196) Южная Корел «55 MW (296) Остальной мир 1,742 MW (496) Япония 3.622 MW (996) И иди* 102 MW (0.2%) Китай 993 MW (296) Канада 200 MW (0.396) А астралин 504 JAW (196)

Великобритания С6 MW (0.294)

Испания Э.7В4 MW (1096) Словакия 145 MW (0.44) Остальная Европа 333 MW (О. В%) Португалия 130 MW (О. Э96)

Рис. 18.122. На территории предприятия по производству пленочных модулей на основе пленок a-Si и p-Si на предприятии МаздарР/ (Тюрингия, ФРГ)

 

Верх:сегрегированные переходные металлы, более высокое содержание углерода

Боковая

сторона:

диффузия

переходных

металлов

Низ: более высокое содержание кислорода, диффузия переходных металлов

Рис. 18.124. Открытие российской экспозиции на Международной выставке
lnterSolarEurope2012, 13-15 июня 2012 г., Мюнхен, Германия
(Выставку открывает заместитель министра энергетики РФ)

Рис. 18.125. Установка водородного восстановления кремния 221УП200 (ФГУП «Красноярский машиностроительный завод». Рекламный проспект)

Рис. 18.126. Установка «Водород» для производства поликристаллического кремния (Красмаш) [116]

Рис. 18.127. Выгрузка поликристаллических стержней из реактора для последующей переработки [115]

Рис. 18.128. Вид раскаленного поликристаллического стержня кремния е смотровом окне установки осаждения [115]

Рис. 18.131. Установка выращивания монокристаллов кремния РСМР CZ1500/250 [114]

Рис. 18.132. Установка для литья слитков кремния компании Deutche Solar AG, Фрайбург, Саксония (Dr. Armin Muller, 1st Advanced Photovoltaic Manufacturing Technology Conference, Munich, 13th April, 2005)

Рис. 18.133. Установка для получения мультикристаллического кремния (Красноярский машиностроительный завод) и произведенная продукция

Рис. 18.134. Типы фотоэлектрических модулей: а — на основе монокристаллического кремния; 6- на основе поликристаллического кремния; в — на основе аморфного кремния

 

Рис. 18.135. Н С. Лидоренко (третий слева) во время визита во Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства

Рис. 18.136. Ведущие сотрудники ФТИ АН СССР им. А. Ф. Иоффе — основоположники знаменитой школы по фотоэлектричеству. Слева направо, стоят — В. М. Андреев, Д. Третьяков; сидят — Д. З. Гарбузов, В. И. Корольков, Ж. И. Алферов

Рис. 18.137. Внешний вид лабораторной установки для нанесения слоев методом пульверизации, разработанной и использованной в Институте прикладной физики АН Молдовы (Кишинев)

Рис. 18.138. Обсуждаются вопросы развития технологии получения солнечных элементов с изотипными переходами в Институте прикладной физики АН Молдовы (Кишинев)

 

 

Рис. 18.142. Большая солнечная печь тепловой мощностью 1000 кВт
Академии Наук Республики Узбекистан (г. Паркент, Узбекистан)

 

Рис. 18.145. Солнечная станция в Тюрингии, 11,7 МВт. Общий вид. Модули 1,4 м2 (Презентация МаздарР/)

Рис. 18.146. Система монтажа солнечных пленочных панелей

Рис. 18.147. Фрагмент солнечной станции Гота

Рис. 18.148. Во время проведения Международной выставки и конференции lntrerSolar-2012 проходили обсуждения вопросов внутрироссийского и международного сотрудничества (на фото подписание документов о сотрудничестве)

Рис. 18.149. Авторы книги (М. Либра и В. Харченко) у стендов, посвященных разработкам ВИЭСХ в области фотоэлектричества во время 8-й Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве», проходившей в г. Москве (ВИЭСХ) 16-17 мая 2012 г.

Рис. 18.150. Общий вид солнечной энергоустановки СЭУ-67 в Армении, 1967 г.

Рис. 18.151. Первая в мире солнечная фотоэлектрическая установка на водоподъемном пункте Овез-Ших совхоза «Бахарден», Туркменистан, 1969 г.

Рис. 18.152. Солнечная фотоэлектрическая водоподъемная установка мощностью 650 Вт с системой слежения за Солнцем в пустыне Кара-Кумы, Туркменистан, 1985 г.

 

Рис. 18.155. Параболоцилиндрический блок солнечной электростанции мощностью 10 кВт в пос. Би крова, Ашхабад, Туркменистан, 1985 г. На переднем плане слева направо: заместитель начальника отделения ВНИИТ НПО «Квант» И. Д. Рыженков, начальник отдела труда и зарплаты НПО «Квант» Л. Б. Вондрачек, начальник туркменской базовой лаборатории (ТБЛ) ВНИИТ НПО «Квант», к. ф.-м. н. Б. А. Базаров, начальник отдела наземной солнечной энергети­ки, заместитель Главного конструктора, д. т.н., профессор Д. С. Стребков, старший научный сотрудник ВНИИТ ТБЛ НПО «Квант», к. т.н. Гончар В. И.

Рис. 18.156. Примеры установки жидкостных ФЭТ систем: а — жидкостный ФЭТ модуль фирмы «ФЗТууіпв»; 6 — ФЭТ концентратор фирмы « Vattenfall»; в — незастекленный модуль фирмы «ECN») [119]

Рис. 18.157. Примеры установки воздушных ФЭТ систем: а — воздушные ФЭТ модули фирмы Grammer Solar; б — вентилируемые фасадные ФЭ системы здания Scheidegger фирмы «Atlantis Energy»; в — воздушный ФЭ на крыше фирмы «ECN» [119]

Средняя энергия поступающая на поверхность, наклоненную в соответствии с широтой

2000%-

150С

 

-150 -100 -50 0 50 100 150

—- *0

Средний объем энергии, производимой ежегодно солнечными панелями, наклоненными в соответствии с широтой Рис. 18.1. Карта Мира с изолиниями средней солнечной радиации на единицу площади и соответствующего количества произведенной электроэнергии (кВт-ч м’2/год). Очевидно, что лучшие области для установки фотоэлектрических систем нахо­дятся в Тибете и в горах Чили. Здесь достаточно солнечного излучения, холод­ная погода и большая высота. Сахара — хорошее местоположение, но не лучшее. Климат очень жаркий и фотоэлектрические панели перегреваются так, что эффективность фотоэлектрического преобразования уменьшается

 

■

Рис. 18.2. Изображение Солнца в большом телескопе (фотография НАСА)

coal petroleum natural gas nuclear energy traditional biomass water power wind power new biomass solar energy ocean energy geothermal energy

Рис. 18.3. Тенденции производства энергии индивидуальными источниками
с 1920 года и прогноз будущего развития до 2060 г.

(по данным Компании Shell)

Рис. 18.4. Колориметрическая диаграмма (прежде, так называемый, колориметрический треугольник)

Рис. 18.5. Солнечная электростанция башенного типа "Solar One" в Калифорнии с максимальной мощностью Рмакс = 10 МВтр и с башней высотой 70 м, была пущена в эксплуатацию в 1985 г. как первая башенная солнечная электро­станция (США, фотография, Южная Калифорния Эдисон, Rosemead, Калифорния)

Рис -18 0. Другой вид электростанции башенного типа “Solar one” (США, фотография, Южная Калифорния, Эдисон, Rosemead, Калифорния)

Рис. 18.7. Детали параболоцилиндрического концентратора электростанции SEGS-III с максимальной мощностью Рмакс = 354 МВтр, работающей в Калифорнии (США, фотография Sandia National Laboratories)

Рис. 18.8. Система использования солнечной энергии с помощью параболоидного концентратора излучения с точечным фокусом, установленная в Аризоне около Финикса (США, фотография Роджера Давенпорта)

Рис. 18.9. Солнечная система с параболоидным концентратором излучения с точечным фокусом, двигателем Стирлинга и генератором электроэнергии

Рис. 18.10. Блок чистого кремния — исходное сырье для производства кремниевых слитков, представленный на выставке в Гамбурге в 2009 г. (Германия)

Рис. 18.12. Слиток монокристаллического кремния, произведенного методом Чохральского в компании Jiaxing (Китай)

Рис. 18.13. Слитки кремния — сырье для производства полупроводникового мате­риала, продемонстрированные в Париже в 2004 г. (Франция)

Рис. 18.14. Обработанный кремниевый слиток-полуфабрикат для производства фотоэлементов, показанный в Шанхае в 2005 г. (Китай)

Рис. 18.15. Нарезанные «вафли» кремния (поликристаллические слева, монокри­сталлические справа), показанные в Гамбурге в 2009 г. (Гэрмания)

Рис. 18.16. Диффузионная печь чешского производства (SVCS Ltd), используемая в производстве фотоэлементов в Наньцзине (Китай)

Рис. 18.17. Стандартный полупроводниковый фотоэлемент на основе поликристаллического кремния

Рис. 18.18. Покрытие для крыши из фотоэлементов на основе тонких слоев аморфного кремния, Париж, 2004 г. (Франция)

Рис. 18.19. Сборка фотоэлектрических панелей на предприятии в Jiaxing (Китай)

Рис. 18.20. Вид спереди на фотоэлектрические панели, фотоэлементы соединены последовательно, показано в Глазго в 2000 г. (Великобритания)

Рис. 18.21. Вид сзади собранного модуля в деталях, фотоэлементы соединены последовательно, показано в Гпазго в 2000 г. (Великобритания)

Рис. 18.22. Резак фольги фирмы EVA для вырезания образцов заданного размера, показанный в Валенсии в 2008 г. (Испания)

 

Рис. 18.23. Нагреватель фотоэлектрических панелей до температуры, превышающей температуру плавления EVA-фольги, показанный в Валенсии в 2008 г. (Испания)

Рис. 18.24. Двусторонняя фотоэлектрическая панель

Рис. 18.27. Гибкие фотоэлектрические панели, представленные компанией Фуджи в 2007 г. в Милане (Италия)

Рис. 18.28. Гибкие фотоэлектрические панели компании Фуджи, которые можно свернуть, разместить в сумке и развернуть на местности, продемонстрированы в Дрездене в 2006 г. (Германия)

Рис. 18.29. Батарея фотоэлектрических панелей, встроенная в естественную среду в Колорадо (США, фотография Дейва Пэрсонса, Национальная Лаборатория Возобновляемых источников энергии)

Рис. 18.30. Фотоэлектрическая система, установленная на местности (Доминиканская Республика, фотография компании Applied Power Corporation)

Рис. 18.31. Большая мобильная фотоэлектрическая система, используемая в Антарктике (фотография компании Northern Power Systems, Уотербери, Вермонт)

Рис. 18.32. Небольшая мобильная фотоэлектрическая система, используемая в Антарктике (фотография Лисп Кларк)

У»

Рис. 18.33. Общественные туалеты с солнечной фотоэлектрической системой

в Шанхае (Китай)

Рис. 18.34. Фотоэлектрическая система, соединенная с сетью, с максимальной
мощностью Ртах = 20 кВтРі установленная в здании Физико-математического
Факультета Карлова Университета, Прага-Тройя (Чешская Республика)

Рис. 18.35. Солнечная электростанция максимальной мощностью 115 кВт, установленная в штате Юта (США, фотография Уоррена Гоейтца, Национальная Лаборатория Возобновляемых Источников Энергии)

Рис. 18.36. Солнечная фотоэлектрическая электростанция, установленная в штате Онтарио (США)

Рис. 18.37. Солнечная фотоэлектрическая электростанция с максимальной выходной мощностью 1.36 МВтр, установленная в Бушановице (Чешская Республика)

Рис. 18.38. Фотоэлектрическая система, встроенная в архитектурную конструкцию здания

Рис. 18.39. Солнечные фотоэлектрические панели, встроенные в архитектурную конструкцию здания в Сан-Франциско (США, фотография Лаборатории Лоуренса Беркли)

Рис. 18.40. Демонстрация фотоэлектрических панелей фирмы SUNTECH, используемых в зданиях, показаны на Шанхайской выставке в 2005 г. (Китай)

 

Рис. 18.41. Солнечная архитектура — фотоэлектрическая крыша Systaic, показанная в Валенсии в 2008 г. (Испания)

Рис. 18.42. Фотоэлектрические панели, прикрепленные к крыше, показанные немецкой компанией INTERSOL в 2007 г. в Милане (Италия)

Рис. 18.43. Солнечные архитектурные фотоэлектрические панели, встроенные
в конструкцию крыши, показаны в Валенсии в 2008 г. (Испания)

Рис. 18.44. Солнечная фотоэлектрическая система со стендом слежения,
работающим на принципе испарения и конденсации фреона,
установленная в Штате Вашингтон (США, фотография Джоан Гооблера)

Рис. 18.45. Детали системы управления стенда слежения с сервомотором фирмы Pesos, показанной в Дрездене в 2006 г. (Германия)

Рис. 18.47. Фотоэлектрическая солнечная система мощностью 1.5 кВтр с автоматическим стендом слежения TRAXLE™, установленная в Dddin (Чешская Республика)

Рис. 18.49. Фотоэлектрическая солнечная система с автоматическим стендом слежения TRAXLE™, установленная в Берлине (Германия)

Рис. 18.50. Фотоэлектрическая солнечная система мощностью 2 кВт с автоматическим стендом слежения TRAXLE™, установленная в Португалии

 

Рис. 18.51. Солнечная насосная система с автоматическим TRAXLE™, установленная в Великобритании (Рмакс = З кВт)

Рис. 18.52. Фотоэлектрическая солнечная система с модернизированным стендом слежения TRAXLE™ (с вращением на 360°) для использования за полярным кругом или в космосе

 

Рис. 18.53. Солнечная фотоэлектрическая электростанция максимальной мощностью 210 кВт, установленная в Калифорнии (США, фотография Sacramento Municipal Utility District, Сакраменто, Калифорния)

Рис. 18.54. Солнечная фотоэлектрическая электростанция, установленная в штате Невада (США)

Рис. 18.55. Сборка солнечной фотоэлектрической электростанции со стендом слежения TRAXLE™ максимальной выходной мощностью 4 МВт в Андалусии (Южная Испания)

Рис. 18.57. Фотоэлектрическая солнечная система с автоматическим стендом слежения TRAXLE™ и гребневым концентратором излучения в промышленной компании

Рис. 18.58. Наружная экспозиция фирмы Poufek Solar company, выставка 2006 г., Дрезден (Германия)

Рис. 18.59. Фотоэлектрическая солнечная система мощностью 0.5 кВт с автоматическим стендом слежения TRAXLE™, гребневым концентратором и двусторонними фотоэлектрическими панелями, установленная в Испании (фотография Стива Джаспера)

 

Рис. 18.62. Фотоэлектрическая солнечная панель с лотковым концентратором, показанная в Валенсии в 2008 г. (Испания)

 

Рис. 18.67. Детали фотоэлемента с высокой концентрацией излучения в фотоэлектрической панели из рис. 18.66 (вид через линзу Френеля)

 

Рис. 18.70. Электронные инверторы MASTERVOLT, показанные в 2008 г. в Валенсии (Испания)

Рис. 18.71. Электронные инверторы Fronius, показанные в Гамбурге в 2009 г. (Германия)

Рис. 18.72. Детальный вид электронного инвертора фирмы SolarMax, показанного в Дрездене в 2006 г. (Германия)

Рис. 18.73. Различные типы водонепроницаемых контактов компании «Мульти-контакт», показанные в Париже в 2004 г. (Франция)

Рис. 18.74. Влагозащищенный корпус фирмы Multi-Contact, показанный в Париже в 2004 г. (Франция)

Рис. 18.75. Металлический водонепроницаемый распределительный щит компании Fischer, более стойкий против высоких температур при прямом воздействии солнечной радиации, проверенный на безопасность при 10 кВ, показан в 2007 г. в Милане (Италия)

Рис. 18.76. Аккумуляторы электроэнергии фирмы Akku Solar, показанные в 2007 г. в Милане (Италия)

Рис. 18.77. Домашний энергетический блок с аккумуляторами электроэнергии

Рис. 18.79. Энергосберегающие светодиодные лампы с автомобильным цоколем

Рис. 18.80. Аспирант Чешского Университета науки о жизни,

испытывающий энергосберегающие источники освещения на светодиодах
в фотоэлектрической системе, не связанной с сетью
including highly
resistant rock
I (soil Сіам VII)

Рис. 18.81. Переносное
устройство для установки
крепежных винтов
и штырьков заземления
для переносных
фотоэлектрических систем,
показанных в Валенсии
в 2008 г. (Испания)

г

Рис. 18.82. Столб освещения с энергосберегающими флуоресцентными лампами, питающимися от солнечной фотоэлектрической панели (Шанхай, Китай)

1

Рис. 18.83. Светофор с энергосберегающими светоизлучающими диодами (светодиоды) и питанием от солнечной фотоэлектрической панели (Шанхай, 2005 г., Китай)

 

Рис. 18.84. Фотоэлектрическая система, не связанная с сетью, для питания кабин чрезвычайных вызовов на магистралях во Франции

Рис. 18.86. Солнечная насосная система фирмы GRUNDFOS, показанная в Шанхае в 2005 г. (Китай)

Рис. 18.88. Автомобиль на солнечной энергии, спроектированный американскими студентами (США, фотография Byron Stafford, Национальная Лаборатория Возобновляемой Энергии)

Рис. 18.89. Фотоэлектрические панели на Международной Космической станции ISS (фотография НАСА)

Рис. 18.90. Фотоэлектрические игрушки, показанные в Шанхае в 2005 г. (Китай)

Рис. 18.91. Вентилятор с энергоснабжением от фотоэлемента, показанный в Барселоне в 2005 г. (Испания)

f

Рис. 18.92. Пленарный доклад на сессии "23-й Европейской Фотоэлектрической Конференции по вопросам солнечной энергии и выставке" в Валенсии в 2008 г. (Испания)

Рис. 18.93. Выставочный стенд фирмы SOLARA на выставке 2006 г. в Дрездене (Германия)

 

Рис. 18.94. Выставочный стенд фирмы SANYO на Шанхайской выставке 2005 г. (Китай)

Рис. 18.95. Стенд чешской компании Poulek Solar Ltd на выставке 2006 г. в Дрездене (Германия)

Рис. 18.96. Стенд чешской компании Poulek Solar Ltd на Гамбургской выставке 2009 г. (Германия) — новый 5Х концентратор Super TRAXLE

Рис 18 97 Фотоэлектрическая солнечная система с автоматическим стендом слежения TRAXLE™ во время тестов в аэродинамической трубе в VZLU Prague-Lethany (Чешская Республика)

Рис. 18.98. Фотоэлектрическая солнечная система, непосредственно подключенная к сети, с автоматическим стендом слежения TRAXLE™ и с мягким гребневым концентратором. Система установлена и проверена на Инженерном факультете Чешского Сельскохозяйственного Университета, Прага (Чешская республика, 2007 г.)

Рис. 18.99. Электронные инверторы и регистрирующее устройство фотоэлектрической солнечной системы, непосредственно подключенной к сети, представленной на рис. 18.98

 

г

Рис. 18.100. Фотоэлектрическая солнечная система, установленная и испытанная в Чешском Сельскохозяйственном Университете (Прага). Новый 5Х концентратор Super TRAXLE, разработанный совместно фирмой Poufek Solar Со Ltd. и Чешским Сельскохозяйственным Университетом (Прага), установлен позади стационарных панелей и гибкой фольги (Чешская республика, 2009 г.)

Рис. 18.101. Новый 5Х Super TRAXLE концентратор, установленный и испытанный на Инженерном Факультете Чешского Сельскохозяйственного Университета, Прага (Чешская Республика)

 

Рис. 18.102. Стенд Чешской компании SVCS Ltd на выставке в Гамбурге — диффузионная печь

Рис. 18.103. Солнечная фотоэлектрическая станция со следящими стендами TRAXLE™ максимальной мощностью 10 МВт, установленная в Китае

Это направление развития глобальной энергетики активно разрабатыва­ется и привлекает все большее внимание научной общественности и бизнеса, поскольку это один из важнейших факторов повышения энергетической безо­пасности таких стран, как Россия. Около 2/3 территории страны, на которой проживает порядка 20 млн человек, не охвачено централизованным электро­снабжением, а на значительной ее части отсутствуют вообще какие-либо ис­точники энергии. Более 50% регионов страны энергодефицитны. Децентрали­зация энергоснабжения является жизненной необходимостью для населения, проживающего на огромных пространствах страны (рис. l8.Ul) и мощным стимулом для вовлечения этих территорий в хозяйственную деятельность. Ос­новой решения этой задачи является освоение новых технологий экологически чистой возобновляемой энергетики. Автономное энергоснабжение — это та ни­ша, где использование возобновляемых источников энергии и, в частности, энергии Солнца, уже сегодня экономически оправдано. Важным условием раз­вития распределенного производства энергии и энергоснабжения локальных потребителей является рассредоточенное строительство когенерационных элек­тростанций малой мощности 30 кВт — 3 МВт с использованием имеющихся на местах возобновляемых энергоресурсов, замена всех газовых котельных на ко — генерационные энергетические установки на базе ВИЭ. В этой области энерге­тики еще только складываются основные термины и понятия, происходит раз­граничение объектов малой энергетики по типу вырабатываемого энергоресур­са и мощности. Тем не менее, работы в этом направлении развиваются доста­точно интенсивно во всем мире и в России в частности.

К настоящему времени в России решением Правительственной комиссии по высоким технологиям и инновациям утверждена технологическая платфор­ма «Малая распределенная энергетика» (ТП «МРЭ»), Организацией-коорди­натором определено Агентство по прогнозированию балансов в энергетике (ЗАО «АПБЭ»), Сформирован Координационный и Экспертный Советы. Про­ведены две Всероссийские конференции «Развитие малой распределенной энергетики в России». Тем не менее, еще многие вопросы требуют тщательной разработки.

Сформулирован ряд понятий, уточнение которых продолжается.

В самом общем виде распределенный энергетический ресурс может быть охарактеризован как совокупность генерирующих источников, которые могут быть распределены по всей распределительной сети, причем как со стороны по­требителя, так и со стороны поставщика.

Под такое определение подпадают и так называемые микросети, концеп­ция которых развивается в ВИЭСХ совместно с Каунасским техническим уни­верситетом (Литва) [144 — 146]. Микросеть рассматривается как система взаи­мосвязанных и объединенных сетью объектов, генерирующих электроэнергию в сеть и потребляющих энергию из сети.

В последнее время для автономного энергоснабжения удаленных, пре­имущественно сельских, потребителей начали использовать комбинированные системы, основанные на использовании двух и более типов ВИЭ. Они могут успешно дополнять друг друга, вследствие чего потребность в аккумулирова­нии и использовании резервных источников энергоснабжения снижается. Осо­бенно удачными автономные системы можно организовать при наличии исчер­пывающей информации о потенциале различных ВИЭ в данной местности, конкретно на объекте.

Однако часто трудно на одном объекте, особенно если это небольшой крестьянский дом, реализовать энергосистемы на базе нескольких потенциаль­но возможных источников. Кроме того, соотношение по времени и мощности нагрузок и генерации электроэнергии в большинстве случаев трудно сбаланси­ровать, поскольку и источники генерации, и потребители немногочисленны.

Значительно легче все эти проблемы устранить, если и число источников генерации, и число потребителей электроэнергии будет существенно больше и они будут разнообразнее. Эти условия легко реализовать, если создать локаль­ную микросеть [144 — 146, 156], т. е. интегрированную энергетическую систему небольшой мощности с распределенными генераторами и потребителями энер­гии (рис. 17.9).

В микросети можно реализовать широкую интеграцию локальных бесто­пливных возобновляемых источников энергии, в первую очередь таких, как солнечная энергия.

Рис. 17.9. Пример локальной микросети: ДВС-Г — двигатель внутреннего сгорания — генератор; АКБ — аккумуляторная батарея; ВЭС — ветряная ЭС; СЭС — солнечная ЭС; МГЭС — малая гидроэлектростанция (микрогидроэлектростанция); БГЭС — биогазовая электростанция; СУ — система управления

Существует много вариантов микросетей. Они могут работать не только автономно, но и параллельно с электросетью. Инновации в энергетике и элект­ронике, в технологиях управления, информатики и связи создают благоприят­ные условия для развития и совершенствования микросетей, их оптимального управления с поддержанием стандартных и стабильных параметров электро­энергии, несмотря на интеграцию источников нестабильной мощности, таких как ветровые (ВЭС) и солнечные электростанции (СЭС). В микросети легче осуществить балансирование мощностей и получить хорошее соотношение ме­жду генерирующими мощностями и объемом выработанной и потребляемой энергии. Здесь могут быть применены динамические резервные мощности и эффективные накопители энергии, в то время как в большой энергосистеме на­до содержать дорогие и громоздкие резервные мощности.

Когда микросети соединены с электросетью, большого влияния на работу энергосистемы они не оказывают, поскольку основная часть энергии произво­дится и потребляется в пределах микросети, что исключает потери, связанные с передачей энергии по электросети. Здесь есть много возможностей цену на электроэнергию установить ниже рыночной, потому что в микросети нет ог­ромной инфраструктуры, многочисленного персонала и больших расходов на энергоносители.

Владеть микросетью и эксплуатировать ее могут владельцы жилых до­мов, предприятия, ЗАО, деревни, поселки и т. д. Здесь потребители энергии в то же время могут быть и ее производителями, эксплуатирующими свои мик­роэлектростанции или/и накопители энергии. Интеграция ВЭС, СЭС и других

Рис. 17.10. Пример организации локальной микросети: БГУ — биогазовая установка; ДВС — двигатель внутреннего сгорания; Г— генератор; ПБ — поточная батарея; ЭЛ1, ЭЛ2 — заряжаемые электролиты; Н1, Н2 — насосы; ФЭМ1 …ФЭМт — фотоэлектрические модули; ВЭ1…ВЭт — ветряные электростанции; СГ1 …СГт — синхронные генераторы; СУ — система управления; ЭС — электросчетчики

электростанций ВИЭ в микросеть встречает значительно меньше бюрократиче­ских препятствий, чем присоединение к электросети.

В настоящая время около 90% существующих электрических микросетей занимает площадь до 1 км~, а суммарная мощность генераторов энергии в од­ной такой микросети не превышает 1 МВт.

Хорошие перспективы для построения микросетей имеются в сельской местности, где доступ к местным первичным возобновляемым источникам энергии в меньшей степени ограничен по сравнению с урбанизированной мест­ностью.

В микросети выработанная энергия в основном используется местными потребителями, что обеспечивает снижение потерь, связанных с передачей и распределением энергии по электрическим сетям.

Надежность снабжения электроэнергией в аварийных случаях разного рода в рамках микросети обеспечить существенно легче, чем в крупных энерге­тических системах.

Потребители энергии в микросети могут участвовать в процессе баланси­рования мощности путем регулирования своих нагрузок, генерируя, накопляя и отдавая электроэнергию в микросеть.

На рис. 17.10 приведен пример организации локальной микросети с при­менением вышеописанных компонентов.

По мере продвижения централизованного электроснабжения на пока еще не освоенные территории имеющиеся там автономные генерирующие мощно­сти могут эксплуатироваться в параллельном с сетью режиме и при необходи­мости обмениваться с сетью энергетическими потоками.

Интенсивное развитие инновационных технологий выработки электро­энергии и передачи ее на значительные расстояния позволят начать обсуждения практической реализации идеи создания глобальной энергетической системы. Такая система будет объединять крупные генерирующие мощности в различ­ных зонах земной поверхности, на территориях, не используемых в хозяйст­венной деятельности, но обладающих высоким потенциалом ВИЭ, а также соз­данные в околоземном пространстве солнечный электростанции. Она позволит обеспечить бесперебойное электроснабжение потребителей как на Земле, так и в космическом пространстве и полностью покрывать постоянно растущие по­требности человечества в энергии. Одновременно будет поэтапно возрастать удельный вес ВИЭ в мировом энергетическом балансе. Особая роль в этих про­цессах несомненно будет отводиться солнечной фотоэнергетике.

В общем случае солнечная энергетическая система может состоять не только из солнечных электростанций, но также включать и электростанции, ис­пользующие другие возобновляемые источники энергии, соединенные между собой и с потребителями энергии линиями передач электрической энергии.

Система контроля и управления глобальной энергосистемой может вклю­чать геостационарные спутники наблюдения за облачным покровом и системы прогнозирования выходной мощности солнечных электростанций, а также ис­полнительные устройства для запуска резервных электростанций с разными ма­невренными и мощностными характеристиками для покрытия графика нагрузок энергосистемы.

Для обеспечения бесперебойного и надежного электроснабжения и вы­равнивания суточного графика производства энергии в солнечной энергети­ческой системе, состоящей из солнечных электростанций, соединенных линия­ми электропередачи между собой и с потребителями электроэнергии, солнечные

Январь
Февраль	Март
Апрель
0 2 4 6 8 1012 U161B 20 22 Время моаоесаде, час	О *V V t	Время московское, час
Время мосховсюе, час
ПМ <ч<Ч’КЧЧ*’М Время мосховсюе, час	0 2 4 6 8 1012 14 16 18 20 22 Время московсюв, час
0 2 4 6 8 101214161820 22 Время мосгоеогое, час
‘ПИ ЧЧКЧЧ*^$ время мосховсию, час
Сентябрь	Октябрь
UH
ИИ
* <М. ъ ічЧ’КЧЧ Время иошвдае, час
ИМ) ЧЧЧЧЧ*^ Время мосювское, час
Время носивши, час
Время носивши, час
Рис. 17.5. Гоафик суточных изменений производства электроэнергии солнечной энергосистемы Россия — Беларусь

электростанции необходимо располагать в разных полушариях Земли (север­ном либо южном). Расстояние между соседними солнечными станциями по долготе в градусах должно составлять не более 7,5 min^ + hi) градусов, где h и hi — длительности светового дня в месте расположения станции, выраженные в часах, а тіп(Л] + hi) — минимальная суточная сумма, выбранная из всех дней года. Для иллюстрации возможностей солнечных электростанций ниже приво­дятся оценки выработки солнечных энергосистем различных конфигураций, выполненных специалистами ВИЭСХ под руководством и при участии акаде­мика Россельхозакадемии Д. С. Стребкова.

На рис. 17.5 представлены графики суточного производства электроэнергии по 12 месяцам года, энергосистемы из двух солнечных электростанций, располо­женных в окрестностях г. Пинска (Республика Беларусь, 52° с. ш., 26° в. д.) и г. Уэлена (Россия, Чукотский А. О., 66° с. ш., 170° з. д.). Расчеты выполнены груп­пой сотрудников ВИЭСХ. КПД солнечной электростанции был принят равным 25%. Фотоактивная площадь каждой электростанции была определена как квадрат со стороной 20 км. Общая выработка электрической энергии в солнечной энерго­системе за 6 месяцев (с 22 марта по 22 сентября) составляет 560 млрд. кВт ч, пи­ковая мощность каждой электростанции 125 млн. кВт.

В качестве исходных данных для расчета использованы средние мно­голетние значения (период осреднения не менее 10 лет) инсоляции в местах

о 2 4 В В 10 15 14 1Є 10 20 22 Время по Гринвичу, час
‘ай	Икжъ
Время по [ринвичу, чвс	Время по Грімичу, час
Время по Гринвичу, час
Октябрь
Декабрь • 1 ^—а……… ; ….. U____ О 2 4 В В 10 12 14 1В 10 20 22 Время по Гринвичу, час

Рис. 17.6. График суточных изменений выработки электроэнергии
Афро-Евразийской солнечной энергосистемы, состоящей из двух солнечных
электростанций на Чукотке в России (1,5 ТВт) и в Мавритании (1,0 ТВт)
со слежением вокруг полярной оси для средних дней 12 месяцев года

расположения электростанций. Расчет выполнен для солнечных станций со слежением за Солнцем вокруг полярной оси. Было определено, что в течение пяти месяцев (с апреля по август), электроэнергия от солнечных станций по­ступает в систему круглосуточно. Еще в течение двух месяцев (в марте и сен­тябре) перерыв составляет не более 2 часов в сутки с несколько большей нерав­номерностью суточного хода.

Энергосистема из двух солнечных электростанций, установленных на Чу­котке, пос. Марково (64°40’ с. ш., 170°23’ в. д.) — 1,5 ТВт и в Мавритании (Афри­ка) — 1 ТВт, сможет круглосуточно с марта по сентябрь обеспечить все страны Африки, Ближнего Востока, Европы, России и СНГ электрической энергией (рис. 17.6). Годовое производство в энергосистеме составит 5431,6 ТВт ч.

Результаты оценки параметров глобальной солнечной энергетической си­стемы, состоящей из трех СЭС, установленных в Австралии, Африке и Мексике и соединенных линией электропередач с малыми потерями (рис. 17.7), выпол­ненных сотрудниками ВИЭСХ (к. т.н. А. Е. Иродионов и др.) методом компью­терного моделирования, представлены на рис. 17.8.

При моделировании использовались данные по солнечной радиации за весь период наблюдений. КПД СЭС принимался равным 25%. Представленные результаты показывают, что такая СЭС могла бы генерировать электроэнергию

Рис. 17.7. Гповальная солнечная энергетическая система из трех солнечных электростанций. На карте Мексики в масштабе показаны размеры солнечной

 

электростанции

Рис. 17.8. Производство электроэнергии глобальной солнечной энергосистемой

круглосуточно и равномерно в течение года. Размеры каждой из трех СЭС со­ставляют 190 х 190 км2, электрическая мощность 2,5 ТВт. Годовое производст­во электрической энергии (17300 ТВт ч) превышает годовое мировое потребле­ние энергии.

Солнечные электростанции в системе распределены в широтном направ­лении так, что окончание освещения фотоактивной поверхности одной элек­тростанции совпадает с началом освещения панелей другой, ближайшей по хо­ду Солнца станции. Изменяя расстояние между станциями по долготе, можно добиться не только непрерывности суточного хода средней выходной мощно­сти системы, но и значительно увеличить равномерность производства электро­энергии.

Необходимо подчеркнуть, что размещение станций выбрано специально таким образом, что для этого необходимы именно пустынные территории, ко­торые не используются сейчас и, с большой вероятностью, не будут использо­ваны в обозримом будущем.

Солнечные электростанции блочно-модульного типа могут ежегодно уве­личивать свою мощность на 100 — 300 ГВт. Начало функционирования гло­бальной солнечной энергетической системы можно прогнозировать к 2050 г., выход на полную мощность в 2090 г. В результате реализации такого проекта доля солнечной энергетики в мировом производстве электроэнергии составит 75 — 90%, а выбросы парниковых газов будут снижены в 10 раз. Размещение солнечных электростанций энергосистемы по обе стороны от экватора позволя­ет исключить сезонные колебания выработки электроэнергии — зимнее сниже­ние в одном полушарии компенсируется летним ростом выработки в другом.

Такая система позволяет полностью отказаться или свести к минимуму необходимость использования буферных накопителей мгновенного действия.

В настоящее время продолжает формироваться концепция создания гло­бальной системы энергоснабжения Земли путем последовательного укрупнения существующих и создания новых региональных энергетических систем с по­следующей их интеграцией в единую глобальную энергосистему. Идея объеди­нения региональных энергетических систем в Единую энергетическую систему Земли была предложена еще в 1975 г. (Р. Букминстер Фуллер) Эту идею актив­но развивает и пропагандирует Институт глобальной энергетической сети GENI (GLOBAL ENERGY NETWORK INSTITUTE), зарегистрированный в Калифор­нии (США) [2]. Президент GENI Петер Мейсен в период участия в работе Ме­ждународного солнечного конгресса в Москве в 1997 г. сделал доклад по дан­ной проблеме во ВИЭСХе, в котором озвучил вышеуказанную идеологию.

Прогнозируется создание в будущем ряда трансконтинентальных систем, объединяющих транспортные и энергетические потоки и совмещающие волно­водные кабельные линии, магистральные линии связи, трассы железной дороги и автомобильные магистрали.

В первую очередь это широтная транспортная и энергетическая магист­раль с Запада на Восток: Лиссабон — Владивосток, а также меридиональная ма­гистраль с Юга на Север: Австралия, Индонезия, Таиланд, Вьетнам — Китай — Берингов пролив — Аляска — Канада — Америка. Второй меридиональный (энер­гетический) поток может пройти по Великому Шелковому пути: Индия — Аф­ганистан — Киргизстан — Таджикистан — Узбекистан — Туркменистан — Казах­стан, Север Западной Сибири. Указанные меридиональные энергетические и транспортные потоки пересекутся в Восточной и Западной Сибири с широт­ной энергетической и транспортной магистралью, образуя великое сокрестие Европы и Азии.

Третья меридиональная транспортная и энергетическая линия свяжет Кейптаун с Осло через Восточную Африку, Арабские страны, Турцию, страны Черного моря, страны Восточной Европы и Скандинавии. Четвертая меридио­нальная энергетическая линия соединит страны Западной Африки, Средиземномо­рья, Западной Европы, Англию и Ирландию. Меридиональная энергетическая ли­ния соединит также страны Южной и Северной Америки.

Широтная энергетическая линия в экваториальной зоне от 0° до 30° се­верной широты соединит страны Азии, Африки и Латинской Америки.

Экваториальная энергетическая линия, а также широтная энергетическая линия Лиссабон — Владивосток будет замкнута через Тихий и Атлантический оке­ан, Северную и Центральную Америку. Сеть меридиональных и широтных энер­гетических линий образуют Объединенную Энергетическую Систему Земли.

Вышеизложенные предположения, отмеченные в [125], на первый взгляд, граничат с фантастикой. Однако в действительности уже сегодня создан доста­точный задел для более внимательного рассмотрения вышеуказанных крупно­масштабных проектов. Разрабатывается энергосистема 10 южноамериканских стран, арабских государств, рассматривается вопрос создания Балтийского и Черноморского энергетических колец, линии электропередачи Сибирь — Китай. Созданы объединенные энергосистемы России, стран центральноазиатского ре­гиона, а также США и Канады, скандинавских и европейских стран.

Задача создания глобальной энергетической системы в целом может быть разделена на две двуединые задачи: формирование генерирующих центров большой мощности и разработка с последующей практической реализацией технологий эффективной передачи электроэнергии на большие расстояния для обеспечения перетоков энергии в глобальной системе. Возможности солнечной энергетики для решения первой из указанных задач трудно переоценить.

В настоящее время все большее число стран отдают предпочтение сол­нечной энергетике, а солнечные электростанции, первоначально активно созда­ваемые в США (рис. 17.1), получили распространение в Китае и Европе.

Солнечные электростанции все активнее строятся в Китайской народной республике (рис. 17.2), в том числе совмещенные с ветроагрегатами большой мощности (рис. 17.3).

Вместе с тем солнечные электростанции невозможно использовать в ка­честве основной составляющей региональной энергосистемы, поскольку для сглаживания периодических и стохастических процессов, влияющих на выход­ную мощность солнечных батарей, необходимы очень мощные буферные нако­пители энергии с высокими маневренными характеристиками, создание кото­рых в современных условиях пока нецелесообразно по экономическим сообра­жениям. Принято считать, что установленная мощность солнечных электро­станций в пиковом режиме работы энергосистемы не должна превышать 10 — 15% от общей установленной мощности электростанций региональной энерго­системы. При таких условиях колебания мощности солнечных электростанций не оказывают заметного влияния на качество электроснабжения.

Рис. 17.1. Солнечная электростанция в США, 1980 г. (Источник: Photon International, September 2010, р. 18)

Рис. 17.2. Солнечная электростанция мощностью 3 МВт компании Ningxia Yinxing Energy СО Ltd. (Китай) (Ningxia Yinxing Energy Co Ltd Presentaion)

Рис. 17.3. Солнечно-ветровая электростанция компании Ningxia Yinxing Energy CO Ltd мощностью 10 МВт (Китай) (Ningxia Yinxing Energy Co Ltd Presentaion)

Создание межрегиональной, а впоследствии и мировой солнечной энер­госистемы позволит минимизировать или даже полностью исключить суточную и сезонную неравномерность выработки электроэнергии и обеспечить кругло­суточное и круглогодичное надежное, экологически безопасное электроснаб­жение потребителей.

При этом будет снижен парниковый эффект и уменьшено негативное воз­действие топливных электростанций на окружающую среду.

Серьезным препятствием для развития этого направления глобальной энергетики может рассматриваться проблема организации перетоков крупных массивов электроэнергии, которые неизбежно потребуется реализовать вслед­ствие неравномерности потребления электрической энергии и ее выработки в разных зонах глобальной или региональной энергосистемы. Однако в решении этой проблемы намечаются серьезные сдвиги. Работы по созданию эффектив­ных технологий передачи больших массивов электроэнергии на большие рас­стояния развиваются достаточно широко. Их осуществляют Сибирский энерге­тический институт, Санкт-Петербургский государственный технический уни­верситет, ВЭИ, а также АВВ, Сименс и другие фирмы.

Серьезные работы в этом направлении проводятся и в ВИЭСХе. Уже можно говорить о достижении определенных успехов. Однако эта тематика вы­ходит за пределы компетенции настоящей книги. Интересующимся этой про­блематикой мы может порекомендовать обратиться к специальной литературе, например к [141- 143].

Как можно заключить из рассмотрения вышеуказанных источников, ре­зонансные технологии, будучи внедренными в практику в полном объеме, по­зволят передавать потоки электроэнергии мощностью в несколько ТВт на рас­стояния в десятки тысяч километров.

Распределение по поверхности Земли потенциальных ресурсов ВИЭ но­сит неравномерный характер (рис. 17.4). Более того, зачастую территории с вы­соким потенциалом ВИЭ бывают мало заселены, не используются для хозяйст­венной деятельности и потому в существующих реалиях малопригодны для практического использования (пустынные и полупустынные территории, тунд­ра, прерии И Т. Д.).

Возможность обеспечить эффективные и без существенных потерь пере­токи больших массивов электроэнергии на далекие расстояния практически снимает это ограничение.

Из рассмотрения рис. 17.4 легко видеть, что ряд стран (преимущественно развивающихся) по сравнению со странами Европы и Северной Америки име­ют существенно более высокий потенциал солнечной энергии. Уже в обозри­мом будущем они смогут использовать сезонное изменение солнечной энергии и в зимние месяцы продавать электроэнергию, полученную от солнечных элек­тростанций, в северные страны, где солнечная энергия имеется в сравнительно достаточном количестве только с марта по сентябрь. Для этого необходимо ор­ганизовать потоки электроэнергии в меридиональном направлении. Электроэнер­гетические потоки в широтном направлении Запад — Восток дают возможность

Прямая солнечная радиация Рис. 17.4. Гповальное распределение прямой солнечной радиации (httpAmw. dlr. de)

использовать суточное изменение солнечной энергии, связанное с вращением Земли вокруг своей оси.

Сеть солнечных электростанций на крышах и фасадах домов, а также в пустынях будет связана в единую энергетическую систему с сетью ветровых электростанций (ВЭС), расположенных вдоль морского побережья, где сущест­вует постоянный перенос воздушных масс. Важным компонентом будущей объединенной энергосистемы будут гидроэлектростанции и электростанции, ис­пользующие энергетические плантации биомассы.

В современной энергетике сложились определенные тенденции, и нам чрезвычайно интересно оценить роль и место фотоэнергетики, т. е. энергетики, основанной на использовании фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии, в мировой энергетике в целом. Эта тематика постоянно рассмат­ривается в ВИЭСХ группой сотрудников под руководством академика Д. С. Стребкова, а также уже неоднократно поднималась в литературе. Напри­мер в [125] рассмотрены основные тенденции развития глобальной энергетики и роль, которую в этих процессах может играть возобновляемая энергетика. Солнечная фотоэнергетика — это, безусловно, самый быстро развивающийся сектор возобновляемой энергетики, как это уже указывалось в предыдущих главах книги, поэтому здесь мы рассмотрим уже обсуждаемые проблемы в кон­тексте собственно фотоэлектрического преобразования энергии Солнца.

В [ 125] вероятный сценарий развития глобальной энергетики рассмотрен в контексте современного уровня развития энергетических технологий, а также с учетом темпов развития технологий возобновляемой энергетики. Сделан акцент на том, что важную роль при этом будут играть вероятный сценарий развития мировой экономики в целом и векторы развития демографических процессов.

Заметим, что, как это показано в [125], начиная с 1850 г. по 2100 г. чис­ленность населения во всем мире вырастет почти в 10 раз с 1,13 млрд, до 11 млрд, человек. При этом потребляемая мощность соответственно должна возрасти почти в 100 раз с приблизительно с 0,7 до 60 ТВт. Суммарную мощ­ность источников энергии в мире можно оценить как ДВт) = 470N, где N — численность населения, млрд, человек.

В 1990 г. при суммарной мощности 13,2 ТВт в среднем потребляемая мощность на душу населения составляла 2,5 кВт [140]. Развитие мировой энер­гетики на последующий период будет обусловлено необходимостью решения ряда проблем, связанных с изменением климата и глобальным потеплением, дефицитом энергоресурсов, которые распределены крайне неравномерно и ис­тощаются, постоянной нестабильностью в мире, в значительной степени обу­словленной вышеуказанными факторами, а также проблемой сохранения энер­гетической безопасности каждой страны и глобальной безопасности в целом.

Указанные проблемы в значительной степени будут влиять на направление развития глобальной энергетики и формирование будущей энергетической стра­тегии, в которой к настоящему времени наметились две основные тенденции:

1) формирование глобальной энергетической системы;

2) всемерное развитие распределенного производства энергии.

Решение этих глобальных задач просто трудно себе представить без ши­рокомасштабного использования возобновляемых источников энергии, которые постепенно займут лидирующие позиции в мировом энергетическом балансе.

Можно предположить, что глобальная энергетическая система будет фор­мироваться в значительной степени за счет создания и последующей интеграции крупных солнечных электростанций, а для развития распределенного производ­ства энергии для энергоснабжения локальных потребителей будет широко ис­пользоваться весь спектр возобновляемых источников энергии и, в первую оче­редь, солнечная энергия. Значительное влияние на будущую энергетическую по­литику будут оказывать такие факторы, как переход от энергетики, основанной на ископаемом топливе, к бестопливной энергетике с использованием ВИЭ, за­мена нефтепродуктов и природного газа на жидкое и газообразное биотопливо, а ископаемого твердого топлива на использование энергетических плантаций биомассы, замена воздушных линий электропередач на подземные и подводные кабельные линии, использование новых технологий передачи значительных мас­сивов электроэнергии на значительные расстояния для объединения крупных электрических станций (преимущественно солнечных) в крупные региональные энергосистемы с последующим созданием глобальной энергосистемы.