CC BY
60УДК 621.383; 620.91
ПЕРСПЕКТИВЫ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ АРКТИЧЕСКОЙ ЗОНЫ РФ С ПОМОЩЬЮ МОРОЗОСТОЙКИХ СОЛНЕЧНЫХ МОДУЛЕЙ РАЗЛИЧНОЙ КОНСТРУКЦИИ
Панченко В.А.
Российский университет транспорта (МИИТ), 127994, г. Москва, ул. Образцова, tu@miit.ru Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ, 109428, г. Москва, 1-й Институтский проезд, д. 5, vim@vim.ru
Аннотация. Статья посвящена перспективе использования морозостойких солнечных модулей с увеличенным сроком службы различной конструкции для энергообеспечения инфраструктурных объектов Арктической зоны Российской Федерации. В статье дана общая характеристика рассматриваемого региона и рассмотрена его энергетическая специфика, направления развития энергетики на основе возобновляемых источников энергии. Выделены регионы, где использование преобразователей возобновляемой энергии и, в частности, солнечных модулей особо актуально и перспективно. Из-за преобладания очень низких температур окружающего воздуха в течение года на большей части Арктической зоны Российской Федерации использование стандартных заламинированных солнечных модулей невозможно из-за быстрой деградации солнечных элементов и герметизирующего материала. Для решения этой проблемы в статье предложены морозостойкие планарные фотоэлектрические модули и солнечные кровельные панели с увеличенным сроком службы для электроснабжения объектов. При изготовлении разработанных солнечных модулей не используется технология ламинирования солнечных элементов, а используется двухкомпонентный полисилоксановый компаунд и технология капсулирования солнечных элементов, которая имеет ряд преимуществ перед технологией ламинирования этиленвинилацетатными плёнками. Для одновременной тепло- и электрогенерации предложены морозостойкие планарные теплофотоэлектрические кровельные панели и концентраторная солнечная установка с матричными высоковольтными солнечными модулями с напряжением 1000 В и электрической эффективностью до 28 %. Рассмотренные солнечные модули имеют увеличенный срок номинальной мощности благодаря использованию технологии герметизации солнечных элементов двухкомпонентным полисилоксановым компаундом и способны эффективно работать при очень низких отрицательных температурах окружающего воздуха и больших диапазонах её колебаний.
Предмет исследования: преобразователи солнечной энергии, способные продолжительное время работать на уровне номинальной мощности при очень низких отрицательных температурах окружающего воздуха и обеспечивающие тепло- и энергоснабжение потребителей.
Материалы и методы: для создания конструкторской документации изготавливаемых модулей применялась система автоматизированного проектирования КОМПАС 3D; для моделирования и визуализации теплового состояния теплофотоэлектрических модулей применялась система конечно-элементного анализа ANSYS; для изготовления солнечных модулей применялась технология капсулирования двухкомпонентным полисилоксановым компаундом; для лабораторных замеров вольтамперных характеристик солнечных модулей использовался имитатор солнечного излучения PICOSOLAR; для ускоренных испытаний солнечных модулей применялись различные климатические камеры BINDER.
Результаты: результатом проведённых исследований является линейка разработанных солнечных модулей различной конструкции, предназначенных для тепло- и электроснабжения потребителей, конструкция которых позволяет продолжительное время работать на уровне номинальной мощности при очень низких отрицательных температурах окружающего воздуха.
Выводы: благодаря использованию разработанных солнечных модулей различной конструкции, при изготовлении которых применяется технология капсулирования солнечных элементов двухкомпонентным полисилоксановым компаундом, появляется возможность продолжительного времени энергоснабжения на уровне номинальной мощности объектов Арктической зоны Российской Федерации. Разработанные солнечные модули имеют большой потенциал для внедрения в областях транспорта, автономного энергоснабжения удалённых поселений, различных предприятий, в том числе и добывающих, без централизованного энергоснабжения.
Ключевые слова: солнечные модули, герметизация солнечных элементов, Арктическая зона РФ, энергоснабжение, отрицательная температура, деградация.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время экономика стоит перед технологическим вызовом - переходом на новый технологический уклад в производстве, сервисе, управлении [1-6]. Ресурсосберегающий подход подсказывает, что пилотными следует рассматривать те сектора и регионы, где успешное внедрение передовых технологий является жизненно необходимыми. Учитывая сложные природно-климатические условия, Арктика -благоприятный полигон для технологических инноваций. Кроме того, Арктика становится центром внимания руководства страны. Президент поручил восстановить и расширить степень освоенности и контроля территорий Арктической зоны (речь идёт о транспортно-логистической инфраструктуре, местах добычи и переработки сырьевых ресурсов Арктики). Все это необходимо сделать с учётом использования передовых технологий (часто имеющих двойное назначение)
[7].
В свою очередь российскую Арктику можно, также с определённой долей условности, разделить на «Ближнюю Арктику» и «Дальнюю Арктику», граница между которыми может быть проведена по нижнему течению Енисея. В зону Ближней Арктики попадает Мурманская область (Кольский полуостров); Север Архангельского края и НАО; ЯНАО. Эти территории, в свою очередь, обладают своей обособленностью и спецификой.
Ближняя Арктика в целом - это более 90% населения, промышленности и, в целом, экономики,
АРКТИЧЕСКИЕ ЗОНЫ РФ И ПРЕДПОСЫЛКИ РАЗВИТИЯ ЭНЕРГЕТИКИ НА ОСНОВЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ
Арктика определяется как область вокруг Северного полюса (рис. 1 слева), включающая Северный Ледовитый океан и прилегающие территории. Южная граница условна, чёткого понятия территории Арктики нет, она может проводиться по южной границе арктического климатического пояса (зоны господства арктических воздушных масс), зоны арктических пустынь или зоны тундры, либо, например, «механически» - по Северному полярному кругу (рисунок 1 справа). Арктическая зона Российской Федерации (АЗРФ) является неоднородным регионом, требующим дифференцированного подхода к развитию энергетики на возобновляемых источниках энергии (ВИЭ).
В само понятие Арктики с определённой долей условности и административно можно включить Мурманскую область, прибрежные районы Архангельской области, территории Ненецкого (НАО) и Ямало-Ненецкого (ЯНАО) автономных округов, заполярные районы Красноярского края (бывший Таймырский АО) и Якутии и Чукотку, а также острова Северного Ледовитого океана российского сектора Арктики. В целом, российская Арктика - это около 4 млн. км2 территории и более 1,5 млн. населения.
сравнительная доступность территории - не только по морю, но и по железным дорогам, более мягкие природные условия. Именно в Ближней Арктике сосредоточены разрабатываемые в настоящее время запасы ископаемых углеводородов. Природно-ресурсный потенциал ВИЭ Ближней Арктики велик, в высокой степени диверсифицирован и включает: биоресурсы: запасы торфа, локально (Архангельская область) - отходы деревообрабатывающих производств;
гидроресурсы: гидроэнергия малых рек (Кольский
Рис. 1. Северный полюс (слева) и Северный полярный круг (справа) Fig. 1. The North Pole (on the left) and the Arctic Circle (on the right)
полуостров, Приполярный и Полярный Урал); гидроресурсы: приливная энергия (заливы Белого и Баренцева морей); ветроэнергетические ресурсы; солнечные ресурсы (летом); геотермальные ресурсы (вероятно, связанные в наибольшей степени с Кольским полуостровом). Кроме того, Ближняя Арктика - это территория, где проекты развития энергетики на ВИЭ (связанные, главным образом, с Кольским полуостровом) осуществлялись ещё в советское время, в частности, Кислогубская ПЭС и малые ГЭС. В постсоветское время на территории Мурманской области осуществляется также ряд ветроэнергетических проектов разного масштаба. В то же время, в Ближней Арктике развита «традиционная» энергетика и сетевое энергоснабжение. Крупнейший объект энергетики -Кольская АЭС, работает ряд ТЭС и ГЭС; также в Ближней Арктике имеются и разрабатываются крупнейшие в России запасы углеводородного сырья (ЯНАО и НАО). Ближняя Арктика обладает мощными предпосылками развития энергетики на ВИЭ, как физико-географического, так и экономико-географического характера, там может быть установлен сравнительно большой в абсолютном исчислении, объём мощностей на ВИЭ. Но возобновляемая энергетика в обозримом будущем может иметь лишь вспомогательный характер, до некоторой степени дополняющий «традиционное» углеводородное и атомное энергоснабжение, которое останется основным в регионе.
Дальняя Арктика также может быть с определённой долей условности разделена на три части: Таймыр; север Якутии; Чукотка. Дальняя Арктика обладает, вероятно, меньшим совокупным природным потенциалом ВИЭ на единицу площади. Кроме того, развитие затрудняют отдалённость территории, экстремальные природные условия и небольшое число потребителей. С другой стороны, малая автономная энергетика на основе ВИЭ там может быть более востребована в силу тех же неблагоприятных обстоятельств, поскольку они обусловливают и слишком высокую стоимость углеводородных энергоносителей, которые приходится ввозить на территорию. В связи с этим, Дальняя Арктика может стать территорией, где реализуются интересные и нестандартные решения в области ВИЭ, а сами ВИЭ займут существенную долю в энергобалансе, при том, что в абсолютных величинах уровень развития возобновляемой энергетики будет ниже, чем в Ближней Арктике.
Дальняя Арктика обладает своими интересными особенностями, предполагающими возможность определённых локальных решений. В частности, благодаря большему количество часов с солнечным сиянием в году она обладает более высоким потенциалом солнечной энергетики. Кроме того, локально (плато Путорана, горные районы Чукотки) высок потенциал гидроэнергии малых рек. Кроме того, следует рассмотреть потенциал приливной энергетики (также на Чукотке) и геотермальной энергетики (также горные районы Таймыра и Чукотки).
Что касается автономной солнечной энергетики, то наиболее перспективны внутриконтинентальные районы Якутии и севера Красноярского края. Это связано как с физико-географическими, так и с экономико-географическими особенностями.
Господство антициклональной атмосферной циркуляции на данной территории обусловливает господство ясной погоды в течение большей части года, включая летние месяцы. В то же время, это наиболее редконаселённая часть России (плотность населения - около 0,02 чел./км2, или 1 человек на 50 км2). Население рассредоточено по ряду отдалённых посёлков с расстоянием между населёнными пунктами порядка сотен километров, не имеющих сетевого энергоснабжения и без наземной транспортной сети. Кроме того, существенная часть населения ведёт традиционное кочевое хозяйство. Это также зона резко континентального климата с резкими суточными и сезонными перепадами температур. Летом они могут достигать + 300С, зимой - снижаться до -50°С и ниже (абсолютные рекорды принадлежат северо-востоку Якутии (Оймякон, Верхоянск) - до -68°С и -71 °С). Следует отметить, что на севере и в других районах Якутии под управлением Сахаэнерго (структурное подразделение Русгидро) уже реализовано около 15 проектов автономных солнечных станций (в комбинации с топливными генераторами) для электроснабжения отдалённых посёлков. Поскольку построены электростанции недавно (в последние 3 -5 лет), пока трудно судить об эффективности их работы. В данном случае перспективным выглядит использование солнечных батарей с устойчивостью к сильным морозам и резким перепадам температур.
В табл. 1 приводится схема районирования АЗРФ в привязке к перспективам и возможным направлениям развития энергетики на основе ВИЭ.
Таблица 1. Арктические зоны РФ и предпосылки развития энергетики на основе ВИЭ Table 1. Arctic zones of the Russian Federation and prerequisites for the development of energy based on renewable energy
sources
Регион Общая характеристика Энергетическая специфика, направления развития энергетики на ВИЭ и место ВИЭ в ТЭК
1. Ближняя Арктика (Мурманская область, север Архангельской области, НАО, ЯНАО) Сравнительная близость к экономическому центру страны, более 90% населения всей Российской Арктики (более 1,5 млн. человек), сравнительно развитая транспортная сеть и экономика. Большой и диверсифицированный потенциал ВИЭ; в то же время, мощный ТЭК на основе ископаемых энергоносителей (углеводородная и атомная энергетика). Широкий спектр ВИЭ; вспомогательная роль относительно «традиционного» энергоснабжения; реализован ряд проектов ВИЭ.
1.1. Мурманская область (Кольский полуостров) Наиболее «близкая», населённая и экономически развитая часть Арктики с развитой транспортной сетью; население -более 700 тыс. чел. Близость к Западной Европе, приграничная территория. Кольская АЭС, ряд ГЭС; потенциал ВИЭ: малая гидроэнергетика, ветроэнергетика, приливная энергетика, солнечная энергетика в летнее время. Построена Кислогубская ПЭС, есть проекты строительства других ПЭС; построены отдельные небольшие ВЭС. Могут быть перспективны изыскания в геотермальной энергетике. Малонаселённые и отдалённые центральные и восточные районы Кольского полуострова и кочевые хозяйства более перспективны для малой автономной энергетики.
1.2. Север Архангельской области и НАО Центр - Архангельск. За его пределами -более отдалённая территория с более редким населением и менее развитой транспортной сетью (по сравнению с Мурманской областью). Преимущественно углеводородная энергетика на привозных энергоносителях. В то же время, богатые и разрабатываемые в настоящее время месторождения углеводородов (НАО). Потенциал ВИЭ в высокой степени связан с биоэнергетикой (торф и отходы лесопереработки). Кроме того, есть потенциал приливной энергетики, ветроэнергетики, солнечной энергетики в летнее время, локально - малой гидроэнергетики. Малонаселённые и отдалённые районы и населённые в центре и на востоке, не связанные с крупными энергетическими узлами, и кочевые хозяйства, наиболее перспективны для малой автономной энергетики.
1.3. ЯНАО Специфика территории определяется наличием и разработкой крупнейших в России месторождений газа и нефти. В то же время, отдалённые населённые пункты и кочевые хозяйства (наибольшее число кочевых хозяйств среди регионов России) перспективны для развития малой автономной энергетики. Перспективные направления ВИЭ: локально - малая гидроэнергетика, локально (прибрежные районы) -ветроэнергетика; солнечная энергетика в летнее время.
2. Дальняя Арктика (Север Красноярского края (Таймыр и прилегающие территории), север Якутии, Чукотка) Экстремальные природные условия. Отдалённость от экономических центров страны, отсутствие железнодорожного сообщения. Экономика представлена отдельными очагами. Население - 100-200 тыс. человек; в среднем - 1 чел./км2, местами - менее 1 чел./50 км2. Самая малонаселённая и редконаселённая часть России. За некоторыми исключениями, практически полная зависимость от привозных энергоносителей (уголь, мазут) либо использование местного архаичного топлива (дрова, торф). Специфика ВИЭ различается по районам. В целом, природный и природно-хозяйственный потенциал ВИЭ ниже, чем в Ближней Арктике, на единицу площади, но выше на душу населения. Малые автономные станции на основе ВИЭ способны занять существенное место в энергобалансе территории.
2.1. Таймыр За пределами Норильска - наиболее редконаселённая и малоисследованная часть России. Отдельные хозяйства; кочевые хозяйства; отдельные прибрежные населённые пункты (Диксон). Отсутствие собственной современной генерации энергии. Перспективные направления ВИЭ: ветроэнергетика в прибрежных населённых пунктах, солнечная энергетика в летнее время; локально (район плато Путорана, гор Бырранга) - гидроэнергия малых рек. Акцент на малой автономной энергетике.
2.2. Север Якутии Также редконаселённая территория с отдельными населёнными пунктами, кочевыми хозяйствами, отдельными прибрежными населёнными пунктами (Тикси). Отсутствие собственной современной генерации энергии. Перспективные направления ВИЭ: ветроэнергетика в прибрежных населённых пунктах, солнечная энергетика в летнее время. Высокий для Арктики потенциал солнечной энергии; реализован ряд проектов автономных СЭС.
2.3. Чукотка Относительно других регионов Дальней Арктики отличается спецификой географического положения на стыке бассейнов Северного Ледовитого и Тихого океанов; лучшая доступность морским транспортом. При наличии сравнительно крупного центра (Анадырь) большая часть населения рассредоточена по небольшим отдалённым населённым пунктам и кочевым хозяйствам. Специфика природных условий определяет сравнительно высокий потенциал ВИЭ. Собственная генерация энергии связана с Билибинской АЭС и Анадырской ТЭС (работала на местном угле, сейчас переходит на газ). В то же время, большая часть территории и населения вне сетевого энергоснабжения. Перспективные направления ВИЭ: приливная энергетика, ветроэнергетика, гидроэнергия малых рек, геотермальная энергия, солнечная энергия в летнее время. Наряду с Кольским полуостровом, наиболее высокий валовый потенциал ВИЭ, представленный наиболее широким спектром.
В настоящее время заявляется о новом этапе освоения территории АЗРФ, которая своими природно-экономическими, демографическими и иными условиями значительно отличается от других регионов Российской Федерации и имеет свои отличительные черты: экстремальные природно-климатические условия, включая постоянный ледовый покров или дрейфующие льды в арктических морях; очаговый характер промышленно-хозяйственного освоения
территорий и низкая плотность населения (1-2 чел. на 10 км2); удаленность от основных промышленных центров, высокая ресурсоемкость и зависимость хозяйственной деятельности и жизнеобеспечения населения от поставок топлива, продовольствия и товаров первой необходимости из других регионов России; уязвимость природы от техногенных чрезвычайных ситуаций и производственной деятельности человека. Процесс развития АЗРФ требует значительных энергозатрат как для обеспечения технологических процессов, так и для создания комфортных условий жизнедеятельности. Инфраструктура новой Арктики будет состоять из нескольких контуров: транспортно-логистического, промышленного, расселенческого, туристического, оборонительного. Каждый контур будет помимо прочего содержать систему мониторинга состояния основных узлов. Объединяющей рамкой инфраструктуры развития будет выступать Северный морской путь.
Также не стоит забывать о необходимости помощи в организации энергоснабжения мест расселения коренных малочисленных народов Севера, Сибири и Дальнего Востока РФ. Принципы устойчивого развития говорят о необходимости предоставлять жителям электроснабжение, связь, медицинскую помощь. Весь комплекс мероприятий по обеспечении качественного уровня жизни требует постоянного обеспечения электроэнергией.
Поэтому стоит задача создания и внедрения автономных, распределенных систем
энергоснабжения. Ресурсы местных ВИЭ во много раз превышают современное и перспективное энергопотребление в Арктике. Если говорить об экономической целесообразности внедрения распределенных, адаптивных энергосистем на основе ВИЭ, то для потребителей энергии в АЗРФ существует значительный потенциал, создаваемый тарифом на электроэнергию, производимую дизель-генераторами, работающими по программе северного завоза, для которых стоимость электроэнергии доходит до 120 рублей за кВт час. Кроме того, использование автономных систем энергоснабжения на базе ВИЭ снижает зависимость поселений и объектов от внешних поставок и повышает надёжность энергоснабжения.
Учитывая географические особенности территории Арктики, а именно сезон полярного дня и ночи, речь целесообразно вести о распределённых системах энергоснабжения, включающих в себя ветрогенерацию, солнечную генерацию и термальные источники. Отдельной инженерной задачей является разработка систем хранения выработанной энергии и снижение энергопотребления ключевых технологических процессов, с сохранением их качества и производительности. В части районов прибрежных арктических зон скорость ветра превышает 5-7 м/с. Если рассматривать арктическую зону, то ряд материковых территорий имеют довольно высокую степень инсоляции (рис. 2 слева). При этом использование данного ресурса потребует совершенствования технологий сбора и преобразования солнечной радиации, где следует учитывать особый температурный режим (рис. 2 справа), задающий материаловедческие требования к компонентам элементов энергосистемы.
Рис. 2. Распределение суммарной солнечной радиации (слева) и минимальная температура воздуха в течение года
(справа)
Fig. 2. Distribution of total solar radiation (on the left) and minimum air temperature during the year (on the right)
Интенсивность солнечного излучения в ряде областей Сибири близка к интенсивности солнечного излучения в Испании, а низкие температуры повышают эффективность работы кремниевых фотоэлектрических преобразователей, что увеличивает выработку электроэнергии. Однако необходимо учитывать способность солнечных
фотоэлектрических модулей работать на уровне номинальной мощности при большом диапазоне рабочих температур, отрицательные значения которых могут доходить до -70 °С Современные планарные фотоэлектрические солнечные модули, изготавливаемые по технологии ламинирования этиленвинилацетатными плёнками кремниевых
фотоэлектрических элементов, не способны работать при таких отрицательных температурах и больших диапазонах рабочих температур.
АНАЛИЗ ПУБЛИКАЦИЙ
Практически все компании мира выпускают солнечные модули с планарными солнечными фотоэлектрическими кремниевыми элементами [8, 9]. Наиболее распространенной технологией изготовления является технология ламинирования с применением плёнок на основе сополимера этилена с винилацетатом (EVA). Основными недостатками этой технологии являются высокая энергоёмкость процесса, ограниченный срок номинальной мощности модуля (20 - 25 лет), обусловленный малой свето-, термо- и атмосферостойкостью,
высокой коррозионной активностью EVA. Такие модули невозможно использовать в установках с концентраторами солнечного излучения. Основными причинами деградации солнечных фотоэлектрических модулей являются коррозия контактной сетки фотопреобразователей и увеличение оптических потерь в ламинирующих слоях (рис. 3) [10]. При использовании концентратора солнечного излучения процесс потемнения ламинирующего материала
значительно ускоряется. К другим недостаткам технологии ламинирования можно отнести выделение токсичных летучих веществ в процессе ламинирования, а также значительную энергоемкость процесса ламинирования.
Рис. 3. Солнечные модули, изготовленные с помощью процессов ламинирования с плёнками этиленвинилацетата с 1978 по 1998 г. (India, Sahibabad, Solar Photovoltaic Group. Central Electronics Limited)
Fig. 3. Solar modules manufactured using laminating processes with ethylene vinyl acetate films from 1978 to 1998 (India, Sahibabad, Solar Photovoltaic Group. Central Electronics Limited)
Механизм появления трещин на фотоэлектрических преобразователях, как и большинство причин отказов солнечных модулей, связан со свойствами капсулирующего материала -пленки на основе сополимера этилена с винилацетатом. Механические свойства этого материала, в частности, модуль упругости сильно зависит от температуры - при понижении температуры от +20 °С до -40 °С значения модуля упругости увеличиваются на несколько порядков [10-13]. Отслаивание при низкой температуре является большой проблемой солнечных модулей, изготовленных с помощью процесса ламинирования. Тепловой коэффициент расширения этиленвинилацетатной плёнки в 20 раз выше, чем у стекла. При низкой температуре этиленвинилацетат не является упругим - он сжимается значительно больше, чем стекло, что приводит к расслоению плёнок и стекла и ведет к быстрому отказу солнечного модуля.
В последнее время активно совершенствуется технология производства фотоэлектрических модулей как в части замены этиленвинилацетатной
плёнки на плёночные материалы с другой полимерной основой, так и в части технологических процессов, заменяющих стадию ламинирования. Для герметизации микросхем и полупроводниковых приборов применяются полисилоксановые гели, которые представляют собой редкосшитую структуру, образующуюся в процессе гидросилицирования - реакции взаимодействия низкомолекулярных полисилоксанов, содержащих диметил-метилвинилсилоксановые звенья со сшивающим агентом на основе смеси различных циклических и линейных гидридсилоксанов в присутствии платинового катализатора
(платинохлористоводородная кислота) [10, 14]. Вулканизация осуществляется по схеме «полимер-полимер» без выделения побочных продуктов реакции с образованием длинных поперечных мостиков, придающих вулканизату ряд уникальных свойств: высокие диэлектрические характеристики и сохранение их при отрицательных температурах; регулировка частоты сшивки и вязкоупругих характеристик; высокая степень чистоты по содержанию примесей; отсутствие внутренних
механических напряжений; хорошее
вибропоглощение (демпфирование); исправление дефектов, свойственное жидкостям, наряду с формоустойчивостью и размерной стабильностью, характерными для сшитых эластомеров, а также высокая адгезия к полупроводникам, стеклу и большинству других материалов; высокая устойчивость к температурной, ультрафиолетовой и озонной деградации; экологическая безопасность применения.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЙ
Задачей исследования является создание преобразователей солнечной энергии для тепло- и электроснабжение потребителей, конструкция которых позволяет продолжительное время работать на уровне номинальной мощности при низких отрицательных температурах окружающего воздуха.
Для создания конструкторской документации изготавливаемых модулей применялась система автоматизированного проектирования КОМПАС 3D. Для моделирования и визуализации теплового состояния теплофотоэлектрических модулей применялась система конечно-элементного анализа ANSYS. Для изготовления солнечных модулей применялась технология капсулирования двухкомпонентным полисилоксановым
компаундом. Для лабораторных замеров вольтамперных характеристик солнечных модулей использовался имитатор солнечного излучения PICOSOLAR. Для ускоренных испытаний
солнечных модулей применялись различные климатические камеры BINDER.
ПЛАНАРНЫЕ МОРОЗОСТОЙКИЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МОДУЛИ С УВЕЛИЧЕННЫМ СРОКОМ РАБОТЫ НА УРОВНЕ НОМИНАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ
В результате работ, выполненных в сотрудничестве с фирмой «Poulek Solar L.t.d.», Чехия, показано, что существенное повышение срока номинальной мощности солнечных модулей, их стабильная работа с концентраторами, а также снижение производственных энергозатрат, обеспечивается при использовании в качестве материала-заполнителя двухкомпонентного
полисилоксанового компаунда, отверждаемого в присутствии платинового катализатора до состояния низкомодульного геля. Разработана технология герметизации солнечных
фотоэлектрических модулей с увеличенным сроком номинальной мощности по сравнению со стандартными заламинированными солнечными модулями. В качестве основы принята технология изготовления вакуумного стеклопакета с термопластичным спейсером по периметру, где предварительно вакуумированная полость заполняется двухкомпонентным жидким полисилоксановым компаундом, структурируемым при комнатной температуре в низкомодульный гель. Для осуществления этого процесса разработана установка автоматического смешивания и дозирования двухкомпонентного полисилоксанового компаунда, которая
представлена на рис. 4.
Рис. 4. Установка автоматического смешивания двухкомпонентного полисилоксанового компаунда и солнечные
модули, изготовленные с ёё помощью
Fig. 4. Installation of automatic mixing of a two-component polysiloxane compound and solar modules made using it
С помощью разработанной установки налажен серийный выпуск солнечных модулей с различными мощностями. Солнечный модуль с номинальной мощностью 160 Вт, изготовленный с помощью разработанной технологией капсулирования
двухкомпонентным полисилоксановым
компаундом, представлен на рис. 4 справа.
В табл. 2 представлены технические параметры морозостойкого солнечного фотоэлектрического модуля с увеличенным сроком службы мощностью 160 Вт для стационарной электрогенерации.
Таблица 2. Технические характеристики планарного морозостойкого фотоэлектрического модуля мощностью 160 Вт Table 2. Technical characteristics of a planar solar frost-resistant photovoltaic module with a power of 160 W
Длина, мм 1180
Ширина, мм 1050
Толщина, мм 40
Масса модуля, кг 19
Гарантийный срок службы, лет 40
Тип солнечных элементов Монокристаллические
Количество элементов, шт. 72
Размер элемента, мм 125 х 125
Ток короткого замыкания, А 4,8
Ток в рабочей точке, мА 4,4
Напряжение холостого хода, В 42
Напряжение в рабочей точке, В 35
Мощность, Вт 158
Коэффициент заполнения ВАХ, % 77
КПД фотопреобразования, % 14
Материал рамы Анодированный алюминий
Заполнитель-герметик Кремнийорганический двухкомпонентный полисилоксановый компаунд
Температура эксплуатации, С° - 70 ~ + 110
Распределительная коробка IP65
Коннекторы MC4
Длина кабеля, мм 1000
Сечение кабеля, мм2 6
Благодаря разработанной технологии изготовления созданы новые конструкции солнечных модулей, в состав которых входит двухкомпонентный полисилоксановый компаунд -защитный материал, полностью обволакивающий и изолирующий фотоэлектрические преобразователи от влаги, тепловых и механических воздействий, а также обеспечивающий оптический контакт
световоспринимающей поверхности
фотоэлектрических преобразователей и защитного наружного покрытия. По результатам испытаний солнечных модулей можно выявить положительные отличия между технологией герметизации с полисилоксановым компаундом и стандартной технологией ламинирования солнечных элементов (табл. 3).
EVA (этиленвинилацетат) Полисилоксановый компаунд
Температура эксплуатации - 30 ^ + 60 °C - 70 ^ + 110 °C
Стойкость к ультрафиолету низкая высокая
Срок номинальной мощности 20 - 25 лет 40 - 50 лет
Потребление электроэнергии 40 кВт-ч 5 кВт-ч
Таблица 3. Сравнительные характеристики технологических процессов ламинирования (EVA) и герметизации
(полисилоксановый компаунд)
Table 3. Comparative characteristics of the technological processes of lamination (EVA) and sealing (polysiloxane compound)
Продолжение таблицы 3 Continuation of table 3
Коэффициент преломления 1,482 1,406
Прозрачность для солнечного излучения с различными длинами волн 8 % (X = 360 нм) 90 % (X = 360 нм)
62 % (X = 400 нм) 92 % (X = 400 нм)
91 % (X = 600 ^ 1000 нм) 93 % (X = 600 ^ 1000 нм)
Корродирующий агент при изготовлении уксусная кислота нет
Корродирующий агент при старении уксусная кислота нет
Механическое напряжение - изготовление - старение да нет
да нет
Модуль упругости 10,0 Н/мм2 0,006 Н/мм2
Линейный коэффициент теплового расширения 4,0 х 10-4 K-1 2,5 х 10-4 K-1
Солнечные модули, изготовленные по разработанной технологии герметизации двухкомпонентным полисилоксановым
компаундом, сохраняют более высокий уровень выработки энергии в течение периода, вдвое превышающего срок службы стандартного заламинированного модуля; в них отсутствуют внутренние механические напряжения; сохраняется высокая устойчивость к температурной, ультрафиолетовой и озонной деградации, а сама технология экологически безопасна.
ПЛАНАРНЫЕ МОРОЗОСТОЙКИЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КРОВЕЛЬНЫЕ ПАНЕЛИ В ВИДЕ ЧЕРЕПИЦЫ
Одним из вариантом архитектурных решений электроснабжения объектов являются солнечные модули, встроенные в само кровельное покрытие, то есть так называемые «солнечные черепицы», так как известным недостатком солнечных модулей, которые сейчас широко применяются, является
необходимость установки на крыше под солнечным модулем кровельного покрытия для защиты зданий от внешних воздействий, что увеличивает стоимость самих зданий. Солнечная черепица используется как кровельный материал при строительстве зданий с одновременной электрогенерацией от солнечного излучения [15, 16]. При использовании солнечной черепицы решаются как архитектурные и строительные задачи, а при изготовлении черепицы используется вторичное пластиковое сырьё, так и автономное или параллельное с сетью электроснабжение потребителя. Кровельная солнечная панель представляет собой черепицу стандартной формы, изготовленную из вторичного сырья (полиэтиленовые бутылки или стрейч-пленка и связующие компоненты), что удешевляет изготовление и благоприятно сказывается на экологии (рис. 5). В состав солнечной черепицы также входят солнечные элементы, находящиеся в полисилоксановом компаунде, который увеличивает срок их номинальной мощности.
Рис. 5. Планарные (слева) и концентраторная (справа) солнечные черепицы с полисилоксановым компаундом Fig. 5. Planar (on the left) and concentrator (on the right) solar tiles with polysiloxane compound
При детальном рассмотрении кровельная солнечная панель включает в себя несущее
основание с размещенной на нём солнечной батареей на базе полупроводниковых
фотоэлектрических преобразователей с электрокабелем токосъёма. Солнечная батарея размещена на утопленной относительно верхней поверхности основания плоской площадке и зашищена двухкомпонентным полисилоксановым компаундом. Солнечная панель, входящая в состав черепицы, содержит встроенные
скоммутированные кремниевые солнечные элементы размером 156 х 156 мм или 125 х 125 мм, имеет защитное покрытие из закаленного стекла, различное напряжение и электрическую мощность в зависимости от количества скоммутированных
При температуре окружающей среды около 15 °С температура лицевой поверхности планарной ламинированной кровельной солнечной панели в процессе натурных испытаний составила 42 °С, тыльной - 34 °С. Температура лицевой поверхности планарной капсулированной кровельной солнечной панели в процессе натурных испытаний составила 40 °С, тыльной - 32 °С, что говорит о более благоприятном тепловом режиме работы солнечных элементов в капсулированном солнечном модуле.
СТАЦИОНАРНЫЕ МОРОЗОСТОЙКИЕ ТЕПЛОФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МОДУЛИ ДЛЯ АВТОНОМНОЙ И ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ С СЕТЬЮ ЭНЕРГОГЕНЕРАЦИИ
Охлаждение солнечных элементов
теплоносителем позволит увеличить рабочее напряжение элементов и, соответственно, выходную электрическую мощность, а также электрический коэффициент полезного действия. Основными причинами снижения эффективности работы фотоэлектрических преобразователей является осаждение пыли на их поверхности и
солнечных элементов. Кровельные
концентраторные солнечные панели
устанавливаются на южном скате крыши здания под двумя возможными углами - для максимальной выработки в летние месяцы или же для максимальной выработкой в зимние месяцы года. В табл. 4 представлены технические характеристики после натурных испытаний разработанных солнечных кровельных панелей планарной конструкции, изготовленных с помощью процессов ламинирования и капсулирования солнечных элементов.
нагрев материала под воздействием солнечного излучения. Как следствие, повышение температуры снижает количество вырабатываемой
электроэнергии. Так, например, увеличение температуры кремниевых материалов на 1 °С снижает коэффициент преобразования на 0,4...0,5 %. Поиски путей к преодолению перечисленных выше негативных факторов привели к интеграции фотоэлектрических преобразователей с плоскими солнечными коллекторами и созданию на их основе нового вида установок, так называемых когенерационных теплофотоэлектрических
модулей (ТФЭМ). В такой установке решаются одновременно две задачи: получение тепловой и электрической энергии при значительном уменьшении занимаемой установкой площади по сравнению с отдельным размещением солнечных модулей и солнечных коллекторов. Охлаждение теплоносителем солнечного коллектора позволяет увеличить рабочее напряжение элементов и, соответственно, выходную электрическую мощность, а также электрический коэффициент полезного действия.
Таблица 4. Технические характеристики разработанных солнечных кровельных панелей в планарном исполнении
(капсулированный и ламинированный)
Table 4. Technical characteristics of the developed planar solar roofing panels (encapsulated and laminated)
Показатель Единица измерения Величина (при капсулировании; при ламинировании)
Напряжение холостого хода В 1,11; 1,08
Рабочее напряжение В 0,85; 0,83
Ток короткого замыкания А 3,5; 3,32
Рабочий ток А 3,06; 3,01
Электрическая мощность Вт 2,6; 2,5
Коэффициент заполнения ВАХ - 0,67; 0,64
Температура лиц. и тыл. сторон °С 40 и 32; 42 и 34
Размеры модуля мм 420 х 310 х 50
Срок номинальной мощности лет 40 - 50; 20 - 25
Масса модуля кг 2,3; 2,1
ПЛАНАРНЫЕ МОРОЗОСТОЙКИЕ ТЕПЛОФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КРОВЕЛЬНЫЕ ПАНЕЛИ В ВИДЕ ЧЕРЕПИЦЫ
Основываясь на тепловом режиме работы солнечных фотоэлектрических кровельных панелей, можно сделать вывод о целесообразности
применения охлаждения солнечных элементов [17] в виду уменьшения их эффективности с ростом температуры. Таким образом, наряду с фотоэлектрическими солнечными кровельными панелями планарной и концентраторной конструкции большой интерес представляют теплофотоэлектрические солнечные кровельные панели в виду увеличения электрической эффективности солнечных элементов и получения тёплой воды на выходе, что также увеличивает общую эффективность модуля (рис. 6) [18-20].
Рис. 6. Чертёж планарного теплофотоэлектрического модуля в виде кровельной панели (слева) и образец (справа) Fig. 6. Drawing of a planar photovoltaic thermal module in the form of a roofing panel (on the left) and a sample (on the right)
В табл. 5 представлены массогабаритные, физические, конструктивные и стоимостные параметры изготовленного образца стационарного теплофотоэлектрического модуля в виде кровельной панели.
Таблица 5. Основные параметры теплофотоэлектрической кровельной панели Table 5. The main parameters of the photovoltaic thermal roofing panel
Длина кровельной панели, мм 434
Ширина кровельной панели, мм 312
Толщина кровельной панели, мм 26
Масса кровельной панели, кг 2,5
Срок номинальной мощности, лет 40 - 50
Тип солнечных элементов Монокристаллические кремниевые
Количество солнечных элементов, шт. 6
Коммутация солнечных элементов Последовательная
Размер солнечного элемента, мм 125 х 125
Площадь солнечных элементов, м2 0,09
Площадь фотоприёмника, м2 0,1
Материал абсорбера Алюминий (медь)
Ток короткого замыкания, А 4,7 (6,2)*
Ток в рабочей точке, А 4,6 (5,8)*
Напряжение холостого хода, В 3,2 (4,1)*
Напряжение в рабочей точке, В 2,5 (3,4)*
Продолжение таблицы 5 Continuation of table 5
Мощность, Вт 11(20)*
Коэффициент заполнения ВАХ, % 60(75)*
КПД фотопреобразования, % 13 (20)*
Материал подложки Пластик (вторичный пластик)
Заполнитель-герметик Кремнийорганический двухкомпонентный полисилоксановый компаунд
Температура эксплуатации панели, °С - 70 ... + 110
Крепление панели 2 самореза в деревянную балку
Теплоизолятор лицевой Воздух (инертные газы)
Теплоизолятор тыльный Воздух (пенопласты, минеральные ваты)
Защитный лицевой материал Закалённое стекло с малым содержанием оксида железа (optiwhite) 3 - 4 мм
Класс защиты распределительной коробки 1Р 65
Коннекторы МС4 герметичные
Длина кабеля, мм 40
Сечение кабеля, мм2 4 (6)
Теплоноситель Вода (воздух, фреон, антифриз)
Количество отверстий для теплоносителя 1 (2) вход, 1 (2) выход
Коммутация магистрали теплоносителя Гидравлические штуцеры
Тепловая магистраль панелей Теплоизоляционные трубопроводы
Объём теплоносителя в радиаторе панели, л 0,3
Расход теплоносителя, л/мин ... 0,1 - 1 ... (регулируемый)
Температура теплоносителя на входе, °С 10 - 30
Температура теплоносителя на выходе, °С 35 - 55
Стоимость панели, тыс. руб. 0,6 - 1
* В скобках указаны электрические значения при использовании солнечных элементов с односторонней контактной сеткой и электрическим коэффициентом полезного действия около 20 %, которые планируются использовать в серийном производстве стационарных теплофотоэлектрических модулей в виде кровельных панелей
Кровельные солнечные модули могут обеспечить автономное или параллельное с сетью энергоснабжение различных стационарных объектов. С помощью комбинации и оптимизации состава солнечной электростанции, состоящей из различных типов солнечных кровельных модулей можно добиться необходимой выработки электроэнергии и тёплой воды.
ТЕПЛОФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОРОЗОСТОЙКИЙ МОДУЛЬ С КОНЦЕНТРАТОРОМ ПАРАБОЛОИДНОГО ТИПА
Наряду с планарными солнечными теплофотоэлектрическими солнечными модулями большой интерес представляют концентраторные теплофотоэлектрические модули в виду экономии кремния высокой степени очистки и возможности
нагрева теплоносителя до более высоких температур. Солнечный концентраторный теплофотоэлектрический модуль (рис. 7) состоит из концентратора параболоидного типа, который увеличивает концентрацию солнечного излучения в фокальной области на цилиндрической фотоэлектрической части и тепловой торцевой части цилиндрического радиатора [21, 22]. Солнечное излучение, попадая на поверхность солнечного концентратора [23-28], отражается под углами наклона, ориентированными в своих зонах таким образом, что обеспечивается достаточно равномерная концентрация освещённости на фотоэлектрическом приёмнике в виде цилиндра из скоммутированных высоковольтных матричных солнечных модулей и на тепловом приёмнике торцевой части цилиндрического радиатора для догрева проточной воды. Внешний вид теплофотоэлектрического концентраторного
модуля без большого концентратора представлен на
рис. 7 слева, с установленным большим концентратором - на рис. 7 справа.
Рис. 7. Теплофотоэлектрический модуль с малым концентратором (слева) и большим концентратором (справа)
Fig. 7. Photovoltaic thermal module with a small concentrator (on the left) and with a large concentrator (on the right)
Технические характеристики теплофотоэлектрического модуля с концентратором параболоидного типа приведены в табл. 6.
Таблица 6. Технические характеристики концентраторного теплофотоэлектрического модуля
Table 6. Technical characteristics of the concentrator photovoltaic thermal module
Параметр Значение
Тип концентратора Параболоидный
Электрическая мощность (при солнечном излучении 820 Вт/м2), Вт 18,5
Электрическая эффективность солнечных элементов без концентратора, % 9,5
Напряжение холостого хода, В 15,4
Номинальное напряжение постоянного тока, В 12
Площадь солнечных элементов, м2 0,0224
Средняя концентрация излучения на фотоэлектрической части приёмника, крат 7,1
Средняя концентрация излучения на тепловой части приёмника, крат 23
Тип солнечных элементов Матричные
Габаритные размеры радиатора солнечного приёмника, м 0,11 х 0,11 х 0,12
Электрическая эффективность 0,123
Тепловая эффективность 0,5
Оптическая эффективность концентратора 0,65
Теплоноситель Вода (антифриз)
Расход теплоносителя, л/мин 0,5
Температура теплоносителя на входе, °С 20
Температура теплоносителя на выходе, °С 40
Температура эксплуатации модуля, °С - 70 ... + 110
Площадь миделя концентратора для фотоэлектрической части приёмника, м2 0,28
Продолжение таблицы 6 Ccontinuation of table 6
Площадь миделя концентратора для тепловой части приёмника, м2 0,5
Габаритные размеры составного концентратора, м 0,54 х 1,05 х 1,05
Масса модуля, кг 2,5
Стоимость модуля, тыс. руб. 3,5
Концентраторный солнечный
теплофотоэлектрический модуль, представляя собой солнечный модуль с концентратором параболоидного типа, используется в условиях, когда необходимо наряду с получением электроэнергии вырабатывать ещё и горячую воду. В таком модуле, в виду использования матричных высоковольтных солнечных элементов, удалось добиться увеличения электрической эффективности на ряду с увеличением срока номинальной мощности солнечных элементов.
МОРОЗОСТОЙКИЕ МАТРИЧНЫЕ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ СОЛНЕЧНЫЕ МОДУЛИ С УВЕЛИЧЕННОЙ ЭФФЕКТИВНОСТЬЮ
Матричные солнечные модули имеют двустороннюю рабочую поверхность, где за счёт отражения солнечного излучения на тыльную поверхность, электрическая мощность и
При концентрации излучения около 50 Вт/м2 электрическая эффективность матричного высоковольтного солнечного модуля площадью 3 см2 составила 28 %, что значительно превосходит электрическую эффективность стандартных планарных солнечных модулей (15 - 19 %). Технология производства матричных солнечных модулей адаптирована к условиям промышленного производства, в ней не используются
электрическая эффективность модуля
увеличивается [29]. Также матричные солнечные модули имеют в 2 раза больший срок службы (40 -50 лет) (в сравнении с зарубежными планарными солнечными модулями), электрическую эффективность 22-28 % при 50 - 200 кратной концентрации, причём такая величина сохраняется при увеличении температуры до 60 °С, что упрощает систему охлаждения модулей, а ток модуля растёт пропорционально концентрации. Измерения фотоэлектрических характеристик матричных солнечных модулей для определения электрической эффективности при различных уровнях засветки проводились при интенсивности излучения от 5 Вт/см2 до 25 Вт/см2 (250 кратная концентрация солнечного излучения).
Максимальные значения электрической эффективности получены при концентрации 50 крат (табл. 7). В табл. 7 представлены электрические характеристики матричного солнечного модуля площадью 3 см2 при различной степени концентрации излучения засветки.
многостадийная диффузия, фотолитография, сеткография, вакуумная металлизация и т.д., исключено применение серебра. Стоимость производства матричных солнечных модулей соизмерима со стоимостью планарных модулей в расчёте на единицу площади. Развитие технологии матричных солнечных модулей третьего поколения на основе монокристаллического кремния позволит создать солнечные электростанции с
Таблица 7. Электрические характеристики матричного солнечного модуля при различной степени концентрации
излучения засветки
Table 7. Electrical characteristics of a matrix solar module at various degrees of exposure to light exposure
Концентрация, крат Электрическая эффективность, % Ток короткого замыкания, мА Напряжение холостого хода, В Электрическая мощность, Вт Коэффициент заполнения вольтамперной характеристики
51 28 233,7 24,4 4,3 0,75
99 25,2 415,9 24,4 7,5 0,74
142 24,4 577,6 24,9 10,4 0,73
192 22,3 711,6 24,9 12,9 0,73
221 22,2 825,5 25,2 14,7 0,71
концентраторами с более низкими удельными затратами на 1 кВт установленной мощности и более высокой эффективностью производства электроэнергии по сравнению с тепловыми электростанциями, работающими на угле.
МАТРИЧНЫЙ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ МОРОЗОСТОЙКИЙ СОЛНЕЧНЫЙ МОДУЛЬ С УВЕЛИЧЕННОЙ ЭФФЕКТИВНОСТЬЮ И НАПРЯЖЕНИЕМ БОЛЕЕ 1000 В
Двусторонний матричный солнечный модуль с размерами 700 х 100 мм (рис. 8 слева) предназначен для создания солнечных электростанций постоянного тока с высоким напряжением (более 1000 В). Столь высокое напряжение позволяет использовать модули с бестрансформаторными инверторами и присоединять их к высоковольтным линиям постоянного тока с напряжением 110-500 кВ
без преобразовательных подстанций.
Эффективность разработки заметна при использовании матричного модуля с концентраторами по сравнению с планарным модулем (одинаковой мощности). Матричный солнечный модуль длиной 700 мм имеет напряжение холостого хода 1059 В и рабочее напряжение 900 В. Стоимость же преобразовательных подстанций составляет до 30 % от стоимости солнечных электростанций, а для получения рабочего напряжения 900 В с использованием традиционных планарных солнечных модулей потребуется соединить последовательно более 1500 планарных солнечных элементов с размерами 156 х 156 мм каждый. Вольтамперная характеристика матричного солнечного модуля с размерами 700 х 100 мм без концентрации солнечного излучения приведена на рис. 8 справа.
Рис. 8. Высоковольтный солнечный модуль 700 х 100 мм (слева) и его вольтамперная характеристика (справа)
Fig. 8. High-voltage solar module 700 х 100 mm (on the left) and its current-voltage characteristic (on the right)
Параметры матричного солнечного модуля при естественном солнечном освещении (814 Вт/м2) без концентрации представлены в табл. 8.
Таблица 8. Параметры матричного солнечного модуля 700 х 100 мм при естественном солнечном освещении Table 8. Parameters of a matrix solar module 700 х 100 mm in natural sunlight
Общие размеры солнечного модуля:
Длина, мм 703
Ширина, мм 105
Толщина, мм 17
Масса модуля, кг 1,8
Гарантийный срок номинальной мощности, лет 40
Заполнитель-герметик Двухкомпонентный полисилоксановый компаунд
Возможность использования с концентраторами солнечного излучения Есть (1 - 500 крат и более, ограничена свойствами концентратора)
Рост тока при концентрации солнечного излучения Линейный
Продолжение таблицы 8 Ccontinuation of table 8
Рост электрической эффективности при концентрации солнечного излучения Увеличивается (нелинейно)
Показатели без концентрации:
Напряжение холостого хода, В 1059
Ток короткого замыкания, мА 6,1
Напряжение в рабочей точке, В 900
Ток в рабочей точке, мА 4,9
Мощность (одна сторона), Вт 4,4
Коэффициент заполнения вольтамперной характеристики 0,68
Электрическая эффективность фотопреобразования (без концентрации), % 12,6
Для эффективного использования
высоковольтных матричных солнечных модулей с концентраторами солнечного излучения необходимо обеспечить равномерное освещение солнечного модуля в фокальной области и его
охлаждение в условиях воздействия концентрированного солнечного излучения.
Сравнение характеристик планарных и высоковольтных матричных солнечных модулей из монокристаллических фотоэлектрических
солнечных элементов представлено в табл. 9.
Таблица 9. Сравнение характеристик планарных и высоковольтных солнечных модулей Table 9. Comparison of the characteristics of planar and high-voltage solar modules
Параметр Высоковольтный солнечный модуль (технология заливки компаундом) Планарный солнечный модуль (технология ламинирования)
Напряжение, В 1000 12; 24
Гарантийный срок номинальной мощности, лет 40 - 50 20 - 25
Средняя электрическая эффективность при солнечном излучении 1 кВт/м2, спектре АМ 1,5 и температуре 25 °С, % 12 - 14 18
Электрическая эффективность при концентрированном солнечном излучении 100 кВт/м2, спектре АМ 1,5 и температуре 25 °С, % 22 - 28 1
Температура эксплуатации - 70 ... + 110 °С - 30 ... + 60 °С
Стойкость к ультрафиолету высокая низкая
Корродирующий агент при изготовлении нет уксусная кислота
Корродирующий агент при старении нет уксусная кислота
Механическое напряжение - изготовление - старение нет да
нет да
Прозрачность для солнечного излучения с различными длинами волн 90 % (X = 360 нм) 8 % (X = 360 нм)
92 % (X = 400 нм) 62 % (X = 400 нм)
93 % (X = 600 ... 1000 нм) 91 % (X = 600 ... 1000 нм)
Современные процессы полупроводниковой электроники и нанотехнологии позволят в ближайшие годы увеличить электрическую эффективность преобразования
концентрированного солнечного излучения с
использованием матричных солнечных модулей в промышленном производстве до 30% и предельную электрическую мощность до 50 Вт/см2 при преобразовании концентрированного солнечного излучения. Стоимость производства
высоковольтных матричных солнечных модулей соизмерима со стоимостью планарных кремниевых солнечных модулей в расчёте на единицу площади и в 1000 раз меньше себестоимости каскадных гетероструктурных солнечных модулей на основе соединений АшВу при одинаковой эффективности.
ВЫВОДЫ
Стационарные морозостойкий солнечные модули с увеличенным сроком работы на уровне номинальной мощности позволяют получать электроэнергию как автономному потребителю, так и имеющему электрическую сеть, то есть работать с ней параллельно. За увеличенный срок службы солнечная станция выработает значительно больше электрической энергии, что увеличивает экономическую привлекательность использования таких модулей. При использовании морозостойкой солнечной фотоэлектрической кровельной панели в виде черепицы решаются как строительно-защитные задачи, так и появляется возможность получать электроэнергию от солнечного излучения. Использование в составе подожки кровельной панели вторичного пластика положительно сказывается на экологии, а применение полисилоксанового компаунда для герметизации солнечных элементов увеличивает срок их номинальной мощности.
Планарные морозостойкие
теплофотоэлектрические кровельные панели в виде черепицы в отличие от фотоэлектрических кровельных панелей позволяют получать кроме электроэнергии ещё и тёплую воду, сохраняя свои защитно-строительные функции, вырабатывая большее количество электроэнергии по сравнению со стандартными заламинированными
фотоэлектрическими модулями и имея конкурентную стоимость в виду использования вторичного пластика в своём составе. Концентраторный морозостойкий
теплофотоэлектрический модуль, представляя собой солнечный модуль с концентратором параболоидного типа, используется в условиях, когда необходимо наряду с получением электроэнергии вырабатывать ещё и горячую воду. В таком модуле, в виду использования матричных высоковольтных солнечных элементов, удалось добиться увеличения электрической эффективности на ряду с увеличением срока номинальной мощности солнечных элементов. Сами высоковольтные матричные солнечные модули имеют большой потенциал для внедрения в концентраторных солнечных модулях, так как уже получена электрическая эффективность 28 %, что позволит снизить стоимость вырабатываемой электроэнергии и уменьшить стоимость установленной мощности солнечного модуля. Такие солнечные установки смогут вырабатывать горячую воду, а срок их службы будет увеличен за счёт применения двухкомпонентного
полисилоксанового компаунда.
БЛАГОДАРНОСТИ
Часть представленной работы выполнена благодаря финансированию Гранта ''Молодой преподаватель МИИТа'' на 2016 - 2019 г. после конкурсного отбора в соответствии с Положением о грантах молодым преподавателям МИИТа и Стипендии Президента Российской Федерации на 2018 - 2020 г. для молодых ученых и аспирантов, осуществляющих перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики, направление модернизации: Энергоэффективность и энергосбережение, в том числе вопросы разработки новых видов топлива.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бекиров Э.А., Асанов М.М., Алькаата А. Оптимизация режимов работы систем электроснабжения с использованием возобновляемых источников энергии. Строительство и техногенная безопасность, 13(65), 2018, с. 107-112.
2. Новикова О.В., Мельниченко А.С., Лучникова А.Д. Методические подходы к энергоснабжению с использованием возобновляемых источников энергии на объектах транспортной инфраструктуры федерального значения. Строительство и техногенная безопасность, 12(64), 2018, с. 81-90.
3. Шеина С.Г., Петров К.С., Федоров А.А. Исследование этапов развития BIM-технологий в мировой практике и России. Строительство и техногенная безопасность, 14(66), 2019, с. 7-14.
4. Голикова А.А., Нагаева З.С. Пассивный дом (экодом). Строительство и техногенная безопасность, 14(66), 2019, с. 15-20.
5. Гапеева Н.А., Жиленко О.Б. Автономное теплоснабжение высотных зданий. Строительство и техногенная безопасность, 10(62), 2018, с. 77-89.
6. Соловьев А.К. Экономия энергии при эксплуатации зданий и пассивные системы использования солнечной энергии. Строительство и техногенная безопасность, 10(62), 2018, с. 179-191.
7. Дегтярёв К.С., Панченко В.А., Майоров С.В. Перспективы энергоснабжения инфраструктурных объектов на основе возобновляемых источников энергии в российской Арктике. Современные проблемы совершенствования работы железнодорожного транспорта, 2018, с. 79-91.
8. Амерханов Р.А., Бекиров Э.А., Асанов М.М. Методы оптимизации работы теплоэлектростанции при совместной генерации с ветро- и солнечной электростанциями. Строительство и техногенная безопасность, 14(66), 2019, с. 93-100.
9. Муровский С.П., Сокут Л.Д. Перспективные направления модернизации солнечных электростанций Республики Крым. Строительство и техногенная безопасность, 15(67), 2019, с. 149-158.
10. V. Poulek, D.S. Strebkov, I.S. Persic, M. Libra. Towards 50 years lifetime of PV panels laminated with
silicone gel technology. Solar Energy, 2012, 86, 31033108.
11. Бекиров Э.А., Асанов М.М. Анализ систем водяного охлаждения фотоэлектрических панелей. Строительство и техногенная безопасность, 6(58), 2017, с. 55-59.
12. Асанов М.М., Бекиров Э.А., Воскресенская С.Н. Снижение влияния нагрева поверхности фотоэлемента на эффективность его работы. Строительство и техногенная безопасность, 51, 2014,с. 92-97.
13. Кувшинов В.В., Бекиров Э.А. Теплофотоэлектрическая установка для комбинированной выработки тепловой и электрической энергии. Строительство и техногенная безопасность, 15(67), 2019, с. 141-148.
14. Огребков Д.С., Персиц И.С., Панченко В.А. Солнечные модули с увеличенным сроком службы. Инновации в сельском хозяйстве, 3(8), 2014, с. 154158.
15. Strebkov D., Panchenko V., Irodionov A., Kirsanov A.. The development of roof solar panels. Research in Agricultural Electric Engineering, volume 3, № 4, 2015, p 123-127.
16. Стребков Д.С., Бобовников Н.Ю., Иродионов А.Е., Кирсанов А.И., Панченко В.А., Филиппченкова Н.С. Программа ''Один миллион солнечных крыш'' в России. Вестник ВИЭСХ, 2016, 3(24), с.84-87.
17. Бекиров Э.А., Каркач Д.В. Двумерная модель тепловых процессов в солнечном коллекторе и ее экспериментальная проверка. Строительство и техногенная безопасность, 10(62), 2018, с. 191-201.
18. Панченко В.А., Чирский С.П. Разработка и исследование солнечных теплофотоэлектрических модулей в системах автоматизированного проектирования и конечно-элементного анализа. Строительство и техногенная безопасность, 14(66), 2019, с. 57-72.
19. Панченко В.А. Моделирование солнечных теплофотоэлектрических модулей. Электротехнологии и электрооборудование в АПК, 2019, 2(35), с. 71 - 77.
20. Панченко В.А. Моделирование теплофотоэлектрической кровельной панели для энергоснабжения объектов. Строительство и техногенная безопасность, 13(65), 2018, с. 143-158.
21. Стребков Д.С., Майоров В.А., Панченко В.А, Осьмаков М.И., Плохих С.А. Солнечная установка с матричными фотоэлементами и концентратором. Электро. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность, 2013, №2, С. 50-52.
22. Стребков Д.С., Майоров В.А., Панченко В.А. Солнечный модуль с параболоторическим концентратором и фотоэлектрическим приёмником. Энергетик, 2013, № 5, c. 55-57.
23. Синицын С.А., Стребков Д.С., Панченко В.А. Паркетирование поверхности параболического концентратора солнечного теплофотоэлектрического модуля по заданным
дифференциально-геометрическим требованиям. Геометрия и графика, том 7, №3, 2019, с. 15-27.
24. Синицын С.А., Дубровин В.С. Универсальный алгоритм построения обратимого чертежа. Современные проблемы совершенствования работы железнодорожного транспорта, №14, 2014, с. 287-294.
25. Синицын С.А. Задача синтеза геометрической информации при оптимальном моделировании гладких дифференциальных поверхностей. Инновации и инвестиции, №10, 2018, с. 211-214.
26. Синицын С.А. Формализация погрешностей в задачах оптимизации геометрических моделей. Инновации и инвестиции, №11, 2018, с. 175-180.
27. Синицын С.А., Дубровин В.С. Основные принципы геометрического моделирования на различных этапах конструирования сложных технических объектов. Современные проблемы совершенствования работы железнодорожного транспорта, №12, 2016, с. 218-221.
28. Синицын С.А., Дубровин В.С. Современный взгляд на развитие теории точности формообразования технических объектов. Современные проблемы совершенствования работы железнодорожного транспорта, №12, 2016, с. 221225.
29. Стребков Д.С., Поляков В.И., Арбузов Ю.Д., Панченко В.А. Высоковольтные солнечные модули третьего поколения. Инновации в сельском хозяйстве, 3(8), 2014, c. 159-165.
REFERENCES
1. Bekirov E.A., Asanov M.M., Alkaata A. Optimization of operating modes of power supply systems using renewable energy sources. Construction and technogenic safety, 13(65), 2018, 107-112.
2. Novikova O.V., Melnichenko A.S., Luchnikova A.D. Methodological approaches to energy supply using renewable energy sources at the objects of transport infrastructure of federal significance. Construction and technogenic safety, 12(64), 2018, 81-90.
3. Sheina S.G., Petrov K.S., Fedorov A.A. Study of the stages of development of BIM-technologies in world practice and in Russia. Construction and technogenic safety, 14(66), 2019, 7-14.
4. Golikova A.A., Nagaeva Z.S. Passive house (eco house). Construction and technogenic safety, 14(66), 2019, 15-20.
5. Gapeeva N.A., Zhilenko O.B. Autonomous heat supply of high-rise buildings. Construction and technogenic safety, 10(62), 2018, 77-89.
6. Soloviev A.K. Energy savings in building operations and passive solar systems. Construction and technogenic safety, 10(62), 2018, 179-191.
7. Degtyarev K.S., Panchenko V.A., Mayorov S.V. Prospects for energy supply of infrastructure facilities based on renewable energy sources in the Russian Arctic. Modern problems of improving the work of railway transport, 2018, 79-91.
8. Amerkhanov R.A., Bekirov E.A., Asanov M.M. Methods for optimizing the operation of a thermoelectric power station during joint generation with wind and solar power plants. Construction and technogenic safety, 14(66), 2019, 93-100.
9. Murovsky S.P., Sokut L.D. Promising areas of modernization of solar power plants in the Republic of Crimea. Construction and technogenic safety, 15(67), 2019, 149-158.
10. V. Poulek, D.S. Strebkov, I.S. Persic, M. Libra. Towards 50 years lifetime of PV panels laminated with silicone gel technology. Solar Energy, 2012, 86, 31033108.
11. Bekirov E.A., Asanov M.M. Analysis of water cooling systems for photovoltaic panels. Construction and technogenic safety, 6(58), 2017, 55-59.
12. Asanov M.M., Bekirov E.A., Voskresenskaya S.N. Reducing the effect of heating the surface of the solar cell on its efficiency. Construction and technogenic safety, 51, 2014, 92-97.
13. Kuvshinov V.V., Bekirov E.A. Pvotovoltaic thermal installation for the combined generation of thermal and electrical energy. Construction and technogenic safety, 15(67), 2019, 141-148.
14. Strebkov D.S., Persits I.S., Panchenko V.A. Long life solar modules. Innovations in Agriculture, 3(8), 2014, 154-158.
15. Strebkov D., Panchenko V., Irodionov A., Kirsanov A.. The development of roof solar panels. Research in Agricultural Electric Engineering, vol. 3, 4, 2015, 123-127.
16. Strebkov D.S., Bobovnikov N.Yu., Irodionov A.E., Kirsanov A.I., Panchenko V.A., Filippchenkova N.S. The One Million Solar Roofs program in Russia. Vestnik VIESH, 2016, 3(24), 84-87.
17. Bekirov E.A., Karkach D.V. Two-dimensional model of thermal processes in the solar collector and its experimental verification. Construction and technogenic safety, 10(62), 2018, 191-201.
18. Panchenko V.A., Chirsky S.P. Development and research of solar photovoltaic thermal modules in computer-aided design and finite element analysis systems. Construction and technogenic safety, 14(66), 2019, 57-72.
19. Panchenko V.A. Modeling of solar photovoltaic thermal modules. Electrotechnologies and electrical equipment in the agro-industrial complex, 2019, 2(35), 71 - 77.
20. Panchenko V.A. Modeling of a photovoltaic roofing panel for power supply of objects. Construction and technogenic safety, 13(65), 2018, 143-158.
21. Strebkov D.S., Mayorov V.A., Panchenko V.A., Osmakov M.I., Plohih S.A. Solar installation with matrix photocells and a concentrator. Electro. Electrical Engineering. Electric Power Industry. Electrical Engineering Industry, 2013, 2, 50-52.
22. Strebkov D.S., Mayorov V.A., Panchenko V.A. Solar module with parabolotoroid concentrator and photoelectric receiver. Power Engineer, 2013, 5, 55-57.
23. Sinitsyn S.A., Strebkov D.S., Panchenko V.A. Surface parqueting for a parabolic concentrator of a solar photovoltaic thermal module according to specified differential geometric requirements. Geometry and Graphics, vol. 7, 3, 2019, 15-27.
24. Sinitsyn S.A., Dubrovin V.S. A universal algorithm for constructing a reversible drawing. . Modern problems of improving the work of railway transport, 14, 2014, 287-294.
25. Sinitsyn S.A. The problem of synthesis of geometric information in the optimal modeling of smooth differential surfaces. Innovation and Investment, 10, 2018, 211-214.
26. Sinitsyn S.A. Formalization of errors in optimization problems of geometric models. Innovation and Investment, 11, 2018, 175-180.
27. Sinitsyn S.A., Dubrovin V.S. The basic principles of geometric modeling at various stages of the construction of complex technical objects. Modern problems of improving the work of railway transport, 12, 2016, 218-221.
28. Sinitsyn S.A., Dubrovin V.S. A modern view of the development of the theory of the accuracy of shaping technical objects. Modern problems of improving the work of railway transport, 12, 2016, 221-225.
29. Strebkov D.S., Polyakov V.I., Arbuzov Yu.D., Panchenko V.A. High-voltage solar modules of the third generation. Innovations in Agriculture, 3(8), 2014, 159165.
PERSPECTIVES OF ENERGY SUPPLY OF OBJECTS OF THE ARCTIC ZONE OF THE RUSSIAN FEDERATION BY USING FROST-RESISTANT SOLAR MODULES OF VARIOUS DESIGN
Panchenko V.A.
Summary. The article is devoted to the prospect of using frost-resistant solar modules with extended service life of various designs for energy supply of infrastructure facilities in the Arctic zone of the Russian Federation. The article gives a general description of the region under consideration and considers its energy specifics, directions of development of energy based on renewable energy sources. Regions are identified where the use of renewable energy converters and, in particular, solar modules is especially relevant and promising. Due to the prevalence of very low ambient temperatures during the year in most of the Arctic zone of the Russian Federation, the use of standard laminated solar modules is not possible due to the rapid degradation of solar cells and sealing material. To solve this problem, the article proposes frost-resistant planar photovoltaic modules and solar roofing panels with an extended service life for power supply to facilities. In the manufacture of the developed solar modules, the technology of laminating solar cells is not used, but the two-component polysiloxane compound and the encapsulation technology of solar cells are used, which has several advantages over the technology of laminating with ethylene vinyl acetate films. For simultaneous heat and power generation, frost-resistant planar photovoltaic thermal roofing panels and a concentrator solar installation with high-voltage matrix solar modules with a voltage of 1000 V and an electrical efficiency of up to 28% are proposed. The considered solar modules have an extended rated power period due to the use of the technology of sealing solar cells with a two-component polysiloxane compound and are able to work effectively at very low negative ambient temperatures and large ranges of its fluctuations.
Subject of research: solar energy converters capable of working for a long time at the level of rated power at very low negative ambient temperatures and providing heat and power supply to consumers.
Materials and methods: to create the design documentation of the manufactured modules, the Kompas 3D computer-aided design system was used; for modeling and visualization of the thermal state of photovoltaic thermal modules, the ANSYS finite element analysis system was used; for the manufacture of solar modules, encapsulation technology was used with a two-component polysiloxane compound; for laboratory measurements of the current-voltage characteristics of solar modules, the PICOSOLAR solar radiation simulator was used; for accelerated testing of solar modules, various BINDER climate chambers were used.
Results: the result of the research is a line of developed solar modules of various designs designed for heat and power supply of consumers, the design of which allows for a long time to work at the level of rated power at very low negative ambient temperatures.
Conclusions: due to the use of developed solar modules of various design, the manufacturing of which uses the encapsulation technology of solar cells with a two-component polysiloxane compound, it becomes possible to have a long time of power supply at the level of the rated power of the objects of the Arctic zone of the Russian Federation. The developed solar modules have great potential for implementation in the fields of transport, autonomous energy supply of remote settlements, various enterprises, including mining, without centralized energy supply.
Key words: solar modules, sealing of solar cells, Arctic zone of the Russian Federation, energy supply, negative temperature, degradation.
