Конференциясының ЕҢбектері

249 
снижаются энергозатраты на изготовление модулей на   70 000 кВт ч/МВт. Кроме того, удвоение срока 
службы увеличивает производство электроэнергии на 20 млн. кВт ч на 1 МВт мощности. В ближайшие 
годы  КПД  МСЭ  из  кремния  будет  увеличен  до  25-30%  при  работе  с  концентратором.  Однако  уже 
сейчас  использование  новых  технологий  кремния,  концентраторов  и  МСЭ  позволяет  создавать 
солнечные электростанции, конкурентоспособные с электростанциями, работающими на угле. 
На региональном уровне во многих странах мира и в ряде регионов России достигнут паритет 
цен между тарифами на электроэнергию от сети и ценой электрической энергии от СЭС. Например, в 
Калмыкии,  Курской  области,  в  ряде  районов  Якутии,  Чукотки  стоимость  электроэнергии  для 
юридических  лиц  составляет  7-9  руб./кВт ч  (0,25-0,32  долл/кВт ч),  что  соизмеримо  с  ценой 
электроэнергии  от  СЭС.  Везде,  где  используются  дизельные  электростанции,  тарифы  на 
электроэнергию выше, чем стоимость электроэнергии от СЭС. 
 
1.5. Круглосуточное производство солнечной электроэнергии 
Проблема  непрерывного  круглосуточного  и  круглогодичного  производства  электроэнергии 
солнечными  электростанциями  является  основной в  развитии глобальной бестопливной  энергетики  и 
обеспечения  ее  конкурентоспособности  с  топливной  энергетикой.  В  ГНУ  ВИЭСХ  разработаны  и 
запатентованы  региональные  и  глобальные  солнечные  энергетические  системы,  позволяющие 
вырабатывать и доставлять электроэнергию  потребителям независимо от времени суток и времѐн года. 
[5, 8]. 
 
1.5.1. Российская солнечная энергосистема 
Проведено компьютерное моделирование российской солнечной энергосистемы из двух СЭС, 
установленных на Чукотке и в Калининграде (РФ) или г. Пинске (Республика Беларусь) и соединенных 
с объединенной энергосистемой России. Фотоактивная площадь СЭС с КПД 20% составляет квадрат со 
стороной  25  км.  Пиковая  мощность  каждой  СЭС  125  млн.  кВт.  В  качестве  исходных  данных  для 
расчета  использованы  средние  многолетние  значения  инсоляции  в  местах  расположения  СЭС. 
Солнечная  энергосистема  позволяет  круглосуточно  в  течение  5  месяцев  с  1  апреля  по  1  сентября 
поставлять  электроэнергию  в  энергосистему  России  в  объеме  500  ТВт ч  и  удовлетворить  все 
потребности России в электроэнергии за этот период. Еще в течение двух месяцев в марте и в сентябре 
продолжительность  электроснабжения  составляет  22  часа  в  сутки.  При  этом  все  топливные 
электростанции будут переведены в разряд резервных, а сэкономленные газ, нефть и уголь могут быть 
поставлены на экспорт. 
Если  включить  в  эту  энергосистему  СЭС  в  пустыне  Каракум,  то  объемы  производства 
электроэнергии будут достаточны для электроснабжения всех стран СНГ в течение 6 месяцев. 
 
1.5.2. Евро-азиатская солнечная энергосистема 
Евро-азиатская  солнечная  энергосистема  Чукотка-Лиссабон  позволит  обеспечить  все  страны 
Европы и СНГ электроэнергией круглосуточно в течение 7 месяцев с 1 марта по 1 октября. 
Евро-азиатская  энергосистема  состоит  из  двух  СЭС  пиковой  мощностью  1,5  ТВт.  Если 
включить  в  эту  энергосистему  СЭС  в  Тибете  (Монголия,  Китай)  и  СЭС  в  Мавритании  (Африка),  то 
производство  электроэнергии  6000  ТВт ч  будет  достаточно  для  электроснабжения  Европы,  СНГ, 
северных стран Азиатского и Африканского континентов. 
 
1.5.3. Глобальная солнечная энергосистема 
Глобальная солнечная энергосистема соединена с национальными энергосистемами и состоит 
из трех СЭС, установленных в Австралии, Северной Африке и Латинской Америке. КПД СЭС равен 
25%,  пиковая  электрическая  мощность  каждой  СЭС  2,5  ТВт,  размеры  190 190  км
2
.  Глобальная 
солнечная  энергосистема  генерирует  электрическую  энергию  круглосуточно  и  равномерно  в  течение 
года  в  объеме  17 300  ТВт ч/год  на  уровне,  соответствующем  мировому  потреблению.  Это  позволит 
перевести все угольные, газовые и атомные станции в разряд резервных электростанций. 
В  качестве  источника  электрической  энергии  в  резонансной  глобальной  солнечной 
энергосистеме  может  быть  использована  не  только  СЭС,  но  и  другие  возобновляемые  источники 
энергии (ГЭС, ВЭС, ГЕоТЭС и др.). 
Для  создания  региональных  и  глобальной  солнечной  энергетической  системы  в  России  и  в 
мире  созданы  новые  технологии,  обеспечивающие  конкурентоспособность  солнечной  энергетики  по 
следующим критериям: 
•
 
КПД солнечных электростанций должен быть не менее 25%. 
•
 
Срок службы солнечной электростанции должен составлять 50 лет. 
•
 
Стоимость  установленного  киловатта  пиковой  мощности  солнечной  электростанции  не 

250 
должна превышать 2000 долл. 
•
 
Объем производства солнечных электростанций должен быть 100 ГВт в год. 
•
 
Производство полупроводникового материала для СЭС должно превышать 1 млн. т в год при 
цене не более 25 долл./кг. 
•
 
Круглосуточное производство электрической энергии солнечной энергосистемой. 
 
Материалы  и  технологии  производства  солнечных  элементов  и  модулей  должны  быть 
экологически чистыми и безопасными. 
Создание  региональных  и  глобальной  солнечных  энергосистем  уже  началось.  Консорциум 
компаний  в  Германии  и  Дойче  Банк  планируют  создать  СЭС  100  ГВт  в  пустыне  Сахара  для 
электроснабжения Европы стоимостью 400 млрд. евро. Создаются СЭС мощностью сотни мегаватт в 
Испании, Германии, Италии, Китае, США и Австралии. 
Начало  функционирования  глобальной  солнечной  энергетической  системы  прогнозируется  в 
2050 г., выход на полную мощность в 2090 г. В результате реализации проекта доля солнечной энергетики 
в мировом потреблении электроэнергии составит 75-90%, а выбросы парниковых газов будут снижены 
в 10 раз. 
 
1.6. Обеспечение экологических характеристик производства энергии 
Человечеству не грозит энергетический кризис, связанный с истощением запасов нефти, газа, 
угля,  если  оно  освоит  технологии  использования возобновляемой  энергии.  В  этом  случае  будут  также 
решены проблемы загрязнения среды обитания выбросами электростанций и транспорта, обеспечения 
качественными  продуктами  питания,  получения  образования,  медицинской  помощи,  увеличения 
продолжительности и качества жизни. СЭС создают новые рабочие места, улучшают качество жизни и 
повышают  энергетическую  безопасность  и  независимость  владельцев  СЭС  за  счет  бестопливного  и 
распределенного производства энергии. 
Разрабатываются  технологические  процессы  производства  компонентов  СЭС,  в  которых 
экологически  неприемлемые  химические  процессы  травления  и  переработки  заменяются  на 
вакуумные,  плазмохимические,  электронно-лучевые  и  лазерные  процессы.  Серьезное  внимание 
уделяется  утилизации  отходов  производства,  а  также  переработке  компонентов  СЭС  после  окончания 
срока службы. 
При  использовании  СЭС  органически  сочетаются  природные  ландшафты  и  среда  обитания  с 
энергетическими  установками.  СЭС  образуют  пространственно-архитектурные  композиции,  которые 
являются солнечными фасадами или солнечными крышами зданий,  ферм,  торговых  центров, складов, 
крытых автостоянок, теплиц. 
 
1.7. Волноводные методы передачи электрической энергии 
В  связи  с  развитием  объединенных  энергосистем  в  Европе,  Северной  и  Южной  Америке  и 
предложениями  по  созданию  глобальной  солнечной  энергосистемы  появились  задачи  по  созданию 
технологии  передачи  тераваттных  трансконтинентальных  потоков  электрической  энергии.  В 
конкуренцию  между  системами  передачи  на  переменном  и  постоянном  токе  может  вступить  третий 
метод:  резонансный  волноводный  метод  передачи  электрической  энергии  на  повышенной  частоте, 
впервые предложенный Н.Тесла в 1897 г и разработанный в ГНУ ВИЭСХ в 1995-2010 годах [8]. 
Крупные энергетические компании во многих странах мира вкладывают гигантские средства и 
научные  ресурсы  в  создание  технологии  высокотемпературной  сверхпроводимости  для  снижения 
джоулевых потерь в линии. 
Существует другой, вероятно, более эффективный способ снижения потерь в магистральных и 
межконтинентальных  линиях  электропередач:  разработать  регулируемые  резонансные  волноводные 
системы  передачи  электрической  энергии  на  повышенной  частоте  1-100  кГц,  которые  не  используют 
активный  ток  проводимости  в  замкнутой  цепи.  В  волноводной  однопроводниковой  линии  нет 
замкнутого  контура,  нет  бегущих  волн  тока  и  напряжения,  а  есть  стоячие  (стационарные)  волны 
реактивного  емкостного  тока  и  напряжения  со  сдвигом  фаз  90°.  За
 
счет  настройки  резонансных 
режимов, выбора частоты тока в зависимости от длины линии можно создать в линии режим пучности 
напряжения  и  узла  тока  (например,  для  полуволновой  линии).  При  этом  из-за  отсутствия  активного 
тока, сдвига фаз между стоячими волнами реактивного тока и напряжения 90° и наличия  узла  тока в 
линии отпадает необходимость и потребность в создании в такой линии режима высокотемпературной 
проводимости,  а  джоулевы  потери  становятся  незначительными  в  связи  с  отсутствием  замкнутых 
активных токов проводимости в линии и незначительными величинами незамкнутого емкостного тока 
вблизи узлов стационарных волн тока в линии [9].  
Новая  физика  электрических  процессов,  связанная  с  использованием  не  активного,  а 
реактивного тока, позволит решить три главных проблемы современной электроэнергетики: 

251 
-создание  сверхдальних  линий  передач  с  низкими  потерями  без  использования  технологии 
сверхпроводимости; 
-увеличение пропускной способности линий; 
-замена  воздушных  линий  на  кабельные  однопроводниковые  волноводные  линии  и  снижение 
сечения токонесущей жилы кабеля в 20-50 раз. 
В  экспериментальной  резонансной  однопроводниковой  системе  передачи  электрической 
энергии, установленной в экспериментальном зале ВИЭСХ, мы передавали электрическую мощность 20 
кВт  при  напряжении  6,8  кВ  на  расстояние  6  м  по  медному  проводнику  диаметром  80  мкм  при 
комнатной  температуре,  при  этом  эффективная  плотность  тока  в  проводнике  составила  600  А/мм
2
,  а 
эффективная плотность мощности - 4 МВт/мм
2
. 
Из  других  применений  резонансной  электроэнергетики,  основанной  на  незамкнутых  токах, 
следует  выделить  бесконтактный  высокочастотный  электротранспорт,  создание  местных 
энергетических  систем  с  использованием  возобновляемых  источников  энергии,  соединение 
оффшорных морских ВЭС с береговыми подстанциями, электроснабжение потребителей на островах и 
в  зонах  вечной  мерзлоты,  пожаробезопасные  однопроводниковые  системы  уличного  освещения  и 
освещения зданий и пожароопасных производств. 
Для  сомневающихся  в  существовании  незамкнутых  электрических  токов  приводим 
высказывания двух выдающихся ученых в области электротехники и электроэнергетики. 
"Исключительная  трудность  согласования  законов  электромагнетизма  с  существованием 
незамкнутых  электрических  токов  -  одна  из  причин  среди  многих,  почему  мы  должны  допустить 
существование токов, создаваемых изменением смещения". Д. Максвелл. 
"В  1893  г.  я  показал,  что  нет  необходимости  использовать  два  проводника  для  передачи 
электрической энергии... Передача энергии через одиночный проводник без возврата была обоснована 
практически" Н.Тесла, 1927 г. 
"Эффективность передачи может быть 96 или 97 процентов, и практически нет потерь... Когда 
нет приемника, нет нигде потребления энергии" Н. Тесла, 1917г. 
"Мои  эксперименты  показали,  что  на поддержание  электрических  колебаний  по  всей планете 
потребуются несколько лошадиных сил". Н.Тесла, 1905 г. 
Н.  Тесла  ответил  и  на  вопрос,  который  часто  задают  нам:  почему  электроэнергетика  не 
восприняла  его  идеи?  "Мой  проект  сдерживался  законами  природы.  Мир  не  был  готов  к  нему.  Он 
слишком обогнал время. Но те же самые законы восторжествуют в конце и осуществят его с великим 
триумфом". Н.Тесла, 1919 г. 
Солнечная электроэнергетика нуждается в поддержке государства для реализации пилотных и 
демонстрационных  проектов  и  ждет  нового  Моргана,  банкира,  который  100  лет  назад  финансировал 
работы Н.Тесла. 
 
Выводы 
Динамично развивающаяся солнечная энергетика, основанная на инновационных российских и 
мировых технологиях, является альтернативой топливной энергетике и в 2050 г. будет доминировать 
на  рынке  энергетически  чистых  технологий,  а  к  концу  21  века  обеспечит  75-90%  всех  потребностей 
Земли в электрической энергии. 
 
Литература 
1.
 
Sun and Wind Energy, 7/2010, p. 8. 
2.
 
Renewable Energy Focus, March/April 2011, p. 1, 4. 
3.
 
Photon International, March 2011, p. 1. 
4.
 
Renewable Energy Focus, March/April 2011, p. 52-54. 
5.
 
Стребков  Д.С.  Матричные  солнечные  элементы.  М.  Изд.  ГНУ  ВИЭСХ,  2009,  т.  1,  118  с,  т.  2, 
227с, т. 3 310 с. 
6.
 
Стребков Д.С., Тверьянович Э.В. Концентраторы солнечного излучения. М. Изд. ГНУ ВИЭСХ, 
2007, 315 с. 
7.
 
G.  Sala,  J.C.  Arboiro,  A.  Luque,  I.  Anton  et  al.    480  kW  peak  Concentrator  Power  Plant  using 
EUCLIDES
TM
 Paralolic Trough Technology, 1998, 2
nd
 WC PV SEC, Vienna. 
8.
 
Стребков  Д.С.,  Некрасов  А.И.,  Резонансные  методы  передачи  и  применения  электрической 
энергии. М. Изд. ГНУ ВИЭСХ, 2008, 351 с. 
9.
 
Стребков  Д.С.  Об  электроэнергетике,  основанной  на  незамкнутых  электрических  токах. 
Проблемы  использования  альтернативных  источников  энергии  в  Туркменистане.  Материалы 
Международной научной конференции 24-25 февраля 2010 г. Изд. Ylum, 2010, с. 26-30. 
 

252 
УДК 662.997:537.22. 
 
ИССЛЕДОВАНИЕ СОЛНЕЧНЫХ МОДУЛЕЙ С ПАРАБОЛОТОРИЧЕСКИМИ 
КОНЦЕНТРАТОРАМИ 
 
Стребков Д.С., Майоров В.А., Панченко В.А. 
Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации 
сельского хозяйства, Москва, Россия 
 
Резюме 
Ключевыми  особенностями  высоковольтных  фотопреобразователей  является  возможность  их 
использования  при  более  высоких  концентрациях  солнечного  излучения  с  увеличением  КПД.  При 
использовании  подобных  систем,  в  основе  которых  находится  параболоидный  концентратор,  возможно 
создание комбинированной системы по выработке электричества и тепла. Рассмотрен пример расчетного 
профиля  параболоидного  концентратора,  обеспечивающего  равномерное  осевое  распределение 
концентрированного  излучения  на  цилиндрическом  приемнике.  Также  представлен  график  распределения 
концентрации освещенности на приемнике модуля по ширине фокального пятна. 
 
Summary 
Key  peculiarities  of  high-voltage  photovoltaic  solar  cells  (HVPSC)  are  possibility  usage  of  high  solar 
radiation  concentrations  with  rising  efficiency.  There  are  possibilities  for  making  combine  system  for  produce 
electricity  and  heat  using  systems  with  HVPSC  and  paraboloid  concentrator.  Example  of  calculation  profile  of 
paraboloid concentrator permitting even axial distribution of solar radiation concentration on cylindrical receiver 
was considered. Also diagram of distribution solar concentration on cylindrical receiver at width of focal spot was 
presented. 
 
В  настоящее  время  как  у  нас  в  стране,  так  и  за  рубежом  ведутся  работы  по  снижению 
стоимости  солнечных  фотоэлектростанций  (СФЭС).  Существует  два  направления  снижения 
стоимости СФЭС: первое – улучшение технико-экономических характеристик традиционных СЭ; 
второе – создание СФЭС с концентраторами. 
Фотоэлектрическое  преобразование  концентрированного  солнечного  излучения  также 
является  достаточно  перспективным  направлением  и  поэтому  усиленно  разрабатывается  в 
последние  годы  [2,3,4,5,1,6].  Применение  концентрирующих  систем  позволяет  существенно 
уменьшить  расход  дорогостоящего  полупроводникового  материала  (пропорционально 
коэффициенту концентрации). 
Одним из вариантов решения этой проблемы является использование 
высоковольтных многопереходных фотопреобразователей с вертикальным  p-n переходом. 
Ключевыми  особенностями  высоковольтных  фотопреобразователей  является  возможность  их 
использования  при  более  высоких  концентрациях  приходящего  солнечного  излучения,  при 
котором  можно  наблюдать  эффект  увеличения  КПД.  Поэтому  очевидным  способом  повышения 
эффективности  установок,  с  высоковольтными  фотопреобразователями,  является  использование 
концентраторов,  оснащѐнных  системой  слежения  за  солнцем,  что  в  свою  очередь  увеличивает 
коэффициент использования светового потока. Кроме того, при использовании подобных систем 
возможно  создание  комбинированной  системы  для  производства  электричества  и  тепла,  то  есть 
когенерационой установки. 
Фотоэлектрический кремниевый модуль (ФКМ) в составе с 
параболоидным концентратором солнечного излучения представлен на рис.1. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

253 
 
Рис.1. Фотоэлектрический кремниевый модуль с параболоидным концентратором d=0,5 м. 
 
В  качестве  фотоприѐмника  в  составе  модулей  параболоидными  концентраторами, 
применялись квадратные ФКМ размером 1х1см, закреплѐнные на воздушном радиаторе. 
На  рис.2  приведена  ВАХ  ФКМ,  состоящего  из  квадратного  МСЭ  площадью  1см
2
, 
установленного  на  медной  трубке-радиаторе  с  водяным  охлаждением  и  закрепленного  на  
фокусном расстоянии 30см параболоидного концентратора с d=0,6м. 
ВАХ S=1 см2, Ео=623 Вт/м2, Кт=68,78,вод.охл. 07.05.10.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
Напряж ение, В
То
к,
 м
А
I,мА
 
Рис.2. ВАХ ФКМ, состоящего из квадратного МСЭ площадью 1см
2
, закрепленного на  фокусном 
расстоянии 30см с концентратором d=0,6м. 
 
Однако,  при  использовании  параболоидных  концентраторов  можно  отметить  некоторые 
недостатки,  при  использовании  их  совместно  с  фотоэлектрическим  приѐмником,  а  именно 
затемнение площади концентратора фотоприѐмником, сложность фокусировки, неравномерность 
освещения,  большие  погрешности  и  потери  рабочей  поверхности.  Существенная  доля  потерь, 
происходящих  в  подобных  концентрирующих  установках  происходит  непосредственно  в 
концентраторе  и  снижения  КПД  фотопреобразователя  при  увеличении  температуры  нагрева  при 
высоких  концентрациях  и  неравномерном  распределении  в  фокальном  пятне  солнечного 
излучения. Суммарная величина этих потерь может достигать 50% и выше. Поэтому важнейшей 
задачей при конструировании установок с солнечными концентраторами, является максимальное 
снижение потерь в концентрирующей системе за счѐт оптимизации формы еѐ поверхности. 
С целью анализа и решения конструктивных задач, было проведено 

254 
математическое  моделирование  и  создан  алгоритм  расчѐта  параболоторического 
концентратора  с  равномерной  освещѐнностью  по  окружности  цилиндрического  приемника  с 
различными  геометрическими  параметрами,  на  основании  которых  можно  проводить  анализ 
энергетических характеристик солнечных батарей (СБ) различных типов и режима работ [7]. 
На  рис.3  представлен  пример  расчетного  профиля  параболоторического  концентратора, 
обеспечивающего равномерное осевое распределение концентрированного солнечного излучения 
на цилиндрическом приемнике радиусом 45 мм, высотой 55 мм и соответствующими фокусными 
расстояниями парабол. 
 
Рис.3. Профиль параболоторического концентратора, обеспечивающего равномерное осевое 
распределение концентрированного солнечного излучения на цилиндрическом приемнике 
радиусом 45 мм, высотой 55 мм. 
 
На  рис.4  представлен  график  распределения  концентрации  освещенности  на  приемнике 
модуля по ширине фокального пятна. 

жүктеу/скачать 7,95 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: