Еженедельник "Снабженец"
http://www.snab.ru

Полная версия этой статьи в формате PDF:
СКАЧАТЬ

Солнечная энергетика в Германии: резервы эффективности Использование солнечной энергии — одна из немногих областей немецкой экономики, почти не затронутых экономическим кризисом. На протяжении последних 10 лет наблюдается непрерывный рост объемов выпуска и монтажа специального оборудования, как солнечных электрических модулей, так и тепловых коллекторов. Соответственно этим на­правлениям в 2008 г. в Германии бы­ли смонтированы установки с элект­рической мощностью 1500 МВт и тепло­вой мощностью 1470 МВт, а годовой оборот достиг 2,1 и 1,7 млрд евро. Численность работников, занятых производством и монтажом электрических и тепловых солярных систем, составляла 48 и 25 тыс. человек. Ожидается, что к 2020 г. общее число занятых в солнечной энергетике достигнет 200 тыс. человек. Германия является ведущим мировым экспортером солнечных энергоустановок и занимает второе место в мире по их суммарной установочной мощности (1500 МВт), ус­тупая первенство Испании (2600 МВт) и опережая США (500 МВт) и Японию (230 МВт). Развитие солнечных технологий в такой далеко не самой солнечной стране, как Германия, обусловлено политической волей правительства, выделяющего колоссальные средства на субсидирование фотоэнергетики. Ожидается, что в будущем солнечная электроэнергия будет окупаться и стабилизирует энергетический баланс страны. Примером волевого политического подхода может служить реконструкция футбольного стадиона в туманном Бремене, на севере Германии. В ходе работ крышу и стены стадиона облицевали прозрачными пластмассовыми фотоэлектрическими модулями, суммарная мощность которых достигает 1,2 МВт! Правда, не сообщается, во что обойдется бременский солнечный киловатт. Не слишком полагаясь на политическое солнечное будущее, промышленность Германии пытается подготовиться к сценарию мирового энергетического голода и найти свои конкурентоспособные решения по энергообеспечению промышленности с использованием нетрадиционных ис­точников энергии. В июне 2009 г. появилось сообщение об инициативе 12 крупнейших немецких и европейских концернов, предполагающих построить в африканской пустыне гигантскую солнеч­ную электростанцию. В 2050 г. она выйдет на полную проектную мощность в 470 000 МВт. (Для сравнения: одна АЭС имеет мощность 1000 МВт.) Стоимость проекта оценивается в 400 млрд евро. Электричество на станции должно вырабатываться не фотоэлектрическими модулями, а паровыми турбинами. Пар для турбин будет готовиться в солнечных коллекторах с легкоиспаряющимся теплоносителем, установленных в фокусе параболических зеркал большой протяженности. Прецеденты такого технического решения в мире уже существуют в Северной Африке, Испании и США. Однако, учитывая политическую не­ста­бильность африканского региона и техническую сложность передачи электроэнергии на 3000 км из Африки в Европу, осуществимость проекта требует тщательного изучения. На фоне высокой активности на рынке солнечных технологий в Гер­мании, Европе и мире становится понятным большой интерес к ведущей международной выставке по солнечной энергетике Intersolar, проходившей в Мюнхене в мае 2009 г. В выставке приняли участие 1417 фирм из 40 стран, причем около 50% экспонентов прибыло из-за рубежа. По сравнению с предыдущей выставкой число участников возросло на 31%. Общая площадь стендов до­стигла 104 000 м2, превысив предыдущий рекорд на 37%. Свыше 60 тыс. посетителей из 140 стран осмотрели экспозицию Intersolar. Столь высокие показатели развития, достигнутые в кризисный год крупной выставкой, проводящейся с 2000 г., свидетельствуют о ее быстро растущей популярности и могут служить подтверждением перспективности солнечной энергетики. Все разнообразие габаритов Солнечная энергетика проникает в различные области хозяйственной деятельности и включает широкую гамму оборудования — от малых установок, предназначенных для питания локальных устройств при отсутствии централизованных энергосетей до мощных крупноформатных модулей для промышленного производства электроэнергии. Не­мецкая фирма BP Solar выпустила серию малых солнечных электро­установок типа SX мощностью от 5 до 80 Вт. Каждая установка состоит из солнечного модуля, аккумулятора и зарядного устройства. Только в Ма­рокко фирма поставила 1000 ус­тановок мощностью 50–80 Вт, дающих персональным потребителям электроэнергию для освещения, телевидения, приготовления пресной воды в отдаленных горных или пустынных районах. Модули SX можно также ис­пользовать в промышленности для питания контрольно-измерительной аппаратуры. Установки SX работают на питание потребителей, а остающаяся в течение дня свободная электроэнергия направляется на подзарядку аккумуляторов постоянным током номинальным напряжением 12 В. Колебания мощности ограничиваются 5–10%. Коэффициент полезного действия изменяется от 7 до 13% и возрастает с увеличением мощности установки. Фирма гарантирует на протяжении 12 лет службы установки сохранение не менее 90% установочной мощности. Кроме того, она дает гарантию от 2 до 5 лет на установочное оборудование. Максимальная мощность достигается при наивысших температурах, но в принципе модули испытаны и подтвердили свою работоспособность даже в экстремальных климатических условиях. Для проверки надежности работы установки SX подвергли целому ряду жестких испытаний, включающих, в частности, 200 циклов пребывания при температурах от -40 до +85 °С, 1000 ч пребывания при 85 °С и относительной влажности 85%. Кроме того, они подвергались поверхностному нагружению давлением 550 кгс/м2, имитирующим воздействие снега и ветра, а также обстрелу градом диаметром 25 мм со скоростью 23 м/с. Солярные модули состоят из 36 по­­ликристаллических ячеек с покрытием из высокопрозрачного закаленного стекла толщиной 3,2 мм. Стекло специально обработано для защиты от светоотражения и повышения энергетической эффективности при ослабленном облучении. Размер модуля мощностью 5 Вт составляет всего 251?269 мм, вес — 1,9 кг. Модуль мощностью 80 Вт имеет размеры 1209?537 мм при весе 7,7 кг. Модули для облицовки зданий, в противоположность миниатюрным солярным, стремятся сделать как можно крупнее. Крупногабаритные модули австрийской фирмы Ertex Solar выпускаются размерами до 2440?5100 мм по технологии много­слойного противоударного стекла. Стремление к максимальному увеличению размеров модуля диктуется архитектурными соображениями и желанием сократить число стыков поддерживающего каркаса, являющихся слабым местом конструкции. Используемые в качестве наружного ограждения солнечные модули Ertex решают не только энергетические задачи, но и заодно служат в качестве теплоизолирующего или ударостойкого стекла. Для этого в составе стеклопакета стекло толщиной до 12 мм комбинируют с трех-­слойной пленкой, с фотоэлектричес­ким слоем и низкоэнергетическим покрытием. Солярные модули Ertex выпускают на основе поликристаллических ячеек с фотоэлектрическим эф­фектом 120 Вт/м2, монокристалли­ческих ячеек (130 Вт/м2), в т. ч. повышенной эффективности (155 Вт/м2), частично светопроницаемых монокристаллических ячеек (105 Вт/м2) и тонкослойных ячеек с фото­эффектом до 45 Вт/м2. Эффективность прежде всего Немецкая фирма Alfasolar разработала и выпустила новую серию поликристаллических солнечных мо­дулей alfasolar Pyramid 60. Новый модуль имеет одно принципиальное отличие от предлагаемых на мировом рынке конструкций. Для повышения эффективности работы при различных условиях освещения, в особенности при неблагоприятной экспозиции, поверхности фронтального стекла модуля придана не плоская, как обычно, а пирамидально-гофрированная структура. Пирамидальные выступы покрывают всю фронтальную поверхность и располагаются вплотную друг к другу с шагом между соседними вершинами 4 мм. Пирамиды увеличивают поглощение солнечного света за счет дополнительного преломления лучей. По сравнению с плоским стеклом увеличение эффективности составляет 3,5% при прямом облучении и 20% при облучении наклонными лучами, падающими под углом до 80°. Поверхности стекла для защиты от загрязнения придан эффект самоочищения. Тыльная поверхность модуля покрыта несколькими слоями пленки, устойчивой против царапин, что исключает нарушение изоляции. На защищенную патентом конструкцию alfasolar Pyramid 60 дается га­рантия 6 лет, а на обеспечение 80-про­центной паспортной выходной мощности — 25 лет. Модуль помещен в стабильную алюминиевую раму коробчатого се­чения. Плавающее закрепление стекла в раме с помощью специального светостойкого силикона исключает повреждение его кантов при транс­портировке и монтаже модуля. В сочетании с фирменными крепежными устройствами из нержавеющей стали alfasolar Pyramid 60 с фронтальным стеклом толщиной 4 мм выдерживает нагрузку до 5400 Н/м2, воспринимает высокие ветровые нагрузки, давление снежного слоя толщиной 3 м, а также удар града диаметром 25 мм со скоростью 23 м/с. При нормальном облучении модуля его 60 поликристаллических фото­ячеек размерами 156?156 мм создают мощность 138–152 Вт/м2 при токе около 9 А и напряжении 28 В. Размеры alfasolar Pyramid 60 состав­ляют 1623?986?35 мм, вес — 21,5 кг. Модуль работает в интервале температур от -40 до +85 °С и относительной влажности 85% при максимальной температуре. Его коэффициент полезного действия достигает 15,4%. Это сравнительно высокий показатель, однако самым эффективным из предлагаемых на мировом рынке является сегодня солнечный мо­дуль 315Е, выпускаемый немецкой фирмой Sunpower. Его 96 монокристаллических фотоячеек при интенсивности облучения 1000 Вт/м2 и температуре 25 °С создают электрическую мощность 315 Вт, что соответствует удельному выходу тока 193 Вт/м2 и КПД=19,3%. Высокая эффективность достигается благодаря патентованной системе электрического соединения ячеек с тыльной стороны, а также за счет применения фронтального покрытия из высокопрозрачного закаленного стекла с противоотражательным слоем. В интервале выходного напряжения от нуля почти до 50 В модуль 315Е (1559х1046х46 мм, 18,6 кг) ха­рактеризуется постоянством тока при интенсивности инсоляции от 200 до 1000 Вт/м2 и температуре 50 °С. Номинальное напряжение составляет 55 В, сила тока — 6 А. Модули 315Е, выдерживающие нагрузки до 245 кгс/м2, можно устанавливать на любых видах кровли при уклонах крыши до 60°. Мон­ти­руются они с помощью системы крепежа, позволяющего юстировать их положение в плане и по высоте при неровностях крыши до 38 мм. В крепеже используют патентованные алюминиевые направляющие. Помимо чисто технических сложностей, солнечная энергетика сталкивается с еще одной серьезной проблемой — необходимостью защиты установок от воровства и вандализма. Немецкая фирма Pairan Electronic разработала электронную систему защиты Pesos TPS, охраняющую фотоэлектрические установки как в дневное, так и в ночное время. Любое неразрешенное вмешательство в электрическую схему солярной установки, а также размыкание любого питающего или соединительного кабеля, в т. ч. и кабелей защитного устройства, автоматически вызывает тревожный сигнал. Послед­ний срабатывает даже при полном прекращении электропитания. К сигнальной установке (8 кг, 380?300?155 мм) можно одновременно подключать несколько сигнальных устройств, например, акустическое и световое. При использовании дополнительных программ сигнал тревоги может быть отправлен в виде SMS, факса или электронной почты. Все элементы Pesos TPS надежно работают под открытым небом в ин­тервале температур от -20 до +50 °С. Питаются они от сети переменного тока напряжением 230 В и потребляют мощность 4–12 Вт. Мобильные установки Солярные модули обычно используют в виде стационарных систем, закрепленных на стабильном основании. Однако стремление к расширению рынка привело к созданию мобильных солнечных генераторов. По этому пути пошла немецкая фирма Galaxy Energy, одной из первых приступившая к выпуску прицепных солнечных генераторов ТМ 320. Генератор выпускается в виде легкого двухосного автоприцепа удлиненной формы. На платформе прицепа закреплен пространственный каркас с 24 солярными модулями по 180 Вт каждый. Общая площадь всех модулей — 32 м2, суммарная электрическая мощность агрегата составляет 4,32 кВт, а кратковременная достигает даже 15 кВт. Модули сблокированы на двух боковых панелях по обоим продоль­ным бортам прицепа и на верхней треть­ей панели, параллельной дни­щу. В рабочем положении они раскрываются и превращаются в единую плоскую панель, а прицеп поддерживается аутригерами. В транспортном положении аутригеры убираются и панели складываются с помощью электропривода. Переход из транс­портного положения в рабочее занимает 3–4 мин. В состав мобильного агрегата входят зарядная и регулирующая аппаратура, преобразователь тока и аккумуляторная батарея (8?6 В, 200 А·ч) для накопления избыточной электроэнергии. Агрегат управляется микропроцессором, который рассчитывает оптимальное положение солнечного модуля в зависимости от его географического положения, даты и времени суток. Система управления постоянно контролирует и регулирует положение солнечных панелей, ориентируя их на солнце. Автоматическое управление служит и для достижения максимальной мощности, и для поддержания постоянного режима работы. Последнее необходимо, например, в случае использования ТМ 320 для питания оросительной установки. Азимутальный поворот солнечной батареи на угол до 270° и склонение в пределах 20–90° регулируются электроприводом. В соответствии с требованиями техники безопасности генератор оснащен датчиком скорости ветра. При скоростях свыше 70 км/ч солнечные панели автоматически переводятся в горизонтальное положение, соответствующее минимальной ветровой нагрузке. В транспортном и рабочем положении габариты установки состав­ляют 6,2?2?3,2 и 6,2?5,6?6,2 (высота) м. Интервал ее рабочих температур — от -15 до +50 °С. Фотокровля Впервые в мировой строительной практике немецкая фирма Alwitra выпустила рулонную кровлю с фотоэлектрической функцией. В ее основу положен серийный рулонный гидроизоляционный материал Evalon из этиленвинилацетат-терполимера, кашированный полиэфирным полотном только с нижней стороны. При поверхностной плотности 4 кг/м2 этот материал обладает очень высокими показателями механической прочности, термостойкости, водо­непроницаемости и долговечности. На этой надежной и долговечной основе методом тонкослойного трех­слойного ламинирования был создан фото­-электрический модуль Evalon Solar. Модуль состоит из гибких кремниевых ячеек размерами 240?340 мм, заключенных в прозрачную полимерную оболочку. Ячейки соединены между собой байпас-диодами в единую цепь. Соответственно трем сло­ям ламинирования солярные ячейки располагаются в три слоя, реагирующих на три различных диапазона длин волн солнечного света. Инно­вационная послойная схема уве­личивает отбор электрической мощности и делает его более независимым от условий освещения. Покрытие из Evalon Solar можно устраивать на крышах любого очертания, на вертикальных и наклонных поверхностях и даже на стенах. Кровля Evalon Solar укладывается так же, как обычная рулонная, при этом не требуется каких-либо спе­циальных знаний или мероприятий. Все соединительные кабели прокладывают под покрытием без дополнительной защиты, вводы кабелей сконструированы в погодостойком исполнении, выпрямители монтируют под крышей. Промышленность выпускает ру­лон­ные полотна различной номинальной мощности — 136, 204, 272 и 408 Вт. Ширина рулонов составляет 1,05 и 1,55 м, длина полотна — 3,36 и 6 м. Толщина полотна, включая фотоактивный и каширующий слои, достигает 5,1 мм, в т. ч. гидроизолирующего слоя — 1,8 мм. Поверх­ностная плотность Evalon Solar составляет 4,03–4,33 кг/м2, температурный коэффициент мощности — 0,21 %/К. Разрывная прочность со­став­­ляет 500 Н/50 мм при удлинении 60%. В пересчете на 1 кВт установочной мощности требуется 21–24 м2 поверхности кровли при нахлесте шириной 11 см. В комплекте к рулонам поставляют соединительное и установочное оборудование, а также устройства для автоматического учета количества электроэнергии и демонстрационные табло. Гибкая кровля Evalon Solar отмечена наградами ряда международных строительных выставок, в т. ч. таких известных, как парижская Batimat и барселонская Construmat. Солнечные светильники Если эффективность использования солнечной энергии для подачи электроэнергии в общую сеть пока не очевидна, то преимущества солярных модулей для электроснабжения небольших обособленных объектов уже сегодня не вызывают сомнений. Светящиеся дорожные знаки, указатели и другие отдельные объекты с солярными модулями по­степенно входят в практику. При­мером технически перспективного оригинального решения могут служить светильники наружного освещения Solar light, предложенные австрийской фирмой HEI Consulting и защищенные патентом. По свидетельству авторов, светильники Solar light представляют собой совершенно новое изделие, не имеющее технических аналогов в отношении эстетики, экономичности и экологичности и открывающее новые горизонты в наружном освещении. Прибор представляет собой трубчатую мачту, в верхней части которой смонтирован цилиндрический солярный модуль. Уникальная патентованная конструкция модуля предложена впервые в мире. Она обеспечивает эффективное электропитание даже при слабом дневном свете, в сумерках и в зимнее время. Источник света сконструирован в виде комбинации из 12 высокоэффективных светодиодов. В сочетании с линзовой оптикой светодиоды позволяют получить высокие характеристики светового потока и добиться его оптимального распределения по поверхности. Спектр излучаемого лампой света отлича­ется малым содержанием ультрафиолетового излучения и поэтому не привлекает летучих насекомых. В процессе эксплуатации стекло лампы практически не загрязняется, срок службы светодиодов гораздо больше, чем у обычных ламп, а от­дельные вышедшие из строя свето­диоды легко заменить. Работают приборы в диапазоне температур от -15 до +50 °С. Компьютерное управление регулирует режим работы лампы в зависимости от потребности. Компьютер оптимизирует выход электроэнергии, контролирует степень зарядки ак­-кумуляторов и работоспособность лампы, обеспечивая ее работу при плохой погоде. Выпускаются несколько моделей светильников. Одна из них, Mira S100, дает вытянутое в длину световое пятно и предназначена для освещения тротуаров и велодорожек. При установке светильников через 10 м средняя освещенность дорожки ши­риной 4 м состав­ляет 12 лк при минимальной освещенности 5,2 лк. С увеличением расстояния между мачтами до 30 м показатели освещенности уменьшаются со­-ответственно до 4,2 и 0,5 лк. Светильник Mira S100 сделан в виде стальной или алюминиевой мачты диаметром 140 мм, полной высотой 4,65 м и весом 120 кг. Ис­точник света расположен на высоте 4,4 м. Его 12 светодиодов по 12 Вт создают суммарный световой поток 1080 лм. Верхняя часть мачты на дли­не 1,5 м представляет собой со­лярный модуль, состоящий из 33 крем­ниевых ячеек с пиковой мощностью 100 Вт. Вырабатываемый модулем ток используется непосредственно для освещения и подзарядки аккумуляторов на 12 В емкостью 32 А·ч. Новый толчок получила в последнее время идея прямой передачи солнечных лучей для освещения темных помещений. Идея направленной передачи солнечного света всегда привлекала внимание архитекторов и строителей, которым было ясно, что ни факелы, ни свечи, ни лампы накаливания, ни светодиоды не в состоянии соперничать по качеству освещения с дневным светом. Еще во времена египетских фараонов для передачи лучей в гробницы использовали системы зеркал. Прошли многие тысячелетия, но и во времена демократических президентов техника передачи солнечного луча не ушла далеко вперед. Новая эра наступила тогда, когда немецкая фирма Bomin Solar разработала ге­лиостатические системы Lightron. Гелиостатическая система освещения также предусматривает передачу в темное помещение солнечного света с помощью системы зеркал. Приемное зеркало-гелиостат, ис­поль­зуя систему слежения, поворачивается вслед за солнцем таким образом, чтобы передавать солнеч­ный свет постоянно в одну и ту же точку. С приемного зеркала световой луч попадает на плоское или параболическое отклоняющее зеркало, которое направляет его в вертикальную световую шахту. Оттуда свет локальными зеркалами разводится по помещениям. По световому потоку гелиостатическое зеркало площадью 1 м2 эквивалентно 1,2 кВт газоразрядных ламп или 4,9 кВт ламп накаливания. Ге­лиостаты выпускаются как квадратными со стороной 1,6/2,1/2,5 м, так и круглыми диаметром 1,6 и 2,1 м. Для изготовления гелиостатов применяется сложное стекло в виде двух слоев высококачественного 3-мил­лиметрового стекла с промежуточными пленочными прослойками и специальными светоотражающими покрытиями. Благодаря последним удается уменьшить светопоглощение и довести показатель светоотражения до 87–93%. Гелиостат поворачивается в пределах 270° по азимуту и 170° по склонению с угловым отклонением в пределах 0,1–0,5°. Для его поворота служит электродвигатель, потребляющий, независимо от величины зеркала, 1,6 кВт·ч электроэнергии в день (584 (кВт·ч)/год) при 24-часовой работе. Электродвигатель корректирует положение зеркала каждые 1–3 мин. Осветительные системы с ис­пользованием гелиостатов уже применяются на ряде престижных объектов в качестве дополнительного источника света, улучшающего спектральный состав излучения. Наряду с главным, спектральным, достоинством гелиостатическое освещение обладает и сопутствующими преимуществами. В частности, лучевая передача света не сопровождается нагреванием помещения. Кроме того, при пропуске осветительного луча через призматические вставки в помещениях создается ряд необычных световых эффектов. Альберт Полуновский, г. Мюнхен, Германия