Проекты участников финального этапа НТТМ-2017

← К списку проектов

Проект
Энергоэффективные солнечные установки
НТТМ-2017-1130 | Категория II

Автор:

Петрусёв Александр Сергеевич

Научный руководитель:
Лукутин Борис Владимирович
Организация:
Национальный исследовательский Томский политехнический университет,
Томская область, Томск
Цель работы
На данный момент 70% территории нашей страны, на которой проживает около 20 млн. человек, отрезано от централизованного электроснабжения. В этих районах используют в основном дизельные установки, а стоимость вырабатываемой ими электроэнергии достигает порой 50 руб. за кВт∙ч и более в связи с затратами на топливо и его доставку (в некоторых местах его доставляют вертолётами). В одной только Томской области годовая потребность дизельного топлива для дизельных электростанций составляет около 25 тыс. тонн. Усреднённая цена кВт∙ч в Якутии 39 руб за кВт∙ч, при этом имеются посёлки со стоимостью генерации 250 руб за кВт∙ч. В таких областях необходимо применение источников генерации, не требующих топлива для своей работы. К таким относятся ветровые и солнечные электростанции. Но большая часть территории России характеризуется низкими температурами, а также неравномерным ветровым потенциалом.
В связи с этим актуально применение солнечных установок. Но на данный момент солнечные установки имеют два основных недостатка – относительно невысокую эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую в течение дня и довольно высокую стоимость солнечных элементов.
Целью работы является решение указанных проблем. Для этого предлагается в солнечных установках применять собственные разработанные устройства – солнечный трекер и акриловый концентратор. Системы с использованием таких устройств в 2-3 раза дешевле существующих и позволяют более эффективно и равномерно генерировать энергию в течение дня, что достигается за счёт ноу-хау, на которых получен патент. Имеются опытные образцы как трекера, так и концентратора, идёт их тестирование в реальных условиях.
Обзор предметной области
Мировой рынок
В соответствии с опубликованными в июле 2016 года данными Международного энергетического агентства (МЭА), солнечная энергетика является самым быстрорастущим сегментом энергетического рынка, далеко опережая других игроков. Среднегодовой темп роста фотоэлектрической генерации в 1990-2014 годы – 46,2%. Среднегодовой прирост за последние 4 года – около 40%.
По данным Bloomberg, рынок солнечных концентраторов порядка 2000$ млн. Для трекеров эта цифра составляет 6000$ млн. ежегодно.
Крупнейшая солнечная электростанция в мире, Solar Star, Калифорния, США (579МВт) также снабжена одноосевыми солнечными трекерами для всех своих панелей. Электростанция использует 1,7 млн. солнечных модулей и размещается на площади в 13 кв.км.

Российский рынок
На данный момент правительство РФ планирует ввести за срок с 2015 до 2024 года 1,6 ГВт солнечных мощностей. К настоящему времени доля солнечной энергетики в стране составляет около 0,3% от общего объёма генерации. В 2015 установленная мощность по данным ЕЭС России составила 232 ГВт. То есть к 2024 году доля солнечной энергетики в общем энергобалансе возрастёт до 1%. В среднем планируется вводить около 175 МВт ежегодно.
У России также имеются такие крупные солнечные электростанции как «Охотниково» (80 МВт) и «Перово» (100МВт), которые расположены в Крыму и являются очень крупными электростанциями даже по общемировым меркам.
Важно, что наша продукция может использоваться не только при вводе новых электростанций, но и для модернизации уже введённых мощностей, что расширяет рынок потребителей. Концентрирующие и ориентирующие системы имеют в России на данный момент малое распространение, т.к. представлены в основном зарубежными предложениями, что негативно сказывается на цене и не всегда оправдывает повышение эффективности. В связи с этим имеются в основном на электростанциях малой мощности (до 1 МВт). Наиболее распространены концентрирующие системы параболических зеркал и солнечные трекеры, питающиеся от переменного тока.
Основные представители такой продукции – группа компаний «EDS group» (Москва, Омск), ЮСТ (Пенза), «Corporation XXII» (Санкт-Петербург).
Работа по теме проекта ведётся мной уже 4 года, с 2013г. За это время мной написано 35 публикаций, в том числе 2 статьи, индексируемые Scopus и 2 статьи из списка ВАК.
При оформлении патента на изобретение «Солнечная установка» (патент РФ №2570483) в качестве аналога брался патент на солнечный трекер нобелевского лауреата Жореса Алфёрова. Солнечный трекер исследовался мной в 2014 году во время стажировки в Адлерсхорф, Германия. В результате разработанный нами трекер превзошёл аналог сразу по нескольким параметрам.
Описание результатов проекта
Основные результаты работы:
• Проанализированы способы повышения экономической рентабельности солнечных батарей. Получено, что применение солнечных панелей на гетеропереходках или из различных материалов с КПД свыше 20% значительно повышает цену солнечных установок, что приводит к их нерентабельности. Предложен разработанный акриловый концентратор, выгодно отличающийся от своих аналогов, который позволяет значительно снизить себестоимость солнечной станции. Рассчитана его эффективность от угла падения на него лучей.
• Обоснован выбор одноосного солнечного трекера с активным типом слежения для эффективной работы концентратора и увеличения вырабатываемой в течение дня энергии солнечной установкой – одноосный трекер позволяет повышать генерацию на 30%, тогда как двухосевая добавляет лишь дополнительно 10%, при этом значительно усложняя конструкцию и увеличивая стоимость. Представлен разработанный опытный образец такой системы, имеющий сразу несколько конкурентных преимуществ.
• Созданы рабочие образцы солнечных панелей мощностью 5, 10, а также 100 Вт. Произведены собственные расчёты и выведены зависимости величин, влияющих на итоговую мощность солнечной батареи, от угла падения лучей на солнечную панель, что позволяет наглядно продемонстрировать положительный результат при ориентации панелей с помощью трекера.
• Собран полноразмерный образец солнечного трекера, подтвердивший свою работоспособность.
• Произведены расчёты, показывающие энергетическую эффективность и экономическую обоснованность при использовании систем на основе одноосного солнечного трекера и акрилового концентратора – получен прирост в 32% к генерации в августе, а также снижена себестоимость более чем в 2 раза.

Концентратор – устройство, которое концентрирует солнечную энергию на маленькой площади, позволяя уменьшить размер необходимых солнечных элементов для выработки электроэнергии.
Разработанный акриловый концентратор представляет собой лист акрила толщиной около 1 сантиметра со специальной внутренней структурой, позволяющей собирать солнечную энергию со всей приёмной поверхности и направлять её в торцы, на которых расположены солнечные элементы.
Концентратор даёт 7ми кратную концентрацию с КПД 75%. В результате можно использовать в 5 раз меньше солнечных элементов для работы. Для работы, как и любой концентратор, требует ориентации за солнцем. Но не с высокой точностью порядка 0,1 градус, как обычные концентраторы, а лишь по одной горизонтальной оси с точностью в 5-7 градусов.
На данный момент в основном применяются параболические зеркала и линзы Френеля.
Основные преимущества предлагаемого концентратора в сравнении с аналогами:
• Низкая себестоимость, так как основной составляющий материал – акрил
• Конденсат не скапливается в концентраторе, вследствие чего не искажается ход лучей, увеличивая эффективность работы. Достигается за счёт того, что поверхность концентратора плоская
• Не требует дорогих активных систем охлаждения, позволяя обходиться пассивными радиаторами в связи с тем, что концентрация не превышает 7 «солнц»
• Концентратор имеет малые вес и габариты, сравнимые с обычными солнечными панелями, что крайне важно при установке и эксплуатации системы в целом
• Требует ориентацию лишь по одной оси с невысокой точностью (1-2 градуса), что позволит значительно снизить стоимость системы
Любой концентратор требует ориентации на солнце, поэтому может использоваться только совместно с солнечными трекерами.

Трекер - устройство, поворачивающее концентратор или солнечную панель периодически на солнце с помощью специальных датчиков. В отличие от аналогов наш трекер работает с помощью платы без использования микроконтроллеров. Это позволяет снизить стоимость электронно-логической части трекера и использовать коллекторные двигатели постоянного тока, что выгодней аналогов на переменном токе или шаговых двигателей (стоимость привода получается в 2-4 раза дешевле).
Предлагаемый нами трекер основан на патенте «Солнечная установка». Трекер выгодно отличается от аналогов по:
• углу поворота – наш трекер способен поворачиваться прямо на солнце даже в самые ранние и вечерние часы, тогда как некоторые аналоги имеют диапазон поворота лишь 150 градусов;
• цене – трекер имеет низкую себестоимость, обеспечивающую его конкурентоспособность и экономическую эффективность
• увеличению мощности в сравнении со статичной панелью – в июле выработка повышается до 32% для одноосевой ориентации
• возможностью регулировки режимов – трекер можно настраивать как по чувствительности, так и по ориентации на конкретное направление
• температуре эксплуатации – трекер пригоден для работы даже в условиях севера страны (до -40 градусов по Цельсию), что особенно актуально, к примеру, для Камчатки.
Одним из основных конкурентов является компания ЮСТ, которая по рабочим характеристикам, представленным выше, почти не уступает нашей разработке. Тем не менее, она так же имеет ряд недостатков. Во-первых, ориентация системы происходит по алгоритму солнечной позиции. Т.е. не учитывается преломление лучей в атмосфере, отражение лучей от снега зимой и рассеянное излучение, когда направление пика солнечной активности может отличаться от географического положения солнца. Соответственно, это снижает эффективность трекера по сравнению с нашим типом слежения, поворачивающим солнечную панель на наибольший источник света в данный момент времени. Во-вторых, в качестве привода используются трёхфазные двигатели, требующие на каждую фазу по инвертору для работы. Так как инверторы стоят весомых денег, то такие системы значительно выше в цене в отличие от нашего трекера, работающего напрямую от аккумулятора.
На данный момент разработанные установки размещены на Алтае и в Томске, обеспечивая бесперебойной электроэнергией потребителей.
Описание применимости
Наша продукция совместима с любым типом солнечных модулей, а значит, востребована на всём рынке солнечной энергетики.
Даже при наиболее эффективной стационарной установке солнечной батареи, использование систем ориентирования на солнце (солнечных трекеров) позволяет достигнуть выигрыша в вырабатываемой мощности более чем в 30%, с учётом расхода энергии на работу электродвигателя. Использование же концентратора с трекером позволит в 2-5 раз снизить стоимость солнечных установок. Использование таких систем актуально на солнечных станциях, так как они будут не только дешевле используемых сейчас, но и позволят отказаться от излишнего сервисного обслуживания (больше нет проблем с конденсатом в параболических зеркалах). К тому же такие системы по своим размерам и пропорциям будут приближены к стандартным солнечным панелям, что даёт им широкий спрос и для частного пользования в небольших масштабах на крышах и участках, позволяя минимизировать основные проблемы солнечных установок. Благодаря этому, солнечные станции станут гораздо более привлекательной перспективой взамен дизельным установкам в районах без централизованного электроснабжения.
Дальнейшее развитие проекта
В феврале 2017 года нами создана компания по коммерциализации полученных разработок - ООО «Solar Technic». Ведётся организация промышленного производства установок, заключены контракты на дистрибьюцию солнечных панелей из г.Зеленоград. Дорабатывается сайт компании solar-technic.ru. Команда компании разнообразна. Петрусёв А.С. - В команде выполняет роль инженера-конструктора, отвечает за сборку и настройку механизмов, отладку электроники, расчёт оптики, тестирование устройств. Ляпунов Д. Ю. - В команде отвечает за электропривод установок и их отладку, за анализ англоязычных новостей по тематике разработок. Сарсикеев Е. Ж. - В команде ответственен за патентный поиск и составление заявок на объекты интеллектуальной собственности. За исследование эффективности установок в реальных условиях. Чижов А. В. - В команде отвечает за производство печатных плат и их тестирование. Разводку вновь вводимых схем и проведение электромонтажных работ при размещении установок на объекте. Алексеева Ю. С. - В команде отвечает за составление бухгалтерской документации и отчётности, анализ рынка Прокуронова В. С. – В команде овечает за маркетинг и продвижение продукции Сенченко М. В. – В команде отвечает за продажи продукции и общение с клиентами

Информация предоставлена участником конкурса. Организаторы конкурса не несут ответственности за содержание информации о проекте.

← К списку проектов




Список всех проектов финального этапа с датами защиты

 

© Всероссийский конкурс научно-технического творчества молодежи НТТМ