Применение низкотемпературного охлаждения в гелиоэнергетических установках



Республика Казахстан принимает активные меры по формированию устойчивой модели развития экономики. Указом Главы Государства Н. А. Назарбаевым утверждена Концепция по переходу Республики Казахстан к «зеленой экономике». Создание устойчивой модели развития экономики Казахстана невозможно без решения вопросов повышения энергоэффективности и энергосбережения.

В рамках законодательной поддержки мероприятий по энергосбережению и повышению энергоэффективности в 2012 году были приняты законы «Об энергосбережении и повышении энергоэффективности» и «О внесении изменений и дополнений в некоторые законодательные акты Республики Казахстан по вопросам энергосбережения и повышения энергоэффективности» и подзаконные документы к ним. В августе 2013 года правительством Казахстана утверждена Республиканская программа «Энергосбережение-2020».

В Послании народу Казахстана от 14 декабря 2012 года «Стратегия «Казахстан-2050»: новый политический курс состоявшегося государства» Президент страны обозначил переход на новый курс устойчиво-сбалансированного развития, поставив среди прочих задач достижение 50 % доли альтернативной и возобновляемой энергетики в общей корзине энергобаланса страны к 2050 году [1].

Однако, несмотря на реализацию комплекса законодательных инициатив и мероприятий, общая политика Республики Казахстан в области энергоэффективности нуждается в дальнейшем совершенствовании, в том числе с учетом лучшего международного опыта.

Обобщая выводы экспертов Энергетической Хартии и Ассоциации KAZENERGY, следует сказать, что на их основе рекомендуется целый ряд мероприятий в секторах производства, передачи и распределения электроэнергии в целях минимизации потерь. Одна из рекомендаций экспертов для промышленного сектора экономики Казахстана: пересмотреть существующие стандарты в отношении промышленного оборудования в целях продвижения применения наилучших технологических решений в области энергоэффективности, в том числе при модернизации и строительстве новых промышленных объектов [1].

Казахстан является крупнейшей центрально-азиатской республикой, имеющей по экспертным оценкам, большой потенциал возобновляемых энергетических ресурсов.

На второй международной бизнес-конференции Азиатского общества, проходившей в 2008 году, Министерство энергетики и минеральных ресурсов РК оценило потенциал Казахстана более чем в 2,7 трлн. кВт. Потенциально возможная выработка солнечной энергии оценивается в 2,5 млрд. кВт/ч в год.

Несмотря на то, что Казахстан расположен в северных широтах, потенциал солнечной радиации на территории республики достаточно значителен (составляя 1,3–1,8 тыс. кВт/ч на 1 кв. м в год, количество солнечных часов в году — 2,2–3 тыс.). При этом солнечная энергия может использоваться не только для выработки электроэнергии, но и тепла, что обуславливает возможность точечного внедрения солнечных установок, в том числе и районах, отдаленных от центрального электро- и теплоснабжения [2].

Считается, что главным направлением научного поиска в энергетике должна стать солнечная энергетика. Так, например, в США финансирование фундаментальных исследований в области солнечной энергетики составляют до 50 млн. долл. в год [3].

Панели фотоэлектрических элементов превращают сегодня солнечный свет в 3 ГВт электричества. Наше Солнце каждый час испускает энергию в 3,8×10²³ кВт·часов. Из этого на поверхность Земли ежемоментно попадает 170000 ТВт, около трети из них отражается обратно в космос. За час поверхность Земли получает от Солнца больше энергии, чем человечество использует за год. Т.о., необходимо практически осуществить аккумулирование получаемой солнечной энергии наиболее эффективным способом.

Согласно Концепции по переходу Республики Казахстан к «зеленой экономике», в Казахстане были инициированы проекты по строительству заводов, на которых будет выпускаться как кремниевое сырье, так и готовые фотоэлектрические преобразователи (солнечные батареи).

Наиболее крупный проект реализует ТОО SiliciumKazakhstan, входящее в группу компаний «Баско». В Индустриальном парке г. Темиртау в Карагандинской области стоит завод мощностью 25 тысяч тонн высокочистого кремния, 10,5 тысяч тонн микрокремнезема и 875 тонн кремниевого шлака. В будущем планируется создать вторую очередь предприятия и довести производство до 50 тысяч тонн высокочистого кремния. Добыча кварца в объеме 130 тысяч тонн в год осуществляется на месторождениях Актас и Ашколы-III в Улытауском районе Карагандинской области, а в поселке Жезды размещена фабрика по обогащению кварца.

Партнерами компании является германский концерн ThyssenKrupp, российская группа компаний «Титан», а также DeutscheBank. В строительство завода было вложено 94 млн. евро. ТОО SiliciumKazakhstan уже обеспечило завод электроэнергией, подписав с AES соглашение о поставке с Экибастузских ГРЭС электроэнергии в объеме 4 тысяч МВт в год [4].

Компания KunRenewables, LancasterGroupKazakhstan планирует построить в г. Астане в Индустриальном парке завод по производству поликристаллического кремния (первый этап), моно- и мультикристаллических пластин (второй этап). В производство планируется инвестировать 390 млн. долларов. Компания уже заключила соглашение с AES на поставку электроэнергии с Усть-Каменогорской и Шульбинской ГЭС, с 2009 по 2021 годы в объеме 50 МВт [5].

В октябре 2007 года был начат проект строительства завода элементов солнечных батарей в Актау. Владелец завода — ТОО «SilicaSolar-Aktau», разместил предприятие на территории СЭЗ «Морпорт Актау». Инвестиции в производство составили 105 млн. евро. Проект предполагается реализовать в три этапа. На первом этапе налажено производство кристаллических стержней и пластин (солнечных батарей) годовой суммарной мощностью 110 МВт. На втором этапе производятся электронные платы (ячейки) суммарной мощностью 77 МВт. На третьем этапе — выпуск электронных дисплеев суммарной мощностью 20 МВт. Технология предоставляется немецкой фирмой «SchmidGroup» [4].

В конце декабря 2011 года недалеко от г. Астаны было начато возведение завода по изготовлению солнечных батарей на основе кремния из Казахстана. Строительство завода — часть масштабного проекта, реализуемого АО «НАК «Казатомпром» по совместительству с консорциумом из Франции во главе с Комиссариатом по альтернативным энергетическим источникам страны. Цель проекта заключается в развитии на территории Казахстана новейших технологий солнечной энергетики и создании промышленной интегрированной линии по производству возобновляемых энергетических источников. Запланировано, что каждый год заводом будут выпущены батареи мощностью 50 МВт с расширением в будущем до 100 МВт. Предприятие включит несколько подразделений, одно из которых будет расположено в г. Астане, другое — в г. Усть-Каменогорске [5].

В конце 2013 г. была открыта Капшагайская солнечная электростанция (СЭС), которую построили специалисты компании «Самрук-Энерго». Ее суммарная мощность составляет 2 мегаватта. При строительстве СЭС был применен комбинированный тип солнечных панелей, 30 процентов из которых являются следящими, а остальные 70 процентов фиксированными. По словам представителей «Самрук-Энерго», важным с точки зрения работы объекта стало применения наиболее эффективных на сегодняшний день в мире монокристаллических панелей, которые при одинаковой площади способны обеспечить более высокое поглощение солнечной энергии, и, соответственно, более высокую производительность по сравнению с другими типами фотоэлектрических панелей.

В 2012 г. консорциум «Солнечная крыша» в Казахстане, состоящий из фирм PRETHERM solutions GmbH, BAE Batterien GmbH, DPU Investment GmbH и PRETHERM GmbH создали «солнечную крышу» в Байконуре, и в Евразийском национальном университете им. Л. Н. Гумилева в Астане. Обе установки мощностью 10 кВт каждая сооружены на основе Программы DENA «Солнечные крыши», провозглашенной «Немецким энергетическим агентством» (DENA) и финансируемой Федеральным министерством экономики и технологий в рамках экспортной инициативы «Возобновляемые источники энергии». Они будут эксплуатироваться в течение 10 лет.

В 2010 году был дан старт проекту KazPV, главная цель которого создать полное вертикально-интегрированное производство фотоэлектрических модулей на основе казахстанского кремния. KazSilicon добывает кремний в городе Уштобе (Алматинская область). Kazakhstan Solar Silicon в Усть-Каменогорске осуществляет переработку сырья и производит кремниевые ячейки. На предприятии Astana Solar в Астане осуществляется последняя степень передела — сборка фотоэлектрических модулей.

В конце 2012 года в Жамбылской области Кордайском районе была введена в эксплуатацию первая очередь солнечной электростанции «Отар», мощность — 504 кВт, проектная мощность 7 МВт.

В 2013 году в ходе общенационального телемоста «Сильный Казахстан — построим вместе!" был дан старт работе Капшагайской СЭС (г. Капшагай Алматинской области) мощностью 2 МВт, где применена технология слежения за солнцем. Проект реализован дочерней компанией АО «Самрук-Энерго» ТОО «Samruk-Green Energy».

Согласно Государственной программе «Энергосбережение — 2020» [6], в Казахстане необходимо осуществить повышение технического уровня, расширить освоение и внедрение новых энергоэффективных инновационных технологий, основанных на использовании высокоэффективных надёжных системообразующих и распределительных электрических сетей большой пропускной способности.

Это возможно осуществить при использовании элементных составляющих, построенных на базе высокотемпературной сверхпроводимости. Во многих странах мира созданы и используются высокотемпературные сверхпроводящие (ВТСП) кабели, трансформаторы, электрические машины, ограничители тока, сверхпроводящие индуктивные накопители энергии и т. д.

В университете по электронным технологиям (Китай) разработан проект компактной солнечной энергоустановки, совмещающей в себе криогенные и высокотемпературные сверхпроводящие технологии. Основным принципом работы установки является преобразование солнечной энергии в электрическую посредством ВТСП линейного генератора, приводимого в движение двигателем Стирлинга, работающим от солнечного концентратора. Предполагается, что создаваемая энергоустановка будет полностью автономна, включая систему криогенного обеспечения, способную работать ночью и в пасмурные дни [7].

Рис. 1. Общий вид солнечной энергоустановки: 1 — двигатель Стирлинга № 1; 2 — двигатель Стирлинга № 2; 3 — криокулер Стирлинга; 4 — тепловые мосты от криокулера; 5 — линейный ВТСП генератор; 6 — накопители тепла; 7 — опора; 8 — параболическое зеркало; 9 — опора с каналом для рабочей жидкости; 10 — керамический распределительный клапан; 11 — к внешнему накопителю тепла

Рис. 2. Структурная схема солнечной энергоустановки

Рассмотрим предлагаемую конструкцию подробнее. Для сбора солнечной энергии используется жидкостной коллектор и параболическое зеркало, диаметром несколько метров. Рабочая жидкость от коллектора по трубке подается на керамический раздаточный клапан, из которого распределяется на два двигателя Стирлинга. Через тот же клапан к системе подключается тепловой накопитель, исполняющий роль резервного источника питания на случай недостатка солнечного света. Один из двигателей Стирлинга приводит в движение сверхпроводниковый линейный генератор, от другого работает охлаждающий ВТСП обмотки криокулер.

Рис. 3. Функциональная схема солнечной энергоустановки

Конструкция сверхпроводникового линейного генератора весьма необычна, он состоит из неподвижного якоря и статора в виде расположенных на жесткой раме медных обмоток. Статор механически соединен с поршнем двигателя Стирлинга и совершает периодическое возвратно-поступательное движение. Якорь представляет собой вакуумированный (давление не более 10–⁵ Па) криостат с ВТСП обмотками постоянного тока внутри. По утверждению авторов проекта, охлаждение автономной энергетической установки при помощи сжиженных газов (неона или азота) неэффективно как с экономической, так и с чисто технической точки зрения. В связи с этим, для поддержания рабочей температуры ВТСП обмоток предполагается использовать двухступенчатый криокулер, на цикле Стирлинга, который, в свою очередь, приводится в движение от вспомогательного двигателя Стирлинга, работающего на солнечной энергии. Первая ступень криокулера задействована в охлаждении теплового экрана криостата. Вторая ступень через систему тепловых мостов обеспечивает поддержание рабочей температуры ВТСП обмоток. Последние изготовлены в виде большого числа отдельных плоских катушек, что упрощает задачу охлаждения. Каждая ВТСП катушка снабжена отдельным медным кожухом, связанным с общим тепловым мостом. Подвесы магнитной системы, тепловых мостов и экрана для уменьшения теплопритоков изготовлены из тефлона.

Авторами проекта произведен тепловой расчет системы с оценкой теплопритоков в криостат по подвесам, токовводам, теплопритоку по излучению и т. д. Согласно расчетам, теплопритоки и тепловыделения составляют 23,3 Вт для первой ступени криокулера и 203,1 мВт для второй ступени. С учетом того, что солнечный коллектор работает с эффективностью порядка 90 %, а коэффициент полезного действия двигателя Стирлинга достигает значений в 30 %, при диаметре зеркала солнечного коллектора в 3 м и плотности солнечной энергии в 0,7 кВт/м², выходная механическая мощность для обоих двигателей Стирлинга будет составлять около 5 кВт. При хладопроизводительности криокулера на уровне в 80 Вт при 77 К и 1 Вт при 20 К, суммарные затраты на охлаждение ВТСП обмоток не будут превышать 2 кВт.

Здесь необходимо подробнее рассмотреть вопрос баланса распределения энергии. В традиционных солнечных генераторах на цикле Стирлинга тепловая энергия переводится в механическую, а затем — в электрическую. В предложенной конструкции схема перевода энергии из одного вида в другой заметно усложняется, ввиду наличия системы охлаждения. Поскольку тепловая энергия от солнечного коллектора делится на два двигателя Стирлинга, необходимо установить баланс распределения, обеспечивающий максимальную эффективность работы системы в целом. Так подача большей мощности на двигатель системы охлаждения позволит увеличить рабочий ток магнитов (ввиду более эффективного теплоотвода), а значит и напряженность магнитного поля, что, по идее, должно увеличить итоговую мощность генератора. Подобный подход естественным образом снизит количество энергии, подаваемой на двигатель собственно генератора, что снизит рабочую частоту и приведет к падению итоговой мощности, нивелируя тем самым эффект от большего рабочего тока магнитов. Авторами разработки были произведены расчеты, определяющие наиболее эффективную схему распределения энергии по узлам электростанции. Согласно полученным ими результатам, большую часть тепловой энергии (более 90 %) следует направлять на двигатель генератора. При этом установлено, что даже при поддержании мощности, подводимой к системе охлаждения, на постоянном минимально допустимом уровне, выходная мощность станции в целом будет возрастать с увеличением собранной солнечной энергии. В частности, по расчетам, при выходе солнечного коллектора в 10 кВт, итоговая мощность составит около 4,5 кВт. При возрастании мощности коллектора до 30 кВт, выходная мощность достигнет значения в 15 кВт. Аналогичный расчет был проведен для энергоустановки с традиционными постоянными магнитами. Для нее, как показали результаты, при отводимой от солнечного коллектора мощности в 30 кВт, вырабатываемая мощность не превысит 9–10 кВт.

Представленный вариант использования низкотемпературного охлаждения является одним из первых случаев применения его в солнечных энергетических установках. Однако, обладая достаточно серьезными техническими преимуществами, подобные устройства, безусловно, будут все больше иметь применение гелиоэнергетике.

Литература:

1. Обзор государственной политики Республики Казахстан в области энергосбережения и повышения энергоэффективности. Секретариат Энергетической Хартии, Брюссель, 2014. — 225 с.
2. Анализ развития и распространения передовых технологий в области энергоэффективности и возобновляемой энергетики в Казахстане. Проект Европейской Экономической Комиссии ООН. Алматы, 2012. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.unece.org/fileadmin/DAM/energy/se/pdfs/gee21/projects/Study_KZ.pdf. — Загл. с экрана.
3. Science 2005, 309, 548.
4. Перспективы развития солнечной энергетики в Казахстане. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.solarsystem.kz/ru/info.php. — Загл. с экрана.
5. Интервью генерального директора ТОО «AstanaSolar» В. Советского «Развитие солнечной энергетики в Казахстане: реальность и перспективы». [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.astanasolar.kz/ru/news/rasvitie-solnechnoy-energetiki-v-kazahstane. — Загл. с экрана.
6. Программа «Энергосбережение — 2020». [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://adilet.zan.kz/rus/docs/P1300000904. — Загл. с экрана.
7. Z. H. Wu, J. X. Jin, IEEE Transactions Applied Superconductivity, 24, 520300 (2014).