Разработка и внедрение первой в районе Сочи солнечно-топливной котельной

Разработка и внедрение первой в районе Сочи солнечно-топливной котельной.

B децентрализованных системах теплоснабжения НВИЭ уже сейчас при наличии благоприятных условий к ним можно отнести и повышенные экологические требования для рекреационных регионов могут составить реальную конкуренцию традиционным котельным на органическом топливе, причем самым выгодным представляется применение комбинированных установок.

K числу наиболее экономически и экологически эффективных устройств НВИЭ относятся прежде всего солнечно-коллекторные и теплонаносные установки 8-10 . При этом среди энергоустановок, в которых выгодно использование энергии солнца, следует выделить комплексы, создаваемые на базе отопительных котельных, работающих на органическом топливе.

B этом случае гелиоустановка представляет собой пристройку к котельной, обеспечивающую покрытие большей части нагрузки горячего водоснабжения в теплое время года. Как известно, первая на территории бывшего CCCP солнечно-топливная котельная, разработанная ЭНИН им. Кржижановского, была построена для гостиницы Спортивная в Симферополе.

Она была оборудована отопительными котлами на природном газе и солнечными коллекторами площадью 204 м2. Эта гелиоустановка обеспечила экономию 20 годового расхода природного газа и покрытие до 80 нагрузки горячего водоснабжения 10 . Гелиосистема была выполнена в виде солнечной приставки к имевшейся котельной. B Краснодарском крае в доперестроечный период под руководством B. A. Бутузова 9 было построено пять подобных установок.

Анализ работы солнечно-топливных котельных на современном этапе показывает их достаточно высокую эффективность как в части экономии топлива и обеспечения экологической безопасности, так и по капитальным затратам. B таких системах достигаются наибольшие к. п. д. солнечных коллекторов, большая продолжительность сезона работы и повышенная эксплуатационная надежность.

Одним из наиболее существенных достоинств этих установок является частичное использование существующего оборудования, а также возможность их обслуживания штатным персоналом котельной. Для комбинированного подогрева подпиточной воды солнечно-котельные установки в южных регионах могут работать в круглогодичном режиме. B Краснодарском крае, обладающем большим потенциалом солнечной энергии, эксплуатируются 36 гелиоустановок общей площадью 2700 м2 11 . B сочинском санатории Лазаревское функционирует крупнейшая на побережье гелиосистема площадью 400 м2. Котельная в пос. Солоники Лазаревского района Сочи мощностью 1 МВт предназначена для отопления и горячего водоснабжения четырех жилых трехэтажных домов.

B котельной установлено четыре котла типа Универсал-5М , работающих на каменном угле, тепловой мощностью 0,259 МВт с площадью поверхности нагрева 33.1 M каждый без систем газоочистки и утилизации теплоты уходящих газов. Имеется также бак-аккумулятор вместимостью 25 м3. B конце 1995 г. администрацией района было принято решение о реконструкции котельной с преобразованием ее в солнечно-топливную.

Это мотивировалось высокой стоимостью и трудностью доставки органического топлива, а также необходимостью улучшения экологической обстановки в речной долине поселка на фоне благоприятных для работы солнечно-коллекторных установок климатических условий. Первая очередь гелиосистемы котельной площадью 250 м2 предусматривает покрытие около 35 расчетной годовой нагрузки горячего водоснабжения поселка.

Котельная имеет два независимых контура циркуляции - отопления и горячего водоснабжения по закрытой схеме. Принципиальная схема солнечно-топливной котельной предусматривает сооружение дополнительного контура циркуляции, включающего в себя блоки солнечных коллекторов, циркуляционные насосы и баки-аккумуляторы с дополнительным баком вместимостью 20 м3. Установка может работать в сезонном и круглогодичном режимах эксплуатации.

Температура нагретой воды 55 0C, время аккумулирования энергии в баке-аккумуляторе краткосрочное l-2cут. Дублирующим источником энергии служат существующие водогрейные котлы. Гелиоустановка представляет собой систему солнечных коллекторов, состоящую из пяти модулей, которые в свою очередь разделены на блоки по 10 коллекторов в каждом. Система обвязки трубопроводов - попутная, каждый блок может быть отключен индивидуально. Солнечные коллекторы располагаются па плоской крыше котельной и специальной эстакаде.

При проектировании учитывалась возможность ча-грязнения коллекторов уносом из дымовой трубы, для предотвращения последствий которого выполнена система водяного смыва с поверхности коллекторов. Проектом предусмотрено использование солнечных коллекторов Радуга производства НПП Конкурент г. Жуковский Московской обл Поглощающая панель коллектора штампосвар-ная из листовой нержавеющей стали, покрытие панели селективное, выполненное напылением в вакуумной камере. Корпус изготовлен из специального анодированного алюминиевого профиля, тепловая изоляция комбинированная из базальтового волокна в алюминиевой фольге и пенополиуретана. Прогнозируемый срок службы коллектора - 15 - 20 лет. Значения к. п. д. установки зависят от годового изменения климатических условий и температуры подаваемого теплоносителя, поэтому моделирование изменения K.II.Д. в годовом и суточном циклах - достаточно сложная задача.

B данном случае были рассчитаны месячные суммы солнечной радиации на наклонную поверхность коллекторов, при этом усредненные значения к. п. д. принимались равными 0,35 - 0,6 в зависимости от режима работы гелиоустановки и расчетного месяца.

Расчетное годовое удельное количество суммарной солнечной радиации на наклонную поверхность гелиоустановки составляет 1860кВт ч м2, а за сезон с апреля по октябрь - 1350кВт ч м2. Расчетное количество тепла, вырабатываемое гелиосистемой при сезонной работе, равно 175МВт ч, при круглогодичной работе - 227,3 МВт ч. Как показали технико-экономические расчеты, срок окупаемости гелиосистемы котельной в пос. Солоники с учетом инфляции составляет 3 - 6 лет в зависимости от режима работы установки, что является очень хорошим показателем для энергетического оборудования.

При этом уменьшается количество вредных выбросов в окружающую среду золы - на 3,4 окислов серы, азота и углерода - на 10 углекислоты - на 156т в год. B настоящее время должны быть возобновлены прекращенные из-за недостатка финансирования из местного бюджета работы по монтажу первой очереди солнечно-топливной котельной.

Сооружение второй очереди намечено после запуска, испытаний и проверки принятых конструктивных решений гелиосистемы первой очереди. Можно констатировать, что внедрение комбинированных солнечно-топливных котельных один из наиболее перспективных путей повышения эффективности и экологической безопасности существующих коммунальных котельных. Ha территории России эксплуатируется более 75 тыс. отопительных котельных жилищно-коммунального хозяйства ЖКХ с суммарной тепловой мощностью 690,5 тыс. Гкал ч. Потребление топлива в пересчете на 1 т условного топлива составляет 217,4 млн. т, из них только 41 - природный газ, около 47 твердое топливо, 12 жидкое и прочие виды топлива торф, дрова 8 . B 1997 r. валовые выбросы вредных веществ в атмосферу предприятиями ЖКХ в целом по России составили 677,68 тыс.т, что на 3,1 больше, чем в предыдущем году 12 . При этом существенно возросли выбросы жидких и газообразных веществ, в том числе оксида углерода на 7,2 , оксидов азота на 3,8 , сернистого ангидрида на 2,1 . Это прежде всего связано с продолжением эксплуатации маломощных котельных, не имеющих установок для очистки дымовых газов.

B Краснодарском крае в 1999 г. валовой выброс загрязняющих веществ в атмосферу предприятиями энергетики составил 15,71тыс.т, или 15,3 общего выброса предприятиями края, что также осложняет экологическую ситуацию в курортном регионе.

Ha предприятиях теплоэнергетики не сооружают установки очистки отходящих дымовых газов, на котлоагрегатах отсутствуют контрольно-измерительные приборы для поддержания оптимального режима горения, эксплуатируется устаревшее котельное оборудование.

Поэтому работы по проектированию и внедрению комбинированных солнечно-топливных котельных, использующих наиболее экологически безопасное топливо и оборудованных системами очистки дымовых газов, что способствует улучшению экологической обстановки в регионе, должны получить широкую поддержку со стороны властных структур и муниципальных предприятий, обеспечивающих централизованное теплоснабжение потребителей.

Это особенно важно для региона Сочи, характеризующегося высокими требованиями к экологической безопасности рекреационной зоны, на фоне благоприятных для внедрения энергоустановок на базе НВИЭ природно-климатических условий. B этом плане опыт, полученный при разработке солнечно-топливной котельной в пос. Солоники Лазаревского района Сочи, представляется весьма полезным и должен учитываться при формировании региональных программ энергоснабжения и устойчивого развития территории. 6. Перспективы развития фотоэлектрических технологий.

Устойчивое развитие человечества в значительной степени зависит от наличия энергии и ее качества. Возобновляемые источники энергии ВИЗ могут помочь решению этих важных энергетических проблем, поскольку они доказали свою надежность и экологичность. Отсюда тот повышенный интерес, который проявляют крупные нефтяные компании мира к инвестированию в ВИЭ. За год в мире потребляется столько нефти, сколько ее образовалось в природных условиях за 2 млн лет. Предполагается, что пик использования нефтяных ресурсов наступит около 2030 г. 5 . Солнечные технологии, включая фотоэлектричество, могут стать конкурентоспособными уже в следующем десятилетии при соответствующей общественной и финансовой поддержке.

Переход к крупномасштабному использованию ВИЭ произойдет в 21 веке. Это связано и с возрастающей потребностью развивающихся стран в электроэнергии нехватка электроэнергии уже сейчас существует в ряде стран, включая Китай и Индию, а рост населения усугубляет эту проблему. Через 30-40 лет дополнительно потребуется 5000 ГВт установленной мощности, что примерно в 2 раза больше современного уровня.

За последние 10-20 лет в США в области фотоэлектрического способа получения энергии достигнут значительный прогресс, и стоимость производимой энергии снизилась на порядок рис. 14 . Это результат усовершенствования многих компонентов, однако существует еще много возможностей для дальнейшего совершенствования и улучшения стоимостных и режимных характеристик фотоэлектрических систем.

Прогрессу в использовании ВИЭ в США способствовали политика в области охраны окружающей среды, развитие самих технологий и промышленности. Были оформлены дотации и субсидии, приняты другие стимулирующие меры, которые способствовали росту использования ВИЭ. За период 1975-1990 гг. в солнечные энергетические технологии вложено более 38 млрд долл. государственных субсидий.

B федеральной программе Стратегия устойчивой энергетики США , утвержденной в 1995 г. в качестве приоритетного направления, предусмотрено оказание правительством содействия развитию и освоению ВИЭ с целью уменьшения объемов сжигания топлива, защиты окружающей среды и глобальной энергетической безопасности страны на перспективу, а также распространения американских солнечных энергетических технологий в другие страны для расширения рынка сбыта.

США активно вовлечены во многие международные программы, которые способствуют использованию ВИЭ. Сравнительно недавно предприняты инициативы по поддержке использования ВИЭ в Мексике, ЮАР и Индии и осуществлению проектов по энергоснабжению деревень от фотоэлектрических установок. Их предполагается использовать в сочетании с ветроэлектрическими для водоподъема, освещения, обеспечения работы радио и телевизоров. До сих пор около 2 млрд человек в мире живет в удаленных от линий электропередачи районах и не пользуется электроэнергией даже для освещения.

Затраты на полную электрификацию таких районов путем подсоединения к действующим энергосистемам могут превысить 1 трлн долл Дизельные электростанции небольшой мощности работают крайне неудовлетворительно при низких нагрузках, они очень чувствительны к качеству обслуживания, что создает множество проблем, одной из которых является доставка топлива. Первоначальные затраты на установку ВИЭ намного меньше, чем подсоединение деревень к существующим сетям, а соответствующие эксплуатационные затраты с учетом всего срока службы у них оказываются ниже, чем удизельных электростанций.

Кроме того, экономические, социальные, экологические и политические тенденции повсюду способствуют переходу к децентрализованной системе энергоснабжения. Действующая в США с 1997 г. программа Миллион солнечных крыш предусматривает до 2010 г. установку солнечных энергосистем фотоэлектрических и тепловых на крышах одного миллиона муниципальных и частных домов 6 . Из федерального бюджета запланировано выделение финансовой помощи около 6,3 млрд долл. Основные цели программы уменьшение загрязнения атмосферы, эквивалентное годовому выбросу от 850 тыс. автомобилей, создание дополнительных 70 тыс. рабочих мест, увеличение внутреннего рынка и объемов производства солнечных энергосистем при уменьшении их стоимости.

Планируется, что к 2005 г. мировой рынок фотоэлектрических систем превысит 1,5 млрд долл. B настоящее время в различных штатах США осуществлено строительство достаточно больших энергетических объектов с использованием ВИЭ. B пустыне Мохаве штат Калифорния успешно работает самая крупная солнечная электростанция мощностью 354 МВт, которая в летний период снимает пик электрической нагрузки, возникающей вследствие увеличения потребностей в охлаждении, вентиляции и кондиционировании.

B климатических условиях этого штата при стоимости обычной электроэнергии 0,14 долл кВтч что почти вдвое выше среднего значения по стране фотоэнергетика уже сейчас конкурентоспособна в сравнении с традиционными источниками энергии 6 . Ha всемирной конференции по фотоэлектричеству в Глазго май, 2000 г. американские специалисты доложили о новой долговременной цели - строительстве в штате Техас солнечной электростанции площадью 107 x 107 миль. По расчетам такая электростанция сможет полностью обеспечить потребности США в электричестве.

Bo многих странах мира намечены и выполняются правительственные программы стимулирования развития фотоэнергетики.

Особые усилия в этой области помимо США прилагают Япония и Германия. B соответствии с немецким проектом 1000 солнечных крыш в период с 1990 по 1994 rr. на жилых домах установлено 2500 систем мощностью по 2-4 кВт. B течение 1998 и 1999 гг. в Германии ежегодно вводили несколько тысяч фотоэлектрических систем с общей установленной мощностью 10 МВт в начале 2000 г. в дополнение к программе беспроцентного кредитования правительство объявило о введении в действие схемы покупки электроэнергии, произведенной фотоэлектростанциями у частных лиц, по цене 0,99 немецких марок кВтч 0,6 евро, что почти в 10 раз выше стоимости сетевой электроэнергии.

Эти субсидии сделали фотоэнергетику в Германии полностью экономически целесообразной даже при современном уровне цен. Поэтому интерес к фотоэнергетике у населения возрос настолько, что с января по март 2000 г. рост закупок фотоэлектрических систем превысил по мощности 30 МВт, а в апреле - 40 МВт. B 1995-1996 гг. в Японии приступили к реализации программы 70 тысяч фотоэлектрических крыш, но уже в 1998 г. она пересмотрена в пользу увеличения числа зданий до 1 млн. при общей установленной мощности фотоэлектрических систем до 5 ГВт. Основной проблемой современного этапа становления фотоэлектрической индустрии является достижение конкурентоспособности прямого преобразования солнечной энергии в электрическую с помощью солнечных элементов СЭ по сравнению с традиционными способами генерирования электроэнергии. Фотоэлектрическая установка состоит из СЭ, объединенных в солнечные модули CM , инвертора напряжения, системы контроля и накопителя энергии.

B качестве последнего используют аккумуляторные батареи или действующую электрическую сеть но возможно получение водорода, см. пункт 2 . Ha сегодня стоимость СЭ из кристаллического кремния составляет 2,5-3 долл Вт, стоимость CM 5-7 долл Вт, стоимость фотоэлектрических установок 9-15 долл Вт 7 но разрабатываются СЭ на другой основе, см. пункт 4 . C учетом этого стоимость электроэнергии составляет 0,2-0,5 долл кВтч, что сравнимо с действующими ценами на электроэнергию О,03-О,125долл. кВтч. Структура себестоимости производства CM на сегодня и в недалеком будущем представлена ниже табл. 1 . Ближайшей задачей является снижение стоимости CM до 2, а затем до 1 долл Вт, что приведет к снижению стоимости электроэнергии соответственно до 0,12 и 0,06 долл кВтч. При стоимости производства модулей 2 долл Вт для обеспечения электричеством 1 млрд человек мировая потребность составит 100 ГВт, если принять за допустимую норму 100 Вт установленной мощности CM на одного человека.

При сроке наполнения рынка в 20 лет ежегодный выпуск модулей должен составить 5 ГВт. Потенциальный объем мирового рынка CM в перспективе может достичь 50 ГВт, что обеспечит 10 общемирового уровня выработки электроэнергии с помощью фотоэлектричества.

B техническом отношении не существует каких-либо принципиальных ограничений, однако необходимо решить ряд научных, технологических и экономических проблем. Для достижения поставленной цели предполагается использовать новые технологии и экологически чистые процессы, новые конструкции технологического оборудования, благодаря которым будет обеспечено снижение расходов при производстве CM и повышение КПД серийных СЭ до -20 . B табл. 2 представлены данные влияния величины КПД и цены изготовления 1 м СЭ на стоимость 1 Вт установленной мощности СЭ. Структура себестоимости CM таблица 1 Этапы производства CM Себестоимость, долл Вт Сегодня Завтра В перспективе Изготовление пластин кремния 1,5-1,7 0,8-1,0 0,25-0,3 Изготовление СЭ 1,3-1,5 0,4-0,5 0,3 Изготовление CM 1,5-1,7 0,6-0,7 0,4-0,45 Всего 4,3-4,9 2,0 1,0 Стоимость установленной мощности СЭ, долл Вт таблица 2 кпд, Цена изготовления, долл Вт 300 250 200 150 10 3,0 2,5 2,0 1,5 12 2,5 2,08 1,67 1,25 15 2,0 1,67 1,33 1,0 18 1,67 1,39 1,11 0,83 Кремний называют нефтью 21-го столетия. Расчеты показывают, что СЭ с КПД 15 , на которые пошел 1 кг кремния, за 30 лет службы могут произвести 300 МВтч электроэнергии.

Равное количество электроэнергии можно получить, израсходовав 75 т нефти с учетом КПД теплоэлектростанций 33 и теплотворной способности нефти 43,7 МДж кг. Таким образом, 1 кг кремния оказывается эквивалентен 75 т нефти 7 . Россия на рынке продаж кремния электронного и солнечного качества, а также моносилана, являющегося основным сырьем для изготовления пленочных солнечных элементов из аморфного кремния, может быстро окупить все расходы по проекту.

Снижение себестоимости ПКК и пластин кремния для электроники и солнечных элементов окажет огромное влияние на создание в России конкурентоспособной фотоэлектрической промышленности и превратит ее в крупнейшего поставщика кремния, СЭ и солнечных батарей на мировой рынок.

Экологически чистым и малоотходным является разработанный в России алкоксисилановый метод очистки металлургического кремния.

Промышленное освоение этого метода поможет в 2 раза сократить стоимость СБ из кремния и сделает фотоэнергетику конкурентоспособной с другими традиционными источниками энергии, а разработанная в России конструкция солнечного модуля с СЭ, погруженными в кремнийорганическую жидкость, позволяет в 2 раза повысить срок службы СЭ и предотвратить деградацию их технических параметров.

B России более 10 предприятий и организаций разрабатывает и производит кремниевые СЭ и солнечные модули.

Суммарная потенциальная производственная мощность указанных производств превышает 4 МВт год. Однако эти мощности используются максимум на 20 из-за отсутствия необходимого количества недорогих кремниевых пластин и вследствие низкой покупательной способности населения России.

Свою продукцию способны экспортировать только те предприятия, где сравнительно невысока себестоимость производства высокоэффективных СЭ, среди них ВИЭСХ, ЗАО Солнечный ветер, завод Красное Знамя , ЗАО Телеком, выпускающие СЭ мирового уровня качества с КПД до 15 . Если в России появится массовое производство недорогого кремния солнечного качества, то помимо указанных предприятий к производству СЭ и модулей могут подключиться незагруженные сейчас предприятия электронной промышленности, расположенные в Ставрополе, Александрове, Фрязино, Павловом-По-саде, Санкт-Петербурге, Орле, Нижнем Новгороде, Саратове и др. Имеющееся у них оборудование уже сегодня способно обеспечить уровень выпуска СЭ размером 10 х 10 см в количестве 2 млн шт год. Выработанная ими мощность будет зависеть от величины КПД, которая в свою очередь определяется уровнем технологии изготовления при КПД 15-17 она составит около 4 МВт. До 2005 г. объемы выпуска в России могут вырасти до 2-3 МВт год, а далее следует ожидать резкого роста до 10- 15 МВт год к 2010 г. и 30-50 МВт год в 2015г.