Разработка и исследование преломляющих фотоэлектрических установок тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.08, кандидат наук Бавин, Максим Радомирович

• Бавин, Максим Радомирович
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Бавин, Максим Радомирович

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

ГЛАВА 1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОНЦЕНТРИРОВАНОГО СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

1.1 История развития солнечной фотоэнергетики

1.2 Современное состояние развития солнечной энергетики

1.3 Фотоэлектрические установки на основе стационарных концентраторов

1.4 Фотоэлектрические установки на основе линз Френеля

1.5 Фотоэлектрические установки на основе голографических концентраторов

1.6 Постановка задачи диссертации

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА И РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГОЛОГРАММНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

2.1 Голограммные микрооптические элементы для солнечных фотоэлектрических установок

2.2 Методика расчета основных параметров голограммных оптических элементов в узком диапазоне углов падения излучения

2.3 Методика расчета основных параметров голограммных оптических элементов в широком диапазоне углов падения излучения

2.4 Исследования эффективности работы голографических элементов

Выводы по главе 2

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА И МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО МОДУЛЯ НА ОСНОВЕ ГОЛОГРАФИЧЕСКОГО КОНЦЕНТ АТОРА

3.1 Моделирование хода лучей в фотоэлектрическом модуле с голо графическим концентратором

3.2 Методика определения рабочей температуры фотоэлемента

3.3 Моделирование эффективности работы СФЭУ на основе голографического концентратора

3.4 Определение электрических параметров СФЭУ с голографическим концентратором

3.5 Технико-экономическая оценка производства СФЭУ на основе голографического

концентратора

Выводы по главе 3

ГЛАВА 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РАБОТЫ СФЭУ НА ОСНОВЕ ГОЛОГРАФИЧЕСКОГО КОНЦЕНТРАТОРА

4.1 Анализ баз данных актинометрической информации для солнечной энергетики

4.1.1 Источники исходной информации для солнечной энергетики

4.1.2 Оценка актинометрических данных представленных в Научно прикладном справочнике по климату СССР

4.1.3 Анализ погрешности метода расчета характеристик солнечной радиации в базе данных «METEONORM 4.0

4.2 Методика определения энергетических параметров СФЭУ на основе голографического концентратора в реальных условиях работы

4.2.1 Определение прямой составляющей солнечного излучения, преобразуемого СФЭУ с голографическим концентратором

4.2.2 Определение диффузной составляющей солнечного излучения, преобразуемого СФЭУ с голографическим концентратором

4.2.3 Определение отраженной составляющей солнечного излучения, преобразуемого СФЭУ с голографическим концентратором

4.3 Определение выработки электроэнергии солнечной фотоэлектрической установкой с голографическим концентратором в реальных условиях работы

4.4 Оценка экономической эффективности применения фотоэлектрических батарей с

голографическим концентратором

Список литературы Приложение 1

124 126

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование преломляющих фотоэлектрических установок»

ВВЕДЕНИЕ

Одной из характерных особенностей современного этапа развития человечества является быстрый рост энергопотребления. Электроэнергия представляет собой наиболее совершенный вид энергии, легко доставляемый потребителю и преобразуемый в другие виды энергии. Выработка электроэнергии традиционными способами путем сжигания топлива на тепловых и атомных электростанциях сопровождается химическим и радиационным загрязнением окружающей среды. При этом возникает также проблема «теплового загрязнения» Земли, поскольку сегодня бесспорным является заключение о том, что для предотвращения необратимых изменений климата планеты суммарная выработка энергии не должна превышать —1 % от всей энергии, приходящей на Землю от Солнца. Решение проблемы управляемого термоядерного синтеза откроет человечеству доступ к неограниченному источнику энергии, однако перечисленные выше недостатки в той или иной степени будут присущи и термоядерным электростанциям. Эти причины и вынуждают активно разрабатывать в настоящее время нетрадиционные способы получения электроэнергии.

Наиболее привлекательным является удовлетворение возрастающих энергетических потребностей человечества за счет возобновляемых источников энергии, в первую очередь за счет целенаправленного использования и преобразования энергии Солнца.

Солнечное излучение представляет собой практически неисчерпаемый источник энергии. Спектр излучения Солнца близок к спектру абсолютно черного тела, нагретого до температуры ~5800 К, что намного превышает температуру окружающей среды, при которой это излучение используется (~300 К). Последнее означает, что предельный термодинамический КПД преобразователя солнечного излучения может быть близок к 100 %. Таким образом, солнечное излучение является экологически чистым, доступным источником энергии, обладающим высоким энергетическим потенциалом.

Метод преобразования солнечной энергии в электрическую с помощью полупроводниковых солнечных элементов (СЭ) является в настоящее время наиболее разработанным в научном и практическом плане. Он широко используется в системах энергопитания космических аппаратов и получает все большее применение в наземных условиях для обеспечения электроэнергией автономных потребителей (переносная аппаратура, маяки, автоматические метеостанции и т. п.). Впервые на перспективы использования фотоэлектрического метода преобразования солнечной энергии в крупномасштабной энергетике обратил внимание еще в тридцатых годах основатель советской физической школы академик А. Ф. Иоффе. Однако в то время КПД солнечных элементов не превышал 1 %. В последующие десятилетия благодаря значительному объему исследований в области физики и технологии СЭ их КПД был увеличен до 20—25 %. Большая заслуга в развитии этого направления принадлежит советским ученым и инженерам, в первую очередь коллективу Всесоюзного научно-исследовательского института источников тока.

Очевидным недостатком солнечного излучения как источника энергии является неравномерность его поступления на земную поверхность, определяемая суточной и сезонной цикличностью, а также погодными условиями. Еще недавно вопрос аккумулирования электроэнергии, вырабатываемой с помощью солнечных фотоэлектрических установок (СФЭУ), рассматривался как наиболее критичный при оценке перспектив крупномасштабной солнечной электроэнергетики вследствие необходимости равномерного энергоснабжения потребителей. Одним из приемлемых способов аккумулирования является использование электроэнергии для электролиза воды на водород и кислород с последующим хранением и расходованием водорода в качестве обычного топлива или реагента в электрических топливных элементах. Сегодня благодаря успехам в области высокотемпературной сверхпроводимости можно говорить также и о возможности создания сверхпроводящих накопителей электроэнергии,

выполняемых, вероятно, в комплексе со сверхпроводящими линиями электропередачи. Радикальным способом избавления от неравномерности выработки электроэнергии на солнечных энергоустановках является размещение СФЭУ в околоземном космическом пространстве. Находясь, например, на геостационарной орбите, СФЭУ практически все время будет освещена Солнцем и сможет вырабатывать в несколько раз больше электроэнергии, чем на Земле в самых благоприятных погодных условиях. Вырабатываемая электроэнергия может при этом использоваться как непосредственно в космосе на промышленных спутниках, так и транслироваться на Землю пучком СВЧ-излучения.

Другим, еще более существенным недостатком солнечного излучения как источника энергии является его низкая плотность. Для выработки заметной электрической мощности, как в космосе, так и на Земле необходимо собирать солнечное излучение с больших площадей, покрывая их дорогими полупроводниковыми солнечными элементами. Стоимость получаемой таким образом электроэнергии значительно превосходит стоимость электроэнергии, вырабатываемой традиционными методами. Именно это является основной причиной, сдерживающей развитие крупномасштабной солнечной электроэнергетики.

Один из путей решения данной проблемы — снижение стоимости полупроводниковых материалов и СЭ. Исследования в этом направлении проводятся широким фронтом. Так, благодаря разработке прогрессивных технологий получения СЭ на основе монокристаллического кремния их стоимость снижена до величины менее 3 долларов за 1 Вт установленной пиковой мощности СФЭУ при коэффициенте полезного действия около 15%. На основе ленточного поликристаллического, а также тонкопленочного аморфного кремния созданы СЭ с КПД до 13 %. Такие же значения КПД достигнуты в тонкопленочных СЭ на основе гетеропереходов Си1п8е2—СёБ. Однако для внедрения данных СЭ в крупномасштабную энергетику необходимо решение ряда проблем, в первую очередь обеспечение

воспроизводимости технологии получения дешевых СЭ и стабильности их параметров.

Предлагаемая работа рассматривает другой путь снижения стоимости солнечной электроэнергии — фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения. В этом случае требуемая площадь солнечных элементов, а, следовательно, и их стоимость могут быть снижены пропорционально кратности концентрирования солнечного излучения дешевыми голографическими концентраторами.

На пути практической реализации метода преобразования концентрированного солнечного излучения также возникает ряд проблем. Во-первых, при повышении мощности солнечного излучения пропорционально увеличивается плотность генерируемого в СЭ фототока, что требует оптимизации конструкции СЭ для уменьшения омических потерь. Во-вторых, увеличивается тепловая нагрузка на СЭ, что требует создания эффективной системы теплоотвода. В-третьих, необходима разработка высокоэффективных и дешевых концентраторов излучения. В-четвертых, необходимо точное наведение и слежение установок за положением Солнца, что усложняет конструкцию и эксплуатацию СФЭУ. В то же время благодаря применению голографических концентраторов необходимость слежения за положением Солнца отпадает.

Актуальность исследований обусловлена следующим; мировая фотоэнергетика является одной из самых перспективных и бурно развивающихся отраслей современной промышленности. Ни в одной отрасли за последние годы не наблюдался такой рост производства — 30 и более %. Экологические проблемы, связанные с традиционными источниками энергии, программы правительственной поддержки и целый ряд преимуществ, характерных для фотоэнергетики, определяют все возрастающий спрос и обеспечивают рост объемов производства. Стремление к снижению стоимости и повышению технических характеристик фотоэлектрических систем стимулирует многочисленные

исследования и разработки в этой области. Актуальны всесторонние исследования по совершенствованию технологий, конструкций фотопреобразователей.

Фотопреобразователи - самая дорогая часть ФЭС, поэтому наряду с улучшением их показателей актуально использование концентрированного излучения, которое позволяет повысить КПД, снизить стоимость, снизить количество полупроводникового материала.

Непрерывный рост цен на традиционные энергоносители и на электрическую энергию, получаемую в основном от сжигания ископаемого топлива, обусловлен прежде всего ростом себестоимости добываемого топлива и увеличением затрат на его транспортировку. В то же время, наметилась устойчивая тенденция снижения стоимости энергии, получаемой от возобновляемых источников.

Целью работы является разработка, исследование и оптимизация энергетических характеристик солнечных фотоэлектрических батарей (СФЭУ) на основе голографических концентраторов.

Для достижения основной цели в диссертационной работе были поставлены следующие задачи:

1. Разработать и рассчитать конструкцию СФЭУГК, работоспособную в географических и климатических условиях всей территории России.

2. Создать математическую модель работы СФЭУГК и разработать на её основе методику определения энергетических параметров работы установки для заданных внешних условий.

3. Разработать методику и провести вычислительное моделирование работы СФЭУГК в реальных условиях работы, в целях определения технико-экономической эффективности применения данного типа фотоэлектрических установок.

Научная новизна работы:

1. Предложена методика разработки и создания голографических концентраторов и фотоэлектрических модулей на их основе.

2. Разработаны модели функционирования СФЭУГК и на их основе исследованы технологические и электрофизические параметры солнечных модулей с голографическими концентраторами.

3. Определена энергетическая и экономическая эффективность применения СФЭУГК на примере конкретного потребителя.

Достоверность полученных результатов исследований, теоретических и методических обоснований, выводов и рекомендаций подтверждается

использованием в разработках научно-обоснованных и проверенных методов различных научных дисциплин, корректным применением математического аппарата, а также совпадением полученных результатов моделирования и оптимизации с известными практическими решениями и оценками.

Практическая ценность работы состоит в том, что в результате проведенных исследований появился задел для возможности изготовления, фотоэлектрических установок с голографическими концентраторами солнечной энергии, отличающихся от известных солнечных фотоэлектрических установок более низкой стоимостью пиковой мощности, а также, в отличие от большинства концентрирующих солнечных установок, возможностью вырабатывать электроэнергию без слежения за положением Солнца. Также в результате проведенных исследований появились модели определения параметров работы СФЭУГК.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Методика расчета конструкции СФЭУ с топографическим концентратором.

2. Результаты моделирования работы СФЭУ с голографическим концентратором с учетом спектральных характеристик отдельных элементов установки, а также температурного режима работы фотоэлемента при заданных внешних параметрах.

3. Методика расчета энергетических показателей работы СФЭУ с голографическим концентратором в реальных условиях работы

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях:

XVIII Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». (28 февраля - 2 марта 2012 г., Москва, МЭИ (НИУ)). XX Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (27-28 февраля 2014 г., Москва, МЭИ (НИУ)).

IV Международная научно-практическая конференция «Научно-техническое творчество молодежи-путь к обществу, основанному на знаниях» (26-29 июня 2012 г., Москва, ВВЦ). - V Международная научно-практическая конференция «Научно-техническое творчество молодежи-путь к обществу, основанному на знаниях» (22-26 июня 2013 г., Москва, ВВЦ).

II всероссийская научно - практическая конференция «Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем» (4-6 июня 2012 г., Москва, МЭИ (НИУ)).

III всероссийская молодежная конференция «Устойчивость, безопасность и энергоресурсосбережение в современных архитектурных,

конструктивных, технологических решениях и инженерных системах

зданий и сооружений (18 октября 2012 г., Москва, НИУ МГСУ).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, включая решение о выдаче патента Российской Федерации на полезную модель.

Работа была отмечена премией для поддержки талантливой молодежи (IV Международная научно-практическая конференция «Научно-техническое творчество молодежи-путь к обществу, основанному на знаниях» (26-29 июня 2012 г., Москва, ВВЦ), а также грантом поддержки молодых ученых «УМНИК» (III всероссийская молодежная конференция «Устойчивость, безопасность и энергоресурсосбережение в современных архитектурных, конструктивных, технологических решениях и инженерных системах зданий и сооружений (18 октября 2012 г., Москва, НИУ МГСУ).

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Объем работы составляет 135 страниц, включая 4 страницы приложений, содержит 76 иллюстраций и 8 таблиц.

Содержание работы.

Во введении обосновывается актуальность темы, рассматривается ее научная новизна и практическая ценность, приводятся положения, выносимые на защиту, кратко излагается содержание работы.

Первая глава диссертационной работы включает в себя анализ состояния вопроса преобразования концентрированной солнечной энергии в электрическую, обзор основных направлений развития фотопреобразователей. Приведена постановка задачи диссертации.

Вторая глава диссертационной работы посвящена разработке голографического концентратора, предназначенного для использования в

солнечной энергетике. Разработана методика расчета и моделирования работы топографического концентратора.

В третьей главе рассмотрены модели работы фотоэлектрической установки на основе топографического концентратора. Обоснована конструкция СФЭУ. Разработаны методики определения теплового режима и технических параметров работы установки. Определена стоимость производства СФЭУ на основе топографического концентратора.

В четвертой главе предложена и рассмотрена методика определения выработки электроэнергии СФЭУ с топографическим концентратором в реальных условиях работы. Определены экономические и экологические аспекты строительства и эксплуатации установок с солнечными модулями с топографическими концентраторами.

В заключении диссертационной работы приведены основные результаты работы и сделаны выводы по итогам исследований.

ГЛАВА 1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОНЦЕНТРИРОВАННОГО СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

1.1. История развития солнечной фотоэнергетики.

Солнечная энергия, как известно, может быть непосредственно превращена в электрическую с помощью фотопреобразователей двух типов -фотоэлектрических, реализующих фотовольватический эффект, и фотоэмиссионных, в которых облученные солнечным светом испускают (эмитируют) электроны, захватываемые проводниками, расположенными под поверхностью эмиттера. Практическое применение нашел лишь первый метод фотопреобразования вследствие его значительно более высокой энергетической эффективности. Впервые фотовольтаический эффект (т.е. преобразование энергии Солнца в электроэнергию) наблюдался в электролитической ячейке Эдмондом Беккерелем в 1839г. Первые эксперименты с твердотельными фотоэлектрическими элементами на основе селена проводились Адамсом и Деем в Лондоне в 1876г. [1]. Более полувека понадобилось для того, чтобы появились первые солнечные фотоэлементы с эффективностью, едва превышающей 1%. Ими стали разработанные в 1930-е годы в Физико-техническом институте серно-таллиевые фотоэлементы с запорным слоем [2]. Исследования выполнялись под руководством основателя института академика А.Ф. Иоффе, который уже в то время (1938 г.) впервые внес на рассмотрение правительства СССР программу энергетического использования солнечных фотоэлектрических крыш. Однако для старта фотоэлектрической энергетики (даже без учета экономических соображений) требовалась существенно большая эффективность. Решающим для этого направления явилось создание кремниевых фотоэлементов с р-п-переходом, имевших кпд около 6% [3]. Первое практическое использование кремниевых солнечных батарей для энергетических целей имело место не на Земле, а в околоземном космическом пространстве. В 1958 г. были запущены искусственные спутники Земли,

оснащенные такими батареями — советский „Спутник-3" и американский „Авангард-1". Первые попытки использования солнечной энергии на коммерческой основе относится к 80-м годам XX столетия. В 1985 г. в п. Щелкино Крымской области была введена в эксплуатацию первая в СССР солнечная электростанция СЭС-5 электрической мощностью 5 МВт; 1600 гелиостатов (плоских зеркал) площадью 25,5 м 2 каждый, имеющих коэффициент отражения 0,71, концентрируют солнечную энергию на центральный приемник в виде открытого цилиндра, установленного на башне высотой 89 м и служащего парогенератором.

Здесь следует отметить, что научной базой для создания первых солнечных батарей стала разработка теории и технологии полупроводниковых материалов и приборных структур с р-п-переходом. Основные области применения приборов на полупроводниковых материалах в то время виделись в технике преобразования электрической энергии (преобразование переменного тока в постоянный, высокочастотная генерация, переключение и т. д.) и в электронных устройствах передачи и обработки информации (радио, связь и т. д.). В дополнение к «классическим» полупроводниковым материалам — германию и кремнию, с 1950 года начался синтез материалов типа AinBv (III и V означают период таблицы Д.И. Менделеева, А и В - элементы соответствующего периода, например GaAs, GaSb) [4]. В начале 1960-х годов были созданы и первые солнечные фотоэлементы с р-п-переходом на основе арсенида галлия. Уступая в эффективности кремниевым фотоэлементам, арсенид-галлиевые тем не менее были способны работать даже при значительном нагреве. Первое практическое применение усовершенствованных арсенид-галлиевых солнечных батарей для энергетических целей было еще более экзотическим, чем в случае кремниевых батарей. Они обеспечивали электроснабжение советских космических аппаратов, работающих в окрестностях планеты Венера (1965), а также самоходных аппаратов „Луноход-1" и „Луноход-2", исследующих поверхность Луны (1970 и 1972 гг.).

1.2. Современное состояние развития солнечной энергетики.

В условиях ограниченности ископаемых энергоресурсов и невозможности уже в ближайшей перспективе свободно использовать углеводороды перед каждым государством встает важнейшая задача - поиск путей предотвращения наступающего энергетического кризиса. Одним из путей решения этой глобальной задачи, стоящей перед человечеством, является использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ). В настоящее время можно констатировать, что в ближайшее десятилетие основной географической картиной энергетики мира остается тот факт, что мировой энергобаланс между основными энергоносителями будет паритетным - на каждого, а это уголь, нефть, газ будет примерно приходиться поровну.

Солнечная энергетика — направление ВИЭ, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует неисчерпаемый источник энергии и является экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов если не говоря о производстве фотоэлектрических модулей. Неисчерпаемость этого вида энергии может рассматриваться потенциально как энергоресурс, способный перевернуть современные представления об энергообеспечении и полностью удовлетворить потребности человечества. По оценкам специалистов German Advisory Councilon Globalchange[5], (рис. 1.1), к 2100 году Солнце станет доминирующим источником энергии на планете. Во многих странах солнечная энергетика получила активную государственную поддержку и стремительно развивается.

1000

800

600

400

200

2010 2020 2030 2040 2os0 2060 2070 2060 2090 2100

Рис. 1.1. Прогноз энергетического баланса в мире до 2100 года по данным German

Advisory Councilor» Globalchange.

Поток солнечного излучения, проходящий через площадку в 1 м2, расположенную перпендикулярно потоку излучения на расстоянии одной астрономической единицы (150 млн. км.) от центра Солнца на входе в

л

атмосферу Земли, равен 1367 Вт/м (солнечная постоянная). Из-за поглощения, при прохождения атмосферной массы Земли, максимальный поток солнечного излучения на уровне моря (на Экваторе) - 1020 Вт/м2 [6]. Однако следует учесть, что среднесуточное значение потока солнечного излучения через единичную горизонтальную площадку как минимум в три раза меньше из-за смены дня и ночи и изменения угла солнца над горизонтом. Карта продолжительности солнечного сияния на территории России представлена на рис. 1.2.

11родолжитсльность солнечного сияния:

менее 1700 чв год гшшш от 1700 до 2000 ч в год шяш более 2000 ч в год

Рис. 1.2. Продолжительность солнечного сияния на территории РФ. Поток СИ на Земле существенно меняется, достигая максимума в 2200

л

(кВт • ч)/(м • год) для северо-запада США, запада Южной Америки, части юга и севера Африки, Саудовской Аравии и Центральной части Австралии. Россия находится в зоне, где поток СИ меняется в пределах от 800 до 1400 (кВт • ч)/(м2 • год). При этом продолжительность солнечного сияния в России находится в пределах от 1700 до 2000 ч/год и несколько более. Максимум указанных значений на Земле составляет более 3600 ч/год [7]. За год на всю территорию России поступает солнечной энергии больше, чем энергия от всех российских ресурсов нефти, газа, угля и урана. [8].

Солнечная энергия на Земле используется с помощью солнечных энергетических установок, которые можно классифицировать по следующим признакам [9]:

• по виду преобразования солнечной энергии в другие виды энергии — тепло или электричество;

• по концентрированию энергии — с концентраторами и без концентраторов;

• по технической сложности — простые (нагрев воды, сушилки, нагревательные печи, опреснители и т.п.) и сложные.

Последние можно разделить на два подвида [10]. Первый базируется в

основном на системе преобразования СИ в тепло, которое далее чаще всего

используется в обычных схемах тепловых электростанций. К ним относятся: башенные СЭС, солнечные пруды, СЭУ с параболоцилиндрическими концентраторами. Сюда же относятся и солнечные коллекторы, в которых происходит нагрев воды с помощью СИ. Второй подвид СЭУ базируется на прямом преобразовании СИ в электроэнергию с помощью солнечных фотоэлектрических установок (СФЭУ).

Для СЭС, работающих в большой энергосистеме, расчеты их эффективности могут базироваться на среднесуточных или даже среднемесячных данных по СИ, которые имеются в мировых базах данных по солнечной радиации [9,10,11]. Для СЭУ, обеспечивающих энергией автономного потребителя, требуются обычно часовые данные прихода СИ на произвольно ориентированную к Солнцу приемную площадку.

В настоящее время в мире и России наиболее перспективными являются два вида СЭУ: солнечные коллекторы и СФЭУ.

Среди возобновляющихся источников энергии фотоэлектрический метод преобразования является на сегодняшний день, наиболее подготовленным для широкого использования. Его применение сдерживается относительно высокой стоимостью солнечных батарей, но она падает: с €3-4 в 2008г, €2-3 в 2013г.[12] (рис. 1.3)

Scenarios for future PV system prices evolution (€/W)

i44S\4S4S4S

* 1 oo о se ___

го i2 го i3 2oi4 2015 201e 2017 201e 2010 2020 202-1

Utility itgmtnt (2 5 MW ground-mounted) Industrial segment (SOO kW rooftop) Commercial segment (1 00 KW rooftop) Residential segment (3 KW rooftop)

•rce: f »1Л 2012

Рис. 1.3. Прогноз стоимости установленной мощности СФЭУ €/Вт для различных

сегментов энергетики.

Год за годом масштаб улучшения технологии и экономия на производстве фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) стимулировали устойчивые темпы снижения стоимости пиковой мощности солнечных электростанций (СЭС), что в дальнейшем солнечная энергетика может быть конкурентоспособным с традиционными источниками энергии

Энергетическая Стратегия России на период до 2030 года [13] предусматривает компенсацию государством затрат на присоединение электростанций на основе НВИЭ к сети для объектов мощностью менее 25 МВт, что по прогнозам увеличит долю выработки альтернативной энергии к 2020 году до 4,5%, а к 2030 году - до 7%. В таблице 1.2 приведены результаты сравнительного анализа инструментов государственной поддержки альтернативной энергетики. Как видно из таблицы, российский подход более близок к европейскому. Хотя, более адекватным конкурентному электроэнергетическому рынку является американский.

Общий объем производства солнечных батарей в России составляет порядка 5МВт в год. Значительная часть этого объема производства идёт на экспорт (таблицу 1.1) [14]. Но даже без учета этого очевидно, что производство солнечных батарей и доля солнечной электрогенерации в России очень мала. По некоторым данным установленная мощность СФЭУ в России на сегодня составляет несколько МВт. По различным прогнозам установленная мощность СФЭУ к 2020г. В РФ составит 50 (пессимистичный вариант)-100 (оптимистичный вариант) МВт. В то время как уже сейчас эта цифра в Германии равна почти 9 ГВт.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Бавин, Максим Радомирович, 2014 год

Список литературы:

[1] W.G. Adams, R.E. Day. Phil. Trans. R. Soc., 167 (part 1) 313 (1877).

[2] A.F. Ioffe, A.V. Ioffe. Phys. Z. Sov. Un., 7, 343 (1935).

[3] D.M. Chapín, C.S. Fueller, G.L. Pearson. J. Appl. Phys., 25, 676 (1954).

[4] H.A. Горюнова. Автореф. дис. (ЛГУ-ФТИ, 1951).

[5] Интернет ресурс German Advisory Councilon Globalchange. Режим доступа: wbgu.de

[6] Ж.И. Алфёров, В.М. Андреев, М.Б. Каган, И.И. Протасов, В.Г. Трофим. ФТП, 4, 12 (1970).

[7] Солнечная энергетика, учебное пособие для вузов В.И.Виссарионов, Г.В.Дерюгина, В.А Кузнецова, Н.К.Малинин. Москва, Издательский дом МЭИ, 2008г.

[8] V.M. Andreev, A.B. Kazantsev, V.P. Khvostikov, E.V. Paleeva, V.D. Rumyantsev, M.Z. Shvarts. Proc. 1 st World Conf. On Photovoltaic Energy Conversion (Hawaii, 1994) p. 2096.

[9] METEONORM Version 6.0.2.5 METEOTEST Fabrikstrasse 14 CH-3012 BemSwitzerland. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://meteonorm.com/.

[10] HACA Национальное управление по воздухоплаванию и исследованию космического пространства (англ. National Aeronautics and Space Administration, сокр. NASA) [Электронныйресурс]. Peжимдocтvпa:http://www.nasa.gov/

[11] Научно-прикладной справочник по климату СССР в 30 томах.

Многолетние данные. [Текст] - СПб: Гидрометеоиздат, 1990.

[12] Сайт информационного анализа и прогнозы рынка солнечной

энергетики. [Электронный ресурс]. - Режим flocTyna:http://pvinsights.com/

[13] Энергетическая стратегия России на период до 2030г. Утверждена распоряжением правительства РФ 13 ноября 2009 г.

[14] Европейская Ассоциация Фотоэлектрической Промышленности, англ. EPIA - the European Photovoltaic Industry Association.[Электронный ресурс]. -Режим доступа:http://www.epia.org

[15] Marti A., Luque A. Next generation photovoltaics.— B&Ph.: Institute of physics publishing, 2004. — 344 c.

[16] Стребков Д. С., Тверьянович Э. В. «Концентраторы солнечного излучения» ГНУ ВИЭСХ, Москва 2007 г. Стр. 109.

[17] Баранов В. К. Методы расчета профилей фоконов и фокли-нов//Гелиотехника. 1990. №1. С. 19.

[18] Патент РФ № 2259002. Солнечная энергетическая система (варианты)/ Стребков Д.С., Иродионов А.Е., Тарасов В.П., Базарова Е.Г. // БИ. 2005. № 23.

[19] Захидов Р. А., Огнева Т. А., Клычев Ш. И. и др. Исследование энергетических характеристик параболоторических фоконов. // Гелиотехника. 1984. №4, С. 30-33.

[20 ] Патент РФ № 2172903. Солнечный модуль с концентратором /Стребков Д.С., Тверьянович Э.В., ИродионовА.Е.и др.// №2000108561/06; Заявл. 07.04.2000; Опубл. 27.08.2001.

[21] Стребков Д.С., Тверьянович Э.В., Тюхов И.И, Иродионов А.Е.//Солнечные комбинированные теплофотоэлектрические станции с концентраторами /Нетрадиц. энергетика в XXI веке: II Междунар. конф., Крым, Ялта, 17-22 сент. 2001 г.-С. 103-106

[22] Андреев В.М., Грилихес В.А., Румянцев В.Д. Фотоэлектрическое npeo6pa30BäHHe концентрированного солнечного излучения. — Д.: Наука, 1989. —310 с.

[23] Захидов Р. А., Умаров Г. Я., Вайнер А. А. Теория и расчет гелиотехнических концентрирующих систем. Ташкент: ФАН, 1977, 144с.

[24] Тверьянович Э. В. Экспериментальное исследование оптико-энергетических характеристик фоконов. Концентраторы солнечного излучения для фотоэлектрических энергоустановок. М.: Энергоатомиздат, 1986. С. 11-14.

[25] Умаров Г. Я., Шарафи А. Ш. Концентраторы с фокальным изображением в виде кольца. // Гелиотехника. 1969, №4. С. 24.

[26] Умаров Г. Я., Алавутдинов Дж. Н. Параболоцилиндрический концентратор с вторичным отражателем поверхности 4 порядка. // Гелиотехника. 1970. №3. С. 23-27.

[27] Тверьянович Э. В., Жуков К. В., Красина Е. А., Фаберов А. М. Оптико-энергетические характеристики линз Френеля. // Концентраторы солнечного излучения для фотоэлектрических установок. J1. Энергоатомиздат. 1986. С. 9-16

[28] Тверьянович Э. В. Выбор конструктивных параметров призменных

i

концентраторов солнечной энергии. Гелиотехника №6, 1981г. С. 16-19.

[29] Новиков В.В., Баранов В.К.// Гелиотехника. 1965. №5.

[30] Жуков К. В., Тверьянович Э. В. Светопотери в призменных концентраторах. Гелиотехника №6, 1982. С. 17-21.

[31] Захидов Р. А. Зеркальные системы концентрации лучистой энергии. Ташкент: ФАН, 1986, 176 с.

[32] Фаберов А. М., Васильева JI. Н. Концентраторы солнечной энергии на основе полимерных линз Френеля.// Концентраторы солнечного излучения для фотоэлектрических установок. Л.: Энергоатомиздат. 1986 С. 6-9.

[33] Pacheco J.E., Reilly Н.Е., Kolb G.J., Tyner C.E. Summary of the Solar Two Test and Evaluation Program // 10th International Symposium on Solar Thermal Concentrating Technologies, Sydney, Australia, March 8, 2000.

[34] Нетрадиционные возобновляемые источники энергии: Сборник аналитических, методических и программных материалов. Книга II / Под общей ред. Безруких П.П. - М.: АМИПРЕСС, 2002. С. 5-33.

[35] Друде П. Оптика / Под ред. проф. Кравцова Т.П. - П.: ОНТИ, Гл. редакция общетехнической литературы, 1935. С. 69-72.

[36] Патент РФ № 2172903. Солнечный модуль с концентратором /Стребков Д.С., Тверьянович Э.В., ИродионовА.Е.и др.// №2000108561/06; Заявл. 07.04.2000; Опубл. 27.08.2001.

[37] Лидоренко Н.С., Жуков К/В., Набиуллин Ф.Х., Тверьянович Э.В.Перспективы использования линз Френеля для концентрирующих систем гелиотехнических устройств // Гелиотехника, 1977, №4, с. 22-

[38]Тверьянович Э.В. Расчёт профилей гелиотехничеких линз Френеля // Гелиотехника, 1983, №6, с. 31-34.

[39]Красина Е.А., Тверьянович Э.В., Романкевич A.B. Оптический КПД гелиотехнических линз Френеля // Гелиотехника, 1989, №6, с. 8-12.

[40] Афян В.В., Вартанян A.B. Новый подход к созданию селективных концентраторов солнечного излучения // Гелиотехника, 1984, №2, с. 22-26.

[41] Абдурахманов А., Захидов Р. и др. Исследование возможности создания топографического концентратора//Гелиотехника, 1986, №1, с. 17-20.

[42] A.C. СССР №1103048. Способ изготовления оптического устройства топографическим методом /Афян В.В., Вартанян A.B., Мартиросян Р.Г., Стребков Д.С. IIБИ. 1984, № 26.

[43]А.С. СССР №1103049. Способ изготовления концентраторов светового излучения топографическим методом /Афян В.В., Вартанян A.B., Мартиросян Р.Г., Рябиков C.B. Стребков Д.С. И БИ. 1984, №26.

[44]А.С. СССР № 1097563. Концентратор светового излучения и способ изготовления голограммы для него /Афян В.В., Вартанян A.B., [37] Мартиросян Р.Г., Рябиков C.B. Стребков Д.С. A.C. Тверьянович Э.В. II БИ. 1984, №22.

[45] Интернет-ресурс компании PrismSolar. Режим доступа :http://prismsolar.com/

[46] Международный патент на изобретение « Planar Solar Concentrator Power Module» № US2003201007 от 2003-10-30.

[47] Combined receiver of solar radiation with holographic planar concentrator

О Iurevych, S Gubin and M Dudeck. Tchkalovast, Kharkiv, 61070, Ukraine. Jean le Rondd'Alembertlnstitut, Pierre and Marie Curie University 4 place Jussieu 75005 Paris, France

[48] Виссарионов В.И., Бавин M.P. Солнечная фотоэлектрическая батарея/УРешение о выдаче патента на полезную модель № 2012115231/28(023022) от 18.04.2012; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ».

[49] Бавин М.Р.., Шестопалова Т. А. Определение рабочей температуры фотоэлемента голографической батареи // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Двадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. Т.З. - М.: Издательский дом МЭИ, 2014. С.350-351.

[50] L. Eisen, М. Meyklyar, М. Golub, A. Friesem, I. Gurwich, and V. Weiss. Planar configuration for image projection /Applied optics, June 2006, Vol. 45, No. 17.

[51] L. Eisen, M. Meyklyar, M. Golub, A. Friesem, I. Gurwich, and V. Weiss. Design and experiments of planar optical light guides for virtual image displays, Proceedings of SPIE, Vol. 5182.

[52] Zhanjun Yan, Wenqiang Li. Virtual display design using waveguide hologram in conical mounting configuration / Optical engineering, September 2011, Vol. 50.

[53] Корешев C.H. Основы голографии и голограммной оптики//СПб: СПбГУ ИТМО, 2009.-97 стр.

[54] RevitalShechter, Yaakov Amitai, Asher Friesem. Compact beam expander with linear gratings / Applied optics, March 2002, Vol. 41, No. 7.

[55] Сойфер B.A. Введение в дифракционную микрооптику.- Самара: Из-во СГУ, 1996.-90 с.

[56] Сойфер, В.А. Нанофотоника и дифракционная оптика / В.А. Сойфер // Компьютерная оптика. - 2008. - Т. 32, № 2. - С. 110-118.

[57] П.Маслов, М.В.Федорюк. Квазиклассическое приближение для уравнений квантовой механики// Москва: изд-во Наука, 296 стр.

[58] А.Н. Тихонов. Методы решения некорректных задач // Москва: изд-во Наука, 149 стр.

[59] Бавин М.Р., Виссарионов В.И. Разработка преломляющих фотоэлектрических установок// Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Восемнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. Т.З. - М.: Издательский дом МЭИ, 2012. С.336-337.

[60] Бавин М.Р., Виссарионов В.И. Разработка фотоэлектрической установки с использованием топографической системы и спектрального фильтра // Научно-техническое творчество молодёжи - путь к обществу, основанному на знаниях: сборник докладов IV Международной научно-практической конференции - Москва : МГСУ, 2012. - С. 467-468.

[61] Бавин М.Р., Виссарионов В.И. Фотоэлектрическая установка на основе топографической системы // Устойчивость, безопасность и энергоресурсосбережение в современных архитектурных, конструктивных, технологических решениях и инженерных системах зданий и сооружений: сборник тезисов III Всероссийской молодежной конференции - Москва : МГСУ, 2012.-С. 22-28.

[62] Бавин М.Р., Виссарионов В.И. Исследование работы преломляющей фотоэлектрической установки // Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем: сборник

докладов II всероссийской научно - практической конференции- М.: Издательский дом МЭИ, 2012. С.126-128.

[63] Бавин М.Р.., Шестопалова Т. А. Определение рабочей температуры фотоэлемента голографической батареи // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Двадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. Т.З. - М.: Издательский дом МЭИ, 2014. С.350-351.

[64] Аронова Е.С. Автореферат диссертации на тему Методика обоснования параметров систем автономного электроснабжения на базе солнечных фотоэлектрических установок. СПб: Издательский дом СпбГПУ

[65] Блох, А.Г. Основы теплообмена излучением. [Текст] / А.Г. Блох - М. -JI. Госэнергоиздат, 1962. - 362 с.

[66] Даффи, Д. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии. [Текст] / Д. Даффи, У. Бекман - М: Мир, 1977. - 420 с.

[67] Дульнев, Т.Н. Тепловые режимы электронной аппаратуры. Учебное пособие для студентов высших технических заведений. [Текст] / Т.Н. Дульнев, H.H. Тарновский - «Энергия». 1971. - 248 с.

[68] Кондратьев, К.Я. Лучистая энергия солнца. [Текст] / К.Я. Кондратьев -Л.: Гидрометиздат, 1954. - 600 с.

[69] Михеев, М.А. Краткий курс теплопередачи. [Текст] / М.А. Михеев, И.М. Михеева - М.-Л., Госэнергоиздат, 1961. - 208 с.

[70] П.Шкритек "Руководство по звуковой схемотехнике» М.: Радио, 1989, 113 с

[71] Registered SMARTS2 user, authorization of Dr. D.R. Myers, 03. 02. 2008. — Режим доступа: www.nrel.gov.

[72] Виссарионов, В.И. Энергетическое оборудование для использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии. [Текст] / В.И. Виссарионов, СВ. Белкина, Г.В. Дерюгина, В.А. Кузнецова, Н.К. Малинин -М., 2004. - 448 с

[73] Фирма Солнечный ветер, г. Краснодар. — Режим доступа: http://www.solwind.ru/.

[74] Бавин М.Р.., Шохзода Б.Т., Кузнецова В.А. Определение эффективности элемента топографической батареи в зависимости от спектрального состава излучения // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Двадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. Т.З. - М.: Издательский дом МЭИ, 2014. С.351-352.

[75] Безруких П.П. Научно-техническое и методологическое обоснование ресурсов и направлений использования возобновляемых источников энергии. Автореферат дисс. ... д-ра техн. наук. М., 2003. -40 с.

[76] Расчет ресурсов солнечной энергетики, учебное пособие по курсам «Теоретические основы энергетики возобновляемых источников» «Проектирование и эксплуатация СЭС и ВЭС». В.И.Виссарионов, Г.В.Дерюгина, В.А Кузнецова, Н.К.Малинин. Москва, Издательство МЭИ, 1998г.

[77] Европейское программное обеспечение для расчета ФЭП. [Электронныйресурс]. - Peжимдocтvпa:http://www.pvsvst.com/en/

[78] Информационный ресурс о применении солнечной энергии и энергосбережении. Подробная информация о технологиях в сфере возобновляемой энергетики. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://solarsoul.net/

[79] Мир энергоснабжения. Портал информационных проектов по энергосбережению энергосервисной компании "Экологические Системы".[Электронный ресурс]. - Режим nocTyna:http://esco.co.ua/

[80] Афонин B.C., Бавин М.Р., Пугачев Р.В., Шестопалова Т.А. Гибридные энергокомплексы возобновляемой энергетики для автономного потребителя с использованием топографических фотоэлектрических батарей //

«Альтернативная энергетика и экология» - № 16 - Саров, Научно-технический центр «ТАТА», 2013 г.

[81] Бавин М.Р., Виссарионов В.И. Голографические батареи в комплексе с классическими инженерными системами зданий // Научно-техническое творчество молодёжи - путь к обществу, основанному на знаниях: сборник докладов V Международной научно-практической конференции - Москва : МГСУ, 2013.-С. 443-444.

[82]Бавин М.Р., Виссарионов В.И. Состояние и перспективы развития возобновляемых источников в России и мире// Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем: сборник докладов II всероссийской научно - практической конференции- М.: Издательский дом МЭИ, 2012. С. 17-22.

[83] Базарова Е. Г. Солнечный параболоцилиндрический модуль с системой жалюзийных гелиостатов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2008. № 7. С. 40-41.

[84] Степанова И.С. Экономика строительства //Москва : МГСУ, 2013

[85] Зоколей С. Солнечная энергия и строительство: Пер. с англ., под ред. Ю. Н. Малевского. М: Стройиздат, 1979. С. 21-36.

[86] Зервос А., Лине К., Шафер О. Развитие рынка возобновляемой энергетики в Европе // Возобновляемая энергия. 2004. №3. С.5-11