Новые российские разработки в солнечной энергетике

08.05.2021 JeeesAdmin 2021-01 0

Панченко Владимир Анатольевич [0000-0002-4689-843X]

Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ, Москва, Россия

E-mail: pancheska@mail.ru

Аннотация. В статье представлено интервью зам. главного редактора журнала «Окружающая среда и энерговедение» К.С. Дегтярева с Владимиром Анатольевичем Панченко, кандидатом технических наук, доцентом Российского университета транспорта (МИИТ), старшим научным сотрудником Федерального научного агроинженерного центра ВИМ. Темы обсуждения: солнечная энергетика, перспективы и отечественные разработки в этой области возобновляемой энергетики.

Ключевые слова: солнечная энергетика, теплофотоэлектрические системы, эффективность фотоэлектрических модулей, агрофотовольтаика, кровельные солнечные панели, высоковольтные солнечные панели, солнечные концентраторы.

Владимир Анатольевич, расскажите, чем занимаетесь в вашей научной и преподавательской деятельности?

В Федеральном научном агроинженерном центре ВИМ (в прошлом Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства) я провожу исследования по проектированию, моделированию, изготовлению и испытаниям солнечных модулей различных конструкций, в Российском университете транспорта (в прошлом Московский институт инженеров транспорта) я занимаюсь созданием энергоснабжающих систем на основе преобразователей возобновляемых видов энергии для тепло- и электроснабжения транспортных систем и инфраструктурных объектов.

Ваша деятельность направлена на создание преобразователей солнечной энергии и энергетических систем на их основе? Расскажите подробнее про преобразователи, разработку которых вы ведёте.

Да, я с коллегами веду разработку в основном преобразователей солнечной энергии – так называемые солнечные модули, задачей которых является выработка электрической и тепловой энергий. Подобного рода солнечные модули являются основой или одной из основных компонентов энергоснабжающих систем, разработку которых я с коллегами также веду.

Какими отличительными характеристиками и достоинствами по сравнению с аналогами обладают разрабатываемые вами солнечные модули?

Прежде всего, мы с коллегами продолжаем разработку солнечных модулей с увеличенным сроком службы [1], основы технологии изготовления которых были заложены несколько лет назад ещё во Всероссийском институте электрификации сельского хозяйства (рис. 2).

Срок номинальной мощности таких фотоэлектрических модулей увеличен по сравнению с солнечными модулями, изготавливаемыми по современной и повсеместно используемой технологии ламинирования этиленвинилацетатными плёнками. Подобного ресурса позволяет добиться использование полисилоксанового компаунда в качестве герметизирующего компонента при изготовлении модулей. Технология имеет ряд достоинств, причём изготовленные с помощью этой технологии солнечные модули (рис.2) могут с успехом использоваться в установках с концентраторами солнечного излучения [2; 3].

В мире широко используются установки с концентраторами солнечного излучения, где происходит нагрев теплоносителя, вы же говорите про использования фотоэлектрических преобразователей в фокусе концентратора солнечного излучения – расскажите подробнее про эту систему.

Наряду с указанными установками большой потенциал имеют так называемые гибридные или теплофотоэлектрические системы (рис.4), где используются фотоэлектрические преобразователи, охлаждаемые теплоносителем, в результате чего подобного рода установки наряду с тепловой энергией позволяют получать и электрическую энергию с помощью фотоэлектрических преобразователей. Эффективность таких установок значительно больше эффективности фотоэлектрических модулей, которая у современных фотоэлектрических модулей составляет около 20%.

А какие фотоэлектрические преобразователи используются в таких теплофотоэлектрических концентраторных (рис.5) установках? Стандартные солнечные элементы могут использоваться в концентрированном солнечном потоке?

В подобного рода теплофотоэлектрических системах целесообразно использовать специальные фотоэлектрические преобразователи – кремниевые с вертикальным p-n переходом или из специально подобранных материалов – арсенид-галиевые, например.

Могут, конечно, использоваться и планарные фотоэлектрические преобразователи [4; 5], но они также будут отличаться от преобразователей, используемых в стандартных планарных солнечных модулях, и величина концентрации солнечного излучения на поверхности этих преобразователей должна быть небольшой. Более подходящими для работы в концентрированном солнечном потоке являются высоковольтные (рис. 6) многопереходные матричные фотоэлектрические преобразователи, совершенствование технологии изготовления которых ведётся уже несколько десятилетий.

Удалось добиться электрической эффективности в 25% и даже 28% у единичных экземпляров при расположении в потоке высококонцентрированного солнечного излучения. В разработке такого модуля с напряжением 1000 В [6; 7] я лично участвовал и могу сказать, насколько масштабными могут быть проекты с использованием таких высоковольтных модулей. Использование полисилоксанового компаунда позволяет эффективно работать матричным модулям в концентрированном солнечном потоке, а с учётом отводимого тепла общая эффективность системы достигает относительно высоких показателей. Причём, если учесть двустороннюю рабочую поверхность высоковольтных модулей, экономия фотоэлектрических преобразователей очевидна.

Вы говорите про масштабные станции на основе высоковольтных фотоэлектрических преобразователей – а есть ли разработки для автономного энергоснабжения удалённых потребителей, где большие мощности, в общем-то, не нужны?

Конечно, особенно с учётом последних тенденций о возможной продаже электрической энергии от установок на основе преобразователей возобновляемой энергии в сеть, стимулируется интерес к установке солнечных модулей, причём если у потребителя нет поблизости электрических сетей вовсе, то выбор возможного энергоснабжения невелик. Наряду с планарными солнечными модулями с увеличенным сроком службы я также веду исследования по кровельным панелям, которые наряду с защитно-строительной функцией выполняют также функции тепло- и электроснабжения [8; 9; 10;  11; 12].

В зависимости от необходимости потребителя возможна установка различных комбинаций фотоэлектрических, тепловых и теплофотоэлектрических кровельных панелей, которые позволят в нужной пропорции вырабатывать электрическую и тепловую энергии. Также при энергоснабжении коммерческих или высотных зданий целесообразно применение сайдинг-панелей на стенах зданий, которые также как и кровельные панели повзоляют производить автономное [13; 14; 15] или параллельное с существующей энергетической сетью энергоснабжение потребителя.

С автономным и параллельным энергоснабжением потребителей понятно, а как быть мобильному человеку, которому не нужны большие и тяжёлые солнечные модули, а заряжать различные гаджеты вдали от электрических сетей необходимо?

Я люблю солнечную энергетику и за то, что она позволяет масштабировать мощности в больших диапазонах. Широко известны большие и очень мощные солнечные станции, которые стремительно вводятся в эксплуатацию во всё мире, однако не стоит забывать, что первые фотоэлектрические преобразователи имели очень маленькую мощность, небольшие размеры и высокую стоимость. Сейчас такие небольшие и дорогие преобразователи тоже есть, но в основном для лабораторных исследований с целью получения рекодной эффективности. Для маломощных модулей используются стандартные фотоэлектрические преобразователи не с рекордной эффективностью, а обычной для отрасли 15 – 17%, что несколько десятилетий казалось труднодостижимым, а стоимость удельной мощности посчиталась бы мизерной. Складные и секционные солнечные модули (рис. 7) позволяют заряжать как напрямую гаджеты, так и с помощью буферного аккумулятора, что более предпочтительно для литиевых аккумуляторов, несмотря на то, что в составе модулей имеется специальная электроника, стабилизирующая электрический заряд. Причём в зависимости от необходимых мощностей потребитель сам может добавлять необходимое количество секций модулей.

Теперь становится понятно, что солнечная энергетика может закрыть потребности как больших масштабов, так и отдельного мобильного человека – остаётся только вопрос аккумулирования. Как вы считаете, какие ближайшие перспективы в развитии и внедрении технологий солнечной энергетики?

Действительно, вопрос аккумулирования энергии на сегодня актуален и всё мировое научное сообщество предлагает различные эффективные варианты для решения этого вопроса. На сегодня вопрос стоимости даже уходит на второй план, так как в некоторых странах с большим приходом солнечной радиации стоимость энергии, получаемой от солнечных станций не дороже, чем от станций, работающих на ископаемом топливе. Глобальная энергетическая сеть солнечных станций может решить вопрос доступности солнечной радиации, автором которой является уважаемый мною Академик РАН и мой научный руководитель – Стребков Дмитрий Семёнович.

Примечание. Подробнее об этом см. следующий материал номера — интервью с Д.С. Стребковым

Также на сегодня большой интерес представляют различные новые материалы и принципы для преобразования солнечной энергии, которые пусть и не столь эффективны на сегодня, но обещают низкую стоимость вырабатываемой электрической энергии. Агрофотовольтаика, автономные экопоселения, интеллектуальные энергетические системы, получение «зелёного» водорода, дистилляция и получение воды из воздуха, многофункциональные солнечные модули, новые материалы и принципы преобразования – лишь те немногие, но на мой взгляд перспективные области дальнейшего развития использования солнечной энергии в ближайшие десятилетия, причём уже давно доказана целесообразность использования существующих солнечных станций и продолжения ввода в эксплуатацию новых ещё более эффективных и дешёвых.

Спасибо большое за ваши ответы, Владимир Анатольевич! Значит, будем жить в новом будущем с повсеместным использованием солнечной энергии?

Спасибо вам, уважаемые коллеги, за предоставленную возможность интервью для журнала! Я уверен, что Солнце будет ещё больше нам помогать жить, творить и развиваться – нужно только уметь с ним дружить!

Литература

  1. Стребков Д.С., Персиц И.С., Панченко В.А. Солнечные модули с увеличенным сроком службы // Инновации в сельском хозяйстве. Теоретический и научно-практический журнал. Инновации в возобновляемой энергетике. № 3(8)/2014, С. 154 – 158.
  2. Стребков Д.С., Майоров В.А., Панченко В.А. Солнечный тепло-фотоэлектрический модуль с параболоторическим концентратором // Альтернативная энергетика и экология, 2013, № 1-2 (118), С. 35-39.
  3. Патент РФ на изобретение № 2543256. Майоров В.А., Панченко В.А., Стребков Д.С.. Солнечный теплофотоэлектрический модуль с параболоторическим концентратором. Заявка:  2012141690/06, 02.10.2012. Опубликовано: 27.02.2015. Бюл. № 6.
  4. Патент РФ на полезную модель № 188073. Панченко В.А. Теплофотоэлектрическая планарная кровельная панель. Заявка: 2018133434, 21.09.18. Опубликовано: 28.03.2019. Бюл. № 10.
  5. Патент РФ на изобретение № 2738738 Панченко В.А. Планарная кровельная панель с гофрированным тепловым фотоприёмником. Заявка: 2020127742, 20.08.2020. Опубликовано: 16.12.2020. Бюл. № 35.
  6. Панченко В.А., Стребков Д.С., Поляков В.И., Арбузов Ю.Д. Высоковольтные солнечные модули с напряжением 1000 В // Альтернативная энергетика и экология, 2015, № 19 (183), С. 76 – 81.
  7. Патент РФ на полезную модель № 193323. Панченко В.А. Складной теплофотоэлектрический концентраторный модуль с двусторонними фотоэлементами. Заявка: 2019123265, 24.07.2019. Опубликовано: 24.10.2019. Бюл. № 30.
  8. Стребков Д.С., Кирсанов А.И., Панченко В.А., Филиппченкова Н.С. Солнечные кровельные панели для программы «Миллион солнечных крыш в России» // Сантехника, отопление, кондиционирование. 2017. №7 (187). С. 64-67.
  9. Панченко В.А. Моделирование теплофотоэлектрической кровельной панели для энергоснабжения объектов // Строительство и техногенная безопасность, №13(65), 2018, с. 143 – 158.
  10. Патент РФ на изобретение № 2557272. Стребков Д.С., Кирсанов А.И., Иродионов А.Е., Панченко В.А., Майоров В.А. Кровельная солнечная панель. Заявка: 2014123409/20, 09.06.2014. Опубликовано: 20.07.2015. Бюл. № 20.
  11. Патент РФ на изобретение № 2612725. Стребков Д.С., Кирсанов А.И., Панченко В.А. Гибридная кровельная солнечная панель. Заявка: 2016111201, 28.03.2016. Опубликовано: 13.03.2017. Бюл. № 8.
  12. V. A. Panchenko. Solar Roof Panels for Electric and Thermal Generation // Applied Solar Energy, 2018, Vol. 54, No. 5, pp. 350–353. DOI: 10.3103/S0003701X18050146. ISSN 0003-701X. Allerton Press, Inc., 2018.
  13. Valeriy Kharchenko, Vladimir Panchenko, Pavel V. Tikhonov, Pandian Vasant. Cogenerative PV Thermal Modules of Different Design for Autonomous Heat and Electricity Supply // Handbook of Research on Renewable Energy and Electric Resources for Sustainable Rural Development, 2018, pages 86 – 119, DOI: 10.4018/978-1-5225-3867-7.ch004.
  14. V Panchenko. Photovoltaic solar modules for autonomous heat and power supply // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science 317 (2019) 012002, 9 p. doi:10.1088/1755-1315/317/1/012002.
  15. Vladimir Panchenko, Andrey Izmailov, Valeriy Kharchenko, Yakov Lobachevskiy. Photovoltaic Solar Modules of Different Types and Designs for Energy Supply. International Journal of Energy Optimization and Engineering, Volume 9 Issue 2, 2020, pp. 74 – 94, DOI: 10.4018/IJEOE.2020040106.

References

  1. Strebkov D.S., Persits I.S., Panchenko V.A. Solar Modules with  Enlarged Life Cycle // Innovations in agriculture. Theoretical and science-applied magazine. Innovationa in renewables. № 3(8)/2014, P. 154 – 158.
  2. Strebkov D.S., Mayorov V.A., Panchenko V.A. Solar Heat-and-Photovoltaic Module with a Parabolotoric Concentrator // Alternative energy and ecology, 2013, № 1-2 (118), P. 35-39.
  3. Patent RF on invention № 2543256. Mayorov V.A., Panchenko V.A., Strebkov D.S. Solar Heat-and-Photovoltaic Module with a Parabolotoric Concentrator. Patent application:  2012141690/06, 02.10.2012. Published: 27.02.2015. Bul. № 6.
  4. Patent RF on utility model № 188073. Panchenko V.A. Heat-and-Photovoltaic planar roofing panel. Patent application: 2018133434, 21.09.18. Published: 28.03.2019. Bul.  № 10.
  5. Patent RF on invention № 2738738 Panchenko V.A. Planar roofing panel with goffered heat photo receiver. Patent application: 2020127742, 20.08.2020. Published: 16.12.2020. Bul. № 35.
  6. Panchenko V.A., Strebkov D.S., Polyakov V.I., Arbuzov Yu.D. Hugh-voltage solar module with electric potential 1000 V // Alternative energy and ecology, 2015, № 19 (183), P. 76 – 81.
  7. Patent RF on utility model № 193323. Panchenko V.A. Folding heat-and-photovoltaic concentrator module with bilateral photo-cells. Patent application: 2019123265, 24.07.2019. Published: 24.10.2019. Bul. № 30.
  8. Strebkov D.S., Kirsanov A.I., Panchenko V.A., Philippchenkova N.S. Solar roofing panels for the prorgamme “A Million of solar rooves in Russia» // Journal of Plumbing, Heating, Air Conditioning, and Energy Saving. 2017. №7 (187). P. 64-67.
  9. Panchenko V.A. Modelling of a Heat-and-Photovoltaic Roofing Panel for Energy Supply of a Consumer // Building and Technical Security, №13 (65), 2018, p. 143 – 158.
  10. Patent RF on invention № 2557272. Strebkov D.S., Kirsanov A.I., Irodiononv A.E., Panchenko V.A., Mayorov V.A. Roofing Solar Panel. Patent application: 2014123409/20, 09.06.2014. Published: 20.07.2015. Bul. № 20.
  11. Patent RF on invention № 2612725. Strebkov D.S., Kirsanov A.I., Panchenko V.A., Hybrid Roofing Solar Panel. Patent application: 2016111201, 28.03.2016. Published: 13.03.2017. Bul. № 8.
  12. V. A. Panchenko. Solar Roof Panels for Electric and Thermal Generation // Applied Solar Energy, 2018, Vol. 54, No. 5, pp. 350–353. DOI: 10.3103/S0003701X18050146. ISSN 0003-701X. Allerton Press, Inc., 2018.
  13. Valeriy Kharchenko, Vladimir Panchenko, Pavel V. Tikhonov, Pandian Vasant. Cogenerative PV Thermal Modules of Different Design for Autonomous Heat and Electricity Supply // Handbook of Research on Renewable Energy and Electric Resources for Sustainable Rural Development, 2018, pages 86 – 119, DOI: 10.4018/978-1-5225-3867-7.ch004.
  14. V Panchenko. Photovoltaic solar modules for autonomous heat and power supply // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science 317 (2019) 012002, 9 p. doi:10.1088/1755-1315/317/1/012002.
  15. Vladimir Panchenko, Andrey Izmailov, Valeriy Kharchenko, Yakov Lobachevskiy. Photovoltaic Solar Modules of Different Types and Designs for Energy Supply. International Journal of Energy Optimization and Engineering, Volume 9 Issue 2, 2020, pp. 74 – 94, DOI: 10.4018/IJEOE.2020040106.