Решение научно-технического совета РАО ЕЭС России от 23.12.1994

Рассмотрев "Предложения и программу работ по созданию солнечных фототермодинамических электростанций нового поколения", поступившие от научных, проектных, производственных организаций и фирм, секция научно - технического Совета РАО "ЕЭС России" отмечает.
1. Учитывая обращение в ЭНИН представителей энергообъединений и администраций некоторых регионов России, заинтересованных в освоении местных ресурсов солнечной энергии, в целях экономии стремительно дорожающего топлива (газа, нефти, угля и т.д.) и исключения загрязнения природы продуктами его сгорания ЭНИН совместно с конверсионными предприятиями подготовил и разослал потенциальным соисполнителям и заказчикам предложения по созданию солнечных электростанций нового поколения.
Предложенная ЭНИНом солнечная фотоэлектрическая термодинамическая электростанция, состоит из 20 отдельных модулей. В конструкции модулей предполагается использовать зеркальные параболоцилиндрические концентраторы солнечной энергии со 100-кратным концентрированием и приемники с арсенид-галлиевыми фотоэлектрическими преобразователями, рабочая температура которых составляет 100-110°С. Тепло, снимаемое при охлаждении ФЭП, утилизируется на паровом бутан- пропановом турбогенераторе.
Концепция новой СФТЭС предложена на основании выполненного ЭНИНом в 1989-93 гг. анализа 4-х ранее прорабатываемых в России и США схем СЭС: 1) фотоэлектрической с плоскими кремниевыми ФЭП без концентрирования солнечной энергии; 2) зеркальной термодинамической "башенного типа"; 3) зеркальной термодинамической с параболоцилиндрическими концентраторами типа фирмы LUZ; 4) комбинированной зеркальной термодинамической со множеством мелких двигателей Стирлинга с параболоцилиндрическими концентраторами с низкотемпературными кремниевыми ФЭП при 10 - 20-кратном концентрировании солнечной энергии.
Концепция предлагаемой СЭС основана на сравнительно недавнем открытии в России (ФТИ им. А.Ф.Иоффе), заключающемся в том, что при рабочей температуре полупроводниковых арсенид-галлиевых преобразователей около 110°С, сохраняется эффект повышенного фотоэлектрического кпд (>20%) при стократном (и выше) концентрировании солнечной энергии.
Совмещение фотоэлектрического и термодинамического процессов дает возможность получения суммарного кпд использования солнечной энергии до 40%.

1. Применение арсенид-галлиевых СЭС открывает новую возможность повышения эффективности термодинамической части и ее практической реализации к 1998 г.

В частности, целесообразно применение вместо множества мелких тепловых двигателей одного турбогенератора мощность на уровне 1 МВт с бутан-пропановым теплоносителем в паросиловом цикле.

1. При разработке предложений по проекту арсенид-галлиевой СФТЭС ЭНИНом, в основном за счет собственных средств и кредитов, совместно с исполнителем (НТФ "БЭТ" и др.) в 1989-93 гг. был выполнен значительный объем аналитических, научно-исследовательских, технологических и опытно-конструктОрских работ (НИОКР), проведен ряд семинаров, обсуждений и Др. мероприятий с привлечением видных ученых и специалистов высшей квалификации.
2. Выполненный на основании работ по п.З предварительный технико-экономический анализ ЭНИНа и ТЭП показывает, что в сравнении с чисто тепловыми электромашинными солнечными электростанциями с паросиловым циклом (типа Крымской СЭС-5, LUZ и др. указанными выше СЭС), новая СФТЭС обладает рядом положительных особенностей, в том числе:
3. повышенным до 40% суммарным фототермодинамическим КПД и соответственно повышенной электрической мощностью;
4. сниженной соответственно почти вдвое удельной площадью параболоцилиндрических зеркал приема солнечной энергии, стоимость которых составляет около половины стоимости солнечных электростанций;.
5. сниженной более чем в 10 раз площадью полупроводниковых фотопреобразователей GaAs в сравнении с кремниевыми при их работе с 10- 20-кратным концентрированием и в 100 раз при работе без концентраторов;
6. сниженными на 15-20% капиталовложениями в строительство солнечной электростанции и соответственно сниженной ценой на отпускаемую электроэнергию (с учетом затрат на НИОКР);
7. повышенным полезным экологическим эффектом за счет снижения на 10-15% теплового загрязнения окружающей среды, связанного с выбросом паров воды через градирню турбогенератора;
8. сниженным, соответственно, расходом воды при работе СФТЭС.

При разработке основного ТЭС указанные параметры должны быть
уточнены (с возможным их повышением).
Поскольку схема новой СФТЭС состоит из зеркальных модулей по 50 кВт, это позволяет также наряду со строительством базового варианта с одним турбогенератором на 1 МВт в паросиловом цикле, строить малые, в т.ч. мобильные СФТЭС с мини турбоагрегатами на 25 (1/2), 50, 100 и 250 кВт по спецзаказу для удаленных поселков, ферм и т.п. объектов, не подключенных к электросетям.
Ученый Совет ЭНИН им. Г. М. Кржижановского поддерживает мнение разработчиков, что на комплектацию новой СФТЭС мощностью 1 Мвт при 100-кратном концентрировании солнечной энергии потребуется около 25 кв.м G4As ФЭП, в то время как для кремниевых ФЭП при 10- кратном концентрировании в десять раз больше.
Организация изготовления GaAs ФЭП на суммарную мощность СФТЭС более 1 МВт обеспечена научно-производственной и сырьевой базой, созданной для выполнения ракетно-космической программы в 1985-1991 гг.
Для начала производства и строительства СФТЭС с применением GaAs ФЭП требуется выполнить одновременно с проектированием Программу научно-исследовательских работ по решению следующих проблем;

1. исключения температурной деградации GaAs ФЭП при длительной эксплуатации (до 25 лет) в режиме работы при 100-120СС;
2. обеспечения стабильности оптических характеристик системы и теплового режима в паросиловом цикле;
3. применения конструкционных материалов, решений для токоотводящих, повышенной мощности, электродов ФЭП, а также схем коммутации при сборке отдельных фотоэлектрических блоков;
4. обеспечения теплоотвода при минимальном перепаде температур GaAs ФЭП на p-η переходе с выбором нейтрального теплоносителя в контуре теплопередачи паросилового цикла турбогенератора;
5. создания альтернативного варианта GaAs ФЭП с минимально допустимой толщиной (менее 30 мкм), в том числе изготовляемых с использованием KLIFT - методики с многократно используемой подложкой с разработкой тонкопленочных защитных диодов на базе GaAs;
6. проведения термодинамических исследований по оптимизации тепловой схемы СФТЭС с паросиловым циклом;
7. создания и отработки оборудования для предлагаемой СФТЭС как в части фотоэлектрического преобразования солнечной энергии, так и в части турбоагрегатов и применения теплообменной аппаратуры для утилизации снимаемого тепла в паросиловом цикле из-за отсутствия необходимого опыта;
8. создания и отработки оптимальных несущих конструкций зенитальной рамы и азимутальной платформы;
9. выбора и создания расчетной и математической модели по оптимизации широтных вариантов СФТЭС с одноосной и двухосной системами ориентации с целью максимального использования солнечной энергии на заданной широте для выработки электроэнергии.

Для выполнения этих работ необходимо создание стенда имитатора солнечного излучения с удельной плотностью до 150 кВт/м2, а также действующего мини-макета СФТЭС.
Заслушав и обсудив положения ЭНИНа по программе разработки солнечных фототермодинамических электростанций нового поколения с арсенид-галлиевыми фотоэлектрическими преобразователями, результаты выполненных в 1992-1994 гг. предварительных НИОКР в данном новом научно-энергетическом направлении, секция "Нетрадиционные источники энергии" НТС РАО "ЕЭС России" постановляет:

1. одобрить, новое научно-энергетическое направление и программу, предложенную ЭНИНом по результатам выполненных им предварительных НИОКР с участием конверсионных предприятий для создания солнечных фототермодинамических электростанций нового поколения.
2. рекомендовать включить в отраслевую программу 09 "Нетрадиционные возобновляемые источники энергии" РАО "ЕЭС России" дополнения, изложенные в письме ЭНИНа 12-6/281 от 14.11.94 РАО "ЕЭС России" с заявленным объемом финансирования с соисполнителями: институтом "Теплоэлектропроект", НПО "Машиностроение", ЦНИИСМ, НПО "Квант", СПбФТИ, НПО "Саурн", НТФ "БЭТ", ЛОМО и др.
3. определить ЭНИН в качестве научного руководителя по программе разработки сооружения СФТЭС - 1, а институт "Теплоэлектропроект" головным разработчиком и поставщиком СФТЭС-1-
4. РАО "ЕЭС России" в 1995 г. определить место строительства СФТЭС-1 в альтернативных вариантах: Краснодарский край, Калмэнерго, Дагэнерго, Амурэнерго.

Москва 23.12.1994г.