Фотоэлектрические преобразователи как независимый источник электроэнергии на собственные нужды производственных предприятий

Авторы: Ильин Р. А., Давыденко А. И.

Источник: Международный центр инновационных исследований ОМЕГА САЙНС / Международный научный журнал Символ науки №11 – 2015, ч.1. – С. 27-30.

Аннотация: Эксплуатация многих производственных объектов в России связана с большими финансовыми затратами, особое место среди которых занимает оплата за электроэнергию. В работе рассмотрен вариант обеспечения электроэнергией на собственные нужды конкретной котельной – Покровская, находящейся в г. Астрахань, за счёт фотоэлектрических преобразователей.

Ключевые слова: Фотоэлектрические преобразователи. Котельная. Электроэнергия. Возобновляемые источники энергии. Солнечная батарея.

---

В России нетрадиционная энергетика делает пока только первые шаги. Единственное направление в нетрадиционной энергетике, которое получило за последние годы хорошие результаты, это биотопливная отрасль, в частности по производству древесных гранул. А в производстве электроэнергии на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ) внушительного развития получила только гидроэнергетика, доля которой в энергобалансе страны составляет 5,45%. Положение ВИЭ в структуре энергопотребления нашей страны находится на очень низком уровне, и его доля составляет всего 0,01% от общего количества (рисунок 1) [6, с.38].

Общий плюс для всех нетрадиционных источников энергии – возобновляемость и значительно меньший урон экологии от большинства из них. Однако широкому внедрению ВИЭ в России препятствует ряд проблем: неконкурентоспособность возобновляемых источников энергии в сравнении с традиционными источниками, отсутствие должной законодательно-нормативной базы, а также отсутствие необходимой инфраструктуры развития ВИЭ.

Одним из очень перспективных направлений ВИЭ в нашей стране является солнечная энергетика. Высокими показателями среднемесячной инсоляции солнца обладают такие города, как Владивосток – 1289,5 кВт·ч/м² за год, Сочи – 1365,1 кВт·ч/м² за год, Астрахань – 1371,1 кВт·ч/м² за год [3]. Посмотрев на эти значения, можно сказать, что Астрахань является очень перспективным городом для развития солнечной энергетики.

Объектом для анализа была выбрана котельная Покровская, находящаяся в городе Астрахань, районе Покровская роща, на ул. Тихореченская 76 (рисунок 2). Котельная рассчитана на круглогодичное вырабатывание тепловой энергии. Располагаемая мощность котельной – 75,3 Гкал/час. Потребность в электроэнергии на собственные нужды за год составляет 2583,1 МВт·ч. На основе полученных результатов предстоит выяснить, возможно ли за счёт фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) обеспечить котельную должным количеством энергии или хотя бы частично покрыть потребности на её собственные нужды, тем самым отказаться от закупаемой энергии с филиала ПАО МРСК Юга – Астраханьэнерго.

Местом для установки проектируемой солнечной электростанции может служить крыша котельный – самый удобный и выгодный вариант размещения. Очень важным вопросом является выбор угла наклона панели и ориентирование ФЭП. Так как батареи будут использоваться круглый год, следует выбрать угол на 10° – 15° больше географической широты. Географическая широта города Астрахань составляет 47°. Следовательно, добавив к этому значению 10°, получаем 57°. Ориентация батарей выбрана на юг. Расположение котельной это позволяет.

Теперь необходимо определиться с выбором солнечных батарей, которые будут использоваться для будущей солнечной электростанции. На данный момент существует большое множество видов ФЭП, отличающихся технологиями изготовления и применяемыми в них материалами, среди которых можно выделить: поликристаллический кремний, монокристаллический кремний, аморфный кремний и полупроводниковые соединения на основе A^IIIB^V, A^IIB^VI.

Изучив структуру продаж фотоэлектрических модулей, можно сказать, что лидирующую позицию на данный момент занимают модули на основе поликристаллического кремния в виду их невысокой стоимости и относительно неплохого КПД (13 – 17%). На втором месте находятся монокристаллические батареи. У них КПД больше (16 – 20%), но стоят они несколько дороже [2 c. 113].

В связи с тем, что площадь под электростанцию ограничена, а нам необходимо получить как можно больше энергии, выбираем батареи на основе монокристаллического кремния. Для станции подбираем модель китайского производителя Exmork – ФСМ-300М (рисунок 3). Она обладает довольно высокой номинальной мощностью – 300 Вт и неплохим КПД в 18,3%. Среди других основных характеристик стоит обратить внимание и на такие значения, как: номинальное напряжение U_ном = 24 В, номинальный ток I_ном = 8,17 А, цена 18 450 руб. (при крупно оптовом заказе – 16 500 руб.) на момент 2014 года, срок службы – не менее 30 лет, размер одной батареи 1956×992×45 мм (S=1,94м²)

Зная площадь каждой панели, необходимо определить, сколько же их можно разместить на крыше и каким образом. Сама котельная Покровская разделяется на два отдельных здания: котельная с паровыми котлами и котельная с водогрейными котлами. Площадь крыши первого здания составляет 1500 м² (58м×26м), а второго – 260 м² (20м×13м). В сумме получается 1760 м². Исходя из ширины одной солнечной батареи и рассчитанному по формуле (1) [1 c.4] расстоянию между рядами батарей во избежание взаимного затемнения, определяем, что максимальное количество батарей составит 363 штуки.

где α – высота одной солнечной батареи, мм.

Так как мы используем батареи одного типа и одной мощности, чтобы посчитать номинальную мощность запланированной электростанции, просто умножим количество модулей – 363 штуки на мощность одной батареи – 300 Вт. Получаем, 108900 Вт или 108,9 кВт.

Теперь посчитаем выработку электроэнергии солнечных батарей. Определяется она по формуле:

где E_сб – выработка энергии солнечной батареей, кВт?ч; E_инс – месячная инсоляция квадратного метра, кВт×ч; P_сб – номинальная мощность солнечной батареи, Вт; η – общий КПД передачи электрического тока по проводам, контроллера солнечной батареи и инвертора при преобразовании низковольтного постоянного напряжения в стандартное (обычно его принимают равным 0,9); P_инс – максимальная мощность инсоляции квадратного метра земной поверхности, кВт×ч/м2. P_инс = 1,0 кВт×ч/м² для условий Астраханской области.

Значение E_сб находилось для каждого месяца отдельно на основании таблицы усреднённых данных по среднемесячной энергии солнечного излучения города Астрахань [3]. Посчитав по формуле (2) выработку всей солнечной электростанции, например для января, мы получили:

В результате расчёта выяснилось, что за год фотоэлектрическая система может выработать 137 393 кВт×ч электроэнергии, что составляет всего 5,3% от годовых потребностей котельной (2 583 100 кВт×ч). Данной мощности вполне достаточно, чтобы в течение всего года обеспечить электроэнергией всё электрооборудование на 220 вольт и частично в зависимости от месяца работы электрооборудование на 380 вольт, применяемое в котельной (к примеру, электрический двигатель насоса рабочей воды 3КМ6 и другие). Больше всего энергии мы можем получить с батарей в августе – 15 564 кВт×ч, меньше всего в декабре – 4824 кВт×ч.

Помимо солнечных батарей на солнечной станции необходимы: аккумуляторы, контроллеры заряда и инверторы на 220 и 380 В. В качестве аккумулятора была выбрана модель MNG 250-12 (ёмкость 250 мА×ч, входное напряжение 12 В), в качестве контроллера заряда – PWM Solar Charge Controller 24-200 (входное напряжение 24В, входящий ток – 200 А) и в качестве инверторов – МАП SIN Энергия PRO 24В для преобразования тока в 220В и МАП SIN Энергия PRO 24В для преобразования тока в 380В.

Стоимость всей фотоэлектрической системы S_общ составила 16 261 400 рублей. Из которой 14 140 350 рублей – это стоимость оборудования, и 2 121 053 рубля – это затраты на монтаж всей системы (принято 15% от стоимости всего оборудования).

Срок окупаемости полученной фотоэлектричекой системы определяли по формуле [5, c. 153]:

где S_общ – стоимость всей системы, руб.; S’ – полученная прибыль от установки, руб. Значение S’ было найдено по формуле:

где W – суммарная производимая энергия солнечной электростанцией за год, кВт×ч; C – установленная стоимость электроэнергии за 1 кВт×ч, руб. (для котельной Покровская = 2,9 руб.).

В итоге, срок окупаемости полученной фотоэлектричекой системы составил:

В связи с слишком большим сроком окупаемости представленного варианта установки (41 год), был проанализирован другой (альтернативный) вариант без запасания энергии, то есть без аккумуляторных батарей.

В этом случае общая стоимость системы составила 8 409 634 рубля. Исключилась стоимость не только аккумуляторных батарей, но контроллеров заряда в виду их ненадобности. Также снизилась цена на инверторы, в связи с их заменой на сетевые. А срок окупаемости в данном случае составил:

Получилось, что срок окупаемости снизился практически в 2 раза. Однако его значение по-прежнему очень велико. Почему же срок окупаемости так высок, не смотря на значительное снижение общей стоимости оборудования? Ответ кроется в тарифе на электроэнергию для котельной Покровская. Цена за кВт электроэнергии для неё составляет – всего 2,9 рубля. Для сравнения в европейских странах с развитой зелёной энергетикой, цены за кВт?ч электроэнергии значительно выше. Например, в Германии предприятия с такой мощностью платят примерно 7 руб. за кВт×ч электроэнергии [4]. Если допустить, что котельная Покровская будет платить по европейским тарифам (как в Германии) стоимость электроэнергии, которая может дать нам проектируемая солнечная электростанция за год, теперь будет равна:

Срок окупаемости теперь составит:

В итоге принятых допущений получилось вполне удовлетворительное значение срока окупаемости для солнечной электростанции.

По результатам анализа применения ФЭП в котельной Покровская можно сделать следующие выводы. Получено, что солнечные ФЭП применять на нашей котельной пока невыгодно. Однако стоит отметить такую сложившуюся тенденцию, что стоимость солнечных фотоэлементов постоянно уменьшается, а вот тарифы на электроэнергию, наоборот, растут. Получается, что первоначально рассчитанный срок окупаемости с каждым годом будет становиться меньше. Солнечные батареи ещё 15 лет назад стоили в 2 раза больше, чем сейчас (рисунок 4). Это всё говорит о том, что в скором будущем, возможно, уже через 15 лет такой проект вполне может воплотиться в жизнь и приносить выгоду.

Список использованной литературы:

1. ВСН 52-86 Установки солнечного горячего водоснабжения. М.: Стройиздат, 1988. – 11с.
2. Калабушкина Н.М., Кисилёва С.В., Михайлин С.В. и др. Традиционные и перспективные фотоэлектрические модули и их применение в фотоэнергетических системах. Альтернативная энергетика и экология. №5. Саров: Научно-технический центр ТАТА, 2013. – 258 с
3. Месячные и годовые суммы суммарной солнечной энергии радиации, справочные таблицы
4. Рейтинг стран по стоимости электроэнергии в 2014 году. Данные агентства РИА Рейтинг.
5. Сопов И.В., Бекиров Э.А., Меджитов Р.Э. К вопросу об эффективности использования фотоэлектрических преобразователей для автономного электроснабжения зданий. Строительство и техногенная безопасность. В.13-14. Симферополь: НАПКС, 2006. – 233 с.
6. BP statistical review of world energy June 2013. – 46 с.