Проектирование и практическое применение фотоэлектрических модулей

Аннотация

На современном этапе экономический рост в любой стране самым тесным образом связан с функционированием топливно-энергетического комплекса. При этом наиболее конкурентоспособными являются те страны, где энергетические ресурсы используются в максимальном объеме и с высокой степенью эффективности. В последнее время во всем мире ведется интенсивный поиск экологически безопасных технологий использования нетрадиционных источников энергии. Особый интерес проявляется к солнечной и ветровой энергии. В районах, где их запасы достаточно велики, развитие фотоэнергетики и ветроэнергетики не только оправдано, с точки зрения ресурсосбережения и экологии, но и экономически выгодно. Применение фотоэлектрических и ветроэнергетических установок обеспечит автономное энергоснабжение населения и народного хозяйства; будет способствовать выполнению Рамочной Конвенции ООН об изменении климата и Киотского протокола, согласно которому развитые страны могут финансировать проекты по внедрению экологически безопасных технологий использования возобновляемых источников энергии. Исследование опыта фирм, занимающихся возобновляемыми источниками энергии, имеет важное значение для их развития в Беларуси. Приведены современные подходы к решению выбора альтернативного источника энергии для снижения затрат конкретного потребителя. В ходе исследований использованы теоретические методы исследований с использованием специальных программ на ПЭВМ. Рассмотрен пример проектирования современной энергосберегающей системы на конкретном предприятии с использованием солнечных модулей с учетом данных о природных условиях региона и необходимой мощности солнечных батарей, потребляемой в процессе эксплуатации здания. Показано, что ежегодные затраты за использованное электричество можно уменьшить до 48 %.

Общая постановка проблемы

Потребление первичных энергоресурсов в Федеративной Республике Германия за последние 10 лет сохранялось на приблизительно одинаково высоком уровне, характеризуясь при этом неявной тенденцией к уменьшению. Это связано в основном с ориентацией этой страны на развитие возобновляемых источников энергии. Основная ставка в этой стране сделана на развитие частного мелкого и среднего бизнеса, который способен своевременно адаптироваться к изменениям в мировой экономике. Одной из таких успешных фирм является фирма Power+Efficiency (Германия, Оснабрюк), у которой один из векторов деятельности – научно обоснованный подход при проектировании солнечных модулей и ветрогенераторов под условия конкретного объекта с последующей их установкой, подключением и обучением в использовании

Исследование опыта ЕС [1–5], и в частности конкретных фирм, занимающихся возобновляемыми источниками энергии, имеет важное значение для их развития в Беларуси, так как есть возможность заменить традиционные источники от сетевого энергоснабжения.

В понятие альтенативная энергетика входят четыре основных составляющих: возобновляемые источники энергии (ВИЭ) – солнечная, ветровая, геотермальная и гидравлическая энергия, биомасса, низкопотенциальное тепло земли, воды, воздуха; вторичные ВИЭ – твердые бытовые отходы, тепло промышленных и бытовых стоков, тепло и газ вентиляции; нетрадиционные технологии использования невозобновляемых и возобновляемых источников энергии – водородная энергетика, микроуголь, турбины в малой энергетике, газификация и пиролиз, каталитические методы сжигания и переработки органического топлива, синтетическое топливо; энергетические установки – тепловой насос, двигатель Стирлинга, вихревая трубка, гидропаровая турбина и установки прямого преобразования энергии [6].

Потенциальные возможности ВИЭ практически неограничены, но несовершенство техники и технологии, отсутствие необходимых конструкционных и других материалов пока не позволяет широко вовлекать ВИЭ в энергетический баланс. Однако за последние годы в мире особенно заметен научно-технический прогресс в сооружении установок по использованию ВИЭ и в первую очередь фотоэлектрических преобразований солнечной энергии, ветроэнергетических агрегатов и биомассы.

Целесообразность и масштабы использования возобновляемых источников энергии определяются их экономической эффективностью и конкурентоспособностью с традиционными энергетическими технологиями. Это объясняется несколькими причинами: неисчерпаемость ВИЭ; нет потребности в транспортировке; ВИЭ экологически выгодны и не загрязняют окружающую среду; отсутствие топливных затрат; при определенных условиях, в малых автономных энергосистемах, ВИЭ могут оказаться экономически выгоднее, чем традиционные ресурсы; нет необходимости в использовании воды в производстве.

Также к преимуществам перехода на зеленую энергетику относят устранение рисков, связанных с атомной энергетикой (возможность аварий, проблема захоронения радиоактивных отходов), уменьшение последствий возможного энергетического кризиса, сокращение затрат на невозобновляемые ресурсы, прежде всего нефть и газ, а также снижение выбросов парниковых газов. Таким образом, необходимость использования возобновляемых источников энергии определяется такими факторами: исчерпание в ближайшем будущем разведанных запасов органического топлива; загрязнением окружающей среды окисями азота и серы, углекислым газом, пылевидными остатками от сгорания добываемого топлива, радиоактивным загрязнением и тепловым перегревом при использовании ядерного топлива; быстрым ростом потребности в электрической энергии, потребление которой может возрасти в несколько раз в ближайшие годы.

Солнечное электричество будет доминирующим источником энергии с долей приблизительно 60 % к концу века благодаря практически неистощаемому ресурсу энергии Солнца [7, 8]. Поэтому сегодня многие страны вкладывают большие инвестиции в развитии этого направления [9].

Основная часть

В ходе исследований использовались теоретические методы исследований с использованием специальных программ на ПЭВМ.

При строительстве нового корпуса одного из предприятий Германии архитектору была поставлена задача его проектирования с наименьшими затратами на электроэнергию, которая используется большей частью для производственных нужд, а в осенне-зимний период на отопление здания. Учитывая современное состояние развития современных энергосберегающих систем, которое подразумевает снижение энергопотребления не за счет дополнительного утепления корпуса здания, а за счет применения альтернативных источников энергии, была приглашена фирма POWER+EFFICIENCY, которая имеет большой опыт в данных разработках.

Перед началом реализации практической части поставленной задачи были проведены предварительные расчеты с целью определения оптимального решения для конкретных условий.

Для этого были собраны предварительные данные: погодные условия конкретного региона за последние 20 лет; геометрические параметры здания; расположение здания относительно географического положения; энергетические затраты проектируемого здания с учетом сезонной загрузки.

Все собранные данные позволили сымитировать проектируемый объект в электронной форме (рис. 1).

С учетом данных о природных условиях конкретного региона имеется возможность производить прогноз максимальной производительности установленных солнечных батарей. Причем их общее количество также зависит от необходимой мощности, потребляемой в процессе эксплуатации здания. Для этого используется показатель пиковой мощности. Пиковая мгновенная мощность определяется суммарной мощностью всех энергопотребителей, которые могут быть включены одновременно. Так, например, проектная пиковая мощность проектируемого объекта составляет 30 кВт. Мощность одной секции солнечной батареи составляет 0,26 кВт. Следовательно, для удовлетворения потребностей в электричестве необходимо установить 115 солнечных модулей. При произведении этого числа с занимаемой площадью одного модуля (1,7 м²), получаем общую занимаемую площадь, равную 196 м². С учетом конструктивных особенностей крепежей при установке всей системы занимаемая площадь составит 215 м².

Следует отметить, что солнечные батареи среднего ценового сегмента имеют гарантированный срок службы порядка 30 лет. За это время их производительность, согласно паспортным и практическим данным, снижается на 23–25 %. Окупаемость вложенных средств составляет порядка 6–7 лет. Остальное время позволяет получать чистую прибыль от вложенных средств. Полученные данные по затрачиваемым объемам электричества рассчитываемого здания и информация по климатическим условиям региона позволяют произвести графический анализ энергопотребления в разрезе по месяцам (рис. 2).

Анализ данного графика показывает, что наибольшая производительность солнечных батарей наблюдается в период с март по октябрь, так как в это время число и продолжительность солнечных дней наибольшее. Наименьшая выработка собственного электричества происходит в зимние месяцы, поэтому большая его часть берется из сети. Излишки электричества, выработанного солнечными модулями и не использованного конкретным потребителем, поступают в общую электросеть по установленному для данного региона тарифу. Следует отметить, что тариф за потребляемое потребителем электричество в Германии составляет 0,30 €/кВ·ч, а за выработанное электричество и поступившее в сеть 0,12 €/кВ·ч. Конечная цена выработанного электричества от солнечных модулей для данного потребителя составила 0,07 €/кВ·ч, что на 23 % меньше цены от обычного источника. Поэтому для предприятиям выгоднее максимально использовать выработанное электричество от альтернативных источников. Однако из графика видно, что в самые солнечные месяцы из сети все равно потребляется часть электричества. Это объясняется тем, что солнце начинает светить не с самого начала рабочего дня (для данного случая – 6 часов утра). Когда солнечная активность достигает своего максимального значения, то вырабатываемая излишняя энергия продается предприятием в сеть, позволяя тем самым получать дополнительную прибыль.

Учитывая эту особенность, производители различных электроприборов для частных потребителей (например, стиральные и посудомоечные машины) начинают снабжать свою технику автоматической функцией включения в заданное время. Это позволяет в конечном счете снижать затраты за используемое электричество при использовании альтернативных источников энергии. Вторым экономически оправданным способом использования выработанного электричества является использование специальных аккумуляторных батарей, способных накапливать излишки электричества во время максимальной активности солнечных модулей.

Результаты экономических расчетов эффективности применения солнечных модулей для данного производственного здания показывают (рис. 3), что ежегодные затраты за используемое электричество снизились на 48 %.

Выводы

Из анализа результатов расчета можно сделать вывод о том, что применение солнечных модулей должно проводиться с учетом природно-климатических условий, режимов и объема потребления электричества проектируемого объекта, геометрических параметров здания и его ориентации относительно частей света. Ежегодные затраты за используемое электричество можно уменьшить до 48 %.

Список использованной литературы

1. Михалевич А. А. Освоение возобновляемых источников энергии в Беларуси / А. А. Михалевич, В. Г. Федосеев // Возобновляемая энергия (ежеквартальный информационный бюллетень). – М.: Интерсоларцентр, 2001. – №4. – С. 4–7.
2. Фортов В. Е. Состояние развития возобновляемых источниковэнергии в мире и в России / В. Е. Фортов, О. С. Попель // Теплоэнергетика. – 2014. – № 6. – С. 4–13.
3. Дакалов М. В. Программы ЕС по развитию возобновляемых источников энергии: структура и источники их финансирования / М. В. Дакалов // Экономика и менеджмент систем управления. – 2012. – №4.3(6). – С. 360–368.
4. Карташевич А. Н. Использование смесевых топлив на основе рапсового масла для сельскохозяйственных тракторов: Монография / А. Н. Карташевич, В. С. Товстыка. – Горки, БГСХА, 2012. – 210 с.
5. Карташевич А. Н. Альтернативные виды топлива для двигателей. Монография / А. Н. Карташевич, В. С. Товстыка, П. Ю. Малышкин и др. – Горки, БГСХА, 2013. – 376 с.
6. Алексеенко С. В. Нетрадиционная энергетика и ресурсосбережение / С. В. Алексеенко // Инновации. Технология. Решения. – 2006. – № 3 (март). – С. 38–41.
7. Лукутин Б. В. Возобновляемая энергетика в децентрализованном электроснабжении / Б. В. Лукутин, О. А. Суржикова., Е. Б. Шандрова. – М.: Энергоатомиздат, 2008. – 231 с.
8. Каргиев В. М. Рынок фотоэлектрических модулей 2006 / В. М. Каргиев // Возобновляемая энергия (ежеквартальный информационный бюллетень). – М.: Интерсоларцентр, 2006. – С. 13–16.
9. Каргиев В. М. Стратегия развития солнечной теплоэнергетики Европы / В. М. Каргиев // Возобновляемая энергия (ежеквартальный информационный бюллетень). – М.: Интерсоларцентр, 2004. – С. 2–4.
10. Фортов В. Е. Состояние развития возобновляемых источниковэнергии в мире и в России / В. Е. Фортов, О. С. Попель // Теплоэнергетика. –2014. – № 6. – С. 4–13.