CC BY
36
УДК:
Шуклина В.П., Шуклина А.П., Ермоленко Б.В.
АНАЛИЗ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ В РАСПРЕДЕЛЕННЫХ СИСТЕМАХ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ НА ТЕРРИТОРИИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Шуклина Валерия Петровна, студент 1 курса магистратуры факультета биотехнологии и промышленной экологии, email: shuclina.valerya@yandex.ru
Шуклина Анастасия Петровна, студент 1 курса магистратуры факультета биотехнологии и промышленной экологии
Ермоленко Борис Викторович, к.т.н., доцент, доцент кафедры промышленной экологии Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия.
Экологические проблемы общепланетарного масштаба и наблюдаемая нехватка топливно-энергетических ресурсов активизируют во всем мире открытие новых источников энергии, связанных с всесторонним использованием возобновляемых энергоресурсов, в частности солнечной энергии, которая имеет спрос и должна занять главное положение в мировой энергетике. Оценена возможность развития солнечной энергетики в Российской Федерации. Предложена методика расчета солнечной фотоэлектрической станции и солнечных коллекторов.
Ключевые слова: солнечная энергетика, солнечная фотоэлектрическая станция, солнечный коллектор, солнечная инсоляция, аккумуляторная батарея, контроллер заряда, инвертор, солнечная батарея
ANALYSIS OF FACTORS AFFECTING THE EFFICIENCY OF SOLAR ENERGY USE IN DISTRIBUTED POWER SUPPLY SYSTEMS IN THE RUSSIAN FEDERATION
Shuklina V.P., Shuklina A.P., Ermolenko B.V
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
Environmental problems of the global scale and the observed shortage of fuel and energy resources are stepping up the worldwide discovery of new sources of energy related to the comprehensive use of renewable energy resources, in particular solar energy, which is in demand and should occupy a major position in the global energy industry. The possibility of the development of solar energy in the Russian Federation is estimated. A method for calculating a solar photovoltaic station and solar collectors is proposed.
Keywords: solar power, solar photovoltaic station, solar collector, solar insolation, accumulator battery, charge controller, inverter, solar battery
В связи с ограниченностью ресурсов таких традиционных источников энергии, как нефть, уголь, газ наиболее остро встаёт вопрос обеспеченности потребителей светом, теплом, горячей водой и прочими благами цивилизации. Учитывая, что традиционная топливная энергетика является одним из наиболее значительных локальных и глобальных загрязнителей окружающей природной среды, новый энергетический источник, способный заместить органическое топливо и удовлетворить энергетические запросы будущего должен быть не только довольно мощным, но и экологически чистым.
Солнце по своим энергоресурсам вполне может обеспечить энергетические потребности будущего. Солнечная энергия считается предельно чистым источником энергии, поскольку её использование не приводит к загрязнению окружающей среды и нарушению теплового равновесия во всём мире [1].
Для того, чтобы оценить возможность использования солнечной энергетики, в частности
солнечных фотоэлектрических станций (СФС), следует выполнить анализ технических, социально-экономических и экологических характеристик энергетического оборудования этого вида.
Технические характеристики СФС
Положительные стороны. Потребление
неисчерпаемого источника энергии; производство электрической энергии возможно без какого-либо дополнительного источника электроснабжения и применения топлива; процесс производства электрической энергии не нуждается в обслуживании; снижение сетевых потерь
вследствие создания малых рассредоточенных подстанций; увеличение энергетической
эффективности и толчок роста инновационных технологий: интеллектуальные сети, устройства аккумулирования.
Отрицательные стороны. Огромная площадь расположения СФС по причине невысокой плотности солнечного излучения у поверхности
земли и небольшой эффективности СФС; неуправляемый процесс производства
электрической энергии по причине беспорядочного прилива солнечных лучей к земной поверхности; надобность усовершенствования сетевой платформы в целях равновесия энергетической системы из-за неуправляемости солнечной энергетики.
Социально-экономические характеристики
Положительные стороны. Замена углеродного топлива в энергобалансе; понижение цены на электрическую энергию в отличие от цены на традиционные источники энергии; усиление энергонезависимости и безопасности, существенное понижение текущих затрат при выработке электрической энергии; возможность использования электрической энергии при неимении внешней электросети.
Отрицательные стороны. Дороговизна
компонентов СФС, потребность в финансировании на начальной стадии разработки до достижения желаемой ступени энергетической эффективности.
Экологические характеристики
Положительные стороны. Уменьшение выбросов парниковых газов; повышение уровня качества водных и земельных объектов; уменьшение шумового и других загрязнений природной среды; эксплуатация земли, не пригодной для сельского хозяйства и других целей.
Отрицательные стороны. Применение токсичных и иных потенциально вредных веществ при изготовлении солнечных батарей; - обязательность
переработки солнечных батарей после завершения их срока службы; - изъятие земли и возможная их деградация при неверном применении.
На основе проведённого анализа, можно сделать вывод, что солнечная энергетика, учитывая положительные стороны технической и экологической характеристик, должна иметь спрос и занять главное положение в мировой энергетике, однако учитывая отрицательные стороны технических характеристик, она не будет единственным источником энергии.
Оценка солнечных энергоресурсов является одним из первых и, очевидно, одним из важнейших этапов разработки проектов энергетических установок любого типа. Действительно, только достоверная оценка доступного ресурса позволяет принять верное техническое или экономическое решение. Одним из наиболее удобных и доступных вариантов получения информации о величине валового ресурса (потенциала) солнечной энергии является информация о распределении ресурсов энергии солнца базы данных NASA SSE) [2], которая была использована при разработке «Атласа ресурсов возобновляемой энергии на территории России» [3]. На рис. 1 представлена, содержащаяся в Атласе информация о распределении по территории страны суммарной среднегодовой солнечной радиации в кВт-час в день на 1 м2 оптимально ориентированной поверхности.
Результаты оценки энергетического и топливного потенциалов солнечной энергии с дифференциацией по федеральным округам Российской Федерации приведены в таблице 1.
Рис. 1. Суммарная среднегодовая солнечная радиация в кВт-час/м в день на оптимально ориентированную поверхность
Таблица 1
Доступный технический потенциал солнечной энергии
Федеральный округ Электроэнергетический потенциал, млн. кВт-ч/год Топливный потенциал, млн. тут/год
Центральный 5107246 1762
Северо -Западный 9060870 3126
Южный 2026087 699
Северо-Кавказский 2321739 801
Приволжский 6718841 2318
Уральский 17527536 6047
Сибирский 21744928 7502
Дальневосточный 16011594 5524
Анализ результатов оценки топливных и энергетических потенциалов солнечной энергии свидетельствует о возможности перехода от использования органического ископаемого топлива при производстве электрической и тепловой энергии к применению возобновляемых экологически чистых источников энергии на большей части территории страны.
Выбор оборудования солнечной фотоэлектрической станции [4]
Выбор аккумуляторной батареи. В течение дневного времени суток солнечная батарея заряжает аккумуляторную батарею и обеспечивает питанием потребителей. Принимаем за интервал дневного времени суток: летом Д1дв = 14 ч (с 6:00 до 20:00), зимой Д1дв = 8 ч (с 8:00 до 16:00). Тогда выходная мощность автономной солнечной электростанции (АСЭ) определяется как максимальная мощность нагрузки по формуле:
Рн = тах[РН] }, У/ е1М, (1)
где М - число выделенных интервалов времени, входящих в интервал летнего дневного времени суток.
В ночное время суток накопленная в аккумуляторной батарее АСЭ энергия потребляется нагрузкой. Емкость показывает потенциал аккумуляторной батареи, то есть сколько времени она сможет питать нагрузку, если она будет полностью заряжена. По мере разряда напряжение и энергоемкость аккумуляторной батареи падают.
Емкость аккумуляторной батареи АСЭ (А-ч) за время питания нагрузки Д1нв (с 16:00 до 8:00) рассчитывается по формуле:
С = • (Рн1 • Д1 + Рн2 + ... + Р,- ДО ) , (2)
где Рн - номинальная мощность нагрузки, Вт; ин -номинальное напряжение нагрузки, В.
Глубокий разряд может вывести аккумулятор из строя. Поэтому производители аккумуляторов устанавливают конечное напряжение разряда, при достижении которого аккумулятор необходимо отключать от нагрузки и заряжать. Чтобы аккумулятор служил долго, его нельзя разряжать
более чем на 70-80%.
Аккумуляторная батарея АСЭ с емкостью Сн набирается из отдельных серийно производимых аккумуляторных батарей небольшой емкости путем последовательного и параллельного их соединения. Последовательное соединение отдельных аккумуляторных батарей используется для увеличения напряжения, а емкость ветви аккумуляторной батареи при этом соответствует емкости отдельной аккумуляторной батареи. Получившаяся при параллельном соединении аккумуляторная батарея имеет то же напряжение, что и одиночная аккумуляторная батарея, а емкость такой аккумуляторной батареи равна сумме емкостей входящих в нее одиночных аккумуляторных батарей.
Число последовательно включенных одиночных аккумуляторных батарей в ветви определяется по формуле:
п = , (3)
и
и аб
где иаб - напряжение отдельной аккумуляторной батареи, В.
Число параллельных ветвей в аккумуляторной батареи АСЭ оценивается следующим образом:
С
т = , (4)
С
аб
где Саб - емкость отдельной аккумуляторной батареи, А-ч.
Тогда общее число отдельных аккумуляторных батарей в аккумуляторной батарее АСЭ получают как
N = п • т (5)
Выбор солнечных фотоэлектрических
преобразователей. Для обеспечения попадания на солнечную батарею максимального количества солнечной энергии её монтируют в наклонном положении с оптимальным углом наклона к горизонту в, который определяется расчетным методом.
При южном ориентировании панели для круглогодичных систем:
в = Ф, (6)
для сезонных систем:
в = ф-15°, (7) где ф - широта данной местности.
Количество вырабатываемой электроэнергии солнечной батареей зависит от погодных условий. Для учета этого фактора необходимо определить количество солнечной энергии, на которое можно рассчитывать в данной местности. При этом важно учитывать два фактора: среднегодовую солнечную радиацию, а также ее среднемесячные значения при наихудших погодных условиях.
Взяв значение солнечной инсоляции за интересующий нас период и разделив его на 1000, получим так называемое количество пикочасов, то есть условное время, в течение которого солнце светит как бы с интенсивностью 1000 Вт/м2.
Модуль мощностью Рк (Вт) в течение выбранного периода выработает следующее количество энергии:
к • Е Р Ж = Р , (8) 1000
где Е - значение инсоляции за выбранный период, кВт-ч/м2 в день; к - коэффициент, равный 0,5 и 0,7 в летний и зимний периоды, соответственно. Он делает поправку на потерю мощности солнечных элементов при нагреве на солнце, а также учитывает наклонное падение лучей на поверхность модулей в течение дня. Разница в его значении зимой и летом обусловлена меньшим нагревом элементов в зимний период.
Выбор автономных инверторов напряжения. При выборе инвертора необходимо рассчитать суммарную нагрузку приборов, подключаемых к инвертору, и увеличить, как минимум, на 30% полученную мощность. Выбранный на эту мощность инвертор позволит запускать электроприборы с пусковыми мощностями, в 3-4 раза превышающими паспортный.
Выбор контроллера заряда. Количество
контролеров заряда определяется произведением количества солнечных батарей на отношение мощности солнечной батареи к максимальной входящей мощности солнечной батареи.
Выбор солнечных коллекторов
Расчет вырабатываемой энергии солнечным коллектором определяется по формуле:
WK = Бэ ■ Е • п, (9) где S:3 - эффективная площадь поглощения коллектора, м2; Е - показатель солнечной инсоляции для оптимального угла, кВт-ч/м2 в день; п -коэффициент полезного действия солнечного коллектора, %.
Площадь поглощения одной трубки -фактически площадь «тени», создаваемой трубкой при ее освещении солнцем. Это проекция трубки на плоскость, проходящую через ее диаметр. Площадь «тени» находится произведением диаметра трубки на длину трубки, участвующую в приеме солнца. Рассчитав эффективную площадь поглощения одной трубки и, умножив ее на количество трубок коллектора, получим общую эффективную площадь поглощения коллектора.
Рассмотренные методы выбора оборудования могут быть использованы при проектировании солнечных фотоэлектрических станций и при размещении солнечных коллекторов на крышах жилых домов для обеспечения электрической и тепловой энергией удаленных и малонаселенных регионов, где существуют проблемы энергоснабжения.
Список литературы
1. Шуткин О. И. Эколого-экономическая оценка конкурентоспособности проектов солнечной энергетики в российской федерации: дисс. ... канд. экон. наук: 08.00.05 / Гос. ун-т упр. - М., 2014. - С. 51-64.
2. NASA [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https ://power.larc.nasa.gov/ (дата обращения 19.06.2019).
3. Атлас ресурсов возобновляемой энергии на территории России [Текст] / Нац. исслед. ун-т «Высшая школа экономики». — М. : НИУ ВШЭ, 2015. — 160 с.
4. Охоткин Г. П. Методика расчета мощности солнечных электростанций // Вестник Чувашского университета. - 2013. - № 3. - С. 222230.
