CC BY
60
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №11/2015 ISSN 2410-700Х_
УДК 662.997
Ильин Роман Альбертович
к.т.н., профессор кафедры «Теплоэнергетика» Астраханский государственный технический университет
Давыденко Андрей Иванович студент 1 курса магистратуры института морских технологий, энергетики и транспорта Астраханский государственный технический университет Г. Астрахань, Российская Федерация kaften.astu@mail.ru
ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ КАК НЕЗАВИСИМЫЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА СОБСТВЕННЫЕ НУЖДЫ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
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].
Россия - 694,2 млн т.н.э.
Уголь
Газ 13,53%
53,96%
"Грязная"
анергия
34,77% Нефть
21,25%
ВИЭ Гидро LATUM
0,01% 5,81%
Рисунок 1 - Структура энергопотребления по источникам энергии в России на 2013г.
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.
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №11/2015 ISSN 2410-700Х_
Одним из очень перспективных направлений ВИЭ в нашей стране является солнечная энергетика. Высокими показателями среднемесячной инсоляции солнца обладают такие города, как Владивосток - 1289,5 кВтч/м2 за год, Сочи - 1365,1 кВтч/м2 за год, Астрахань - 1371,1 кВтч/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 МВтхч. 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 - 15о больше географической широты. Географическая широта города Астрахань составляет 47о. Следовательно, добавив к этому значению 10о, получаем 57 о. Ориентация батарей выбрана на юг. Расположение котельной это позволяет.
Рисунок 2 - Котельная «Покровская»
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 AШBV, AIIBVI.
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, с. 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 Ехтогк - 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 ^ом = 24 В, номинальный ток !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 ^=1,94м2).
Рисунок 3 - Солнечная батарея Exmork ФСМ-300М
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 (58мх26м), а второго - 260 м2 (20мх13м). В сумме получается 1760 м2. Исходя из ширины одной солнечной батареи и рассчитанному по формуле (1) [1, с. 4] расстоянию между рядами батарей во избежание взаимного затемнения, определяем, что максимальное количество батарей составит 363 штуки.
Z = ах1,7 = 1956x1,7 = 3325,2 (мм), (1)
где а - 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:
Eo6 = EnnoXPO6X П / Pnno (2)
где Есб — выработка энергии солнечной батареей, кВтхч; Еинс — месячная инсоляция квадратного метра, кВтхч; Рсб — номинальная мощность солнечной батареи, Вт; п — 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); Ринс — максимальная мощность инсоляции квадратного метра земной поверхности, кВтхч/м2. Ринс = 1,0 кВтхч/м2 для условий Астраханской области.
Значение Есб 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:
Eсб = 58,5x108,9x0,9 / 1,0 = 5733,59(кВтхч) В результате расчёта выяснилось, что за год фотоэлектрическая система может выработать 137 393 кВтхч электроэнергии, что составляет всего 5,3% от годовых потребностей котельной (2 583 100 кВтхч). 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 кВтхч, меньше всего в декабре - 4 824 кВтхч.
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 мАхч, 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,^ 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%
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №11/2015 ISSN 2410-700Х_
от стоимости всего оборудования).
Срок окупаемости полученной фотоэлектричекой системы определяли по формуле [5, с. 153]:
T = Яобщ / S', (3)
где SöGrn; — стоимость всей системы, руб.; S' - полученная прибыль от установки, руб. Значение S' было найдено по формуле:
S' = WxC, (4)
где W - суммарная производимая энергия солнечной электростанцией за год, кВтхч; C - установленная стоимость электроэнергии за 1 кВтхч, руб. (для котельной «Покровская» = 2,9 руб.).
S' = 137393x2,9 = 398500(руб.) В итоге, срок окупаемости полученной фотоэлектричекой системы составил:
T = 16261403 / 398500 = 41(год) 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:
T = 8409634 / 398500 = 21 (год) 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 кВтхч электроэнергии значительно выше. Например, в Германии предприятия с такой мощностью платят примерно 7 руб. за кВтхч 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:
S' = 137393x7 = 961751(руб.) Срок окупаемости теперь составит:
T = 8409634 / 961751 = 9(лет) 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.
3.5 1.5
1970 1985 2000 2015
Рисунок 4 - Изменение цены за Вт фотоэлектрических батарей на основе кристаллического кремния по годам, $
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.
© Ильин Р.А., Давыденко А.И., 2015
УДК 621.391.8
Какунина Анна Станиславовна Казначеева Анна Олеговна, к.т.н., доц.
НМЦ-Томография г. Санкт-Петербург E-mail: a_kazn@mail.ru
АРТЕФАКТЫ ДИФФУЗИОННО-ВЗВЕШЕННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
Аннотация
Рассмотрены основные помехи, встречающиеся на диффузионно-взвешенных изображениях в магнитно-резонансной томографии, их причины и способы устранения. Проанализированы исследования головного мозга, выполненные на томографах с полем 1,5 и 3 Тл по стандартному протоколу, показана зависимость количества артефактов каждого типа от индукции поля для изображений при различном диффузионном градиенте.
Ключевые слова
Высокопольная МРТ; диффузия; артефакты томограмм; качество изображений.
При отображении и количественной оценке диффузии, чувствительность изображений к скорости молекул зависит от амплитуды и скорости нарастания диффузионного градиента (b-фактора) [1, 4]. Методика сканирования включает получение двух наборов изображений с различной амплитудой диффузионных градиентов, один из которых принимается за начальную точку отсчета. Необходимость высокой точности количественной оценки диффузии объясняется использованием полученных значений для дифференциации различных образований и здоровых тканей [7, 8]. Однако высокая скорость получения изображений, высокое разрешение во времени и особенности эхо-планарных импульсных последовательностей [9, 10] приводят к появлению на изображениях артефактов, которые можно разделить на яркостные искажения, геометрические искажения, ложные изображения.
Артефакт магнитной восприимчивости возникает от микроскопических градиентов вблизи границ тканей с разной магнитной восприимчивостью и проявляется в виде ярких пятен или пространственных искажений. На диффузионно-взвешенных томограммах, как правило, появляется на границе воздух/вещество мозга в области лобных и височных долей (Рис. 1, а). В ряде случаев может имитировать
