CC BY
271
Оригинальная статья / Original article УДК 620.92
DOI: http://dx.d0i.0rg/l0.21285/1814-3520-2018-11 -182-198
ИНТЕГРАЦИЯ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ В СИСТЕМУ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРЕДПРИЯТИЯ
1 9
© С.В. Подковальников', М.А. Поломошина2
Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН, 664033, Российская Федерация, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 130.
РЕЗЮМЕ: В статье рассматривается возможность использования возобновляемых источников энергии для электроснабжения механического завода. Производится оценка климатических условий местности, а также исследуется возможность установки альтернативных источников энергии на данном заводе. В качестве альтернативных источников предлагается использовать солнечные батареи. Выбирается необходимое оборудование и производится расчет количества солнечных установок и их мощности. Выполняются технико-экономические расчеты, по результатам которых оценивается эффективность установки солнечных источников энергии. Цель - оценить эффективность интеграции альтернативных источников энергии в систему электроснабжения промышленного предприятия. Расчет реальной мощности солнечных панелей производился с учетом таблицы солнечной инсоляции. Исходя из площади крыш зданий, было подсчитано количество солнечных модулей, инверторов и другого оборудования, подключаемого к ним. Для оценки экономической эффективности был рассчитан срок окупаемости установленного оборудования. В результате оценки климатических условий г. Иркутска было выявлено, что данная местность обладает сравнительно высоким потенциалом для развития солнечной энергетики, поэтому в данной работе подробно рассматривается внедрение солнечных модулей в систему электроснабжения промышленного предприятия. Произведен расчет их фактической мощности, которая напрямую зависит от солнечной активности и в среднем составляет 80% от номинальной. Расчет годового количества энергии, получаемой от солнечных панелей, показал, что возобновляемые источники энергии могут составить весомую долю в электроснабжении предприятия. Согласно полученным оценкам, экономическая эффективность их использования в настоящее время довольно низка. Однако учет тенденций снижения стоимости самих солнечных панелей и другого вспомогательного оборудования, а также повышения цен на электроэнергию, делают данные источники электроэнергии эффективными уже в ближайшей перспективе. Проведенное исследование наглядно показывает, что в систему электроснабжения промышленного предприятия вполне реально интегрировать альтернативные источники энергии, которые смогут покрыть значительную часть его электропотребления. При ожидаемом снижении затрат на оборудование и повышении цен на электроэнергию возобновляемые источники станут экономически эффективными.
Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, солнечная энергетика, ветроэнергетика, интеграция, энергетический потенциал, эффективность, системы электроснабжения
Информация о статье: Дата поступления 27 сентября 2018 г.; дата принятия к печати 30 октября 2018 г.; дата онлайн-размещения 30 ноября 2018 г.
Для цитирования: Подковальников С.И., Поломошина М.А. Интеграция возобновляемых источников энергии в систему электроснабжения промышленного предприятия. Вестник Иркутского государственного технического университета. 2018;22(11):182-198. DOI: 10.21285/1814-3520-2018-11-182-198.
1Подковальников Сергей Викторович, Cand. Sci. (Eng.), заведующий лабораторией межгосударственных электроэнергетических объединений, e-mail: [email protected] Sergei V. Podkovalnikov, Candidate of technical sciences, Head of the Laboratory interstate electric power associations, e-mail: [email protected]
2Поломошина Марина Анатольевна, магистрант, e-mail: [email protected] Marina A. Polomoshina, Master degree student, e-mail: [email protected]
INTEGRATION OF RENEWABLE ENERGY SOURCES INTO THE INDUSTRIAL ENTERPRISE ELECTRIC POWER SUPPLY SYSTEM
Sergei V. Podkovalnikov, Marina A. Polomoshina
Melentiev Energy Systems Institute SB RAS,
130 Lermontov St., Irkutsk 664033, Russian Federation
ABSTRACT: The paper addresses the possibility of using renewable energy sources for mechanical plant power supply. The area climatic conditions are given an assessment. The possibility to install alternative energy facilities at the plant is studied. Solar panels are proposed as alternative sources. The required equipment is selected and the calculation of the number and capacity photovoltaic cells is made. Conducted technical and economic calculations serve the basis for efficiency evaluation of installed photovoltaic cells. The purpose of the paper is to evaluate the effectiveness of alternative energy facilities integration into the power supply system of an industrial enterprise. The computation of the solar panel true power is made taking into account the table of solar insolation. The number of solar modules, inverters and other equipment connected to them has been calculated based on the area of building roofs. The economic effectiveness is estimated on the basis of the calculated payback period of the installed equipment. Assessment of Irkutsk climatic conditions has shown that the area under investigation has a relatively high potential for the development of solar energy. Therefore, this work gives a detailed consideration of the integration of solar modules into the power supply system of the industrial enterprise. Their actual power, which directly depends on solar activity and averages 80% of the capacity rate, is calculated. The calculated annual amount of power received from solar panels has showed that renewable energy facilities can make a significant part in enterprise power supply. According to the estimates obtained, the economic effectiveness of their use today is quite low. However, trends in reducing the cost of the solar panels themselves and other auxiliary equipment, as well as growth of electrical energy price make these power sources effective in the near future. The conducted study clearly shows that it is quite possible to integrate alternative energy facilities into the power supply system of an industrial enterprise, and they will be able to make a significant part of its power consumption. In view of expected drop of equipment costs and growth of electricity prices, the renewable sources will become cost-effective.
Keywords: renewable energy sources, solar energy, wind energy, integration, energy potential, effectiveness, power supply systems
Information about the article: Received September 27, 2018; accepted for publication October 30, 2018; available online November 31, 2018.
For citation: Podkovalnikov S.V., Polomoshina M.A. Integration of renewable energy sources into the industrial enterprise electric power supply system. Vestnik Irkutskogo Gosudarstvennogo Tehnicheskogo Universiteta = Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2018;22(11):182-198. (in Russ.) DOI: 10.21285/1814-3520-2018-11-182-198.
Введение
Данное исследование было выполнено в рамках дипломного проекта на тему «Проектирование системы электроснабжения механического завода». По проекту завод расположен в г. Иркутске, следовательно, при проектировании учитываются климатические особенности данной местности. Исходные данные содержат генеральный план предприятия с расположением цехов на территории завода, а также ведомость электрических нагрузок предприятия, содержащую подробную информацию о потребителях.
Питание завода электрической энергией осуществляется от подстанции энергосистемы. Проектирование системы элек-
троснабжение (СЭС) включало в себя: определение местоположения Главной понизительной подстанции завода и трансформаторных подстанций (ТП) цехов и их мощности, выбор напряжения системы внешнего и внутреннего электроснабжения, технико-экономические расчеты, выбор схемы электроснабжения и выбор оборудования. В дополнение ко всему, производился расчет молниезащиты и заземления, зона действия которых также может распространяться и на солнечные модули.
По результатам вычислений, расчетная активная мощность низковольтной нагрузки механического завода равна 13,7 МВт.
В качестве дополнительного источника электроснабжения рассматривались возобновляемые источники энергии (ВИЭ), такие как солнечные батареи и ветрогене-рирующие установки.
Предварительно оценивались климатические ресурсы, показывающая энергетический потенциал ВИЭ в условиях данной местности. Отдельно изучался вопрос о синхронизации системы ВИЭ с общей се-
тью. Далее производился расчет количества и мощности данных установок, который позволяет оценить эффективность их применения на механическом заводе.
В статье подробно описывается интеграция альтернативных источников энергии в СЭС промышленного предприятия, а также оценивается их экономическая эффективность путем расчета срока окупаемости.
Роль возобновляемых источников энергии в мире и в России
Во многих развитых и развивающихся странах мира значительную долю в энергобалансах составляют возобновляемые источники энергии. В настоящее время при активном развитии промышленности довольно быстро происходит исчерпание угольных и нефтегазовых ресурсов, также отходы от сгорания ископаемого топлива выбрасываются в атмосферу и создают различные экологические проблемы. Поэтому переход от традиционных источников энергии к возобновляемым энергетическим ресурсам набирает оборот и приобретает все большую глобальную значимость. По результатам различных исследований в ближайшее время прогнозируется постепенный переход на альтернативные источ-
ники энергии. Такая трансформация требует длительного времени, но уже сейчас разрабатываются планы перехода на ВИЭ для крупных городов, регионов и даже целых стран.
Несмотря на глобальные тенденции, в России возобновляемая энергетика по-прежнему находится на начальных этапах развития, хотя формирование отрасли ВИЭ способно оказать существенное положительное влияние на российскую экономику. Так, за счет ВИЭ могут быть созданы новые компании и рабочие места, новые возможности для развития населенных пунктов, не подключенных к системам централизованного электроснабжения [1-3].
Оценка потенциала развития ВИЭ на механическом заводе в Иркутске
Солнечная радиация зависит, главным образом, от широты местности. Россия расположена между 41 и 82 градусами северной широты, и уровни солнечной радиации на ее территории существенно варьируются.
Многие регионы нашей страны являются перспективными в плане использования энергии солнца. Иркутская область также обладает огромным потенциалом для развития солнечной энергетики. Так, например, в Иркутске (52 градуса северной широты) уровень солнечной радиации достигает 1340 кВтчас/м2, что является достаточно хорошим показателем. Для того чтобы в полной мере оценить перспективы установки солнечных батарей в г. Ир-
кутске обратимся к таблице 1, где представлены данные о суммах прямой солнечной радиации, падающей на горизонтальную поверхность при ясном небе [4].
В таблице представлено количество солнечной радиации за часовой интервал, за сутки, месяц и год. Из таблицы видно, что наибольшая солнечная активность будет достигаться в июне в полдень в ясную погоду и она составляет 2,81 МДж/м2 за часовой интервал. В остальное время эта активность изменяется в зависимости от сезона и времени суток. Итак, Иркутская область обладает сравнительно хорошим потенциалом для развития солнечной энергетики, а значит, установка солнечных батарей на рассмат-
Энергетика
ТШЯ Power Engineering
риваемом заводе остается актуальной.
Россия обладает огромным потенциалом ветровой энергии. Этому способствуют большая территория страны, а также широкое климатическое разнообразие. Наиболее перспективны районы крайнего севера, горные и холмистые местности, а также морские побережья. Главным показателем оценки потенциала для ветроэнергетики является средняя годовая скорость. Когда значения этой скорости менее 4 м/с использование ветровых установок не целесообразно, так как скорость необходимая
для запуска большинства ветрогенератора-торов равна 3,5-4 м/с. В то же время на большей части территории Иркутской области средняя годовая скорость ветра не превышает 3-4 м/с [5]. Эти величины справедливы как для районов с холмистым и низкогорным рельефом, так и для равнин. Максимальная средняя годовая скорость ветра была отмечена лишь у побережья Байкала 5-8 м/с [5]. Таким образом, было принято решение не рассматривать ветро-генерирующие установки в выполняемом исследовании.
Часы Месяц
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
0-1
1-2
2-3
3-4 0,02
4-5 0,11 0,20 0,13 0,02
5-6 0,14 0,41 0,54 0,46 0,26 0,02
6-7 0,09 0,51 0,79 0,95 0,89 0,59 0,23 0,02
ro m 7-8 0,12 0,41 0,95 1,23 1,41 1,41 1,05 0,69 0,31 0,01
CD 8-9 0,13 0,51 0,52 1,41 1,71 1,89 1,87 1,56 1,10 0,69 0,20 0,07
X s 9-10 0,38 0,84 1,38 1,83 2,20 2,33 2,25 1,99 1,56 1,07 0,54 0,26
>S о 10-11 0,59 1,12 1,69 2,20 2,58 2,66 2,56 2,30 1,92 1,41 0,82 0,46
m о 11-12 0,74 1,28 1,87 2,40 2,76 2,81 2,73 2,43 2,10 1,53 0,95 0,59
го ■у 12-13 0,74 1,28 1,87 2,40 2,76 2,81 2,73 2,43 2,10 1,53 0,95 0,46
ГО СО 13-14 0,59 1,12 1,69 2,20 2,58 2,66 2,56 2,30 1,92 1,41 0,82 0,26
14-15 0,38 0,84 1,38 1,83 2,20 2,38 2,25 1,99 1,58 1,07 0,54
15-16 0,13 0,51 0,92 1,41 1,74 1,94 1,87 1,56 1,12 0,69 0,20
16-17 0,12 0,41 0,95 1,25 1,43 1,41 1,05 0,66 0,31 0,01
17-18 0,09 0,51 0,82 0,95 0,89 0,59 0,23 0,02
19-20 0,14 0,43 0,54 0,46 0,26 0,01
20-21 0,11 0,20 0,13 0,02
21-22 0,02
22-23
23-24
За сутки 3,68 7,74 12,7 18,9 23,7 25,7 24,6 20,4 15,2 10,1 5,04 2,76
За месяц 114 217 394 566 734 771 763 632 457 312 151 86
За год 5197
Таблица 1
Суммы прямой солнечной радиации (МДж/м2) при ясном небе на горизонтальную поверхность в г. Иркутске [4]
Table 1
о
Amount of direct solar radiation (MJ/m2) in a clear sky per a horizontal
surface in Irkutsk [4]
Условия и предпосылки для установки солнечных панелей на механическом заводе
Рассмотрим возможности применения солнечных установок на механическом заводе. Для того чтобы сократить потребление электроэнергии, на территории завода устанавливаются солнечные батареи.
Солнечные батареи будут располагаться только на крышах цехов и остальных зданий, так как в других возможных для этого местах на территории завода могут располагаться подъездные пути, склады и прочие объекты. Считается, что крыши зданий располагаются горизонтально и, следовательно, площадь крыши будет равна площади здания. Кроме того, расположение солнечных панелей на земле может оказаться неэффективным, так как в этом случае на них могут падать тени от заборов и цехов, расположенных поблизости. Поэтому расположение солнечных панелей на крышах цехов позволит достичь максимально возможной мощности солнечных панелей
На рис. 1 изображен план расположения цехов механического завода, где
указана площадь зданий. Видно, что цеха завода обладают достаточной площадью крыш для установки необходимого количества солнечных модулей.
На данном предприятии можно условно выделить две группы зданий:
- энергоемкие производственные цеха со своей трансформаторной подстанцией;
- непроизводственные здания, потребляющие значительно меньшую мощность и не имеющие собственной трансформаторной подстанции (проходная, заводоуправление и т.д.).
Предполагается, что на всей имеющейся площади крыши производственных цехов будут располагаться солнечные панели, чтобы покрыть большую часть графика электрической нагрузки предприятия. Однако, при этом, учитываются суточные графики нагрузок цехов, чтобы мощность генерации от солнечных батарей не превысила мощности нагрузки цеха и, чтобы не происходила выдача энергии обратно в
Рис. 1. План расположения цехов механического завода Fig.1. Layout of mechanical plant departments
энергосистему. Такое ограничение на развитие солнечных установок принято, исходя из того, чтобы не ломать сложившуюся систему отношений на рынке электроэнергии и мощности, когда его участники имеют определенный установившийся статус потребителя или поставщика электроэнергии. Кроме того, возникновение обратных перетоков, возможно, потребовало бы пересмотра организации защиты и автоматики в системе электроснабжения завода, на внешней питающей подстанции, а также самой СЭС.
При снижении поставки электроэнергии от энергосистемы за счет питания от солнечных панелей, выбранные ранее трансформаторная мощность, пропускные
способности кабелей и коммутационные аппараты не пересматривались. Это несколько ухудшало экономическую эффективность солнечных панелей, однако, было необходимо в силу того, что солнечная энергия непредсказуема и не может рассматриваться как гарантированная, поэтому требуется ее полное резервирование. Таким резервным источником выступает энергосистема. С другой стороны, ввиду соединения системы солнечных установок с централизованной сетью, было решено отказаться от использования аккумуляторов для солнечных установок в качестве дополнительного резервирования. Это позволит значительно удешевить систему солнечных установок.
Синхронизация возобновляемых источников энергии с централизованной сетью
Для синхронизации и подсоединения к сети электроснабжения завода солнечных батарей используются сетевые инверторы, которыми называют устройства, преобразующие постоянное напряжение от возобновляемых источников энергии в переменное напряжение.
Сетевые инверторы также называют синхронными преобразователями, так как они обладают отличительной особенностью - наличием синхронизации выходного напряжения и тока со стационарной сетью. Таким образом, сетевой инвертор осуществляет преобразование постоянного тока от солнечных модулей в переменный, с надлежащими значениями его частоты и фазы напряжения для сопряжения со стационарной сетью. Такой инвертор должен следить за фазой сети и с очень высокой точностью непрерывно поддерживать выходное напряжение немного выше напряжения сети. Высококачественный современный сетевой инвертор имеет фиксированный коэффициент мощности. Инвертор управляется микропроцессором, который следит за текущей формой сетевого напряжения переменного тока и выводит напряжение, точно соответствующее напряжению сети.
Сетевые инверторы промышленного назначения используют для передачи энергии от возобновляемых источников энергии в 3-х фазную сеть [6].
Для нашего случая используем трехфазный сетевой инвертор. В отличие от однофазного, он распределяет энергию, полученную от солнечных батарей равномерно между фазами. А в случае использования трех однофазных инверторов мощность на выходе каждого инвертора будет колебаться в зависимости от выдаваемой подключенной к его входу солнечной батареи. Если мощность солнечных панелей разная и/или каждая солнечная панель ориентирована или освещена по-разному, то, соответственно, будет отличаться и подаваемая по разным фазам мощность [7].
На рис. 2 показан основной принцип подключения солнечных модулей к сетевому инвертору, а также совместную работу инвертора с централизованной сетью.
Для выполнения дальнейшего расчета выбираем солнечные батареи Sila solar установленной мощностью 250 Вт каждая [8]. Данная модель имеет хорошие показатели производительности при сравнительно невысокой цене.
Фотоэлектрические модули
Ввод .электрическо й i
Сетевой инвертор
скои i и
Счетчик электрической
А В С N
О
Потребители
Рис. 2. Схема подключения солнечных модулей к потребителям Fig. 2. Diagram of solar module connection to consumers
Расчет фактической мощности солнечного модуля
Фактическая мощность солнечных батарей в среднем составляет 75-85 % от ее номинальной мощности. Это зависит, в первую очередь, от климатических факторов, а также от угла наклона (угол между горизонтальной плоскостью и солнечной панелью) и ориентации этих модулей на юг (для северного полушария). Наибольшей эффективности солнечные панели достигают в том случае, когда они направлены на солнце и их поверхность перпендикулярна солнечным лучам. Солнечные панели располагаются на крышах цехов завода в фиксированном положении, поэтому не расположены под прямым углом к солнечным лучам в течение всего дня. В таком случае подбирается такой угол наклона самих панелей, который обеспечит их нахождение под прямым углом к солнечным лучам наиболее продолжительное время.
Оптимальный угол наклона солнечных установок подбирается в зависимости от широты местности. В г. Иркутске, расположенном на широте 52 градуса оптимальный угол наклона составляет 36 градусов [9].
В данном случае считается, что расположенные на крышах цехов солнечные
панели будут ориентированы на юг. Из рис. 1, видно, что такое географическое положение завода позволяет обеспечить минимальное отклонение от южного направления. Следовательно, принимаем отклонение от южного направления равное 5 градусов. При таком отклонении мощность, выдаваемая солнечными батареями, является максимальной [10].
Чтобы рассчитать реальную мощность одной солнечной панели воспользуемся формулой [10]:
E =
I-V-k -k
o пот
U
(1)
где E - фактическая мощность одной панели, Вт; I - количество солнечной энергии, падающее на горизонтальную поверхность Земли, кВтч/м (дано в таблице 1 с пересч етом в указанные единицы измерения); V - номинальная мощность одной солнечной панели, Вт (дана в характеристиках солнечной панели Sila Solar 250 [8]);
- поправочный коэффициент, зависящий от угла наклона солнечной панели и от отклонения от южного направления (принимается из [10] в соответствии с углом
гг
-+
гт
-+
мм—гттт
+ - + - А В С N
А В С N
Энергетика
ТШЯ Power Engineering
наклона панели и отклонением от южного направления); &яоиг - коэффициент, характеризующий потери (принимается равным 0,94 и включает в себя потери, связанные с ростом температуры модуля, с затенением и загрязнением солнечных панелей, потери в период низкого уровня солнечного излучения и в шунтирующих диодах); £УИСЯ - интенсивность солнечной радиации, при которой тестируются солнечные панели, кВт/м2 (дана в справочных характеристиках солнечной панели Sila Solar 250 [8]).
Пользуясь формулой (1), рассчитаем фактическую мощность солнечных панелей. Данные расчета сведем в табл. 2.
Из расчета видно, что наибольшая мощность одного солнечного модуля будет выработана в дневные часы суток (11.0013.00) в июне. В остальное время фактическая мощность одного модуля будет уменьшаться пропорционально уменьшению количества прямой солнечной радиации.
Часы Месяц
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
0-1
1-2
2-3
3-4 1,5
4-5 B,1 14,B 9,6 1,5
5-6 10,3 30,2 39,B 33,9 19,2 1,5
6-7 6,6 37,6 5B,3 70,1 65,6 43,5 16,9 1,5
ro m 7-B B,9 30,2 70,1 90,7 104 104 77,5 50,9 22,9 0,7
CD B-9 9,6 37,6 3B,3 104 126 139 13B 115 B1,1 50,1 14,B 5,2
X s 9-10 2B,1 61,9 102 135 162 172 166 147 115 7B,9 39,B 19,2
>S о 10-11 43,5 B2,6 125 162 190 196 1B9 170 142 104 60,5 33,9
m о 11-12 54,6 94,4 13B 177 204 207 201 179 155 113 70,1 43,5
го ■у 12-13 43,5 94,4 13B 177 204 207 201 179 155 113 70,1 33,9
ГО СО 13-14 2B,1 B2,6 125 162 190 196 1B9 170 142 104 60,5 19,2
14-15 9,6 61,9 102 135 162 176 166 147 117 7B,9 39,B
15-16 37,6 67,9 104 12B 143 13B 115 B2,6 50,1 14,B
16-17 B,9 30,2 70,1 92,2 105 104 77,5 4B,7 22,9 0,7
17-1B 6,6 37,6 60,5 70,1 65,6 43,5 16,9 1,5
19-20 10,3 31,7 39,B 33,9 19,2 0,7
20-21 B,1 14,7 9,6 1,5
21-22 1,5
22-23
23-24
За сутки 271 571 93B 1393 1747 1B96 1B15 1505 1124 742 372 204
За месяц B409 1600 6 2900 63 5175 0 5414 2 56B7 2 562B 2 4661 9 3371 0 2301 4 1113 B 6343
За год 3B3350,93
Таблица 2
Фактическая мощность одного солнечного модуля в зависимости от часов суток и времени года в г. Иркутск (Вт)
Table 2
Real capacity of one solar module depending on the hour of day and season in Irkutsk (W)
Расчет энергетических показателей солнечных модулей
Ранее было определено, что солнечные модули будут располагаться на крышах зданий предприятия под углом наклона равным 36°. Отклонение от южного направления задается равным 5°. Стоит отметить, что подъем модулей на заданный угол наклона также позволит обеспечить минимальное отклонение от южного направления. На генеральном плане предприятия (см. рис. 1) указано географическое расположение, которое учитывается при ориентации солнечных панелей на юг. В табл. 3 представлены размеры зданий завода. За счет расположения солнечных панелей под наклоном, увеличится и их площадь, тем самым позволяя устанавливать большее число панелей, чем на горизонтальной поверхности.
Площадь солнечных панелей с учетом угла их наклона рассчитывается по следующей формуле:
S = 0,9-
l
cosa
-• Ъ,
где I - длина здания, м; а - угол наклона солнечных панелей, равный 36°; Ь - ширина здания, м; 0,9 - коэффициент, учитывающий площадь технических проходов для обслуживания солнечных модулей. Данные расчета для цехов представлены в табл. 3.
Для расчета годового производства электроэнергии солнечными установками используем табл. 1. Путем умножения данных табл. 1 на количество солнечных модулей, установленных на крыше цеха, получим данные мощности и энергии для конкретного цеха. Далее подсчитываем суммарную энергию, генерируемую солнечными установками цеха за год. Пример расчета мощности и энергии солнечных панелей цеха № 2 в зависимости от часов суток и времени года приведен в табл. 4, из которой берем суммарное значение вырабатываемой энергии за год. Это значение необходимо для расчета экономической эффективности солнечных установок. Итоги расчетов заносим в табл. 5.
Расчет площади солнечных панелей
Таблица 3 Table 3
Calcu
ation of solar panel square
Цех № Sцеха, м2 Длина здания 1, м Длина поверх. накл. 11, м Ширина здания Ь, м 3 поверх^ крыши, м S солн. пан м
1 285 21,34 26,05 13,34 347,33 312,б
2 322 85,34 109,19 26,67 3724,65 3352,18
S 4880 26,67 32,56 101,35 5956,7 53б1,03
4 2бб0 64,01 78,14 40,01 3125,96 2813,37
б 42б8 80,01 97,67 53,34 5209,94 4б88,9б
б 2290 85,34 104,19 18,67 26,42,11 2377,9
7 10б7 26,67 32,56 40,01 1302,49 1172,24
8 2134 26,67 32,56 80,01 2604,97 2344,47
9 1280 26,67 32,56 48,01 1562,98 140б,б8
10 1494 93,35 113,95 16 1823,48 1 б41,13
11 3841 90,68 110,7 24 4321,49 3889,34
12 4723 74,68 91,16 48,01 5514,41 49б2,97
13 2788 74,68 91,16 37,34 3403,83 30б3,4б
Число модулей для одного цеха новки для цеха рассчитывается как рассчитывается согласно выражению
P = N • P
Zсолн.цеха ном.модуля '
s
_ крыши цеха
SM0^M Результаты расчета для цехов при-
ведены в табл. 5.
Номинальная мощность всей уста-
Таблица 4
Энергия, вырабатываемая солнечными модулями цеха № 2
Table 4
_Energy produced by solar modules of the department no. 2_
Часы Месяц
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
0-1
1-2
2-3
3-4 3,1
4-5 16,9 30,7 19,9 3,1
5-6 21,5 62,9 82,9 70,7 39,9 3,1
6-7 13,8 78,3 121 146 137 90,6 35,3 3,1
ЕЦ 7-8 18,4 62,9 146 189 217 217 161 106 47,6 1,5
ro m 8-9 19,9 78,3 79,9 217 263 290 287 240 167 106 30,7 10,8
CD 1— X 9-10 58,4 129 212 281 338 358 346 306 240 164 82,9 39,9
>S о 10-11 90,6 172 260 338 396 409 393 353 295 217 126 70,7
m о о 11-12 114 197 287 369 424 432 419 373 323 235 146 90,6
оз Т оз 12-13 114 197 287 369 424 432 419 373 323 235 146 70,7
СО 13-14 90,6 172 260 338 396 409 393 353 295 217 126 39,3
14-15 58,4 129 212 281 338 366 346 306 243 164 82,9
15-16 19,9 78,3 141 217 267 298 287 240 172 106 30,7
16-17 18,4 62,9 146 192 220 217 161 101 47,6 1,5
17-18 13,8 78,3 126 146 137 90,6 35,3 3,1
19-20 21,5 66,1 82,9 70,7 39,9 1,5
20-21 16,9 30,7 19,9 3,1
21-22 3,1
22-23
23-24
За сутки 565 1189 1954 2899 3637 3949 3778 3133 2341 1545 774 424
За месяц 1750 8 3332 7 6051 2 8692 8 1127 30 1184 13 1171 84 9706 5 7011 88 4791 8 2319 1 1320 8
За год 798175,78
Расчетные данные солнечных установок цехов Calculated data of department solar installations
Таблица 5 Table 5
Подст-станция Цех Площадь солн. мод., м2 Расчетная мощность Рр', кВт Кол-во модулей шт. Ном. мощность модулей, кВт Генер. энергия, МВтч/г.
ТП1 2 3352,18 1431,08 2082 520,53 798,18
ТП2 7 1172,24 1247,313 728 182,02 279,12
ТП3 3 2969,67 1266,936 1845 461,13 707,10
ТП4 3 2391,36 1248,182 1485 371,33 569,40
ТП5 4 2813,37 2764,521 1747 436,86 669,88
ТП6 9 1406,68 1147,897 874 218,43 334,94
ТП7 8 2344,47 1830,188 1456 364,05 558,23
ТП8 11 3889,34 1174,512 2416 603,93 926,08
ТП9 12 4962,97 2789,062 3083 770,65 1181,71
ТП10 13 3063,45 1737,349 1903 475,69 729,43
- 1 312,60 10,84 25 6,25 9,58
- 6 2377,90 189,36 250 62,50 95,84
- 10 1641,13 26,74 100 25,00 38,34
- 5 4688,95 206,43 490 122,50 187,84
Итого 18483 4620,87 7085,65
Сравнение потребляемой активной мощности цехов с мощностью
солнечных панелей
Для того чтобы исключить возможность обратной отдачи электроэнергии в энергосистему, которая может возникнуть, когда генерируемая мощность солнечных панелей превышает потребляемую мощность цехов, необходимо сравнить суммарную мощность модулей для каждого цеха с расчетной активной нагрузкой цехов.
Для проверки отсутствия отдачи энергии в сеть были построены графики нагрузок для каждого цеха, где изображена типовая суточная нагрузка [11] и мощность, генерируемая солнечными панелями. На рис. 3 для примера представлен такой график для цеха термической обработки. Также был построен скорректированный суточный график нагрузки (рис. 3), учитыва-
ющий выработку электроэнергии солнечными панелями.
Графики нагрузки показывают, что выработка энергии солнечными панелями покрывает только некоторую их часть, и не превышает расчетную активную нагрузку цехов, что исключает возможность обратной отдачи электроэнергии в сеть.
Однако для цехов № 1, 5, 6, 10 проверка показала, что указанное условие не выполняется, в связи с чем площадь солнечных панелей для них была соответствующим образом скорректирована. В табл. 6 приведены расчетные данные по площади солнечных модулей с учетом данной корректировки.
P,%
60
40
20
а)
Активная нагрузка цеха
Активная мощность, генерируемая солнечными модулями
P,%
L 1 J
J
60
40
20
Потребляемая из сети активная мощность цеха с учетом выработки солнечных панелей
b
Рис. 3. График нагрузки цеха термической обработки: a - плановый; b - скорректированный Fig. 3. Load curve of the heat treatment department: a - planned; b - corrected
Выбор вспомогательного оборудования
Для преобразования постоянного тока в переменный и для синхронизации солнечных установок с СЭС выбираем 3-фазный фотоэлектрический сетевой инвертор БоГаг 1Ш [12].
Так как максимальная мощность одного инвертора не соответствует мощности подключаемых панелей, то необходимо рассчитать количество инверторов, требующихся для каждого цеха.
0
a
0
Сетевой инвертор Sofar 1Ш1 позволяет подключить до 48 солнечных модулей мощностью 250 Вт [13]. Для производственных цехов, солнечные панели, на крышах которых занимают практически всю площадь, количество солнечных модулей, подключаемых к одному инвертору равно 48. А для остальных цехов, где площадь крыши занимается ими лишь частично, для равномерного распределения нагрузки подсчитано число подключаемых панелей к одному инвертору, которое приведено в таблице 6.
Произведем уточненный расчет количества солнечных модулей приходящихся на один инвертор, с учетом мощности каждого цеха и технических параметров оборудования.
Для расчета используется информация из таблицы 5, результаты представлены в табл. 6.
Напряжение системы должно лежать в диапазоне входного напряжения ин-
вертора (160-960 В). А так как рабочее напряжение одной панели равно 30,9 В, то необходимо использовать смешанное (последовательно-параллельное) соединение панелей.
Примем число последовательно соединенных панелей равным 10. Тогда напряжение, подаваемое на вход инвертора будет равно 309 В. Зная мощность и напряжение на входе инвертора, по известной формуле рассчитаем ток для системы солнечных модулей.
В результате выбирается кабель для солнечных батарей HELUKABEL Solarflex PV1-F NTS сечением 10 мм2 с допустимым током 40 А [14]. Длина кабеля, проходящего от солнечных панелей до инвертора оценивается в 30 метров. Расчет суммарной длины кабеля производится путем умножения количества инверторов на длину кабеля, проходящего от панелей до инвертора. Результаты вышеперечисленных расчетов приведены в табл. 6.
Расчет количества инверторов и суммарной длины кабеля
Таблица 6 Table 6
Calculai Ion of the number of inverters and total cable length
П/ст Цех Кол-во инверторов, шт. Кол-во модулей на один инвертор, шт. Длина кабеля, м
ТП1 2 44 48 1320
ТП2 7 16 46 480
ТП3 3 39 48 1170
ТП4 3 31 48 930
ТП5 4 37 48 1110
ТП6 9 19 46 570
ТП7 8 31 47 930
ТП8 11 51 48 1530
ТП9 12 65 48 1950
ТП10 13 40 48 1200
- 1 1 25 30
- 6 6 42 180
- 10 3 34 90
- 5 11 45 330
Итого 394 11820
Расчет экономической эффективности солнечных установок
Ранее было выбрано все необходимое оборудование для установки солнечных батарей. Ниже приведены исходные и расчетные данные о стоимости этого оборудования (табл. 7).
где Ит - издержки на амортизацию;
Таблица 7
Стоимость оборудования
Table 7
Equipment cost_
Наименование оборудования Цена, тыс. руб. Кол-во, шт. Сумма, тыс. руб.
Sofar 11ktl 3-фазный фотоэлектрический сетевой инвертор 120 394 47 280
Кабель для солнечных батарей HELUKABEL Solarflex PV1-F NTS 10 мм2 0,19 11 820 2 246
Солнечные батареи Sila solar 250 Вт 9,1 18 483 168 195
Итого 217 721
Цена монтажа принимается в размере 15% от стоимости всей установки [15]. С учетом этого итоговая стоимость всей установки будет равна 250 379 тыс. руб.
Согласно расчетам, произведенным ранее (см. табл. 6), в год солнечные панели вырабатывают энергию, равную 7 085,65 кВтч.
Это составляет 27% от общезаводского электропотребления. Такое количество энергии экономится, благодаря данной установке (иначе говоря, на данную величину снижается потребление электроэнергии заводом от энергосистемы).
Учитывая, что цена на электроэнергию для промышленных предприятий с потребляемой мощностью более 10 МВт в Иркутской области равна 2951,22 руб/МВтч с учетом НДС (на август 2018 г.) [16], стоимость сэкономленной электроэнергии составит 20911,31 тыс. руб/г.
Далее произведем расчет годовых издержек солнечных установок по формулам:
И = И + И
ам. рем.
Ирем - издержки на ремонт и обслуживание; Т - срок службы установки; К - капитальные затраты в установки.
В итоге суммарные годовые издержки составили 10015,17 тыс. руб.
Рассчитаем срок окупаемости солнечных установок [17]:
T =
К
С - И
Иам= J ■ К
где C - стоимость сэкономленной за сч ет выработки солнечных панелей электроэнергии.
Расчеты показали довольно низкую эффективность солнечных установок. Срок их окупаемости составил 23 г., что для инвесторов является весьма длительным периодом, сильно ограничивающим их активность в финансировании такого рода проектов.
Однако следует иметь в виду, что за последние десять лет цены на солнечные батареи снизились почти на 90% [18]. И такая динамика падения цен будет продолжаться. Прогнозируется, что к 2022 г. цены на солнечные панели упадут еще на 27%, и далее ежегодно буду падать на 4,4%. Снизится не только себестоимость солнечных
панелей, а также инверторов и другого оборудования [19].
Помимо снижения затрат на оборудование существует перспектива повышения цены электрической энергии. Так, согласно отчетным данным [16], стоимость электроэнергии для промышленных предприятий с потребляемой мощностью более 10 МВт в Иркутской области за последние пять лет выросла почти на 30%. Нет оснований полагать, что этот тренд не будет продолжен в перспективе. Рассчитаем срок
окупаемости при снижении на 27% стоимости оборудования, а также увеличении цены на электроэнергию на 30%.
С учетом указанных факторов срок окупаемости солнечных установок составил 11 лет, т.е. снизился более чем в два раза. Таким образом, интеграция возобновляемых источников энергии в систему электроснабжения промышленного предприятия может стать достаточно эффективной уже в относительно близкой перспективе.
Заключение
В статье рассмотрена возможность установки альтернативных источников энергии для частичного замещения электроэнергии, получаемой механическим заводом от системы централизованного электроснабжения. Для этого рассматривались возможности использовать солнечные батареи и ветрогенерирующие установки. Производилась оценка потенциала развития солнечной энергетики и ветряной энергетики в городе Иркутске. Результаты оценки климатических условий показали, что использование ветрогенераторов является нерациональным из-за низких средних годовых скоростей ветра, поэтому вопрос установки ветрогенераторов не рассматривается. При этом ввиду повышенной солнечной активности в рассматриваемом регионе использование солнечных батарей для электроснабжения завода является актуальным. Особенность конструктивного исполнения цехов позволяют установить на крышах достаточное количество солнечных панелей, что даст возможность покрыть значительную часть графика нагрузки цеха в дневное время суток.
Для внедрения на предприятие системы солнечных установок, был рассмотрен вопрос об их синхронизации с сетью, который был решен с помощью выбора трехфазных сетевых инверторов.
Был произведен расчет общего количества солнечных панелей и генерируемой ими энергии. Для полного исключения обратной отдачи электроэнергии в энергосистему было выполнено сравнение нагрузки цехов и мощности, получаемой от панелей.
Была рассчитана стоимость солнечных установок с учетом монтажа, и определен срок их окупаемости, который составил 23 г., что свидетельствует о довольно низкой эффективности проекта. Однако ожидаемый рост цены электроэнергии и дальнейшее неуклонное снижение стоимости оборудования для солнечных установок существенно повысят в достаточно близкой перспективе их экономическую привлекательность, что было расч етно подтверждено в статье, и стимулируют ускоренное внедрение в системы электроснабжения потребителей России.
Библиографический список
1. Баринова В.А., Ланьшина Т.А. Особенности развития возобновляемых источников энергии в России и в мире // Российское предпринимательство. 2016. Т. 17. № 2. С. 259-270.
2. Марченко О.В., Соломин С.В. Анализ экономической эффективности возобновляемых источников энергии в децентрализованных системах электроснабжения // Международный научный журнал
«Альтернативная энергетика и экология». 2009. Т. 73. № 5. С. 78-84.
3. Иванова И.Ю., Майсюк Е.П., Тугузова Т.Ф. Экологическая оценка использования возобновляемых источников энергии и местных видов топлива для энергоснабжения потребителей прибрежной зоны оз. Байкал: сб. ст. по материалам науч.-практ. конф. с междунар. участием «Экологическая, промышлен-
ная и энергетическая безопасность» (Севастополь, 11-15 сентября 2017 г.). / Ред. Ю.А. Омельчук, Н.В. Лямина, Г.В. Кучерик. Севастополь: Изд-во Севастопольского государственного университета, 2017. С. 535-537.
4. Копель Л.В. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Иркутская область и западная часть Бурятской АССР. Л.: Гидрометеоиздат, 1991 г. 605 с.
5. Батуев А.Р., Богоявленский Б.А. Атлас. Иркутская область: экологические условия развития. М: Иркутск, 2004 г.
6. Сетевые инверторы [Электронный ресурс]. URL: http://net220.ru/katalog_produkcii/invertory_i_ibp1/setev ye_invertory/ (04.09.2018).
7. Особенности работы трехфазных фотоэлектрических сетевых инверторов [Электронный ресурс]. URL: http://www.solarhome.ru/solar/pv/3-1-phase-grid-tie-inverter.htm (04.09.2018)
8. Солнечная батарея Sila solar [Электронный ресурс]. URL: https://e-solarpower.ru/solar/solar-panels/poli-panel/solnechnaya-panel-sila-250vt/ (04.09.2018)
9. Ориентация солнечных панелей [Электронный ресурс]. URL: http://uekvarma.ru/article/orientatsiya-solnechnyih-paneley (04.09.2018)
10. Расчет средней производительности солнечной батареи [Электронный ресурс]. URL: http://solarsoul.net/raschet-solnechnoj-batarei (04.09.2018)
11. Рокотян С.С. Справочник по проектированию электроэнергетических систем. М.: Энергоатомиз-
дат, 1985 г. 352 с.
12. SOFAR 11KTL трехфазный фотоэлектрический инвертор [Электронный ресурс]. URL: http://shop.solarhome.ru/sofar-11 ktl-3-faznij-fotojelektricheskij-invertor.html (04.09.2018)
13. Подбор модулей для сетевых инверторов [Электронный ресурс].
URL:http://www.solarhome.ru/equipment/inverter/podbo r-modulej-dlya-setevyh-invertorov.htm (04.09.2018)
14. HELUKABEL Solarflex PV1-F NTS Кабель для солнечных батарей [Электронный ресурс] URL: http://стройторг.com/products/helukabel-solarflex-pv1 (04.09.2018)
15. Установка солнечных батарей [Электронный ресурс]. URL: http://solar-batarei.ru/ustanovka-solnechnih-batarei-cena.html (04.09.2018)
16. Предельные нерегулируемые цены на розничном рынке [Электронный ресурс]. URL: https://sbyt.irkutskenergo.ru/qa/2103.html (04.09.2018)
17. Велькин В.И., Завьялов А.С., Стариков Е.В. Расчет автономной фотоэлектрической системы электроснабжения для резервирования собственных нужд АЭС, Екатеринбург: УРФУ, 2014. 25 с.
18. Цены на солнечные батареи [Электронный ресурс]. URL:
https://aftershock.news/?q=node/642261&full (04.09.2018)
19. Цена на солнечную энергию [Электронный ресурс]. URL: https://hightech.fm/2017/06/28/solar-price (04.09.2018)
References
1. Barinova V.A., Lanshina T.A. Features of renewable energy sources development in Russia and in the world]. Rossiyskoe predprinematel'stvo [Russian Journal of Entrepreneurship]. 2016, vol. 17, no. 2, pp. 259-270. (In Russian)
2. Marchenko O.V., Solomin S.V. The analysis of economic effectiveness of renewable energy sources in decentralized energy systems. Mezhdunarodnyi nauch-nyi zhurnal a'ternativnaya energetica I ekologiya [The International Scholarly Journal Alternative Energy and Ecology]. 2009. no. 5. pp. 78-84. (In Russian)
3. Ivanova I.Yu., Majsyuk E.P., Tuguzova T.F. Ekologicheskaya ocenka ispol'zovaniya vozobnovlyae-my istochnikov energii i mestnyh vidov topliva dlya en-ergosnabzheniya potrebitelej pribrezhnoj zony oz. Bajkal [Environmental assessment of the use of renewable energy sources and local fuels for energy supply of lake Baikal coastal zone consumers]. Sb. st. po materi-alam nauch.-prakt. konf. s mezhdunar. uchastiem "Ekologicheskaya, promyshlennaya i energeticheskaya bezopasnost" [Collection of articles on the materials of scientific and practical conference with international participation "Environmental, Industrial and Energy Security"]. Sevastopol', 11-15 September 2017. Sevastopol', 2017, pp. 535-537.
4. Kopel L.V. Nauchno-prikladnoy spravochnik po cli-
matu SSSR. Irkutskaya oblast' i Zapadnaya chast' Bur-yatskoy ASSR [Scientific and applied reference book on the USSR climate. Irkutsk district and western part of Buryat ASSR]. Saint-Petersburg: Gidrometeoizdat Publ., 1991, 605 p. (In Russian)
5. Batuev A.R., Bogoyavlensky B.A. Atlas. Irkutskaya oblast': ekologicheskie usloviya razvitiya [Atlas. The Irkustk district: environmental development conditions]. Irkutsk, 2004.
6. Setevye invertory [Network inverters]. Available at http://net220.ru/katalog_produkcii/invertory_i_ibp1/setev ye_invertory/ (accessed 4 September 2018).
7. Osobennosti raboty trekhfaznykh fotoelectricheskich setevykh invertorov [Features of three-phase photovoltaic network inverters operation] Available at http://www.solarhome.ru/solar/pv/3-1-phase-grid-tie-inverter.htm (accessed 4 September 2018).
8. Solnechnaya batareya Sila solar [Solar battery "Sila Solar"]. Available at https://e-solarpower.ru/solar/solar-panels/poli-panel/solnechnaya-panel-sila-250vt/ (accessed 4 September 2018).
9. Orientaciya solnechnykh paneley [Solar panel orientation]. Available at
http://uekvarma.ru/article/orientatsiya-solnechnyih-paneley (accessed 4 September 2018).
10. Raschet sredney proivoditel'nosti solnechnoy ba-
Энергетика
ТШЯ Power Engineering
tarei [Calculation of solar battery average performance]. Available at: http://solarsoul.net/raschet-solnechnoj-batarei (accessed 4 September 2018).
11. Rokotyan S.S. Spravochnik po proektirovaniyu elec-troenergeticheskikh sistem [Handbook for electric power system design]. Moscow: Energoatomizdat Publ., 1985. 352 p.
12. SOFAR 11KTL trekhfaznyi fotoelectrichesky invertor [SOFAR 11KTL three-phase photovoltaic inverter]. Available at: http://shop.solarhome.ru/sofar-11ktl-3-faznij-fotojelektricheskij-invertor.html (accessed 4 September 2018).
13. Podbor moduley dlya setevykh invertorov [Selection of modules for network intverters]. Available at: http://www.solarhome.ru/equipment/inverter/podbor-modulej-dlya-setevyh-invertorov.htm (accessed 4 September 2018).
14. HELUKABEL Solarflex PV1-F NTS Kabel' dlya solnechnykh batarey [Cable for solar batteries]. Available at http://стройторгcom/products/helukabel-solarflex-pv1 (accessed 4 September 2018).
15. Ustanovka solnechnykh batarey [Solar battery in-
Критерии авторства
Подковальников С.В., Поломошина М.А. заявляют о равном участии в получении и оформлении научных результатов и в равной мере несут ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
stallation]. Available at:
http://solar-batarei.ru/ustanovka-solnechnih-batarei-cena.html (accessed 4 September 2018)
16. Predel'nye nereguliruenye tseny na roznichnom rynke [Marginal unregulated prices in the retail market]. Available at: https://sbyt.irkutskenergo.ru/qa/2103.html (accessed 4 September 2018)
17. Velkin V.I., Zav'yalov A.S., Starikov E.V. Raschet avtonomnoi fotoelectricheskoi sistemy electrosnab-zheniya dlya rezervirovaniya sobstvennikh nuzhd AES [Calculation of a stand alone photovoltaic power supply system for nuclear power plant own needs backup]. Yekaterinburg: Ural Federal University Publ., 2014, 24 p. (In Russ.)
18. Tseny na solnechnye batarei [Prices of solar batteries]. Available at
https://aftershock.news/?q=node/642261&full (accessed 4 September 2018)
19. Tsena na solnechnuyu energiyu [Solar energy price]. Available at: https://hightech.fm/2017/06/28/solar-price (accessed 4 September 2018)
Authorship criteria
Podkovalnikov S.V., Polomoshina M.A. declare equal participation in obtaining and formalization of scientific results and bear equal responsibility for plagiarism.
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.
