CC BY
36
УДК 620.91
л. л. бубенчиков
н. г. ДЕМИДОВЛ Л. г. КОМЛРОВ В. В. ГОРБЛЧЕВ т. В. БУБЕНЧИКОВЛ
Омский государственный технический университет, г. Омск
Производственное объединение «Электроточприбор», г. Омск
Радиозавод им. А. С. Попова (РЕЛЕРО),
г. Омск
Компания Solar Siberia, г. Омск
Возможность ПРИМЕНЕНИЯ
АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В ОМСКОМ РЕГИОНЕ_
Проведен анализ возможности применения альтернативных источников электроэнергии в Омском регионе. Представлены характеристики систем на основе альтернативных источников электроэнергии. Произведено исследование применимости возобновляемых источников электроэнергии в решении проблем потребителей.
Ключевые слова: альтернативные источники электроэнергии, фотоэлектрическая станция, ветроэнергетическая станция, дизель-генераторная установка, автономная гибридная электроустановка.
Работа выполнена при поддержке гранта МК-5098.2016.8.
Отключение электричества — распространенная проблема в мире [1] (рис. 1). Сбои в подаче электроэнергии в России случаются регулярно с разницей по длительности отключения от нескольких часов до нескольких месяцев (в городах-миллионниках и на удаленных территориях соответственно).
Частые и длительные отключения или полное отсутствие электроэнергии приводят потребителя к поиску альтернативных решений для обеспечения бесперебойной работы систем электроснабжения.
Рассмотрим состав альтернативных систем электроснабжения.
Фотоэлектрические электростанции. Основным источником электроэнергии в данных системах являются солнечные батареи (далее — СБ). Наиболее известны три технологии изготовления СБ [2]: монокристаллические, поликристаллические и аморфные (микроморфные). Они отличаются технологией изготовления, процентным содержанием кремния, КПД, мощностью, условиями работы и стоимостью (сравнение параметров СБ приведено в табл. 1 [3, 4]. Наиболее продуктивными являются монокристаллические СБ, поскольку кремний, используемый при их изготовлении, высокой степени очистки (99,999 %), что способствует увеличению КПД (до 22 %) и стоимости. Более бюджетным вариантом
являются поликристаллические модели, для изготовления которых используется кремний как продукт вторсырья. КПД таких панелей ниже (до 18 %) [2]. С еще более низким КПД — аморфные СБ [2]. Их стоимость еще ниже, для изготовления используется «техника испарительной фазы»: тонкая пленка кремния при этом методе осаждается на несущий материал и защищается покрытием. Такие СБ выпускаются в исполнении «double glass», в отличие от стандартных моно- и поликристаллических. В качестве достоинств можно отметить независимость от угла установки и места расположения относительно солнечного света: такие СБ незначительно снижают выработку при затенении и продолжают работать в любых погодных условиях в отличие от моно- и поликристаллических моделей, которые в случае затенения небольшого участка могут значительно снизить вырабатываемую мощность. В этом году появились гетероструктурные модули, которые содержат в себе достоинства монокристаллических и аморфных СБ: у них более высокий КПД (22 %), чем у аморфных, они работают при любых погодных условиях, незначительно снижают выработку при затенении и меньше по стоимости, чем монокристаллические. Мощность одного модуля составляет 300 — 320 Вт [5].
Рис. 1. Средняя продолжительность отключений электроэнергии по странам в год [1]
Таблица 1
Сравнительная таблица солнечных батарей [8, 9]
Производитель/ марка Тип СБ Размер, мм Цена, руб. Мощность, Вт Диапазон рабочих температур
Hevel/130 HVL-3 Микроморфные 1300x1100x6,8 4875 130 — 40... + 85
One Sun/250 Поликристаллические 1640x992x40 9050 250 — 40... + 85
Exmork/12 Mono Монокристаллические 1140x670x35 6900 100 — 50...+90
Exmork/12 Poly Поликристаллические 1482x670x35 8900 150 — 50...+90
FSM/-100 Mono Монокристаллические 1193x543x35 6300 100 — 40...+85
FSM/-160 Mono Монокристаллические 1482x674x35 10700 160 — 40...+85
FSM/-200 Poly Поликристаллические 1476x667x35 12300 200 — 40...+85
Sunways^CM-100FB Монокристаллические 1060x540x3 13400 100 — 40...+80
Sunways^CM-150FB Монокристаллические 1310x665x3 19100 150 — 40...+80
Sunways^CM-100M Монокристаллические 1195x541x30 5400 100 — 40...+85
Sunways^CM-100P Поликристаллические 1010x676x35 4400 100 — 40...+85
JASolar 260P Поликристаллические 1650x991x40 16920 260 — 40...+85
Axitec 260 P Поликристаллические 1640x992x40 19450 260 -45
Axitec 260 M Поликристаллические 1640x992x40 22800 260 -45
Фотоэлектрические электростанции (далее — ФЭС) подразделяют на сетевые, автономные или в составе АГЭУ, каждая из которых предназначена для решения определенных задач.
Наиболее простым в подборе, монтаже и использовании вариантом является сетевая фотоэлектрическая станция (далее СФЭС). СФЭС позволяет уменьшить потребление электричества от сети, состоит из массива СБ и сетевого инвертора (рис. 2). СФЭС вырабатывает электроэнергию в светлое время суток и передает потребителям, не накапливая ее. Поскольку в составе системы не используются аккумуляторы, ее стоимость значительно ниже, чем стоимость автономной фотоэлектрической станции.
Из достоинств также можно отметить, что СФЭС не зависит от характера нагрузки и мощ-
ности потребления, что расширяет возможности ее применения. Однако такая система неэффективна в районах с систематическими и/или длительными отключениями: сетевой инвертор предусмотрен для совместной работы с основным источником электроэнергии.
Использование СФЕС позволяет сократить расходы на электроэнергию от сети в случае высокого тарифа на электроэнергию в регионе планируемого места установки. Так, расчет экономической целесообразности установки СФЭС в Хабаровском крае, при тарифе 20 рублей за кВтч проведенный компанией Solar Siberia (г. Омск), показала свою целесообразность уже через три года эксплуатации!
Автономная фотоэлектрическая станция (далее — АФЭС) предназначена для электроснаб-
Рис. 2. Состав СФЭС
Рис. 3. Состав АФЭС
Рис. 4. Состав вЭС
жения изолированных объектов. АФЭС состоит из массива солнечных батарей, блока аккумуляторов, инвертора и контроллера заряда (рис. 3).
АФЭС вырабатывает электроэнергию в светлое время суток и накапливает ее в аккумуляторы (АКБ). Выработка АФЭС отличается в ясные и пасмурные дни и зависит от времени года. Для построения системы круглогодичного электроснабжения возможна совместная комплектация АФЭС с дизель-генераторной установкой — АГЭУ (рассмотрена ниже).
АФЭС применяются в регионах с наиболее равномерной инсоляцией и предназначены для электроснабжения объектов в регионах, где нет централизованного электроснабжения: затраты на присоединение к сети для удаленной территории (затраты на проект, монтаж опор, прокладки воздушной линии и т.д.) могут значительно превышать стоимость оборудования для АФЭС класса люкс.
ветровая электрическая станция. Переработка энергии воздушного потока в электроэнергию возможна только в определенном диапазоне скоростей ветра. Существует два типа ветроэнергетических
установок (далее — ВЭУ): с вертикальной и горизонтальной осью вращения.
ВЭУ с вертикальной осью вращения применяются в регионах с низкой стартовой скоростью ветра (для ВЭУ с горизонтальной осью вращения стартовая скорость ветра больше в 1,5 — 2 раза и зависит от сравниваемых моделей). Номинальная скорость ветра для нормальной работы генератора в среднем составляет 7 м/с.
ВЭУ с горизонтальной осью вращения наиболее популярны, поскольку обладают более высоким КПД (до 42 %) [6], однако их существенным недостатком является зависимость от направления ветра и, как следствие, существенное снижение мощности при отклонениях от нормального значения.
ВЭУ с вертикальной осью вращения показали свою эффективность при низкой стартовой скорости ветра, не зависят от направления ветра, просты и надежны в конструктивном исполнении, обладают меньшей массой корпуса, низким уровнем шума и радиопомех. Однако проблемы с самозапуском и низкий КПД являются его существенными недостатками.
Динамика изменения цен на топливо в рублях [3]
Таблица 2
Тип топлива Стоимость сейчас, руб./л Стоимость неделю назад, руб./л (%) Стоимость месяц назад, руб./л (%) Стоимость год назад, руб./л (%)
Бензин 92 37,85 + 0,05 (0,13) + 0,20 (0,53) + 2,65 (7,53)
Бензин 95 40,75 + 0,06 (0,15) + 0,25 (0,62) + 2,55 (6,68)
Бензин 98 46,29 + 0,19 (0,41) + 0,29 (0,63) + 2,64 (6,05)
Дизель 38,40 + 0,05 (0,13) + 0,25 (0,66) + 2,80 (7,87)
Газ 16,50 + 0,00 (0,00) + 0,00 (0,00) + 0,00 (0,00)
Рис. 5. Динамика изменения цен на топливо в евро [3]
2013 2014 2015 2016
Рис. 6. Динамика изменения цен на топливо в рублях [3]
Ветровая электрическая станция (далее — ВЭС) обеспечивает потребителей электроэнергией в случае отсутствия подключения к электросети. ВЭС состоит из ветроэнергетической установки, блока аккумуляторов, инвертора и контроллера заряда [7] (рис. 4).
ВЭС вырабатывает электроэнергию при наличии достаточной для запуска ВЭУ скорости ветра и накапливает энергию в аккумуляторы (АКБ).
Поскольку мощность, вырабатываемая ВЭС, непостоянна и зависит от скорости, а в случае горизонтального расположения — от оси вращения и от направления ветра, даже значительный запас по мощности ВЭС не гарантирует стабильной работы системы электроснабжения. Применение ВЭС оправданно в регионах с постоянными и сильными ветрами, в остальных случаях — только как дополнительный источник электроэнергии.
Дизель-генераторная установка. Дизель-генераторная установка (далее — ДГУ) является самым простым и наименее затратным, с точки зрения первоначальных вложений в систему, вариантом
энергообеспечения [8]: модель подбирается в зависимости от потребления, режима работы, места установки. Однако их эксплуатация связана с рядом проблем:
— постоянные затраты на топливо;
— затраты на транспортировку топлива;
— необходимость регулярного обслуживания (если ДГУ — единственный источник);
— для построения устойчивой системы электроснабжения необходимо использование двух (и более) ДГУ, работающих попеременно или «каскадами» (при возрастании мощности — включается дополнительный ДГУ).
Постоянные денежные вложения в расходуемое топливо — одна из основных проблем в эксплуатации ДГУ. Стоимость топлива с каждым годом увеличивается в среднем по России на 7,87 % [9] (табл. 2, рис. 5, 6), что, как следствие, приводит к удорожанию эксплуатации станции.
Применение ДГУ целесообразно в случаях частых, но недлительных отключений: когда стоимость источника бесперебойного питания непозволитель-
Рис. 7. Макет АГЭУ
но высока. В остальных случаях стоит рассмотреть менее затратные по эксплуатации решения.
Автономная гибридная электроустановка. Автономная гибридная электроустановка (далее — АГЭУ) предназначена для энергообеспечения изолированных объектов и труднодоступных районов.
АГЭУ состоит из солнечных батарей, инвертора, массива аккумуляторов и ДГУ (рис. 7) [10]. В дневное время обеспечение потребителей электроэнергией осуществляется за счет солнечных батарей, если этой энергии недостаточно, а также во время суточных увеличений потребления используется ДГУ; аккумуляторные батареи обеспечивают потребителя накопленной электроэнергией в ночные часы.
АГЭУ может быть адаптирована под любого потребителя, возможно стационарное и мобильное исполнение. Использование АГЭУ позволит сократить затраты на топливо до 50 % и повысить надежность энергоснабжения [5].
Интеллектуальная система управления АГЭУ позволяет максимально эффективным способом обеспечивать энергоснабжение, распределяя нагрузку между фотоэлектрической системой, накопителями и генераторами.
В условиях отсутствия электросети для построения устойчивой и энергоэффективной системы постоянного электроснабжения применение АГЭУ в качестве единственного источника электроснабжения наиболее целесообразно. АГЭУ также будут эффективны в районах с частыми и длительными отключениями.
Итогом проведенных исследований является следующий вывод: использование альтернативных источников электроэнергии в Омском регионе возможно. В зависимости от задач, на решение которых направлена эксплуатация альтернативной системы энергоснабжения будет осуществляться выбор основного источника энергообеспечения. В случае частых и длительных отключений наиболее эффективно применение АГЭУ.
Библиографический список
1. Конец света: во сколько обходится блэкаут компаниям // Геолайн технологии. URL: http://geoline-tech.com/cost-blackout-company/ (дата обращения: 06.10.2017).
2. Карлащук В. И. Элементы солнечных электростанций // Инженерный вестник. 2014. № 4. С. 1—32.
3. Солнечные электростанции и бесперебойные системы по доступным ценам // Автономное электроснабжение. Свет
ON. URL: http://220-on.ru/catalog/solnechnye_moduli/ (дата обращения: 01.08.2017).
4. Солнечные батареи от официального представителя // Энергии солнца. URL: http://www.sunenergys.ru/solnechnaya-energiya/solnechnye-batarei.html (дата обращения: 01.08.2017).
5. Производство солнечных ячеек и модулей // Hevel Solar. URL: http://www.hevelsolar.com/products/ (дата обращения: 07.10.2017).
6. Ветроэнергетические установки. URL: http://www.nii-uralmet.narod.ru/presentation/presentation.htm (дата обращения: 10.10.2017).
7. Бубенчиков А. А., Сикорский С. П., Терещенко Н. А. [и др.]. Целесообразность применения ветроэнергетических установок малой мощности с вертикальной осью вращения в Омском регионе // Молодой ученый. 2016. № 22-3 (126). С. 22-25.
8. Беляев П. В., Бубенчиков А. А., Демидова Н. Г. [и др.]. Сравнительный анализ способов энергообеспечения индивидуального жилого дома // Молодой ученый. 2016. № 22-3 (126). С. 1-7.
9. Динамика изменения цен на бензин в России // Путешествуем на авто. URL: http://autotraveler.ru/russia/dinamika-izmenenija-cen-na-benzin-v-rossii.html# .WeN0QGi0PQo (дата обращения: 07.10.2017).
10. Ондар Д. О. Д. Система автономного солнечно-дизельного горячего водоснабжения в условиях Республики Тыва // Омский научный вестник. 2014. № 3 (133). С. 169-172.
БУБЕНЧИКОВ Антон Анатольевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Омского государственного технического университета (ОмГТУ). Адрес для переписки: prlvetomsk@mall.ru ДЕМИДОВА Наталья Григорьевна, магистр, инженер производственного объединения «Электроточ-прибор».
Адрес для переписки: komnatascha@mall.ru КОМАРОВ Антон Григорьевич, инженер-конструктор радиозавода им. А. С. Попова (РЕЛЕРО). Адрес для переписки: komarowanton@mall.ru ГОРБАЧЕВ Виталий Владимирович, инженер-метролог; руководитель компании Solar Siberia. БУБЕНЧИКОВА Татьяна Валерьевна, аспирантка кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» ОмГТУ.
Адрес для переписки: sales@getsolar.ru
Статья поступила в редакцию 23.10.2017 г. © А. А. Бубенчиков, Н. Г. Демидова, А. Г. Комаров, В. В. Горбачев, Т. В. Бубенчикова
