Исследование перспектив использования солнечной энергии в городе Трёхгорный
Самойлова Светлана Игоревна, (научный руководитель: старший преподаватель Токарев Артём Сергеевич)
Трехгорный технологический институт – филиал Национального исследовательского ядерного университета "МИФИ" (ТТИ НИЯУ МИФИ), г. Трехгорный
e-mail (swetlanas220598@gmail.com)
В статье рассматривается использование альтернативной энергии в условиях города Трёхгорный. Для оценки перспектив солнечной энергетики было спроектировано два вида солнечных станций. При этом особое внимание было уделено наиболее рациональному размещению солнечных панелей для достижения максимальной выработки в условиях ограниченного пространства.
Ключевые слова: солнечная электростанция, солнечная панель, сетевая солнечная электростанция, гибридная солнечная станция, оптимальный угол наклона.
A Study on the Prospects of Using Solar Energy in the City of Trekhgorny
Samoylova Svetlana Igorevna, (supervisor: senior teacher Tolarev Artyom Sergeevich)
The Trekhgorny Technological Institute is a branch of the National Research Nuclear University "MEPhI", the city Trekhgorny
The article deals with the use of alternative energy in the city Trekhgorny. To assess the prospects of solar energy it was designed two types of solar plants. Particular attention was paid to the most efficient placement of solar panels for maximum production in limited space.
Keywords: solar power plant, solar panel, grid solar power plant, hybrid solar power plant, the optimum tilt angle.
Во всём мире, в частности и в России, активно развиваются технологии, касающиеся добычи, выработки и использования альтернативной энергии. Основными её достоинствами по сравнению с традиционными источниками энергии является то, что она более экологически чистая, легко возобновляема и неисчерпаема. Одним из наиболее популярных видов альтернативной энергии является солнечная энергия.
Для того чтобы выявить, насколько экономически выгодно использование солнечной энергии для конкретного объекта нужно провести ряд расчётов. Для начала необходимо произвести расчёт потребляемой объектом электрической энергии. Для данной работы объектом исследования является студенческое девятиэтажное общежитие блочного типа. На первом этапе было посчитано среднее потребление электроэнергии, собраны данные, сведены в таблицы, в результате расчетов потребление одного этажа в сутки в среднем составляет 81 КВт·ч.
Следующим этапом необходимо выбрать подходящее по типу и мощности оборудование. На данный момент существует три типа солнечных станций – это автономная, сетевая и гибридная. Установка автономной солнечной электростанции рациональна в условиях отсутствия возможности подключения к централизованной сети электроснабжения. Данная система содержит такие элементы, как солнечные панели, АКБ, контроллер и инвертор. Сетевая солнечная электростанция дает возможность параллельного использования альтернативной и традиционной энергии. Ключевым отличием является отсутствие АКБ, излишки энергии поступают в сеть. Гибридная солнечная станция – это уникальное сочетание двух предыдущих вариантов. Помимо возможности аккумулирования энергии данная система позволяет активно использовать энергию, вырабатываемую солнечными панелями одновременно с энергией из централизованной сети электроснабжения.
Для выбранного нами объекта подходят такие типы электростанции, как сетевая и гибридная. Для каждого типа станции было подобрано оборудование, перечень необходимого оборудования с указанием стоимости для сетевой электростанции представлен в таблице 1, для гибридной – в таблице 2.
Таблица 1 – Оборудование для сетевой станции
| Компонент системы | Количество | Цена, руб | Стоимость, руб |
| Солнечные панели Sunways FSM-350M | 14 200 | 1 306 400 | |
| Сетевой инвертор Huawei Sun 2000 KTL-33 | 215 260 | 215 260 | |
| Рейка | 194 956 | ||
| Передняя стойка | 32 752 | ||
| Задняя стойка | 140 944 | ||
| Серединный зажим | 15 640 | ||
| Концевой зажим | 2 576 | ||
| Зажим заземления | 19 040 | ||
| Клипса заземления | |||
| Кабель солнечный, 4 мм2,1 м | 23 120 | ||
| Итого | 1 951 052 |
Таблица 2 – Оборудование для гибридной станции
| Компонент системы | Количество | Цена, руб | Стоимость, руб |
| Солнечные панели Sunways FSM-350M | 14 200 | 1 306 400 | |
| Гибридный инвертор MAP-DOMINATOR-48-18 | 221 900 | 665 700 | |
| Аккумуляторы | 27 460 | 1 318 080 | |
| Контроллеры заряда | 49 900 | 299 400 | |
| Рейка | 1 598 | 194 956 | |
| Передняя стойка | 32 752 | ||
| Задняя стойка | 1 532 | 140 944 | |
| Серединный зажим | 15 640 | ||
| Концевой зажим | |||
| Зажим заземления | 19 040 | ||
| Клипса заземления | |||
| Кабель силовой, 70 мм2,1 м КГтп 1х70 НКЗ | 26 688 | ||
| Патч корд PCM-RJ12-RJ12-2M-WH, 1 м | |||
| Кабель солнечный, 4 мм2, 1 м | 23 120 | ||
| Перемычка для АКБ, дл. 0.25 м, сеч. 50 кв.мм, 1м | 30 080 | ||
| Перемычка для АКБ, дл. 1.5 м, сеч. 50 кв.мм, 1м | 1 900 | ||
| Стеллаж для оборудования РСК 500 х 600 х 2000 (6 полок) | 13 972 | 27 944 | |
| Итого | 4 105 854 |
Расчет солнечной станции обычно начинается с выбора инвертора. Однако в нашем случае проектирование станции проводилось в условиях ограниченного пространства, для размещения панелей была выбрана крыша здания. Таким образом, первоначальной задачей было поставлено – вычислить, какое максимальное количество энергии можно получить в данных условиях. Поэтому особое внимание было уделено предельно выгодному расположению солнечных элементов.
Существует следующие виды закрепления, подходящие для установки на плоской поверхности под необходимым углом: неподвижное с фиксированным или регулируемым углом, оснащенное системой слежения с автоматическим изменением угла (рисунок 1).
Рисунок 1 – Типы закрепления солнечных панелей: а – с системой слежения, б – с изменяемым или фиксированным углом
Для удешевления системы рационально выбрать жёсткое закрепление. Для того чтобы рассчитать под каким углом необходимо устанавливать панели для достижения максимальной выработки, был изучен алгоритм расчета оптимального угла наклона [1]. В связи с трудоёмкостью расчётов была создана простая программа в Microsoft Office Excel, которая представлена на рисунке 2.
Рисунок 2 – Программа по расчету угла установки панелей
Широта ʎ и долгота φ представляют собой географические координаты объекта, для которого проводится расчет. Часовой угол ω переводит местное солнечное время в количество градусов, которое Солнце проходит по небу.
| (1) |
где LST – местное солнечное время, ч
| (2) |
где LT – местное время, ч;
TC – временной поправочный коэффициент, ".
, (3)
где ƞ – уравнение времени,
LSTM – местный стандартный временной меридиан, °·ч.
| (4) |
где 𝛥TGMT – разница между местным временем и средним временем по Грнвичу,ч.
Уравнение времени ƞ – это разница между истинным солнечным временем и средним солнечным временем.
| (5) |
где 
– истинное время, ч;
– среднее солнечное время, ч.
Уравнение времени и его изменение в течение года представлено на рисунке 3 сплошной кривой. Эта кривая является суммой двух синусоид с годичным (уравнение центра) и полугодичным (уравнение от наклона эклиптики) периодами.
Рисунок 3 – График уравнения времени: 1 – уравнение времени, 2 – уравнение центра, 3 – уравнение от наклона эклиптики
Уравнение времени в минутах можно аппроксимировать членами ряда Фурье как сумму двух синусоидальных кривых с периодами, соответственно, на один год и шесть месяцев [2]:
 ,
| (6) |
где В – период функции, °.
| (7) |
где d – количество дней с начала года.
Склонение Солнца δ – это угол между экватором и воображаемой линией, соединяющей центры Земли и Солнца.
| (8) |
Угол возвышения H – это высота Солнца на небе, измеренная в градусах от горизонтального положения.
| (9) |
Для сетевой солнечной электростанции оптимальным углом наклона был принят средний угол между наибольшим и наименьшим значением в период с 28 февраля по 1 октября для времени 16:00, как времени наибольшего потребления энергии, он составил 58 °. При проектировании гибридной солнечной станции необходимо получить такой угол, при котором выработается максимальное количество энергии за день. Были построены графики, устанавливающие закономерность изменения среднесуточного угла для начала марта и конца октября (рисунок 4). Так же был построен график для второй половины июня (рисунок 5), по которому было установлено минимальное значение. Оптимальный угол наклона был рассчитан как среднее между наибольшим и наименьшим среднеарифметическим углом и составил 55°.
Рисунок 4 – Графики изменения среднеарифметического значения угла: а – конец октября, б – начало марта
Рисунок 5 – График изменения среднеарифметического значения угла во второй половине июля
Выбирая угол наклона, необходимо так же учесть длину тени, которую будут давать панели при выбранном угле. При этом необходимо учесть то, что затенение должно быть по возможности полностью исключено. Решение данной задачи сводится к вычислению теневого участка при помощи геометрической оптики. Получив данные для разных углов наклона, было выбрано максимальное значение, которое составило 2589 мм для сетевой станции и 2501 мм для гибридной.
Так же для оптимального расположения панелей необходимо учесть, то, что для северного полушария Земли рациональным будет ориентация солнечных панелей строго на Юг, для исследуемого объекта угол поворота составил 5°. Таким образом, максимально возможное для размещения число панелей – 92 штуки для каждого типа станции.
По данным одноставочного тарифа для данной местности и при условии, что потребитель приравнивается к населению цена за 1 кВт·ч составляет 2,20 р. Выработка спроектированных станции в среднем составляет 39693 кВт·ч в год, что было посчитано с помощью ресурса, учитывающего инсоляцию для конкретного региона [3]. Выработка одинакова за счёт одинакового числа солнечных панелей. Стоимость по тарифу при использовании централизованной сети электроснабжения будет составлять:
Временной промежуток t за который окупится оборудование станции:
| (10) |
где Sс.с. – стоимость оборудования солнечной станции, руб.
Срок окупаемости оборудования гибридной солнечной станции составляет:
При этом срок службы АКБ, как самой дорогостоящей части установки, составляет 12 лет. За 12 лет себя окупит только часть, вложенных средств, после чего потребуется полная замена массива АКБ, стоимость которого составляет 1318080 р. За 12 лет окупится:
Таким образом, стоимость заменяемой раз в 12 лет части электростанции становится выше, чем окупающие себя за этот временной интервал вложения.
Если принимать, что вся выработанная сетевой станцией энергия будет использована, то срок окупаемости сетевой станции составит:
При этом станция не содержит в себе АКБ, что означает отсутствие регулярных затрат на замену данного звена системы. Однако нельзя с достоверной точностью утверждать, что вся выработанная энергия будет использована потребителем, поэтому точный срок окупаемости данной установки, возможно, подтвердить только экспериментальным путём.
Таким образом, на данный момент не удастся получить высокую экономическую выгоду для объекта такого масштаба в нашем регионе. Причинами такого результата стали: географическое расположение, низкий КПД фотоэлементов. Возможно, когда технологии по повышению КПД солнечных батарей достигнут необходимого уровня, солнечная энергетика будет иметь большую популярность и рентабельность в нашем регионе, чем сейчас.
Библиографический список
1. Еремин Д.И. Определение оптимального угла расположения солнечной панели в течение дня для повышения эффективности ее работы / Д.И. Еремин, Ю.А. Понятов, Д.Г. Кемешева – Красноярск: Инспаер, 2014. – 140 с.
2. Колтун М.М. Оптика и метрология солнечных элементов / М.М. Колтун – М.: Наука, 1985. – 280 с.
3. Helios-house.ru: Продажа солнечных электростанций и их составляющих в Санкт-Петербурге, компания Гелиос Хаус [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://helios-house.ru, свободный. – Загл. с экрана