Солнечные фотоэлектрические станции: перспективы, особенности работы и расчета экономической эффективности

Известно, что Солнце ежесекундно дает Земле более 80 тысяч миллиардов киловатт энергии, т. е. в несколько тысяч раз больше, чем все электростанции мира. При этом, валовый (теоретический) потенциал солнечной энергетики на территории России превышает ресурс ветровой энергетики почти в 2,5 раза, а малой гидроэнергетики более чем в 5000 раз [1]. солнечный энергетика фотоэлектрический станция Вследствие отсутствия многочисленных требуемых исходных данных для расчёта технического и экономического потенциала солнечной энергии, учёные принимают ряд допущений. Поэтому, результаты определения технического и экономического потенциала солнечной энергии следует квалифицировать как экспертную оценку, так как она является единственным методом, который используется в настоящее время.

Технический ресурс солнечной радиации при производстве электроэнергии находится умножением валового потенциала на 0,001 (принимаемая доля площади) и на 0,15 (КПД фотоэлектрических солнечных модулей) и переводится в размерность т у.т. из расчёта 0,34 кг у.т./кВт ч [1, 2].

Экономический ресурс солнечной радиации при производстве электроэнергии находится умножением годового потребления электроэнергии на 0,05% и переводится в размерность т у.т. умножением на коэффициент 0,34 кг у.т./кВт ч.

Экономический ресурс солнечной энергетики в сравнении с другими ВИЭ куда более скромен. Так, он более чем в 3,5 раза меньше ветровой энергетики и примерно в 23 раза меньше малой гидроэнергетики.

Однако темпы развития солнечной энергетики предполагают в ближайшее время значительное улучшение её экономического потенциала, исходя из достигнутого уровня техники и современных экономических и хозяйственных условий.

В настоящее время метод фотоэлектрического преобразования в мире стал одним из приоритетных направлений получения солнечной электроэнергии. Это обусловлено тем, что он обеспечивает:

• — максимальную экологическую чистоту преобразования энергии;
• — возможность получения энергии практически в любом районе;
• — значительный срок службы;
• — малые затраты на обслуживание;
• — независимость эффективности преобразования солнечной энергии от установленной мощности.

Важным обстоятельством является тот факт, что солнечные фотоэлектрические установки (СФЭУ) отличаются относительной простотой конструкции, низкой металлоёмкостью, могут работать с одинаковой эффективностью в любом диапазоне мощности и на любой географической широте. Трудности в практической реализации строительства СФЭУ обусловлены прежде всего высокой стоимостью фотопреобразователей (10 — 12 тыс. руб/кВт).

Конструктивно СФЭУ содержит (рисунок 1):

• — солнечные батареи (СБ), содержащие фотоэлементы;
• — инвертор (И), выполненный на полупроводниковых приборах, как правило, в своей конструкции, содержащий трансформатор;
• — аккумуляторные батареи (АБ);
• — систему управления и защиты (СУЗ).

Солнечные батареи СБ преобразуют энергию солнечного излучение в электрическую энергию постоянного тока. Инвертор преобразует напряжение постоянного тока в напряжение переменного тока, а его трансформатор осуществляет согласование напряжения солнечных батарей СБ с напряжением нагрузки Н. Аккумуляторные батареи являются резервным источником питания. Система управления и защиты СУЗ обеспечивает стабилизацию напряжения, переход питания нагрузки от резервного источника и защиту устройства от аварийных режимов работы.

Ток СФЭУ можно увеличить с помощью параллельного включения солнечных батарей (рисунок 2, а). Солнечные батареи должны иметь одинаковое количество элементов, обеспечивающих одинаковое напряжение. Вследствие разной освещённости солнечных элементов, показанных на рисунке 2, а, генерируемые ими напряжения будут немного отличаться друг от друга. Поэтому эффективно будет работать только один солнечный элемент. При включении солнечных элементов по схеме, показанной на рисунке 2, б, напряжения, генерируемые ими, более равномерно распределяются по солнечной батарее. Вследствие этого частичное затенение элементов не принесёт большого вреда для работы солнечной батареи.

Для увеличения напряжения СФЭУ необходимо включать последовательно элементы солнечных батарей. Напряжение в этом случае будет равно сумме напряжений на всех составляющих солнечных элементов. Ток, отдаваемый СФЭУ, будет ограничен током худшего элемента.

Для СФЭУ с большой площадью солнечных панелей, состоящих из множества последовательно-параллельных соединённых ячеек, необходимо учитывать теневой эффект, который возникает при частичном затемнении панели. Если ячейка в последовательной цепи полностью затемнена, то она из источника энергии превращается в потребителя. Из-за последовательной связи с освещёнными ячейками в цепи протекает ток, разогревающий затенённую ячейку мощностью потерь, выделяющейся на её внутреннем сопротивлении. Таким образом, происходит уменьшение электрической мощности СБ.

Для того, чтобы уменьшить влияние теневого эффекта на энергетические характеристики СБ последовательную цепь фотоэлектрических модулей с помощью обходных диодов делят на несколько участков (рисунок 3).

Известно, что генерируемая СБ мощность увеличивается при более низких температурах. Однако максимуму мощности при различных температурах соответствуют различные напряжения. Для устранения этого недостатка СФЭУ должна иметь стабилизатор напряжения.

Величина нагрузки СБ в значительной степени влияет на величину снимаемой с неё мощности. Рабочая точка фотоэлектрической панели может быть определена как точка пересечения её ВАХ с ВАХ нагрузки. Таким же образом может быть определена рабочая точка на пересечении энергетических характеристик фотопреобразователя и нагрузки. Из рисунок 4 видно, что максимальную мощность можно снять с СБ на нагрузке с сопротивлением R₂.

Солнечные элементы на основе кремния имеют КПД 12 — 15%. КПД лабораторных образцов в настоящее время достигает 23%. Мировое производство солнечных элементов превышает 50 МВт в год и увеличивается ежегодно на 30%.

Влияние интенсивности солнечного излучения на вид вольт-амперной характеристики (ВАХ) солнечной батареи (СБ) иллюстрируется кривыми приведёнными на рисунке 5, а.

При снижении интенсивности солнечного излучения ВАХ фотоэлемента сдвигается вниз, что определяет значительное снижение тока короткого замыкания. Напряжение холостого хода при этом уменьшается не значительно.

Угол падения солнечных лучей на поверхность оказывает влияние на интенсивность облучения фотоэлектрической СБ. Ток нагрузки, источником которого являются СБ, определяется по формуле.

(1).

где I_O — максимальный ток панели, облучаемой перпендикулярно падающими световыми лучами; - угол падения солнечных лучей, отложенный от нормали приёмной поверхности панели Зависимость (1) даёт удовлетворительный результат для углов = 0 — 50^о. При увеличении угла параметры фотопреобразовательного модуля заметно отклоняются от косинусоидальной зависимости и при = 85^о фотоэлемент прекращает генерировать электроэнергию. КПД фотопреобразовательного модуля (элемента) мало зависит от интенсивности солнечного излучения в рабочем диапазоне. По рисунку 5, б видно, что в диапазоне изменения интенсивности солнечного излучения 800 — 1000 Вт/м² эффективность фотопреобразования меняется незначительно. Следовательно, мощность СБ в облачный день снижается по сравнению с солнечным только из-за меньшей солнечной энергии, падающей на приёмную поверхность фотопреобразователя. Обычно, при небольшой облачности, СБ может выдавать до 80% своей максимальной мощности. В пасмурную погоду эта величина снижается до 30%.

Основными недостатками солнечных фотоэлектрических станций (СФЭС) являются:

• — высокая стоимость фотоэлементов, преобразующих солнечную радиацию в электроэнергию постоянного тока;
• — применение инверторов, осуществляющих преобразование электроэнергии постоянного тока в электроэнергию переменного тока, понижают их КПД;
• — наличие аккумуляторных батарей, применяющих в качестве резервных источников, и обеспечивающих бесперебойное электроснабжение потребителей, значительно повышает стоимость солнечной электростанции.

Эти недостатки приводят к тому, что в настоящее время стоимость электроэнергии, вырабатываемую с помощью СФЭС, превышает в несколько раз стоимость электроэнергии, вырабатываемую от традиционных источников электроэнергии.

Солнечные электростанции могут быть использованы как для решения локальных энергетических задач, так и глобальных проблем энергетики. При КПД СФЭС 12% все современное потребление электроэнергии в России может быть получено от этих станций площадью около 4000 км².

Наиболее практическое применение в мире получили гибридные (комбинированные) солнечно-топливные электростанции с параметрами: КПД около 14%, температура пара 371^оС, давление пара 100 бар, стоимость вырабатываемой электроэнергии 0,08 — 0,12 дол/кВт ч.

Поскольку удельная стоимость солнечной электростанции не зависит от ее размеров и мощности, в ряде случаев целесообразно модульное размещение СФЭС на крыше сельского дома, коттеджа, фермы. Собственник СФЭС будет продавать электроэнергию энергосистеме в дневное время, и покупать ее у энергетической компании по другому счетчику в ночные часы. Преимуществом такого использования, помимо политики поощрения малых и независимых производителей энергии, является экономия на опорных конструкциях и площади земли, а также совмещение функции крыши и источника энергии.

В связи с высокой надежностью срок службы СФЭС по основной компоненте — кремнию и солнечным элементам может быть увеличен до 50 — 100 лет. Для этого потребуется исключить из технологии герметизации полимерные материалы. Единственным ограничением может явиться необходимость их замены на более эффективные. КПД 25 — 30% будет достигнут в производстве в ближайшие 10 лет. В случае замены солнечных элементов кремний может быть использован повторно и количество циклов его использования не имеет ограничений во времени.

Исходными данными для определения экономической эффективности использования СФЭС являются:

• — среднемесячная дневная энергетическая освещённость Е (кВт/м²);
• — средние годовые суммы суммарной радиации на горизонтальную поверхность Е_ГОД (кВт ч/м²);
• — среднемесячные суммы суммарной радиации на горизонтальную поверхность Е_МЕС (кВт ч/м²).

Технически приемлемый уровень солнечной радиации в настоящее время может быть определён из выражения.

(2).

Средняя удельная стоимость фотоэлектрических модулей в настоящее время составляет 100 — 150 руб/Вт.

Для производства электрической энергии переменного тока, кроме собственного фотоэлектрического преобразователя, необходим автономный инвертор (АИ), аккумуляторные батареи (АБ) и коммутационная аппаратура, согласующие устройства и др. Удельная стоимость полнокомплектной СФЭС соответственно возрастает до С_УД = 200 000 — 250 000 руб/кВт.

Полная стоимость СФЭС определяется по формуле.

(3).

где Р_СФЭС — мощность СФЭС, кВт.

К капитальным затратам на СФЭС следует также отнести стоимость проектных С_ПР и строительных С_СТР работ по определению местоположения и установки станции.

Для определения требуемой мощности СБ необходимо использовать данные не о полной установленной мощности потребителей электроэнергии, а о среднесуточном потреблении электроэнергии W.

Эксплуатация автономных СФЭС в режиме многолетней непрерывной работы предполагает отсутствие периодической подзарядки АБ от внешней сети. В этом случае СБ при минимуме её пиковой мощности должна полностью обеспечить электроэнергией автономный объект.

Для определения мощности СФЭС необходимо рассчитать общее количество электроэнергии, которое может выработать один солнечный модуль за расчётный промежуток времени. Для расчёта необходимо значение солнечной радиации, которое берётся за период работы станции, когда солнечная радиация минимальная Е_МЕС. В случае круглогодичного использования, как правило, это за декабрь.

Определив значение солнечной радиации за интересующийся период и разделив его на 1000, получается так называемое количество пикочасов, т. е., условное время, в течение которого солнце светит как бы с интенсивностью 1000 Вт/м². Солнечный модуль мощностью Р_М в течение выбранного периода вырабатывает количество энергии.

(4).

где Е — значение инсоляции за выбранный период, кВт ч/м²; k — коэффициент, учитывающий поправку на потерю мощности солнечных элементов при нагреве на солнце, а также наклонное падение лучей на поверхность модулей в течение дня.

Величина k = 0,5 летом и k = 0,7 в зимний период. Разница в его значении зимой и летом обусловлена меньшим нагревом элементов в зимний период эксплуатации СФЭС.

Полная мощность СФЭС определяется по формуле.

(5).

где W — среднесуточное потребление электроэнергии потребителями, кВт ч.

Критерием для определения рационального режима работы СФЭС (круглогодичный или сезонный) могут служить данные о суммарной радиации на поверхности Земли.

(6).

При значениях k >50 возможно только сезонное применение СФЭС.

В эксплуатационные расходы СФЭС входят затраты на обслуживание С_ЭКС и ремонт С_РЕМ

(7).

где К_РЕМ — коэффициент затрат на ремонт.

Таким образом, рассмотренные в статье особенности работы и расчёта экономической эффективности СФЭС позволяет повысить эффективность предпроектных работ по разработке комбинированных (гибридных) станций генерирующих электрическую и тепловую энергию, получаемую от солнечной радиации.

• 1. Григораш О. В., Степура Ю. П., Усков А. Е., Квитко А. В. Возобновляемые источники электроэнергии: термины, определения, достоинства и недостатки // Труды Кубанского государственного аграрного университета. — 2011. — № 32. — С. 189−192.
• 2. Григораш О. В., Тропин В. В., Оськина А. С. Об эффективности и целесообразности использования возобновляемых источников энергии в Краснодарском крае // Политематический сетевой электронный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ). — Краснодар: КубГАУ, 2012. — № 83 (09). С. 188 — 199.
• 3. Григораш О. В. Выбор оптимальной структуры систем автономного электроснабжения / О. В. Григораш, С. А. Симоненко, А. Е. Усков // Механизация и электрификация с.-х. — 2007. — № 8. — С. 31−33.
• 4. Григораш О. В. Особенности расчета КПД и МГП статических преобразователей / О. В. Григораш, А. А. Шевченко, А. Е. Усков, В. В. Энговатова // Тр. КубГАУ. — 2011. — № 3. — С. 248−252.
• 5. Григораш О. В. Универсальные статические преобразователи электроэнергии / О. В. Григораш, А. В. Бутенко, А. Е. Усков // Тр. КубГАУ. — 2008. — № 1. — С. 55−57.
• 6. Григораш О. В. Статические преобразователи и стабилизаторы автономных систем электроснабжения: монография / О. В. Григораш, Ю. П. Степура, А. Е. Усков. — Краснодар, 2011. — 188 с.
• 7. Пат. РФ № 2 414 802, МПК Н02М 7/539. Преобразователь напряжения постоянного тока с промежуточным звеном повышенной частоты / Григораш О. В., Степура Ю. П., Усков А. Е., Власенко Е. А., Винников А. В., заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет». — № 2 010 112 018/07, заявл. 29.03.2010; опубл. 20.03.2011; бюл. № 8. — 8 с.
• 8. Пат. РФ № 2 417 471, МПК Н02F30/14. Однофазно-трёхфазный трансформатор с вращающимся магнитным полем / Григораш О. В., Усков А. Е., Власенко Е. А., Бутенко А. В., Григораш А. О., заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет». — № 2 010 102 288/07 заявл. 25.10.2010; опубл. 27.04.2011; бюл. № 12. — 5 с.
• 9. Пат. РФ № 2 420 854, МПК H02M7/539. Однофазный автономный инвертор с широтно-импульсной модуляцией / Григораш О. В., Степура Ю. П., Усков А. Е., Тонкошкуров Ю. Н., Сулейманов А. Э., заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет». — № 2 010 119 105/07, заявл. 11.05.2010; опубл. 10.06.2011; бюл № 16. — 7 с.
• 10. Пат. РФ № 2 420 855, МПК H02M7/539. Преобразователь напряжения постоянного тока на реверсивном выпрямителе / Степура Ю. П., Григораш О. В., Власенко Е. А., Усков А. Е., Перенко Ю. М., заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет». — № 201 011 906/07, заявл. 11.05.2010; опубл. 10.06.2011; бюл. № 16. — 9 c.
• 11. Пат. РФ № 2 421 871, МПК H02M7/539. Автономный инвертор с широтно-импульсной модуляцией / Григораш О. В., Степура Ю. П., Усков А. Е., Тонкошкуров Ю. Н., Сулейманов А. Э. заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет». — № 2 010 119 202/07, заявл. 12.05.2010; опубл. 20.06.2011; бюл № 17. 7 с.
• 12. Пат. РФ № 2 426 216, МПК Н02М 7/53. Трёхфазный инвертор / Григораш О. В., Степура Ю. П., Власенко Е. А., Усков А. Е., Шиян Ю. В., заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет». — № 2 010 105 573/07, заявл. 16.02.2010; опубл. 10.08.2011; бюл. № 22. — 9 с.
• 13. Пат. РФ № 2 457 598, МПК H02J 9/06. Устройство бесперебойного электроснабжения / Григораш О. В., Степура Ю. П., Усков А. Е., Соболь А. Н., Павлов И. А., заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет». — № 2 011 123 069/07, заявл. 07.06.2011; опубл. 27.07.2012; бюл. № 21. — 6 с.
• 14. Пат. РФ № 2 488 938, МПК Н02М 7/539. Преобразователь напряжения постоянного тока в трёхфазное напряжение переменного тока на реверсивном выпрямителе / Усков А. Е., Власов А. Г., Буторина Е. О., заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет». — № 2 012 110 439/07, заявл. 19.03.2012; опубл. 27.07.2013; бюл. № 21. — 10 с.
• 15. Пат. РФ № 2 494 437, МПК G05 °F 5/04. Устройство для обеспечения параллельной работы автономных инверторов солнечных электростанций / Григораш О. В., Усков А. Е., Власов А. Г., Буторина Е. О., Сыроваткин А. Р., заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет». — № 2 012 128 406/08, заявл. 05.07.2012; опубл. 27.09.2013; бюл. № 27. — 10 с.
• 16. Упрощенный расчет однофазно-трёхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем: свидетельство об официальной регистрации для ЭВМ№ 2 012 617 112, Российская Федерация / А. Е. Усков, заявитель и правообладатель ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет». — № 2 012 614 803; заявл. 13.06.2012; зарегистр. 08.08.2012.
• 17. Усков А. Е. Выбор оптимальной структуры системы автономного электроснабжения / А. Е. Усков // Механизация и электрификация с.-х. — 2007. — № 8. — С. 30−31.
• 18. Усков А. Е. Автономные инверторы солнечных электростанций: монография / А. Е. Усков. — Краснодар: КубГАУ, 2011. — 126 с.
• 19. Усков А. Е. Обоснование выбора параметров электроэнергии автономных систем электроснабжения // Тр. КубГАУ. — 2010. — № 6. — С. 121−124.
• 20. Усков А. Е. Статические преобразователи электроэнергии с улучшенными эксплуатационно-техническими характеристиками / А. Е. Усков, П. Г. Корзенков, А. П. Донсков // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. — Краснодар: КубГАУ, 2014. — № 03(097). С. 237 — 248. — IDA [article ID]: 971 403 016. — Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2014/03/pdf/16.pdf, 0,75 у.п.л.
• 21. Усков А. Е. Потенциал, особенности работы и экономическая эффективность солнечных фотоэлектрических станций / А. Е. Усков, Е. О. Буторина, Е. Г. Беспалов // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. — Краснодар: КубГАУ, 2014. — № 04(098). С. 353 — 363. — IDA [article ID]: 981 404 027. — Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2014/04/pdf/27.pdf, 0,688 у.п.л.
• 22. Усков А. Е. Солнечная энергетика: состояние и перспективы / А. Е. Усков, А. С. Гиркин, А. В. Дауров // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. — Краснодар: КубГАУ, 2014. — № 04(098). С. 342 — 352. — IDA [article ID]: 981 404 026. — Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2014/04/pdf/26.pdf, 0,688 у.п.л.
• 23. Григораш О. В. Инверторы солнечных электростанций с улучшенными техническими характеристиками / О. В. Григораш, А. Е. Усков, Я. А. Семёнов // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. — Краснодар: КубГАУ, 2014. — № 05(099). С. 101 — 111. — IDA [article ID]: 991 405 006. — Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2014/05/pdf/06.pdf, 0,688 у.п.л.
• 24. Статический преобразователь, требования и конструктивные отличия / А. Е. Усков, В. А. Горбачёв, А. В. Дизендорф, С. С. Лучков // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. — Краснодар: КубГАУ, 2014. — № 10(104). С. 476 — 487. — IDA [article ID]: 1 041 410 034. — Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2014/10/pdf/34.pdf, 0,75 у.п.л.
• 25. Усков А. Е. Солнечные фотоэлектрические станции как основной источник энергии / А. Е. Усков // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. — Краснодар: КубГАУ, 2014. — № 10(104). С. 467 — 475. — IDA [article ID]: 1 041 410 033. — Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2014/10/pdf/33.pdf, 0,562 у.п.л.