ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАНЕЛЕЙ КАК ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО СПОСОБА ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

ECONOMIC SUBSTANTIATION OF THE USE OF PHOTOELECTRIC PANELS AS AN ADDITIONAL METHOD OF OBTAINING ELECTRICITY

Margarita Butuzova

senior teacher of Department architecture Lipetsk State Technical University Engineering-construction Faculty

Russia, Lipetsk

Tatiana Maksimova

undergraduate of the Department architecture Lipetsk state technical University

 Russia, Lipetsk

АННОТАЦИЯ

Рассмотрена экономическая целесообразность использования фотогальванических батарей.

ABSTRACT

The economic feasibility of using photovoltaic batteries is considered.

Ключевые слова: солнечная энергия, солнечные батареи, коллектор.

Keywords: solar energy, solar panels, collector.

Одной из главных особенностей технического развития деятельности человечества с начала 1950 годов является увеличение энергопотребления. Развитие получения энергии осуществляется с помощью роста добычи природных ископаемых, удобных в эксплуатации. Но несмотря на это энергетика, одно и крупнейших направлений экономического рынка, встретилась с проблемой – постепенное снижение добычи основной сырьевой базы.

Интенсивность излучения Солнца относительно южных широт на уровне моря доходит до 1 кВт/м2. В ходе создания высокоэф­фективных вариантов модификации солнечной энергии Солнце должно покрыть постепенно увеличивающуюся нехватку в энергии на далекое будущее.

При работе солнечных преобразователей, создающих прямую модификацию солнечной энергии в электрическую благодаря полупро­водниковым фотоэлементам, используется значение коэффициента полезного действия (КПД) фотоэлемента, представляющее собой отношение максимальной мощности электроэнергии, получаемой с помощью фотоэлектрической панели, к мощности попадающего на открытую площадь фотоэлемента солнечного луча. Таким образом при КПД фотоэлектрических панелей, равном 10 % (средний показатель КПД для кремниевых солнечных преобразователей, выпускаемых крупными партиями для эксплуатации в энергетике), для производства 1012 Вт электроэнергии нужно было бы перекрыть солнечными панелями площадь 4 " 10¹⁰ м², образующую квадрат размером 200 км на 200 км. В данном случае за интенсивность солнечной радиации берется величина 250 Вт/м², отвечающая усредненному показателю в течение 12 месяцев на территории южных широт. Данный расчет показывает, что невысокая плотность солнечной радиации не служит преградой масштабному использованию солнечной энергетики.

Около 20 лет назад начались массовые испытания в направлении солнечной энергетики. Это указывает на тот факт, что в скором будущем данный способ преобразования энергии станет экономически обоснованным и заслужит массовое использование во всем мире. Для России применение солнечной энергии играет важную роль. Даже беря в расчет то, что большую площадь территории России занимают северные регионы, в России есть не менее крупные районы, расположенные в южном направлении, по климату пригодные для применения солнечной энергии [1].

На данный момент мировой рынок характеризуется двумя вариантами солнечных тепловых электростанций:

1. башенного типа с аккумулированием солнечной энергии на одном гелиоприемнике, происходящей за счет большого количества плоских зеркал;
2. рассредоточенные системы из параболоидов и параболоци­линдров, в фокусе которых находятся тепловые приемники и преобразователи малой мощности.

В наше время энергия Солнца модифицируется в тепловую или электрическую за счет солнечных энергоустановок, разделяющихся по принципу работы на следующие типы:

1. фотоэлектрические, задействующие метод прямого (безмашин­ного) получения электрической энергии за счет фотоэлектрических преобразователей;
2. термодинамические, где энергия солнечной радиации перво­начально модифицируется в теплоту, после чего в термодинамическом цикле тепловой машины становится механической энергией, а затем в генераторе – электрической.

Реальный метод эксплуатации солнечной энергии - использование солнечного коллектора. Коллектор работает на поглощение радиации от солнечных лучей и постепенным преобразованием их в тепловую энергию, используемую затем для установок горячего водоснабжения и отопления [2].

В настоящее время фотоэлектрические панели не нуждаются в беспрепятственном солнечном излучении для производительности электроэнергии: фотоэлементы передают заряд на аккумуляторы и в непогоду.

Позитивные эффекты от внедрения модуля солнечного горячего водоснабжения:

1. собственная стоимость полученной тепловой энергии от вакуумных солнечных коллекторов в 1,4 раза меньше для сезонной эксплуатации, и в 2 раза меньше для эксплуатации в течение круглого года в сравнении с собственной стоимостью тепловой энергии, произведенной электрическими бойлерами;
2. время окупаемости модуля солнечного горячего водоснабжения в сравнении с системой горячего водоснабжения от бойлеров равняется 9 месяцам для сезонного использования, и 6 месяцев для применения в течение года;
3. уменьшение фактической электрической мощности исполь­зуемого оборудования для получения горячей воды равняется 2,4 раза (0,4 кВт/чел.) для системы солнечного горячего водоснабжения в сравнении с 0,8 кВт/чел для электрических бойлеров.

Модель солнечной электростанции включает следующие характе­ристики и затраты: максимальная мощность 6,0 кВт (9,0 кВА), при этом расход энергии составляет 300 кВт час/мес., электроснабжение постоянное, средняя цена инверторов 270 000 руб., среднее солнечное излучение за год составляет 120 кВт час/м² в месяц, количество энергии, вырабатываемое одной фотоэлектрической панелью - 15 кВт час/мес., из данного расчета следует, что количество солнечных панелей будет равняться: 300 кВт час : 15 кВт час = 20 шт., средняя стоимость солнечных панелей на мировом рынке 20 х 21000 = 420000. Средний срок работы солнечных батарей равен 25 лет, конверторов – 10 лет, количество аккумуляторов, которое требуется для данной установки равно 8 шт., срок службы аккумулятора 10 лет, стоимость аккумуля­торов 120000 руб. Во время эксплуатации батарей ежегодно требуется техническое обслуживание, которое оценивается в 3000 руб. в год.

Работа инвертора заключается в создании 220 вольт переменного тока за счет напряжения заряженных аккумуляторов, после чего ток направлен на питание нагрузок в доме. При условии связи дома с городской линией электропередачи, инвертор имеет возможность получать заряд от нее и заряжать аккумуляторы. Таким образом, при отсутствии питания инвертор переключается на генерацию синусоиды 220 вольт.

При расчетах главными являются 2 характеристики: наибольшее пиковое потребление дома и количество электричества, которое нужно для обеспечения дома за день. Пиковое потребление характеризует наибольшую мощность инвертора, которую тот может потребить. А количество электричества – это главная характеристика, на которой основываются расчеты. Это значение направлено на то, какой объем электричества следует получать с помощью солнечных батарей. Данное значение вычисляет электросчётчик.

При расчетах задействуем небольшой коттедж. Для расчета энерго­потребления возьмем в расчет холодильник, потребляющий 100 ватт в час, работающий на протяжение всего дня (2400 ватт-часов/сут) [4]. В качестве освещения возьмем лампы, потребляющие по 100 ватт в час. Примерное время работы искусственного освещения 6 часов в день, что ровняется 600 ватт-часов в сутки. Из данных, приведенных выше получаем, что общее энергопотребление равно 3600 ватт-часов в сутки. Для упрощения расчетов примем получившееся значение с округлением до 4000 ватт-часов/сут. При расчетах используем крупные панели (монокристалл, 230 ватт, 6 штук). Из расчетов следует, что в период с февраля по сентябрь подача электричества перекрывается за счет использования фотоэлектрических панелей.

В остальное же время возникает немаловажная проблема северных районов — в зимнее время выработка электроэнергии снижается в сравнении с летними месяцами. С летние месяцы вырабатывается около 8,5 киловатт-часов в сутки, что касается зимних месяцев, то значение сильно сокращается — 2-3 киловатт-часов в сутки. Это значит, что для продуктивной работы солнечных панелей требуется численное возрастание фотоэлектрических элементов для достаточной выработки электроэнергии, либо внедрение в систему генератора.

Далее следует расчет солнечных панелей для периода сентябрь-февраль: 6 панелей мощностью 240 ватт = 15 000 * 6 = 90 000 рублей.

Контроллер, использованный в системе, будет представлять собой 48-вольтовую систему. Тогда нужная мощность контроллера будет равняться 30 ампер. Контролер с характеристиками в 30 ампер и 48 вольт оценивается в 40 000 рублей. Инвертор производит из 48 вольт батарей 220 вольт для функционирования дома. Инвертор МАП «Энергия» SIN Pro 48/220В 3.0 квт стоит 50 000 рублей.

Аккумуляторы при работе фотоэлектрических панелей требуются при хранении энергии и ее выдачи, пока солнечная энергия мини­мальна либо в ночное время суток. В данном расчете рассмотрена система на 48 вольт, следует, нужно использовать 4 аккумулятора по 12-вольт. Аккумулятор Delta GX 12 000 * 4 шт = 60 000 рублей.

Для точной работы системы также требуются стеллаж, выполненный из металла, предохранитель, УЗИП, кабель большого сечения, что составляет примерно 16 000 рублей.

Общая стоимость затрат на установку солнечных батарей состав­ляет 230 000 рублей. С профессиональной установкой, расходными материалами и доставкой – 260 000 рублей.

Производительность рассмотренного оборудования обусловлена определенными фактами. Важнейших факт — время активности солнечной энергии и мощность используемой батареи. Самыми продуктивными являются модули с мощностью от 14,0 кВт. Использование фотоэлементов с данной мощностью может обеспечить бесперебойную работу всего энергоэффективного комплекса [3].

Компании-производители утверждают, что время, за которое окупится оборудование, составит порядка 10 лет. В очередной раз указывая на то, что в наше время использование солнечной энергетики – эффективный способ получения энергии.

Список литературы:

1. Фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии. [Электронный ресурс]. URL: http://otherreferats.allbest.ru/physics/00168264_0.html.
2. Возобновляемые источники энергии в энергетической стратегии России / Электронный журнал энергосервисной компании «Экологические системы». – 2010. - № 3 (99).
3. Солнечная энергия – будущее земли [Электронный ресурс]. URL:http://galspace. *****/index115.html.
4. Целесообразность и окупаемость солнечных батарей. [Электронный ресурс]. URL: http://home-matic.ru/2016/02.