Эффективность использования солнечных батарей в условиях климата республики Адыгея, пос. Яблоновский

VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Эффективность использования солнечных батарей в условиях климата республики Адыгея, пос. Яблоновский

Сацункевич В.Е. 1
1МБОУ СШ №27 а. Новая Адыгея
Гурий О.Ш. 1
1МБОУ СШ № 27 а. Новая Адыгея
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

ВВЕДЕНИЕ

Прогресс не стоит на месте, каждый день создаются новые технологии, позволяющие менять жизнь к лучшему. Еще два десятилетия назад сложно было представить, что для обогрева и электрификации жилья можно будет использовать энергию солнца.

Применение солнечных батарей в южных регионах является актуальным вопросом в связи с тем, что такой альтернативный источник энергии (АИЭ) является одним из главных решений мировых проблем, затрагивающих вопросы экономики и экологии.

Важность перехода на АИЭ можно рассматривать в связи со следующими проблемами:

Глобально-экологическая. Сегодня общеизвестен и доказан факт пагубного влияния на окружающую среду традиционных энергодобывающих технологий (в т.ч. ядерных и термоядерных), их применение неизбежно ведет к катастрофическому изменению климата уже в первых десятилетиях XXI века.

Экономическая. Цены на альтернативную энергию снижаются, на традиционную - постоянно растут.

Социальная. Общеизвестны факты роста онкологических и других тяжелых заболеваний в районах расположения АЭС, крупных ГРЭС, предприятий топливно-энергетического комплекса.

Эволюционно-историческая. В связи с ограниченностью топливных ресурсов на Земле, а также экспоненциальным нарастанием катастрофических изменений в атмосфере и биосфере планеты существующая традиционная энергетика представляется тупиковой для эволюционного развития общества.

На основе данных проблем, нами была выдвинута следующая гипотеза: переход на альтернативные источники энергии, в первую очередь на солнечные батареи, большинству населения страны, является экономически невыгодным предложением. Из-за этого нет существенного спроса на данный тип получения энергии.

Цель работы заключается в определении рентабельности солнечных батарей посредством расчета срока окупаемости установки в южном регионе России - Республика Адыгея.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

Изучить теоретические сведения.

Произвести расчёт эффективности применения солнечных батарей в условиях климата республики Адыгея, пос. Яблоновский, относительно среднестатистического потребителя электроэнергии.

На примере своей квартиры:

Произвести расчёт суммарной нагрузки потребления электричества.

Определить характеристики солнечной системы для обеспечения необходимой электроэнергией.

Произвести расчёт эффективности применения солнечных батарей.

Решение поставленных в работе задач осуществлялось на основе применения общенаучных методов исследования в рамках сравнительного, логического и статистического анализа. Кроме того, в работе используется теоретический анализ научной литературы.

Объектом исследования является процесс преобразования солнечной энергии посредством солнечной установки, её рентабельность и окупаемость.

Предметом исследования является солнечная установка, её характеристики.

Этапы выполнения работы:

I этап – изучение теоретических сведений.

II этап – расчётная работа по изучению эффективности применения солнечной энергии.

III этап – обобщение, систематизация и выводы исходя из полученных данных.

Хотелось бы отметить, что интерес к солнечным установкам возник вследствие моих наблюдений, которые приходились на дни семейного отдыха у моего крёстного в г. Новороссийске. Солнечные панели, которые были установлены крыше его дома (о которых будет рассказано ниже), произвели на меня неизгладимые впечатления. Этот фактор оказал наибольшее влияние в выборе данной тематики.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Глава 1. Теоретические сведения.

§ 1. Потенциал солнечных технологий.

Солнце является основным источником неисчерпаемой энергии (например, солнечной энергии) для планеты Земля. В настоящее время новые технологии используются для производства электроэнергии из собранной солнечной энергии. Эти подходы уже доказаны и широко практикуются во всем мире. Теоретически, солнечная энергия обладает потенциалом полного удовлетворения энергетических потребностей всего мира, если бы технологии её сбора и снабжения были легкодоступны. Около четырёх миллионов экзаджоулей (1 ЭДж = 1018 Дж) солнечной энергии ежегодно достигает Земли. Несмотря на этот огромный потенциал и повышение осведомленности, вклад солнечной энергии в глобальное энергоснабжение все ещё незначителен.

Ещё одна важная перспектива в отношении исследований солнечной энергии связана с нынешним стремлением к сокращению глобальных выбросов углерода, которые в последние годы являются одной из основных глобальных экологических, социальных и экономических проблем. Например, 696 544 метрических тонн выбросов CO2 были сокращены или предотвращены путём установки 113 533 домашних солнечных систем в Калифорнии, США. Поэтому принятие солнечных технологий позволит значительно уменьшить и облегчить проблемы, связанные с энергетической безопасностью и изменением климата. Предполагается также, что его использование будет играть важную роль в транспортном секторе в будущем, поскольку он не требует транспортировки топлива [1].

Как мы мне стало известно, на Земле только три возобновляемых источника энергии (биомасса, геотермальная и солнечная энергия) могут быть использованы для получения электроэнергии. Из этих трех источников солнечная энергия обладает самым высоким глобальным потенциалом, поскольку геотермальные источники ограничены несколькими местоположениями, а поставки биомассы не являются повсеместными. Ряд факторов (например, широта, суточная изменчивость, климат и географическая изменчивость) в значительной степени ответственны за определение интенсивности солнечного притока, проходящего через атмосферу Земли. Среднее количество солнечной энергии, получаемой в атмосфере Земли составляет около 342 Вт м−2, из которых около 30% рассеивается или отражается обратно в космос, оставляя 70% (239 Вт м−2) для сбора энергии. Годовая эффективная солнечная освещенность варьируется от 60 до 250 Вт м−2 по всему миру. Параметр, который определяет облучение поверхности солнечным светом, называется инсоляция [2]. На рис. 1 изображена среднегодовая интенсивность солнечного излучения над поверхностью Земли.

Р
исунок 1. Среднегодовое распределение солнечной радиации по поверхности Земли [3].

§ 2. Климат пос. Яблоновский (Республика Адыгея).

Пос. Яблоновский расположен на левом берегу реки Кубань, на расстоянии 90-120 километров к востоку от Чёрного и Азовского морей, и 1450 км к югу-западу от Москвы.

Климат пос. Яблоновский переходный, от умеренно-континентального (Dfa согласно классификации климата Кёплена) к сухому субтропическому (Cfb по классификации Кёплена). Температурный режим сходен с такими городами, как Милан и Нью-Йорк, с мягкой зимой без устойчивого снежного покрова и жарким летом.

Средняя температура воздуха в пос. Яблоновский, по данным многолетних наблюдений составляет +12,1 °C (в последние 10 лет среднегодовая температура держится на уровне 13,3 °C). Самый холодный месяц в городе — январь со средней температурой +0,6 °C. Самый тёплый месяц — июль, его среднесуточная температура +24,1 °C. Самая высокая температура, отмеченная в пос. Яблоновский за весь период наблюдений, +40,7 °C (30 июля 2000 года), а самая низкая −32,9 °C (11 января 1940 года). Данные максимальной и минимальной среднемесячной температуры по месяцам приведены в таблице 1.

Таблица 1. Максимальная и минимальная среднемесячная температура [4].

Месяц

Янв

Фев

Мар

Апр

Май

Июн

Июл

Авг

Сен

Окт

Ноя

Дек

Самый тёплый, °C

7,5

7,1

10,0

16,5

21,8

24,7

27,5

27,7

23,2

16,8

12,0

7,2

Самый холодный, °C

-10,8

- 13,1

- 3,7

7,2

13,3

17,6

20,6

19,4

13,9

6,4

- 4,0

- 7,0

Одним из главных параметров для рентабельного использования солнечных батарей, является количество ясных дней. Согласно имеющимся данным, которые указаны в таблице 2, ясных дней в году 134, облачных дней 178, пасмурных дней 53.

Таблица 2. Число ясных, облачных и пасмурных дней при учёте нижней облачности [4].

Месяц

Янв

Фев

Мар

Апр

Май

Июн

Июл

Авг

Сен

Окт

Ноя

Дек

Год

Ясных дней

6

8

10

10

13

10

16

18

15

13

9

6

134

Облачных дней

15

14

16

16

16

19

14

13

14

14

13

14

178

Пасмурных дней

10

6

5

4

2

1

1

0

1

4

8

11

53

§ 3. Значение солнечной инсоляции в пос. Яблоновский (Республика Адыгея).

Солнечная инсоляция, как мы говорили раннее, это величина, определяющая количество облучения поверхности пучком солнечных лучей (даже отраженных или рассеянных облаками). Под поверхностью может пониматься и солнечная панель, при расчетах выработки которой используется величина солнечной инсоляции.

Республика Адыгея, как и все другие регионы, также подвержена солнечной инсоляции, которую мы смогли найти благодаря сервису «POWER Data Access Viewer» Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) (Круглосуточно спутники NASA следят за деятельностью солнца и заносят полученную информацию в таблицы). Для точного нахождения инсоляции относительно пос. Яблоновский, мы использовали географические координаты (Широта: 44.98901; Долгота: 38.94324). Получившиеся результаты мы представили в таблице 3, в которой, помимо инсоляции, приводится оптимальный угол наклона солнечных панелей относительно поверхности земли.

Таблица 3. Значение солнечной инсоляции и оптимального угла наклона солнечной панели в пос. Яблоновский [5].

 

Инсоляция, кВт*ч/м2

Оптимальный угол наклона, °

Январь

1,95

60

Февраль

2,85

53

Март

3,47

39

Апрель

4,50

27

Май

5,64

15

Июнь

5,90

7

Июль

6,20

9

Август

5,55

22

Сентябрь

4,66

37

Октябрь

3,51

50

Ноябрь

2,35

59

Декабрь

1,59

61

Среднее за год

4,02

 

Вывод по главе 1:

Исходя из полученных нами сведений, пос. Яблоновский является потенциально рентабельной зоной для установки солнечных панелей. Этому свидетельствуют 134 ясных дня и 178 облачных дней в году, а также показатели инсоляции, которые составляют 4,02 кВт*ч/м2. Для получения точных выводов нам необходимо произвести расчёты, которые бы учитывали стоимость самой установки и её окупаемость относительно стоимости электроэнергии.

Глава 2. Расчётная работа по изучению эффективности применения солнечной энергии.

§ 1. Расчет эффективности применения солнечных батарей в условиях климата республики Адыгея, пос. Яблоновский, относительно среднестатистического потребителя электроэнергии.

Благодаря совершенствованию технологий производства солнечных панелей в условиях современной конкуренции цены на них снижаются. Это способствует росту их популярности. Снижение стоимости и экологичность являются главными достоинствами системы. Поскольку система полностью автономна, затраты осуществляются только на оборудование и эксплуатацию.

В современное время на смену первым кремниевым солнечным батареям приходят усовершенствованные системы, которые являются более технологически сложными, но при этом более эффективными. Полимерные материалы, фотоэлементы и другие инновационные решения вошли в основу данных конструкций. Следует отметить, что такие батареи не используют природное топливо и работают исключительно на внутренних ресурсах. Механический износ незначителен, средний срок службы составляет около двадцати пяти лет, поэтому долговечность следует отнести также в список их преимуществ [6].

В первую очередь, у потребителя возникает вопрос об окупаемости собственной солнечной электростанции. Однако, для покупки и монтажа батарей требуются значительные денежные затраты. Именно поэтому появляется интерес к сроку, после которого можно будет получать видимую экономию. По статистике реальный средний срок окупаемости батарей в государствах с низким уровнем инсоляции – от 5-ти до 10-ти лет, с высоким уровнем возврат инвестиций может сократиться до 2,5-3 лет.

Следует отметить, что полагаться только на эти данные без предварительных расчетов нецелесообразно. Помимо параметров, способствующих определению срока окупаемости всей системы солнечных батарей, таких как выбор производителя, типа материалов, способа монтажа, географических и климатических условий местности, существуют дополнительные факторы, необходимые для расчета:

- Инфляция, учитывающая ежегодное увеличение тарифа на электроэнергию (по статистике прошлых лет варьируется в пределах от 4 до 13% в год);

- Повышение цен на электроэнергию влияет на количество сэкономленных на счетах денег: чем выше стоимость электроэнергии, тем больше экономия;

- Цена на само оборудование и его устройство в валюте постепенно снижается, в рублях - растет. То есть люди, купившие солнечные панели уже в 2015 годах предохранили свои сбережения от падения курса рубля, тем самым сократив окупаемость установки;

Определяющим фактором каждой солнечной установки является мощность. Чем больше мощность системы, тем выше ее функциональность. Тем больше запросов она может удовлетворить, тем больше потребителей электричества к ней можно подключить.

Рассмотрим систему средней мощности, вырабатывающую в месяц от 400 до 800 кВт электроэнергии. Для нее потребуется 8-10 солнечных панелей, инвертор мощностью 3 кВт, генерирующий на выходе переменный ток от 20 до 24 аккумуляторов емкостью по 150 ампер-часов.

Система этой солнечной установки предназначена не только для освещения, зарядки телефона, планшета, ноутбука или радиоприемника, а также для различных бытовых приборов, телевизоров, микроволновой печи, электрочайника и других электроприборов средней мощности. Стоимость такого оборудования составляет от 250000 до 450000 тысяч рублей.

Произведем расчет срока окупаемости солнечных батарей средней мощности по формуле:

, (1)

где N – срок окупаемости, год;

POb – стоимость оборудования, равная в среднем 320 000 руб.;

I – стоимость электроэнергии за год, руб..

Стоимость электроэнергии определяется по формуле:

I = 4,69 ∙ [nсол EKпот + (364 - nсол) ∙ EKпасм], (2) [9]

где nсол – количество солнечных дней в году в пос. Яблоновский (134 ясных дней + (178 облачных дней)/2);

E – средняя выработка энергии солнечными батареями в солнечный день в сутки, кВт∙ч;

Kпот = 0,9 – коэффициент, учитывающий теплопотери установки [7];

Kпасм = 0,45 – коэффициент, учитывающий выработку энергии в пасмурные дни [7];

4,69 – тариф на электроэнергию в пос. Яблоновский, руб. за кВт ∙ ч (на начало 2019 г.) [8];

По формуле (2) находим стоимость выработанной электроэнергии:

I = 4,69 ∙ [223∙ 35 ∙ 0,9+ (364 - 223) ∙ 35 ∙ 0,45] = 43 360 руб.

Полученная стоимость электроэнергии является доходом от затрат, которые были бы направлены на оплату электроэнергии традиционным способом.

По формуле (1) вычисляем срок окупаемости солнечной установки:

Окончательный результат нужно принимать только в совокупности со всеми факторами, описанными выше. Исходя из вычислений можно предположить, что примерный срок окупаемости солнечной электростанции составит 7,38 лет.

Благодаря данным расчётам, мы можем сделать следующие выводы:

На начальном этапе внедрение солнечных батарей подразумевает существенное вложение денежных средств. Однако, ввиду окупаемости проекта и ряда других достоинств, жилье с такой системой имеет инвестиционную выгоду.

Главным фактором, помимо экономии, является борьба с загрязнением окружающей среды и с глобальным потеплением, именно за счет того, что уменьшается потребление энергии от традиционных, экологически грязных источников электроэнергии

§ 2. Расчёт суммарной нагрузки потребления электричества на примере своей квартиры.

Прежде чем установить солнечные батареи, необходимо произвести расчёт потребления электричества, поскольку малейшее отклонение в любую сторону приводит к изменению материальных затрат на порядок. Последующие расчёты будут основываться на потреблении электроэнергии мной и моей семьёй, посредством эксплуатации электроприборов.

Хотелось бы заметить, что от процедуры данного расчета – формируется осознанное четкое понимание порядка эксплуатации будущей солнечной электростанции. Понимание это сводится к одному: как сохранить каждый Ватт*час добытой энергии.

Первый этап расчета начинается с составления перечня всех приборов и устройств, которые эксплуатируются. Для начала был составлен перечень без учёта количественных и качественных характеристик. В этот список вошли следующие приборы: утюг, телевизор, сплит-система, микроволновая печь, духовой шкаф, кухонная вытяжка, холодильник, стиральная машина, чайник, посудомоечная машина, тостер, фен, ноутбук, лампа накаливания, зарядное устройство, пылесос.

Следующим этапом было выяснение потребляемой мощности каждого из приборов. Это было сделано исходя из характеристик, указанных в паспорте прибора, а также на бирке самих приборов. После этого было вычислено среднее потребление общего времени работы данных приборов в течение суток. На основе уже имеющихся данных была составлена таблица 4. Необходимо отметить, что такое устройство как сплит-система используется исключительно в летний период. Таблица 4 показывает пиковую потребляемость, приходящуюся на летний сезон.

Таблица 4. Количественные и качественные характеристики эксплуатирующихся электрических приборов в течение суток.

Наименование

Мощность, Вт

Кол-во, шт.

Время, час

Утюг

2000

1

0,166

Телевизор

210

1

2

Телевизор (кухня)

55

1

0,5

Сплит-система

1100

3

5

Микроволновая печь

800

1

0,166

Духовой шкаф

3100

1

0,2

Кухонная вытяжка

230

1

2

Холодильник

170

1

24

Стиральная машина

1700

1

1,5

Чайник

2000

1

0,333

Посудомоечная машина

2000

1

6

Тостер

900

1

0,25

Фен

1600

1

0,166

Ноутбук

400

1

0,066

Зарядное устройство

5

5

4

Пылесос

2000

1

0,233

Светодиодная лампа

7

78

4

Следует пояснить результаты, рассчитанные в последнем столбце. К примеру, если мы используем духовой шкаф всего 1,5 часа в неделю, то в месяц общее время составит 4 x 1,5 = 6 часов, т.е. в сутки 6 : 30 = 0,2. Аналогично и для ноутбука.

Из уже имеющихся данных, указанных в таблице 4. Мы можем вычислить сколько каждый из приборов потребляет электроэнергии в сутки. Для этого мы умножаем мощность прибора на его кол-во, а также на время его работы. Проведя расчёты, мы получили следующие данные (таблица 5).

Талица 5. Общее потребление электроэнергии каждым из приборов в течение суток.

Наименование

Вт*ч/сутки

Утюг

332

Телевизор

420

Телевизор (кухня)

27,5

Сплит-система

16 500

Микроволновая печь

132,8

Духовой шкаф

620

Кухонная вытяжка

460

Холодильник

4080

Стиральная машина

2550

Чайник

666

Посудомоечная машина

12 000

Тостер

225

Фен

265,6

Ноутбук

26,4

Зарядное устройство

100

Пылесос

466

Светодиодная лампа

2184

Для заключительного подсчета суточного потребления, необходимо сложить получившиеся данные таблицы 5 исходя из следующей формулы:

, (3)

где S – суммарное суточное потребление электроэнергии всеми приборами, Вт*сутки;

x – суточное потребление электроэнергии одним из приборов, Вт*сутки.

S=332+420+27,5+16 500+132,8+620+460+4080+2550+666+12 000+225+265,6+26,4+100+466+2184 = 41 055,3 Вт*ч/сутки = 41,06 кВт*ч/сутки.

В зимний период суммарное суточное потребление электроэнергии снизится до 24,5 кВт*ч/сутки из-за неиспользования сплит-систем.

После проведённых подсчётов, можно приступить к расчёту солнечных батарей. На данный момент мы имеем величину суточного потребления в размере 41,06 КВт*сутки, от которой мы и будем «отталкиваться».

§ 3. Определение требуемого количества энергии в сутки.

Для определения требуемого количества энергии в сутки нам необходимо вычисленное нами значение суточного потребления – 41 055,3 Вт*ч/сутки разделить на напряжение системы – 12 В. Выбранное напряжение системы, равное 12 В, было выбрано для того, чтобы снизить токи в цепях, а следовательно, иметь возможность использовать провод меньшего сечения, т.е. более дешёвый. В результате математических расчётов получаем следующий результат, равный 3421 А*ч/сутки.

Для нашей системы мы также учли, что инвертор (устройство для преобразования постоянного тока в переменный), который нам в дальнейшем нужно будет установить, сам потребляет часть энергии на собственные нужды. Исходя из этого, мы должны предусмотреть запас энергии и для него. Для этого полученный результат 3421 А*ч/сутки мы умножим на коэффициент 1,2 и получим 4105,5 А*ч/сутки.

Таким образом мы вычислили суточную величину энергии необходимой для обеспечения электроснабжения наших устройств. И она составила 4105,5 А*ч/сутки.

§ 4. Определение характеристик фотоэлектрических модулей.

Для того, чтобы правильно подобрать необходимую солнечную установку, нужно знать характеристики фотоэлектрических модулей, а именно: мощность, напряжение, ток. Нельзя также не обратить внимание и на такие параметры, как габариты, конструктивное исполнение, вес, т.к. это важные характеристики, тем более для многоквартирного дома, как в нашем случае.

1. Напряжение. От выбора величины напряжения будет зависеть выбор контроллера заряда батарей, выбор напряжения аккумуляторов и, соответственно, схема их соединения. Как мы говорили раннее, нами было выбрано напряжение в 12 В.

2. Мощность и ток. Общую мощность мы набираем из тех модулей, напряжение которых соответствует выбранному ранее для системы. Путем соединения их либо параллельно, если напряжение каждого из них равно выбранному, либо последовательно, в случае, когда напряжение каждого из них меньше выбранного. Последовательно-параллельно, чтобы обеспечить суммарную мощность при обеспечении выбранного напряжения системы.

3. Габариты и вес. Помня о том, что каждое дополнительное электрическое соединение в системе повышает вероятность отказа, мы понимаем, что единый модуль, соответствующий требуемым мощности и напряжению, был бы отличным вариантом в нашем случае.

4. Конструктивное исполнение. Конструктивное исполнение тоже играет немаловажную роль как в плане эксплуатационных характеристик, так и с финансовой точки зрения. Нами было принято решение рассматривать бескаркасные модули, которые будут стоить значительно дешевле, по сравнению с каркасными аналогами.

Рассмотрев имеющиеся предложения на рынке солнечных батарей и приняв в расчёт вышеизложенные характеристики, нами была выбрана солнечная батарея, имеющая следующие параметры: номинальная мощность 200 Вт; номинальное напряжение 12 В; количество элементов 72 шт.; габаритные размеры (ДхШ, м) 1,355х0,992; вес 12 кг.

§ 5. Определение характеристик солнечной системы для обеспечения необходимой электроэнергии.

Солнечная система состоит из основных 4 компонентов:

Аккумуляторов;

Контролера заряда;

Солнечных батарей;

Инвертора.

Благодаря онлайн-расчёту компании Helios House, мы получили оптимальные характеристики солнечной системы относительно пос. Яблоновский, которые приведены в таблице 6. Представленные характеристики необходимы для обеспечения затрат на электроэнергию исходя из вышеизложенных расчётов: 41,06 кВт*ч/сутки летом и 24,5 кВт*ч/сутки зимой.

Хотелось бы отметить, что, с помощью данного сервиса, можно построить график зависимости количества вырабатываемой энергии солнечными батареями относительно месячной активности солнца, который приведён на рисунке 2.

Таблица 6. Оптимальные характеристики солнечной системы для обеспечения потребляемой электроэнергии рассчитанные с помощью онлайн-расчёта компании Helios House [11].

Наименование

 

Кол-во солнечных панелей (200W), шт

40

Общая площадь солнечных панелей с учётом её габаритов, м2

53,77

Зенитный угол, °

15°

Азимут, °

180°

Емкость аккумуляторов, Ач

600

Напряжение аккумуляторов, В

12

Время автономной работы, ч

летом

3

зимой

5

Рисунок 2. Выработка солнечных батарей [11].

Анализируя график представленный на рис.2, можно сделать следующий вывод: с ростом продолжительности солнечной активности, многократно возрастает выработка энергии. Можно сделать и другой вывод, с середины мая до середины августа будет наблюдаться перевыработка энергии, которая может компенсировать её недостаток с середины октября до середины марта благодаря накопительным аккумуляторам.

§ 6. Экономический расчёт солнечной системы.

Цены на солнечные батареи и оборудование сейчас достаточно разнятся, одна и та же продукция может по цене в разы отличаться у разных продавцов. В качестве отправной точки были взяты цены из магазина AmperShop, который находится в г. Краснодар [12].

Ранее нами уже была выбрана солнечная батарея DELTA BST 200-12P, характеристики которой описаны выше. Её стоимость на начало 2019 г. составляет 9000 рублей. Исходя из таблицы 5, в которой представлены данные для покрытия расходов на электроэнергию, нам необходимо иметь 40 батарей по 200 Вт. Стоимость всех солнечных панелей, относительно выбранной модели, будет равна 360 000 рублей.

Для компенсирования электроэнергии с середины октября до середины марта, а также в ночной период, нам необходимы аккумуляторы общей емкостью 600 Ач. Наш выбор был сделан в сторону аккумулятора MNB Battery MM200-12, ёмкостью 200 Ач и стоимостью 29 000 рублей. Для полноценного энергообеспечения необходимо 3 таких аккумулятора. Их стоимость составила 87 000 рублей.

Для преобразования постоянного тока от солнечных панелей в переменный, используется сетевой солнечный инвертор. Мы выбрали инвертор компании Growatt New Energy Technology Co, модель GROWATT 1500-S. Его стоимость равна 35 700 рублей. Данный инвертор подходит нашей системе по своим характеристикам: максимальная входная мощность от солнечных панелей 1900 Вт, номинальная мощность 1600 Вт, номинальный выходной ток 7,8.

Последний компонент, который нам необходим, это контроллер заряда. Исходя из наших характеристик, мы выбрали контроллер Epsolar LS 2024B, стоимостью 3100 рублей. Отличительной особенностью является наличие функции автоматического включения освещения в темное время суток и таймера выключения. Поэтому они также могут быть использованы в автономных системах освещения. Модель отличает наличие 2-х таймеров - одного на выключение освещения через определенное количество часов после заката, другой - на выключение перед рассветом.

Безусловно, для монтажа и установки данного оборудования потребуются расходные материалы, кабели и др.. Но так как мы не можем на данном этапе теоретически оценить затраты на данные операции, учитывать их мы не будем.

Также хотелось бы заметить, что расчёт ведётся для обеспечения электроэнергией квартиры. Исходя из этого, мы предполагаем установку панелей на крыше многоквартирного дома, которая соответствовала бы габаритам всех панелей.

Общая стоимость автономной солнечной электростанции способной круглогодично обеспечить мою семью электроэнергией обошлась нам в 485 800 рублей на начало 2019 года. Это на порядок отличается от средней стоимости оборудования для солнечной системы, предложенного раннее (§ 1). Но данный факт говорит нам только о том, что расчёты велись исключительно исходя из среднего потребления электроэнергии. В моей семье потребление значительно выше, тем более в летний период с использованием энергозатратных сплит-систем.

По формуле (1) вычисляем срок окупаемости солнечной установки относительно среднемесячного потребления моей семьёй, которое составляет 32,78 кВт*ч/сутки (41,06 кВт*ч/сутки летом и 24,5 кВт*ч/сутки зимой):

Исходя из вычислений можно предположить, что примерный срок окупаемости солнечной электростанции для моего дома составит 8,77 лет.

Исходя из полученных данных, можно сделать следующие выводы:

Инвестирование в данную установку на начальном этапе подразумевает существенное вложение денежных средств и, возможно, не будет являться экономически целесообразным решением, т.к. в течении 8,77 лет вероятность поломки возрастает.

Чем выше потребление электроэнергии, тем выше стоимость солнечной установки и тем дольше её окупаемость.

Вывод по главе 2:

Из данных расчётов следует, что среднемесячному потребителю электроэнергии будет более подходяще ввести в эксплуатацию систему на основе солнечных батарей на 18,8 %. Касаемо моей семьи, процент экономически целесообразного использования данной установки на 18,8 % меньше.

Глава 3. Практическое применение оборудования для сбора солнечной энергии в г. Новороссийск.

§ 1. Наглядное представление солнечной установки.

Как я говорил во введении, наибольшее впечатление оказавшее влияние на развитие данной работы, на меня оказала поездка в г. Новороссийск. Именно там я впервые увидел солнечные панели, которые были установлены на крыше дома моего крёстного (см. приложения).

По мере своего развития, я узнавал новые данные, касающиеся современных солнечных станций. Проделав вышеописанную работу, я захотел подробнее узнать о работе данной системы и её экономической целесообразности.

Для осуществления этого, при поддержки моих родителей, была организована повторная поездка в г. Новороссийск. Благодаря этой поездке были сформированы наглядные представления о данной установке и получены недостающие данные в области энергообеспечения дома посредством солнечной энергии.

Благодаря любезности моего крёстного, была получена вся необходимая информация установленной солнечной системы, о которой будет говорится в следующем параграфе.

§ 2. Характеристики солнечной установки и её стоимость.

О
борудование, которое обеспечивает дом электроэнергией, построено по следующей схеме (рис. 3)

Рисунок 3. Схема эксплуатации оборудования для сбора солнечной энергии [13].

Как показано на схеме, вся система контролируется гибридным инвертором CONEXT XW+ 8548, управление которым осуществляется через собственную WEB страницу. Данный инвертор является основным компонентом системы, предназначенной для бесперебойного или автономного электроснабжения зданий.

Одним из главных компонентов, безусловно являются солнечные батареи. В данной системе используется модель FSM 100M в количестве 30 штук.

Как мы говорили ранее, компонент, влияющий на сохранение электроэнергии, называется аккумулятор. В данной структуре используется аккумулятор Delta GX12-200 в количестве 8 штук.

Последним важным компонентом, является контроллер заряда Xantrex XW-MPPT 60-150 – 2 штуки, который предназначен для регулирования ввода постоянного тока от солнечных панелей, но также способен работать с другими источниками постоянного тока.

Несмотря на присутствие всех необходимых компонентов, в данной системе установлена панель управления систем SW и XW+ отвечающая за интерфейс, прерыватель-автомат на большую силу постоянного тока – до 250 ампер, беспроводной коммуникационный модуль Conext COMBOX, для отслеживания всех процессов в системе через встроенный WEB-сервис, а также оборудование для горячего водоснабжения ЯSolar-400-Duo-4.

По оценке моего крестного, общая стоимость оборудования, расходных материалов и работ обошлась в 1 600 000 рублей. Данная сумма обусловлена прежде всего дополнительным оборудованием, которое устанавливалось для таких нужд, например, как горячее водоснабжение и WEB настройка системы. Высокая стоимость установки, также обусловлена мощными характеристиками системы, способной вырабатывать 8,5 кВт/час.

Несмотря на выяснение всех подробностей, касающейся данной системы, мне не удалось провести расчёт её окупаемости и, вследствие этого, её рентабельности, т.к. данная установка используется как гибридный способ обеспечения дома. Из-за этого мы не можем выяснить суммарное энергопотребление.

Вывод по главе 3:

Хотя мне и не удалось до конца выяснить экономическую составляющую данной системы, на меня эта поездка, безусловно, оказала информационно правильное влияние, благодаря которому у меня сформировалась полная картина эксплуатации солнечных установок.

Заключение

Один из самых перспективных вариантов развития экологически чистой энергетики – солнечная. Несмотря на это, популярность использования такой установки крайне невысока по сравнению с традиционными видами энергообеспечения (ТЭС, АЭС, ГЭС).

Проделав вышеописанную работу, мы, с наибольшей долей вероятности, подтвердили свою гипотезу, которая говорит о том, что переход на альтернативные источники энергии (АИЭ), на данный момент времени, является экономически не целесообразной моделью. Этот факт подтверждает продолжительную окупаемость, а также её экономическую затратность.

Исходя из расчёта эффективности применения солнечных батарей в условиях климата республики Адыгея, пос. Яблоновский, относительно среднестатистического потребителя электроэнергии и относительно энергопотребления моей семьи, мы пришли к следующему выводу: с ростом энергопотребления, стоимость установки возрастает не пропорционально, а параболически.

На данном этапе технического развития солнечных батарей, наиболее рентабельным их использование окажется у тех потребителей, которые потребляют от 400 до 800 кВт электроэнергии в месяц, что соответствует среднемесячному потреблению. Их срок окупаемости приблизительно составит 7,38 лет.

Хотелось бы отметить, что данные расчёты проводились с учётом климата пос. Яблоновский (Республика Адыгея), где уровень инсоляции и количество солнечных дней довольно высоко, относительно других регионов страны. Тем самым, срок окупаемости солнечной установки с Юга на Север будет увеличиваться. Подтверждение этому мы видим на среднегодовом распределении солнечной радиации по поверхности Земли, представленной на рисунке 1.

Безусловно, потенциал солнечной энергии велик, но, чтобы использовать его по максимуму, требуется значительная доработка и удешевление оборудования, которое преобразует солнечную энергию в электрическую. Переход на данным тип АИЭ позволил бы устранить многочисленные проблемы, которые были указаны нами выше.

При разработке данного проекта, мы выяснили, что солнечные панели отражают от своей поверхности около 30 % солнечного света. Характеристика отражательной способности поверхности, называется альбедо. У каждой планеты солнечной системы существует естественная отражательная способность (у Земли данный параметр составляет 0,367). По мере его повышения или понижения климат планеты значительно изменяется.

На основе этих данных, мы выдвинули следующую гипотезу: с повышением использования солнечных панелей, а в итоге с полным переходом на данный тип добычи электроэнергии, поверхность Земли начнёт в значительной степени больше отражать солнечные лучи, что приведёт к понижению температуры и, вследствие этого, изменению климата на всей планете. Данный вопрос будет рассмотрен нами, как дальнейшая перспектива развития нашего исследования.

Список литературы и интернет-источников

Мак-Вейг Д. Применение солнечной энергии // Москва: Энергоиздат, 1981. - 216 с.

Германович В., Турилин А. Альтернативные источники энергии и энергосбережение: практические конструкции по использованию энергии ветра, солнца, земли, воды, биомассы // Санкт-Петербург: Наука и Техника, 2014. – 320 с.

Loster M. Total Primary Energy Supply — From Sunlight, 2010. URL: www.ez2c.de/ml/solar_land_area/ (Дата обращения: 15.11.2018 г.)

Справочно-информационный портал "Погода и климат" URL: www.pogodaiklimat.ru/climate/34927.htm (Дата обращения: 15.11.2018 г.)

POWER Data Access Viewer (NASA) URL: power.larc.nasa.gov/data-access-viewer/ (Датаобращения: 21.11.2018 г.)

Левищева Д.Ю. Солнечные батареи как прогрессирующий источник электроэнергии // Стерлитамак: АМИ, 2017. – 150-152 c.

ГОСТ Р 56978 — 2016 Батареи фотоэлектрические. Технические условия // Москва: Стандартинформ, 2016. – 77 с.

ПАО ТНС энерго Кубань URL: kuban.tns-e.ru/population/tariffs/tariff-table/ (Дата обращения: 15.01.2019 г.)

Смирнова О.М., Левищева Д.Ю. Расчёт эффективности применения солнечных батарей в условиях климата краснодарского края // Санкт-Петербург: Современная наука, 2018. – 126-128 с.

Харченко Н.В. Индивидуальные солнечные установки // Москва: Энергоатомиздат, 1991. – 208 с.

Helios House: saving energy, money and planet URL: www.helios-house.ru/on-line-kalkulyator.html (Датаобращения: 15.12.2019 г.)

Магазин электротехнических решений Amper Shop URL: amper-shop.ru (Дата обращения: 16.01.2019 г.)

Магазин гибридных систем энергоснабжения РАэнерго URL: ra-energo.ru/xantrexxw6048/ (Дата обращения: 18.01.2019 г.)

Приложения

Поездка в г. Новороссийск:

Аккумуляторы Delta GX12-200

И нвертор Conext XW 8548

Панель управления систем SW и XW+ отвечающая за интерфейс

Солнечные панели FSM 100М

Водонагревательная система на базе солнечных коллекторов «ЯSolar»

Просмотров работы: 33