Электроснабжение административного здания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Электроснабжение административного здания

1. Возобновляемые источники энергии в энергетике Республики Казахстан

1.1 Перспективы использования возобновляемых источников энергии в Казахстане

Казахстан имеет огромный потенциал возобновляемых источников энергии, в частности, гидроэнергетики, ветровой и солнечной энергетики. Но, к сожалению, он еще не освоен. В настоящее время, возобновляемые источники энергии представляют лишь около 1% в энергетическом балансе Казахстана.

Правительство Республики Казахстан намеревается значительно увеличить долю электроэнергии, вырабатываемой посредством возобновляемых источников энергии. В соответствии с Национальной программой по форсированному индустриально-инновационному развитию Республики Казахстан на период с 2010 по 2014 год, доля потребления электроэнергии, производимой от возобновляемых источников энергии должна превысить 1% к 2015 году. И в соответствии с национальными программами для перехода к устойчивому развитию, предусмотрено увеличение доли возобновляемых источников энергии в энергетическом балансе Казахстана до 5 процентов к 2024 году.

Закон о возобновляемых источниках энергии был подписан Президентом Республики Казахстан Нурсултаном Назарбаевым 4 июля 2009 года.

Казахстан взял на себя обязательства до 2020 сократить свои выбросы на 15% по отношению к уровню 1992 года. Эту цель будет трудно достичь только за счет снижения энергоемкости экономики. Таким образом, роль возобновляемых источников энергии в сокращение выбросов парниковых газов будет иметь существенное значение для Казахстана.



Рисунок 1.1 - Вовлечение в энергобаланс возобновляемых источников энергии

Главными мотивирующими факторами для развития направления нетрадиционной энергетики в нашей стране должны стать:

- Ограничение импорта электроэнергии, в особенности в южные регионы;

- Осуществления качественного электроснабжения отдаленных районов республики;

- Защита экосистемы за счет сокращения зависимости выработки электроэнергии от угля (на сегодняшний день эта зависимость существенна - 85%);

- Ограничение потерь в линиях электропередач и улучшения стабильности и надежности посредством установки рассредоточенных электростанций, использующих возобновляемые ресурсы (на сегодняшний день при передаче и распределении теряется 21,5% электроэнергии).

1.2 Проблемы, связанные с использованием возобновляемых источников энергии

Использование возобновляемой энергии характеризуется следующими особенностями:

1. Имеется высокий потенциал неисчерпаемой энергии, готовые технологии и оборудование, применяя которые возможно обеспечить значительное снижение выбросов парниковых газов. Однако новые энергетические технологии нуждаются в государственной поддержке и эффективно развиваются только тогда, когда она действительно имеет место.

2. Некоторые технологии по показателям стоимости еще недостаточно развиты или не являются социально приемлемыми для сельского населения. Проблема в том, чтобы иметь возможность исследовать и развивать технологии, в частности, решать вопросы их практического применения в соответствующих регионах.

3. Некоторые технологии нуждаются в том, чтобы они были изложены в стратегиях и планах таким образом, чтобы финансовые ресурсы, предполагаемые для их освоения, были доступны для проектирования, производства и внедрения установок. Проблема - в недостатке планирования, составления проектов и программ.

4. Некоторые технологии не реализуются только из-за недостатка данных, которые необходимы для определения их перспективности. Проблема в том, что необходимо проводить соответствующие обзоры (исследования), сбор и анализ информации.

5. Некоторые технологии распространяются до того, как они пройдут точную оценку, сертификацию, доказывающие их целесообразность. Это может привести к различного рода отклонениям в их использовании со стороны конечного пользователя. В таком случае проблема состоит в недостаточной оценке технологий и мониторинге их распространения.

6. В некоторых случаях, даже если готовые технологии признаются приемлемыми, необходимо иметь структуры для их размещения, обслуживания, устранения неисправностей и поломок.

1.3 Законодательная база в области использования возобновляемых источников энергии

Законодательная база республики Казахстан в области электроэнергетики и в частности в использовании возобновляемых источников энергии включает в себя следующие документы:

1. Закон Республики Казахстан «Об электроэнергетике» от 9 июля 2004 года №588-II, с изменениями и дополнениями от 29.12.2008 г.;

2. Закон Республики Казахстан «Об энергосбережении» от 25 декабря 1997 года №210 - I, с изменениями и дополнениями по состоянию на 10.01.2006 г.;

3. Закон Республики Казахстан «О поддержке использования возобновляемых источников энергии» от 4 июля 2009 №165 - IV.;

4. Постановление Правительства Республики Казахстан от 25 декабря 2009 года №2190 «Об утверждении правил, сроков согласования и утверждения технико-экономического обоснования и проектов строительства объектов по использованию возобновляемых источников энергии»;

5. Постановление Правительства Республики Казахстан от 5 октября 2009 года №1529 «Об утверждении правил осуществления мониторинга за использованием возобновляемых источников энергии»;

6. Правила покупки электрической энергии у квалифицированных энергопроизводящих организаций от 29 сентября 2009 года №264;

7. Правила определения ближайшей точки подключения к электрическим и тепловым сетям и подключения объектов по использованию возобновляемых источников энергии от 1 ноября 2009 года №270.

Правительство республики Казахстан обязуется всячески оказывать поддержку объектов, использующих возобновляемые источники энергии, что подтверждается рядом статей из закона о поддержке использования возобновляемых источников энергии.

Государственное регулирование в области поддержки использования возобновляемых источников энергии осуществляется по следующим основным направлениям:

1) создание благоприятных условий для строительства и эксплуатации объектов по использованию возобновляемых источников энергии;

2) стимулирование производства электрической энергии с использованием возобновляемых источников энергии;

3) предоставление инвестиционных преференций для строительства и эксплуатации объектов по использованию возобновляемых источников энергии;

4) создание благоприятных условий для эффективной интеграции объектов по использованию возобновляемых источников энергии в единую электроэнергетическую систему и рынок электрической энергии Республики Казахстан;

5) содействие выполнению международных обязательств Республики Казахстан по снижению выбросов парниковых газов.

1.4 Поддержка при проектировании и строительстве объектов по использованию возобновляемых источников энергии

1. Местные исполнительные органы областей (города республиканского значения, столицы) при разработке планов, экономических и социальных программ развития области (города республиканского значения, столицы) учитывают программы развития и использования возобновляемых источников энергии.

2. Местные исполнительные органы областей (города республиканского значения, столицы) резервируют и предоставляют земельные участки, в том числе в водоохранных зонах и полосах, в соответствии с земельным законодательством Республики Казахстан под строительство объектов по использованию возобновляемых источников энергии в соответствии с планом (программой) размещения объектов по использованию возобновляемых источников энергии.

3. Лица, осуществляющие проектирование и строительство объектов по использованию возобновляемых источников энергии, имеют право на получение инвестиционных преференций, в соответствии с законодательством Республики Казахстан об инвестициях.

1.5 Поддержка при продаже электрической энергии, произведенной с использованием возобновляемых источников энергии

1. Региональные электросетевые компании, к электрическим сетям которых непосредственно подключены объекты по использованию возобновляемых источников энергии, обязаны покупать в полном объеме электрическую энергию, производимую соответствующими квалифицированными энергопроизводящими организациями, на компенсацию нормативных потерь электрической энергии в своих сетях в объеме не более пятидесяти процентов размера этих потерь.

В случае превышения объема производства электрической энергии квалифицированными энергопроизводящими организациями пятидесяти процентов размера нормативных потерь соответствующей региональной электросетевой компании, оставшийся объем этой электрической энергии покупается системным оператором на компенсацию нормативных потерь электрической энергии в национальной электрической сети.

2. Квалифицированная энергопроизводящая организация самостоятельно устанавливает отпускную цену на электрическую энергию в размере, не превышающем уровня, установленного в технико-экономическом обосновании проекта строительства объекта по использованию возобновляемых источников энергии.

3. Квалифицированные энергопроизводящие организации при поставке электрической энергии освобождаются от уплаты тарифов на услуги энергопередающих организаций.

4. Затраты на передачу электрической энергии, произведенной квалифицированной энергопроизводящей организацией, включаются в тариф на услуги по передаче электрической энергии этих региональных электросетевых компаний и системного оператора в порядке, установленном законодательством Республики Казахстан о естественных монополиях.

1.6 Поддержка при подключении объектов по использованию возобновляемых источников энергии к электрическим сетям энергопередающей организации и передаче электрической энергии

1. Новые объекты по использованию возобновляемых источников энергии, подключаются к ближайшей точке электрических сетей энергопередающей организации, соответствующей по классу напряжения.

2. Энергопередающая организация обеспечивает беспрепятственное и недискриминационное определение ближайшей точки электрических сетей, соответствующей по классу напряжения, и подключение объектов по использованию возобновляемых источников энергии.

3. В случае ограничения пропускной способности электрических сетей энергопередающих организаций приоритет должен предоставляться передаче электрической энергии, произведенной квалифицированной энергопроизводящей организацией.

4. При диспетчеризации электрической мощности приоритетно используются электрогенерирующие объекты по использованию возобновляемых источников энергии.

1.7 Потенциал солнечной энергетики в Казахстане

Казахстан, являясь крупнейшей центрально-азиатской республикой, имеет большой потенциал солнечной энергетики. Несмотря на северную широту географического расположения Казахстана, ресурсы солнечной энергии в стране являются стабильными и приемлемыми благодаря благоприятным климатическим условиям. Количество солнечных часов в год составляет 2,200-3,000, а энергия солнечного излучения равняется 1,300-1,800 кВт·м²/год. Несмотря на очень выгодные условия, ресурс солнечной энергетики почти не используется. Потенциал солнечной энергетики в Казахстане оценен в 2,5 млрд. кВт·ч в год. Годовая суммарная дневная радиация при различных условиях составляет 3,8 - 5,2 кВт·ч/м². Это один из лучших мировых показателей. Следует также добавить, что республика обладает крупнейшими запасами кремниевого сырья (85 млн. тонн), являющегося основой для преобразования солнечной энергии в электроэнергию.

Солнечное излучение увеличивается от севера к югу. Северные районы Казахстана в меньшей степени подвергаются воздействию солнечного излучения. Поэтому перспективными для реализации проектов по солнечной энергетике являются южные регионы страны, особенно предгорные и горные районы, где количество пасмурных дней намного меньше, чем на равнинах. Технология использования солнечной энергии имеет несколько направлений, в том числе:

- прямое преобразование энергии излучения в видимой части спектра в электрическую, осуществляемое фотопреобразователями;

- получение низкопотенциальной энергии за счет преимущественного использования длинноволновой части спектра, применяемого для получения горячей воды;

- получения концентрированной тепловой энергии для производства водяного пара высоких параметров с последующим использованием его в паротурбинном цикле.

Для производства фотопреобразователей Казахстан располагает большими запасами кремния и технологиями, перспективными для международного сотрудничества. В республике имеются оригинальные разработки гелиоколлекторов, но в промышленных масштабах они не производятся.

Рисунок 1.2 - Прямое солнечное излучение на поверхность, перпендикулярную к излучению (Источник: NASA)

Рисунок 1.3 - Солнечное излучение на горизонтальную поверхность (Источник: NASA)

Таблица 1.1 - Количество дней без солнца на разных широтах по сезонам

Широта местности,°	Летние месяцы	Осенние и весенние	Зимние месяцы
30	2…4	3…4	4…6
40	2…4	4…6	6…10
50	2…4	6…8	10…15
60	3…5	8…12	15…25
70	3…5	10…14	20…35

2. Сравнение различных типов возобновляемых источников энергии

Первым вестником энергетического кризиса был кризис 70-х годов. С этого момента интерес к возобновляемым источникам энергии значительно возрос. Истощение запасов природных невозобновляемых источников энергии (нефть, газ, уголь и уран) и экологическая опасность от эксплуатации атомных и теплоэлектростанций только способствовали этому. К возобновляемым источникам энергии, прежде всего, относятся: солнечная энергия, энергия ветра, гидроэнергия, энергия биомассы. Преобразование солнечной энергии в доступные для использования виды осуществляется двумя способами: фотоэлектрическим (прямое преобразование световой энергии в электрическую) и фототермическим (преобразование световой энергии в тепловую, а затем при необходимости, например, с помощью пара, в электрическую).

При использовании возобновляемых источников решается проблема ограниченности ресурсов энергии. В таблице 2.1 приведены значения потенциальной энергии таких источников (в триллионах тонн условного топлива в год). Ресурсы любого из этих источников энергии достаточны для удовлетворения потребностей человечества в настоящем и будущем. Их повсеместное использование позволит решать и проблемы экологии. Какой именно источник энергии найдет наибольшее применение, покажет будущее, но проанализировать предпосылки можно уже сегодня.

Таблица 2.1 - Потенциальная энергия возобновляемых и невозобновляемых источников энергии

Вид источника	Потенциальная энергия, трлн. тонн/год
Солнечная энергия	131
Ветровая энергия	2
Гидроэнергия	7
Энергия биомассы	0,1
Уголь	11
Уран	8
Мировое потребление	0,01

Далее возобновляемые источники энергии будут сравнены по двум основным параметрам: занимаемая площадь и энергоотдача.

Занимаемая площадь

В таблице 2.2 приведены удельные мощности разных типов электростанций (с учетом площадей, занимаемых сооружениями и зданиями). При расчетах принималось, что все земли имеют одинаковую стоимость. Для тепловых и атомных станций учитывались территории, занятые под добычу угля и руды. Площади производств строительных и конструкционных материалов не учитывались - они приблизительно одинаковы для всех типов станций. Ожидается уменьшение удельной мощности атомных станций за счет увеличения территорий, занятых под захоронение отходов. Для солнечных станций (особенно фотоэлектрических) данный показатель должен увеличиваться за счет увеличения КПД преобразователей и большего использования возможности размещения их на крышах зданий.

Таблица 2.2 - Удельные мощности разных типов электростанций

Тип электростанции	Удельная мощность, МВт/км2
Солнечные станции	50…100
Ветровые станции	ДО 15
Гидростанции	ДО 10
Энергия биомассы	ДО 5
Тепловые станции	ДО 30
Атомные станции	60…120

Энергоотдача

Данный показатель определяется как отношение количества энергии, выработанной системой за срок службы, к количеству энергии, затраченной на производство материалов и оборудования (для этой системы). Энергоотдача - основной (с точки зрения будущего полного перехода на возобновляемые источники энергии) показатель, т. к. характеризует реальный прирост энергии к общему балансу (таблица 2.3).

Таблица 2.3 - Энергоотдача различных типов электростанций

Тип станций	Энергоотдача
Солнечные станции: фотоэлектрические; фототермические	20…100; 10…50
Ветровые станции	более 20
Энергия биомассы	более 20
Тепловые станции	более 15
Атомные станции	6…13

Из таблицы 2.3 видно, что лучшую энергоотдачу имеют солнечные станции (в перспективе ожидается, что это значение будет увеличиваться). При использовании фотоэлектричества мы получаем возобновляемую энергию и расходуем минимальное количество невозобновляемых материалов (все материалы, кроме, например, древесины). Более того, запасы основного материала - кремния (для изготовления стекла и солнечных элементов) достаточно велики.

Преимущества использования солнечных панелей.

1. Высокая надежность - Фотоэлементы разрабатывались для использования в космосе, где ремонт слишком дорог, либо вообще невозможен. До сих пор фотоэлементы являются источником питания практически для всех спутников на земной орбите, потому что они работают без поломок и почти не требуют технического обслуживания.

2. Эффективность - Солнечные панели эффективно используют прямое и рассеянное (диффузное) солнечное излучение.

3. Низкие текущие расходы - Фотоэлементы работают на бесплатном топливе - солнечной энергии. Благодаря отсутствию движущихся частей, они не требуют особого ухода. что упрощает обслуживание, снижает его стоимость и увеличивает срок службы (вероятно, он будет достигать 100 лет - проблема не в самих преобразователях, а в герметизирующих материалах) при незначительном снижении эксплуатационных характеристик. Рентабельные фотоэлектрические системы являются идеальным источником электроэнергии для станций связи в горах, навигационных бакенов в море и других потребителей, расположенных вдали от линий электропередач.

4. Экологичность - Поскольку при использовании фотоэлектрических систем не сжигается топливо и не имеется движущихся частей, они являются бесшумными и чистыми.

5. Модульность - Фотоэлектрическую систему можно довести до любого размера. Владелец такой системы может увеличить либо уменьшить ее, если изменится его потребность в электроэнергии. По мере возрастания энергопотребления и финансовых возможностей, есть возможность каждые несколько лет добавлять модули.

6. Низкие затраты на строительство - Размещают фотоэлектрические системы обычно близко к потребителю, а значит, линии электропередачи не нужно тянуть на дальние расстояния, как в случае подключения к линиям электропередач. Вдобавок, не нужен понижающий трансформатор. Меньше проводов означает низкие затраты и более короткий период установки.

3. Расчетно-техническая часть

3.1 Выбор фотопреобразователей

Устройства для прямого преобразования световой или солнечной энергии в электроэнергию называются фотоэлементами (по-английски Photovoltaics, от греческого photos - свет и названия единицы электродвижущей силы - вольт). Преобразование солнечного света в электричество происходит в фотоэлементах, изготовленных из полупроводникового материала, например, кремния, которые под воздействием солнечного света вырабатывают электрический ток. Соединяя фотоэлементы в модули, а те, в свою очередь, друг с другом, можно строить крупные фотоэлектрические станции.

История фотоэлементов

История фотоэлементов берет начало в 1839 году, когда французский физик Эдмон Беккерель открыл фотогальванический эффект. За этим последовали дальнейшие открытия:

В 1883 г. электрик из Нью-Йорка Чарльз Фриттс изготовил фотоэлементы из селена, которые преобразуют свет в видимом спектре в электричество и имеют коэффициент полезного действия 1-2%.

В начале 50-х годов ХХ века был изобретен метод Чохральского, который применяется для выращивания кристаллического кремния.
В 1954 г. в лаборатории компании «Bell Telephone» синтезировали силиконовый фотоэлектрический элемент с коэффициентом полезного действия 4%, в дальнейшем эффективность достигла 11%.

В 1958 г. небольшие (менее 1 ватта) фотоэлектрические батареи питали радиопередатчик американского космического спутника «Авангард». Вообще, космические исследования сыграли важную роль в развитии фотоэлементов.

Во время нефтяного кризиса 1973-74 гг. сразу несколько стран запустили программы по использованию фотоэлементов, что привело к установке и опробованию свыше 3100 фотоэлектрических систем только в Соединенных Штатах. Многие из них до сих пор находятся в эксплуатации.

Рынок фотоэлементов

Современное состояние рынка фотоэлементов характеризуется достаточно стабильным ростом, порядка 20% в год, однако объемы производства фотоэлементов остаются довольно низкими. Производство модулей во всем мире в 1998 г. составило около 125 МВт, в то время как цена упала с 50 долларов за 1 ватт в 1976 г. до 5 долларов за 1 ватт в 1999 г. Тем не менее, киловатт·час электричества, выработанного фотоэлектрической системой, все еще дороже традиционной электроэнергии в 3-10 раз (в зависимости от конкретного местонахождения и вида системы). Таким образом, рынок фотоэлементов пока занимает небольшую нишу в мировой экономике. Но он продолжает стабильно расти в тех сегментах рынка, где фотоэлементы конкурентоспособны, например, в автономных, удаленных от электросети системах.

Во многих регионах мира прогресс весьма ощутим. Правительство Японии вкладывает 250 млн. долларов в год в увеличение производственной мощности с 40 МВт (1997 г.) до 190 МВт (2000 г.). Европейские страны проводят собственные программы, стимулом к чему служит потребность в энергетической независимости и экологические соображения. Эти программы в сочетании с экологическими проблемами - такими, как изменение климата - способны значительно ускорить развитие этой отрасли.

Технология изготовления

Солнечные фотоэлектрические системы просты в обращении и не имеют движущихся механизмов, однако сами фотоэлементы содержат сложные полупроводниковые устройства, аналогичные используемым для производства интегральных схем. В основе действия фотоэлементов лежит физический принцип, при котором электрический ток возникает под воздействием света между двумя полупроводниками с различными электрическими свойствами, находящимися в контакте друг с другом. Совокупность таких элементов образует фотоэлектрическую панель, либо модуль.

Рисунок 3.1 - Составные элементы солнечных панелей

Фотоэлектрические модули, благодаря своим электрическим свойствам, вырабатывают постоянный, а не переменный ток. Он используется во многих простых устройствах, питающихся от батарей. Переменный же ток, напротив, меняет свое направление через регулярные промежутки времени. Именно этот тип электричества поставляют энергопроизводители, он используется для большинства современных приборов и электронных устройств. В простейших системах постоянный ток фотоэлектрических модулей используется напрямую. Там же, где нужен переменный ток, к системе необходимо добавить инвертор, который преобразует постоянный ток в переменный.

Современное производство фотоэлементов практически полностью основано на кремнии. Около 80% всех модулей производится с использованием поли- или монокристаллического кремния, а остальные 20% используют аморфный кремний. Кристаллические фотоэлементы - наиболее распространенные, обычно они имеют синий цвет с отблеском. Аморфные, или некристаллические - гладкие на вид и меняют цвет в зависимости от угла зрения. Монокристаллический кремний имеет наилучшую эффективность (около 14%), но он дороже, чем поликристаллический, эффективность которого в среднем составляет 11%. Аморфный кремний широко применяется в небольших приборах, таких как часы и калькуляторы, но его эффективность и долгосрочная стабильность значительно ниже, поэтому он редко применяется в силовых установках.

В опытной разработке находятся несколько типов альтернативных тонкопленочных фотоэлементов, которые в будущем могут завоевать рынок. Наиболее отлаженными из исследуемых в настоящее время тонкопленочных систем являются фотоэлементы из следующих материалов:

- аморфный кремний (a-Si: H),

- теллурид / сульфид кадмия (CTS),

- медно-индиевый или медно-галлиевый диселенид (CIS or CIGS),

- тонкопленочный кристаллический кремний (c-Si film),

- нанокристаллические сенсибилизированные красителем электрохимические фотоэлементы (nc-dye).

Девяносто девять процентов современных солнечных элементов изготавливают из кремния (Si), второго по распространенности на Земле вещества, а остальные построены на том же принципе, что и кремниевые солнечные элементы.

Рисунок 3.2 - Строение и принцип работы солнечного элемента

Один слой кремния бомбардируют атомами фосфора, благодаря которым образуется избыток электронов. Получается отрицательно заряженный («N») слой. На другом слое создается недостаток электронов, он становится положительно заряженным («P»). Собранные вместе с проводниками, эти две поверхности образуют светочувствительный электронно-дырочный переход. Он называется полупроводником, так как, в отличие от электропровода, проводит ток только в одном направлении - от отрицательного к положительному. При воздействии солнца или другого интенсивного источника света возникает постоянный ток напряжением примерно в 0,5 Вольт. Сила тока (ампер) пропорциональна световой энергии (количеству фотонов). В любой фотоэлектрической системе напряжение почти постоянно, а ток пропорционален размеру фотоэлементов и интенсивности света.

Фотоэлементы производятся из сверхчистого кремния, смешанного в точной пропорции с некоторыми другими веществами. Сверхчистая кремниевая подложка, из которой делают фотоэлементы, стоит очень дорого. Количества сверхчистого кремния, необходимого для изготовления одного фотоэлектрического модуля мощностью 50 Вт, было бы достаточно для интегральных схем примерно двух тысяч компьютеров. Кроме того, в фотоэлементах присутствуют алюминий, стекло и пластмасса - недорогие и многократно используемые материалы.

3.1.3 Сравнение различных типов фотопреобразователей

Солнечный модуль - это батарея взаимосвязанных солнечных элементов, заключенных под стеклянной крышкой. Чем интенсивнее свет, падающий на фотоэлементы и чем больше их площадь, тем больше вырабатывается электричества и тем больше сила тока.

Модули классифицируются по пиковой мощности в ваттах (Втп). Ватт - единица измерения мощности. Один пиковый ватт - техническая характеристика, которая указывает на значение мощности установки в определенных условиях, т.е. когда солнечное излучение в 1 кВт/м2 падает на элемент при температуре 25^оC. Такая интенсивность достигается при хороших погодных условиях и Солнце в зените. Чтобы выработать один пиковый ватт, нужен один элемент размером 10 x 10 см. Более крупные модули, площадью 1 м x 40 см, вырабатывают около 40-50 Втп. Однако солнечная освещенность редко достигает величины 1 кВт/м². Более того, на солнце модуль нагревается значительно выше номинальной температуры. Оба эти фактора снижают производительность модуля. В типичных условиях средняя производительность составляет около 6 Вт·ч в день и 2000 Вт·ч в год на 1 Втп.

Хотя качество продукции не всегда одинаково, большинство международных компаний производят достаточно надежные фотоэлектрические модули со сроком эксплуатации до 20 лет. На сегодняшний день производители модулей гарантируют указанную мощность на период до 10 лет. Решающим критерием для сравнения разных типов модулей является цена 1 ватта пиковой мощности. Другими словами, можно получить больше электроэнергии за те же деньги, используя модуль ценой 569 долларов с пиковой мощностью 120 Втп (4,74 доллара за 1 Втп), чем с помощью «дешевого» модуля мощностью 90 Втп, который стоит 489 долларов (5,43 доллара за 1 Втп). Номинальный КПД менее важен при выборе системы.

Солнечные батареи делятся на несколько видов, в зависимости от способа изготовления солнечных модулей. Наиболее распространенными на данный момент являются поликристаллические и монокристаллические солнечные модули.

Рисунок 3.3 - Виды солнечных модулей

Поликристаллические солнечные модули

Солнечные элементы (фотоэлектрические модули) из поликристаллического кремния - это один из самых распространенных типов модулей для солнечных батарей. КПД солнечной батареи на этой основе составляет 10-12%.

Солнечные поликристаллические модули имеют отличное соотношение качества и стоимости, которое осуществимо благодаря более дешевому производственному процессу. Внутренность поликристаллического кремния имеет области, отделённые зернистыми границами и это влияет на эффективность элементов.

Монокристаллические солнечные модули

Солнечные элементы (фотоэлектрические модули) из монокристаллического кремния на настоящее время имеют наилучшие показатели эффективности и срок их службы составляет более 30 лет. КПД солнечной батареи на основе монокристаллического кремния составляет 14-17%.

Солнечные монокристаллические модули сделаны из целостного слитка кремния и благодаря этому достигается их высокая эффективность преобразования энергии.

Аморфные солнечные модули

Эффективность аморфных модулей составляет порядка 8%, поэтому их требуется значительно больше количество, чем кристаллических модулей. Единственное достоинство аморфных модулей, это гибкость материала их основания (сталь, стекло, пластмасса и др.).

Таблица 3.1 - Коэффициент полезного действия различных типов фотоэлементов

Вид элемента	КПД
Монокристаллические Поликристаллические Теллурид кадмия Аморфные	12-15% 11-14% 7-8% 6-7%

Время возмещения энергетических затрат

Время возмещения энергетических затрат (EPBT) - это период времени использования фотоэлектрической системы, необходимый для производства объема электроэнергии равного объему затраченной энергии на ее производство. Как показали исследования, проведенные в 2004 году, фотоэлектрические системы, установленные на крышах, имеют небольшой срок возмещения энергетических затрат. Значение EPBT зависит от трех факторов:

- Эффективность преобразования солнечной энергии;

- Объем света (инсоляция) получаемого системой;

- Технология производства солнечных элементов системы.

В 2004 - начале 2005 гг. было проведено исследование систем, соединенных с сетью, в которых использованы солнечные элементы различного происхождения. Данными служили инсоляция - 1700 кВтч/м² в год и коэффициент эффективности системы - 75%. Целью этого исследования было получение значений EPBT (см. таблицу 3.2). Из таблицы (3.2) видно, что энергетические затраты, даже на самый энергоемкий технологический процесс производства, не превышают 10% от общего объема электроэнергии, полученной за срок эксплуатации фотоэлектрической системы.

Таблица 3.2 - Время возмещения энергетических затрат систем с различными фотоэлектрическими технологиями

Технология производства кристаллов	Время возмещения энергетических затрат (EPBT) (годы)	Энергия, затраченная на производство системы, в сравнении с объемом производства энергии (%)
Монокристаллический кремний	2.7	10.0
Неленточный мультикристаллический кремний	2.2	8.1
Ленточный мультикристаллический кремний	1.7	6.3
Теллурид кадмия	1.0	3.7

В данном дипломном проекте основной задачей было заполнение фасада здания солнечными панелями и осуществление с их помощью электроснабжения корпуса №1 Инновационного Евразийского университета. Таким образом, при выборе панелей основным критерием служила допустимая площадь размещения.

Суммарная площадь фасада составила 756,3 м², с учетом всех элементов, которые нельзя использовать под размещение панелей.

Вариант №1. Готовые солнечные панели

В результате анализа архитектурно-строительной документации на главный корпус Инновационного Евразийского Университета выбраны следующие виды панелей:

Таблица 3.3 - Сводные данные по установленным панелям

Размеры панели, мм	Количество, шт.	Мощность, Вт	Напряжение, В	Ток, А
1956х992х50	91	270	35,5	7,61
1480х990х35	173	200	26,5	7,55
1320х990х35	122	180	23,5	7,66
1480х680х35	50	140	17,5	8
1040х670х35	14	90	17,5	5,15

Суммарное количество панелей: 450 штук

Общая площадь размещенных модулей составила 649,56 м²

Расчет суммарной мощности всей системы:

(3.1)

Суммарная мощность панелей по типам:

(3.2)

По формуле (3.2) для каждого типа панелей получим:

Тогда по формуле (3.1):

Вариант №2. Создание собственных панелей, путем соединения солнечных элементов в модули

Общая площадь размещенных модулей составила 542 м²;

Общее число модулей - 347;

Тип модулей - OPTISOL M061100K;

Общее число элементов - 34700;

Тип элементов - монокристаллические, BP Saturn, 125x125 см²;

Общая активная площадь элементов - 332 м²;

Коэффициент полезного действия элемента - 16%;

Номинальная мощность всей установки - 84 кВт.

В итоге можно сделать вывод, что установка готовых солнечных панелей является наиболее приемлемой для проекта, так как покрывает большую площадь, что обеспечивает эстетичный вид корпуса, а так же вырабатывает большую мощность, которая превышает на 5 кВт установку, где используются отдельные фотоэлементы. Таким образом, выбираем для установки готовые солнечные панели.

Для расчета суммарной годовой выработки электроэнергии была применена программа PVSYST.V4.33. В результате расчетов были получены данные, что система будет в год вырабатывать 82621 кВт. Рисунок 3.4 демонстрирует выработку энергии в зависимости от месяца.

Рисунок 3.4 - Годовая выработка электроэнергии

Данный график построен для вертикального расположения панелей, то есть на фасаде здания. Если бы батареи были установлены в горизонтальном положении, например на крыше здания, то вырабатывалось бы большее количество энергии. Зависимость количества генерируемой энергии от расположения панелей демонстрирует рисунок 3.5. На графике Global horizontal отображает горизонтальную ориентацию панелей, Global on titled plane - вертикальную ориентацию.



Рисунок 3.5 - Генерация энергии в зависимости от ориентации панелей

Исходя из данных рисунка 3.5, можно сказать, что при вертикальном расположение фотопреобразователей выработка электроэнергии более стабильна, чем при установке их в горизонтальном положении. Данные по графику представлены в таблице 3.3.

Таблица 3.3 - Поступление солнечной энергии в зависимости от расположения фотопреобразователей

Данные о плотности потока солнечного излучения (кВт/м²) были получены с помощью лаборатории возобновляемой энергетики, которая находится в Инновационном Евразийском Университете. В данной лаборатории установлено специальное программное обеспечение, которое фиксирует показания метеостанции, установленной на крыше здания. Средние значения за месяц представлены на рисунке 3.6.

Рисунок 3.6 - Данные лаборатории возобновляемой энергетики, где Global irradiation - плотности потока солнечного излучения, Temperature - средняя температура за месяц

3.2 Выбор схемы электроснабжения административного здания с помощью фотопреобразовательных систем

Наиболее важным в проектировании системы электроснабжения с помощью фотоэлектрических преобразователей является рациональный выбор вида данной схемы. От этого будет зависеть, во-первых, надежность всей системы, во-вторых, количество денежных средств, которые будет необходимо вложить в данный проект.

Для начала рассмотрим различные виды фотоэлектрических систем, таких как:

1. Автономная система;

2. Система, соединенная с сетью;

3. Резервная система.

Каждая имеет свои преимущества и недостатки, которые рассмотрены ниже.

Автономные фотоэлектрические системы используются там, где нет сетей централизованного электроснабжения. Для обеспечения энергией в темное время суток или в периоды без яркого солнечного света необходима установка аккумуляторных батарей. Система состоит из солнечной панели, контроллера, аккумуляторной батареи, кабелей, электрической нагрузки и поддерживающей структуры.

Рисунок 3.7 - Схема автономной системы: 1 - Солнечные панели. 2. Контроллер заряда аккумуляторных батарей + инвертор. 3. Аккумуляторные батареи. 4. Нагрузка

Преимущества автономных систем

Самое главное преимущество автономной системы электроснабжения - независимость от сетей. Потребитель не зависит от повышения цен на электроэнергию, аварии в сетях, обрывы в линиях электропередач, ухудшение качества электроэнергии из-за перегрузок в сетях.

Помимо того не соединенные с сетью системы имеют некоторые преимущества по сравнению с работающими параллельно с сетью, когда речь идет об укрупнении системы. Несмотря на то, что обе системы - модульные, зачастую более легко нарастить не соединенную с сетью систему, как только появились средства или возросла потребность в электроэнергии.

Еще одним немаловажным плюсом данной системы является то, что автономная генерация стимулирует использовать энергию максимально эффективно. Несоединенные с сетью системы не загрязняют окружающую среду, что в современных условиях является очень важным критерием при проектировании объектов электроэнергетики.

Недостатки автономных систем

Во-первых, генерация собственной электроэнергии стоит денег. Автономная система с возобновляемыми источниками энергии производит на начальном этапе эксплуатации более дорогую электроэнергию. Решением данной проблемы может стать наличие в регионе специальных мер финансовой поддержки для владельцев электростанций, использующих возобновляемую энергию. Но здесь нужно отметить, что большинство финансовых механизмов стимулирования генерации от возобновляемых источников энергии действуют для систем, соединенных с сетью и не применимы для полностью автономных систем с аккумуляторными батареями. Например, закон, который принят в Казахстане в 2009 году, предоставляет бонусы и особые преференциальные условия только при продаже электроэнергии, сгенерированной от возобновляемых источников энергии, и проданных на оптовом рынке электроэнергии.

Во-вторых, обслуживание и ремонт систем является очень важным моментом при содержании собственной автономной энергосистемы. Собственники таких систем должны выполнять эту работу самостоятельно, или нанимать специальный обслуживающий персонал, плюс нести расходы по покупке всего необходимого оборудования и расходных материалов.

Автономные системы используют аккумуляторные батареи для хранения электроэнергии. Аккумуляторные батареи требуют регулярной замены. Период замены может колебаться от 5 до 15 лет (обычно менее 10 лет). Причем замена аккумуляторных батарей должна проводиться одномоментно. Решением может стать покупка промышленных аккумуляторов с большим сроком службы, которые стоят в 3-4 раза дороже, чем обычно используемые. Помимо стоимости самих батарей нужно учитывать стоимость обслуживания и затраченные время при их замене. Также есть некоторое влияние на окружающую среду при производстве, перевозке и утилизации свинца, содержащегося в аккумуляторах.

В аккумуляторах также имеются потери энергии. В лучшем случае, эффективность заряда-разряда аккумуляторов составляет 90%. При старении аккумуляторов падает их коэффициент полезного действия заряд - разряда. Эффективность аккумуляторов также зависит от температуры.

По сравнению с соединенными сетью системами, автономные системы имеют еще один серьезный недостаток. Это потери излишков вырабатываемой энергии. Когда соединенная с сетью система, генерирующая электроэнергию от возобновляемых источников энергии, производит больше энергии, чем потребляется в данный момент в доме, этот излишек может направляться в сеть. При этом или счетчик крутится в обратную сторону, или сети покупают электроэнергию по повышенной цене. При этом мощности солнечной станции используются полностью в любой момент, независимо от энергопотребления. Ничего не пропадает, и сеть является виртуальным аккумулятором со 100% КПД. Если используется автономная система, все излишки энергии должны быть использованы. В большинстве фотоэлектрических систем солнечная батарея просто отключается, когда аккумуляторы полностью заряжены.

Когда есть сеть централизованного электроснабжения, но есть желание иметь электроэнергию от чистого источника (солнца), солнечные панели могут быть соединены с сетью. При условии подключения достаточного количества фотоэлектрических модулей, определенная часть нагрузки может покрываться за счет солнечного электричества. Соединенные с сетью фотоэлектрические системы обычно состоят из одного или многих модулей, инвертора, кабелей, поддерживающей структуры и электрической нагрузки.



Рисунок 3.8 - Схема работы системы, соединенной с сетью: 1 - Солнечные панели. 2 - Инвертор. 3 - Сеть. 4 - Нагрузка

Владелец подключенной к сети фотоэлектрической системы ежемесячно покупает и продает электричество. Энергия фотоэлементов либо используется на месте, либо подается в сеть. Когда же владельцу системы нужно больше электричества, чем она вырабатывает - например, вечером, то возросшая потребность автоматически удовлетворяется за счет сети. Когда же система вырабатывает больше электричества, чем может потребить хозяйство, излишек отправляется (продается) в сеть. Таким образом, коммунальная сеть выступает в роли резерва для фотоэлектрической системы, как аккумулятор - для автономной установки. В конце месяца кредит за проданное электричество вычитается из счета за потребленную энергию. В некоторых странах коммунальные электросети обязаны покупать электроэнергию у владельцев фотоэлектрических систем или других независимых производителей.

Рисунок 3.9 - Пример реализации системы, соединенной с сетью

Совместимый с коммунальной сетью инвертор, соответствующий по напряжению и частоте коммунальной сети, должен соответствовать требованиям качества и безопасности. Аварийные выключатели инвертора автоматически отключают фотоэлектрическую систему от сети, если в той происходит какой-либо сбой. Эта мера предосторожности защищает ремонтный персонал от электрического шока в результате контакта с нерабочей, как могло показаться, линией, соединяющей сеть с фотоэлектрической системой. В некоторых странах энергетические компании создают специальные тарифные схемы, призванные повысить рентабельность соединенных с сетью фотоэлектрических систем. Кроме того, чем точнее совпадает выработка электроэнергии на солнечном модуле с временем пиковых тарифов, тем солнечная система окажется эффективнее для снижения счетов за электроэнергию.

Преимущества соединенных с сетью систем

Использование возобновляемой энергии при наличии сети позволяет избежать многих, если не всех, недостатков автономных систем. Сеть является большим аккумулятором со 100% коэффициентом полезного действия, который может принять все излишки энергии. Кроме того, электричество, выработанное солнечным модулем, будет использоваться в полной мере. Еще одним плюсом данной системы является то, что нет необходимости вырабатывать всю электроэнергию за счет солнечных модулей, часть энергозатрат покроет электросеть.

Если солнечная электростанция соединена с сетью, нет необходимости экономить электроэнергию, что крайне важно для административных зданий.

При использовании всех типов систем с солнечными батареями фиксируется цена получаемой электроэнергии на много лет вперед.

Недостатки систем, соединенных с сетью

Один из основных недостатков систем, соединенных с сетью это отсутствие резервного электроснабжения. Это не является недостатком там, где есть надежная электросеть. Но в большинстве случаев это является большим минусом - наличие дорогой системы и отсутствие электроэнергии при частых отключениях и авариях в сетях.

Для всех соединенных с сетью систем возможны трудности с подключением электростанции к сетям. Все зависит от энергокомпании. Но на сегодняшний день в Казахстане действует закон, согласно которому сети обязаны подключать любую электростанцию, вырабатывающую электроэнергию от возобновляемых источников энергии, если она зарегистрирована как участник оптового рынка электроэнергии. Стоимость подключения к сети должна компенсироваться из специального федерального фонда. А за каждый киловатт·час, проданный в сеть, генератор должен получать премию-надбавку к оптовой цене на электроэнергию.

Резервные солнечные системы используются там, где есть соединение с сетью централизованного электроснабжения, но сеть ненадежна. Резервные системы могут использоваться для электроснабжения в периоды, когда нет напряжения в сети. Мощность фотоэлектрической системы зависит от мощности, необходимой для питания ответственной нагрузки, и от длительности периодов отключения сети.

Рисунок 3.10 - Схема работы резервной системы: 1 - Солнечные панели. 2 - Контроллер заряда аккумуляторных батарей + инвертор. 3 - Аккумуляторные батареи. 4 - Сеть. 5 - Нагрузка

Резервная система электроснабжения объединяет в себе все плюсы систем, соединенных с сетью, а также автономных:

- Полное использование электроэнергии, выработанной солнечными модулями.

- Независимость от временных отключений электросети.

- Экономия денежных средств, за счет продажи «чистой» энергии в сеть.

- Экономия денежных средств, за счет меньшего количества аккумуляторных батарей.

- Надежное электроснабжение, вследствие наличия двух источников энергии.

3. Экономическая часть

На данном этапе развития рынка возобновляемых источников энергии текущие затраты на производство электроэнергии с помощью фотопреобразователей составляют 0,45-0,8 $/кВт/ч.

Следует отметить, что стоимость различных технологий возобновляемой энергетики по прогнозам Международного энергетического агентства имеет тенденции к снижению, что обусловлено в частности и развитием научно-технических разработок. На рисунке 4.1 показана динамика стоимости различных технологий ВИЭ за период с 2000 по 2050 годы.

Рисунок 4.1 - Динамика стоимости различных технологий возобновляемой энергетики, рассчитанная с учетом кривых обучения

На рисунке 4.2 приведена динамика стоимости различных технологий возобновляемой энергетики, рассчитанная с учетом кривых освоения. Следует подчеркнуть, что ожидаемое снижение затрат находится в принципиальной зависимости не от времени, а от кумулятивного эффекта массового производства, что требует в свою очередь развитие рынка этих технологий. Большинство технологий могут сократить инвестиционные затраты на 30-60% от настоящего уровня к 2020 г. и на 20-50% в период после 2040 г. достигнув своего полного развития.

Прямым следствием снижения инвестиционных затрат является снижение себестоимости производства тепловой и электрической энергии, как это показано на рисунке 4.1.

Рисунок 4.2 - Инвестиционные затраты (нормализованные по отношению к существующим уровням затрат) для различных технологий возобновляемой энергетики с учетом кривых освоения

Таким образом, можно сделать вывод, что из года в год использование возобновляемых источников становится более выгодным, что подчеркивает актуальность данной работы.



Рисунок 4.3 - Стоимость производства электроэнергии с использованием различных технологий

3.1 Расчет стоимости основного оборудования

Солнечные панели

Рисунок 4.4 - Мировые производители солнечных панелей

В таблице 4.1 произведено сравнение цен на солнечные панели различных стран производителей.

Таблица 4.1 - Стоимость солнечных панелей в зависимости от страны производства

Страна	Фирма	Цена, $/Вт
Россия	«Зевс»	4
Германия	Sharp	2,88
Германия	Samsung	2,49
Япония	Kyocera	2,11
Тайвань	Evergreen	2,04
Норвегия	REC	1,99
США	Ecosolargy	1,95
США	DMSolar	1,85
Канада	CanadianSolar	1,8
США	DuPont	1,69
Китай	Rosekong	1,5

Таким образом, при проектировании больших солнечных систем, цена играет немаловажную роль, поэтому к установке были приняты солнечные панели, произведенные в Китае. Также, стоимость доставки из Китая в разы меньше, чем из других стран.

Расчет стоимости солнечных панелей зависит от суммарной мощности всех панелей, которая определяется из таблицы 4.2.

Таблица 4.2 - Сводные данные установленных панелей

Размеры панели, мм	Количество, шт.	Мощность, Вт	Итоговая мощность, Вт
1956х992х50	91	270	24570
1480х990х35	173	200	34600
1320х990х35	122	180	21960
1480х680х35	50	140	7000
1040х670х35	14	90	1260

Исходя из данных таблицы 4.2, суммарная мощность составила 89 390 Вт. При стоимости 1,5 $ за Ватт, стоимость всех панелей составит 134 085 $. Или при курсе 145 тг = 1 $, данная цифра составит 19 442 325 тенге.

Расчет инверторов

При техническом расчете были рассмотрены 4 варианта установки инверторов. Рассмотрим эти варианты с экономической стороны.

Вариант №1

Устанавливается один инвертор типа Off-grid - Santec EMD-C120K3/3L. Стоимость такого инвертора на сегодняшний день составляет 21 100 $.

Вариант №2

В данном варианте было установлено 7 инверторов типа Off-grid.

Таблица 4.3 - Цена установленных инверторов для варианта №2

Секция	Тип инвертора	Цена, $
№1	Santec EMD-C20K3/1L	6 100
№2	Santec EMD-C20K3/3L	7 800
№3	ФОРТ F2	300
№4	Santec EMD-C20K3/1L	6 100
№5	Santec EMD-C40K3/3L	10 200
№6	Merton 2KVA	620
№7	Santec EMD-C20K3/1L	6 100

По таблице 4.3 общая стоимость составила 37 220 $.

Вариант №3

Таблица 4.4 - Цена установленных инверторов для варианта №3

Секция	Тип инвертора	Цена, $
№1	Eurowind ESG 30K 380B	19 420
№2	Eurowind ESG 30K 380B	19 420
№3	SKN-5000 (3500Вт)	1 200

Вариант №4.

В данном варианте было выбрано 3 инвертора типа On-grid и один инвертор, типа Off-grid, для зарядки группы аккумуляторных батарей.

Таблица 4.5 - Цена установленных инверторов для варианта №4

Секция	Тип инвертора	Цена, $
№1	Eurowind ESG 30K 380B	19 420
№2	Eurowind ESG 30K 380B	19 420
№3	Eurowind ESG 30K 380B	19 420
№4	Santec EMD-C20K3/3L	6 100

По таблице 4.5 общая стоимость составила 64 360 $.

Расчет стоимости аккумуляторных батарей

В данной работе было рассмотрено 2 варианта установки аккумуляторных батарей.

Вариант №1. Автономная система

Необходимое количество аккумуляторных батарей - 660 штук. Необходимая емкость - 230А·ч. Были выбраны аккумуляторы HAZE-12-230. Стоимость одного аккумулятора составляет 613 $. Стоимость всего комплекта составит - 404 140 $.

Вариант №2. Резервная система

Необходимое количество инверторов - 30 штук.

Необходимая емкость - 200 А·ч.

Были выбраны к установке аккумуляторы HAZE-12-200.

Стоимость одного аккумулятора составляет 550 $.

Стоимость комплекта - 16 500 $.

Для последовательного соединения аккумуляторных батарей необходимы перемычки, в количестве 30 штук.

Стоимость одной перемычки составляет 600 тенге.

Исходя из вышеприведенных расчетов, можно сделать вывод, что резервная система, несмотря на высокую стоимость инверторов, оказывается выгодней автономной за счет меньшего количества аккумуляторных батарей.