Солнечные электростанции, инверторные системы и проблема нехватки мощности

Опубликовано: 11 марта 2009 г. в 00:00, 969 просмотров Комментировать

C каждым годом человечество потребляет все больше энергии, с каждым годом проблема защиты окружающей среды от промышленных выбросов приобретает все большее значение, о проблемах глобального потепления не знают разве только младенцы и жители жарких широт, колебания цен на нефть дают не только заработок многочисленной армии журналистов, но и служат предметом обсуждения в домашнем кругу и нефтяных магнатов, и простых обывателей. Человечеству срочно нужен источник дешевой и желательно неистощимой энергии. Собственно, источник энергии есть и находится не так уж далеко по космическим меркам, всего 150 миллионов километров — это Солнце.

Вопрос в том, как эту энергию поставить на службу человеку. Хотя, если подумать, все традиционные источники энергии (кроме ядерной) являются законсервированной энергией солнца, в том числе ископаемые углеводороды, и человек использует энергию солнца давным-давно. Больше ста лет назад люди научились производить электроэнергию, наиболее удобный в обращении вид энергии, ее можно хранить, можно передавать на большие расстояния, легко преобразовывать в другие виды энергии — тепло, свет, движение и т.д. Традиционные способы получения электроэнергии предполагают сжигание топлива, и через посредничество механического движения в различного рода генераторах уже получается электричество, естественно, что только незначительная часть энергии топлива переходит в электрическую энергию.

Давно уже делались попытки непосредственного преобразования солнечной энергии в электричество, но только тогда, когда человечество смогло добиться качественной очистки кремния, дело сдвинулось с мертвой точки. Кремний — удивительный материал, второй по распространенности элемент во Вселенной, с примесями ведет себя как металл, очищенный до чистоты 99,9996% — как полупроводник. Различными методами в нем формируются полупроводниковые переходы, которые чувствительны к свету. КПД первых фотоэлементов не превышал 2-3%, но даже такой низкий коэффициент преобразования солнечной энергии в электричество позволил создать фотоэлектрические батареи для практического применения. С течением времени технологии шли вперед, и сейчас типовой КПД солнечных модулей составляет 14-15%, теоретическая граница определяет максимальный КПД кремниевых элементов в 87% или в собранном в батарею виде примерно 83-84%. До этого пока далеко, но в лабораториях уже достигнуты показатели в 40-50%. Сдерживающим фактором служит относительно высокая цена на кремниевые фотоэлементы, но в конце 2007 года компания Nanosolar (США) уже начала производство фотоэлементов по цене $ 0,99 Вт. Вспомним то время, когда мобильный телефон был в диковинку и стоил почти, как автомобиль! Так что не успеем оглянуться, а дешевая солнечная энергия уже на пороге.

Уже сейчас есть кровельные материалы, стеновые панели и ткани, которые могут вырабатывать электричество помимо своей основной функции.

Вы можете сказать — это все далеко от наших интересов, это для космоса, военки и т.д. И будете не правы! Уже несколько лет в России производятся солнечные электростанции, которые используются в самых разных областях: от электроснабжения дачных домов до питания систем мониторинга на газовых магистралях, от питания ретрансляторов сотовой связи до энергосберегающих комплексов для подъездов жилых домов. В Америке, Европе, Азии солнечные электростанции ставятся для питания национальных энергетических систем, государственное стимулирование позволяет людям ставить большие мегаваттные станции и зарабатывать неплохие деньги. Достаточно сказать, что в Германии при цене на отпускаемую гражданам энергию 0,13 Евро/кВтчас (меньше пяти рублей) оплата за произведенную на солнечной электростанции энергию составляет 0,55 Евро (почти двадцать рублей). А в Германии солнечной энергии в год падает примерно на 10% меньше чем в Подмосковье. Академик Алферов как-то сказал, что «если-бы только 15% затрат, которые Советский Союз потратил на развитие атомной энергетики, было потрачено на развитие солнечной, нам бы не понадобилось ни одной атомной электростанции...». В условиях России применение нашли только автономные или полуавтономные солнечные электростанции. Не секрет, что даже там, где потребители подключены к сети, качество электроснабжения нередко оставляет желать лучшего: пониженное или повышенное напряжение, импульсы перенапряжения и искажение формы сигнала, перекос фаз и перебои — вот далеко неполный перечень проблем электроснабжения. Все это усугубляется очень низкой культурой потребления электроэнергии. Об энергосбережении вспоминают в последнюю очередь, хотя только замена ламп накаливания на люминесцентные позволит сократить потребление электричества в 4-5 раз.

С бурным развитием стоительства индивидуальных домов проблемы с электроснабжением стали обостряться. Уже почти не встретишь дома, где не был бы установлен стабилизатор. Но применение стабилизатора не решает, а скорее усиливает проблему. Стабилизатор тем или иным способом увеличивает напряжение на выходе, но не производит энергию, на повышение напряжения тоже расходуется энергия, таким образом, повышая напряжение на выходе стабилизатора, мы понижаем его на входе, тем самым усиливая нагрузку на сеть. В конце концов сеть может не 

выдержать и отключиться в лучшем случае, а в худшем может сгореть трансформаторная подстанция. Что же можно предпринять в таком случае? Есть всего один путь — нужен дополнительный источник энергии, который может подключаться в нужное время и компенсировать нехватку энергии в сети. Это могут быть: солнечная электростанция, поршневой или турбинный генератор, топливная спиртовая или водородная ячейка, ветрогенератор, аккумуляторная батарея и т.д. Для того, чтобы можно было использовать различные источники энергии совместно, необходимо устройство, которое автоматически конфигурировало структуру системы в зависимости от нагрузки и состояния входной сети. Таким устройством являются последние поколения инверторов, обладающие современным процессорным контроллером и использующие интеллектуальные схемы управления источниками энергии. Применение подобных инверторов позволяет создавать самые разные системы электроснабжения для различных случаев: от элементарного бесперебойника с длительным сроком резервирования до системы, позволяющей наиболее экономичным образом использовать различные источники энергии, находящиеся в распоряжении потребителя.

Рассмотрим подробнее некоторые системы с подключением к проблемной сети

  1. Солнечная электростанция — инвертор используется для подпитки потребителей от солнечной энергии, при этом система обычно конфигурируется таким образом, чтобы по максимуму использовать энергию солнца и подключать сеть только при нехватке солнечной энергии. Обычное применение: энергосберегающие комплексы для ЖКХ, объекты, где выделенной мощности не хватает, а солнечные ресурсы местности позволяют использовать фотоэлектричество, а также объекты, где применение других источников энергии затруднено или невозможно.
  2. Инверторная система бесперебойного питания — инвертор используется для зарядки аккумуляторов и контроля за состоянием входной сети, если параметры сети выходят за установленные пределы или сеть отключается, инвертор генерирует сигнал, и потребители получают энергию как ни в чем ни бывало. Срок резервирования может достигать 2-3 дней, на больший срок стоимость аккумуляторов становится довольно большой, и выгоднее ипользовать для зарядки аккумуляторов генератор или другой источник.
  3. Инверторная система с возможностью увеличения выделенной мощности — инвертор используется в так называемом «бустерном» режиме и работает параллельно с сетью на одну нагрузку, используя накопленную в аккумуляторах энергию. Не секрет, что даже там, где пониженное напряжение в сети в ночной период, нагрузка на сеть снижается и можно часть энергии направить на зарядку аккумуляторов, чтобы потом в нужный момент прибавить мощности.

Если вам не хватает выделенной мощности, то по эмпирической формуле Pжел = (Pвыд)2×600/ S (где Pвыд — мощность выделенная электросетью в кВт, 600 — эмпирический коэффициент, S — максимальный расход энергии в кВтчасах в месяц по показаниям счетчика) можно примерно определить, какую мощность можно получить от сети, используя инверторную систему для увеличения выделенной мощности. Конечно, эта формула недействительна в варианте, когда дополнительная мощность нужна для питания оборудования, работающего постоянно, в этом случае без дополнительного источника не обойтись. Используя подобную систему, вы получаете также и бесперебойник, т.к. дополнительная энергия запасается в аккумуляторах и может быть использована в случае перебоев с электроснабжением.

Стоимость подобных систем достаточно велика, но зачастую позволяет решить нерешаемую задачу. Например, за выделение дополнительной мощности часто электроснабжающие организации берут немалые деньги, и не всегда и везде дополнительная мощность вообще может быть выделена. Так что зачастую применение инверторной системы в той или иной конфигурации является единственно возможным.

Еще раз хочу обратить внимание читателей на вопросы экономии электроэнергии. Экономия на освещении может составлять львиную долю экономии. На сегодняшний момент самыми эффективными источниками света являются газоразрядные ламы (металлогалогеновые, натриевые низкого и высокого давления). У натриевых ламп низкого давления световая отдача составляет до 200 люменов на ватт, в то время как у ламп накаливания всего 6-25 люменов на ватт. Уже вплотную к газоразрядным лампам приблизились светодиоды — отдача у лучших образцов составляет уже 140 люменов на ватт, при этом долговечность в 100 000 часов и более позволяет в некоторых случаях пренебречь относительно высокой ценой. Даже простые компактные люминесцентные лампы (их называют энергосберегающими) позволяют в 4-5 раз уменьшить расход энергии на освещение, а современные образцы с мгновенным зажиганием и малыми габаритами способны полностью заменить лампы накаливания в быту, кроме этого срок службы таких ламп составляет 5000-12 000 часов, а у ламп накаливания едва 500-1000 часов. Даже там, где установлены трубчатые люминесцентные лампы — в офисах, магазинах и т.д., можно уменьшить затраты энергии на освещение в 2,5 раза, заменив электромагнитные пуско-регулирующие аппараты на современные электронные, в каком-нибудь большом торговом центре экономия может достигнуть сотен киловатт.

Другое направление для экономии электроэнергии — это климатизация (охлаждение и отопление) и подготовка горячей воды. Что на сегодняшний момент используется для кондиционирования? — кондиционеры с KOP (koefficient of perfomance) не более 3 (т.е. каждый потраченный киловатт в час электроэнергии дает нам не более 3 кВтчасов холода или тепла), в то время как во всем мире давно уже используются кондиционеры с KOP 6,5-7,0, и тратят на те же цели в 2,5 раза меньше энергии. Еще один отопительный прибор совершенно не используется у нас для целей отопления, охлаждения и получения горячей воды — это тепловой насос, хотя еще в советские времена такое оборудование в нашей стране производилось и использовалось для отопления заводских цехов. KOP такого теплового насоса составлял не более 3, но и то это сравнимо с кондиционерами, которые сегодня устанавляваются в России. Современные тепловые насосы имеют KOP, равный 5-5,5. Если тепловой насос объединить с солнечным коллектором, а так обычно делается, мы получим зимой отопление и горячую воду, летом — охлаждение и горячую воду, при этом затраты электроэнергии будут довольно незначительными, например, на дом 200 м2 с 4 жильцами в год будет потрачено на отопление, охлаждение и горячую воду примерно 5000-7000 кВтчасов электроэнергии, некоторые тратят такое количество энергии в месяц, используя традиционный электрокотел. Применение теплового насоса позволяет потребителю по своему усмотрению регулировать температуру в помещении, снижать ее зимой или повышать летом, в моменты своего отсутствия, чтобы снизить затраты на электроэнергию, не ждать начала отопительного сезона, не зависеть от ежегодных отключений горячей воды.

Таким образом, можно сделать вывод, что применение современного высокотехнологичного оборудования для электроснабжения и кондиционирования дает не только качественное снабжение необходимыми энергоресурсами, но и определенную степень независимости от внешней ситуации и всякого рода распределителей энергии. Появляется больше возможностей для индивидуального строительства в привлекательных местах, там, где затруднено получение или вообще отсутствует электричество. Применение инверторных систем для увеличения выделенной мощности позволяет решать, казалось бы, неразрешимые задачи в городе и загородных местах обширного домостроительства, при этом не увеличивая, а с учетом мероприятий по экономии и уменьшая нагрузку на сеть. Запасение энергии в ночное время не только улучшает параметры нагрузки на генераторы электростанций, но и позволяет в некоторых случаях экономить — ночные тарифы обычно в 4 раза дешевле, запасаем энергию ночью, а тратим когда хотим, оплата пусть в 3 раза, но меньше. Другой вопрос, что для осуществления подобных действий необходимо довольно дорогое оборудование, но все надо считать, а дешевых ресурсов уже не будет.

П. МИХАЛЕВ.

Рекомендуем почитать

Микротурбины против ГПУ
13 мая 2016 г. в 10:04
Возможность получать недорогую электрическую и тепловую энергию из газообразного топлива заставила производителей «подтянуть» новые технологии к созданию генерирующих агрегатов. Привычные и проверенные временем газотурбинные (ГТУ) и газопоршневые генераторные установки (ГПГУ), являющиеся основой автономной генерации в современной децентрализованной энергетике, в борьбе за потребителя все чаще сталкиваются с «принципиально» новыми агрегатами.
Качество электрической энергии на предприятии — бороться или смириться?
17 февраля 2014 г. в 12:15
Мировой рост цен на энергоносители, увеличение потребления электричества, постоянно повышающиеся требования к надёжности систем электроснабжения — всё это ведёт к тому, что у предприятий появляются новые задачи.
Дорога «умного» потребителя
20 ноября 2013 г. в 10:10
Умные технологии учета и контроля энергопотребления рассчитаны не только на крупные предприятия и энергосистемы.
Малые ветрогенераторы
26 февраля 2014 г. в 15:41
Выработка электрической энергии с использованием возобновляемых источников — актуальная тенденция в развитии энергетики. Хорошо известны гигантские поля ветряков, где вырабатывается электроэнергия для крупных городов.
Освещение на постоянном токе — «хорошо забытое старое»?
25 ноября 2015 г. в 16:00
​Известный экспериментатор и предприниматель Томас Эдисон в XIX веке предложил систему электроснабжения на постоянном токе. К началу XX века на смену ей пришли электрические сети на переменном токе, которые предложили Никола Тесла и Джордж Вестингауз.

Комментировать

    Еще никто не оставил комментариев.

Для того чтобы оставлять комментарии Вам необходимо зарегистрироваться либо авторизоваться на сайте.