Солнечное электричество – будущее доступно уже сегодня

М. Гусалов

Солнечные установки, генерирующие электричество, приобретают все большую популярность в Украине. Помимо различий в мощности, эти установки различаются по назначению, а значит – по способу реализации. На что нужно обращать внимание при выборе компонентов солнечных фотоэлектрических установок?

Украина находится в благодатном месте Европы. Уровень солнечной энергии, которая поступает в течение года на территорию Украины, таков, что практически на всей территории страны применение солнечной электрогенерации технически оправдано и экономически выгодно.

Оценка потенциала солнечной энергетики Украины, составленная совместным исследовательским центром при Еврокомиссии ЕС «Фотовольтаическая геоинформационная система» (Photovoltaic Geographical Information System, PVGIS), показывает, что удельная энергия солнечного излучения, которая в течение года падает на поверхность земли для Украины находится в пределах 1150 – 550 кВт•ч/м². Бóльшая часть площади Украины освещается солнцем на уровне 1250 – 1400 кВт•ч/м².

Например, на Киев и область в среднем за год поступает 1300 – 1450 кВт•ч/м2 световой энергии (см. AW-Therm № 5-2016, стр. 33). Если пересчитать эти цифры на количество электроэнергии, которую можно произвести солнечными фотовольтаическими модулями (с учетом соотношения ¾ от максимальной установленной мощности модуля к фактически выработанной), то данные поражают воображение. В среднем за год на бóльшей части территории Украины можно производить 940 – 1050 кВт с каждой фотоэлектрической установки с установленной мощностью 1 кВт-пик (kWp). Для широты Киева это значение находится на уровне 975 – 1100 кВт.

На рис. 1 показана оценка потенциала годового производства солнечной электроэнергии в Украине по областям, МВт•ч, выполненная специалистами Полтавской государственной аграрной академии (ПГАА).

Рис. 1. Теоретический, технический и экономический потенциал солнечной энергии в Украине, МВт•ч. Источник: ПГАА

По мере совершенствования и удешевления техники для силового фотоэлектрического преобразования (фотовольтаики) этот потенциал начинает все более активно использоваться в Украине. Строятся «большие» стационарные солнечные электрические установки (СЭУ). Однако наибольшая инициатива по развитию солнечной электрогенерации наблюдается со стороны индивидуальных домовладельцев и малого бизнеса, которые устанавливают СЭУ на крышах домов или зданий коммерческого или промышленного назначения.

В зависимости от степени «подключенности» к электрической сети и характера потребления энергии от нее, малые солнечные фотовольтаические установки, используемые для малого бизнеса и индивидуальной генерации, подразделяются на несколько типов (подробнее см. AW-Therm № 6-2016):

• малая сетевая СЭУ;
• сетевая СЭУ с резервным питанием;
• автономная СЭУ;
• автономная СЭУ с подключением к внешней сети для резервного снабжения;
• комбинированная (гибридная) СЭУ – сочетание СЭУ с другими типами генерации из возобновляемых источников и другими ВИЭ) с подключением к внешней сети.
• гибридная СЭУ с резервом мощности от автономных генераторов, прочие.

Автономные СЭУ

На рис. 2 показаны различные решения для малых фотоэлектрических СЭУ. Автономная СЭУ (рис. 2, а) имеет аккумуляторную установку и способна обеспечить потребности домохозяйства в электроэнергии без подключения к общей электросети. При достаточной емкости батарей и мощности PV-панелей можно полностью перекрыть сезонную и суточную неравномерность генерации в течение всего года.

Рис. 2. Схемы реализации а) автономной СЭУ; б) сетевой СЭУ с резервным питанием; в) комбинированной (гибридной) СЭУ – сочетание СЭУ с общей электросетью, с ветрогенератором и с резервным автономным генератором с ДВС

Такое решение (OFF-GRID) идеально подходит для населенных пунктов и удаленных участков, где нет охвата локальной электросетью или где подключение к национальной сети электропередач осуществить сложно или слишком дорого. Это частные дома, виллы, гостевые или охотничьи домики, газорегуляторные станции, отели, фермерские хозяйства, малые промышленные объекты в сельской местности, рекламное оборудование и прочее.

Например, обычный жилой дом на одну семью потребляет в среднем от 3 до 7 кВт•ч в день, для чего достаточно PV-системы с установленной мощностью 3 – 5 кВт. Нужная емкость аккумуляторов зависит от характера энергопотребления.
В рекомендуемый (среднестатистический) комплект OFF-GRID на 5 кВт входят 8 фотоэлектрических панелей установленной
мощностью 250 Вт/30 В/8 A; инвертор на 5 кВт; 8 шт. аккумуляторных батарей 12 В/220 А•ч; устройство мониторинга
состояния батарей, регулятор (контроллер) заряда, вспомогательные компоненты (крепления, провода, электрощит,
предохранители, прочее).

Такая солнечная установка в наших климатических условиях на большей части территории Украины обеспечит максимальный объем зарядки 21120 А•ч. При расчетном потреблении энергии в день 10560 А•ч обеспечивается полностью автономный режим (без подзарядки от солнечных панелей) в течение двух суток. Время зарядки аккумуляторов от 50% до максимального заряда составит примерно 10 ч. Если придерживаться правила, что не следует разряжать батареи свыше 50%, то это значительно увеличит срок эксплуатации свинцово-щелочных или гелевых аккумуляторов. В нормальных температурных условиях их практический срок эксплуатации составит 7 – 8 лет.

Главные компоненты СЭУ

Фотоэлектрические панели любых производителей и сделанные по любой технологии подразделяются на классы эффективности(A, B, C). Почти тридцатилетняя практика применения солнечных панелей показывает, что панели класса A пользуются бóльшим спросом, и производители стремятся уменьшить производство панелей менее эффективных классов. В ЕС разрешено применение панелей исключительно класса A.

Почти 90% всего мирового производства солнечных панелей сосредоточено в Китае (544 бренда из 682). Все ведущие фирмы-производители фотопанелей из США (73 фирмы) и ЕС (65 компаний) также имеют свое производство в Китае. Несмотря на прогресс в развитии тонкопленочных и прочих технологий, подавляющее большинство устанавливаемых в мире PV-панелей сегодня – это модули из кристаллического и поликристаллического кремния.

Инвертор (см. рис. 2, а) подключается к батарейному блоку и преобразовывает постоянный ток 12 В или 24 В в переменный ток 230 В/50 Гц, который потребляет домашнее оборудование. Инвертор устанавливается как можно ближе к панелям и батареям, чтобы максимально сократить резистивные потери при подключении к источнику постоянного тока. При перегрузке инвертор автоматически отключается и затем включается снова примерно через 5 мин. Инвертору важно иметь достаточный запас мощности. Если СЭУ модернизируется, то и панели, и батареи можно добавлять последовательно. Однако инвертор должен обслуживать всю установленную мощность. Одновременно с добавлением панелей (и батарей) нужно заменять инвертор на более мощный. Или же при модернизации СЭУ следует добавлять электрические компоненты параллельными блоками, где бы мощность отдельного инвертора соответствовала электрическим параметрам такого блока.

Регулятор зарядки исправляет напряжение и ток, поступающий от группы солнечных панелей, до уровня, подходящего для заряда аккумуляторных батарей, следит за процессом зарядки и уровнем накопленной электрической мощности.

Монитор батарей ограничивает потребление тока от батарей: когда потребление становится больше, чем 50% от мощности
батарей, то монитор отключает батареи. Таким образом, фактический срок эксплуатации аккумуляторов значительно
вырастает (7-8 лет).

Часто регулятор заряда и монитор батарей выполняются в одном устройстве – контроллере заряда.

Особенности СЭУ, подключённых к электросети

Подключение СЭУ к общей сети может иметь разную мотивацию. Полная автономность СЭУ потребует значительных инвестиций в аккумуляторное хозяйство, что существенно повышает стоимость и увеличивает срок возврата капиталовложений.

Если имеется возможность подключиться к «общественной» электросети, этим не стоит пренебрегать. Подключение к сети и потребление из нее энергии в периоды недостаточной суточной или сезонной генерации (т. н. схема «OFF-GRID с инжекцией» или схема ON-GRID без перетока в сеть, см. рис. 2, б) существенно сокращает общие затраты на СЭУ. Кроме того, подключение к электросети позволяет организовать сброс избытка солнечной генерации в общую электросеть по т. н. «зеленому» тарифу (см. рис. 2 в), который существенно выше, чем расходы на покупное электричество. То есть, появляется возможность зарабатывать, если есть избыточная солнечная мощность. Сейчас разрешено подключать к электросети и продавать избыток энергии частными домохозяйствами с локальной СЭУ установленной мощности до 30 кВт.

Если цель заработать на «зеленом» тарифе не ставится, то подключение СЭУ к общей электросети позволяет уменьшить затраты на систему и счета за покупную электроэнергию.

Рассмотрим данные учета для одного из реализованных проектов домашней СЭУ с практически «равновесным» потреблением электричества от СЭУ и от общей сети. Дом площадью 150 м² на 5 чел, 5 комнат, 3 ванных комнаты, расположенный в местности с мощностью солнечной энергии на уровне 1450 кВт•ч/м², потребляет около 200 кВт•ч электроэнергии в месяц(около 6,7 кВт•ч в день). Стоимость СЭУ с установленной мощностью 3 кВт по схеме ON-GRID (однофазная) и OFF-GRID в данном случае примерно одинакова (различие в стоимости установок с монтажом и подключением примерно 20%). Данные по выработке электричества от СЭУ с учетом всех потерь и сезонной неравномерности представлены в табл. 1. Там же показано количество энергии, которое в данном случае отбиралось из внешней сети (и/или которое нужно было бы выработать локальным резервным генератором).

Табл. 1. Данные выработки энергии локальной СЭУ мощностью 3 кВт и потребления энергии из внешних (резервных) источников питания по месяцам

Детальное сравнение показывает, что при нынешнем уровне тарифов на электроэнергию в данном случае благодаря локальной СЭУ счет за покупное электричество уменьшится на 45%.

Однако схемы ON-GRID (или «OFF-GRID с инжекцией») имеют особенности. Помимо счетчика, который учитывает потребление извне (см. рис. 2, б), главные отличия заключаются в инверторе.

Кроме того, что инвертор для работы с внешним источником питания (сеть или генератор) должен очень быстро (примерно за 20 мес.) переключить направление тока на другой источник, есть особенности функционирования солнечной станции и системы батарей.

Причем это относится как для работы по схеме сетевой СЭУ с резервным питанием, так и для комбинированной (гибридной) СЭУ с продажей электричества в сеть по «зеленому тарифу» (см. рис. 2 б, в).

Обычного инвертора полностью достаточно для работы по схеме OFF-GRID. Но при избытке генерации типичная СЭУ будет использовать на «внутреннее потребление» всего примерно 25% свободной энергии, которую она генерирует, экспортируя остальное в общую сеть. Это происходит из-за суточной неравномерности солнечной генерации. Современные т. н. «гибридные» двунаправленные инверторы имеют приоритет, прежде всего, зарядить аккумуляторы и запитать солнечным электричеством домашнюю технику. За счет этого «самообслуживание» системы с СЭУ может увеличиться до 80%. Таким образом, уменьшается зависимость от энергии извне. Поддержание аккумуляторов в максимально заряженном состоянии также позволит реже подключать резервный генератор (бензиновый или дизельный). Это существенно сократит затраты хозяйства на приобретаемые энергоносители и прочие эксплуатационные затраты.

Гибридные инверторы нового поколения – это гибкие интеллектуальные системы управления энергией, которые хранят избыточную энергию в батареях для последующего использования. Ими можно управлять удаленно. Их можно запрограммировать с оптимизацией целевой функции, например, для контроля экспорта/импорта энергии в общую сеть или, наоборот, с максимизацией продажи в сеть по «зеленому» тарифу. Гибридные инверторы могут отслеживать потребление с учетом многозонального тарифа, и «приобретать» внешнюю энергию, например, только по ночному тарифу. Модельный ряд таких устройств охватывает практически весь диапазон мощности, типичный для малых СЭУ.

Точно так же, для работы с сетью или для гибридной СЭУ (см. рис. 2 б, в) применяются двунаправленные контроллеры заряда батарей. Они способны на выбор отрабатывать запрограммированный алгоритм заряда, отслеживать точку максимальной эффективности и оптимизировать заряд в условиях неравномерной солнечной генерации, учитывать характер источника для зарядки аккумуляторов – от СЭУ, от резервного питания или от сети.

Обычный контроллер заряда, по сути, – это переключатель, соединяющий солнечные панели с батареей. То есть, напряжение, вырабатываемое массивом PV-панелей, снижается до напряжения заряда аккумуляторов. Избыток напряжения просто отсекается. Современные же контроллеры заряда (типа MPPT) сложнее и дороже, однако они регулируют и преобразовывают свое входное напряжение для максимального сбора энергии от солнечных панелей. При этом на выходе создаются наиболее щадящие условия для заряда аккумуляторов в зависимости от напряжения заряда и нагрузки. Таким образом, фактически разделяется напряжение на солнечных панелях и поступающее для заряда батарей. Например, со стороны солнечных панелей на пике генерации может быть напряжение 36 В, а на заряд батарей будет поступать стабильное напряжение 12 В с оптимальным током.

Промышленное применение

Малому бизнесу хорошо знакома ситуация, когда имеется хорошая площадка, но возможности электроснабжения (мощности) локальной электросети недостаточно, чтобы запитать все оборудование. Чтобы решить вопрос о новых лимитах электрической мощности, нужно порой несколько лет оббивать пороги и заплатить немалую сумму. А иногда этот вопрос носит действительно объективный характер – изношенная маломощная электросеть не справится с новой нагрузкой, и энергокомпании нужно будет модернизировать линии электропередач и устанавливать новые трансформаторные подстанции – это потребует огромных средств, согласований и времени для производства работ по повышению мощности локальной электросети.

В этих условиях бизнес-структуре куда проще, быстрее и, в большинстве случаев, экономически выгоднее создать свою максимально автономную СЭУ по схеме ON-GRID (или «OFF-GRID с инжекцией»), то есть генерировать потребляемое электричество самостоятельно.

Подключение к сети в таком случае используется в качестве резервного питания или для сглаживания (в ограниченных пределах) пикового потребления. Инверторы, аккумулирующие станции и контроллеры заряда с высокой единичной мощностью (от 30 до >100 кВт) стоят довольно дорого. Однако можно сделать СЭУ по «мультипараллельной» схеме (см. рис. 3), и собрать ее в т. н. микросеть (microGRID). Она «набирается» из согласованных блоков (солнечные панели, аккумуляторы, инверторы и контроллеры) с единичной мощностью 20 – 30 кВт. Такое решение гибче и устойчивее – при выходе из строя или отключении какого-либо блока из-за перегрузки, остальные сохранят работоспособность.

Рис. 3. Пример мультипараллельной схема для СЭУ с использованием инверторов, устройств защиты, мониторов и контроллеров заряда фирмы Victron

В настоящее время системными интеграторами, поставляющими в Украину комплекты оборудования для СЭУ, предлагается широчайший выбор самых современных компонентов – от PV-панелей до инверторов и вспомогательного оборудования.

Эффективное применение солнечных фотовольтаических установок в нашей стране доступно уже сегодня. Важно помнить, что проектирование и реализация проектов технически и экономически эффективных солнечных фотоэлектрических установок требует компетентного индивидуального решения, которое бы полностью учитывало все множество локальных факторов.

Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok.  Долучайтесь!

Переглянуто: 6 368