Расчет экономической эффективности замещения традиционной электросети солнечными батареями для освещения школы

Задача перевода энергетики страны на инновационные принципы была провозглашена президентом России Д. А. Медведевым в статье «Россия, вперед!» и в ежегодном послании к Федеральному Собранию еще год назад, в разгар экономического кризиса. Эти тезисы в первую очередь подразумевают введение принципов сбережения и экономичного использования существующих энергетических запасов Российской Федерации, а также их наращивание за счет передовых технологий и прежде всего возобновляемых, экологически чистых источников энергии.

В своей исследовательской работе мы, постарались реализовать принципы экологически чистого и возобновляемого источника энергии применительно к небольшой школе. В качестве источника электроэнергии выбрано солнечное излучение. Преобразовывать его в электричество будут полупроводниковые солнечные батареи. В качестве расчетной единицы для энергообеспечения принятая суточная потребность одного класса в электричестве, расходуемая на его освещение.

В работе рассчитывается среднее суточное потребление электроэнергии для освещения класса. Рассчитывается необходимое количество солнечных батарей. И побирается дополнительного оборудования: инверторы, аккумуляторы. Оценивается экономическая эффективность изменения схемы электроснабжения класса со стандартной сети на солнечные батареи в случае использования обычных люминесцентных ламп и при светодиодном освещении.

ЧТО ЭТО ТАКОЕ — СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ?

Солнечная энергия — это лучистая энергия, излучаемая Солнцем в результате происходящих там термоядерных реакций — соединения свободных атомов водорода с получением гелия.

Солнечные лучи (радиация) — это электромагнитное излучение, сосредоточенное в основном в диапазоне волн длиной

0,28—3,0 мкм. Солнечный спектр состоит из:

• ультрафиолетовых волн длиной 0,28—0,38 мкм, невидимых для наших глаз составляющих приблизительно 2% энергии солнечного спектра;

• световых волн в диапазоне 0,38—0,78 мкм, составляющих приблизительно 49% энергии спектра;

• инфракрасных волн длиной 0,78—3,0 мкм, на долю которых приходится большая часть оставшихся 49% энергии солнечного спектра.

Остальные части спектра играют незначительную роль в тепловом балансе Земли.

Солнце излучает огромное количество энергии — приблизительно 1,1×1020 кВт·ч в секунду. Киловатт·час — это количество энергии, необходимое для работы лампочки накаливания мощностью 100 Ватт в течение 10 часов. Внешние слои атмосферы Земли перехватывают приблизительно одну миллионную часть энергии, излучаемой Солнцем энергии, или приблизительно 1500 квадрильонов (1,5×1018) кВт·ч ежегодно. Однако из-за отражения, рассеивания и поглощения ее атмосферными газами, и аэрозолями только 47% всей энергии, или приблизительно 700 квадрильонов (7×1017) кВт·ч, достигает поверхности Земли.

Вся энергия, испускаемая Солнцем, в 5 млрд. раз больше той ее части, которую получает Земля. Но даже такая «ничтожная» величина, в 1600 раз больше энергии, которую дают все остальные все остальные источники, вместе взятые. Солнечное излучение каждый год дает человечеству миллиарды тонн зерна и древесины. Количество солнечной энергии [3], попадающей на поверхность Земли, во много раз превышает ее расход даже в таких развитых странах, как США, где энергопотребление просто огромно. Если бы только 1% территории нашей страны было использовано для установки солнечного оборудования (фотоэлектрические батареи или солнечные системы для горячего водоснабжения), работающего с КПД 10%, то Россия была бы полностью обеспечена необходимой энергией. То же самое можно сказать и в отношении всех других развитых стран.

Однако в определенном смысле это нереально: во-первых, из-за высокой стоимости фотоэлектрических систем, во-вторых, из-за невозможности охватить такие большие территории солнечным оборудованием без вреда для экосистемы. Но если грамотно подойти то можно полу использовать уже исключенные из экосистемы площади. Например, можно охватить ту же самую территорию, рассредоточив установки на крышах зданий, на домах, по обочинам, на заранее определенных участках земли и т. д. К тому же во многих странах уже более 1% земли отведено под добычу, преобразование, производство и транспортировку энергии. И поскольку большая часть этой энергии является не возобновляемой в масштабе существования человечества, этот вид производства энергии намного более вреден для окружающей среды, чем системы солнечных батарей.

СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ В ЭНЕРГЕТИКЕ

СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Получение электроэнергии с помощью солнца выгодно. Этот источник энергии является постоянным в своем существовании и экологически чистым.

Солнечные электростанции (СЭС) бывают различных видов:

• СЭС башенного типа. В центре электростанции находится высокая башня 18—24м, на вершину которой помещен резервуар с водой, окрашенный, для лучшего поглощения тепла, в черный цвет. В башне находятся насосы, подающие пар на турбогенератор, находящийся вне башни. Вокруг расположены, большие зеркала на опоре, подключенные к системе общего позиционирования, гелиостаты, направляющие лучи солнца на резервуар. В солнечные дни температура достигает 700° С. Электричество вырабатывается паровыми турбинами.

Башенная солнечная электростанция PS20, расположенная у испанского города Севилья, собирает отраженный от множества зеркал (гелиостатов) солнечный свет, преобразовывая энергию света в пар.

Мощность электростанции — 20 мегаватт.

• СЭС тарельчатого типа. Их конструкция схожа с башенной, но используется много модулей на отдельных опорах, каждый имеет свой приемник и отражатель. СЭС, использующие фотобатареи, — наиболее распространенный тип. Состоит из множества отдельных батарей.

• СЭС, использующие параболические концентраторы: установлено параболическое зеркало большой длины, в фокусе которого — трубка. По ней течет теплоноситель (обычно масло). Теплоноситель нагревается и в теплообменнике отдает тепло воде, которая превращается в пар и поступает на турбогенератор.

• Комбинированные.

• Аэростатные — могут иметь разную конструкцию, но их особенность в том, что, находясь в атмосфере, они не занимают места на земле.

СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ В БЫТУ. ПРИМЕРЫ ОБОРУДОВАНИЯ

Солнечная энергия в бытовых целях, может быть использована используется в следующих случаях:

• Для обеспечения горячей водой жилых домов, общественных зданий и промышленных предприятий;
• Для сушки сельскохозяйственной продукции и др. ;
• Для охлаждения и кондиционирования воздуха;
• Для очистки воды;
• Для приготовления пищи;
• Для нагревания воды.

С древнейших времен человек использует энергию Солнца для нагрева воды. В основе многих солнечных энергетических систем лежит применение солнечных коллекторов. Коллектор поглощает световую энергию Солнца, преобразуя ее в тепло, которое через теплоноситель (жидкости или воздуху) используется для обогрева зданий, нагрева воды, производства электричества, сушки сельскохозяйственной продукции или приготовления пищи. Солнечные коллекторы могут применяться практически во всех процессах, где необходимо тепло.

Для обычного жилого дома или квартиры в Европе и Северной Америке нагрев воды — это второй по энергоемкости домашний процесс. Для части домов он даже является самым энергоемким. Использование энергии Солнца способно снизить стоимость бытового нагрева воды на 70%. Коллектор предварительно подогревает воду до температуры 70-80 оС, которая затем подается в водопровод и смешивается с холодной водой до нужной температуры. Использование коллектора приводит к значительной экономии денежных средств. При этом такую систему легко установить, она практически не требует ухода.

Наиболее простой способ использовать энергию солнца для нагревания воды это расположить под лучами солнца черный бак или бочку. Такая нехитрая конструкция в ясный летний день может без проблем нагреть воду, например, для душа. А если подобный бак поместить в ящик со стеклянной крышкой и хорошо изолировать его от потерь тепла, расположив на солнечной стороне дома, то тогда вода нагреется настолько, что можно будет принимать душ или мыть посуду даже в прохладный и облачный день. Конечно, современные коллекторы имеют более сложную конструкцию, вакуумную теплоизоляцию с медным теплообменникам, но по принципу работы они схожи с наше черной бочкой. Коллекторы могут быть воздушными или жидкостными.

Стандартный солнечный коллектор накапливает солнечную энергию в установленных на крыше здания трубках и металлических пластинах, окрашенных в черный цвет для максимального поглощения тепла. Они заключены в стеклянный или пластмассовый корпус и наклонены к югу, чтобы улавливать максимум солнечного света. Таким образом, коллектор похож собой миниатюрную теплицу, накапливающую тепло под стеклянной панелью. Поскольку солнечная радиация равномерно распределена по поверхности земли, коллектор должен иметь большую площадь.

Существуют и другие недорогие и технологически простые солнечные коллекторы более узкого назначения — солнечные печи (для приготовления еды) и солнечные дистилляторы, которые позволяют дешево получить дистиллированную воду практически из любого источника.

Солнечные печи состоят из просторной, хорошо теплоизолированной коробки, выстеленной отражающим свет материалом, например, фольгой, накрытой стеклом и оборудованной внешним отражателем. Кастрюля черного цвета служит поглотителем, Солнечные печи можно использовать для обеззараживания воды, доводя ее до кипения. Они дешевы и просты в изготовлении

Солнечные дистилляторы способны обеспечить дешевую дистиллированную воду, причем ее источником может служить даже соленая или сильно загрязненная вода. Солнечный дистиллятор использует энергию солнца для ускорения процесса испорения возы из открытого резервуара. Состоит он из теплоизолированного контейнера темного цвета с остеклением, которое наклонено с так, чтобы конденсирующаяся на нем пресная вода стекала в специальную емкость. Небольшой — размером с кухонную плиту — солнечный дистиллятор в ясный день может вырабатывать до десяти литров дистиллированной воды.

ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ В ШКОЛЕ

Мировой опыт использования солнечной энергии для бытовых нужд показывает ее высокую эффективность. Широкое внедрение солнечной энергетики в масштабах всей страны позволит сэкономить мегаватты электроэнергии. При этом практически каждое здание за счет эффективного использования собственной крыши, для «утилизации» солнечной энергии может покрывать большой объем своих энергозатрат.

Основываясь на этом принципе, мы решили оценить возможность замены потребления электроэнергии от стандартной электрической сети на энергию получаемую от солнечных батарей. Для этого мы провели оценку суточных энергозатрат кабинета физики. Исходя из этого, подобрали необходимое количество солнечных батарей. Составили блок-схему электроснабжения и подобрали электросиловое оборудование. Оцени возможные способы снижения потребления электроэнергии за счет замены источников света. После чего провели приблизительный расчет окупаемости нашего проекта.

Расчет энергозатрат класса

Каждый день, на освещение школы, затрачивается огромное количество электроэнергии. Рассмотрим лишь один класс — кабинета физики.

Количество энергии, потребляемое в день одним кабинетом, равно мощности одной лампы L, умноженной на количество ламп N в кабинете, а также умноженной на количество часов T в сутки, когда работают эти лампы:

W = L×N×T

В нашем кабинете 24 лампы (N) мощностью 40 Ватт (L), работающие приблизительно 10 часов в сутки (T). Таким образом, в час на освещение класса расходуется 960 Вт, а суточное потребление составляет W = 9,6кВт. И это только в одном кабинете!

Расчет мощности солнечной батареи

Допустим, что мы установили солнечную батарею мощностью 100Вт·ч. При средней продолжительности солнечного дня в 6 часов эта батарея даст нам 600Вт в сутки. Таким образом, для покрытия потребностей одного класса нам необходимо установить 16 солнечных батарей.

В качестве способа снижения количества солнечных батарей можно использовать то, что многие из них дают дополнительно до 60% мощности при освещении тыльной стороны. Таким образом, при использовании этой конструктивной особенности для удовлетворения потребностей класса нам хватит 10 солнечных панелей. Расчетная эффективная мощность при этом составит 1600 Вт, и наша солнечная батарея сможет производить 9600 Вт в сутки при 6 часах работы. Поскольку батарея работает днем, а освещение нам нужно в вечерние часы, нам потребуется система накопления энергии в виде аккумуляторных батарей.

Дополнительное оборудование

Кроме самой солнечной батареи нам потребуется дополнительное оборудование. Это блок аккумуляторных батарей, необходимый для того, чтобы накапливать энергию во время светового дня и отдавать ее в темное время суток. Нам нужен контроллер, задача которого следить за режимом зарядки-разрядки аккумуляторных батарей и за состоянием внешней сети электроснабжения. Также в схеме необходимо использование инвертора, который преобразует постоянное напряжение аккумуляторов в сетевое переменное.

Подбор оборудования

Подбор оборудования — важный этап составления проекта. В нашем случае мы ориентировались на модели, которые предлагаются на российском рынке.

Фотоэлектрическая панель MSW100/50-12

Двусторонние модули преобразовывают энергию света как с фронтальной, так и с тыльной стороны [7]. Это позволяет использовать энергию отраженного света. Такие модули были применены при строительстве солнечной фотоэлектрической станции мощностью 10кВт в Афинах (Греция).

Панель представляет собой кремниевый монокристаллический двусторонний модуль под стеклом в алюминиевой рамке. На обратной стороне находится клеммная коробка.

В этом модуле применено специальное закаленное текстурированное стекло, в котором потери световой энергии минимизированы. Это позволило получить примерно на 15% больше мощности с единицы площади модуля, что ведет как к меньшей материалоемкости фотоэлектрической батареи, так и к меньшей стоимости системы вцелом.

Технические характеристики

Пиковая мощность 100 ± 3 Вт (дополнительно 50 Вт — с тыльной стороны, если она освещена). Номинальное напряжение 12 В. Напряжение в точке максимальной мощности 17 В. Ток в точке максимальной мощности 5,8 А. Ток короткого замыкания 7 А. Напряжение холостого хода около 21 В. Параметры измерены при стандартных условиях (освещенность 1000 Вт/м2, температура 25° С). Вес 10 кг. Размеры 680×1330×40 мм.

Инвертор с контролером солнечной батареи МАП-LCD «Энергия»

Инвертор МАП-LCD «Энергия» представляет собой многофункциональный преобразователь постоянного напряжения (инвертор напряжения) аккумуляторной батареи 12/24/48 В в переменное напряжение 220 В с частотой 50 Гц и предназначен для питания различных потребителей электроэнергии (электроинструмент, бытовые электроприборы, радиоаппаратура и т. д. ).

Форма выходного тока максимально приближена к синусу — сглаженная трапеция (зависит от мощности нагрузки). Преобразователь выполнен на современной элементной базе с применением микроконтроллера, который обеспечивает автоматическое управление всеми режимами работы прибора.

Для наших целей хватит инвертора мощностью 3 кВт.

Аккумуляторная батарея гелиевая HAZE 200 А·ч

Герметизированные свинцово-кислотные аккумуляторные батареи Haze HZB 12 В 200 А·ч изготовлены по технологии AGM. Аккумуляторы Haze HZB 12/200 применяются в различных областях электроснабжения в качестве источников постоянного тока 12 В: источники бесперебойного питания, накопление электроэнергии от солнечных батарей, ветровые установки, системы управления.

Технические характеристики

Технология AGM. Номинальное напряжение 12 В. Емкость (1,75 В/эл. , +20° С): 201 А·ч. Срок службы 12 лет (при +20° С). Диапазон рабочих температур от –20° до +50° С. Размеры: 520×240×220 мм. Вес 66 кг.

Оценка стоимости проекта

Производимые оценки стоимости делаются из расчета розничной цены указанного выше оборудования.

Оборудование Стоимость, руб. Кол-во, шт. Сумма, руб.

Солнечная панель MSW100/50-12 18 200 10 182 000

Инвертор МАП-LCD «Энергия» 3 кВт 22 450 1 22 450

Контроллер 100 А 37 000 1 37 000

Аккумулятор HAZE 200 А·ч 16 200 4 64 800

ИТОГО 306 250

Оценка снижения энергозатрат и повышения эффективности

При нашей оценочной стоимости оборудования в 306250рублей и при расчете стоимости на 2011 год в 3,8 рубля за кВт·ч время окупаемости проекта составит 27 лет. Как видим, экономия пока незначительная, и, как следствие, нам придется устанавливать много таких батарей. Однако, во-первых, в больших масштабах, когда освещается сразу много помещений и батареи эксплуатируются уже длительное время производится большое количество энергии, а во-вторых, использование современного эффективного освещения позволит нам снизить расходы еще в 18 и даже более раз.

Для этого необходимо перевести освещение классов на светодиодные лампы. Светодиодные лампы эффективны тем, что они преобразуют электрический ток непосредственно в свет. Светодиодная сборка мощностью 5 Вт заменяет лампочку мощностью 90 Вт. Постоянно появляются новые, еще более эффективные модели, данный вид освещения постоянно дешевеет. На октябрь – ноябрь 2009 года цена светодиодных ламп составляла около 900 руб. /шт. , при сроке службы 13—15 лет.

Светодиодная лампа LSQ05

Светодиодная сборка мощностью 5 Вт, выполненная ввиде лампы накаливания под стандартный цоколь Е27 [8]. Заменяет лампочку мощностью 90 Вт.

Технические характеристики

Мощность 5 Вт. Световой поток 360 Лм. Эквивалент лампы накаливания 90 Вт. Цветовая температура 3500—7500 К. Гарантийный срок службы 80 000 часов. Угол рассеивания 230 град. Габариты: диаметр 45 мм, высота 96 мм.

Таким образом, после переоснащения класса светодиодными лампами его энергопотребление на освещение снизится с 9,6 кВт в сутки до 500 Вт в сутки. Получается, что при использовании светодиодного освещения расчетная солнечная батарея из 10 панелей сможет покрыть потребность в освещении примерно 20 классов.

Для того, чтобы переоборудовать один класс светодиодными лампами, например LSQ05, которая стоит 900 рублей, потребуется 9000 рублей. На все 20 классов школы 180000 рублей. Итого вместе с СЭС 486250 рублей.

Расчет потребления Энергопотребление Рабочих дней Энергопотребление Затраты на электроэнергию всутки, кВт·ч вмесяце вмесяц, кВт·ч в месяц, руб. в год, руб.

класс 9,6 24 230,4 857 10506

школа (20 классов) 192 24 4608 19 261 231 1370

Таким образом, затраты на перевод школы на экономичное освещение и солнечную электроэнергию окупится за 2 года!

Проведенные оценочные расчеты по замене схемы электроснабжения сети освещения стандартного класса средней школы с электросети общего пользования на автономный источник на основе солнечной батареи показали следующее:

1. Средняя стоимость оборудования для создания независимого электроснабжения от солнечной энергии составляет примерно 300 тыс. рублей.

2. Период окупаемости альтернативного источника энергии можно значительно уменьшить за счет использования энергосберегающих (светодиодных) источников света.