Оценка экономической эффективности использования различных схем СЭС для питания жилого дома в г. Алматы

В статье рассматриваются вопросы, связанные с оценкой экономической эффективности различных схем СЭС для электроснабжения жилого дома в г. Алматы

Ключевые слова : ВИЭ, солнечная станция, солнечная инсоляция, однопользовательский объект, схемы СЭС, автономная, сопряженная с сетью, гибридная, солнечная панель, аккумуляторная батарея, инвертор, экономическая эффективность, стоимостные показатели, капиталовложения, срок окупаемости.

Благодаря государственной политике стимулирования развития альтернативных источников энергии в Казахстане в настоящее время введено 90 объектов ВИЭ суммарной мощностью 1050,1 МВт (19 ВЭС–283,8 МВт; 31 СЭС–541,7 МВт; 37 ГЭС — 222,2 МВт; 3 БиоЭС — 2,42 МВт) [1]. Казахстан ставит перед собой цель увеличения доли ВИЭ в энергосистеме страны. Сейчас этот показатель составляет около 1,3 %, а к концу 2030 года планируется увеличить до 10 %. Потребность внедрения ВИЭ изложена как в государственных документах (концепция перехода к зеленой экономике), так и в международных инициативах Казахстана (программа партнерства «Зеленый мост») [1].

Необходимо отметить, что в настоящее время растет потребность в установке солнечных электрических станций (СЭС) для питания однопользовательских объектов: жилых домов, объектов малого и среднего производства, ферм и теплиц и др. СЭС не большой мощности, используемые для электроснабжения домов достаточны просты в установке и эксплуатации, и, что не маловажно, достаточно рентабельны. Экономический эффект от использования СЭС на прямую зависит от ожидаемых результатов потребителя электрической энергии, то есть от назначения СЭС. На сегодняшний день разработано достаточно большое количество альтернативных вариантов схем выдачи мощности СЭС, применяемых для обеспечения жилых объектов электроэнергией.

Для оценки экономической эффективности использования солнечной энергии был выбран жилой дом в г. Алматы по адресу ул. Тайбурыл, дом 8. Общая территория земельного участка составляет 8 соток. На участке расположен жилой дом — 18х10х5,5 м; гараж — 6х9х6 м; банная пристройка — 10х4х4 м (рисунок 1). Жилой дом состоит из 6 комнат, общая площадь составляет 180 , из них жилая — 130 , на данный момент в доме проживает семья из 3 человек. СЭС будет располагаться на крыше банной постройки, которая имеет размеры 6х9х6 м. Наклон крыши составляет . Электропотребление жилого дома за 2020 год составляет 3073 кВт ^. ч.

В работе предполагается произвести оценку экономической эффективности трех вариантов выдачи мощности СЭС для жилого дома: первый — автономная схема, второй — сопряженная с сетью, третий- гибридная.

Для реализации любого из вариантов необходимо определить солнечную инсоляцию, произвести обоснование и выбор основного и дополнительного оборудования и оценить стоимостные показатели проектов.

Произведем оценку солнечной инсоляции для первого варианта схемы — автономной СЭС. При получении электроэнергии от автономная СЭС питание объекта будет осуществляться только за счет солнечной генерации, исключая другие возможные виды получения электрической энергии в том числе и из городской сети. Днем электрическая энергия будет вырабатываться за счет солнечных панелей, предполагается, что на станции будут установлены аккумуляторные батареи, за счет которых мы можем накапливать электрическую энергию в ночное время и во время недостаточной дневной инсоляции (облачность, снег, дождь).

Оценку солнечного потенциала произведем с помощью программного обеспечение PV Realsolar [2]. Так как солнечные панели будут располагаться на крыше банной постройки, исходя из размеров крыши, угла ее наклона — 43 ⁰ и среднего размера солнечной панели — 1 х 1,98 м, с учетом удобства эксплуатации, примем к установке 10 шт. Введя необходимые данные, с помощью ПО получили значение солнечной инсоляции по месяцам (рисунок 2), годовое значение составило 7374,58 кВт∙ч, среднее значение суточного потребления — 20,22 кВт ^. ч.

Из графика (рисунок 2) видно, что максимальная солнечная инсоляция за сутки (световой день) наблюдается в июне и в июле — 21,63 кВт ^. ч/сут; самая минимальная — декабрь — 13, 73 кВт ^. ч/сут. Далее получили данные по инсоляции за каждый месяц года, умножив количество инсоляции за сутки на 30 дней в месяце.

На основании полученных данных составили график выработки электроэнергии солнечными панелями и произвели сравнение с фактическим потреблением за каждый месяц (рисунок 3).

Рис. 2. Результаты расчета солнечной инсоляции в ПО PV Realsolar

Рис. 3. Выработка электроэнергий солнечными панелями и фактическое потребление жилого дома при СЭС автономного типа

Из графика (рисунок 3) видно, что выработка электрической энергии по каждому месяцу превышает количество фактического потребления. Расчет солнечной инсоляции при количестве солнечных панелей 10 шт. был произведен с учетом перспективного роста потребления: возможности строительства на рассматриваемом участке еще одного жилого дома и других хозяйственных построек например, тренажерного зала, беседки, теплицы, хозяйственной постройки для содержания домашней птицы, кроликов и т. д.; планируемого ближайшего расширения состава семьи до 6 человек.

Для возможности реализации схемы, сопряженной с сетью СЭС так же необходимо произвести расчет солнечная инсоляции. Предполагается, что питание объекта при такой схеме работы СЭС, в дневное время будет осуществляться за счет солнечных панелей, а в ночное время и в дни с недостаточной инсоляцией будет осуществляться за счет городской сети, т.е схема будет сопряжена с сетью и потребитель будет получать недостающую электрическую энергию из сети. Расчет солнечной инсоляции для второго варианта — сопряженной с сетью станцией произведем так же, как и случае с автономной СЭС с помощью ПО PV Realsolar. Количество солнечных панелей определили подбором оптимального варианта выдачи мощности и фактического потребления для данного вида схемы СЭС в программе. Количество солнечных модулей для оптимального покрытия нагрузки жилого дома — 4 шт.

График выработки электроэнергии солнечными панелями и фактическое потребление жилого дома представлено на рисунке 4.

Рис. 4. Выработка электроэнергий солнечными панелями и фактическое потребление жилого дома при СЭС сопряженной с сетью

Основываясь на значения, приведенных на графике (рисунок 4) можно констатировать следующее, начиная с марта по ноябрь выработка электрической энергии солнечными панелями превышает фактическое потребление. В зимние месяцы: декабрь, январь, февраль, фактическое потребление незначительно превышает ту выработку, которую мы можем получить за счет солнечных панелей (декабрь — 26,4 кВт ^. ч./месяц). Схема, сопряженная с сетью, дает возможность покрыть недостаток электрической энергии в зимние месяцы и в ночное время за счет с получения электрической энергии из сети.

Для третьего варианта схемы — гибридная СЭС, предполагается, что вся нагрузка жилого дома будет покрываться точно также, как и в варианте автономной СЭС (солнечные панели 10 шт, АКБ), излишки электрической энергии будут продаваться в электрическую сеть по зеленому тарифу. После расчета солнечной инсоляции в ПО RealSolar составили график фактического потребления и выработки солнечными панелями электрической энергии, рисунок 5.

Рис. 5. Выработка электроэнергий солнечными панелями и фактическое потребление жилого дома при схеме гибридной СЭС

По графику (рисунок 5) видно, что вырабатываемая электрическая энергия с помощью солнечных панелей значительно превышает во все месяцы года потребление жилого дома. Самая максимальная разница в выработке и потреблении наблюдается в июле — 450,7 кВт ^. ч/месяц. Разница между фактическим потреблением и выработкой СЭС за год составляет 4301,58 кВт ^. ч/год, т.е эту электрическую энергию можно продать электросетевой компании по «зеленному тарифу» — 34,38 тг/кВт ^. ч (без учета НДС) [4].

Произведем выбор оборудования для каждого вида СЭС. По составу оборудования автономная и гибридная СЭС идентичны, отличие состоит только в инверторах (функциональные возможности. После анализа производителей, технических характеристик и стоимости, для этих двух схем станций было выбрано следующее оборудование: солнечные панели марки- Delta SM 350–340P (Китай), в количестве 10 шт.; аккумуляторные батареи — Delta DTM 12200 12V/200 ah (Китай), в количестве 2 шт.; кабель постоянного тока — Eco Tech HP, сечение 2,5 мм ² (Китай), длиной 17 метров; кабель переменного тока — ВВГнг 2х2,5 мм ² (Казахстан), длиной 5 метров; коннекторы — MC4Y in 1 (Китай), в количестве 10 шт.; крепления для солнечных панелей в количестве 10 шт. Инвертор для автономной СЭС выбрали марки Axioma Energy OSPWM 5000 (Китай), в количестве 1 шт., а для гибридной — Altek PV 18–4K (Китай), в количестве 1 шт.

Для сопряженной с сетью СЭС состав оборудования отличен от двух предыдущих схем: уменьшено количество солнечных панелей, отсутствие АКБ, инвертор по функциям отличающиеся от двух предыдущих типов схем. Выбрали: солнечные панели марки Delta SM 350–340P (Китай), в количестве 4 шт; кабель постоянного тока — Eco Tech HP сечение 2,5 мм ² (Китай), длиной 17 метров; кабель переменного тока — ВВГнг 2х2,5 мм ² (Казахстан), длиной 5 метров; коннекторы — MC4Y in 1(Китай), в количестве 4 шт; крепления для солнечных панелей в количестве 4 шт.; инвертор — Afore DNT003KTL (Китай), в количестве 1 шт.

Далее для оценки экономической эффективности выбранных вариантов схем произвели определение стоимостных показателей (таблица 1).

Таблица 1

Стоимостные параметры автономной, сопряженной и гибридной СЭС

По итогам расчетов стоимостных показателей можно сделать следующий вывод: наибольшие капитальные вложения требует схема гибридной СЭС — 1176765 тг.; далее — 1041077 тг. — автономная СЭС; самая низко затратная по кап. вложениям — 458240 тг. — сопряженная с сетью СЭС. Схема сопряженной с сетью СЭС по капитальным вложениям на 58 % дешевле чем гибридная, и на 50 % дешевле автономной. Затраты на установку и годовое обслуживание: наибольшие затраты потребует схема сети, сопряженная с сетью — 55656,6 тг.; гибридная — 29347,41 тг.; наименьшие затраты — автономная — 26110,82 тг. Автономная схема СЭС по затратам на установку дешевле, чем сопряженная схема на 46 % и гибридной на 12 %. По итогам общей стоимости проектов схем СЭС выяснили, что самой экономически не выгодной является гибридная схема — 1206112,4 тг.; автономная имеет стоимость — 1067187,8 тг.; самая экономически привлекательная стоимость у сопряженной СЭС — 513896,96 тг. Что касается срока окупаемости, то самый большой срок окупаемости у автономной схемы — 18 лет, у сопряженной с сетью СЭС — 9 лет, у гибридной — 5,8 лет. Наименьший срок окупаемости схемы гибридной СЭС обусловлен экономическим эффектом от продажи электрической энергии в размере 4301,58./ кВт ^. ч./год сетевой компании по завышенному «зеленому» тарифу (34,38 тг. за кВт ^. ч).

Таким образом, в ходе оценки экономической эффективности трех вариантов различных схем СЭС для питания жилого дома в г. Алматы самым экономически целесообразным является вариант применения гибридной схемы. Автономная схемаСЭС, по сравнению с другими вариантами, самая экономически не выгодная. Для питания жилых домов в г. Алматы не рекомендуется применять такой вариант построения схемы СЭС. Схема такой СЭС будет более эффективна для питания мелких и средних предприятий бизнеса или для объектов, не имеющих другого источника энергии, кроме солнца. Сопряженная схема с сетью может применяться для питания однопользовательских объектов, если при сравнении с другими вариантами экономическая эффективность будет иметь приоритетные значения.

1. 1.https://www.sk.kz/upload/iblock/3f5/3f5f8e2087688517bcc667eeebc82630.pdf.
2. ПО Realsolar https://realsolar.ru/on-line-calc/.
3. Каталожные данные по оборудованию https://realsolar.ru/solar-station/
4. https://rfc.kegoc.kz/vie/prices/fixed-rates
5. Коннекторы и кабели для солнечных батареи. URL: http://atscom.kz/ru/konnektory-i-kabeli-dlya-solnechnyh-batarei.
6. Стребков, Д. С. Солнечные электростанции: концентраторы солнечного излучения: учеб.пособие для вузов / Д. С. Стребков, Э. В. Тверьянович; под ред. а.- 2-е изд., испр.- М.: Юрайт, 2020.- 265с
7. Куатова, Д. Я. Экономика предприятия: Практикум / Д. Я. Куатова; МиН РК; КазЭУ им.Т.Рыскулова.- Алматы: Экономика, 2005.- 106с.