Применение возобновляемых источников электроэнергии для электроснабжения строительных участков в удаленных районах

В статье рассмотрена возможность применения солнечных электростанций, для автономного электроснабжения удалённых строительных участков. Предложен вариант комплексной работы дизельной электростанции с возобновляемыми источниками электроэнергии.

Ключевые слова: возобновляемый источник энергии, ВИЭ, солнечная электростанция, автономный источник электроэнергии.

При строительстве новых энергообъектов, таких как линии электропередачи и подстанции, существует потребность в электроэнергии строительных участков на весь период строительства. В условиях отсутствия электрических сетей, как источника внешнего электроснабжения, типовым решением является использование дизельных электростанций (ДЭС). Эксплуатация ДЭС вызывает ряд проблем, таких как необходимость транспортировки и хранения топлива, повышенный уровень шума, выбросы в атмосферу отработанных газов.

На современном этапе в качестве объектов генерации электроэнергии широкое развитие получили ВИЭ. Возобновляемая энергетика занимает перспективные позиции в индустрии, является экологически чистым источником энергии. Существующие технологии получения электроэнергии за счет энергии солнца отвечают всем требованиям потребителей, при решении задач по электроснабжению в автономном режиме.

Солнечные электростанции (СЭС) [2] — это инженерные сооружения, функция которых выполнять преобразование солнечной радиации в электрическую энергию. Широкое распространение получили СЭС, состоящие из отдельных фотоэлектрических солнечных модулей [1] (ФСМ), собранных по схеме в общую батарею. Для достижения необходимых параметров напряжения и силы тока солнечные панели могут подключаться как последовательно, так и параллельно. Установка панелей может производиться на крышах, фасадах зданий и в виде отдельных сооружений. Постоянный ток, вырабатываемый солнечными панелями, поступает на инвертор, который осуществляет преобразование в переменное напряжение 220/380 В частотой 50 Гц для выдачи в нагрузку.

В качестве исходных данных для выбора ВИЭ необходимо определить суммарную мощность всех нагрузок вахтового жилого городка, план которого приведен на рисунке 1.

Рис. 1. План типового вахтового жилого городка на 50 чел. (в зданиях контейнерного типа): 1 –дизельная электростанция; 2 — контора; 3 — мастерская; 4 –модуль жилой; 5 — столовая на 20 мест; 6 — кухня; 7 — баня на 6 мест; 8 — прачечная; 9 — уборная и мусоросборник; 10 — площадка хранения материалов; 11 — автостоянка; 12 — хозяйственная площадка; 13 — разворотная площадка

Для выполнения расчета потребности в электроэнергии вахтового жилого городка типового исполнения [4] определим перечень электроприборов и устройств, составляющих нагрузку потребителя согласно таблице 1.

Перечень электроприборов вахтового жилого городка

Общая величина требуемой мощности для всех электроприборов вахтового жилого городка составляет 51,74 кВт.

Рассмотрим альтернативный вариант электроснабжения указанного объекта с известной величиной мощности нагрузки потребителя. Для решения задачи будем использовать существующие конструктивно-технические решения и оборудование солнечной электростанции.

Выполним расчет необходимого количества фотоэлектрических модулей на требуемую мощность. Рассмотрим вариант использования монокристаллических модулей, как имеющих наиболее высокий уровень КПД от 17 до 22 %. Один стандартный монокристаллический модуль, приведенный на рисунке 2, с унифицированными габаритными размерами 1640х991 мм различных производителей имеет паспортную мощность P ₁ = 250 Вт и может эксплуатироваться при температуре наружного воздуха от -40 до +80°С.

Рис. 2. Габаритные размеры монокристаллического модуля

Указанная производителем мощность 250 Вт достигается при усредненных условиях, которые регламентируются стандартом IEC-61853 Международной Электротехнической Комиссии: Освещенность=1000 Вт/м, температура солнечной панели=25°С, и спектру солнечного света, падающего на ориентированную на юг, под углом к горизонту 37° поверхность при высоте солнца над уровнем горизонта 41.81°. Эти условия максимально приближены к солнечному полудню весной или осенью с поверхностью солнечного элемента, перпендикулярного солнечным лучам. В соответствии с СП 131.13330.2012 «Строительная климатология», значения солнечной радиации распределены в зависимости от времени года и географической широты приведены в таблице 2.

Таблица 2

Значение суммарной солнечной радиации (прямой и рассеянной) на горизонтальную поверхность при безоблачном небе, кВт*ч/м ²

Для достижения требуемой мощности СЭС P _max =51,74 кВт необходимо установить N единиц фотоэлектрических модулей.

N ₁ =P _max /P ₁ (1)

N ₁ =51740/250=207 шт. При таком количестве площадь необходимая для установки фотоэлектрических модулей S _max составит:

S _max =N ₁ S ₁ (2)

где S ₁ — площадьодного фотоэлектрического модуля; N ₁ — количество таких модулей. S ₁ =1,640*0,991=1,625 м ² ; S _max =207*1,625=336,38 м ² . Рассмотрим вариант размещения фотоэлектрических модулей непосредственно на кровле существующих сооружений. Согласно принятой планировке вахтовый жилой городок состоит из 17 типовых блочно-модульных зданий заводского изготовления, имеющих габаритные размеры 3х9 м. Площадь кровли каждого сооружения S _m составляет 27 м ² . Выполним расчет количества блочно-модульных зданий M которое потребуется для монтажа 207 единиц фотоэлектрических модулей занимающих площадь S _max =336,38 м ² .

M= S _max /S _m (3)

M=336,38/27=12,46 шт. т. е. существующих 17 блочно-модульных зданий будет достаточно для монтажа 207 единиц солнечных фотоэлектрических модулей на кровле без расширения границ земельного участка отведенного под вахтовый жилой городок. Кроме этого имеется техническая возможность увеличения мощности СЭС путем установки дополнительных ФСМ на кровле оставшихся незадействованных 4 модульных зданий.

Заключение

Рассмотренный в данной статье вариант электроснабжения строительного участка удовлетворяет требованиям потребляемой мощности. Выбран технически обоснованный и целесообразный вариант энергоснабжения строительных участков в условиях отсутствия сетей внешнего электроснабжения по схеме СЭС. Совместная работа СЭС и дизельной электростанции в зависимости от условий может обеспечивать дополнительную энергию при высоких нагрузках или разгружать генераторную установку, чтобы минимизировать расход топлива. Кроме того, избыточная энергия может храниться в аккумуляторных батареях, что позволяет гибридной системе использовать больше солнечной энергии в темное время суток.

Современные средства управления различными компонентами системы обеспечивает оптимальный расход топлива и минимизируют выбросы углекислого газа. Реализация предложенных технических решений станет стимулом для развития и внедрения ВИЭ в существующую инженерную инфраструктуру, позволит расширить опыт эксплуатации современных СЭС.

1. ГОСТ Р 51597–2000 Нетрадиционная энергетика. Модули солнечные фотоэлектрические. Типы и основные параметры.
2. ГОСТ Р 51594–2000 Нетрадиционная энергетика. Солнечная энергетика. Термины и определения.
3. ГОСТ Р 56124–2014 Возобновляемая энергетика. Гибридные электростанции на основе ВИЭ предназначенные для сельской электрификации.
4. ВСН 199–84 Проектирование и строительство временных поселков строителей.
5. Попель О. С., Фрид С. Е. Атлас ресурсов солнечной энергии на территории России. Изд-во МФТИ Москва 2010 г.