Исследовательская работа "Исследование эффективности применения систем солнечной генерации в небольшом посёлке в условиях Крайнего Севера"

    Муниципальное казённое образовательное учреждение                                                                      «Нидымская основная школа»                                                                           Эвенкийского муниципального района Красноярского края

Исследовательская работа

«Исследование эффективности применения систем солнечной генерации в небольшом посёлке, в условиях Крайнего севера»                                                            

                                                                             Выполнил:

                                                                     Ученик 9 класса Плишкин В.Р.

                                                                     Руководитель:     Шаткин В.В.

                                                                     Учитель географии и биологии 

                                                                                 1 квалификационной категории

                                           п.Нидым-2017г.

1.Актуальность темы

2. Особенности энергоснабжения районов Крайнего Севера

.3.Цель исследования, объект исследования, предмет исследования

4.Задачи исследования.

5.Проблема  энергообеспеченности  северных территорий.

6. Анализ вариантов построения солнечно- дизельного комплекса.

7.Принцип работы ФЭС и экономическая целесообразность их эксплуатации.

 8.Опыт работы СЭС в условиях длительного  полярного дня.

                                                                                                                    9.Преимущества и недостатки  солнечных батарей.

10. Расчёт выработки энергии фотоэлектрической станцией.

11. Фактически вырабатываемая электроэнергия и экономия топлива на ФЭС    различной мощности.

12. Вывод.

13.Заключение

14. Используемая литература и Интернет ресурсы.           

                                           Актуальность                                                                                                    2017г.  объявлен президентом России В.В.Путиным Годом  Экологии. Вопросы  экологии все сильнее влияют на нашу жизнь. Как известно здоровье человека на 20% зависит от экологии, это больше, чем от уровня развития медицины. Современные наиболее используемые источники электроэнергии это гидро-, тепло- и атомные электростанции. Но они не экологичны. Альтернативная энергетика, построенная на использовании возобновляемых источников энергии, может стать той путеводной звездой, которая выведет  Россию из продолжительного социально-экономического кризиса на путь устойчивого развития.                                                                     За последние 200 лет концентрация ртутных паров в атмосфере повысилась более чем в три раза. Произошло это в результате сжигания городских отходов и некоторых сортов углей, в которых содержится ртуть.Поэтому  государство  заинтересовано в развитии нетрадиционных источников энергетики для уменьшения выбросов вредных веществ в атмосферу.

Одно из перспективных  направлений развития  нетрадиционной энергетики-солнечная  энергетика, а именно  фотоэлектрические станции.

Особенности энергоснабжения районов Крайнего Севера

• В настоящее время на территории Российской федерации существует огромное количество районов, не имеющих доступа к централизованному электроснабжению. Это прежде всего северные территории Сибири и Дальнего Востока. Электроснабжение децентрализованных населенных пунктов, как правило, осуществляется с помощью дизельных электростанций (ДЭС). Для обеспечения постоянной и стабильной работы ДЭС необходимо обеспечение станции дизельным топливом (ДТ). Доставка топлива в удаленные районы со слабо развитой инфраструктурой ограничена сроками работы водных путей и зимних автодорог, что существенно отражается на стоимости топливных ресурсов, цена которых стабильно повышается.

Цель исследования:

Изучить альтернативный путь решения  проблем энергоснабжения п.Нидым  Эвенкийского муниципального района Красноярского края.                                                                                             Объект исследования :

 Электростанции на солнечных батареях, фотоэлектростанции.                                                                    

 Предмет исследования :

Эффективность работы СЭС с точки зрения энергосбережения  в условиях Крайнего Севера                                                                                                                                Задачи исследования:

1.Рассмотреть  принцип работы  фотоэлектрической станции.           2.Провести выбор рациональной установленной мощности ФЭСфотоэлектрической станции относительно мощности ФЭС.                                                              3.Выполнить анализ годовой выработки электрической энергии фотоэлектрической  станцией.                                                                                                                    4.Посчитать  объемы экономии дизельного  топлива.

 5.Рассчитать сроки окупаемости  строительства ФЭС в п.Нидым Эвенкийского муниципального района Красноярского края.                                                  6.Выяснить эффективность  строительства  в п.Нидым  фотоэлектрической станции (ФЭС), работающей параллельно с дизельной электростанцией (ДЭС),                                                                                                                      7.Подготовить доклад и презентацию по указанной теме.

Проблема энергообеспечения Северных  территорий

     Проблема  энергообеспечения удалённых от Единой Энергетической системы России поселков северных территорий, заключается в том, что электроснабжение осуществляется от дизельных генераторов. Это негативно сказывается на величине тарифа за электроэнергию, экологии поселков и ставит в зависимость население поселков от привозного дорогостоящего дизельного топлива. Ситуация осложняется большим износом  генерирующих мощностей.

Наиболее острыми проблемами электроснабжения удаленных населенных пунктов являются:

• Высокая стоимость привозного дизельного топлива для ДЭС и, соответственно, производимой электроэнергии.
• Технологическая изолированность и отсутствие связи с объединенной энергосистемой.
• Эксплуатация оборудования в сложных природно-климатических условиях, что приводит к ускоренному износу электрических сетей и электрооборудования.
• Отсутствие автоматизированных современных маневренных мощностей, способных обеспечить эффективное регулирование мощности в условиях высокой неравномерности суточного графика потребления электроэнергии.
• Ограничения на присоединение новых потребителей.

Решением проблем энергоснабжения в Северных регионах, обладающих достаточным потенциалом солнечной энергии, является построение солнечно-дизельных комплексов с использованием фотоэлектрических панелей (ФП), и современных автоматизированных дизельных электростанций. Построение подобных комплексов позволит решить ряд задач :

• снижение зависимости энергоснабжения удаленных населенных пунктов от привозного дорогостоящего топлива;
• частичное замещение выбывающих реконструируемых мощностей;
• в перспективе, снижение тарифа на электрическую энергию;
• снижение выбросов СO2 и других вредных веществ.

Анализ вариантов построения солнечно- дизельного комплекса

• Солнечно-дизельные комплексы становится привлекательными ввиду того, что цена на ДТ неуклонно растет, в то время как цена на фотоэлектрические панели падает.
• В работе проведен анализ вариантов построения солнечно-дизельного комплекса  в п.Нидым  расположенного в  Эвенкии. Нидым – посёлок, который находится в 21 км вниз по течению реки Нижняя Тунгуска, население около 200 человек.
• Географические координаты расположения объекта: широта 64°08”; долгота 101°55”;  высота над уровнем моря 373 м; абсолютный минимум температуры -63°С; среднемесячная температура самого холодного месяца (январь) - 32°С.
• Промышленные предприятия со значительным энергопотреблением на территории поселка отсутствуют. Единственным предприятием электроэнергетики пос. Нидым является  Нидымская дизельная электростанция, обеспечивающая социально бытовые потребности населения поселка. Энергосистема поселка изолированная.                                                       Парк дизельных генераторов устарел, как морально, так и физически. Синхронная работа подобной ДЭС с фото электростанцией (ФЭС) невозможна без замены системы автоматики дизелей, что в свою очередь потребует реконструкцию и модернизацию самих дизель- генераторов.

 За год  ДЭС пос. Нидым  на нужды электроснабжения потребляет около 75000 тонн дизельного топлива, при этом вырабатывает 23200 тыс. кВт*ч электрической энергии.                                                          Годовой график электрической нагрузки ДЭС приведен на рис. 1. По графику видно, что в наиболее солнечный летний сезон потребность в электроэнергии в три раза меньше по сравнению с зимним периодом. При постоянном росте цен на дизельное топливо (см. таблицу №2), производство электрической энергии постоянно увеличивается в цене. Тариф на электроэнергию в пос. Нидым  более чем на 60% определяется топливной составляющей. Поэтому основной целью строительства  фотоэлектростанции  в перспективе является снижение тарифа за счет экономии привозного дорогостоящего ДТ.

Принцип работы ФЭС и экономическая целесообразность от её эксплуатации.

Преобразование энергии в фотоэлектрическом преобразователе основано на фотоэффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения.

Фотоэффект — это испускание электронов веществом под действием света (и, вообще говоря, любого электромагнитного излучения).

Сердцем фотоэлемента является кремниевый кристалл. Панель преобразователя состоит из двух тонких пластин из  чистого кремния, сложенных вместе. На одну пластину наносят бор, а на вторую фосфор. В слоях, покрытых фосфором, возникают свободные электроны, а в покрытых бором – отсутствующие электроны. Под влиянием солнечного света электроны начинают движение частиц, и между ними возникает электрический ток. Чтобы снять ток с пластин их пропаивают тонкими полосками специально обработанной меди. Одной кремниевой пластины хватит для зарядки маленького фонарика. Соответственно, чем больше площадь панели, тем больше энергии она вырабатывает.

Спаянные между собой пластины, пропускающие ультрафиолетовые  лучи, ламинируют пленкой и крепят на стекло. Скрепленные слои заключают в алюминиевую раму.

      Опыт работы СЭС в условиях длительного полярного дня.

Опыт работы солнечных электростанций показал, что в условиях длительного полярного дня большую пользу приносит не только пассивное использование солнечной энергии (зеркальные веранды, усиленная теплоизоляция), но и пассивные системы теплоснабжения (солнечные коллекторы с водой или с другим аккумулятором тепла). Не потеряли своего значения и активные системы фотоэлементов, функционирующих также и при облачной погоде.  

Преимущества  солнечных батарей

– они полностью безвредны как для человека, так и для окружающей среды. Они не загрязняют атмосферу;

– для них не нужно топливо – они используют естественные природные ресурсы. Таким образом, достаточно только один раз купить и установить солнечную батарею, и больше не потребуется никаких затрат;

– солнечные батареи удобны в транспортировке;

– способствует бесперебойному электроснабжению потребителя;

–  такие батареи долговечны, у них большой срок службы – не менее 25 лет. При этом солнечные батареи не требуют особенного обслуживания. Достаточно периодически протирать их поверхность от загрязнений.

Недостатки солнечных батарей

– высокая стоимость батарей. Из-за высокой цены они не могут быть доступны для всех желающих;

– недостаточный КПД. 1 кв. метр площади солнечной батареи производит около 120 Вт полезной мощности. А этого не хватит даже для того, чтобы включить компьютер. То есть, одной солнечной батареей ты не ограничишься, придется докупать еще блоки. А это дополнительные расходы;

– зимой, в пасмурную погоду и ночью такой способ получения энергии малоэффективен, ведь для солнечных батарей необходимо солнце! Придется или сидеть без света, или пользоваться дополнительными источниками энергии;

– для приборов, которые потребляют большую мощность, солнечные батареи не подходят.

Необходимо найти рациональное решение:

• Ввиду большой установленной мощности ДЭС (11МВт), мощность фотоэлектрической станции также будет значительна (от 1,5МВт). Наиболее рациональным решением схемного построения гибридного энергетического комплекса по экономическим и техническим показателям является включение солнечной фотоэлектрической станции на параллельную работу, с локальной электрической сетью созданной ДЭС (рис. 2).

Расчёт выработки энергии фотоэлектрической станцией

Для проведения расчетов выработки энергии фотоэлектрической станцией использованы данные солнечного излучения (инсоляции) и температуры, приведенные в таблице №3. Оптимальный  фиксированный угол наклона панелей равен 52° и был определен с помощью программного продукта (ссылка указана ниже в списке литературы).

Фактически вырабатываемая электроэнергия и экономия топлива на ФЭС различной мощности приведена в Таблице № 4

Под фактической вырабатываемой энергией в табличных данных понимается энергия ФЭС, дополняющая минимально допустимый 40% энергетический уровень генерации ДЭС до необходимого месячного электропотребления поселка. Такое условие следует из необходимости обеспечения устойчивой работы сетевых инверторов. Очевидно, в зимний сезон при слабой инсоляции система электроснабжения способна потребить всю энергию ФЭС. В летний период часть солнечной энергии будет невостребованной по вышеуказанной причине.                                                                                                                        Из данных таблицы № 5 мы видим, что срок окупаемости  станций практически одинаков и равен приблизительно 16 годам при сроке службы основного оборудования не менее 25 лет. По истечению срока окупаемости начинается экономия денежных средств на электроснабжение пос. Нидым, суммы экономии так же приведены в Таблице № 5,   в графе «Накопительный итог».

 На основе представленных данных построен годовой график покрытия нагрузки и экономии ДТ для станции мощностью 2,5МВт  (Рис. 3). Графики покрытия нагрузки и экономии ДТ станциями мощностью 1,5 и 2МВт будут выглядеть идентично, с меньшим вкладом  ФЭС.

Вывод                                                                                                                Таким образом, актуальным частичным решением вопроса энергоснабжения удалённых от Единой Энергетической Системы России областей с высоким уровнем инсоляции, является строительство солнечно-дизельных электростанций. На сегодня имеется необходимый набор зарубежного оборудования, который позволяет осуществлять качественное построение и управление солнечно-дизельными электростанциями.

• При строительстве подобных систем ощущается реальная экономия дорогостоящего привозного дизельного топлива и, как следствие, минимизация затрат на его ежегодную доставку. По истечению срока окупаемости есть возможность снижения тарифа на электроэнергию, что сократит ежегодные дотационные затраты государства на электроснабжение отдалённых посёлков, поэтому Правительство Красноярского края  поддерживает подобные проекты, выделяя  необходимые  денежные средства под конкретный бизнес-план.                                                                   Рациональная мощность ФЭС для пос. Нидым равна 2-2,5МВт. Дальнейшее увеличение мощности дает большую ежегодную экономию по топливу, но при этом недоиспользуется, ввиду большого количества «лишней» энергии (весна, лето), когда нет необходимого количества потребителей.
• Из представленных выше данных можно сделать вывод, что рациональный угол наклона панелей 52° выбран из условия увеличения выработки электрической энергии в весенне/осенний период. При этом недоиспользование ФЭС летом минимально. Низкий уровень зимней инсоляции делает нецелесообразным мероприятие по увеличению эффективности ФЭС в этот период.
• Рекомендуемой схемой подключения ФЭС для поселков Крайнего Севера при мощности более 100кВт является параллельная работа с локальной дизельной системой электроснабжения.

Заключение

   В Эвенкийском районе Красноярского края, в п.Нидым, необходимо строительство СЭС , которая даст толчок для развития различных производств (например создание круглогодично действующего тепличного комплекса), а так же сэкономит большие бюджетные денежные средства, которые можно направить на благоустройство посёлка, строительство спортивного зала, благоустроенных домов, канализации, водопровода и решить  проблемы посёлка не только социальные, но и экологические. 

Список литературы

1. Саврасов Ф.В., Лукутин Б.В. Расчет эффективности использования автономных систем электроснабжения с фотоэлектростанциями на примере Томской области // Известия ТПУ. - 2013.-Т. 322, №6.-С. 17-21
2. Сурков М.А., Лукутин Б.В., Сарсикеев Е.Ж., Киушкин В.Р. Мировые тенденции в области построения автономных систем электроснабжения с использованием возобновляемых источников энергии [Электронный ресурс] // Науковедение - 2012. - №4. - Реосим доступа: Ьпр://паикоуес1егие.ги/РЭР/421:уп412,рс1Г.
3. Официальный сайт метеорологической программы ше1еопогт. ТЖЬ: Ьпр://те!еопогт,сот/с1о\уп 1 оас1/80Й\уаге/тп70/ (дата обращения: 28.04.14).
4. Официальный сайт программы для расчета фотоэлектрических станций. ТЖЬ: Ьпр://\у\у\у,ру§у§1.сот/еп/с1о\уп1 оас! (дата обращения: 28.04.14).
5. Официальный сайт немецкой компании 8МА. Производитель оборудования для ФЭС. ТЖЬ: Ьцр://\у\у\у,81Т1а.с1е/еп/ргос1ис18/81Т1а-Гие1-8ауе-соп1:го11ег,Ьцг|1.