DOI 10.57112/22022-51

УДК 620.91

УНИФИКАЦИЯ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ НЕБОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ ДЛЯ МИКРОГЕНЕРАЦИИ И АВТОНОМНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Егорова Татьяна Игоревна

Юрин Евгений Александрович

       Аннотация:

В статье рассматривается тенденция перераспределения генерации, когда крупные электростанции уступают место более мелкими. Это порождает ряд проблем, связанных с развитием систем микрогенерации. Так, затраты на строительство солнечных и ветровых электростанций постепенно снижаются, но, предпочтения потребителей всё равно направлены в сторону подключения к централизованной сети. Вместе с тем, физические лица и небольшие предприятия с небольшой установленной мощностью являются наиболее мотивированными к построению собственных систем микрогенерации и электроснабжения. Поэтому, целью рассматриваемого в данной статье исследования является разработка небольших солнечных электростанций для автономного электроснабжения и микрогенерации, которые благодаря своей унификации имеют возможность расширения мощности.

Ключевые слова: мощность, кВт, увеличение мощности, автономное электроснабжение, системный блок, минимальная конфигурация, батарея, установленная мощность.

Создание крупных энергосистем и централизованных сетей связано не только с необходимостью передачи электроэнергии на дальние расстояния, но и с развитием технологий. Вместе с тем известно, что изначально энергосистемы разрабатывались для электроснабжения крупных предприятий как локальная генерация, обеспечивающая местный спрос [1]. В последнее время наблюдается обратная тенденция, когда все больше и больше генерирующих мощностей располагаются рядом с потребителям энергии, при этом, крупные электростанции уступают место более мелкими [2].

Федеральный закон «О внесении изменений в Федеральный закон «Об электроэнергетике» в части развития микрогенерации» от 27.12.2019 № 471-ФЗ определил новое понятие – микрогенерация [3]. Объект микрогенерации - это установка для производства электрической энергии, принадлежащая на праве собственности потребителю электроэнергии, и технологически подключенная к источнику питания, т.е., к централизованной сети с уровнем напряжения 0,4 кВ.

Объект используется потребителем для производства электрической энергии как для собственных нужд, так и для ее реализации в порядке, предусмотренном основными положениями функционирования розничных рынков электроэнергии. При этом, мощность объекта микрогенерации не должна превышать 15 кВт.

Таким образом, появляется возможность продавать излишки электроэнергии в сеть и получать доход, согласно установленным тарифам ОРЭМ (оптовый рынок электроэнергии и мощности). А учитывая тот факт, что электроэнергия получаемая на основе использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) не требует таких затрат как на традиционные невозобновляемые энергоресурсы (ископаемые углеводороды), то по сути, она является бесплатной. Тем не менее, сегодня ВИЭ (кроме гидроэнергетики) ещё не могут конкурировать с традиционной генерацией, и этому есть несколько основных причин.

Во-первых, несмотря на то, что капитальные затраты на строительство солнечных и ветровых электростанций постепенно снижаются, и эти источники приближаются к паритету по производительности с обычными источниками энергии, о достижении ценового паритета говорить однозначно ещё рано. Следовательно, предпочтения потребителей всегда будут направлены в сторону подключения к централизованной сети.

Во-вторых, оденем из главных препятствий на пути к использованию солнечной и ветровой энергии, является их непостоянство. Конечно, ситуация меняется на противоположную, ветер и солнце вскоре могут перестать выступать в качестве проблем, которые необходимо решать [4]. Но, произойдёт это скорее всего после того, как будет решена проблема эффективных накопителей электроэнергии.

В условиях трансформации энергетики и декарбонизации экономики, нельзя не учитывать и третий фактор. Так, стабильный спрос на электроэнергию, внушительные запасы углеводородов, высокая стоимость заемного капитала, дороговизна отечественного оборудования, а также сопротивление развитию ВИЭ со стороны влиятельной коалиция энергосбытовых компаний и многие другие факторы ощутимо сдерживают потенциальный темп развития отрасли [5].

Согласно [3] с 2020 года любой гражданин России может стать владельцем собственной электростанции. Теперь не только любое юридическое, но и физическое лицо может приобрести объект микрогенерации и продавать излишки выработанной         электроэнергии энергоснабжающей организации. Кроме того, возможные перебои с электроснабжением, постоянно растущие тарифы на электроэнергию, проблемы с подсоединением к электрическим сетям и многое другое, вынуждают не только энтузиастов, но и обычных потребителей задуматься о своем собственном, альтернативном источнике энергии [6]. В результате, именно физические лица и небольшие предприятия с установленной мощностью от 0,1 до 15 кВт наиболее мотивированы к построению СЭС или других систем, в том числе и гибридных, на основе использования ВИЭ.

В этой связи, целью рассматриваемого в данной статье исследования является разработка небольших солнечных электростанций для автономного электроснабжения и микрогенерации, которые благодаря своей унификации имели возможность расширения мощности внутри одного, определённого диапазона.

Определиться с диапазоном установленной мощности СЭС можно используя существующую классификацию, представленную в таблице 1 [7].

В таблице представлены СЭС пяти диапазонов мощностей: 0,001 кВт –0,01 кВт; 0,01 кВт – 0,1 кВт; 0,1 кВт – 15 кВт; 15 кВт – 1000 кВт: от 1000 кВт и выше. Это слишком широкий, а точнее фактически полный диапазон мощностей всех существующих сегодня СЭС, из которого 0,001 кВт – 0,01 кВт можно исключить, а диапазон 15 кВт – 1000 кВт – скорректировать.

Для построения унифицированных солнечных электростанций предлагается выделить три диапазона мощностей: 0,1 кВт – 1 кВт, 1 кВт – 5 кВт, и 5 кВт – 15 кВт.

Таблица 1 – Классификации солнечных электростанций

*При значении установленной мощности панелей 250 Вт

**При значении установленной мощности панелей 250 Вт. При использовании модулей другой мощности их количество может изменяться.

*** При значении установленной мощности панелей 250 Вт со стандартным для не размером 1,7 м2.

Каждый из диапазонов имеет один стандартный системный блок, который состоит из нескольких основных узлов и модулей расширения. Архитектура типовых системных блоков СЭС представлена на рисунке 1.

Первый системный блок СБ-1 в минимальной конфигурации обеспечивает мощность 200 Вт, выдаёт синусоидальное однофазное напряжение 220 В. К СБ-1 можно подключать массив солнечных панелей мощностью от 200 до 1000 Вт, и аккумуляторные батареи напряжением 12/24/48 В ёмкостью до 100-800 АЧчас. Модуль управления (МУ-1, МУ-2, МУ-3) состоит из контроллера MPPT (Maximum Power Point Tracking) рассчитанного на работу с соответствующим массивом панелей и ёмкостью аккумуляторных батарей, устройства согласования режимов работы с внешней сетью и устройства подключения к сети Интернет. Увеличение мощности CБ-1 от 200 до 1000 Вт производится за счёт стандартных модулей расширения мощностью 200 Вт. Максимальное число устанавливаемых модулей расширения – 5 шт.

Рисунок 1 – Системные блоки СЭС трёх диапазонов мощности

Системный блок СБ-2 в минимальной конфигурации обеспечивает мощность 1000 Вт, выдаёт синусоидальное однофазное или трёхфазное напряжение 220/380 В. К СБ-2 можно подключать массив солнечных панелей мощностью от 1 кВт до 10-20 кВт и более, емкость аккумуляторных батарей напряжением 24/48 В не ограничивается. Увеличение мощности CБ-2 от 1 кВт до 5 кВт производится за счёт стандартных модулей расширения мощностью 1000 Вт. Максимальное число устанавливаемых модулей расширения – 5 шт.

Системный блок СБ-3 в минимальной конфигурации обеспечивает мощность 5 кВт, выдаёт синусоидальное однофазное или трёхфазное напряжение 220/380 В. К СБ-3 можно подключать массив солнечных панелей мощностью от 10 кВт, емкость аккумуляторных батарей напряжением 24/48 В не ограничивается. Увеличение мощности CБ-3 от 5 кВт до 15 кВт производится за счёт стандартных модулей расширения мощностью 5000 Вт. Максимальное число устанавливаемых модулей расширения – 3 шт.

Унифицированные системные блоки СЭС небольшой мощности могут быть применены как для автономного электроснабжения, так и для микрогенерации. При этом, на основе системных блоков можно построить СЭС требуемой (произвольной) мощности. В качестве примера, на рисунке 2 представлены две электростанции мощностью 7 кВт и 16 кВт.

Рисунок 2 – Конфигурация СЭС заданной мощности

Разработанные системные блоки для автономного электроснабжения или для использования в качестве объекта микрогенерации, за счёт модульной конструкции и возможности увеличения мощности в широких пределах, позволяют кратно снизить первоначальную стоимость СЭС. Это очень важный фактор, влияющий на развитие ВИЭ, так как существующая технология построения СЭС небольшой мощности не позволяет использовать установленные контроллеры заряда и инверторы при увеличении мощности за счёт увеличения числа солнечных панелей.

Список используемой литературы

1. Mitra, Indradip & Degner, T. & Braun, Martin. (2008). Distributed generation and microgrids for small island electrification in developing countries: A review. Fraunhofer IWES. 18.

2. Alanne, K. and Saari, A., 2006, Distributed Energy Generation and Sustainable Development, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 10, pp. 539-558.

3. Федеральный закон от 27.12.2019 № 471-ФЗ «О внесении изменений в Федеральный закон «Об электроэнергетике» в части развития микрогенерации».

4. Конюхов, В. Ю. Глобальные тенденции в области возобновляемых источников энергии / В. Ю. Конюхов, А. М. Пестова // Молодежный вестник ИрГТУ. – 2021. – Т. 11. – № 1. – С. 35-39. – EDN ZODBBF.

5. Захаров, В. Е. Рыночные аспекты формирования возобновляемой энергетики в России / В. Е. Захаров // Российский внешнеэкономический вестник. – 2022. – № 5. – С. 78-94. – DOI 10.24412/2072-8042-2022-5-78-94. – EDN UTLPPF.

6. Жук, В. Л. Перспективы развития микрогенерации мира и России / В. Л. Жук, В. И. Сташко // Интеллектуальная энергетика : Сборник научных статей кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» АлтГТУ им. И. И. Ползунова / Сост. С. О. Хомутов, В. И. Сташко. – Барнаул : ООО «МЦ ЭОР», 2021. – С. 237-240. – EDN ASHJDJ.

7. Овчаров, М. О. Классификация солнечных электростанций по установленной мощности солнечных модулей / М. О. Овчаров, В. И. Сташко // Интеллектуальная энергетика : Сборник научных статей кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» АлтГТУ им. И. И. Ползунова / Сост. С. О. Хомутов, В. И. Сташко. – Барнаул : ООО «МЦ ЭОР»,  2021. – С. 245-253. – EDN ULMUMV.

Информация об авторах

Егорова Т. И. – студент группы 8Э(з)-01, Юрин Е. А. – студент группы 8Э-21, ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова», РФ, Алтайский край, г. Барнаул.

-