52
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕРОПРИЯТИЙ ПО
ОПТИМИЗАЦИИ ПОТРЕБЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ
ЭНЕРГИИ В АО НПО «МИКРОГЕН»
3.1. Повышение эффективности энергопотребления в деятельности АО
НПО «Микроген»
На основании выполненного анализа было установлено, что существует
необходимость повышения уровня электровооруженности и энергоотдачи от
использования электрической энергии. Для исключения данного недостатка
рекомендуем АО НПО «Микроген» реализовать проект по внедрению пиковой
электростанции, которая основана на работе солнечных батарей.
Реализация проекта по внедрению альтернативных источников энергии
поддерживается Энергетической стратегией России и позволяет создать
экономию на электрической энергии длительный период. Проекты установки
солнечных установок и батарей эффективно реализуется не только на
территории России, но и в Японии, Индии и Африке и других государствах.
Способствует реализации проекта увеличение уровня солнечной
радиации. Исследования показали, что в удаленных северных районах России
объемы солнечной радиации составляют 810 кВт-час/м
2
в год, в южных
районах наблюдаются ее превышение на 1400 кВт-час/м
2
в год.
На территории Москвы, где размещено АО НПО «Микроген» по
статистическим данным радиация составляет 4,69 кВт-час/м
2
в день, а самый
жаркий месяц июль – 11,41 кВт-час/м
2
в день.
К основным достоинствам реализации проекта установки солнечных
батарей в АО НПО «Микроген» относятся:
- высокая зависимость от поставщика электрической энергии для
обеспечения непрерывности производственных процессов и проведения
научно-исследовательских работ;
- быстрая окупаемость проекта по установке солнечная батарея и
возможность генерации электрической энергии собственного производства.
53
Солнечная электростанция основана на работе фотоэлектрических
элементов, которые можно разместить на крышах производственных зданий,
административного корпуса и тем самым не занимать новые площади.
Солнечные установки не требуют привлечения дополнительного
персонала для обслуживания, отличаются простотой и высокими сроками
службы. Возможность перехода на специальный зеленый тариф в соответствии,
с которым существует АО НПО «Микроген» получит возможность продажи
электрической энергии за счет использования альтернативных источников
энергии
31
.
Кроме этого, солнечные батареи отличаются высокой экологичностью и
не наносят вреда окружающей среде на всех этапах производства
электрической энергии.
Для выбора структуры солнечной установки для внедрения в АО НПО
«Микроген» выполним анализ существующих конструктивных типов. На базе
производственных предприятий распространение получила солнечная
электростанция сетевого типа, схема которой приведена на рисунке 13.
Рисунок 13. Схема сетевой солнечной электростанции
Для внедрения сетевой солнечной установки необходимо выполнить ее
подключение к централизованной электрической сети для исключения
31
Белостропова В. Э. Эффективность альтернативных источников энергии в современном мире// Статья в
сборнике трудов конференции, 2019. – С.89-91.
54
недостатков бесперебойности электроснабжения производства и создания
резервов электрической энергии.
Сетевая структура солнечных станций отличается низкими затратами на
реализацию проекта, высоким уровнем КПД от 90 до 95%, но не является
полностью автономным источником получения энергии для обеспечения нужд
предприятия
32
.
Следующим типом солнечных установок являются автономные
солнечные установки, интегрированные с электрической сетью или банком
аккумуляторных батарей.
Схема гибридной солнечной установки приведена на рисунке 14.
Рисунок 14. Схема гибридной солнечной установки
Отличительной особенностью гибридной солнечной установки является
возможность создавать запасы электрической энергии в летний период
времени, а затем их использовать для обеспечения нужд производства в зимний
период времени.
В состав гибридной солнечной установки входит в банк аккумуляторных
батарей, который сможет снизить зависимость АО НПО «Микроген» от
централизованной системы электроснабжения. Наиболее часто гибридные
32
Провоторов Н. С. Альтернативные источники энергии // Статья в сборнике Актуальные проблемы
современного социокультурного пространства, 2018. – С.220-222.
55
солнечные установки внедряют там, где доступ к централизованному
электроснабжению затруднен или отличается нестабильностью.
Среди недостатков гибридных солнечных установок следует отметить
более высокую цену, чем сетевых установок, поскольку в данном случае
необходимо затраты на покупку банка аккумуляторных батарей. Однако
надежность данных систем более высокая, чем у сетевых солнечных установок.
Автономные солнечные установки не предусматривают подключение к
централизованной электрической сети, их вид приведен на рисунке 15.
Рисунок 15. Автономные солнечные установки
В случае выбора автономной солнечной установки АО НПО
«Микроген» необходимо будет приобрести солнечные панели, аккумуляторные
батареи и контроллер заряда. Для создания резервов и обеспечения
бесперебойности производственных процессов в состав солнечной
электростанции необходимо включить инвертор стандартного напряжения от
сети 220/380 В
33
.
Недостатком автономных солнечных установок являются потери
энергии в случае не высокой нагрузки. При выборе автономной
электроустановки для реализации проекта существует возможность
33
Провоторов Н. С. Альтернативные источники энергии // Статья в сборнике Актуальные проблемы
современного социокультурного пространства, 2018. – С.220-222.
56
обслуживания солнечной панели с помощью небольшого интегрированного
инвертора, применения отдельных преобразователей для каждой секции
фотогальванических элементов
34
.
К основным задачам инвертора солнечной установки относится
возможность преобразования постоянного тока от фотогальванической панели
или солнечной батареи, имеющей различный уровень напряжения и
переменный ток
35
.
Выполним прогнозирование суточного потребления электрической
энергии с 6 часов утра до 13 часов дня административного корпуса на
основании данных приведенных АО НПО «Микроген» с помощью таблицы 13.
Таблица 13
Прогнозирование суточного потребления электрической энергии
административного корпуса АО НПО «Микроген»
Потребители
Часовое потребление электрической энергии, кВт
W1
W2
W3
W4
W5
W6
W7
Периферийная
техника
1,5
Электрические
лампы
0,16
0,16
0,16
Компьютерная
техника
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
Сетевое
оборудование
0,13
0,13
0,13
0,13
0,13
0,13
0,13
Кондиционер
1
Обогреватель
0,3
Всего
0,13
0,13
0,39
0,39
1,53
0,23
1,89
Итого
4,69 кВт/час
Таким образом, суточное потребление электрической энергии с 6 часов
утра до 13 часов дня административного корпуса на основании данных
приведенных АО НПО «Микроген» составляет 4,69 кВт/час.
Далее выполним прогнозирование суточного потребления
электрической энергии с 13 часов утра до 18 часов (таблица 14).
34
Биглов Т. Д. Виды альтернативных источников энергии // Аллея науки, 2018. - №10. – С.366-373.
35
Косолапова Э. В. Альтернативные источники энергии как залог стабильного развития региона, 2018. - №3. –
С.15-20.
57
Таблица 14
Прогнозирование суточного потребления электрической энергии
административного корпуса АО НПО «Микроген»
Потребители
Часовое потребление электрической энергии,
кВт
W1
W2
W3
W4
W5
W6
W7
Периферийная техника
1,5
Электрические лампы
0,16
0,16
0,16
0,16
0,16
Компьютерная техника
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
Сетевое оборудование
0,13
0,13
0,13
0,13
0,13
0,13
0,13
Кондиционер
1
Обогреватель
0,3
0,3
1
Всего
0,13
0,13
1,89
0,39
1,69
0,69
1,39
Итого
6,31 кВт/час
Таким образом, суточное потребление электрической энергии с 13 часов
утра до 18 часов дня административного корпуса на основании данных
приведенных АО НПО «Микроген» составляет 6,31 кВт/час.
Общее суммарное потребление электрической энергии за сутки
определим по формуле:
,
II
W
I
W
сут
W
(10)
./1131,669,4 часкВт
сут
W
Для выбора схемы электроснабжения на основе солнечных батарей для
АО НПО «Микроген» проанализируем средние суммарные значения солнечной
инсоляции в Москве по кварталам 2019 г. (таблица 15).
Таблица 15
Анализ средних суммарных значений солнечной инсоляции в
Москве по кварталам 2019 г.
Показатели
Кварталы
1 квартал
2 квартал
3 квартал
4 квартал
Солнечная инсоляция,
МДж/м
2
138
523
440
121
Солнечная инсоляция,
КВт*ч/м
2
38,3
145,3
122,2
33,6
58
На основании выполненных расчетов выполним проектирование
солнечной установки для АО НПО «Микроген».
Для выбора солнечной батареи рассмотрим существующие типы
солнечных батарей для организации системы энергосбережения. В настоящее
время распространение получили солнечные батареи, основанные на работе
монокристаллического кремния, поликристаллического кремния, а также
аморфного кремния. Солнечные модули, основанные на работе
монокристаллического кремния, имеют КПД от 15 до 20%
36
.
Входящие в их состав монокристаллические элементы отличаются
высокой эффективностью преобразования энергии.
Солнечные модули из поликристаллического кремния имеют меньший
уровень КПД, который находится в пределах от 10 до 14%. Внутри модуля
находится кристалл отделенный зернами, имеющими меньшую эффективность
Солнечная батареи, включающие аморфный кремний имеют КПД от 5
до 6%. Аморфный кремний получается в результате осаждения тонкой пленки
кремния несущим материалом с последующим покрытием. Данные солнечные
модули имеют преимущества и недостатки.
Солнечные батареи, включающие аморфный кремний отличаются
невысокой ценой и простотой в эксплуатации, существует возможность
получения электрической энергии на больших площадях с обеспечением
низкого потребления. Однако эффективность работы данных солнечных
батарей ниже, чем солнечных батарей, основанных на кристаллических
элементах. Кроме этого все элементы подвержены процессам деградации
37
.
На основании выполненного сравнительного анализа отличительных
характеристик различных солнечных батарей выбираем солнечную батарею на
основе монокристаллического кремния, имеющую более высокий уровень
КПД, а именно СП НН-POLY280W.
36
Макаров В. С. Солнечная энергия как альтернативный источник электроэнергии // Вестник современных
исследований, 2018. - №12. – С.194-196.
37
Илюхин Н. А. Альтернативные источники энергии // Евразийское научное объединение, 2018. - №11. – С.48-
49.
59
Внешний вид солнечной батареи СП НН-POLY280W приведен на
рисунке 16.
Рисунок 16. Внешний вид солнечной батареи СП НН-POLY280W
К техническим характеристикам выбранной солнечной батареи СП НН-
POLY280W относятся:
- максимальная номинальная мощность 220 Вт;
- напряжение питания 24 В;
- рабочий ток 7,67 А;
- количество фотоэлементов – 72 с ячейками 156х156 мм;
- уровень защиты IP65.
Суммарное количество энергии, которое будет вырабатываться одним
модулем, определим по формуле
38
:
чкВтkЕ
м
S
м
W ,
(11)
где
м
S
- площадь солнечной батареи;
Е
- солнечная инсоляция в определенный период времени;
k
- коэффициент полезного действия солнечной батареи с поправкой на
потери мощности в солнечных элементах.
38
Опарина Т. А. Развитие альтернативных источников энергии // Статья в сборнике Информатизация и
виртуализация экономической социальной жизни, 2018. – С.31-33.
60
Коэффициент, учитывающий поправку на потери мощности солнечных
элементов в летний период времени для Москвы принимаем 0,5, а в зимний
период времени 0,7.
Для определения необходимого количества солнечных батарей для
обеспечения потребностей производства АО НПО «Микроген» будем
использовать следующую формулу:
.,шт
м
W
мес
W
N
(12)
Результаты выполненных расчетов по выбору солнечных батарей по
месяцам 2020 г. приведен в таблице 16.
Таблица 16
Результаты выполненных расчетов по выбору солнечных батарей
по месяцам 2020 г.
Месяц
чкВтпотреб
W
,
чкВтпотреб
W
,
чкВтпотреб
W
,
чкВтпотреб
W
,
01.01.2020 г. -
01.02.2020 г.
412,3
17,5
5,94
70
01.02.2020 г. -
01.03.2020 г.
377
38,3
13,00
29
01.03.2020 г. -
01.04.2020 г.
368,9
94,2
31,9
12
01.05.2020 г. -
01.06.2020 г.
330
124,2
42,17
8
01.06.2020 г. -
01.07.2020 г.
319,3
145,3
35,24
10
01.07.2020 г. -
01.08.2020 г.
279
160,6
38,95
8
01.08.2020 г. -
01.09.2020 г.
257,3
170,8
41,42
7
01.09.2020 г. -
01.10.2020 г.
249
122,2
29,64
9
01.10.2020 г. -
01.11.2020 г.
387,5
73,3
17,78
22
01.11.2020 г. -
01.12.2020 г.
396,8
33,6
8,15
49
01.12.2020 г. -
01.01.2020 г.
399
17,5
5,94
68
01.01.2021 г. -
01.02.2021 г.
443,3
10,6
3,60
124
61
На основании таблицы 16 можно сделать выводы, что для обеспечения
потребностей производства АО НПО «Микроген» необходимо 12 солнечных
батарей.
Контроллер солнечной установки относятся к важному элементу
солнечной электростанции и без него невозможно работа остального
оборудования в частности аккумуляторных батарей. Поэтому при выборе
контроллера необходимо определить насколько технические параметры
изделия соответствуют выбранным солнечным элементам.
В настоящее время контроллеры для солнечных батарей разделяют на
два типа
39
:
- МРРТ-контроллеры заряда принцип работы которых основан на
мониторинге максимальной мощности солнечного модуля;
- ШИМ-контроллер, который применяется в регионах отличающихся
высокой солнечной активностью.
Поскольку район местонахождения АО НПО «Микроген» не имеет
высокой солнечной активности, то наиболее целесообразно будет
использование МРРТ-контроллера заряда.
При выборе контроллера необходимо учитывать только заряд заряда и
мощность солнечных панелей. Поскольку солнечные панели соединяются
последовательно, то для расчета тока заряда используется следующая
формула
40
:
,
.СПном
U
СП
Р
заряда
I
(13)
где
СП
Р
- мощность солнечной батареи;
39
Попова Я. С. Применение альтернативных источников энергии для получения
электрической энергии // Статья в сборнике Геонауки: Проблемы, Достижения и
перспективы развития, 2018. – С.349-352.
40
Арбузов Р. Н. ШИМ-контроллеры для альтернативных источников энергии // Вестник
научных конференций, 2019. - №1. – с.19-21.