Наиболее перспективны на территории России комбинированные электростанции «солнце + ветер».
В состав комбинированной электростанции входит
солнечная батарея (СБ), аккумуляторная батарея (стабилизационный блок),
ветрогенератор, а также электронный блок, который содержит контроллер, следящий за работой батареи, зарядный блок и инвертор преобразования постоянного напряжения в переменное 220 В частотой 50 Гц (рис. 1). Если светит солнце или дует ветер, то происходит электропитание нагрузки и зарядка аккумуляторов, если ветер и солнце отсутствуют (ночью, во время штиля), то нагрузка питается от аккумулятора.
Первая ВСЭС мощностью 25 кВт в селе Алатаево (проект разработан специалистами Научно-исследовательского института полупроводниковых приборов и Томского политехнического университета) будет сдана в эксплуатацию уже в 2012 году. Поддерживать станцию в рабочем состоянии смогут один-два человека (не более чем на дизельной станции). Сегодня снабжение электроэнергией поселка, где проживает менее 70 человек, происходит по аварийной ветке ЛЭП из пос. Нарым. Постройка новой ветки обошлась бы в 28 млн руб.
Мощности ВСЭС хватит на все нужды поселка. По расчетам специалистов, срок окупаемости данной электростанции составляет 3–4 года. ВСЭС – это системы модульного типа, не требуют сложного монтажа, при необходимости мощность ВСЭС всегда можно увеличить.
Рисунок 1.
Блок-схема комбинированной электростанции
Ожидаемый эффект
Строительство объекта обойдется в 5–6 млн руб. и снизит стоимость электроэнергии с 14 руб./кВт·ч до 5 руб./кВт·ч, что позволит уменьшить компенсационные расходы на электроснабжение от ДЭС на 0,6 млн руб. в 2012 году.
Предполагается, что как только начнется эксплуатация первой ветросолнечной электростанции и будут получены результаты, подтверждающие ее энергоэффективность, в этот бизнес придет инвестор, готовый вкладывать средства в строительство новых аналогичных систем.
Устройство ВСЭС позволит решить и социальные проблемы, связанные с оттоком населения из удаленных районов по причине низкого комфорта проживания. Особенно это актуально для Сибири. Например, в том же село Алатаево еще четверть века назад работал рыбозавод и действовало животноводческое хозяйство: 500 голов крупного рогатого скота, табун в 1 000 лошадей. Однако из-за нехватки электроэнергии люди покидают регион некому работать на этих предприятиях.
Возобновляемые ресурсы Сибири
Принято считать, что в Сибири с ее резко-континентальным климатом недостаточно солнечных дней и силы ветра для их использования в энергетике. Однако ученые Томского политехнического университета провели мониторинг территории, разработали кадастр возобновляемых ресурсов Томской области и доказали обратное.
Традиционно считающийся наиболее «солнечным» Северный Кавказ и большая территория Центральной и Восточной Сибири характеризуются одинаковыми суммами приходящей солнечной радиации – от 4 до 4,5 кВт·ч/м2 в день. Интересно, что большая часть территории страны от южных до северных границ, независимо от широты, располагает одинаковыми солнечными ресурсами – 3,5 до 4 кВт·ч/м2 в день.
Лишь западные и восточные окраины России характеризуются относительно низкими среднегодовыми поступлениями солнечной радиации – от 3 до 3,5 кВт·ч/м2 в день.
Для сравнения отметим, что в самом «солнечном» районе Европы – на юге Испании – значение среднегодового дневного поступления солнечной радиации составляет 4,7 кВт·ч/м2 в день, а на юге Германии, где в настоящее время активно внедряются солнечные установки, – 3,3 кВт·ч/м2 в день. Следовательно, наиболее солнечные регионы России по суммам поступающей солнечной радиации практически не уступают считающимся благоприятными для эффективного использования солнечной энергии европейским странам.
Томская область находится в зоне ветров со среднегодовыми скоростями 3–5 м/с. Однако в районах, прилегающих к рекам (Обь и ее притоки) и озерам, среднегодовые скорости ветра будут выше. Эти данные подтверждают возможность эффективного использования на территории Томской области ветросиловых установок для выработки электроэнергии.
Плюсы снежных зим
При круглогодичном анализе работы станции мощностью 5 кВт получены интересные данные. Особенно важным результатом следует считать оценку вклада снежного покрова в освещенность рабочей поверхности солнечной батареи. В ясные дни освещенность за счет рассеяния снегом возрастает до двух раз по сравнению с освещением СБ только прямыми лучами. В пасмурные дни основной вклад в освещенность СБ вносит рассеянное излучение. В этом аспекте следует рассматривать преимущества использования солнечных батарей зимой в Сибири по сравнению с Центральной Европой, где зимы часто бывают вообще бесснежными. Это означает, что в течение почти полугода съем электроэнергии с единицы поверхности СБ в Сибири в два раза выше, чем в Европе.
Отметим, что в зимнее время на территории Сибири солнце находится под низким углом к горизонту (8–12°). Чтобы лучи солнца падали перпендикулярно на солнечные модули, необходимо менять угол наклона модулей, например, для Томской области в летнее время угол наклона солнечных модулей (батареи) составляет 56°, а зимой – 80°.
Перспективы солнечной энергетики
Спрос на солнечную энергетику стимулируется правительственными программами в странах, которые стремятся уменьшить свою зависимость от нефти и сократить негативное влияние на окружающую среду. Эти программы также являются одним из важнейших инструментов стимуляции развития инновационных технологий. Например, согласно закону, все новые дома в Испании с марта 2007 года должны быть оборудованы солнечными водонагревателями, чтобы самостоятельно обеспечивать 30–70 % потребностей в горячей воде. Все нежилые здания (торговые центры, госпитали и т. д.) должны иметь фотоэлектрическое оборудование. Это способствует активному развитию технологий и конкуренции. В 2007 году в Испании запущена в эксплуатацию солнечная электростанция, установленной мощностью 13 МВт. Планируется наращивать мощности солнечных электростанций до 30 МВт.
Китайское правительство также продолжает активно финансировать проекты развития альтернативной энергетики. В 2010 году эта страна заняла второе место в мире после США по объему произведенной энергии с использованием силы ветра, обогнав Германию. Строительство самой большой в Европе солнечной электростанции завершил Ватикан. Это грандиозное и красивое сооружение позволит стране практически полностью отказаться от использования других источников энергии.
В России лишь 1 % энергии добывается из альтернативных источников (в Томской области это лишь сотые доли процента). Разработчики ВСЭС для электрификации труднодоступных поселков уверены, что если бы сегодня солнечные батареи стоили в 4 раза дешевле, то процесс строительства ветросолнечных электростанций нельзя было бы остановить. Ученые многих стран, в том числе и в России, получили лабораторные образцы фотоэлектрических преобразователей с КПД до 40 %, однако стоимость их в сотни раз превышает стоимость преобразователей из «солнечного» кремния. Не установлена способность лабораторных образцов работать длительное время. Что касается тонкопленочных технологий, то их промышленные варианты имеют КПД 5–7 % и срок службы их не превышает 7 лет.
К сожалению, в федеральном бюджете средств на развитие альтернативной энергетики ни на 2011, ни на прогнозные 2012 и 2013 годы не предусмотрено. Томская область – один из немногих регионов, которые запланировали в своих программах выделение финансирования на малую энергетику: 3 млн руб. только на 2011 год. Эксперты утверждают, что риски минимальны, поскольку процесс удешевления солнечных батарей и улучшения качества ветряных станций будет продолжаться.
После села Алатаево планируется электрифицировать и другие объекты. Решение о подготовке проектно-сметной документации уже принято. Результатов реализации пилотного проекта ждут и другие регионы России. Если полученный энергетический эффект будет совпадать с заявленным (расчетным), опыт можно смело тиражировать по всей России.
Окончательный вывод об эффективности проекта будет сделан после того, как будут просчитаны самоокупаемость, жизнедеятельность, надежность снабжения энергией. Сегодня разрабатывается ПСД и ТЭО. На основании этих документов будет принято решение об эффективности технологии. Тогда можно будет приступать ко второму этапу – строительству самой станции, которое обойдется, как было указано выше, в 5–6 млн руб. Предполагается финансирование из областного, федерального и местного бюджетов, а также привлечение частных инвестиций.