Экология и научно-технический прогресс. Урбанистика

УДК 621.39

А.А. Сурков, А.А. Хохрякова

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРИМЕНЕНИЯ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ В ЭНЕРГОСНАБЖЕНИИ ЗДАНИЙ

Представлен экономический анализ эффективного использования солнечных электростанций в системе электроснабжения зданий. Рассмотрены критерии эффективного использования солнечных панелей: влияние климатических факторов, изменения угла наклона солнечных лучей и т.д. Приведен технико-экономический анализ применения солнечной электростанции для среднестатистической семьи.

Ключевые слова: солнечные батареи, солнечная электростанция, солнечная энергия, энергоснабжение зданий.

A.A. Surkov, A.A. Hohriakova

THE TECHNICAL AND ECONOMIC ANALYSIS

OF APPLICATION OF SOLAR POWER STATIONS

IN POWER SUPPLY OF BUILDINGS

This paper deals with the economic analysis of the effective use of solar power in the building's electrical system.

The article describes the criteria for effective use of solar panels: the influence of climatic factors, changes in the angle of the sun's rays, etc.

Carried out technical and economic analysis of solar power for the average

family.

Keywords: solar batteries, solar power station, solar energy, power supply of buildings, energy saving

Известно, что основным фактором развития цивилизации является использование источников энергии. В основном используются традиционныеэнергоресурсы, такиекакнефть, уголь, природныйгаз.

В нашей стране потребляется примерно 20 % всего мирового производства первичных энергоресурсов, однако себестоимость органи-

201

ческого топлива растет быстрыми темпами, обостряются экологические проблемы, связанные с загрязнением окружающей среды. В связи с этим становится все более необходимым использование альтернативных источников энергии, в первую очередь солнечной. Имеются довольно широкие возможности применения солнечных установок для индивидуальных потребителей особенно в сельской местности. Расширение масштабов применения солнечных установок не только даст значительную экономию энергоресурсов, но и позволит смягчить неблагоприятную экологическую ситуацию, связанную с воздействием предприятий топ- ливно-энергетического комплекса.

Количество солнечной энергии, поступающей на Землю, превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и других энергетических ресурсов. Использование всего лишь 0,0125 % могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а использование 0,5 % – полностью покрыть потребности в будущем. Преимущества технологий, использующих энергию солнца, в том, что при работе солнечных установок практически не добавляется тепло

вприземные слои атмосферы, не создается парниковый эффект и не происходит загрязнения воздуха. Но у солнечной энергии есть недостаток – ее зависимость от состояния атмосферы, времени суток и года.

Используют солнечную энергию в основном двумя методами –

ввиде тепловой энергии путем применения различных термосистем или посредством фотохимических реакций.

Наибольшее распространение в мире получили технологии использованиясолнечнойэнергиидлягорячеговодоснабженияиотопления.

Но более эффективный путь использования солнечной энергии – непосредственное преобразование ее в электрическую в фотоэлементах. Фотоэлементы представляют собой светочувствительные пластины из полупроводникового материала: селена, кремния, арсенида галлия, диселенида кремния и т.д. Фотоэлектричество производится, когда частицы света (фотоны), поглощенные полупроводником, создают электрический ток. Солнечные батареи могут быть различной мощности – от портативных установок в несколько ватт до многоваттных электростанций, покрывающихмиллионыквадратныхметровплощади.

Для того чтобы не зависеть от суточного и сезонного солнечного цикла и состояния атмосферы, существуют технические методы накопления энергии: электрохимическое накопление аккумуляторами, меха-

202

ническое накопление (с помощью вращающихся маховиков) и в форме водорода. Также возможно сочетание фотоэлементов с другими источниками энергии. Например, наиболее вероятно сочетание с ветровыми установками, а также с системами на ископаемом топливе.

Фотоэлектрические системы (солнечные батареи) требуют минимального обслуживания, в них не используется вода, и поэтому они хорошо приспособлены для отдаленных и пустынных районов. Этот способ преобразования солнечной энергии является долговечным и экологически чистым, а также сам может быть использован для улучшения экологической обстановки в месте использования, а в перспективе – и для регулированияэкологическихусловийнабольшихтерриториях.

Основные потребности в солнечных батареях включают: освещение, работу бытовой электротехники (радио, телевизор, холодильник), насосов для подъема воды в удаленных сельских районах; энергообеспечение экологически чистых зон массового отдыха и лечения; обеспечение радио- и телекоммуникационных систем, маяков, буев. Установки использования солнечной энергии не только могут быть экологически чистыми, но и иметь положительное влияние на другие сферы жизни. Например, использование солнечных батарей в жарких пустынных районах в качестве "солнечного зонтика" обеспечивает благоприятные условия для выращивания под ним бахчевых и цитрусовых культур, для которых целесообразно использовать не слишком интенсивное солнечное излучение. Другим примером является использование солнечных батарей или солнечных коллекторов как строительных элементов в качестве облицовочных панелей фасадов зданий ("солнечных домов").

Фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии является одним из наиболее быстро развивающихся в мире направлением использования возобновляемых источников энергии. В настоящее время общая мощность установленных солнечных фотоэлектрических систем составляет свыше 938 МВт. Годовые темпы роста за последние 5 лет составляют 30%. Лидируют страны: Япония – 80 МВт, США – 60 МВт, Германия – 50 МВт.

Масштабы использования фотоэлектрических солнечных батарей ограничиваются более высокой стоимостью вырабатываемой электроэнергии по сравнению с энергией, получаемой за счет использования традиционных источников энергии. Удельная стоимость мощно-

203

сти плоских модулей солнечных батарей на мировом рынке составляет 4–5 долл/Вт, а стоимость фотоэлектрических установок 7–10 долл/Вт. Стоимость электроэнергии, вырабатываемой модулями, колеблется в пределах 20–30 цент/(кВт·ч), что значительно превышает стоимость электроэнергии от традиционных источников.

Конструкция простейшего элемента (рис. 1), используемого в солнечных батареях, представляет собой два тонких листа, сделанных из кремния или иного полупроводникового материала с добавлением специальных примесей. В одной пластине при этом образуется избыток электронов, а в другой избыток «дыр». В результате образуется направленное движениеэлектронов, чтоиявляетсяэлектрическимтоком.

Электрическая энергия в таких батареях вырабатывается только днем. Для бесперебойного электроснабжения необходимо использовать аккумуляторы, позволяющие создавать запас энергии, расходоваться который будет с наступлением темноты.

Рис. 1. Структура солнечного элемента: 1 – источник света; 2 – наружный слой;

4 – токовыводящий слой; 5 – внутренний слой; 3 и 6 – контакты

Солнечные панели наиболее эффективно работают, когда они направлены на Солнце и их поверхность перпендикулярна солнечным лучам. Солнечные панели чаще всего располагаются на крыше или поддерживающей конструкции в фиксированном положении и не могут следить за положением Солнца в течение дня. Поэтому обычно солнечные панели не находятся под оптимальным углом (90 градусов) в течение всего дня.

На практике принимается для весны и осени оптимальный угол наклона, равный значению широты местности. Для зимы к этому значению прибавляется 10–15 градусов, а летом от этого значения отнимается

204

10–15 градусов. Поэтому рекомендуется менять дважды в год угол наклона с «летнего» на «зимний» (рис. 2). Если такой возможности нет, то угол наклонавыбираетсяпримерноравнымширотеместности[3].

Рис. 2. Оптимальный угол наклона зимой и летом: 1 – Солнце зимой; 2 – Солнце летом

Увеличение температуры существенно влияет на модуль, уменьшая его напряжение, а следовательно, и выходную мощность. Кроме того, увеличение температуры приводит к некоторым нежелательным последствиям. Так, оно увеличивает напряжение, связанное с термическим расширением, скорость деградации – примерно в два раза на каждые 10 °С [2].

Практика показала, что срок службы солнечных батарей превышает 20 лет. Фотоэлектрические станции, работающие в Европе и США около 25 лет, показали снижение мощности модулей примерно на 10 %. Таким образом, можно говорить о реальном сроке службы солнечных монокристаллических модулей 30 и более лет. Поликристаллические модули обычно работают 20 и более лет. Модули из аморфного кремния (тонкопленочные, или гибкие) имеют срок службы от 7 (первое поколение тонкопленочных технологий) до 20 (второе поколение тонкопленочных технологий) лет. Более того, тонкопленочные модули обычно теряют от 10 до 40 % мощности в первые 2 года эксплуатации. Поэтому около 90 % рынка фотоэлектрических модулей в настоящее время составляют кристаллические кремниевые модули.

Другие компоненты системы имеют различные сроки службы: аккумуляторные батареи имеют срок службы от 2 до 15 лет, а силовая электроника – от 5 до 20 лет [3].

Нами была проведена технико-экономическая оценка применения солнечной электростанции мощностью 5 кВт в климатических условиях Пермского края по сравнению с традиционными источниками энергии.

205

Был составлен перечень приборов потребления энергии среднестатистической семьей из 4 человек (табл. 1).

В среднем в месяц при достаточно экономном расходовании тратится около 200 КВт электроэнергии. В расчете на день – 6600 Вт. Максимальная потребляемая мощность составляет 6 кВт/ч.

Капитальные затраты на установку солнечной электростанции составят 655 тыс. руб. (табл. 2)

Если использовать солнечную электроэнергии как основную, то при потреблении днем мощности в 4000 Вт, емкости аккумуляторов – 200 А/ч, с напряжением в системе в 24 В, пиковой мощности инвертора 6,0 кВт для обеспечения электроэнергией средней российской семьи понадобится 18 солнечных модулей с 10 аккумуляторами.

206

Таблица 2 Капитальные затраты на установку солнечной электростанции

В климатическом поясе Пермского края годовое количество часов пикового солнечного сияния составляет 1000–1200 часов. Таким образом, 1 Вт солнечной установки за год вырабатывает 1 кВт/ч электроэнергии. За срок службы – 30 кВт/ч.

Таким образом, получаем стоимость 1 кВт/ч электроэнергии от солнечной установки с аккумуляторами: 230/30 = 7,67 руб.

Если сравнить с энергией от сети по 4 рубля за кВт/ч, солнечная электростанция окупится через 28 лет при текущих ценах на электроэнергию. Если учитывать повышение цены, инфляцию и т.п., то срок окупаемости при разных исходных данных будет от 10 до 15 лет. Это дает в среднем около 20 лет выработки бесплатной электроэнергии от солнечных батарей при сроке службы в 30–40 лет.

На сегодняшний день развитие солнечной энергетики в России сдерживается рядом факторов: высокие капитальные затраты на оборудование; суровые климатические условия; низкая осведомленность населения о современных технологиях; недостаточная поддержка государства по внедрению альтернативных источников энергии.

Cписок литературы

1.Шарипова А.И. Основы современной энергетики. –1-е изд.– М.: Изд-во Моск. энергет. ин-та (МЭИ), 2006. – 467 с.

2.Кузмичева Е. Развитие альтернативной энергетики // Энер-

гополис. – 2008. – № 11–12.

3.Энергосберегающие технологии и источники альтернативной энергии для частного дома [Электронный ресурс]. – URL: http://www.solarbat.info/solnechnie-batarei-i-moduli (дата обращения: 13.05.2014).

207

4.Сибикин Ю.Д. Технология энергоснабжения: учеб. пособие для вузов. – М.: Изд-во Моск. энергет. ин-та (МЭИ), 2005. – 352 с.

5.Российская газета RG.RU. Экономика. Солнечный ресурс. [Электронный ресурс]. – URL: http://www.rg.ru/2010/01/14/regpermkray/energia.html (дата обращения:27.05.2014).

6.Геоглобус. Потребление электроэнергии средним жителем

[Электронный ресурс]. – URL: http://www.geoglobus.ru/info/review 27/515-climate-change.php (дата обращения: 05. 06.4014).

7.Проект закона о нетрадиционных и возобновляемых источниках энергии внесен на рассмотрение в правительство [Электронный ресурс]. – URL: http://news.tut.by/economics/147776.html (дата обращения 01.06.2014).

Сведения об авторах

Сурков Александр Анатольевич – кандидат технических наук,

доцент кафедры «Охрана окружающей среды», Пермский национальный исследовательский политехнический университет, e-mail: surkov- a@mail.ru.

Хохрякова Анастасия Анатольевна – магистрантка кафедры

«Охрана окружающей среды», Пермский национальный исследовательский политехнический университет.

208

УДК 504.064.47

Ю.А. Татаркина, Ю.М. Загорская

ОСОБЕННОСТИ ПРОБООТБОРА ОТХОДОВ МАССИВА ПОЛИГОНА ТБО

Рассмотрен этап пробоотбора как один из необходимых этапов проведения лабораторных исследований состояния отходов в массиве полигона ТБО. Выделены особенности и сложности, которые возникают при пробоотборе отходов. Приведены формулы расчета корретного числа отбираемых проб и их массы в зависимости от объема исследуемого объекта и максимального размера фракций отходов.

Ключевые слова: пробоотбор, твердые бытовые отходы, полигон ТБО, точка отбора, генеральная проба, лабораторная проба, точечная проба.

Yu.A. Tatarkina, Yu.M. Zagorskaya

FEATURES OF SAMPLING OF WASTE

OF SOLID WASTE LANDFILL

The sampling stage as one of necessary stages of carrying out laboratory researches of a condition of waste in the solid waste landfill massif is considered. Features and difficulties which arise when sampling tests of waste are marked out. Formulas of calculation of korretny number of the selected tests and their weight depending on the volume of the studied object and the maximum size of fractions of waste are given.

Keywords: sampling, municipal solid waste, landfill, point selection, the general sample the laboratory sample, the sample point.

Лабораторные исследования отходов полигонов ТБО, как и любого природного объекта, включают в себя четыре обязательных этапа: 1) пробоотбор; 2) пробоподготовка; 3) лабораторный анализ; 4) статистическая обработка полученных данных. В результате корректного

ипоследовательного выполнения каждого этапа мы получаем полную

идостоверную информацию об объекте исследования.

Любое лабораторное исследование начинается с этапа отбора проб, который во многом определяет качество получаемых в дальнейшем результатов. Сложность этого этапа заключается в том, что при исследова-

209

нии объекта окружающей среды участвует большое количество материала. Так, при изучении свойств отходов полигона ТБО необходимо получить данные о состоянии тысячи тонн отходов, находящихся в массиве, тогда как в лабораторию для проведения анализа поступает лишь небольшое количество изучаемого материала массой в несколько килограммов, непосредственно анализу может подвергаться образец массой от нескольких миллиграммов до нескольких килограммов, в зависимости от определяемогопоказателя, применяемогооборудованияиметодик[1].

Пробоотбор – это операция, при которой происходит взятие достаточного количества представительной части исследуемого материала, состав и свойства которого соответствуют составу и свойствам материала как целого с учетом распределения всех компонентов.

Целью отбора проб из массива полигона ТБО является получение подмножеств, которые подходят для получения характеристик отходов общего объема массива полигона ТБО. Особое значение имеет то, в какой степени эти подмножества могут считаться репрезентативными от общей суммы с точки зрения характеристик свойств. Репрезентативность – соответствие свойств подмножеств в значительной степени свойствам общего количества в целом. Другими словами, полученная от пробы информация должна точно отражать в математическом смысле информацию, заложенную в массиве полигона [1–3].

Репрезентативность пробы зависит от ее размера, качественного состава и гомогенности отходов в теле полигона ТБО, а также от размера полигона в целом. Отходы в теле полигона характеризуются высокой неоднородностью как по морфологическому, так и по фракционному составу, что делает их сложным объектом для исследования. По этой причине требования к этапу отбора проб на полигоне ТБО должны выполняться с особой тщательностью, что должно послужить гарантией получения достоверных результатов анализов.

Перед проведением пробоотбора необходимо определить цель изадачи отбора, провести сбор первичной информации об объекте, определить способ и масштаб отбора, количество проб, месторасположение точекотборапроб, выработатьсоответствующиемерыбезопасности.

Для проведения пробоотбора составляется рабочий план [2, 3], куда входят:

1.Размер пробы и количество проб.

2.Разделение пробы.

3.Контрольные пробы (тип, количество).

210