Проектирование фасадно-интегрированной фотоэлектрической системы электроснабжения зданий для южных регионов РФ

Вступление . В настоящее время во многих регионах юга России наблюдается промышленное и социально-экономическое развитие, неотъемлемой частью которого является существенный рост потребления электроэнергии. Кроме того, в связи с вхождением Республики Крым в состав РФ на энергетическую систему Южного федерального округа легла дополнительная нагрузка. Потребление электроэнергии по Республике Крым в 2015 году составило 5158 ГВт·ч, а производство – 1336 ГВтч, (26%), что свидетельствует о высокой степени энергодефицита в данном регионе [1]. Поэтому для достижения цели увеличения темпов развития Южного федерального округа, задачи ввода дополнительной генерации электроэнергии и эффективности её транспортировки и использования являются крайне актуальными.

Анализ последних исследований. Анализ регионального положения в топливноэнергетическом комплексе, а также экологического состояния окружающей среды в санаторно-курортных зонах свидетельствует о технической возможности и экономической целесообразности более широкого использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для энергоснабжения существующих зданий и сооружений [2]. В то время как основные энергоносители – газ, уголь, жидкое углеводородное топливо расходуются со значительными загрязнениями окружающей среды, невостребованным оказывается высокий потенциал экологически чистых ВИЭ юга России: солнечной радиации, энергии ветрового потока и энергии волн Черного и Каспийского морей.

В настоящее время одной из основных тенденций в мировой строительной и архитектурной практике является использование солнечных фотоэлектрических установок (СФЭУ) для дополнительного обеспечения электроэнергией зданий и сооружений. Выделяют два основных варианта применения фотоэлектрических модулей (ФЭМ) в здании [3]:

• •    размещение и закрепление ФЭМ поверх ограждающей конструкции здания (building applied photovoltaic system);

• •    замена частей ограждающих конструкций здания интегрированными ФЭМ (building integrated photovoltaic system).

Функции фасадно-интегрированных солнечных фотоэлектрических установок (ФИСФЭУ), использование которых и рассматривается в данной работе, не ограничиваются генерацией электроэнергии, так как их модули компенсируют все строительные функции заменяемого элемента, что позволяет добиться более высокой экономической эффективности за счет экономии на традиционных строительных материалах. К данным модулям предъявляются дополнительные требования по механической прочности, надежности, теплоизоляции, звукоизоляции, пожаробезопасности и т.д. Модули ФИСФЭУ могут быть встроены в:

• •    кровлю скатной крыши здания;

• •    плоскую крышу здания в качестве верхнего слоя рулонного материала;

• •    фасад здания, заменяя элементы вентилируемого фасада или остекления;

• •    затеняющие конструкции на фасаде.

В 2016 году установленная мощность ФИСФЭУ в мире составила 5 ГВт, а согласно прогнозам с учетом неизбежного развития распределенной генерации, к 2020 году должна увеличиться втрое. Мощность таких установок составляет 1–100 кВт, в отдельных случаях достигает 500 кВт [4]. Однако на отечественном рынке ФИСФЭУ отечественная отрасль проектирования и строительства ФИСФЭУ лишь начинает развиваться, и на сегодняшний день случаи реализации проектов единичны. В связи с этим существует необходимость в создании методической базы указаний, рекомендаций, нормативов и стандартов по проектированию, строительству и оценке эффективности таких установок. Именно в связи с отсутствием регламентирующих документов и алгоритмов по проектированию, строительству и оптимизации работы установок во многих случаях пилотные проекты СФЭУ оказываются неэффективными, что порождает мифы о тотальной неэффективности солнечной энергетики в отечественных условиях, существенно тормозит ее развитие и в целом негативно сказывается на ее имидже и восприятии.

Методика исследования. В работе представлен алгоритм проектирования и оценки эффективности ФИСФЭУ, а также разработан проект ФИСФЭУ номинальной мощностью 50 кВт, которая интегрируется в остекление фа- сада 75-этажной башни многофункционального комплекса, расположенного в г. Евпатория.

Одним из наиболее важных расчетов, которые необходимо провести для обеспечения точности параметров ФИСФЭС, является оценка потенциала солнечного излучения в месте размещения системы. Климатические условия для эксплуатации фотоэлектрических станций в южных регионах РФ и в частности на Крымском полуострове благоприятны. В реальных условиях облачности удельное годовое поступление полного солнечного излучения (СИ) на горизонтальную поверхность на территории Крымского региона находится на уровне 1200– 1400 кВт·ч/м2. При этом доля прямой солнечной радиации составляет: с ноября по февраль 20–40%, с марта по октябрь – 40–65%, на южном побережье Крыма в летние месяцы – до 65–70% [5]. Однако при проектировании ФИСФЭС необходимы более точные данные в почасовом разрешении. В рамках разработанного алгоритма данная задача решена путем разработки программного обеспечения (ПО), которое позволяет произвести расчет почасовых значений солнечного излучения, поступающего на произвольно ориентированную поверхность в точке с заданными географическими координатами (широта и долгота) в заданный период времени с учетом прохождения через атмосферу в реальных условиях облачности в почасовом разрешении. ПО разработано в среде Delphi 7, основное диалоговое окно программы представлено на рисунке 1. Подробное описание алгоритма работы программы приведено в работах [6, 7].

Рисунок 1 – Основное диалоговое окно программы

Общая схема алгоритма проектирования   метров ФИСФЭУ представлена на рисунке 2.

и оптимизации основных энергетических пара-   Выбор ветки алгоритма зависит от выбора од- ной из трех схем функционирования ФИСФЭУ. По схеме функционирования СФЭУ подразделяют на следующие категории.

• 1.    Автономное электроснабжение выбранного потребителя.

• 2.    Электроснабжение выбранного потребителя с резервированием от сети. Необходимо отметить, что в настоящее время на территории РФ в большинстве случаев подключение к сети для передачи в нее мощности невозможно ввиду отсутствия технической базы и соответствующих законодательных актов.

• 3.    Электроснабжение здания в режиме энергозамещения. В данном случае отсутствует секционированный потребитель, а вся электроэнергия, вырабатываемая СФЭУ, передается в энергосистему здания и в дальнейшем распределяется между потребителями. Подробное

описание схем функционирования представлено в работе [8].

На первом этапе алгоритма определяются участки фасада здания и площадь, на которой целесообразно произвести установку ФЭМ. Данная площадь является функцией от площади фасада здания и «архитектурного» коэффициента, который определяется следующими факторами:

• •    особенности поступления СИ на различно ориентированные поверхности в климатических условиях региона расположения объекта;

• •    размещение здания на основе архитектурно-планировочного решения;

• •    архитектурные особенности фасада здания;

• •    нормы естественного освещения помещений [9].

  -Выбор оборудования и схемы подключения ФЗМ к инверторам

  -Оценка затрат

  

  Электроснабжение здания в режиме энергозамещения

  - поступление СИ на поверхность ФЗМ;

  - график потребления электроэнергии;

  - площадь доступная для размещения СФЭУ;

  - доступность и стоимость з/з 6 регионе.

  Выбор структурной схемы ФИС Ф34

  Выбор потребителя, определение графика нагрузки

  * ¹⁼²      "

  Электроснабжение выделенного потребителя с резервированием от внешней сети

  
  

  Автономное электроснабжение выбранного потребителя

  
  

  Расчет почасовых значений выработки ФИСФЗУ (3)

  
  

  -Выбор оборудования и схемы подключения ФЗМ к инверторам

  -Оценка затрат

  
  

  -Выбор оборудования и схемы подключения ФЗМ к инверторам

  -Оценка затрат

  
  
  

  Расчет емкости АБ (С) из условия обеспечения автономности работы системы

  
  

  Выбор потребителя, определение графика нагрузки

  Расчет почасовых значений выработки ФИСФЗУ

  
  

  Расчет почасовых значений выработки ФИСФЗУ

  
  

  Оценка экономической эффективности проекта (NPV, И, IRR, РВР)

  
  
  

  Расчет электроэнергии

  -отданной потребителю

  -полученной потребителем от сеть

  -отданной в сеть

  Оценка экономической эффективности проекта (NPV, PL IRR, РВР)

  

  Оптимальный вариант ФИСФЗУ (Р. S, С, 3. NPV, IRR, РВР, Р!)

  
  

  Оценка экономической эффективности проекта (NPV, И, IRR, РВР)

  
  
  

Рисунок 2 – Общая схема алгоритма

При первоначальном выборе параметров компонентов системы необходимо рассмотреть вариант базовой конфигурации. Далее производится расчет почасовых значений мощности, выдаваемой системой в течение года, которые определяются исходя из условий эксплуатации

(температура, СИ). В каждый расчетный час на основе однодиодной модели, описанной в [10– 12], строится вольт-амперная характеристика (ВАХ) ФЭМ, по которой находится точка максимальной мощности. Уравнение ВАХ имеет вид:

i„ = i, - L exp н   ф   о    ^r

H ⁽ И нЦні Г н ) _1 А-k-T        ’

где i н – ток нагрузки;

• u н – напряжение на нагрузке;

• i 0 – обратный ток насыщения;

А – параметр ВАХ СЭ;

• q – заряд электрона;

• k – постоянная Больцмана;

• Т – абсолютная температура СЭ;

• r п – последовательное сопротивление.

Результаты исследования и их обсуждение . Пример построенных ВАХ ФЭМ Pramac P7L 125 W (аналог ХЕВЕЛ P-125) при 0 ^oС и 50 ^oС и различных значениях удельной мощности СИ представлен на рисунках 3 и 4. В данном случае при удельной мощности СИ 1000 Вт/м² и изменении температуры с 0 ^oС на 50 ^oС мощность модуля в точке максимальной мощности падает на 10% (с 131,2 Вт до 118 Вт).

Далее, в предположении, что мощность, выдаваемая ФИСФЭУ в течение часа, остается постоянной, рассчитывается годовая выработка установки и отношение выработанной энергии к годовому потреблению для оценки величины годового замещения электроэнергии. В схеме с секционированным потребителем сначала аналогичным образом производится предварительный выбор оборудования и расчет годовой выработки ФИСФЭУ. Далее, исходя из равенства вырабатываемой энергии в течение года с учетом потерь на преобразование и передачу и годового потребления, выбирается потребитель, которого будет обеспечивать ФИСФЭУ. В каждый расчетный час вычисляется избыток или недостаток электроэнергии, которая отдается в энергосистему здания или добирается из сети здания соответственно. В случае выбора схемы автономного электроснабжения расчет аналогичен с добавлением расчета минимальной емкости АБ, которые должны обеспечивать условие автономности работы системы в течение всего года.

Рисунок 3 – ВАХ ФЭМ Pramac P7L 125 W при температуре модуля 0 oС и различной мощности СИ

Рисунок 4 – ВАХ ФЭМ Pramac P7L 125 W при температуре модуля 50 oС и различной мощности СИ

На завершающем этапе производится оценка экономической эффективности проекта, которая и является критерием оптимизации. Оценка экономической эффективности проекта определяется путем расчета таких показателей, как чистый дисконтированный доход, внутренняя норма доходности.

Изложенный выше алгоритм был заложен в программу (рисунок 5), разработанную в среде MATLAB Simulink.

Рисунок 5 – Общая схема алгоритма в программе MATLAB Simulink

Создание ФИСФЭУ в г. Евпатория. С помощью разработанного ПО были произведены расчеты почасового поступления СИ на различно ориентированные поверхности в климатических условиях г. Евпатория. Распределение поступления СИ в течение года представле- но на рисунке 6. Суммарная энергия СИ, поступающая на квадратный метр горизонтальной поверхности в год, – 1388 кВт∙ч/м2. При наиболее оптимальной южной ориентации при вертикальном расположении поверхности (90о) поступление СИ снижается на 28% – до 995 кВт∙ч/м2.

Рисунок 6 – Поступление СИ на различно ориентированные поверхности в климатических условиях г. Евпатория

Рисунок 7 – Многофункциональный комплекс с ФИСФЭУ

Далее с помощью программы для расчета параметров ФИСФЭУ был разработан проект системы электроснабжения номинальной мощностью 50 кВт, состоящей из 400 модулей, суммарной площадью 572 м2 (4,6% от площади остекления южного фасада) (рисунок 7). Система интегрируется в остекление южного фасада (с 23 по 62 этаж) многофункционального ком- плекса (высота 307,75 м), который располагается в г. Евпатория. Получены почасовые значения выработки системы. Годовая выработка электроэнергии составила 42680 кВт∙ч. В зимний период выработка составляет 9140 кВт∙ч; в весенний – 11490 кВт∙ч; в летний – 10665 кВт∙ч; в осенний – 11377 кВт∙ч/м2 (рисунок 8).

Рисунок 8 – Выработка ФИФЭС в течение года: постоянный и переменный ток

Выводы

• 1.    Представлен алгоритм определения параметров ФИСФЭУ, реализованный в MATLAB Simulink. В частности, сформирован алгоритм расчета почасовых значений мощности путем построения ВАХ модуля при заданных значениях прихода СИ и температуры ФЭМ и определения точки максимальной мощности на ВАХ.

• 2.    С помощью разработанного ПО произведен расчет почасовых значений поступления СИ на горизонтальную и южно-ориентированную вертикальную поверхность в условиях г. Евпатория. Суммарная энергия СИ, поступающая на квадратный метр горизонтальной поверхности в год, – 1388 кВт∙ч/м². При наиболее оптимальной южной ориентации при вертикальном расположении поверхности (90^о) поступление СИ снижается на 28% – до 995 кВт∙ч/м².

• 3.    Разработан проект ФИСФЭУ номинальной мощностью 50 кВт, которая интегрируется в остекление фасада, ориентированного на юг, 75-этажного здания. Получены почасовые значения выработки системы. Годовая выработка электроэнергии составила более 42 МВт∙ч. Произведен расчет показателей экономической эффективности проекта. Себестоимость вырабатываемой электроэнергии составила 12,5 руб./ кВт∙ч.