Расчет электроснабжения Лебединского ГОКа от полупроводниковых солнечных панелей

Современная ситуация с энергоснабжением в России требует экономного расходования электроэнергии на производстве и в быту. Федеральный закон от 23.11.2009 № 261 -ФЗ “Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации”, одна из задач которого, уменьшение энергоемкости отечественной экономики на 40% к 2020 г. Это будет достигаться за счет модернизации производства (установка менее энергоемкого оборудования), изменения систем освещения (переход с ламп накаливания на люминесцентные или светодиодные лампы) и других мероприятий.

В связи с этим на горнорудных предприятиях встает вопрос об экономии электроэнергии и понижении ее потребления на 1 тонну добытого полезного ископаемого. Чтобы добыть 1 тонну железной руды на Лебединском ГОКе расходуется около 60 кВт^час электроэнергии. В 2010 году комбинат выпустил 19,8 млн. т. концентрата и 8,8 млн. т. железорудных окатышей. Общее энергопотребление предприятия при этом составило около 2,5 млрд. кВт^час.

Одним из подходов к экономии электроэнергии может стать переход на альтернативные источники энергии. Комбинат находится на юге центрально-черноземной части России, где среднегодовое количество солнечной радиации равно 1245 кВт^час\м2 [1], поэтому то для него рассматривается вариант применения полупроводниковых солнечных панелей (ПСП).

Основные потребители электроэнергии ЛГОКа находятся в карьере, непосредственной близости к нему и на промплощадке (рис. 1). Основные потребители, находящиеся около карьера:

• •    тяговые подстанции (УЖДТ) (6, 8, 10);

• •    производственные комплексы и здания администрации (1 - 5). Основные потребители на промплощадке ЛГОКа:

• •  фабрики обогащения (21 - 23);

• •  фабрика окомкования (25);

• •    два завода горячего брикетирования железа (12);

• •    лабораторные, производственные комплексы и здание администрации (13 – 17).

Рассмотрим вариант сосредоточенного расположения ПСП, т.е. когда солнечные элементы располагаются на отдельной территории. Рассчитаем площадь, занимаемую ПСП, при условии полного исключения внешнего электроснабжение.

Рис. 1. Основные производственные объекты ЛГОКа.

Современные ПСП позволяют вырабатывать около 100 Вт∙час\м2. Например, солнечные модули российского производства ФСМ-225 [1] выполняются на выходное напряжение 63 В, при мощности Pэ=225 Вт. Имеет размеры 1640 х 990 мм, т.е. Sэ=1,64 м2. Стоимость панели Zэ ≈ 27 000 руб, что составляет 120 руб\Вт. Средний срок службы 20 лет. Рабочие температуры – 40 С° до +85 С°.

Исходя из среднегодовой потребленной электроэнергии в W=2,5 млрд. кВт∙час=2,5∙106 МВт∙час и непрерывного графика работы данного предприятия, рассчитаем среднюю активную мощность всего предприятия:

PW t

2,5 106 8760

285,4 МВт ,

где t – количество часов в году.

Для электроснабжения (на основе ФСМ-225) потребуется панелей:

N 1

P

Pэ

285,4 106 225

1 268 444 шт,

где N 1 – количество панелей;

Pэ – мощность одной солнечной панели, Вт.

Эта величина верна при круглосуточном освещении солнцем панелей. Так как в среднем в течение года в данном регионе солнечный поток удовлетворителен для получения электроэнергии около 6 часов в сутки (с 9 до 15 часов), то необходимо учитывать это в расчетах. Тогда панелей потребуется:

N N k 1 268 444 4 5 073 776 шт, где k – коэффициент, учитывающий время работы панелей.

Площадь всех панелей (при горизонтальном расположении)

составит:

Sг N Sэ 5073776 1,64  8,3 км2, где Sэ – площадь одной солнечной панели, м2. С учетом необходимого технологического расстояния между рядами (1,5-2 метра) и расположения солнечных элементов под углом 40°, общая площадь удвоится и составит около 16 км2, что примерно составляет всю площадь комбината вместе с карьером. Общая стоимость всех солнечных панелей составит:

Z N Zэ 5073776 27000 137 млрд. руб, где Zэ – ориентировочная стоимость одной панели на данный момент, руб.

Общая стоимость проекта с учетом оборудования для инвертирования в переменное напряжение и согласование его с питающей сетью может увеличиться в несколько раз.

Рис. 2. Рост стоимости 1 МВт∙час с 2010 по 2012 г. (поставщик: «Белгородэнерго») для предприятий.

Рассчитаем срок за который стоимость солнечных панелей сравняются со стоимостью затрат на электроэнергию (при стоимости электроэнергии на 2012 г. гэ=1054 руб\МВтчас от поставщика («Белгородэнерго»)).

Без учета затрат на обслуживание срок составит:

T9

=-----=------------= 52 года,

W zэ 2,5 106 1054

Так как стоимость электроэнергии с 2010 по 2012 г. росла (рис. 2), то можно предположить, что она будет увеличиваться и в последующие годы 2013 - 2024 г. (рис.3). Примерный срок в этом случае (при средней цене 21э=1775,8 руб\МВт-час в период 2013-2024 г.) составит:

Z        137 109

T =------=------ ь -------= 31 год,

W z1э 2,5 106 1775,8

Полученный результат нельзя признать удовлетворительным, т.к. срок службы ПСП составляет около 20 лет. Т.е. за это время половину панелей будет необходимо заменить.

Рис. 3. Планируемый рост стоимости 1 МВт^час для предприятий с 2013 г. по 2024 г. (поставщик: «Белгородэнерго») на основании данных 20102012 гг.

Однако так как такую систему придется строить несколько лет (вводить в эксплуатацию поэтапно), то стоимость может снизиться из-за увеличения производства панелей в мире (в 2005 г. - 650 МВт, 2010 г. -1700 МВт), а также уменьшения их стоимости [2] (табл. 1).

Таблица 1.

Динамика изменения удельной стоимости солнечных панелей.

	Года	Цена: $\Вт
1	1970	100
2	1980	20
3	1990	10
4	2000	4-5

Тогда система электроснабжения на основе ПСП для данного предприятия сможет выйти на самоокупаемость за меньший срок. Например, при стоимости ПСП около 30 руб\Вт и средней цене электроэнергии z1э=1775,8 руб\МВт∙час этот срок составит:

TZ       3425⁹

Z        3,5  0

=-------=------7         7,7 года

W z1э 2,5 106 1775,8

Горнодобывающие предприятия относятся к 1 категории по условиям количества независимых источников электроснабжения. Такая категория должна быть обеспечена резервной системой электроснабжения, которая покроет недостаток электроэнергии в случае аварии на ЛЭП или подстанции. Основными поставщиками электроэнергии для Лебединского ГОКа являются Курская АЭС и Нововоронежская АЭС, которые и строились для предприятий КМА (Михайловский ГОК, Лебединский ГОК, Стойленский ГОК, ОЭМК и др.). Поэтому для данных предприятий необходимо рассчитывать схему с двумя источниками из ПСП, либо на случай аварий иметь другой независимы источник электроснабжения для обеспечения бесперебойной подачи электроэнергии.

На основании приведенных вычислений можно сказать, что современные полупроводниковые солнечные панели становятся конкурентно способными устройствами для получения электроэнергии. При дальнейшем улучшении технологий и уменьшению стоимости они будут все больше использоваться в электроснабжении жилых домов и объектов промышленности, особенно на юге России.