ОПТИМАЛЬНЫЕ УСЛОВИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ СОЛНЕЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КОМФОРТНЫХ УСЛОВИЙ ПРОЖИВАНИЯ НА ПРИМЕРЕ Г. ВОЛГОГРАД

Аннотация. В качестве перспективы снижения негативного влияния объектов энергетики на окружающую среду, для повышения качества жилой среды предлагается развитие локальных солнечных источников энергии. В статье рассматривается текущий уровень развития технологий солнечной энергетики в России. В качестве примера произведена оценка оптимальных условий для размещения комбинированных солнечных установок для города Волгограда. В статье проводится расчет энергоэффективности использования солнечных батарей в жилом типовом многоквартирном доме, а также в частном домовладении в городе Волгограде. Показан срок окупаемости и рациональность использования данного вида альтернативного источника энергии в строительном комплексе.

Ключевые слова: солнечная энергетика, экология, энергетика, эффективность использования, Волгоград.

Введение

Использование солнечной энергии увеличивается с каждым годом. Не так давно солнечная энергия использовалась для нагрева воды на даче под летним душем. Сегодня для обогрева частных домов уже используются разные установки. Солнечные батареи создают электричество, которое необходимо для обеспечения энергией небольших деревень, посёлков.

Средняя эффективность преобразования солнечной энергии в электричество составляет 18%. Считается, что на 1 квадратный метр поверхности Земли в солнечный день энергия от солнца составляет 1000 Вт, соответственно солнечная панель на 1 кв.м даёт 180 Вт. Исходя из этого, многие страны активно развивают данное направление.[1]

Солнечные панели эффективно работают не только под прямыми солнечными лучами, но и в пасмурные дни, вырабатываемая электроэнергия будет меньше по мощности, чем при ярком летнем солнце в зените. Тем не менее, было доказано, что солнечные элементы более эффективны при более низких температурах, чем в теплом климате. Зимой, в мороз, выработка электроэнергии может превышать номинальную мощность, рассчитанную при 25 градусах Цельсия. На сегодняшний день Германия является мировым лидером по производству электроэнергии, производимой солнечными электростанциями, хотя не имеет большого количества солнечных дней.

1.Оценка негативного влияния существующей энергосистемы города Волгоград на среду обитания

Энергетический потенциал Волгограда представлен действующей гидроэлектростанцией с установленной мощностью 2672 МВт и тепловыми электростанциями ТЭЦ-2, ТЭЦ-3 и ВолгГРЭС. Доля электроэнергии, произведенной тепловыми электростанциями, в общей выработке электроэнергии составляет 32,1 % и сосредоточены в южных районах города.

ВГРЭС расположена в Кировском районе Волгограда и осуществляет теплоснабжение промышленных предприятий и населения Кировского района Волгограда. Установленная мощность равна 72 МВт.

Волгоградская ТЭЦ-2 (225 МВт) и Волгоградская ТЭЦ-3 (236 МВт) расположены в Красноармейском районе Волгограда и осуществляет теплоснабжение потребителей промышленных предприятий и населения Красноармейского района Волгограда и близлежащих населенных поселений.

На всех ТЭС основным топливом является природный газ, резервным- мазут (ТЭЦ-2, ТЭЦ-3) и уголь (ВГРЭС).

Энергоисточники расположены в непосредственной близости от жилой зоны и являются крупнейшими источниками загрязнения воздушного бассейнов и оказывают негативное влияние:

-выбросов вредных веществ (оксидов азота, двуокиси серы, твёрдых частиц, а также выбросы CO₂) в атмосферу южных жилых районов города Волгограда и прилегающих территорий;

-выбросов мелких частиц золы в воздушный бассейн региона, увеличение содержание пыли в воздухе.

В городе функционирует 150 котельных, обеспечивающих теплом потребителей ЖКС, из них: износ муниципальных тепловых сетей составляет по данным эксплуатирующих организаций 85-95 %. Современные технологии реконструкции и сооружения тепловых сетей на территории Волгоградской области не используются. Происходит исключительно быстрый рост количества повреждений тепловых сетей г. Волгограда.

2. Предложения по использованию индивидуальных солнечных установок в жилой застройке в южных районах города Волгограда

Высокая активность солнечной радиации в летний период на территории города Волгограда раскрывает широкие возможности для применения систем с сезонным хранением тепла. Накопленное в летний период тепло может быть использовано для отопительных потребностей в межсезонный период, а при возможности дублирования с газонагревателем и в зимний период.

Применение солнечных установок заключает в себе создание наиболее благоприятных условий для жизнедеятельности человека. По сравнению с теплоэлектростанциями и гидроустановками альтернативные источники энергии оказывают практически нулевое воздействие на окружающую среду.

В летний период года, когда нет необходимости в отоплении, а солнечная активность наиболее высока и характеризуется наиболее высокими показателями солнечной радиации, эффективно использовать «активные» системы утилизации солнечной энергии- плоские солнечные коллекторы. Наиболее эффективным методом размещения солнечных коллекторов на южном скате крыш, имеющих уклон в горизонтальной поверхности в 25-30 градусов ориентацию, которая не превышает отклонения от южного направления в 45 градусов, так же возможно размещение коллекторов отдельно на прилегающем участке.

Распространенным теплоносителем являются водяные коллекторы, применяемые для нагрева воды до 40-60С, такой коллектор площадью 1,5 м² способен нагреть 100 л воды за 5-6 часов до 70С. Это позволяет сократить использование газонагревательных колонок и значительно экономить топливо.

Таблица 1.

Площадь индивидуальной, малоэтажной и дачной застройки в городе Волгограде.

Суммарная площадь индивидуальной, малоэтажной и дачной застройки для города Волгограда составляет- 73063311 кв.м. Соответственно общий потенциал использования солнечной энергии в малоэтажном секторе составляет: 1790 млнкВт*год. Эти данные являются условным приближением, и подразумевают установку солнечных установок на крышах жилых домов или прилегающих построек. В действительности возможно увеличение потенциала использования энергии солнца путём сооружения самостоятельных отдельно стоящих солнечных установок. [2]

3. Расчет энергоэффективности использования солнечных батарей в жилом типовом многоквартирном доме

Расчёт экономической целесообразности солнечных панелей в России на примере г. Волгограда.

1. Многоквартирный дом - 5-этажный дом, девять этажей;

- на входе - 37 квартир;

- среднее энергопотребление составляет 200 кВт (в случае однокомнатной квартиры в среднем 130 кВт для 2 комнат - около 160 кВт, для 3 комнат свыше 180 кВт);

- площадь крыши дома - 1200 м 2;

- свободная площадь крыши - 1120 м 2;

- общее потребление электроэнергии в домашних хозяйствах - 36 кВт;

- стоимость одного кВт - 3,70 руб.

Единицы измерения, необходимые в работе: \ т

- 1 кВт = 1000 Вт;

- солнечная панель включает в себя 20 панелей мощностью 250 Вт каждая;

- пиковая мощность 5 кВт / час;

- продолжительность солнца составляет 2000 часов в год;

- по широте - Волгоград, Иркутск, Новороссийск.

В результате эта панель сгенерирует:

- (250 * 20 = 5000/1000 = 5 кВт в час => 5 * 2000 = 10 000 кВт в год)

10 000 кВт в год и => 10 000/12 = 833 кВт в месяц (высокий уровень инсоляции);

Завершение расчетов: \ т

Минимальная потребность в 37 квартирах (один подъезд) для многоквартирного дома в месяц составляет: 200 кВт * 37 = 7400 кВт, то есть требуется минимум пять подъездов: 7400 * 5 = 37000 кВт. Одна батарея из 20 панелей производит 833 кВт в месяц в нашем регионе, поэтому для полного соответствия требованиям потребуется: 37000 833 ~ 44 шт. Площадь крыши составит 1120 м2: 1120 / 32,6 = 36,5 шт. основное расположение возможно с блоками солнечных элементов. Недостатком будет около 8 блоков солнечных панелей, что выражается: 8 * 833 = 6664 кВт месяцев.

Тем не менее, установка солнечных панелей в количестве 36,5 шт на крыше многоквартирного дома крайне сложно, так как масса одной панели составляет 19,6 кг, а значит: 19,6 * 20 * 36,5 = 14308 кг.

При сравнении среднего энергопотребления с полученными результатами при разных показателях инсоляции, можно отметить, что производство энергии больше, чем ее потребление. Однако в настоящее время невозможно обеспечить систему полного обеспечения многоквартирных домов электричеством от солнечных батарей из-за большого веса батарей и непригодности жилых зданий для их установки, что необходимо учитывать при проектировании современных жилых зданий и объектов.

2. Частный дом общей площадью 260 м 2: \ т

- среднее энергопотребление на домохозяйство составляет 300 кВт;

- Свободная крыша площадью более 100 м 2.

Параметры солнечной батареи: \ т

- Солнечная панель FSM 250 Вт (лидер рынка), 20 шт. - 300 000 руб. (кроме установки и стоимости дополнительного оборудования);

- пиковая мощность - 250 Вт;

- площадь любой панели составляет 1,63 м 2;

- расчетная площадь в 20 панелей - 1,63 * 20 = 32,6 м 2;

- вес - 19,6 кг одной панели;

- рабочая температура - от -40 до 85 ° С;

- срок службы плиты - не менее 25 лет;

- среднее потребление в частном доме: 300 кВт (при высокой степени инфузии).

Участка на крыши, ориентированного на юг, как правило, будет достаточно для установки данной площади солнечной панели.

Одна солнечная панель стоит 300 000 рублей: 20 = 15 000 рублей. и способность: 5.000: 20 = 250 Вт в час производства и 41 кВт в месяц на 1,63 м 2 в области.

Исходя из среднего потребления 300 кВт в месяц, рассчитывается количество солнечных панелей: 300: 41 ~ 8 пластин (8 * 41 = 328 кВт в месяц).

Стоимость: 300 000 рублей: 20 панелей * 8 панелей = 120000 рублей для полной комплектации требуется.

Вес: 19,6 * 8 = 156,8 кг.

Так, если в месяц расходуется 300 кВт и расходуется: 300 * 3,70 = 1110 рублей в месяц, то есть: 1110 * 12 = 13320 рублей в год.

Эта конструкция окупается: 120.000: 13320 ~ 9 лет.

По условиям производителя, солнечная батарея эксплуатируется не менее 25 лет: 25-9 * 13320 = 213,120 руб. - минимальная выгода.

Такие конструкции выгодны для индивидуальных жилых домов - срок окупаемости 9 лет и срок службы не менее 25 лет (по условиям производителя), учитывая инфляцию и повышение тарифов, этот проект окупится гораздо быстрее.

Для наибольшей доступности данной инновации в строительном комплексе необходимо подключить бизнес к производству солнечных батарей с целью рутинизации инноваций. Что в условиях конкуренции приведет к снижению цен, повышению технических характеристик батареи;

Нужна государственная поддержка, так как подобные инновации всегда дороги. Введение льгот или субсидий для этой продукции, а также возможность продажи излишков электроэнергии приведут к росту интереса домохозяйств и, следовательно, к увеличению спроса на товары;

Изношенность электрооборудования поставщиков электроэнергии, отсутствие ремонта приводит к удорожанию электроэнергии и как следствие монополизации рынка. Повышение интереса бизнеса и государства к данному вопросу приведет к частичному решению проблем освещения дворов, общедомовых помещений, работы лифтов и пр. [3]

Заключение

Использование показателя действительной выработки позволяет наиболее реально оценить возможности использования солнечной энергетики ТЭК, определить окупаемость проектов, сравнить их с существующими проектами по выработке энергии.

Потенциал использования солнечной энергии в Волгоградской области составляет 272,18 кВт * ч / (год м2 *), для покрытия производства загрязненной продукции топливно-энергетического комплекса в Волгоградской области - требуется около 30 км2 – площадей солнечных установок, что составляет 0,026% от всей площади Волгоградской области.

Стоит отметить, что широкое внедрение локальных солнечных источников энергии в систему обеспечения тепла и электроэнергии индивидуальных домов будет способствовать созданию полноценной комфортной жизненной среды, повышению энергозависимости потребителей и получение значительного социально-экономического и экологического эффекта.

Список литературы:

1. Володин, В. Энергия, век двадцать первый – М.: «Профиздат»,2014. – 287 с
2. Дудников В. В. Определение действительной возможной выработки энергии на основе использования солнечных установок в Нижне-Волжском регионе // Промышленная энергетика. 2017. № 6. С. 34—37.
3. Расходы на электроэнергию в частном доме [Электронный ресурс].– Режим доступа: http://dompraktika.ru/raskhody-na-ehlektrichestvo-v-chastnom-do/ (Дата обращения 06.11.18).
4. Солнечные батареи для дома и дачи [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://solarb.ru/ (Дата обращения 06.11.18).
5. Cолнечная энергетика: учеб. пособие для вузов / В.И. Виссарионов, Г.В. Дерюгина, В.А. Кузнецова, Н.К. Малинин; под ред. В.И. Виссарионова. М.: Изд. дом МЭИ, 2008. 276 с.