АВТОНОМНАЯ СОЛНЕЧНАЯ ЗАРЯДНАЯ СТАНЦИЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ

Мировая экономика ежегодно увеличивает потребление энергии на 2-3 %. Республика Беларусь – страна, экономика которой не обеспечена собственными энергетическими ресурсами. По этой причине она относится к числу энергозависимых стран от внешних поставок энергоносителей.

Исторически, и географически сложилось так, что основным поставщиком энергоресурсов в энергетический сектор Беларуси сегодня является Россия. В этом есть достоинства – относительная близость и отсутствие посредников на пути транзита энергоресурсов, и недостатки – ограниченность конкурентного выбора и недостаточная гарантированность поставок в нужных объемах.

Решать эти проблемы Беларусь может по-разному: либо через диверсификацию используемых видов энергетического сырья (замена природного газа на торф), либо через расширение круга его поставщиков. Снижать уровень энергетической зависимости можно, например, частичной заменой минеральных источников на альтернативные (атомная энергетика, ветровая и т.п.). Рационализация энергопотребления и снижения энергоемкости ВВП становится для Беларуси ключевым элементом снижения энергетической зависимости и повышения порога энергетической безопасности.

Солнечная энергетика в электротранспорте

Электромобиль (EV-electric vehicle) – автомобиль, приводимый в движение электродвигателями с питанием от независимого источника электроэнергии (батареями). EV при этом отличаются низкими транспортными расходами. Они не производят вредных выбросов – полностью экологичны, что не особенно характерно транспортным средствам с ДВС. Кроме того, EV гораздо легче в обслуживании и устройстве. Можно быть уверенным, что в скором времени возобновляемые источники энергии смогут полностью заменить традиционные.

Экологичность, динамика и новизна технологий с легкостью подкупят любого. Но камни преткновения есть и здесь: высокая стоимость EV на сегодняшнее время и слабая доступность зарядки. Рассматривая покупку электромобиля, мы должны проанализировать не только обычные критерии покупки, такие как цена, запас хода, комплектация и цвет, но и вопрос зарядки электромобиля. Приобретая электромобиль, первое, о чем задумывается потенциальный владелец — как и при помощи чего будет происходить зарядка аккумуляторных батарей. Ведь розетки для этого часто бывает недостаточно.

Для многих водителей это всего лишь вопрос времени, но рано или поздно у них появится идея: почему бы не установить фотомодули, чтобы заряжать электромобиль, используя бесплатную солнечную энергию? Добавив десяток дополнительных панелей к станции, компенсирующей работу электроприборов в вашем доме, можно получить практически идеальную, экологически дружественную систему, способную заряжать электромобиль и не только.

Даже если производить зарядку автомобиля ночью — как и нужно делать, ведь это позволит выровнять суточный график нагрузки на общую электрическую сеть — и электромобиль сможет получать выгоду от использования чистой электроэнергии, произведенной домашней солнечной электростанцией. Ведь солнечная станция, подключенная в общую сеть днем, пока вас нет дома, будет генерировать и продавать электроэнергию в общую сеть. В такой системе, например, отсутствуют дорогие и пока не очень эффективные аккумуляторы. Вместо них выступают общие электрические сети.

Но даже если экологический вопрос несколько урегулирован и понятен, то дискуссии по экономическим расчетам решаются не так просто. Традиционный аргумент, который выдвигают и против солнечных систем, и против электромобилей заключается в том, что люди платят больше на капитальные затраты. Чтобы не спекулировать на аргументах за и против, необходимо сесть и просчитать все плюсы и минусы. Как обычно, дьявол кроется в деталях — с широким набором переменных:

• тариф за электроэнергию, стоимость и доступность топлива в регионе;
• количество километров и затраты на обслуживание автомобиля;
• количество солнечного света, попадающего на крышу;
• стоимость солнечной электрической станции;
• мотивационные программы (зеленый тариф, снижение налогов).

А если добавить в список непредсказуемые и нестабильные цены на энергоресурсы? Даже если первоначальные затраты не окупятся в течение периода владения – более дешевой заправкой и обслуживанием – любая разница обычно окупается при продаже автомобиля. Точно так же стоимость вашего дома станет выше после добавления системы электроснабжения, использующей энергию Солнца. Также стоит принять во внимание очень важный фактор, что после срока окупаемости солнечной станции вся произведенная ей энергия будет для нас уже бесплатной.

Если построить солнечную станцию под инвестиционный бизнес-план и с его помощью окупить затраты на машину и дом, то экономически целесообразная мощностью солнечной станции должна быть от 15 кВт.

Хочется, чтобы электромобиль стал настоящим экомобилем? Тогда солнечная зарядная станция — это именно то, что нужно!

Определение необходимой потребляемой мощности

Предположим, что у нас есть Audi e-tron – электромобиль c запасом хода свыше 400 км! Тут возникает вопрос, сколько солнечной энергии нам потребуется, чтобы полностью покрыть расходы на электроэнергию?

Аккумуляторный бак Audi e-tron составляет 95 кВт∙ч. Расход энергии электродвигателем – 15,9 - 24 кВт∙ч на 100 км (езда в городе / на шоссе и т.д.). Иначе, 4-6 км / кВт∙ч. Для удобства примем средний расход – 20 кВт∙ч.

Средний пробег примем 10 000 км в год. А сколько придется проехать по факту, столько энергии и потребуется. Так что рассчитаем необходимое количество потребляемой энергии в год с заданными параметрами:

W_год = 20 * 10 000 = 2 000 кВт∙ч

Домашняя система будет работать 365 дней в году, поэтому используя эти значения, мы можем рассчитать суточную потребность электроэнергии:

W_сут = 2 000 / 365 = ≈ 5,5 кВт∙ч / сут.

В итоге для того, чтобы полностью покрыть суточную потребность в энергии наша система должна вырабатывать как минимум 5,5 кВт∙ч / сут.

При максимальном расходе энергии на 100 км (24 кВт∙ч) нам потребуется 6,6 кВт∙ч / сут. Такие данные получаются, когда мы будем подзаряжать наш электромобиль каждые 100 км. Расчет демонстративный и прикидочный.

Как показывает практика необходимо так же учитывать погодные условия, сезонность, расходы на собственные нужды. По этой причине к рассчитанному количеству энергии необходимо добавить около 30% для покрытия этих затрат:

W_{сут.запас} = 6,6 +30% = 8,6 кВт∙ч / сут

Формула расчета требуемой мощности от солнечной батареи выглядит так:

Р_см = (1000 * Е_сут ) / ( к * С_ин ),

где:

Р_см–суммарная мощность солнечных панелей (Вт),

1000 – светочувствительность фотопреобразователей (Вт/м²),

Е_сут– потребность в суточном энергопотреблении (кВт*ч),

к – сезона коэффициент, учитывающий все потери (лето = 0,7; зима = 0,5),

С_ин – значение инсоляции (потока солнечной радиации), кВт*ч/м².

Мы будем эксплуатировать систему целый год, лучший нерегулируемый наклон солнечной батареи равен летнему углу 35° к поверхности земли.

Е_сут = 8,6 кВт; к = 0.6; С_ин = 1,06 кВт*ч/м² (для г.Гродно);

Р_см = (1000 * 8 600) / (0,6 * 1 060) ≈ 13 500 Вт

Суммарная мощность солнечных модулей составит 13.5 кВт.

Бесспорно, электрические характеристики фотоэлектрических модулей играют первостепенную важность. Но нельзя не обращать внимание и на такие параметры, как габариты, конструктивное. исполнение, вес и т. д. Суммарная мощность солнечных модулей (Р_см= 13.5 кВт) делится на номинальную мощность панелей и получается необходимое число солнечных панелей.

На сегодняшний день самая мощная солнечная панель может вырабатывать до 400 Вт (0,4 кВт). Поэтому расчет выглядит так:

13.5 / 0,4 ≈ 34шт

Другими словами, для расчетной Audie-tron с аккумуляторным баком в 95 кВт∙ч при 10 000 км в год для зарядки потребуется 8,6 кВт энергии в сутки. А это можно обеспечить тридцатью четырьмя 400 Вт солнечными панелями. Площадь одной панели – 1,8 м², те всей системе потребуется чуть более 60 м².

Определение размера системы

Рассмотрим, как лучше и выгоднее можно заряжать электромобиль. Ежедневная зарядка EV будет являться самой оптимальной и экономичной. Так как при небольшом ежедневном пробеге от системы будет потребляться меньшее количество энергии. Те использование аккумуляторами энергии будет наименьший.  Исходя их этого, хранилище энергии (аккумуляторный банк) меньшей емкости будет логичным, что скажется на стоимости всего проекта. Тк нет необходимости сохранять огромное количество энергии для подзарядки.

Но такой вариант чрезмерно наивен и ненадёжен. Т.е проехав порядка весь запас хода за раз (400 км), мы потратим весь запас «бака» машины. Разумеется, если следующий выезд на дорогу не скоро, можно заряжаться от системы очень долго. А это не логично и не рационально в современных реалиях!

Поэтому следующий вариант – иметь в запасе необходимые 95 кВт∙ч в аккумуляторном блоке системы (именно такой емкости «бак» нашего авто) чтобы в случае полного разряда максимально быстро восполнить заряд EV.

И последний способ зарядки – смешанный – заряжать не каждый день, но и не ждать полного разряда «бака», а хранить в диапазоне 8,6-95 кВт в сутки.

С точки зрения надежности, удобства и предусмотрительности нам следует иметь запас на случай полного разряда, чтобы в случае форс-мажорных обстоятельств и дальних поездок как можно быстро зарядить авто. Но с точки зрения экономичности для автономности— это дополнительные затраты.

Некоторые фундаментальные элементы системы:

1. Зарядная станция;

2. Фотогальваническая система - система фотомодулей;

3. Инвертор – устройство для трансформации постоянного тока в переменный и наоборот, в зависимости от нужд потребителя;

4. Аккумуляторная система хранения – система хранения энергии;

5. Устройство контроля потоков энергии;

6. Система управления системой, обычно включающей в себя различное ПО, контроллеры и исполнительные элементы.

Список литературы:

1. Кропочева Л.В, Комар В.Н., Иванова Е.A. Принципы формирования энергосистемы и перспективы ее развития: пособие. -Гродно: ГрГу,2015. -39 c.
2. Так ли экологичны электромобили? [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://habr.com/ru/post/413217/