Як працюють сонячні електростанції на фотоелектричних панелях?

Сонячна електростанція (СЕС) – інженерна споруда, що перетворює сонячну радіацію в електричну енергію. Залежно від типу конструкції розрізняються і способи перетворення енергії випромінювання сонця.

В даному розділі ми розглянемо СЕС, використовують фотоелектричні модулі (сонячні батареї).

Складові промислової СЕС і їх функції:

• опорні конструкції (ферми) – основа для фіксації панелей (сонячних батарей);
• фотоелектричні модулі – перетворюють випромінювання Сонця в постійний струм;
• мережеві інвертори перетворюють постійний струм від модулів в змінний, з промисловою частотою;
• система управління і моніторингу контролює роботу СЕС і параметри;
• система лічильників веде облік кількості надходить в зовнішню мережу електроенергії.

1. Опорні конструкції (ферми) – основа для фіксації фотоелектричних панелей (сонячних батарей)

Комплект металевих кріплень (столів) для наземної сонячної електростанції призначається для створення опорної системи під батареї. Проектується комплект залежно від геодезії ділянки, орієнтації землі відносно сторін світу. На готової фермі фотоелектричні модулі розміщуються вертикально під певним кутом, що забезпечує максимальне потрапляння сонячного світла. 

Кріплення для сонячних панелей можуть бути виготовлені з:

• Оцинкована сталь – бюджетний варіант, покриття цинком дозволяє сталі краще переносити вологість.
• Нержавіюча сталь – коштує дорожче оцинкованої, тому що хром в сплаві робить такі конструкції більш міцними і довговічними.
• Анодований алюміній – стіл має невелику вагу, високу міцність. Стійкість до вологи і ультрафіолету.

2.  Фотоелектричні модулі – перетворюють випромінювання Сонця в постійний струм

Фотоелектричний модуль (сонячна батарея) – це поновлюване джерело електроенергії, що перетворює світлову енергію сонця в електроенергію за допомогою фотоелектричного ефекту. Незалежні від палива, не виділяють шкідливих речовин, не забруднюють навколишнє середовище і не справляють ніякого шуму при роботі. Є найбільш екологічно чистими джерелами електроенергії.

У фотоелектричних панелях немає рухомих елементів, завдяки чому вони стабільні, надійні і мають тривалий термін служби.

Фотоелектричні модулі (сонячні батареї) діляться на кілька видів залежно від способу виготовлення:

• Монокристалічні сонячні модулі – елементи з монокристалічного кремнію. Мають найкращі показники ефективності (термін їх служби складає більше 30 років). ККД фотоелектричної панелі на основі монокристалічного кремнію становить 14-17%.
• Полікристалічні сонячні модулі – елементи з полікристалічного кремнію. Термін служби більше 25 років. ККД сонячної батареї на цій основі складає 10-12%. Є найпоширенішим типом модулів для сонячних батарей.
• Сонячні модулі з аморфного кремнію – елементи не мають структурованого положення атомів, тому у аморфного кремнію гірше напівпровідникові властивості. ККД = 8%. З плюсів – такі панелі вимагають менше кремнію у виробництві і наноситься він на будь-які поверхні (скло, метал або інший матеріал).

3. Мережеві інвертори перетворюють постійний струм від модулів в змінний, з промисловою частотою

Мережевий (grid-tie) інвертор – це пристрій, що перетворює постійний (DC) напруга від поновлюваних джерел енергії (фотомодулів) в змінну (AC) напруга, і передають його безпосередньо в мережу. Інвертор синхронізує вихідна напруга струму з напругою у зовнішній мережі.

Таким чином, мережевий інвертор перетворює постійний струм від сонячних батарей з потрібними значеннями частоти і фази для сполучення зі стаціонарною мережею. Як правило, перетворення здійснюється за допомогою PWM – широтно-імпульсної модуляції.

Інвертори обладнані вбудованою системою відстеження точки максимальної потужності сонячних батарей. Це дозволяє отримувати максимум енергії при будь-яких зовнішніх змінах погоди і генерація в мережу здійснюється навіть у похмуру погоду.

Мережеві сонячні інвертори промислового призначення використовують для передачі енергії від поновлюваних джерел енергії в 3-х фазну мережу. Потужність таких інверторів досягає декількох сотень кВт. Подібні інверторні черги будують за модульним принципом.

4. Система управління і моніторингу контролює роботу СЕС і параметри

Моніторинг роботи СЕС – процес, що дозволяє відстежувати роботу станції в реальному часі. Параметри, які потрібно перевіряти, – потужність, напруга, струм, частота, стан перемикачів і обладнання. Прогнозування навантажень на кілька днів вперед також входить у функції моніторингу.

5. Система лічильників веде облік електроенергії, що надходить в зовнішню мережу 

Автоматизована система комерційного обліку електроенергії – це технологічне рішення, яке забезпечує: дистанційний збір даних з інтелектуальних приладів обліку, передачу отриманої інформації в особистий кабінет оператора, обробку переданих даних з подальшим вивантаженням в інформаційні системи – 1С або інші.

Це набір організаційно-технічних інструментів, що дозволяють вимірювати кількість спожитої і відпущеної електричної енергії при взаєморозрахунках між виробником і покупцем. Він включає в себе збір, зберігання, обробку та передачу даних, отриманих з індивідуальних і колективних приладів обліку.

Чим корисні сонячні електростанції?

Чим корисна сонячна енергія: з усіх джерел енергії вона найбільш екологічна і на 100% невичерпна. Користь сонячних електростанцій: позитивний вплив на екологію, загальнодоступність і невичерпність джерела.

Людство потребує енергії і активно використовує поновлювані джерела – нафта, вугілля, газ і торф. Природним шляхом, тобто дуже повільно, в надрах землі продовжують утворюватися їх запаси. Ця швидкість не відповідає швидкості їх використання і, безумовно, видобуток корисних копалин погіршує екологічну ситуацію.

Найкращий вихід – перехід до використання поновлюваних джерел енергії – сонця, вітру, біогазу. Активніше інших розвивається сонячна енергетика, географія використання різних типів сонячних електростанцій охоплює майже весь світ.

Кожна СЕС уповільнює негативні екологічні процеси. СЕС потужністю в 1 МВт скорочує обсяг викидів вуглекислого газу на 1,3 тисячі тонн на рік. Надлишкові виділення вуглекислого газу – ключовий фактор кліматичних змін на планеті. Чим ширше буде застосовуватися сонячна енергія для задоволення потреб людства в енергії, тим більше у нього шансів врятувати планету від руйнування.

Що являє собою сонячна енергія?

Сонячна енергія – найпотужніший постачальник відновлюваної енергії. Сонце освітлює планету мільярди років і для всіх форм життя на планеті з усього спектра сонячного випромінювання найбільш важливі світло і тепло.

Кожен квадратний метр Землі отримує в середньому 342 ват енергії. Це середнє значення, яке включає в себе день і ніч.

Використання сонячної енергії

Сонячна енергія – найбільш екологічно чиста. Застосування її не вимагає значних капітальних вкладень, вона є фактично безкоштовною, загальнодоступною і невичерпною. Недоліком сонячного енергопостачання є залежність потужності енергоустановок від географічної широти місця їх установки, пори року, часу доби, хмарності, ступеня забруднення атмосфери. Але там, де сонячна енергетика успішно впроваджена, сонячні промені нагрівають воду, поставляють в будинки і офіси тепло і електрику. Сфера застосування недорогої енергії тільки розширюється в міру розвитку і сучасні технології дозволяють ефективно використовувати будь-яку її кількість.

Існує пасивне використання енергії сонця або активне. Пасивне включає в себе: будівництво об’єктів з урахуванням клімату, підбір будівельних матеріалів для застосування енергії Сонця для освітлення, постачання тепла, циркулювання повітря в приміщеннях. А ось активне використання передбачає установку фотоелектричних сонячних панелей, СЕС баштового типу, СЕС тарельчатого типу і сонячних колекторів.

З усіх відновлюваних джерел енергії сонячна – найбільш широко використовуваний і надійне джерело. Ось ще кілька цікавих фактів:

• Існує і можливість покривати сонячною енергією тимчасові потреби. Наприклад, захисний чохол смартфона з сонячними елементами повністю забезпечує його енергетичні потреби, існують рюкзаки з сонячними батареями, сонячні навушники з можливостями бездротовим зв’язком Bluetooth. Через USB-вихід подібні пристрої дозволяють зарядити безліч електронних пристроїв.

• Космічна галузь неможлива без використання сонячного випромінювання. Завдяки сонцю працює апаратура штучних супутників, космічних кораблів і автоматичних міжпланетних станцій.

• В майбутньому ефективність (або коефіцієнт корисної дії) сонячних перетворювачів буде тільки збільшуватися внаслідок застосування нанотехнологій, впровадження сучасних розробок і результатів наукових досліджень.

• У перспективі сонячна енергія стане основним джерелом постачання енергією земної біосфери.

З усіх доступних способів отримання альтернативної енергії найбільш поширений – вироблення її на сонячних електростанціях. Найбільша на Землі сонячна електростанція «Айванпа» площею 13 кв.км. розташовується в Каліфорнії в пустелі Мохаве. На цій станції проводиться 30% всієї виробленої в США термальною енергії.

Чим корисні сонячні електростанції для бізнесу:

• безкоштовне джерело енергії;
• для отримання сонячної енергії потрібні лише початкові витрати на придбання обладнання. Багато держав заохочують використання сонячної енергії, приймаючи різні державні програми;
• термін експлуатації сонячних панелей – 25 років і більше;
• сонячні панелі і батареї практично не потребують технічного обслуговування;
• промислові СЕС автоматизовані, потребують мінімум обслуговуючого персоналу;
• при використанні сонячної енергії виключаються проблеми транспортування паливних ресурсів, зникають витрати на їх придбання, при цьому сонячна енергія ніколи не вичерпується і загальнодоступна;
• будувати СЕС можна на малоефективних вільних площах: наприклад, полях з грунтом, що не відповідає під с/г потреби;
• швидкість повернення інвестицій вище, ніж в нафтогазовій галузі.

В Україні працює більше 2 тис. Промислових СЕС. Їх сумарна потужність наближається до 2,4 ГВт. Великі сонячні електростанції:

• «Покровська» (240 МВт) в Дніпропетровській області;
• «Енерго-Стар» (120 МВт) в Херсонській області;
• «Схід Солар» (52,9 МВт) в Миколаївській області;
• «Дунайська» (43,14 МВт) і «Лиманська» (43,4 МВт) в Одеській області.

Група EDS побудувала і ввела у експлуатацію в Україні СЕС:

1. «Солар Парк Широке» (19,9 МВт), Запорізька область.
2. «Солен Енерджі» (19,9 МВт), Запорізька область.
3. «Білозерка» (19,5 МВт), Запорізька область.
4. «Солар Парк Веселе» (16 МВт), Запорізька область.
5. «Фотон Енерджі» (15 МВт), Запорізька область.
6. «Маків-1» (9 МВт), Хмельницька область.
7. «Сан Енерджі Межиріч» (7 МВт), Дніпропетровська область.
8. Інші електростанції в різних областях.

Великі сонячні електростанції в Україні розташовані також в Запорізькій, Івано-Франківській, Закарпатській областях.

Сонячна енергія – радіація і світло, що випромінюються Сонцем. Вони впливають на клімат планети Земля і створюють умови для життя. Що таке сонячна енергетика? Це один з напрямків альтернативної енергетики, заснований на використанні сонячного випромінювання для отримання енергії в будь-якому вигляді. Обсяги використання ростуть: в 1985 році сумарна потужність світових СЕС становила 0,021 ГВт. В 2019 вона перевищила 500 ГВт (3% від світового виробництва електроенергії).

Україна вигідно розташована з точки зору активності сонячного випромінювання. Територія має показники від 1400 кВт на рік на 1 кв.м в Херсонській обл до 1180 кВт на рік на 1 кв.м у Львівській та інших західних областях. Де будують сонячні електростанції в Україні? У всіх областях. Найбільша концентрація – в Дніпропетровській, Одеській, Миколаївській, Херсонській, Запорізькій областях. Умовна різниця обсягу генерації між південною СЕС (в Миколаївській області) та північній (в Київській або Чернігівській), не перевищує 10%.

Етапи будівництва промислової СЕС:

1. Реєстрація підприємства.
2. Розробка техніко-економічного обґрунтування.
3. Отримання прав на земельну ділянку.
4. Складання проекту.
5. Будівництво СЕС.
6. Підключення СЕС до зовнішніх електромереж.
7. Введення в експлуатацію.

Процес займає 0,5-1,5 років, в залежності від умов. Як влаштовані сонячні електростанції? Основні елементи промислових СЕС: фотопанелі (перетворюють енергію сонця в постійний струм) і підключення до них мережеві інвертори (перетворюють постійний струм в змінний). Інвертори підключені до загальної мережі через трансформатор.

Не існує поняття «середнього чека» для будівництва промислової СЕС. Сума інвестицій залежить від заявленої потужності, розміру земельної ділянки, інших факторів. Умовний рівень загальних витрат – $ 1000. на 1 кВт потужності. Застосування обладнання українських виробників – можливість отримати додаткові державні пільги. Де купити сонячні електростанції? В Україні можна придбати готові СЕС різної потужності, які вже генерують енергію. Можна купити (орендувати) земельну ділянку і за допомогою компаній, що надають послуги генпідряду (будівництво “під ключ”), побудувати сонячну електростанцію з нуля.

Сфера застосування:

• теплові колектори (гаряча вода) Системи;
• сонячні батареї для електротехніки, електроніки;
• СЕС: промислові та побутові;
• електротранспорт.

Переваги сонячної енергетики:

• Поновлюваність. Ресурс активності Сонця – 6,5 млрд років (дані NASA).
• Потенціал. Потужність сонячного випромінювання – 120 тис. ТВт. Це в 20 разів більше загальносвітової потреби в енергії.
• Доступність майже для всіх широт планети.
• Екологічність.
• Високий ресурс, низькі експлуатаційні витрати.
• Широке застосування. Постачання енергією регіонів, де недоступні централізовані ЛЕП.

Недоліки сонячної енергетики:

• Високі витрати на етапі розробки і впровадження.
• Мінливість: зниження продуктивності в негоду, взимку.
• Виробництво фотоелектричних модулів супроводжується викидами гексафториду сірки, трифторида азоту.
• Середня щільність потужності – 170 Вт / м2. Вона нижче за аналогічний показник для атомної енергії, вугілля, газу і нафти.

До 2020 року в Україні діяв один з найвищих «зелених тарифів» в Європі. Інвестиції у СЕС окупалися в середньому за 3,5-6 років. За новими умовами, для гарантованого викупу енергії державою, необхідно перемогти в аукціоні з розподілу квот. Термін окупності на таких умовах буде довше, однак збільшиться загальна прибутковість: переможці аукціонів отримують 20 років гарантії викупу енергії за фіксованою ціною.

Гарячі пропозиції 1 МВт

“зеленого”

1 МВт СЕС

Натисніть на проєкт на мапі,

Переваги для вас

Інвестиції в СЕС:

“зеленого”

Вітрогенератор (ВЕС) – інженерна споруда, що перетворює кінетичну енергію вітру в механічну енергію обертання ротора з подальшим перетворенням в електричну енергію. Основні види вітрогенераторів – горизонтальні “крильчасті” і вертикальні генератори карусельного типу.

Яка площа землі потрібна під розміщення вітряної станції?

Для ВЕС потужністю 1 МВт знадобиться 30-50 соток землі.

Вітряки вимагають малу площу, але по широкому периметру не повинно бути лісопосадок і інших перешкод вітру.

Сонячна електростанція (СЕС) – інженерна споруда, що перетворює сонячну радіацію в електричну енергію. Залежно від типу конструкції розрізняються і способи перетворення енергії випромінювання сонця.

Яка площа землі потрібно під розміщення сонячної станції?

Для СЕС потужністю 1 МВт знадобиться min 200 соток землі.

Вимагають більшу площу розміщення, ніж ВЕС, по периметру не повинно бути об’єктів, що затінюють панелі. Необхідно враховувати орієнтацію земельної ділянки, краще розташування столів з фотопанелями буде по південному схилу.

Гібридні системи ВЕС / СЕС – вітрогенератор, укомплектований сонячними батареями з акумуляторами. Забезпечується взаємна «підстраховка» альтернативних джерел енергії (вітер вночі і вдень, сонце вдень, накопичувач – в будь-який час). Контролер регулює ступінь зарядки акумуляторів і управляє процесами взаємодії системи.

Для розміщення гібридних станцій, в залежності від потужності, потрібна кількість землі дорівнює загальній кількості відповідно площі під фотоелектричні панелі і площі під вітрогенератори. Вимоги до ландшафту все ті ж: не затінюмо від сонця і не перешкоджаємо вітру.

Давайте порівняємо особливості вибору землі під електростанції більш детально у статті