CРАВНЕНИЕ ОСНОВНЫХ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ДЛЯ СЕВЕРО-ЗАПАДНОГО РЕГИОНА

Работа выполнена в рамках государственного задания (шифр № 13.707.2014/к).

Современные условия энергопотребления диктуют растущие с каждым годом требования по увеличению энергопотребления Санкт-Петербурга и окружающих его населенных пунктов. В 2011 году наблюдался пик энергопотребления по Санкт-Петербургу и Ленинградской области в истории, который составил 7420 МВт. Предыдущий рекорд был установлен в 2006 году — 7200 МВт. За год рост энергопотребления составляет около 6 %. Подобные рекорды для динамически развивающегося города, численность которого уже превысила 6 млн. человек по неофициальным данным (по официальным — 5 131 942 человек) — естественное явление. Основная нагрузка по энергоснабжению лежит на ЛАЭС. Однако её возможности не безграничны. На данный момент идет строительство ЛАЭС-2, которая должна увеличить выработку электроэнергии [2]. К тому же, дополнительно выработанная энергия может быть передана участкам сети, которые самостоятельно не могу удовлетворить требования потребителей. Также энергия может быть отправлена на экспорт в соседние страны, такие как Финляндия.

Для снижения нагрузки на основные источники электроэнергии предлагается использовать набирающие популярность в последнее время источники возобновляемой энергии (ВИЭ). Конкурентами для больших электростанций такие источники пока выступить не могут, хотя уже на данный момент есть проекты в которых фигурируют цифры 1 ГВт мощности, как например проект солнечной станции в Китае мощностью порядка 1,1 ГВт. Однако для потребителей относительно низких напряжений, а соответственно и мощностей возможно создать отдельную сеть, практически независимую от основной, которая будет работать сразу на низких и средних напряжениях постоянного тока для снабжения простых с точки зрения управления потребителей, таких, например, как освещение. Основными из указанных выше источников на данный момент являются солнечные батареи и ветряные генераторы. Другие источники возобновляемой энергии пользуются меньшим спросом на рынке по ряду причин. Это низкий КПД, технические сложности в эксплуатации, большой срок окупаемости и т. д.

Многие страны Европы, такие как Дания, Германия, Финляндия, Греция, Великобритания и др., вкладывают значительные ресурсы в развитие возобновляемых источников электроэнергии (Рис. 1) [3]. Во многих странах ЕС отсутствуют природные ресурсы для создания мощных ТЭЦ, поэтому они экспортируют электроэнергию. Развитие источников возобновляемой энергии позволило таким странам начать вырабатывать энергетические ресурсы на собственной территории. Спрос на такие технологии позволяет ускорить темпы модернизации [4].

Рисунок 1. Доля ВИЭ на конец 2011 г. в различных странах

Современные ветрогенераторы достигают мощности в 7,5 МВт — модель Enercon E-126 [5]. КПД многих ветрогенераторов в номинальной точке достигает 45 %, однако сильно варьируется от силы ветра. Потенциально ветрогенераторы могут достигнуть отметки в 59,3 % КПД [7, с. 29]. В сравнении — солнечные батареи достигают на сегодняшний день эффективности в 18 % для кремниевых батарей, которые являются одними из наиболее дешевых, и отметки 35—40 % для арсенид-галлиевых батарей, которые используются для солнечных станций, по причине большей стойкости к условиям внешней среды (150ºС — максимальная температура в сравнении с 70ºС для кремниевых) [1]. Мощность солнечных станций ограничивается только площадью, на которой устанавливаются солнечные батареи.

Однако данные устройства должны быть подключены к преобразовательным устройствам, которые также уменьшают суммарный КПД устройств. Ветрогенератор генерирует переменное напряжение, которое должно быть синхронизировано по фазе с током соседнего генератора, если таковой имеется, что создает дополнительные потери при преобразовании.

В случае с солнечными батареями для преобразования энергии используются инверторы. Они встречаются в двух вариантах. Для жилых зданий используются встроенные в панель солнечных батарей. Для группы солнечных батарей — один общий инвертор. Если речь идет о системе на постоянном токе, то после инвертирования энергии система нуждается в выпрямителе, что отражается на эффективности производства энергии.

Территориально Санкт-Петербург находится в северной части России, при этом расположен вокруг Финского залива, что отражается на погодных условиях. За год, в среднем, в Санкт-Петербурге бывает 72 солнечных дня с максимальной солнечной радиацией от 25 МДж/м² в декабре до 686 МДж/м² в июне. При такой различной активности солнца очень трудно реализовать стабильное энергопотребление для городских условий, которые должны работать вне зависимости от времени года. Так же следует учесть географическое положение города на планете. Из-за того, что Санкт-Петербург расположен на севере, разница в продолжительности светового дня очень велика на протяжении года, что делает невозможным создание источника бесперебойной электроэнергии на солнечных батареях в зимние периоды без дополнительных затрат на аккумуляторы.

Другую ситуацию можно наблюдать для ветровой активности. Особенности расположения города создают условия для практически бесперебойной работы ветрогенераторов. При этом ветрогенераторы устойчивы к осадкам и низким температурам. Статистика активности ветра говорит о том, что практически отсутствует период в году с нулевой активностью ветра (Рис. 2).

Рисунок 2. График среднемесячной активности ветра за 2012 год

Так же очевидным минусом при реализации солнечных батарей может стать выпадение осадков, которые будут оседать на солнечных панелях, снижая их способность потреблять солнечный свет [6, с. 34—49]. При более неблагоприятных условиях, обычный ливень может уменьшить КПД солнечной батареи в 2—3 раза. Так как климатическая обстановка в Санкт-Петербурге очень нестабильна, можно спрогнозировать случаи экстренной нехватки мощности для потребления даже простым потребителям, таким как освещение. Таким образом при рассмотрении двух источников возобновляемой энергии для условий Санкт-Петербурга, становится очевидно, что солнечные батареи слишком узкоспециализированный источник энергии. Они могут быть использованы только как дополнительный источник энергии, для снижения общих затрат на электроэнергию и, в некоторых случаях, для отдачи энергии обратно в сеть, что в некоторых европейских странах поощряется материально.

Для более стабильной работы предпочтительнее выбирать ветрогенераторы, как основной источник энергии. Не смотря на относительно большие затраты на установку и техническое обслуживание, ветрогенераторы более эффективны в территориальных и климатических условиях Санкт-Петербурга. Также их целесообразно использовать благодаря сравнительно небольшим занимаемым площадям. Очевидным решением стало бы оффшорное положение ветрогенераторов, то есть за пределами береговой линии.

Список литературы:
1.    «Арсенид-галлиевые СБ2» — [Электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://solar-battery.narod.ru/getero.htm (дата обращения: 13.01.2015).
2.    «Блок строителей ЛАЭС-2» — [Электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://publicatom.ru/blog/laes2/ (дата обращения: 12.01.2015).
3.    «Региональные рынки электроэнергии в странах ДЭХ», Секретариат энергитической хартии, Бельгия, 2003 г.
4.    «Энергия будущего, что делать, когда закончится нефть, газ и уголь». — [Электронный ресурс] — Режим доступа. URL: http://www.energoinform.org/news/2011/energy/111005e.aspx (дата обращения: 12.01.2015), Екатерина Струкова, Энергоинформ, 2011.
5.    “Enercon E-126”, Технические характеристики 2 — [Электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://www.enercon.de/en-en/66.htm (Дата обращения: 13.01.2015).
6.    “Solar power usage optimization for residential photovoltaic system” / Dmitrii Bogdanov / Lappeenrannan teknillinen yliopisto, 2013.
7.    “Wind Turbines: Fundamentals, Technologies, Application, Economics”. Hau E., Germany, 2006 г.