Солнечная фотоэлектрическая станция (СФЭС / PV): строительство по EPC-контракту и стоимость проекта

• Солнечная фотоэлектрическая станция: популярность в мире
• Новые материалы для строительства фотоэлектрических станций
• Тонкопленочные технологии
• Передовые фотоэлектрические модули
• Новые сферы применения фотоэлектрических станций
• Технологии и принципы работы солнечных фотоэлектрических станций
• Технологии производства и принцип действия фотоэлементов
• Контроллеры заряда для СФЭС
• Инверторы для солнечных фотоэлектрических станций
• Коммуникационные системы солнечных фотоэлектрических станций
• Защита PV электростанций от перенапряжения
• Экономическая целесообразность и стоимость строительства солнечных PV электростанций
• Строительство солнечных электростанций для промышленных предприятий
• ЕРС-контрактинг в солнечной энергетике

Среди причин интереса инвесторов к ВИЭ растущая обеспокоенность по поводу изменения климата, воздействие загрязнения воздуха на здоровье, вопрос энергетической безопасности и доступности, а также колебания цен на углеводородные энергоносители.

В настоящее время общая установленная мощность фотоэлектрических станций в мире превышает 600 ГВт, без учета солнечных систем концентрирующего типа.

Это второй по величине источник возобновляемой электроэнергии после ветряных ферм.

С конца 2010-х годов эта технология лидирует по скорости строительства новых электростанций. Эти тепмы в два раза больше, чем у ветряных электростанций и больше, чем у установок, работающих на ископаемом топливе, и атомных электростанций вместе взятых.

Только в 2020 году установленную PV мощность планируется увеличить на 140 ГВт.

По словам экспертов из Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA), развитие солнечной энергетики обусловлено снижением затрат, технологическими достижениями и созданием ключевых ассоциаций для сектора.

Солнечная фотоэлектрическая станция: популярность в мире

Учитывая наличие ресурсов, значительный рыночный потенциал и конкурентоспособность, ожидается, что фотоэлектрические технологии будут продолжать лидировать в сфере ВИЭ в большинстве регионов мира в течение следующего десятилетия.

Согласно прогнозам IRENA, количество новых солнечных фотоэлектрических станций может увеличиться в 5 раз в течение следующих 10 лет, достигнув совокупной мощности 2840 ГВт к 2030 году и 8500 ГВт к 2050 году.

Это значит, что установленная PV мощность в 2050 году будет в 18 раз больше, чем в 2018 году.

По оценкам экспертов, во всем мире 60% мощности в 2050 году будет приходиться на крупные фотоэлектрические установки, а оставшиеся 40% на кровельные системы.

Хотя крупномасштабные установки будут доминировать в 2050 году, мы ожидаем более быстрый рост в распределенных PV системах, который обусловлен соответствующими государственными политиками и стимулами.

На мировом рынке солнечной энергии сегодня доминирует Азия, на которую приходится более половины новых фотоэлектрических мощностей в мире. В 2019 году Китай добавил свыше 30 ГВт установленной мощности, тогда как Европейский Союз 16 ГВт, а Соединенные Штаты Америки — 13,3 ГВт.

Строительство солнечных фотоэлектрических станций в 2019 году:

Страна	Новые PV мощности, ГВт
Китайская Народная Республика	30,1
Страны Европейского Союза	16,0
Соединенные Штаты Америки	13,3
Индия	9,9
Япония	7,0
Вьетнам	4,8
Испания (ЕС)	4,4
Германия (ЕС)	3,9
Австралия	3,7
Украина	3,5
Южная Корея	3,1

Страны Азии во главе с Китаем в настоящее время лидируют по совокупному производству фотоэлектрической энергии.

На втором месте расположена Европа, а на третьем — Северная Америка, где 90% PV установок приходится на США.

Прогнозы показывают, что Азия продолжит лидировать в установленной PV мощности с 65% общей мощности до 2030 года. Наиболее значительный рост ожидается в Китае, где установленная PV мощность превысит 1400 ГВт к 2030 году.

Северная Америка займет второе место с 430 ГВт к 2030 году, причем 90% установок будет построено в Соединенных Штатах. Европа будет находиться на третьем месте к 2030 году с установленной мощностью порядка 300 ГВт.

Аналогичная ситуация сохранится к 2050 году, когда Азия все еще будет доминировать с почти половиной установленной фотоэлектрической мощности в мире.

По приблизительным оценкам, она составит 4800 ГВт, из которых 2800 ГВт должно приходиться на Китай, продолжающий демонстрировать совокупный годовой темп роста (CAGR) 9%.

Северная Америка сохранит вторую позицию с установленной фотоэлектрической мощностью 1720 ГВт. В регионе по-прежнему будут доминировать Соединенные Штаты. Европа в 2050 сохранит третье место с общей установленной PV мощностью 890 ГВт.

Порядка 22% европейских установок будет сосредоточено в Германии.

В то же время рост рынка, скорее всего, сместится в другие регионы, менее насыщенные регионы.

Ожидается бурное развитие солнечной энергетики в Южной Америке и Африке.

Будущий рост солнечной энергетики во многом зависит от сбалансированности энергетической политики и снижения стоимости PV технологий. Пути достижения этого состоят в том, чтобы использовать более дешевые материалы для фотоэлементов, снизить затраты на производство оборудования и повысить его эффективность.

Новые материалы для строительства фотоэлектрических станций

Сегодня мы наблюдаем непрерывный прогресс в области исследований и разработок как для существующих, так и для новых фотоэлектрических технологий с целью дальнейшего снижения затрат и повышения производительности.

Панели из кристаллического кремния (c-Si) — это первое поколение фотоэлектрических панелей, на которые приходится 95% мирового производства.

Благодаря распространенному основному материалу кремниевые панели c-Si являются более доступными и эффективными по сравнению с другими решениями.

За последние несколько десятилетий солнечные панели значительно улучшились с точки зрения эффективности и выходной мощности. Средняя эффективность модулей в 2006 году составляла 13,2% для поликристаллических и 14,7% для монокристаллических фотоэлектрических панелей.

С тех пор этот показатель неуклонно растет, достигнув 18% и 19% соответственно.

Ожидается, что эта положительная тенденция сохранится минимум до 2030 года.

В настоящее время сильная позиция c-Si на рынке затрудняет развитие других технологий. Однако, несмотря на высокий уровень эффективности этой фотоэлектрической технологии первого поколения, есть много возможностей для совершенствования.

Среди них:

• Снижение стоимости модулей c-Si для более высокой прибыли.
• Уменьшение металлических включений и профилактика дефектов.
• Ограничение воздействия на окружающую среду за счет сокращения отходов.
• Получение более тонких элементов благодаря улучшению свойств материала.

Технология PERC (Passivated Emitter and Rear Cell) использует усовершенствованную архитектуру кремниевых элементов.

Структура PERC элементов слабо отличается от структуры типичного монокристаллического фотоэлемента.

Ключевым улучшением здесь является интеграция поверхности с пассивированным слоем, что повышает эффективность ячейки. Пассивированный слой достигает этого тремя способами: он уменьшает рекомбинацию электронов, увеличивает поглощение света, обеспечивает более высокую внутреннюю отражательную способность.

Увеличение эффективности солнечных фотоэлементов за счет реализации архитектуры PERC для монокристаллических ячеек составляет около 0,8-1%, тогда как рост для поликристаллических ячеек несколько ниже — от 0,4 до 0,8%.

Технология PERC только недавно вышла на мировой рынок, но быстро становится новым отраслевым стандартом для монокристаллических фотоэлементов.

Тандемные солнечные фотоэлементы представляют собой совокупность отдельных элементов, расположенных друг над другом. Каждый из них преобразует свет с определенной длиной волны, позволяя остаточному свету поглощаться и преобразовываться в электричество нижним элементом.

Новые технологии в солнечной энергетике включают несколько вариантов тандемных ячеек, которые могут быть сгруппированы в основном по используемым материалам (органические, неорганические, гибридные), а также по типу используемой связи.

Подход с использованием тандемных ячеек был применен для проектирования самых эффективных в мире солнечных элементов, которые способны преобразовывать до 50% энергии солнечного света в электрическую энергию.

К сожалению, в этих устройствах используются очень дорогие материалы и производственные процессы, поэтому их сложно выводить на рынок.

Тонкопленочные технологии

Тонкопленочные технологии называют фотоэлектрическими панелями второго поколения.

Полупроводниковые материалы, используемые в производстве тонкопленочных элементов, имеют толщину всего несколько микрон.

Эти технологии включают две основные разновидности — элементы на основе кремния (аморфный и микроморфный кремний a-Si / c-Si) и некремниевые элементы (перовскиты, теллурид кадмия и диселенид меди-иридия-галлия, CIGS).

Тонкопленочные технологии могут быть дешевле в производстве и легко внедряются в коммерческом плане, но их показатели эффективности все еще ниже.

В настоящее время большинство солнечных элементов изготавливаются из кремния. Но одна из областей, на которой акцентируют внимание эксперты — разработка новых материалов.

Одним из наиболее перспективных является перовскит — редкий минерал с очень хорошей способностью поглощать свет. Первые перовскитовые устройства в 2009 году преобразовали всего 3,8% энергии солнечного света, но их эффективность растет.

Поскольку кристаллы очень легко изготовить в лаборатории, их производство также быстро увеличивается. В 2018 году эффективность солнечных элементов из перовскита уже достигла 24,2%, что близко к показателям лабораторных кремниевых элементов (26,7%).

К сожалению, перовскитовые элементы по-прежнему сталкиваются с рядом серьезных проблем, которые мешают их распространению.

Одна из них — низкая устойчивость.

Поскольку кристаллы перовскита легко растворяются, их нельзя использовать во влажных условиях. Такие элементы требуют защиты от влаги путем посредством покрытия их слоем оксида алюминия и тому подобного.

Еще одной проблемой для ученых является то, что высокую эффективность небольших перовскитовых солнечных элементов сложно воспроизвести на более крупных элементах.

Если эти барьеры удастся преодолеть, технология сможет изменить экономику солнечной энергетики. Перовскитовые элементы дешевле в производстве и не требуют таких сложных высокотемпературных условий производства, как кремниевые устройства.

Солнечные элементы CIGS также относительно высокоэффективны по сравнению с элементами на основе кристаллического кремния. Но крупномасштабное промышленное производство элементов CIGS затруднено в краткосрочной перспективе из-за дороговизны индия, сложной стехиометрии и многоступенчатого производства.

Элементы из теллурида кадмия в настоящее время имеют эффективность более 21%, аналогичную эффективности CIGS. Этот материал характеризуется довольно высоким поглощением и низкими потерями энергии.

Солнечные элементы CdTe производятся при помощи низкотемпературных процессов, что делает их производство гибким и доступным. В настоящее время CdTe является лидером на рынке среди основных тонкопленочных технологий в солнечной энергетике.

Передовые фотоэлектрические модули

Появление новых архитектур способствует повышению эффективности солнечных фотоэлектрических станций.

Основной движущей силой этого изменения являются элементы PERC (пассивный излучатель и задний модуль) и их совместимость с другими инновациями.

В будущем наиболее важная технологическая тенденция на рынке связана с развитием двухсторонних солнечных элементов и модулей. Двусторонние элементы разрабатывались на протяжении десятилетий. Неудивительно, что сегодня этот производственный процесс можно считать одним из самых надежных и хорошо отработанных.

Двухсторонние элементы генерируют электроэнергию не только от падающего на лицевую часть солнечного света, но и от отраженного света, падающего на обратную сторону. Сегодня Китай является лидером в области разработок, крупнейшим мировым производителем и конечным рынком двусторонних фотоэлектрических модулей.

Спрос на эти элементы растет во всем мире.

В частности, двусторонние солнечные элементы активно используются в фотоэлектрических установках для коммунальных служб в Бразилии и Соединенных Штатах, а также в Великобритании.

Использование двухсторонних модулей обеспечивает повышение эффективности примерно на 5-20% за счет увеличения выхода энергии из определенной модульной области.

По словам экспертов отдела модульных технологий в Институте солнечных энергетических систем Фраунгофера, почти каждый производитель элементов на PERC также работает над двусторонней технологией.

Несмотря на рост и преимущества двусторонних солнечных элементов, новая технология должна преодолеть некоторые проблемы, такие как отсутствие международного стандарта тестирования, а также проблемы с моделированием производства энергии.

Одним из типов двухсторонних модулей является тип стекло-стекло. Это солнечные панели, элементы которых расположены между двумя стеклянными панелями. Они используются для коммунальных систем и являются оптимальным решением для суровых условий окружающей среды (более устойчивы к проникновению влаги).

Несмотря на значительный опыт промышленного производства таких панелей, высокая стоимость и значительный вес оборудования тормозит рост рынка.

По состоянию на 2020 год, их доля достигала 10%, однако в течение 10 лет она вырастет до 40%.

Полуэлементы представляют собой разрезанные пополам элементы, которые производятся с помощью продвинутых лазерных станков. Развитию этой технологии способствует простота технологического процесса и минимальные изменения в работе лазерных станков.

Полуэлементы повышают эффективность и долговечность фотоэлектрических модулей и могут предложить немедленное увеличение КПД. Благодаря интеграции PERC технология полуэлементов доводит КПД традиционных элементов до 18% и более.

Кремниевые солнечные элементы металлизированы тонкими полосами на передней и задней поверхностях, шинами, которые необходимы для проведения тока, генерируемого элементом. Старые панели обычно имеют две шины, но индустрия движется к более высокой эффективности, и число шин в настоящее время достигает 3 или более.

Большее количество шин связано с более высокой эффективностью фотоэлектрических модулей из-за уменьшения потерь в результате внутреннего сопротивления.

Новые сферы применения фотоэлектрических станций

Плавающие фотоэлектрические установки являются развивающимся рынком с потенциалом быстрого роста.

Согласно отчету Всемирного банка, в конце 2018 года общая установленная мощность плавающих фотоэлектрических систем составляла 1,1 ГВт.

Спрос на плавучие фотоэлектрические установки растет, особенно в островных и других ограниченных по суше странах, поскольку цена на размещение морских платформ намного ниже по сравнению с солнечными фотоэлектрическими станциями на суше.



Плавающие солнечные системы особенно подходят для Азии, где отмечается нехватка земли, но есть значительные гидрологические ресурсы с готовой инфраструктурой передачи. Европа также имеет огромный потенциал для плавающих фотоэлектрических систем, особенно в Нидерландах и Франции.

Однако, как и любая новая технология, плавающие солнечные электростанции испытывают многочисленные технические трудности, которые необходимо преодолеть. В частности, это недостаточно надежные якорные системы и средства навигации.

Еще одной растущей тенденцией в области солнечной энергетики является интеграция солнечных батарей в жилых и коммерческих зданиях.

Этот подход имеет ряд преимуществ.

Во-первых, интегрированный в здание PV элемент (BIPV) является многофункциональным, так как он может быть адаптирован практически к любым наружным поверхностям. Данные устройства могут выполнять в здании пассивные и активные функции.

Ключевой пассивной функцией является тепло- или звукоизоляция. Другими уникальными преимуществами интегрированных фотоэлектрических систем в зданиях эксперты считают возможность регулирования отопления и освещения в режиме реального времени.

Во-вторых, BIPV являются экономически эффективным решением. Они предлагают потенциал в плане снижения затрат за счет кровельных материалов и рабочей силы.

По сравнению с обычными кровельными материалами, BIPV системы более дорогостоящие. Но с учетом дополнительных доходов от вырабатываемой электроэнергии эти более высокие первоначальные инвестиции компенсируются достаточно быстро. Среди положительных аспектов BIPV универсальность и гибкость с точки зрения дизайна.

Солнечные парковки также набирают популярность.

Они представляют собой наземные фотоэлектрические панели, под которыми припаркованы автомобили. Помимо обеспечения тени для транспортных средств, панели генерируют электричество, которое можно использовать, например, для станций зарядки электромобилей.

Наконец, солнечные парковки могут обеспечивать возможность дополнительного накопления энергии при наличии такой интегрированной системы.

Рост рынка солнечных парковок определяется несколькими факторами.

Разница в стоимости между кровельными фотоэлектрическими панелями и обычными конструкциями продолжает сокращаться, что делает их привлекательным решением для многих инвесторов.

Движущей силой этого рынка также являются коммунальные предприятия, которые все больше полагаются на распределенную выработку энергии на местах в качестве способа повышения надежности сети электроснабжения.

Солнечные деревья очень похожи на настоящие, так как имеют листовые панели, соединенные металлическими ветвями. Их можно рассматривать как дополнение к солнечным фотоэлектрическим установкам на крышах зданий.

Как правило, солнечные деревья более эргономичные по сравнению с обычными горизонтальными системами и занимают почти в 100 раз меньше места для выработки такого же количества энергии. Это делает солнечные деревья подходящим решением для регионов с ограниченными площадями, не имеющими возможности массового строительства традиционных солнечных фотоэлектрических станций.

Сегодня большинство опреснительных установок морской воды работают на ископаемом топливе, что делает их неустойчивыми в долгосрочной перспективе.

Двумя наиболее популярными методами опреснения и производства питьевой воды являются мембранный метод (обратный осмос, нанофильтрация и электродиализ) и термический метод (различные виды дистилляции).

Поскольку мембранные технологии не требуют нагрева, такие установки могут комбинироваться с ветряной турбиной или солнечной фотоэлектрической системой. В связи со значительным падением цен на фотоэлектрическое оборудование и растущим спросом на питьевую воду эксперты ожидают массового строительства новых опреснительных установок, работающих на солнечной энергии.

Агривольтаика (Agrivoltaics) использует солнечные панели для сельского хозяйства, включая выращивание различных культур под наземными фотоэлектрическими панелями.

Хотя эта концепция была предложена давно, до последнего времени агривольтаике уделялось мало внимания. Сегодня многие ученые подтвердили преимущества ее реализации, такие как производство большего количества электроэнергии, достижение высоких урожаев и использование меньшего количества воды.

Гибридные солнечные системы (PV-T) объединяют производство электрической и тепловой энергии в одном коллекторе. Они включают солнечную панель с системой охлаждения, в которой хладагент (вода или воздух) циркулирует вокруг солнечных элементов, нагреваясь до такой степени, чтобы использовать тепловую энергию для различных применений.

Система охлаждения фотоэлектрических панелей имеет двойное преимущество. Она значительно повышает эффективность производства электроэнергии и позволяет улавливать тепло, используя его для отопления помещений, нагрева воды и промышленных процессов.

Фактически, большинство современных фотоэлектрических модулей используют только около 15-20% поступающей солнечной энергии, остальное теряется в виде тепла.

Новые тенденции солнечной энергетики направлены на решение этой проблемы.

Технологии и принципы работы солнечных фотоэлектрических станций

В наши дни солнечные фотоэлектрические станции, без преувеличения, являются основой возобновляемой энергетики. Фотоэлементы бывают самых разных размеров — от почтовой марки до панелей, занимающих десятки квадратных метров.

Соединенные вместе фотоэлектрические элементы образуют солнечные модули.

Модули, в свою очередь, можно комбинировать и соединять в фотоэлектрические системы разных размеров и выходной мощности.

Мощность фотоэлектрической солнечной системы зависит от множества факторов, включая используемые технологии и материалы фотоэлементов, интенсивность излучения и др.

Помимо солнечных панелей, элементами солнечной электростанции являются монтажные конструкции, системы трекинга (слежения за солнцем), аккумуляторные батареи и силовая электроника (включая инвертор, контроллер и оборудование для подключения к сети).

Краткая история солнечной энергетики

Каждый знает, что фотоэлектрические солнечные системы преобразуют солнечную энергию в электричество.

Однако немногие специалисты знают интересную этимологию термина «фотоэлектрические».

Слово впервые появляется в конце XVIII века.

Он состоит из двух частей - «фото», производного от греческого слова «свет», и «вольт» в честь первооткрывателя электричества Алессандро Вольта.

Согласно историческим данным, фотоэлектрический эффект был открыт французским физиком Эдмоном Беккерелем еще в 1839 году. Фотоэлектрические системы давно стали частью повседневной жизни. Сегодня солнечные электростанции обеспечивают потребителей одним из наиболее доступных и чистых видов энергии.

После открытия в конце XIX века фотопроводимости селена начался новый этап развития солнечной энергетики, так что в 1941 году был построен первый селеновый фотоэлемент с коэффициентом полезного действия примерно 1%.

В 1955 году Western Electric Company была первой компанией в мире, которая начала коммерциализацию солнечных панелей. Поскольку солнечная радиация в космосе намного выше, эти низкоэффективные элементы использовались для питания космических станций.

В 1958 был запущен первый спутник с солнечными панелями «Авангард 1», который является самым старым действующим спутником в космосе. За ним в 1962 году последовал «Телстар», который был первым спутником связи, оборудованным фотоэлектрическими элементами мощностью 14 Вт. В 1971 году этой технологией были оснащены советские космические станции, участвующие в программе «Салют».

В 1970-х годах, подгоняемые нефтяным кризисом, NASA и министерство энергетики США начали активное исследование концепции солнечной энергии для обеспечения потребления энергии Земли через спутники в космосе. В 1979 году был предложен парк спутников, установленная мощность которого достигала 10 ГВт, но в 1981 году проект был закрыт вследствие высокой стоимости строительства этих спутников.

Первые наземные солнечные фотоэлектрические станции были разработаны в начале 1980-х годов, и большая их часть построена в Соединенных Штатах. К 90-м годам все больше стран начали вырабатывать электроэнергию с помощью этой технологии, среди которых были Япония, Испания, Германия, Италия и другие.

Следует подчеркнуть важную роль Китая в строительстве солнечных электростанций, который к 1997 году превзошел США и стал крупнейшим производителем солнечной энергии в мире.

Сегодня Китай также является одним из мировых лидеров по промышленному производству оборудования для солнечной энергетики.

Использование солнечного света для производства электроэнергии

Как фотоэлектрический элемент преобразует солнечную энергию в электричество?

Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо понимать свойства природного солнечного света.

Известно, что солнечная энергия жизненно важна для жизни на Земле.

Она определяет температуру поверхности Земли и обеспечивает протекание многих жизненных процессов.

Некоторые другие звезды являются огромными источниками энергии в виде рентгеновских лучей и радиосигналов, но Солнце излучает основную долю энергии в виде видимого света. Однако видимый свет представляет собой лишь часть электромагнитного спектра. Почти вся энергия Солнца находится в диапазоне длин волн от 2х10-7 до 4х10-6 метра.

Каждой длине электромагнитной волны соответствует определенная частота и энергия. Чем меньше длина волны, тем выше частота и больше она несет энергии. Например, красный свет находится на конце видимого спектра низкой энергии, а фиолетовый свет — в противоположном конце спектра высокой энергии.

В невидимой части электромагнитного спектра действует та же зависимость — ультрафиолетовый свет имеет высокую энергию, а инфракрасный — низкоэнергетический. Следовательно, излучение в инфракрасной области, которое мы воспринимаем как тепло, содержит меньше энергии, чем излучение в видимой области.

Какую энергию используют фотоэлементы?

Фотоэлементы по-разному реагируют на световые волны разной длины.

Например, кристаллический кремний использует видимый спектр и часть инфракрасного спектра. Но количество энергии в инфракрасном спектре слишком мало для выработки электричества.

Однако свет, содержащий слишком много энергии, не может эффективно использоваться солнечными элементами для выработки электричества. Основная причина в том, что эта энергия превращается в тепло.

Какова мощность солнечного излучения?

Солнце постоянно излучает огромное количество энергии.

Земля получает ничтожную долю этой энергии.

Тем не менее, на каждый квадратный метр внешнего слоя атмосферы Земли приходится в среднем 1360 Вт солнечной энергии. Он поглощает и отражает часть этого излучения, в том числе большую часть рентгеновских и ультрафиолетовых лучей.

Однако количество солнечной энергии, которая достигает поверхности земли каждый час, превышает общее количество энергии, которое человечество использует за год (!).

Сколько энергии теряет свет, перемещаясь из верхних слоев атмосферы на поверхность Земли?

Эти потери энергии зависят от толщины атмосферы, через которую должна пройти солнечная энергия.

Лучистая энергия, которая достигает уровня моря в полдень при ясном небе в умеренных широтах, равна 1000 Вт / м².

По мере того как Солнце движется все ниже и ниже по небу, свет проходит через увеличивающуюся толщину слоя воздуха, перемещаясь на большее расстояние, теряя больше энергии. Поскольку Солнце находится в зените только в течение короткого периода времени, доступная энергия обычно значительно меньше 1000 Вт / м².

Особенности прямого и рассеянного света

Как уже отмечалось, атмосфера и облака Земли поглощают, отражают и рассеивают часть солнечного света. Однако той доли солнечной энергии, которая достигает поверхности Земли, достаточно для производства солнечной электроэнергии.

Следует учитывать, что часть солнечного излучения прямая, а другая — рассеянная.

Различие между двумя типами солнечного излучения крайне важно. Некоторые солнечные электростанции могут использовать оба вида, однако системы для концентрации солнечного света на фотоэлементах могут работать только с прямыми лучами.

Прямой свет включает излучение, исходящее непосредственно от Солнца, которое не отражается от облаков, пыли, земной поверхности или других объектов. Эксперты говорят о перпендикулярном излучении, имея в виду часть света, которая исходит непосредственно от Солнца и падает на поверхность фотоэлектрического модуля под углом 90 градусов.

Рассеянный свет — это солнечная энергия, которая отражается облаками, пылью, земной поверхностью или другими объектами.

Очевидно, что добраться до модуля отраженному свету сложнее, чем прямым солнечным лучам.

Рассеянный свет не сможет быть сфокусирован оптикой концентраторов.

Общее солнечное излучение определяется как общее количество солнечной радиации, попадающей на горизонтальную поверхность. Оно состоит из двух компонентов — это прямой перпендикулярный и рассеянный свет. Кроме того, рассеянный и прямой перпендикулярный солнечный свет характеризуется разными спектрами.

Устройство солнечной фотоэлектрической станции

В целом, солнечная электростанция — простая и практичная система, которая позволяет нам вырабатывать электроэнергию в местах, где дорого использовать электрическую сеть.

В дополнение к фотоэлектрическим модулям, строительство солнечных электростанций включает в себя прокладку кабелей, монтаж и настройку электрического оборудования, которое преобразует параметры вырабатываемой электроэнергии в значения сети, подключение аккумуляторных батарей и многое другое.

Солнечные панели

Панели представляют собой набор солнечных элементов, которые отвечают за улавливание солнечного излучения и преобразование его в электрическую энергию. Это наиболее важная и наиболее дорогостоящая часть любой фотоэлектрической системы.

Контроллеры

Интенсивность солнечного излучения в разные дни может значительно отличаться.

В некоторые дни фотоэлементы работают на минимальной мощности, тогда как в другие избыток солнечного света перегружает солнечную электростанцию.

Контроллер представляет собой небольшое электронное устройство, которое контролирует количество электроэнергии, поступающей от панелей, предотвращая перегрузку установки из-за избыточного солнечного излучения.

Инверторы

Фотоэлементы генерируют постоянный электрический ток, но подавляющее большинство электроприборов работают с другим типом тока, переменным током.

Инвертор — это устройство, которое преобразует постоянный ток от солнечных панелей в тип энергии, который можно использовать и передавать на большие расстояния.

Аккумуляторы

Аккумуляторные батареи, как и в любой другой системе, отвечают за хранение электрической энергии, когда источник солнечного излучения недоступен.

В настоящее время разрабатываются более эффективные и надежные системы хранения электрической энергии, такие как системы хранения энергии на жидком воздухе (LAES) британской инновационной компании Highview Power.

Типы солнечных фотоэлектрических станций

Сегодня солнечные электростанции можно увидеть в самых изолированных местах на Земле и в сердце крупнейших городов.

Существуют различные типы систем, среди которых:

• Автономные фотоэлектрические солнечные системы.
• Аккумуляторные фотоэлектрические солнечные системы.
• Солнечные фотоэлектрические станции, подключенные к электросети.
• Солнечные фотоэлектрические станции с резервным генератором.
• Гибридные фотоэлектрические солнечные системы и др.

Приведенная классификация фотоэлектрических солнечных систем более или менее условна.

Автономные фотоэлектрические солнечные системы

Такие электростанции производят электроэнергию независимо от электросети.

В ряде случаев автономные фотоэлектрические солнечные системы являются более экономичным решением, чем альтернативное расширение электросети. Они считаются особенно подходящими для мест с высокими экологическими требованиями, удаленных линий электропередач, например, в национальных парках.

В сельских районах небольшие автономные солнечные фотоэлектрические станции часто питают домашнее освещение, электрические системы безопасности и солнечные водяные насосы. Большинство из них оснащены аккумуляторными батареями.

Солнечные фотоэлектрические станции, подключенные к электросети

Для обеспечения максимальной эффективности большинство солнечных фотоэлектрических систем подключены к центральной сети электроснабжения.

В часы, когда потребление энергии меньше производственной мощности системы, часть произведенной электроэнергии поставляется в электросеть. И наоборот, система потребляет энергию из сети, когда текущая мощность фотоэлементов недостаточна.

Этот тип фотоэлектрической солнечной системы устраняет потребность в дорогостоящих аккумуляторных батареях, хотя подключение к электросети может быть достаточно трудным. Согласно действующему законодательству ряда европейских стран, электрические компании обязаны покупать солнечную энергию по льготным ценам.

Гибридные фотоэлектрические солнечные системы

Гибридные системы удовлетворяют потребности в энергии потребителей, комбинируя несколько решений для накопления избыточной солнечной энергии в определенный момент времени.

В дополнение к фотоэлектрическим солнечным системам, они включают дизельные генераторы, ветряные генераторы, малые гидроэлектростанции и другие источники электроэнергии с учетом географического положения и его характерных доступных энергетических ресурсов.

Гибридные системы считаются оптимальным решением для электропитания удаленных потребителей, таких как станции связи, военные объекты и дачные поселки. Во всем мире они широко используются для питания сейсмических измерительных станций, расположенных, например, посреди океана.

Эффективность гибридных решений зависит от того, насколько точным является предварительный анализ конкретных характеристик конкретной прикладной задачи, включая потребление энергии, доступные энергоресурсы и ценовой эквивалент их использования. Это позволит спроектировать гибридную систему, соответствующую энергетическим потребностям клиентов наилучшим образом.

Технологии производства и принцип действия фотоэлементов

Солнечные фотоэлектрические элементы, которые преобразуют солнечное излучение в электричество, преимущественно изготавливаются из полупроводниковых материалов.

Одним из наиболее широко используемых материалов для производства солнечной электроэнергии является кристаллический кремний (c-Si).

На данный момент это наиболее доступный материал, из которого изготавливаются фотоэлементы. Он используется в нескольких формах: монокристаллический кремний, поликристаллический кремний, листовой кремний и тонкослойный кремний.

Популярные технологии производства кристаллического кремния включают метод Чохральского (метод CZ), метод плавающих зон (метод FZ) и другие технологии, включая литье, экструзию или волочение.

Удаление примесей и дефектов в кремнии имеет особое значение для эффективной работы фотоэлементов и выполняется с помощью таких методов, как пассивация поверхности (обработка поверхности водородом) и газовая абсорбция (химическая термическая обработка, вызывающая диффузию примесей кремния).

Тонкослойные фотоэлементы из аморфного кремния

Начиная примерно с 2000-х годов, все большую долю рынка занимают фотоэлементы, произведенные на основе тонкослойные покрытия.

Эти элементы состоят из слоев полупроводниковых материалов толщиной несколько микрометров, нанесенных на недорогую основу, такую как стекло, гибкий пластик или нержавеющая сталь.

Полупроводниковые материалы, нанесенные в виде тонких пленок, содержат аморфный кремний (a-Si), диселенид меди-индия (CIS) и теллурид кадмия (CdTe). Аморфный кремний не имеет кристаллической структуры, и его свойства постепенно ухудшаются под воздействием света из-за эффекта Стеблера-Вронского. Описанный эффект можно уменьшить путем водородной пассивации.

Поскольку количество полупроводникового материала, необходимого для нанесения тонкопленочных покрытий, значительно меньше, чем у традиционных фотоэлектрических элементов, стоимость их производства значительно ниже по сравнению с фотоэлементами старого типа из кристаллического кремния.

Другие материалы для производства фотоэлементов

Химические элементы III и V групп в периодической таблице отличаются высокой эффективностью при нормальном и концентрированном солнечном свете.

Монокристаллические ячейки этого типа обычно изготавливаются из арсенида галлия (GaAs). Особенностью арсенида галлия является то, что его легирование такими элементами, как индий, фосфор и алюминий, создает полупроводники, характеризующиеся максимальной эффективностью преобразования солнечного света с разными характеристиками.

Стремление повысить эффективность работы солнечных фотоэлектрических станций ведет к разработке высокоэффективных ячеек с множеством pn-переходов.

Они представляют пакеты из индивидуальных солнечных элементов, размещенных друг на друге, чтобы добиться максимального захвата и преобразования солнечной энергии.

Верхний слой фотоэлемента преобразует солнечный свет, содержащий больше всего энергии. Слой свободно передает оставшуюся солнечную энергию другим слоям, которые поглощают и преобразуют ее. Для производства таких высокоэффективных фотоэлементов широко используются арсенид галлия и его сплавы, а также аморфный кремний, диселенид меди-индия, а также фосфид галлия-индия.

Хотя были разработаны солнечные элементы с двумя pn-переходами, большинство исследований сосредоточено на элементах с 3 и 4 pn-переходами с использованием таких материалов, как германий. Цель состоит в том, чтобы максимально использовать световое излучение, содержаще наименьшее количество энергии в нижнем слое.

Инновационные фотоэлементы

В некоторых изделиях вместо полупроводниковых материалов солнечные элементы выполнены из слоя диоксида титана, пропитанного светочувствительной краской. Поскольку диоксид титана относительно недорог, такие солнечные элементы могут значительно снизить расходы.

Другие технологии основаны на использовании полимерных материалов.

Технологии производства фотоэлектрохимических элементов, которые генерируют водород из воды в присутствии солнечного света, также обладают значительным потенциалом.

Производство готовых солнечных панелей

Широкое распространение фотоэлектрических элементов для получения электроэнергии связано с необходимостью производства сборных блоков солнечных элементов — панелей.

Оптимизация массового производства открывает огромные возможности в плане конкурентоспособности солнечных фотоэлектрических станций.

Технические проблемы в основном связаны с удалением примесей, содержащихся в полупроводниковом материале. Примеси оказывают серьезное влияние на эффективность фотоэлементов, а технологии их удаления могут быть довольно трудоемкими и дорогими.

Ключевыми этапами производственного процесса являются пассивация поверхности материалов и нанесение специальных антибликовых покрытий. Размещение солнечных фотоэлектрических модулей в защитном кожухе — еще один важный шаг в производственном процессе.

Контроллеры заряда для СФЭС

Основная функция контроллера заряда в фотоэлектрической системе — это защищать аккумулятор, контролировать процесс зарядки и предотвращать его разряд в ночное время.

Самый простой и дешевый контроллер заряда — обыкновенный автоматический выключатель с двумя положениями (вкл / выкл).

Когда заряд аккумулятора падает, контроллер включает зарядку от солнечной панели до максимального уровня при любом напряжении, независимо от требований аккумулятора. Когда солнце заходит, устройство отключает солнечные панели от аккумулятора.

Солнечные модули характеризуются постоянно изменяющейся выходной мощностью из-за изменения положения солнца как в течение дня, так и в течение года.

Их работоспособность также зависит от температуры и облачности в конкретный момент времени.

Контроллер с двумя положениями включения / выключения должен работать при любом выходном напряжении на солнечной панели и при любых колебаниях нагрузки. Обычно максимальное потребление энергии не совпадает с периодами, когда солнечные фотоэлементы генерируют максимальную выходную мощность.

В процессе зарядки контроллера критически важна степень зарядки аккумулятора. Большинство аккумуляторов, когда они почти полностью разряжены, можно зарядить до очень высокой степени. С другой стороны, даже полностью заряженный аккумулятор постоянно требует минимальной зарядки.

Виды контроллеров для СФЭС

При зарядке более высоким током аккумулятор будет заряжаться быстрее.

Это важно, особенно когда солнечный свет доступен всего несколько часов в день.

Если не уменьшить ток незадолго до достижения полного заряда, аккумулятор может начать выделять газы или перегреваться, что приведет к его повреждению.

Один из способов избежать этой проблемы с зарядкой постоянным током независимо от уровня заряда — использовать современный контроллер заряда с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Хотя в принципе он также имеет два состояния включения / выключения, частота включения и выключения (импульсы) на выходе фотоэлемента регулируется в зависимости от уровня заряда аккумулятора.

При падении напряжения аккумулятора продолжительность режима «включено» увеличивается. Когда уровень заряда достигает максимума, режим «выключено» становится дольше. Многие передовые солнечные контроллеры заряда используют широтно-импульсную модуляцию для регулирования зарядного напряжения, поскольку это ограничивает сульфатацию аккумуляторных батарей.

Хотя контроллер заряда с ШИМ значительно улучшает процесс зарядки аккумулятора, он не обеспечивает такую комбинацию тока и напряжения, когда солнечная энергия используется с максимальной эффективностью. Данная технология не обеспечивает оптимальное напряжение для зарядки аккумулятора.

Из доступных в настоящее время на рынке контроллеров для солнечных фотоэлектрических станций, самым эффективным и самым дорогим является устройство с мониторингом точки максимальной мощности (МРРТ). Этот контроллер с программным управлением регулирует напряжение и ток, отслеживая влияние исходных параметров на выходную мощность.

Система мониторинга ищет излом вольт-амперной кривой каждой конкретной солнечной панели, потому что в данной точке конкретные значения напряжения и тока обеспечивают максимальную выходную мощность.

Поскольку МРРТ контроллер заряда непрерывно регулирует напряжение и ток на выходе солнечной панели или массива панелей, чтобы максимизировать выходную мощность, он также должен регулировать напряжение и ток, подаваемые на вход батареи.

Цель состоит в том, чтобы сделать процесс зарядки максимально эффективным и коротким.

МРРТ контроллер способен эффективно использовать дополнительное генерируемое напряжение, которое превышает требуемое значение для зарядки аккумулятора — при использовании более дешевого солнечного контроллера заряда он теряется.

МРРТ контроллеры можно использовать на солнечных панелях с более высоким выходным напряжением, заряжая дополнительный аккумулятор с низким напряжением. Возможность использования аккумуляторов с напряжением более 12 В, в свою очередь, позволяет устанавливать меньшие и более дешевые предохранители, силовые разъединители и электрические кабели с меньшим поперечным сечением.

Большинство МРРТ контроллеров действительно могут справляться с довольно большими расхождениями между выходным напряжением панелей и напряжением аккумулятора.

Перенаправление избыточной энергии

Некоторые контроллеры заряда снабжены дополнительной функцией для перенаправления избыточной энергии на отдельную нагрузку.

Это обычная практика для крупных солнечных электростанций, не подключенных к сети в определенное время года.

Рассмотрим ситуацию, когда фотоэлементы дают больше энергии, чем способны накопить аккумуляторы. Вместо того, чтобы потерять энергию до конца дня, контроллер определяет состояние заряда аккумуляторных батарей, а затем перенаправляет энергию, вырабатываемую солнцем, на отдельную нагрузку.

Это может быть, например, нагревательный элемент постоянного тока, установленный на дне резервуара с водой. Тогда контроллер будет использовать избыточную энергию для промышленного отопления, существенно повлияв на экономические результаты работы фотоэлектрической системы, в том числе на окупаемость инвестиций.

Температурная компенсация

Все химические реакции зависят от температуры, и это полностью относится к реакции химического преобразования энергии, происходящей в аккумуляторных батареях.

Идеальная рабочая температура для аккумулятора с погружными элементами и глубокой разрядкой составляет около 25 ° C — это температура, при которой проверяются рабочие параметры этих аккумуляторов, указанные производителем.

Чтобы поддерживать максимально возможное качество работы аккумулятора и продлить срок его эксплуатации, напряжение зарядки необходимо повышать в ситуациях, когда температура окружающей среды ниже указанной.

И наоборот, напряжение уменьшается, когда температура окружающей среды выше номинальной.

Аккумуляторы требуют разной скорости зарядки в зависимости от температуры пластин внутри. Некоторые контроллеры имеют дополнительный встроенный датчик температуры, который измеряет температуру окружающего воздуха и соответствующим образом регулирует напряжение зарядки.

Предполагается, что аккумулятор будет находиться рядом с контроллером при той же температуре. Однако это не всегда так. Разница температур может быть значительной, особенно в тех случаях, когда контроллер заряда установлен высоко на стене с теплоизоляцией, а аккумуляторы расположены близко к земле.

Более дорогие контроллеры заряда оснащаются выносным датчиком температуры, выходной сигнал которого поступает на отдельный вход контроллера. Поскольку датчик прикреплен к аккумулятору, показания температуры очень точны, и наиболее точное регулирование процесса зарядки достигается за счет реальной температуры пластин.

Визуализация работы фотоэлектрической системы

Большинство производителей контроллеров для солнечных фотоэлектрических станций предлагают совершенные устройства со встроенным или выносным цифровым дисплеем.

На этих дисплеях может отображаться вся необходимая информация — от выходного напряжения фотоэлектрических панелей и аккумуляторов до зарядных токов, произведенной энергии, программных установленных значений и даже предупреждений и сигналов тревоги, подаваемых автоматизированной системой.

Хотя это кажется ненужным для небольших солнечных электростанций, отображение таких данных на дисплее может быть бесценно в крупных промышленных объектах, где параметры приходится отслеживать и настраивать в реальном времени.

Инверторы для солнечных фотоэлектрических станций

Соответствующая фаза, частота и напряжение трехфазного выходного переменного тока важны для быстрой и точной синхронизации фотоэлектрической системы, подключенной к электросети.

Преобразование постоянного тока в переменный осуществляется с использованием важного электронного компонента, инвертора.

В зависимости от конфигурации и используемых компонентов, инверторы можно разделить на разные категории. Это разделение основано на таких факторах, как количество ступеней обработки мощности, например, одноступенчатые и многоступенчатые, конфигурации с трансформатором и без него, число уровней и тип коммутации.

Инверторы обычно подразделяют на два основных типа в зависимости от режима переключения — это инверторы с коммутацией от сети (зависимые) и инверторы с автоматическим переключением (автономные).

Инверторы с коммутацией от сети зависят от параметров сети, а импульсные устройства работают на основе полярности или направления тока. С другой стороны, инверторы с автоматическим переключением имеют полный контроль над процессом импульсной коммутации.

Одноступенчатые и многоступенчатые инверторы

Одноступенчатый инвертор выполняет различные функции, такие как управление токами, подаваемыми в сеть, усиление напряжения и контроль максимальной мощности.

В таком инверторе использование трансформатора сетевой частоты увеличивает массу оборудования и ведет к снижению пиковой эффективности на 2%.

С другой стороны, использование высокочастотного трансформатора или использование бестрансформаторного преобразователя делает их более эффективными, экономичными и легкими. Они все чаще заменяют трансформаторы сетевой частоты.

Инвертор с более чем одним силовым каскадом называется многоступенчатым. В инверторах этого типа последний каскад выполняет функцию преобразования постоянного тока в переменный, тогда как пусковой (и промежуточный) каскады обеспечивают усиление напряжения и, в некоторых случаях, функцию гальванической развязки.

Инверторы с трансформаторами и без них

Важная классификация инверторов предлагается, исходя из наличия или отсутствия трансформатора.

Другими словами, инверторы также могут иметь один или несколько силовых каскадов, но классификация основана на трансформаторе.

Разделительный трансформатор помогает устранить проблему передачи постоянного тока от фотоэлектрической системы в сеть. Поскольку трансформаторы частоты тяжелые и большие, что увеличивает общую стоимость фотоэлектрической системы, они считаются проблемными компонентами для инвертора.

Альтернативным решением является использование высокочастотного трансформатора, встроенного в инвертор, что снижает общую стоимость.

Инверторы без трансформатора являются экономичным решением и имеют более высокий КПД. Однако для решения проблемы инжекции постоянного тока в них требуется включение дополнительных элементов. Другая проблема заключается в том, что между сетью и фотоэлектрической батареей нет гальванической развязки.

Кроме того, в зависимости от схемы инвертора, могут возникать колебания напряжения между фотоэлектрическим массивом и землей.

Коммуникационные системы солнечных фотоэлектрических станций

Важность систем связи и управления для крупных фотоэлектростанций в будущем возрастет благодаря двум факторам.

Во-первых, это потенциал сокращения затрат благодаря последним технологическими тенденциями.

Во-вторых, это неуклонное повышение требований к безопасности и совместимости с электросетью.

Ожидается, что солнечные электростанции станут одним из наиболее экономичных методов производства возобновляемой электроэнергии. Самые крупные установки в настоящее время имеют установленную мощность более 1000 МВт.

Согласно прогнозам, в ближайшем будущем будут построены СФЭС мощностью более 3000 МВт.

За последние несколько лет производственные затраты и рыночные цены на фотоэлементы и вспомогательное оборудование неуклонно снижались, уменьшая их долю в общих системных затратах на строительство солнечных фотоэлектрических станций. В этом контексте значительно возрастает роль электронных компонентов, которые напрямую не зависят от развития солнечных технологий.

Крупные фотоэлектрические системы обычно оснащены коммуникационной инфраструктурой, которая позволяет оператору контролировать и управлять производством энергии. Такую инфраструктуру можно использовать для обнаружения повреждений отдельных фотоэлементов и упрощения технического обслуживания.

В некоторых регионах операторы энергетических компаний и даже государственные органы требуют наличия коммуникационных интерфейсов для крупных солнечных электростанций, чтобы гарантировать их совместимость с электросетью.

Сложность коммуникационного оборудования СФЭС многократно возрастает, если фотоэлектрические панели оборудованы трекинг-системами для отслеживания солнца.

Двухосные трекинг-системы, которые используют в концентрационной фотовольтаике (CPV), требуют децентрализованных устройств управления для каждой отдельной трекинг-системы.

Этим установкам требуются коммуникационные интерфейсы для приема команд управления и калибровки, а также для отправки информации об их текущем состоянии. На самых крупных объектах количество устройств слежения может превышать 1000, обуславливая специфические требования к коммуникационному оборудованию.

До сих пор инжиниринговые компании и производители электрооборудования концентрировали свои усилия в основном на улучшении солнечных элементов и модулей, поскольку они являются наиболее проблемными и финансово обременительными составляющими любого энергетического проекта.

Со временем это привело к техническому отставанию коммуникационного оборудования для фотоэлектрических систем.

Сейчас инвесторы ожидают новых автоматизированных решений для управления, мониторинга и технического обслуживания.

Системы управления солнечными электростанциями могут значительно сократить эксплуатационные расходы. Например, дистанционное управление заменяет дорогостоящее полевое обслуживание в удаленных районах. Современные солнечные фотоэлектрические станции обычно используют промышленный Ethernet для связи между элементами в сети.

При поиске нового решения инженеры сталкиваются с двумя противоречащими друг другу критериями проектирования. С одной стороны, это уменьшение затрат на установку за счет использования более простой системы.

С другой стороны, это снижение затрат на обслуживание и расширение за счет продуманной и масштабируемой конструкции.

Повышение эффективности производства электроэнергии

Повышение эффективности солнечных электростанций начинается с обеспечения правильной работы коммуникационной системы.

Возможность самонастройки и установки надежного соединения между элементами сети являются важными факторами успеха.

Нормальная работа трекинг-систем требует точного наблюдения за солнцем. Следовательно, распределенные системы управления нуждаются в точной временной синхронизации, чтобы иметь возможность вычислять положение солнца. Другая важная информация поступает через датчики ветра, сохраняя оборудование в неблагоприятных условиях.

Трекинг-системы для солнечных электростанций стремительно совершенствуются.

Чтобы повысить точность отслеживания солнца и, соответственно, выработку энергии, новые устройства слежения сравнивают уровень производства энергии с соседними панелями в режиме реального времени.

Следовательно, для максимальной производительности электростанции необходима установка надежного коммуникационного оборудования. В случае фотоэлектрических трекинг-систем это требует связи между центром управления электростанции и отдельными трекинг-системами.

Особого внимания требует ситуация, когда солнечная электростанция подключена к системе хранения энергии (например, LAES) или другим источникам электроэнергии. Тогда следует реализовать не только решения по регулированию выходной мощности, но и автоматическому ограничению по времени.

Системы мониторинга солнечных фотоэлектрических станций

Эксплуатация фотоэлектрических систем требует постоянного контроля.

Поскольку большинство солнечных электростанций расположены в удаленных районах, операторы должны использовать все возможные средства, чтобы непрерывно получать актуальную информацию о производительности и состоянии установок.

Как правило, поставщики услуг по эксплуатации и техническому обслуживанию имеют ограниченную информациб о влиянии погодных условий и ландшафта на работу солнечных электростанций. Но в случае падения производительности не всегда можно отправить техническую группу и определить, в каком компоненте возникла проблема и связанны ли неисправности с изменениями погодных условий.

Ввиду этого системы удаленного мониторинга являются ключом к бесперебойной эксплуатации. Удаленный мониторинг может осуществляться из офиса заказчика и из центрального офиса компании, ответственной за обслуживание и ремонт фотоэлектрической системы.

Независимо от размера электростанций, всесторонний мониторинг важен для поминутного мониторинга производства энергии. Солнечные системы — это не только чистая технология производства энергии, но и источник долгосрочного дохода для инвесторов. Ради скорейшей окупаемости инвестиций системы мониторинга должны работать непрерывно.

Качественный анализ состояния системы требует сбора данных с местной метеорологической станции, а также информации о состоянии фотоэлементов, инверторов, трансформаторов и другого оборудования.

В настоящее время мониторинг солнечных фотоэлектрических станций обеспечивается электронными системами сбора данных, мониторинга и управления (SCADA).

Как и в процессе эксплуатации, эти системы применяются с различными целями и могут иметь разную техническую конструкцию и характеристики.

Простая система мониторинга отображает только энергию, запасаемую батареями, тогда как продвинутые системы позволяют обеспечить балансировку подсистемы любого уровня, отдельной электрической цепи, устройства слежения за солнцем или фотоэлектрического модуля.

С каждым новым поколением устройств объем передаваемых данных увеличивается, и для коммуникационной системы требуется все более широкая полоса пропускания.

Если мониторинг фотоэлектрических модулей осуществляется путем включения каждого из них в единую коммуникационную систему, количество узлов значительно увеличится. Помимо количества измерений, второй влияющей переменной является временное распределение. Разница между отслеживанием ретроспективных данных и мониторингом состояния в реальном времени просто колоссальная.

Для разделения пропускной способности коммуникационной системы могут использоваться такие методы, как множественный доступ с временным разделением (TDMA) или Token Ring. Сбор данных может выполняться ночью, когда система не нужна для работы фотоэлектрической установки, а сеть минимально загружена.

Однако мониторинг в реальном времени представляет собой гораздо большую проблему для коммуникационных систем СФЭС. Данные должны отправляться одновременно со всех контролируемых устройств. В то же время не должна нарушаться передача общей информации о работе электростанции, имеющая более высокий приоритет. Это требует использования мощных вычислительных систем и / или оптимизированных протоколов.

Мониторинг в целом необходим операторам для выявления аварийных ситуаций на солнечной электростанции.

Это позволяет отслеживать критически важные параметры и быстро выявлять отказы в отдельных элементах.

Но потенциальные преимущества систем мониторинга сильно зависят от количества и набора записываемых данных. Производительность — лишь одна из множества доступных переменных, которые должны подлежать обязательному мониторингу.

Экономия на техническом обслуживании и ремонте оборудования

Оптимизация обслуживания солнечных фотоэлектрических станций с помощью электронных систем является важным фактором успеха инвестиционного проекта.

Хорошо продуманная система мониторинга и анализа способствует повышению годового производства электроэнергии, значительному снижению эксплуатационных расходов и затрат на техническое обслуживание.

Регулярный мониторинг количества вырабатываемой энергии дает ценную информацию в случаях, когда производительность снизилась или существует риск отказа. На основании этих данных может быть заказано профилактическое обслуживание, чтобы оптимизировать работу системы и правильно спланировать ремонт.

С годами стоимость обслуживания солнечных электростанций неуклонно увеличивается из-за износа оборудования, а мониторинг и обслуживание становятся все более важными. Обеспечение высокого уровня эксплуатационной готовности и производительности, сокращение времени простоя и быстрое обнаружение неисправностей имеет высочайший приоритет.

Сегодня производители коммуникационных систем стремятся закладывать возможности расширения без дорогостоящей настройки оборудования с выездом специалистов. Этому способствуют интерфейсы удаленной реконфигурации. Реконфигурация включает в себя как изменение определенных параметров, так и полноценную прошивку отдельных устройств.

Такие системы позволяют выполнять ряд профилактических процедур, обеспечивающих нормальную работу с максимальной выработкой энергии на протяжении всего периода эксплуатации СФЭС, защищая ее от износа.

Например, очистка трекинг-систем может осуществляться роботами, использующими систему беспроводной связи для локализации. Операторы электростанции могут выполнять специальные тесты с целью обнаружения ошибок в коммуникациях, инверторах или в самих фотоэлектрических модулях.

Защита PV электростанций от перенапряжения

Благодаря ежегодно устанавливаемой мощности в несколько гигаватт солнечные фотоэлектрические станции становятся неотъемлемой частью современных систем электроснабжения в целом ряде стран.

Сегодня устанавливаются крупномасштабные фотоэлектрические системы мощностью в сотни мегаватт, которые подключаются непосредственно к сетям среднего и высокого напряжения.

Будучи неотъемлемым элементом системы электроснабжения, солнечные электростанции должны обеспечивать стабильность работы электросети. Также важно сокращать производственные потери, отрицательно влияющие на производительность и экономические показатели электростанции.

Учитывая стоимость инвестиций, исчисляемую сотнями тысяч евро на мегаватт, реализация солнечных проектов требует тщательного анализа риска, связанного с перенапряжением в результате удара молнии.

Полученные данные должны приниматься во внимание инженерными специалистами на стадии проектирования фотоэлектрической системы.

Необходимость защиты от удара молнии

Существует четкая статистическая связь между уровнем солнечного излучения, влажностью и частотой молний.

Исследования показывают, что регионы мира с высокими показателями солнечного излучения и влажности наиболее подвержены воздействию молний.

Частота молний в регионе (количество молний на квадратный километр в год), а также расположение и размеры солнечной фотоэлектрической станции являются основой для расчета риска.

Неисправности в фотоэлектрических системах могут возникать как в результате прямого попадания молнии, так и в результате процессов, вызванных электромагнитным полем. Кроме того, скачки напряжения из-за процессов переключения в системе переменного тока могут повредить дорогостоящие фотоэлектрические модули, инверторы, контроллеры, системы мониторинга и связи.

Эти неисправности приводят к дополнительным затратам на замену или ремонт компонентов, потере производительности и затратам на использование резервной мощности. Импульсы молнии могут вызывать преждевременный вывод из строя байпасных диодов, силовых полупроводниковых элементов и коммуникационных систем, что также приводит к увеличению затрат на обслуживание и ремонт.

В некоторых странах операторы электросетей устанавливают строгие требования к доступности вырабатываемой энергии.

Банки и страховые компании также обычно требуют реализации меры молниезащиты для финансируемых энергетических проектов.

Экономическая целесообразность проектов и стоимость строительства солнечных PV электростанций

Любой резкий рост цен на нефть на международных рынках привлекает внимание инвесторов, политиков и стратегов к возобновляемым источникам энергии.

Если в прошлые годы солнечная энергия вызывала дискуссии, то на сегодня очевидно, что солнечные электростанции вскоре заменят традиционные источники энергии.

Вопрос в том, когда это произойдет.

Можно ли сегодня однозначно заявить, что солнечные фотоэлектрические станции технически и экономически более эффективны по сравнению, например, с тепловыми электростанциями или атомными электростанциями?

Широкое использование технологии зависит от ее текущей экономической эффективности. Сегодня солнечной энергии сложно конкурировать с традиционными мощностями. Однако долгосрочная тенденция заключается в постоянном росте цен на ископаемое топливо, одновременно с удешевлением фотоэлементов и другого электрооборудования.

По информации BloombergNEF, в 2020 году стоимость возобновляемой энергии значительно сократилась по всему миру.

Приведенная эталонная стоимость электроэнергии (LCOE) для крупномасштабных фотоэлектрических систем снизилась на 4% по сравнению со второй половиной 2019 года — до 46 евро за МВтч. Между тем, базовая LCOE для аккумуляторов упала до 138 евро / МВтч, подешевев в 2 раза за последний год.

В Китае, крупнейшем рынке фотоэлектрических систем, LCOE солнечной энергии снизился до 35 евро / МВтч благодаря внедрению более эффективных фотоэлементов — это почти на 9% меньше, чем во второй половине 2019 года. Стоимость эксплуатации новых солнечных электростанций в стране сейчас почти равна стоимости эксплуатации угольных электростанций, составляя чуть более 32 евро / МВтч.

Согласно отчетам BNEF, самые дешевые фотоэлектрические проекты, профинансированные за первые шесть месяцев 2020 года, должны достигать LCOE в диапазоне 21-27 евро / МВтч.

Эти проекты в Австралии, Китае, Чили и Соединенных Штатах могут бросить вызов существующему пулу электростанций, работающих на ископаемом топливе.

При этом компания EWEC из Абу-Даби обнародовала результаты последнего тендера на солнечную энергию в ОАЭ, проведенного для проекта солнечной фотоэлектрической энергии мощностью 2 ГВт.

Оператор планирует поставлять энергию по цене всего 12,46 евро / МВтч.



Солнечные электростанции обладают рядом других преимуществ перед ископаемыми видами топлива и атомными электростанциями:

• Во-первых, строительство солнечной электростанции происходит намного быстрее, так как фотоэлектрические модули легко установить и подключить.

• Во-вторых, инжиниринговым компаниям легче согласовать расположение солнечной электростанции с инфраструктурой и особенностями рельефа местности.

• Строительство солнечных электростанций в удаленных районах сокращает потери энергии, характерные для ее передачи на большие расстояния.

• В отличие от традиционных электростанций, модульное производство солнечной энергии можно поэтапно расширять по мере роста потребления.

Нельзя недооценивать тот факт, что солнечные электростанции не загрязняют воздух и воду, сохраняя экологический баланс в природе. Именно по этой причине производство солнечной энергии стимулируется государственными инициативами в развитых странах.

Сегодня уже нет сомнений в экономической целесообразности строительства солнечных фотоэлектрических станций.

Наступит время, когда технологии производства солнечной энергии полностью вытеснят каменный уголь или природный газ из энергетики.

Строительство солнечных электростанций для промышленных предприятий

Промышленные предприятия являются одними из крупнейших потребителей электроэнергии на мировом энергетическом рынке.

Огромное количество оборудования и машин, требующих питания, а также сопутствующие офисные помещения производственных компаний определяют необходимость бесперебойного и надежного электроснабжения.

С осознанием негативного воздействия традиционных источников энергии на окружающую среду все больше предприятий склонны переходить на ВИЭ. Задача заключается в том, чтобы уменьшить углеродный след на каждом этапе производственного процесса. Многие компании, особенно в автомобильном и электронном секторах, выбирают солнечные электростанции как оптимальную технологию получения чистой энергии.

Промышленные объекты используют большое количество энергии в широком спектре процессов, которые обычно рассчитаны на максимальную интенсивность.

Годовое потребление электроэнергии на среднем предприятии США, например, составляет 95,1 кВтч на 0,09 м², что как минимум в 10 раз превышает годовое потребление в типичном домохозяйстве. Основная часть потребляемой энергии на заводах используется в форме тепла, а оставшиеся около 20% - в форме электроэнергии.

Согласно исследованиям, это соотношение изменяется. В 1980-х годах фабрики использовали на 25-50% меньше электроэнергии, чем сейчас. Эксперты прогнозируют, что к 2030 году доля электроэнергии в энергопотреблении промышленных предприятий достигнет 30%.

Электрификация промышленности не только открывает множество возможностей, но и ставит перед компаниями новые задачи. Примером служат компании, которые полностью используют электроэнергию, вырабатываемую на угольных электростанциях.

Такие производители способствуют возникновению проблем, связанных с выбросами парниковых газов, что, в свою очередь, приводит к увеличению затрат на энергию из-за добавленных к ним дополнительных экологических налогов.

Возобновляемые источники энергии минимизируют эти проблемы.

Ряд исследований показал, что использование солнечной энергии может привести к весьма значительному сокращению финансовых затрат на энергию для производителей.

Как и в случае со многими другими технологиями, эффективность солнечных электростанций увеличивается с масштабом внедрения.

В 2019 году стоимость строительства солнечной фотоэлектрической системы для мелких потребителей составляла 3 доллара США за ватт. Однако эта цифра снижается до 1 доллара за ватт, когда речь идет о системах с установленной мощностью более 1 МВт.

По сравнению с углем, солнечная энергия является явным победителем, потому что современные технологии позволяют производить энергию дешевле с каждым годом.

Преимущества солнечных электростанций для промышленности

Одним из основных преимуществ интеграции солнечной электростанции в производство является обеспечение достаточным количеством энергии в периоды пикового потребления, которые обычно совпадают с часами максимального воздействия солнечного света.

Это позволяет заказчикам переключаться на солнечные электростанции и ограничить зависимость от электросети, что также связано с потенциалом экономии затрат. Благодаря надежным системам хранения энергии производственные процессы в ночное время могут частично обслуживаться за счет солнечной энергии.

Еще одно преимущество солнечных электростанций для промышленных объектов — их относительно простое обслуживание.

Солнечные системы не имеют движущихся частей или сложных механических компонентов, поэтому вероятность поломки и выхода оборудования из строя намного ниже по сравнению, например, с ветрогенераторами. Кроме того, солнечные установки не создают шума, что увеличивает их пригодность как в плане экологии, так и в плане оптимизации рабочей среды.

Солнечные электростанции обеспечивают гибкость для электроснабжения бизнеса. Использование электроэнергии из распределительной сети зачастую сопровождается различными ограничениями, налагаемыми операторами.

Интегрируя фотоэлектрические системы в промышленное производство, компании могут сами регулировать подачу электроэнергии и лучше управлять затратами.

Промышленные системы солнечного отопления

Как ранее упоминалось, большая часть энергии для промышленности используется в форме тепла.

Хотя некоторые отрасли, такие как металлургия, требуют очень высокой температуры нагрева, большинству операций достаточно низкой или средней температуры.

Низкотемпературное нагревание широко используется в текстильной промышленности, в пищевой промышленности для стерилизации, в горнодобывающей промышленности для извлечения различных компонентов и так далее.

Системы солнечного отопления идеально подходят для выработки тепла при температуре до 150 ° C. Данные установки включают сети из солнечных коллекторов, в которых циркулирует жидкость (вода, смесь воды и гликоля). С помощью теплообменника тепло передается из первичного контура в технологический тепловой контур в виде горячей воды, воздушного потока или пара в зависимости от требований процесса.

Система способна аккумулировать тепло, чтобы компенсировать изменения в солнечном излучении, а также для устранения колебаний потребности в тепле в серийном производстве.

Эксперты отмечают важные экологические, политические и экономические преимущества солнечных тепловых систем, которые могут заинтересовать промышленных заказчиков.

Экологические преимущества связаны с сокращением вредных выбросов, которые зависят от количества ископаемого топлива, прямо или косвенно замененного возобновляемой энергией. В зависимости от местоположения, солнечная тепловая система мощностью всего 1,4 мегаватта (2000 м²) может сэкономить 175 тонн углекислого газа.

Экономические выгоды связаны с экономией энергозатрат и энергетической безопасностью бизнеса за счет ограничения закупок энергии и других факторов.

Что касается затрат на энергию и потенциальной экономии, необходимо учитывать три фактора, которые имеют большой вес при сравнении цен на энергию, вырабатываемую промышленной системой солнечного отопления. Это начальная стоимость строительства системы, срок эксплуатации и реальная производственная эффективность.

Эти факторы зависят от местоположения и качества системы, поэтому они существенно различаются в разных регионах мира. Следовательно, средние инвестиционные затраты на солнечные тепловые системы могут значительно варьироваться в зависимости от конкретного государства, условий работы и типа установки.

По данным Международного энергетического агентства (МЭА), инвестиции в крупную систему солнечного отопления в Европе составляют от 350 до 1040 долларов за кВт.

Важные соображения для инвесторов

Большинство промышленных площадок полностью соответствуют всем пространственным требованиям для строительства солнечной электростанции.

Как правило, фабрики строятся вдали от высоких зданий или деревьев, способных блокировать солнечный свет.

Промышленные здания обычно имеют плоскую прямоугольную крышу, что идеально подходит для размещения массивов фотоэлектрических модулей. Эти крыши позволяют техническим бригадам устанавливать панели для быстро и эффективно, что сокращает время и стоимость установки. Плоские крыши позволяют беспрепятственно ориентировать панели на юг, чтобы они могли работать с максимальной эффективностью.

Для некоторых промышленных объектов больше подходят наземные солнечные системы.

Например, когда крыши цехов округлые либо недостаточно прочные, чтобы выдерживать огромный вес фотоэлектрических систем.

На большинстве производственных площадок достаточно места для систем наземного монтажа. Земля вокруг предприятий обычно занята парковками и обширными полями, отделяющими их от дорожной сети или жилых массивов.

Эти пространства идеально подходят для установки солнечных панелей, которые можно комбинировать с панелям и на крышах, увеличивая количество вырабатываемой энергии. Дополнительной возможностью являются солнечные навесы над парковками.

В настоящее время солнечные электростанции требуют примерно 9 м² площади для каждого киловатта установленной мощности. Крупным промышленным предприятиям обычно нужно несколько мегаватт, поэтому площадь солнечных панелей должна превышать 10000 м².

Такие пространственные требования являются вполне реальными для большинства заводов.

Если площадь крыши не подходит или большие участки земли недоступны, решение состоит в установке небольших групп солнечных панелей в разных местах.

Прежде чем приступить к строительству солнечной электростанции на промышленной площадке, необходимо учесть несколько основных параметров.

Несмотря на наличие обширных площадей для строительства, целесообразно проанализировать потребности потребителей в энергии. Это позволит согласовать проектную мощность солнечной электростанции с потребностями в энергии в зависимости от региона.

На энергоемких предприятиях обычно используется ряд высокоточных инструментов и оборудования. Необходимо учитывать различные типы оборудования и их номинальные уровни энергопотребления. Этот анализ должен охватывать потребление энергии всеми системами, включая, например, освещение и фильтрацию воды.

На каждом промышленном предприятии есть фиксированные рабочие смены, а многие заводы работают в многосменном режиме. Это требует, чтобы выработка энергии была адаптирована к соответствующим рабочим сменам. Заводы, работающие в ночную смену, должны обеспечивать адекватный уровень солнечного воздействия и высокие коэффициенты преобразования для хранения избытка энергии в аккумуляторных батареях.

Экологические выгоды, связанные с одними только солнечными электростанциями, часто не являются достаточным стимулом для производителя перейти на возобновляемые источники энергии.

Инвесторам нужна существенная экономическая выгода.

Несмотря на падение цен, строительство солнечной электростанции для промышленного использования по-прежнему обходится дорого. Однако это не должно быть определяющим фактором при принятии решения в пользу или против инвестирования в такой объект.

Учитывая минимальную потребность в обслуживании системы, после закупки оборудования и его установки солнечная энергия становится практически бесплатной. В течение более чем 25 лет эксплуатации типичной солнечной электростанции единственными значительными затратами на техническое обслуживание или ремонт будет замена инверторов.

Соглашения о покупке электроэнергии (PPA) по льготному тарифу могут являться привлекательной альтернативой для предприятий, которые не могут или не желают напрямую инвестировать в солнечную энергию.

Также распространены соглашения между компаниями-установщиками солнечных модулей или коммунальными предприятиями с производственными предприятиями об использовании имеющихся пустующих площадей для генерации зеленой энергии.

Они строят и оплачивают строительство электростанций на территории производственной компании, сохраняя права собственности на оборудование. Заводы имеют право покупать произведенную солнечную энергию по определенной цене в течение оговоренного периода времени, причем тариф обычно выгоден для промышленного заказчика.

Эти и другие схемы работы, в конечном итоге, способствуют строительству новых промышленных солнечных электростанций по всему миру.

ЕРС-контрактинг в солнечной энергетике

Солнечная фотоэлектрическая станция является символом экологической ответственности, высокой отдачи инвестиций и безопасности.

Проектирование и строительство таких объектов достаточно сложное и трудоемкое.

В ближайшие десятилетия мы ожидаем, что ЕРС-контрактинг в солнечной энергетике будет доминировать.

На фоне бурного развития солнечных электростанций возник дополнительный вопрос.

Как лучше проектировать и строить инновационные энергетические объекты, чтобы достигать оптимального результата с минимальными затратами времени и ресурсов?

EPC (проектирование, закупки и строительство) представляет собой особую форму контрактинга, которая позволяет наиболее эффективно управлять всеми аспектами процесса реализации проекта фотоэлектрической установки, от получения разрешений до проектирования, строительства, испытаний и ввода в эксплуатацию.

Благодаря ЕРС-контрактингу строительство солнечных электростанций стало значительно проще, особенно для мелких инвесторов, которые не имеют возможностей контролировать каждую деталь энергетического проекта собственными силами.

Профессиональные команды инженеров, юристов и маркетологов минимизируют всевозможные риски, которые могут сорвать проект, включая задержки в графике монтажных работ, проблемы с приобретением материалов, получением официальных разрешений и вводом в эксплуатацию.

Хороший ЕРС-контрактор в солнечной энергетике должен иметь соглашения с основными международными производителями, чтобы обеспечить достижение наилучших договорных условий, а также бесперебойную поставку компонентов и материалов.

Специалисты инжиниринговой компании должны соблюдать все технические и правовые нормы, а также обеспечивать финансовую устойчивость и надежность проекта.

В компетенцию ЕРС-контрактора/подрядчика будет входить исследование рынка, проектирование, логистическое, административное и техническое обслуживание объекта.

Если вы выбираете EPC-контрактинг, крайне важно найти надежного партнера, который обладает широкими компетенциями и возможностями для реализации проекта под ключ.

Такой партнер будет для заказчика единой точкой контакта.

Если вам необходимо спроектировать или построить фотоэлектрическую станцию, свяжитесь с нами в любое удобное для вас время.

Наши специалисты всегда проконсультируют вас по интересующим вопросам.