Ветросолнечная электростанция Томской области

В. Ф. Саврасов, канд. техн. наук, начальник НПК «ГелиоТом» в ОАО НИИПП

Н. Н. Самойленко, главный специалист департамента экономики администрации Томской области

Деньги – на ветер и солнце

Исторически сложилось, что при развитии системы электроэнергетики страны приоритет отдавался созданию крупных объектов генерации гидроэнергетики или на углеводородном сырье. В итоге даже в Подмосковье десятки километров линий идут к отдаленным населенным пунктам всего с десятком домов. «Другой альтернативы надежной подачи электрической и тепловой энергии, кроме как развитие локальной энергетики в таких местах, я не вижу», – заявил Сергей Шматко, министр энергетики России.

Одним из пилотных проектов развития локальной энергетики является строительство ветросолнечной электростанции (ВСЭС) для электрификации села Алатаево Парабельского района. Проект был одобрен администрацией Томской области, т. к. его реализация позволит показать возможности нашей страны и подтвердить эффективность и целесообразность массового внедрения инновационной технологии. Речь идет об электрификации тех поселков, где нет централизованного электроснабжения, а это не менее 70 % территории Российской Федерации.

Ожидается, что установка новых электростанций позволит в десятки раз снизить стоимость электроэнергии. В настоящее время в Сибири в зависимости от региона цена за 1 кВт·ч колеблется в пределах 7–50 руб. Тарифы для каждого поселения ежегодно корректируются в сторону повышения.

В Томской области до сих пор без централизованного электроснабжения остается 41 населенный пункт. В труднодоступных селах и деревнях электричество вырабатывается дизельными электростанциями (ДЭС). Себестоимость 1 кВт·ч электроэнергии, вырабатываемой ДЭС, например в пос. Первопашинск Асиновского района, составляет 26 руб. 56 коп., а в пос. Наунак Каргасокского района – превышает 100 руб. (население платит около 2 руб./кВт·ч, а разница компенсируется из областного бюджета, для чего ежегодно выделяется более 200 млн руб.).

Применение ВСЭС в отдаленных районах может оказаться оптимальным решением проблемы, поскольку подключить удаленный жилой пункт к централизованному энергоснабжению не только трудно технологически (иногда невозможно), но и неоправданно дорого. Например, чтобы протянуть 600 км линий электропередач в пос. Дружкино Верхнекетского района потребуется 1,2 млрд руб.

Перспективная комбинация

Наиболее перспективны на территории России комбинированные электростанции «солнце + ветер».

В состав комбинированной электростанции входит солнечная батарея (СБ), аккумуляторная батарея (стабилизационный блок), ветрогенератор, а также электронный блок, который содержит контроллер, следящий за работой батареи, зарядный блок и инвертор преобразования постоянного напряжения в переменное 220 В частотой 50 Гц (рис. 1). Если светит солнце или дует ветер, то происходит электропитание нагрузки и зарядка аккумуляторов, если ветер и солнце отсутствуют (ночью, во время штиля), то нагрузка питается от аккумулятора.

Первая ВСЭС мощностью 25 кВт в селе Алатаево (проект разработан специалистами Научно-исследовательского института полупроводниковых приборов и Томского политехнического университета) будет сдана в эксплуатацию уже в 2012 году. Поддерживать станцию в рабочем состоянии смогут один-два человека (не более чем на дизельной станции). Сегодня снабжение электроэнергией поселка, где проживает менее 70 человек, происходит по аварийной ветке ЛЭП из пос. Нарым. Постройка новой ветки обошлась бы в 28 млн руб.

Мощности ВСЭС хватит на все нужды поселка. По расчетам специалистов, срок окупаемости данной электростанции составляет 3–4 года. ВСЭС – это системы модульного типа, не требуют сложного монтажа, при необходимости мощность ВСЭС всегда можно увеличить.

Рисунок 1. Блок-схема комбинированной электростанции

Ожидаемый эффект

Строительство объекта обойдется в 5–6 млн руб. и снизит стоимость электроэнергии с 14 руб./кВт·ч до 5 руб./кВт·ч, что позволит уменьшить компенсационные расходы на электроснабжение от ДЭС на 0,6 млн руб. в 2012 году.

Предполагается, что как только начнется эксплуатация первой ветросолнечной электростанции и будут получены результаты, подтверждающие ее энергоэффективность, в этот бизнес придет инвестор, готовый вкладывать средства в строительство новых аналогичных систем.

Устройство ВСЭС позволит решить и социальные проблемы, связанные с оттоком населения из удаленных районов по причине низкого комфорта проживания. Особенно это актуально для Сибири. Например, в том же село Алатаево еще четверть века назад работал рыбозавод и действовало животноводческое хозяйство: 500 голов крупного рогатого скота, табун в 1 000 лошадей. Однако из-за нехватки электроэнергии люди покидают регион некому работать на этих предприятиях.

Возобновляемые ресурсы Сибири

Принято считать, что в Сибири с ее резко-континентальным климатом недостаточно солнечных дней и силы ветра для их использования в энергетике. Однако ученые Томского политехнического университета провели мониторинг территории, разработали кадастр возобновляемых ресурсов Томской области и доказали обратное.

Традиционно считающийся наиболее «солнечным» Северный Кавказ и большая территория Центральной и Восточной Сибири характеризуются одинаковыми суммами приходящей солнечной радиации – от 4 до 4,5 кВт·ч/м² в день. Интересно, что большая часть территории страны от южных до северных границ, независимо от широты, располагает одинаковыми солнечными ресурсами – 3,5 до 4 кВт·ч/м² в день.

Лишь западные и восточные окраины России характеризуются относительно низкими среднегодовыми поступлениями солнечной радиации – от 3 до 3,5 кВт·ч/м² в день.

Для сравнения отметим, что в самом «солнечном» районе Европы – на юге Испании – значение среднегодового дневного поступления солнечной радиации составляет 4,7 кВт·ч/м² в день, а на юге Германии, где в настоящее время активно внедряются солнечные установки, – 3,3 кВт·ч/м² в день. Следовательно, наиболее солнечные регионы России по суммам поступающей солнечной радиации практически не уступают считающимся благоприятными для эффективного использования солнечной энергии европейским странам.

Томская область находится в зоне ветров со среднегодовыми скоростями 3–5 м/с. Однако в районах, прилегающих к рекам (Обь и ее притоки) и озерам, среднегодовые скорости ветра будут выше. Эти данные подтверждают возможность эффективного использования на территории Томской области ветросиловых установок для выработки электроэнергии.

Плюсы снежных зим

При круглогодичном анализе работы станции мощностью 5 кВт получены интересные данные. Особенно важным результатом следует считать оценку вклада снежного покрова в освещенность рабочей поверхности солнечной батареи. В ясные дни освещенность за счет рассеяния снегом возрастает до двух раз по сравнению с освещением СБ только прямыми лучами. В пасмурные дни основной вклад в освещенность СБ вносит рассеянное излучение. В этом аспекте следует рассматривать преимущества использования солнечных батарей зимой в Сибири по сравнению с Центральной Европой, где зимы часто бывают вообще бесснежными. Это означает, что в течение почти полугода съем электроэнергии с единицы поверхности СБ в Сибири в два раза выше, чем в Европе.

Отметим, что в зимнее время на территории Сибири солнце находится под низким углом к горизонту (8–12°). Чтобы лучи солнца падали перпендикулярно на солнечные модули, необходимо менять угол наклона модулей, например, для Томской области в летнее время угол наклона солнечных модулей (батареи) составляет 56°, а зимой – 80°.

Перспективы солнечной энергетики

Спрос на солнечную энергетику стимулируется правительственными программами в странах, которые стремятся уменьшить свою зависимость от нефти и сократить негативное влияние на окружающую среду. Эти программы также являются одним из важнейших инструментов стимуляции развития инновационных технологий. Например, согласно закону, все новые дома в Испании с марта 2007 года должны быть оборудованы солнечными водонагревателями, чтобы самостоятельно обеспечивать 30–70 % потребностей в горячей воде. Все нежилые здания (торговые центры, госпитали и т. д.) должны иметь фотоэлектрическое оборудование. Это способствует активному развитию технологий и конкуренции. В 2007 году в Испании запущена в эксплуатацию солнечная электростанция, установленной мощностью 13 МВт. Планируется наращивать мощности солнечных электростанций до 30 МВт.

Китайское правительство также продолжает активно финансировать проекты развития альтернативной энергетики. В 2010 году эта страна заняла второе место в мире после США по объему произведенной энергии с использованием силы ветра, обогнав Германию. Строительство самой большой в Европе солнечной электростанции завершил Ватикан. Это грандиозное и красивое сооружение позволит стране практически полностью отказаться от использования других источников энергии.

В России лишь 1 % энергии добывается из альтернативных источников (в Томской области это лишь сотые доли процента). Разработчики ВСЭС для электрификации труднодоступных поселков уверены, что если бы сегодня солнечные батареи стоили в 4 раза дешевле, то процесс строительства ветросолнечных электростанций нельзя было бы остановить. Ученые многих стран, в том числе и в России, получили лабораторные образцы фотоэлектрических преобразователей с КПД до 40 %, однако стоимость их в сотни раз превышает стоимость преобразователей из «солнечного» кремния. Не установлена способность лабораторных образцов работать длительное время. Что касается тонкопленочных технологий, то их промышленные варианты имеют КПД 5–7 % и срок службы их не превышает 7 лет.

К сожалению, в федеральном бюджете средств на развитие альтернативной энергетики ни на 2011, ни на прогнозные 2012 и 2013 годы не предусмотрено. Томская область – один из немногих регионов, которые запланировали в своих программах выделение финансирования на малую энергетику: 3 млн руб. только на 2011 год. Эксперты утверждают, что риски минимальны, поскольку процесс удешевления солнечных батарей и улучшения качества ветряных станций будет продолжаться.

После села Алатаево планируется электрифицировать и другие объекты. Решение о подготовке проектно-сметной документации уже принято. Результатов реализации пилотного проекта ждут и другие регионы России. Если полученный энергетический эффект будет совпадать с заявленным (расчетным), опыт можно смело тиражировать по всей России.

Окончательный вывод об эффективности проекта будет сделан после того, как будут просчитаны самоокупаемость, жизнедеятельность, надежность снабжения энергией. Сегодня разрабатывается ПСД и ТЭО. На основании этих документов будет принято решение об эффективности технологии. Тогда можно будет приступать ко второму этапу – строительству самой станции, которое обойдется, как было указано выше, в 5–6 млн руб. Предполагается финансирование из областного, федерального и местного бюджетов, а также привлечение частных инвестиций.