В прошлой статье об эксперименте по переводу острова Тау на солнечную энергетику компанией «Тесла Моторс» была построена Солнечная электростанция мощностью в 1,4 МВт, и комплекс буферизации на 6 МВт•ч.
И всё это ради того, чтобы безопасно заменить один дизельный генератор мощностью в 320 кВт, и два резервных на случай поломки или неисправности, плюс 415 тысяч литров дизельного топлива в год.
Как это получилось у Илона Макса, можно почитать тут.
Весь солнечный комплекс получился непропорционально мощным, по сравнению с дизель-генератором. "Почему так? Зачем нужна такая мощность?" - справедливо встаёт вопрос у подписчиков. Я попытаюсь наиболее просто ответить на эти вопросы.
Давайте разбираться. Остров Тау располагается в наиболее интенсивном с точки зрения солнечной энергии месте. Сделаем допущения и примем максимально возможную солнечную энергию в 1020 Вт/м². Такая мощность излучения должна отвечать следующим критерием: солнечная радиация должна как можно меньше провзаимодействовать с атмосферой Земли и прочими объектами, а угол воздействия (падения) должен быть как можно прямее. Подобное состояние принято называть - Солнце в зените. Из-за вращения Земли вокруг своей оси, среднесуточная мощность излучения будет уже 314 Вт/м².
Для большей наглядности расчёта мощности панелей возьмём максимальный показатель КПД поликристаллический солнечной панели, достигнутый в лабораторных условиях – 25%.
Считаем: 314 • 0,25 = 78,5 Вт/м². Такова зависимость среднесуточной мощности энергии от площади солнечной батареи.
Следовательно, чтобы заменить дизельную генерацию в 320 кВт, нужна следующая площадь СЭС: 320 000/ 78,5 = 4076,43 м² (320 кВт = 320 000 Вт).
Однако, среднесуточная мощность просто объективно показывает пропорции мощности и площади СЭС, но не отображает реальную картину.
А реальность такова, что днём, когда мощность СЭС максимальна, потребление энергии на нужды населения острова минимально, в тёмное же время суток, когда СЭС вообще простаивает, потребление энергии возрастает до своего максимума (пика).
Этот факт вообще не приемлем. Тем более, что задача преследуется однозначная - заменить дизельную генерацию как таковую.
Следовательно, в период солнечной активности, энергию нужно не только генерировать на нужды населения острова, но и накапливать для использования в тёмное время суток. То есть нужна буферизация энергии. Эту задачу выполняют 60 промышленных литий-ионных аккумуляторов "Powerpack". Получившийся комплекс буферизации способен накопить энергию в 6 МВт•ч.
Почему такой мощный?
Накапливать энергию можно только в светлое время суток, при избыточном по отношению к потреблению производстве электроэнергии. Но в течение ночи аккумуляторы снова будут разряжены, и в случае, если к утру погода вдруг испортится, весь остров будет испытывать дефицит электроэнергии ещё довольно продолжительное время. Следовательно, нужно создать ещё и резерв электроэнергии.
Среднегодовое потребление электрической энергии на острове составляет 150 кВт за один час, за сутки получается 3,6 МВт•ч. Буфера должно хватать больше чем на полтора дня бездействия солнечной электростанции.
Чтобы заряжать буфер, нужно увеличить мощность, а следовательно, и площадь солнечной электростанции.
Теоретически высчитанная ранее площадь СЭС в 4077 м² при 100%-ном КПД буферизации обеспечит суточные потребности острова, но в ясную безоблачную погоду и с только что отмытыми от грязи и отходов жизнедеятельности местной фауны острова солнечными панелями. В реальности такого, конечно, нет.
Чтобы накопить в аккумуляторах энергию, которую можно использовать в течение суток, понадобится теоретическая мощность СЭС в 320 кВт • 2 = 640 кВт, и это опять же при 100%-ном КПД буферизации. Однако, если уже на данном этапе расчёта сделать поправку на КПД буферизации в 80%, получим уже мощность = 640 / 0,8 = 800 кВт.
Далее, абсолютно безоблачной погоды постоянно не бывает, делаем и на это поправку, пусть небольшую, в 10%: 640 • 0,1 = 64 кВт. Следовательно, (64 + 640) / 0,8 = 880 кВт.
Далее ещё делаем поправку на то, что панели постоянно загрязняются, тем самым мощность постепенно падает. Путь на 10%: (640+64) • 0,1 = 70,4 кВт. Следовательно, (70,4 + 64 + 640) / 0,8 = 969 кВт. Тогда площадь СЭС уже получается: 969 / 320 • 4077 = 12 346 м².
Итого, мощность СЭС уже составляет почти 1 МВт. И это только сильно упрощённые, даже дилетантские расчёты. Но зато наглядно показано, почему СЭС должна быть в разы мощнее дизельной, газовой, атомной генерации, чтобы обеспечивать один и тот же уровень потребления энергии.
Инженеры компании "Тесла" учли все нюансы местного климата и реальные КПД как солнечных панелей, так и буферизации, получив в конечном итоге необходимую мощность солнечной электростанции в 1,4 МВт и буферизацию энергии в 6МВт•ч, чтобы безопасно и бесперебойно заменить один дизельный генератор в 320 кВт, и два резервных, на случай поломки. По их расчёту этого должно было хватить, чтобы перевести остров полностью на солнечную генерацию энергии.
Что из этого вышло, можно прочесть тут.
Окупается ли это чудо техники? Читайте тут.