Применение солнечных батарей на объектах морской инфраструктуры

СУДОВЫЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ

DOI: 10.24143/2073-1574-2018-3-101-106 УДК 620.97

С. В. Кононенко, С. В. Головко, М. А. Надеев, В. А. Павленко

ПРИМЕНЕНИЕ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ НА ОБЪЕКТАХ МОРСКОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ

Рассмотрены вопросы применения солнечных батарей как альтернативного источника энергии в составе морских энергетических установок, эффективной замены обычных парусов на «солнечные паруса» с полупродниковыми элементами. Указаны основные преимущества и недостатки трех типов солнечных батарей: монокристаллических, поликристаллических и аморфных. Дана характеристика учёта первостепенного значения фактической инсоляции (облучение поверхности параллельным пучком световых лучей, поступающих с направления, в котором виден в данный момент времени центр солнечного диска) при расчёте гибридных энергетических систем на солнечных батареях, которые при чётком определении названных критериев могут существенно увеличить эффективность их использования. Проведён анализ применения солнечных батарей на морских судах с учётом географической составляющей и количества световых дней. Рассмотрена возможность использования солнечных батарей на различных видах морского транспорта (грузовые и пассажирские суда, яхты, паромы и др.).

Ключевые слова: судовые энергетические установки, солнечные батареи, солнечный парус, энергосбережение, экологичность.

Введение

В настоящее время основной проблемой в активно развивающейся технологии преобразования солнечной энергии является её экономичное внедрение в сферы деятельности и на разные объекты, в т. ч. и на морские суда. Поэтому актуальной задачей становится оптимальный сбор солнечной энергии, максимальное её использование, в т. ч. и на водных объектах, возникает необходимость в разработке новых судовых энергетических установок, использующих современные (инновационные) технические решения на основе обеспечения экологичности, безопасности и энергосбережения. Такие энергетические установки будут иметь успех на мировой арене.

Применение солнечных батарей как альтернативного источника энергии в составе морских энергетических установок

Преобразование солнечной энергии можно классифицировать по двум направлениям: световая и тепловая энергии. В основе принципа работы солнечной тепловой энергии лежит использование её для нагрева вещества (например, воды или воздуха) через тепловые коллекторы (используется в основном в бытовых целях). А в основе фотоэлектрической (световой) энергии лежит преобразование энергии света непосредственно в электрический ток. Это позволяет выполнить только определённая микросхема, аккумулирующая энергию как батарея, которая в свою очередь будет являться не только альтернативным источником энергии, но и заменять привычный для всех парус.

Например, абсолютно новый способ передвижения по воде был изобретён австралийской компанией «Solar Sailor», занимающейся продвижением солнечных технологий во многих сферах деятельности. Компания считает, что их «первенец» гибридной энергетической установки найдёт широкое применение на любых транспортных средствах.

Solar Sailor разработала и запатентовала «солнечный парус», который представляет собой парус с полупроводниковыми элементами вместо тканевых полотен. «Крыло» солнечной энергии использует два источника: солнце и ветер. Гибкость является ключевым моментом в дизайне, т. к. позволяет без опасений, автоматически и регулярно обеспечивать оптимальный сбор солнечной и ветровой энергии [1]. Несмотря на внешнюю «хрупкость», парус достаточно прочный, способен выдержать силу ветра при скорости 74 км/ч с 300 %-ым запасом прочности. Батареи являются балластом. Аккумулированной энергии в них достаточно для использования без подзарядки на одну неделю. Гибридный способ, благодаря мотору-генератору, позволяет судну передвигаться в условиях безветрия и осуществлять маневрирование [1].

Компания «Eco Marine» (Япония) в своих проектах также объединила обычные паруса с солнечными батареями. В 2018 г. «Eco Marine» планирует провести на небольших грузовых судах апробацию технологии «солнечных парусов», которые полностью заменят привычные источники питания этих морских судов. В ходе испытаний длительностью 12-18 мес. будет установлено, сколько энергии движения можно получить из таких парусов и какое количество солнечных панелей необходимо на них разместить, чтобы добиться максимальной эффективности [2].

Цель компании - создать морской флот нового поколения. Тестовый корабль оснастят не только парусами EnergySail, но и массивом аккумуляторов, а также прочей аппаратурой для гибкой манипуляции потоками электрической энергии. На нём будут проводить опыты по определению оптимальных режимов эксплуатации парусов: как они поведут себя в непогоду, стоит ли разворачивать парус на стоянке в порту, не ухудшится ли управление судном при наличии таких массивных предметов на борту [3].

К основным достоинствам «солнечных парусов» на морских судах можно отнести:

- маневренность;

- надёжность;

- экологическая безопасность (не загрязняется водная и воздушная среды);

- экономичность (значительное сокращение финансовых ресурсов на топливо);

- простота обслуживания;

- незначительные эксплуатационные затраты.

Поэтому целесообразно масштабно внедрять такие «солнечные паруса» на современных российских морских судах. Следует сказать о комфортабельности таких судов, например, предназначенных для отдыха на воде. Ввиду отсутствия необходимости в работе обычных судовых дизелей будут устранены звукошумовые и другие неудобства.

Особого внимания заслуживает вопрос экологичности, т. к. Российская Федерация представлена огромной территорией, в т. ч. водными объектами (реками, морями). На многих охраняемых водных объектах даже шельфовые морские нефтедобывающие платформы строятся и эксплуатируются с нулевыми сбросами и использованием 95 % попутного газа при нефтедобыче для выработки энергии на нужды производственной деятельности морского комплекса [4].

В настоящее время на малогабаритном водном транспорте используются три основных типа солнечных батарей:

- монокристаллические;

- поликристаллические;

- аморфные.

У каждого из этих типов есть свои достоинства и недостатки.

В монокристаллических батареях (панелях) каждая ячейка вырезана из одного кристалла кремния. При этом существуют отдельные полугибкие модели, которые также используют монокристаллические ячейки, но в основном такого типа батареи не могут изгибаться из-за своей жёсткости. Коэффициент преобразования солнечной энергии в электрическую у монокристаллических батарей может достичь 22 %. У значительной части мировых моделей монокристаллических батарей жёсткая стенка, аккумулирующая солнечную энергию только с одной стенки, в основном задней. Но в последнее время стали внедряться двухсторонние модели, позволяющие собирать солнечную энергию с двух сторон стенки батареи.

Во втором типе солнечных батарей (поликристаллическом) каждая ячейка состоит из нескольких небольших по размеру кристаллов. Такие батареи, в отличие от монокристаллических, всё же менее эффективны, особенно при низкой освещённости. Однако стоит отменить,

что плюсом будет являться незначительный вес и стоимость. Поэтому их целесообразно устанавливать на морских судах, которые плавают на небольшие расстояния, на территориях с максимальным преобладанием солнечных дней.

К последнему типу солнечных батарей, используемых на морском транспорте, можно отнести аморфные пластины, которые являются самым экономичным вариантом, хотя из всех представленных типов солнечных батарей менее эффективные. Такие солнечные батареи изготовлены из аморфного кремния, для работы которого достаточно, в отличие от других типов солнечных батарей, рассеянного света, т. е. его можно использовать и в пасмурную погоду. Преимуществом является и возможность их использования при значительной запылённости воздуха. К достоинству таких батарей можно причислить их гибкость.

Использование солнечных батарей особо актуально на территориях с максимальными световыми днями. Например, в навигационный период на Нижней Волге и Северном Каспии, с апреля по октябрь, световой день составляет от 12 до 16 ч. При этом в течение 3-х месяцев (в апреле (весной), в сентябре и октябре (осенью)), среднее время светового дня - 12 ч, а в течение 4-х месяцев (в мае-августе) - до 16 ч [4].

Первостепенное значение при расчёте гибридных энергетических систем на солнечных батареях имеет фактическая инсоляция (облучение поверхности параллельным пучком световых лучей, поступающих с направления, в котором виден в данный момент времени центр солнечного диска). Она может быть определена лишь на основе наблюдений. Высокая солнечная инсоляция связана с большим количеством солнечных дней. Инсоляция конкретного участка поверхности зависит от многих факторов: ориентации, угла к горизонту, времени года, температуры, а также широты местности, определяющей зональность распределения солнечной энергии. Это означает, что при чётком определении названных критериев можно значительно повысить эффективность использования солнечных батарей. Например, годовая инсоляция 1 м2 на горизонтальной площадки в Астрахани составляет 1,38 МВт, Новосибирске - 1,14 МВт, Москве - 1,01 МВт [5].

Таким образом, применение солнечных батарей как альтернативного источника энергии в составе морских энергетических установок - экологически безопасное решение проблемы энергосбережения на морских судах.

Залогом успеха таких автономных энергетических установок (в виде солнечных батарей) выступают гибкие фотоэлементы на основе селенида сплава меди-индия-галия (CIGS), которые представляют собой тонкую полимерную плёнку с нанесённым на неё слоем запатентованного сплава. Такие фотопреобразователи вышли в лидеры в связи с высоким КПД (22 %) и уникальной гибкостью [6].

Их преимуществом является выработка универсальной для потребления электрической энергии, а среднегодовое время использования системы составляет 12 ч/сут, т. е. половину от времени длительности года (365 сут), за исключением 25 % пасмурных и дождливых дней, когда освещённость солнечных батарей падает до 50-90 % [7]. В связи с этим, целесообразно применять солнечные батареи на водном транспорте всех категорий, при этом основной акцент необходимо сделать на морские суда, максимально приспособленные для российских климатических условий.

Итак, современные гибкие солнечные модули российского производства позволяют разрабатывать различные конструктивные и технологические решения для их эксплуатации на судах речного и смешанного плавания. С помощью таких солнечных установок можно достичь как полного (например, во время стоянки судна), так и частичного (на определённых режимах работы судна) замещения электроснабжения на морских судах.

Водная география Российской Федерации настолько велика, что пожалуй, самой успешной коммерческой идеей является использование солнечных энергетических установок в качестве основного источника питания, в т. ч. для пассажирских паромов. Мировым лидером в области производства солнечных паромов является австралийская компания «Ocius Technology», которая построила солнечный паром, рассчитанный на 186 пассажиров.

Среди проектов солнечных паромов стоит отметить индийское пассажирское судно на 75 чел. Паром длиной 20 м имеет 7 м в ширину и развивает максимальную крейсерскую скорость в 7,5 уз (14 км/ч) в течение 5 или 6 ч в день. Также компания «Alusin Solar» (Испания) строит пассажир-

ский паром «Texelstroom» с 450 солнечными панелями на борту. Паром «Solar Sal» мощностью 5 кВт регулярно бороздит воды канала Эри со скоростью 5 уз (9 км/ч) благодаря двум электродвигателям немецкой фермы «Torqeedo», которая реализует большое количество двигателей для судов, оснащённых солнечными батареями [8].

Заключение

Широкое использование солнечных батарей (модулей) в составе судовых энергетических установок имеет большие перспективы, поскольку обеспечивает минимизацию трудовых ресурсов (при обслуживании установок) и финансовых затрат на топливо и горюче-смазочные материалы, высокую экологичность использования, т. е. значительное снижение загрязнения воздушных и водных сфер [9].

Для выбора той или иной автономной солнечной энергетической установки (батареи) для конкретного морского судна необходимо максимально учесть географические особенности территории, на которой оно будет передвигаться. В настоящее время эксплуатация солнечных энергетических установок - достаточно дорогостоящее мероприятие: срок окупаемости составляет несколько лет. Необходимо продолжить поиск более экономичных способов монтажа солнечных батарей с целью повышения их конкурентоспособности.

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

1. Судно на солнечной батарее - это реальность. URL: http://korabley.net/news/2008-12-08-73 (дата обращения: 25.02.2018).

2. Солнечные батареи в прошлом: японцы придумали кое-что получше. URL: https://znaj.ua/ru/ world/solnechnye-batarey-v-proshlom-yaponcy-prydumaly-koe-chto-poluchshe (дата обращения: 28.02.2018).

3. Мартыненко А. Жёсткие солнечные панели EnergySail - новые паруса кораблей XXI века? URL: https://www.techcult.ru/technics/4440-energysail (дата обращения: 27.07.2017).

4. Курылев А. С., Рубан А. Р., Курылев С. А. Гибридная судовая энергетическая установка // Инновационные, информационные и коммуникационные технологии. 2016. № 1. С. 478-480.

5. Солнечная радиация. Таблицы инсоляции. URL: http://net220.ru/poleznye_stati/solnechnaya_radi aciya_tablicy_insolyacii (дата обращения: 01.03.2018).

6. Солнечные батареи для судов. URL: http://www.sunenergys.ru/solnechnaya-energiya/sun-marine.html (дата обращения: 19.02.2018).

7. Настасенко В. А. Судовая альтернативная энергетика и реалии ее применения в современных условиях // Wschodnioeuropejskie czasopismo naukowe. 2016. № 2. Т. 7. С. 39-47.

8. Солнечная энергетика выходит в море. URL: https://rentechno.ua/blog/solar-takes-seas.html (дата обращения: 01.02.2018).

9. Романенко Н. Г., Головко С. В., Жуманазаров М. П. Исследование свойств преобразователя частоты в качестве источника питания судового электрооборудования // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2017. № 1. С. 76-81.

Статья поступила в редакцию 27.03.2018

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Кононенко Сергей Владимирович — Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук; доцент кафедры электрооборудования и автоматики судов; elmech@astu.org.

Головко Сергей Владимирович — Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук; доцент кафедры электрооборудования и автоматики судов; g_s_v_2007@mail.ru.

Надеев Максим Альмансурович — Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук; доцент кафедры электрооборудования и автоматики судов; elmech@astu.org.

Павленко Владимир Александрович — Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; магистрант кафедры электрооборудования и автоматики судов; marya-ok@mail.ru.

S. V. Kononenko, S. V. Golovko, M. A. Nadeev, V. A. Pavlenko USE OF SOLAR PANELS ON FACILITIES OF MARINE INFRASTRUCTURE

Abstract. The article discusses the use of solar batteries as an alternative source of energy in marine power plants, as effective replacement of conventional sails with " solar sails" with semiconductor elements. There have been identified main advantages and disadvantages of three main types of solar batteries: monocrystalline, polycrystalline and amorphic. There has been given the characteristics of the actual value of the factual insolation (irradiation of the surface by a parallel beam of light coming from the direction where the center of the solar disk is visible at a given time) in calculating hybrid solar energy systems, which, if the criteria are clearly defined, can significantly increase the efficiency of their use. The analysis of the application of solar batteries on sea vessels is carried out, taking into account the geographic component and the number of light days. The article also determines the possibility of using solar batteries for various types of sea transport (cargo and passenger ships, yachts, ferries and others).

Key words: marine solar power plants, solar batteries, solar sail, energy saving, ecological compatibility.

REFERENCES

1. Sudno na solnechnoi bataree - eto real'nost' [Vessel using solar power is a reality]. Available at: http://korabley.net/news/2008-12-08-73 (accessed 25.02.2018).

2. Solnechnye batarei v proshlom: iapontsy pridumali koe-chto poluchshe [Solar batteries came to the past: Japanese have invented something better]. Available at: https://znaj.ua/ru/world/solnechnye-batarey-v-proshlom-yaponcy-prydumaly-koe-chto-poluchshe (accessed 28.02.2018).

3. Martynenko A. Zhestkie solnechnye paneli EnergySail - novye parusa korablei XXI veka? [Are rigid Energy Sail solar batteries the new sails for the XXI century ships?] Available at: https://www.techcult.ru/technics/4440-energysail (accessed 27.07.2017).

4. Kurylev A. S., Ruban A. R., Kurylev S. A. Gibridnaia sudovaia energeticheskaia ustanovka [Ship hybrid power plant]. Innovatsionnye, informatsionnye i kommunikatsionnye tekhnologii, 2016, no. 1, pp. 478-480.

5. Solnechnaia radiatsiia. Tablitsy insoliatsii [Solar radiation. Insolation tables]. Available at: http://net220.ru/poleznye_stati/solnechnaya_radi aciya_tablicy_insolyacii (accessed 01.03.2018).

6. Solnechnye batarei dlia sudov [Solar batteries for ships]. Available at: http://www.sunenergys.ru/ solnechnaya-energiya/sun-marine.html (accessed 19.02.2018).

7. Nastasenko V. A. Sudovaia al'ternativnaia energetika i realii ee primeneniia v sovremennykh usloviiakh [Marine alternative energy and possibilities of its application in modern environment]. Wschodnioeuropejskie czasopismo naukowe, 2016, no. 2, vol. 7, pp. 39-47.

8. Solnechnaia energetika vykhodit v more [Solar energy is put to sea]. Available at: https://rentechno.ua /blog/solar-takes-seas.html (accessed 01.02.2018).

9. Romanenko N. G., Golovko S. V., Zhumanazarov M. P. Issledovanie svoistv preobrazovatelia chastoty v kachestve istochnika pitaniia sudovogo elektrooborudovaniia [Analysis of properties of frequency conversion as a power source for ship power plants ]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriia: Morskaia tekhnika i tekhnologiia, 2017, no. 1, pp. 76-81.

The article submitted to the editors 27.03.2018

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

Kononenko Sergey Vladimirovich — 414056, Russia, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Sciences; Assistant Professor of the Department of Ship Automation systems; elmech@astu.org.

Golovko Sergey Vladimirovich — 414056, Russia, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Sciences; Assistant Professor of the Department of Ship Automation Systems; g_s_v_2007@mail.ru.

Nadeev Maksim Almansurovich — 414056, Russia, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Sciences; Assistant Professor of the Department of Ship Automation Systems; elmech@astu.org.

Pavlenko Vladimir Alexandrovich — 414056, Russia, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Master's Course Student of the Department of Ship Automation Systems; marya-ok@mail.ru.