USE OF SOLAR PANELS ON FACILITIES OF MARINE INFRASTRUCTURE
Authors:
1.
Astrakhan State Technical University
(Candidate of Technical Sciences; Assistant Professor of the Department of Electrical Equipment and Ship Automatics)
Russian Federation
Russian Federation
2.
Astrakhan State Technical University
(Candidate of Technical Sciences; Assistant Professor of the Department of Ship Electric Equipment and Automation)
3.
Astrakhan State Technical University
4.
Astrakhan State Technical University
(Candidate of Technical Sciences; Assistant Professor of the Department of Electrical Equipment and Automation of Ships)
Russian Federation
Russian Federation
Type:
Article
Pages:
from 101
to 106
Status:
Published
Received:
20.08.2018
Accepted:
25.08.2018
Published:
25.08.2018
Subject area:
UDK 620.97
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Language:
Russian
Keywords:
marine power plants, solar panels, solar sail, energy saving, environmental friendliness
Abstract (English):
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).
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).
Keywords:
marine power plants, solar panels, solar sail, energy saving, environmental friendliness
marine power plants, solar panels, solar sail, energy saving, environmental friendliness
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 пассажирский 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.
1. Sudno na solnechnoy bataree - eto real'nost'. URL: http://korabley.net/news/2008-12-08-73 (data obrascheniya: 25.02.2018).
2. Solnechnye batarei v proshlom: yaponcy pridumali koe-chto poluchshe. URL: https://znaj.ua/ru/ world/solnechnye-batarey-v-proshlom-yaponcy-prydumaly-koe-chto-poluchshe (data obrascheniya: 28.02.2018).
3. Martynenko A. Zhestkie solnechnye paneli EnergySail - novye parusa korabley XXI veka? URL: https://www.techcult.ru/technics/4440-energysail (data obrascheniya: 27.07.2017).
4. Kurylev A. S., Ruban A. R., Kurylev S. A. Gibridnaya sudovaya energeticheskaya ustanovka // Innovacionnye, informacionnye i kommunikacionnye tehnologii. 2016. № 1. S. 478-480.
5. Solnechnaya radiaciya. Tablicy insolyacii. URL: http://net220.ru/poleznye_stati/solnechnaya_radi aciya_tablicy_insolyacii (data obrascheniya: 01.03.2018).
6. Solnechnye batarei dlya sudov. URL: http://www.sunenergys.ru/solnechnaya-energiya/sun-marine.html (data obrascheniya: 19.02.2018).
7. Nastasenko V. A. Sudovaya al'ternativnaya energetika i realii ee primeneniya v sovremennyh usloviyah // Wschodnioeuropejskie czasopismo naukowe. 2016. № 2. T. 7. S. 39-47.
8. Solnechnaya energetika vyhodit v more. URL: https://rentechno.ua/blog/solar-takes-seas.html (data obrascheniya: 01.02.2018).
9. Romanenko N. G., Golovko S. V., Zhumanazarov M. P. Issledovanie svoystv preobrazovatelya chastoty v kachestve istochnika pitaniya sudovogo elektrooborudovaniya // Vestn. Astrahan. gos. tehn. un-ta. Ser.: Morskaya tehnika i tehnologiya. 2017. № 1. S. 76-81.
