Две статьи с ресурса energy matters, показывающие перспективы размещения солнечной энергетики в неидеальных условиях солнечной радиации.

Для меня была особенно интересна вторая статья. Все-таки как-то в сознании привычно выстраивается ассоциативный ряд - Море, солнце, пальмы и солнечные панельки. Ан нет… Тропики — это не столько солнце и жара, сколько тучи и дожди, соответственно, солнечная генерация имеет довольно сильную сезонную разницу в КИУМ. А большой коэффициент сезонных колебаний генерации эффективно убивает идею использования солнца для 100% обеспечения энергией.

Потенциал солнечной энергетики в Шотландии

Solar PV potential in Scotland

(http://euanmearns.com/solar-pv-potential-in-scotland/)

Более 35 000 домов и 600 предприятий в Шотландии установили солнечные панели PV, но сделали это только из-за щедрых правительственных субсидий. Теперь, когда эти субсидии прекращаются, возникает вопрос, сможет ли солнечная энергетика в Шотландии стоять на своих ногах. Данные из действующих PV-массивов, представленные в этом сообщении, показывают, что ответ является однозначным «нет». При коэффициенте использования мощности всего 8-9% и сезонных колебаниях генерации, превышающих двенадцать раз, Шотландия на самом деле является одним из худших мест в Европе для солнечной энергетики, несмотря на то, что утверждают ее сторонники.

Статьи, рассказывающие нам, что как великолепно подходит Шотландия для солнечной генерации, продолжают появляться. Последняя из них был в журнале PV Magazine (this one from PV Magazine):

Солнечная энергия - это самая быстрорастущая энергетическая технология в мире, и работает исключительно хорошо даже в северных районах соединенного королевства…

Согласно Би-Би-Си (could power all Scottish electricity supplies), солнечная генерация работает так исключительно хорошо в высоких широтах, что она может обеспечить все шотландские потребности в электроэнергии. Би-би-си даже предоставила подтверждающие доказательства:

Данные WeatherEnergy показали, солнце в Эдинбурге в апреле (2015 г.) генерирует больше электроэнергии, чем используется в среднем домохозяйстве-  порядка 113%. В Абердине этот показатель составлял 111%, 106% в Глазго и 104% в Инвернессе.

Но в то время как солнечный потенциал Шотландии, который, согласно Herald Scotland (Herald Scotland ), «ошеломляет» ....

Размещение панелей на крышах обеспечивает исключительно экономичное, популярное, решение с возможностью ошеломляющего 40GW генерации, при размещении на всех крышах на территории Шотландии.

.... но это не реализуется, потому что шотландская солнечная энергетика  «несправедливо наказывается»:

Размещение солнечной генерации на шотландских крышах значительно отстает от национального и европейского. Одной из причин этого являются особенно суровые налоги на солнечную генерацию на шотландских корпоративных и государственных зданиях, включая школы и больницы.

Эти претензии, конечно, нонсенс. То, что наказывает солнечную индустрию Шотландии, - это просто отсутствие солнца, особенно зимой. Согласно приведенной ниже карте (из Викимедиа) потенциал солнечной энергии Шотландии на самом деле не лучше, чем в некоторых местах к северу от Полярного круга, и только около трети, от потенциала в Испании:

Давайте посмотрим данные. Есть два показателя, которые следует учитывать: первый коэффициент использования установленной мощности, который ограничивает количество годовой генерации и коэффициент сезонных колебаний, который определяет, сколько потребуется аккумуляторов или резервных мощностей для балансировки потребления и производства солнечной энергии в любое время в течение года.

Чтобы получить эти цифры, я отправился на сайт Sunny Portal и загрузил операционные данные из десяти существующих PV-массивов вокруг Абердина, Эдинбурга и Инвернесса. Это три из четырех мест (я не мог найти никаких данных для Глазго), согласно статье BBC, дающие более чем достаточно электроэнергии для обеспечения внутреннего спроса в апреле 2015 года, поэтому мы можем предположить, что они являются одними из местоположений для солнца в Шотландии. Они также расположены на (сравнительно) солнечном восточном побережье, где мы ожидаем, что коэффициенты использования мощности будут выше.

На рисунке 1 показаны месячные коэффициенты использования мощности в десяти массивах, четыре из которых находятся в Абердине и вокруг него, три в Эдинбурге и три в Инвернессе.. Средний коэффициент использования мощности всех десяти массивов составляет 8,7%.

Рисунок 1. Помесячный коэффициент использования установленной мощности для десяти станций в Шотландии.

Наиболее яркой особенностью рисунка 1 является экстремально высокий коэффициент сезонного колебания, солнечная энергия генерирует в среднем в 12,5 раз больше электроэнергии летом, чем зимой. Это возвращает нас к двум из приведенных ранее утверждений; а именно: а) что солнечная энергия «может обеспечить все шотландские потребности в электроснабжении» и b) что она обеспечивает «потенциал для ошеломляющей мощности на 40 ГВт». В принципе, 40 ГВт солнечной генерации, работающей с коэффициентом мощности 8,7%, приближается к генерированию достаточного количества электроэнергии, чтобы обеспечить ежегодный спрос Шотландии, который составляет около 35 ТВт-ч, поэтому давайте посмотрим, как 40GW солнечных батарей будут выглядеть при генерации.

Как показано на рисунке 2, результаты предсказуемы. Балансировка ежемесячной генерации от 40 ГВт солнечных панелей и ежемесячного спроса Шотландии потребует божественного вмешательства независимо от того, насколько дешевле солнечные панели и аккумуляторы станут в будущем:

Рисунок 2: Соотношение солнечной генерации и потребления электроэнергии в Шотландии

Есть также зимние дни, когда солнечная энергия вообще не генерирует электричества. Рисунок 3 показывает ежедневную генерацию из массива Primrose Bank 7.43 kW - одного из наиболее эффективных - в течение января 2013 года. 14 января Primrose Bank произвел 0,0 кВтч, а 15 января, 17, 20, 23, 24 и 25 менее 0,1 кВтч, что достаточно близко к нулю, чтобы не иметь значения. Средний коэффициент мощности с 10 января по 25 января составил всего 0,4%:

Рисунок 3. Дневная генерация, Primrose Bank, январь 2013 г.

 

Острова Кука - движение к солнцу

The Cook Islands go solar

(http://euanmearns.com/the-cook-islands-go-solar/)

(Inset-Rarotonga, самый большой и самый густонаселенный из Островов Кука).

Как и многие другие отдаленные островные сообщества, Острова Кука решили избавиться от дорогостоящей дизельной энергии и перейти на 100% солнечную энергию в течение ближайших нескольких лет. Для этого они ставят солнечные панели, подкрепленные небольшим количеством литий-ионных аккумуляторов, которые, по их мнению, преодолеют проблему прерывистости солнечной генерации. Однако, опять же, планировщики не смогли распознать непомерно высокие требуемые объемы хранения энергии, и их планы обречены на неудачу. Единственный подход, который имеет шансы на успех, - это минимизировать требования к объему хранения энергии, установив гораздо больше мощности солнечной генерации, чем это необходимо для удовлетворения спроса («overgeneration»), но этот подход имеет свои проблемы.

Острова Кука состоят из 15 разбросанных островов, некоторые из которых населенные. Расположены на расстоянии 3000-4000 км к северо-востоку от Новой Зеландии и разделены на северные и южные группы (см. Карту ниже). Экономическая зона островов охватывает 1,8 млн. Кв. Км, но сами острова составляют всего 236 кв. Км:

По данным ООН, население Островов Кука в 2017 году составляло 17 389 человек, и, согласно Всемирному банку, его номинальный ВВП в 2016 году составлял 311 млн. Долл. США, при этом ВВП на душу населения составлял около 17 900 долл. США, примерно столько же, сколько в Словакии. Единицей валюты является новозеландский доллар (Острова Кука являются самоуправляющимися, а жители островов Кука имеют гражданство Новой Зеландии). Туризм является основной отраслью.

Острова Кука объединены энергетической сетью, а генерация идет преимущественно с 6.5 МВт дизельных установок (фото ниже). Также установлено неуказанное количество солнечных фотоэлектрических панелей, причем самая большая установка - это установка 0,96 МВт в аэропорту Раротонга. Годовое потребление электроэнергии составило 30,0 ГВт-ч в 2013 году, а максимальная нагрузка в 2011 году составила 4,83 МВт. Однако из-за стоимости импортируемого дизельного топлива тарифы на электроэнергию превышают тарифы в Дании или Южной Австралии. В июле 2015 года тарифы Raratonga в жилом секторе варьировались от 0,53 до 0,79 долл. США за кВтч в зависимости от использования. Предполагая, что эти ставки находятся в новозеландских долларах, они переводятся в доллары США от 0,41 до 0,61 / кВт-ч и 0,33 до 0,49 / кВт-ч:

Рисунок 1: Одна из работающих дизельных станций

В попытке сокращения потребления дизельного топлива острова Кука в 2009 году внедрили «нет-меттеринг» в целях стимулирования установки PV-панелей на крышах. Затем в 2011 году объявили о своем намерении перейти на «100% возобновляемый» к 2020 году. Сколько прогресса было достигнуто с тех пор,  точно не известно, но за то известны источники финансирования. Согласно информации от 2017 года, острова Кука получили в общей сложности 41,85 млн. Долл. США в виде финансирования, из которых только 7,14 млн. Долл. США было внесено Островами Кука. Остальные 34,71 млн. Долл. США состоят из грантов Азиатского банка развития, ЕС, Глобального экологического фонда и «Зеленого фонда» ООН: Рисунок 2, из приведенного выше отчета, содержит подробную информацию:

Рисунок 2: Источники финансирования программы "100% возобновляемая энергетика"

Но, несмотря на то что существует ряд проектов, в литературе есть путаница в отношении того, сколько именно этих проектов существует и на каких островах они расположены. Детали проекта (MW установлены и т. Д.) Также обычно недоступны. Поэтому в этой статье я рассматриваю 15 отдельных островов Кука как единое целое.

Первый вопрос, который возникает, - насколько хороший солнечный потенциал у Островов Кука? Ответ: не так хорошо, как можно было бы подумать. Несмотря на их благоприятную широту, которая колеблется от 10 до 20 градусов к югу, острова Кука получают 1500 - 2000 мм дождя в год, и, согласно Weatherspark, остров Айтатуке, к северу от Раротонги, в течение большей части года похоронен в облаках. В соответствии с погодой и климатом Раротонга сам получает в среднем всего 177 часов солнечного света в месяц или около 5,8 часов в день (рисунок 3).

Рисунок 3: Среднемесячное число солнечных часов на Раротонга

Соответственно, имеем не впечатляющую работу двух солнечных установок, которые в настоящее время работают на Раротонга, для которых Sunny Portal предоставляет данные. Первый - массив UPS (Университет южной части Тихого океана). Его установленная мощность составляет 11,6 кВт (p), а панели фиксированы, установлены на земле и, предположительно, азимут восток-запад, наклоненный примерно на 20 градусов к северу (рис. 4).

Рисунок 4: Солнечные панели станции UPS

На рисунке 5 показано генерация UPS с начала 2013 года. Станция была установлена в конце октября 2012 года, но, похоже, не начала работать на полную мощность до середины 2014 года. Но за три полных года работы с 2015 до 2017 году, средний коэффициента использования мощности был всего 11,5%.

Рисунок 5: Генерация станции UPS

Вторая, большая по размеру станция PV «Раротонга Аэропорт Запад» имеет установленную мощность 961,5 кВт. (рисунок 6)

Рисунок 6: Станция Раротонга аэропорт

На рисунке 7 показана генерация солнечной энергии станция Rarotonga Аэропорт с начала 2015 года. (Система была установлена в октябре 2014 года.) В течение первых двух полных лет работы (2015 и 2016 годы) она имела коэффициент мощности всего 13,5%. Однако генерация резко сократилась в апреле 2017 года, а за 14 месяцев с тех пор коэффициент мощности снизился до 3,8%.

Рисунок 7: Генерация станции Раротонга аэропорт

Что вызвало резкое снижение объема генерации в апреле 2017 года? Статьи в средствах массовой информации не дают никаких объяснений (негативные результаты проектов по возобновляемой энергетике редко освещаются в прессе). Это также, вероятно, не имело ничего общего с предполагаемой установкой 5,6 МВт-ч резервного аккумулятора для системы, которая, согласно большинству средств массовой информации, еще не установлена (хотя Renewconomy утверждает, что она была установлена в июне 2017 года).

Исходя из этих двух примеров, можно сделать вывод, что Острова Кука не имеют хорошего солнечного потенциала. Коэффициенты мощности 11,5% и 13,5%, перечисленные выше, лишь незначительно лучше, чем британские коэффициенты солнечной энергии, а дикие колебания в повседневной генерации, такие как показанные на рисунке 8, также не внушают доверия. Точно так же, как и то что генерация иногда падает до нуля, как например на станции в аэропорту Раротонга с 18 апреля по 24 мая 2017 года и на станции USP 8, 9 и 10 мая этого года.

Рисунок 8: Дневная генерация ноябрь 2016 г.

Но если предположить, что это локальные аберрации, есть ли на Островах Кука какие-либо реальные шансы заменить дизельное производство на 100% солнечной энергии? Чтобы оценить потенциал солнечной генерации, я использовал данные о солнечной радиации для Rarotonga, зарегистрированные в проекте по мониторингу ветрового и солнечного потенциала в южной части Тихого океана, и предположил коэффициент использования мощности 17,5%, что соответствует средним результатам для данной широты, и который был фактически достигнут на станции в аэропорту Раротонга в 2015 году.

Значения радиации коррелирует с солнечной генерацией, поэтому я превратил их в ежемесячные значения, соответствующие 30 ГВтч годовой солнечной энергии, равную нынешнему годовому потреблению Кука. Затем я взял кривую ежемесячной нагрузки Rarotonga (диаграмма 4) из этого исследования, скорректировал ее в соответствии с 30 ГВтч годовой генерации и вычислил разницу между генерацией и спросом. Результаты показаны на рисунке 9:

Рисунок 9: Месячная генерация, потребление и дефицит/профицит, рассчитанные на основе данных солнечной радиации.

Годовое потребление сильно не меняется, но солнечная генерация колеблется в два раза между минимумом апреля / мая и максимумом ноября / декабря. Результатом является дефицит солнечной энергии в период с февраля по август и профицит на оставшуюся часть года, и эти дефициты и излишки определяют объем хранилища, необходимый для баланса сезонных колебаний, чтобы производство соответствовало бы спросу. Сколько нужно для этого хранить энергии?

По моим расчетам, 3,237 МВтч.

И сколько мегаватт солнечной энергии понадобится для создания 30 ГВтч островов Кука годового потребления с коэффициентом мощности 17,5%, игнорируя требования к балансировке? Один ГВт с коэффициентом мощности 17,5% будет генерировать 1 * 8 760 * 0,175 = 1,533 ГВт / год, поэтому для генерации 30 ГВт / год нам нужно 30/1533 = 0,02 ГВт или приблизительно 20 МВт.

Это подводит нас к вопросу о стоимости. Я использовал следующие сметы расходов:

Затраты на солнечную генерацию: Заявка, поданная в 2016 году на 1,364 МВт солнечной генерации на четырех разных островах Кука, составила 2,87 долл. США за киловатт. В 2015 году Mpower стала победителем торгов на 5 МВт солнечной энергии на близлежащем (по тихоокеанским стандартам) острове Самоа по цене 2,12 долл. США / кВт. Я предположил, что 2,0 долларов / кВтч для 20 МВт солнечной энергии, необходимой для удовлетворения спроса на острова Кука, с общей суммой в 40 миллионов долларов.

Затраты на аккумуляторы: система хранения литий-ионных батарей объемом 5,6 МВт-ч для комплекта аэропорта стоит 4,1 млн. Австрал. Долл. , что составляет 554 долл. США за кВт-ч. По этой цене 3,237 МВт-ч литий-ионного аккумулятора, необходимого для баланса сезонных солнечных колебаний Кука, будет стоить около 1,7 млрд. Долл. США.

Очевидно, что аккумулирование энергии не является реалистичным вариантом. Однако требования к сезонным хранилищам, по крайней мере теоретически, могут быть сведены к минимуму за счет установки излишней мощности (overgeneration). Как показано на рисунке 10, установка на 60% большей солнечной энергии, чем это необходимо для заполнения годового спроса на островах Кука, эффективно устраняет необходимость сезонного хранения и снижает общие капитальные затраты с 1,75 млрд. Долл. США до примерно 90 млн. Долл. США. (Обратите внимание, что по моим приблизительным оценкам примерно 30 МВт-ч хранения, будут в любом случае необходимо для балансировки дневных колебания, поэтому красная линия на рисунке 10 никогда не опускается ниже 30 МВт-ч.)

Рисунок 10: Отношение потребности в объеме хранения к излишней мощности генерации

Однако эти результаты являются умозрительными и сомнительными. При фактической реализации можно ожидать следующих проблем:

• Система будет крайне неэффективной. С 60% -ным превышением мощности очень большие объемы избыточной генерации должны теряться.
• Вероятно, не хватит объема хранения для покрытия дефицита в случае длительного солнечного «отключения», например, недели без солнца.
• Поддержание частоты сети в допустимых пределах с помощью солнечной генерации, вероятно, потребует добавления дорогостоящего оборудования для балансировки нагрузки (примером острова Кинг, Тасмания).
• 100% возобновляемая генерация может оказаться более дорогой и менее надежной, чем дизельная генерация, которую она заменяет.

Люди, которые планируют 100% -ную систему возобновляемых источников энергии на отдаленных островах, хорошо поймут, что результаты в «тестовых сценариях», таких как Кинг-Айленд и Горона-дель-Вьенто, указывают на то, что замена более чем 60% существующей дизельной генерации прерывистыми возобновляемыми источниками энергии нереалистичная цель. Они также могут отметить, что ни один из этих проектов не будет существовать без щедрых субсидий.

 2018 by Roger Andrews