Система солнечного электроснабжения дома с нулевым углеродным следом

И. А. Султангузин, доктор техн. наук, профессор, Национальный исследовательский университет «Мос­ковский энергетический институт» (НИУ «МЭИ»);

В. Ю. Чайкин, аспирант, ассистент, НИУ «МЭИ»;

Ю. В. Яворовский, канд. техн. наук, заведующий кафедрой «Промышленные теплоэнергетические системы» НИУ «МЭИ»; Цэрэндорж Цэцгээ, аспирант, ассистент НИУ «МЭИ»;

И. Д. Калякин, канд. техн. наук, ассистент, НИУ «МЭИ»;

А. В. Говорин, советник генерального директора АО «САГА Электроникс»;

А. В. Скоробатюк, генеральный директор ООО «Новый Полюс»

Опыт многих стран показывает, что, несмотря на технические, финансовые и организационные проблемы, солнечная энергетика неуклонно развивается. Основными драйверами ее развития являются: снижение на порядок стоимости солнечных модулей, благоприятные климатические условия, достижение рентабельности жилых зданий для инвестиций в фотоэлектрические модули и системы хранения энергии в аккумуляторных батареях, господдержка программ развития возобновляемых источников энергии (ВИЭ) и др.

Основная задача комплексного проектирования – создание дома с гармоничной архитектурой, минимальными затратами энергоресурсов на поддержание комфортного микроклимата и с использованием ВИЭ [1]. Приведем пример проектирования, строительства и эксплуатации солнечной электростанции (СЭС) с целью достижения нулевого углеродного следа энергоэффективного 2-этажного частного дома площадью 200 м², расположенного в Московской области, в том числе покажем применение BIM- и BEM-технологий для проектирования СЭС и основные этапы ее развития, проанализируем баланс электроэнергии энергоэффективного дома, а также представим построенные регрессионные зависимости выработки солнечной электроэнергии от различных факторов².

Применение цифровых технологий для проектирования солнечной электростанции

Поскольку солнечные панели (СП) могут быть установлены на крыше строящегося дома, на его фасаде или отдельно в виде навеса на участке, то вопрос их размещения лучше решать на стадии выбора участка. В подмосковном коттеджном поселке, расположенном на 56-м градусе северной широты, был выбран один из двух участков с отклонением³ на 11° по азимуту от южной стороны (рис. 1а). Угол наклона крыши дома для солнечных панелей был выбран равным 31° от уровня горизонта, в результате чего в течение всего года приход солнечной радиации на крышу близок к оптимальному (рис. 1б).

Применение технологии энергетического моделирования зданий (BEM) основывалось на расчетах энергопотребления здания с помощью пакета планирования пассивного дома (Passive House Planning Package, PHPP) и DesignPH [2]. Программы PHPP и DesignPH позволяют моделировать все составляющие системы энергоснабжения. С помощью этого инструмента проектирования можно задавать параметры оборудования, а также климатические условия, режимы эксплуатации здания, параметры оболочки и прочие характеристики и рассчитывать как потребление энергии оборудованием, так и ее выработку. Таким образом, строящееся здание расположено относительно сторон света так, чтобы можно было максимально использовать солнечную энергию для выработки электрической энергии за счет солнечных батарей на крыше [3, 4].

Расчеты показали, что для достижения нулевого энергопотребления требуется установить 36 солнечных батарей суммарной мощностью 11,5 кВт. Для хранения электрической энергии, вырабатываемой солнечными батареями, планировалось использовать аккумуляторные батареи.

На основе технологии информационного моделирования зданий (BIM) в программе ArchiCAD создавался проект наиболее эффективного размещения на доме и придомовом участке солнечных панелей и коллекторов (СК) [1]. В результате было установлено на крыше (в центре) дома 30 СП и 4 СК, а позже еще 32 СП на навесе для электромобиля (рис. 2, слева от дома) и 12 СК на навесе для подземного аккумулятора (рис. 2, справа от дома).

В процессе проектирования решался вопрос высоты расположения СП на навесе и крыше дома. Была решена проблема затенения СП деревьями, размещенными преимущественно с северной стороны участка. Близлежащие дома создавали минимальное затенение, в основном в зимний период и только в вечернее время при низком солнце. Все эти факторы были учтены на этапе проектирования. Наиболее эффективно эти проблемы решаются при проектировании с использованием BIM-технологий.

Построение системы солнечного электроснабжения энергоэффективного дома

Летом 2019 года в дополнение к ранее установленным на крыше дома 4 солнечным коллекторам было смонтировано 4 фотоэлектрических модуля [5]. Поскольку в декабре этого же года был принят закон № 471-ФЗ⁴, в соответствии с которым любой гражданин РФ или юридическое лицо, установившие солнечную электростанцию мощностью не более 15 кВт, могут отдавать излишки произведенной и не потребленной электроэнергии в сеть, было решено воспользоваться этой возможностью.

Этапы согласования договора о микрогенерации

Реализация закона № 471-ФЗ на данном объекте осуществлялась в несколько этапов:

• вначале была увеличена мощность потребления из сети с 8 до 15 кВт на основании оформленной заявки, направленной в Россети;

• затем в апреле 2021 года был установлен двунаправленный счетчик с радиоинтерфейсом (также по заявке);

• вопрос о передаче избытков электроэнергии в сеть решался с Россетями до января 2022 года (по заявке на техническое присоединение объекта микрогенерации);

• на заключение договора с Мосэнергосбытом потребовалось еще 4,5 месяца.

Таким образом, на согласование договора о микрогенерации ушло около полутора лет, и выдача избытков электроэнергии в сеть началась лишь в мае 2022 года.

Увеличение объемов генерации солнечной энергии

Чтобы вывести дом на нулевое годовое энергопотребление с возможностью продавать излишки в сеть [6]:

• Были установлены (в мае 2021 года) еще 26 СП на крыше с южной стороны дома (рис. 3).

• Система была смонтирована с учетом распределения нагрузок по фазам и в полной мере позволяет покрыть все нагрузки дома.

В систему электроснабжения дома была встроена солнечная электростанция (табл. 1), включающая 30 СП суммарной мощностью 11,9 кВт, 3 гибридных инвертора 5 кВт, работающих в трехфазном режиме, и 8 свинцово-кислотных аккумуляторных батарей, обеспечивающих 19,2 кВт•ч  емкости.

Проводилось сравнение сетевой и гибридной солнечной электростанций [7]. Сетевой электростанции не нужны аккумуляторные батареи, и она дешевле гибридной, но ее невозможно ввести в эксплуатацию без договора о микрогенерации на выдачу в сеть, процесс заключения которого может сильно затянуться. Поэтому по результатам расчетов был выбран гибридный режим работы, основными преимуществами которого стали:

• возможность сэкономить на потреблении электроэнергии;

• функционирование при отсутствии напряжения в сети;

• работа при перебоях в сети;

• наличие нескольких режимов: автономного, смешанного и резервного.

Гибридная солнечная электростанция⁵ эксплуатировалась целый год, обеспечивая дом электроэнергией, прежде чем были оформлены все документы, позволяющие передавать ее излишки в сеть.

• Дополнительно подключены (сентябрь 2022 года) к сети дома установленные на навесе для электромобиля 32 солнечные панели (табл. 1) электрической мощностью 10,24 кВт, работающие через 2 дополнительных инвертора 5 кВт максимальной мощностью 6 кВт каждый. На двух фазах установлено по 2 инвертора.

Отклонение навеса с СП по азимуту от южной стороны составляет так же, как и для крыши, 11°, а угол наклона навеса относительно уровня горизонта составляет те же 31°, то есть солнечные панели на навесе и на крыше дома расположены параллельно и никак не затеняют друг друга.

Дополнительные работы

При реализации этих проектов решались вопросы мониторинга и автоматического управления системой электроснабжения дома с эффективным использованием солнечной электроэнергии и минимальным потреблением электроэнергии из сети [8].

Для обеспечения⁶ безопасности электриков, выполняющих ремонтные работы, в поселковой электросети была установлена тройная защита. Во-первых, в инверторах предусмотрена функция автоматического отключения от общей электросети. Во-вторых, были установлены реле контроля фаз и магнитный контактор на вводе в дом [6]. В-третьих, на столбе ЛЭП Россетей в закрытом боксе был дополнительно установлен рубильник для ручного отключения объекта микрогенерации от электрических сетей, чтобы электрики в случае аварийных ситуаций могли осуществлять ремонт, не опасаясь подачи электроэнергии от СЭС в общую сеть.

На объекте осуществляется мониторинг системы микрогенерации с использованием программного обеспечения Solar Power для сбора данных от инверторов с дискретностью 1 мин. Двунаправленный счетчик электрической энергии позволяет точно определять объем электроэнергии, выданной в сеть и потребляемой из сети. Пять трехфазных и пять однофазных счетчиков контролируют потребление различных устройств инженерной системы дома, что способствует выявлению возможностей для повышения энергоэффективности.

На объекте была произведена замена аккумуляторов. Установленные 12 аккумуляторов суммарной емкостью 30,7 кВт•ч, выполненные по технологии «литий – железо – фосфат», обеспечивают более высокую устойчивость к глубоким разрядам и имеют увеличенный срок службы, что делает их более подходящими для данной системы энергоснабжения.

Анализ баланса электроэнергии энергоэффективного дома

На крыше исследуемого дома размещена метеостанция, среднемесячные значения с которой непрерывно фиксировались в течение 2022–2024 годов (рис. 4). Согласно полученным данным, интенсивность солнечной радиации и температура наружного воздуха летом 2023 года были ниже, чем в 2022 году. Весной 2024 года солнечная радиация была наибольшей, а летом – больше, чем в 2023 году, но меньше, чем в 2022 году.

Выработка солнечной электроэнергии и ее отпуск⁷ в сеть с 2022 по 2024 год постоянно увеличивалась (рис. 5). В октябре 2022 года количество выработанной электроэнергии превысило сентябрьское по причине того, что к системе энергоснабжения дома были подключены солнечные панели на наземном навесе. Баланс электроэнергии энергоэффективного дома и электромобиля в 2021–2024 годах приведен в табл. 2.

Суточный объем выработанной солнечными панелями электроэнергии определялся по сумме показаний инверторов, к которым были подключены эти СП. В 2024 году средняя выработка всех СП составила 1 044 кВт•ч на 1 кВт установленной мощности (табл. 1). Полученная в течение 2023 года солнечная электроэнергия полностью обеспечила нулевое энергопотребление и нулевой углеродный след здания за этот период [8], а ее прирост по сравнению с 2022 годом составил 6 736 кВт•ч, или 63 % (см. табл. 2). В 2024 году данный показатель превысил значение 2023 года на 5 711 кВт•ч (на 25 %).

Отпуск электроэнергии в сеть в 2024 году превысил на 3 481 кВт•ч (на 18,8 %) аналогичный показатель предыдущего года. И это даже с учетом того, что в 2023 году 1 318 кВт•ч, необходимых для зарядки электромобиля Volkswagen ID4, были получены на городских зарядных станциях [10], на которых в 2024 году данный электромобиль получил 2 026 кВт•ч энергии (см. табл. 2). За 7 месяцев 2023 года электромобиль прошел 5 981 км, а за 12 месяцев 2024 года – 9 241 км. Можно считать, что даже если электромобиль заряжается на городских зарядных станциях, то, по сути, он использует электроэнергию, выработанную собственной СЭС и переданную в сеть.

Благодаря большему количеству солнечных дней в 2024 году по сравнению с 2023 годом выработка электроэнергии и отпуск в сеть еще больше возросли. Другая причина роста генерации – внедрение в систему энергоснабжения дома 4 СП, которые прежде работали отдельно на нагрев бака 500 л.

Можно видеть (рис. 6), что в период с октября 2023 года по январь 2024 года потребление электроэнергии домом изменяется от 430 до 1 013 кВт•ч, то есть среднечасовая мощность потребления электроэнергии в среднем составляет 909 Вт и варьируется от 578 Вт до 1,36 кВт. Ежемесячная зарядка электромобиля изменялась в диапазоне 110–310 кВт•ч.

Инженерное оборудование, включая тепловой насос, в среднем потребляет от 184 до 890 Вт электроэнергии (за год – 452 Вт). Среднегодовая мощность бытового потребления составляет 457 Вт.

Максимальная выработка солнечной электроэнергии составила 3 585 кВт•ч в мае 2024 года, а отпуск избытков – 2 946 кВт•ч, при этом на собственные нужды дома пошло всего 530 кВт•ч.

Потребление электроэнергии из сети (в основном в ночные часы, с 23:00 до 7:00) изменялось от 1 234 кВт•ч в декабре 2023 года до 365 кВт•ч в июне 2024 года и оплачивалось по льготному ночному тарифу.

Изменение выработки электроэнергии СЭС в зависимости от освещенности и температуры наружного воздуха

Статистический анализ данных за апрель–июль 2024 года о генерации электроэнергии СЭС проводился в программе Statgraphics Centurion XV. Расчеты показали, что на выработку электроэнергии за сутки оказывают влияние среднесуточные значения температуры воздуха окружающей среды и солнечной радиации. На основе анализа 107 данных была получена регрессионная зависимость (см. Формулы, формула (1)) производства электроэнергии солнечной электростанцией за сутки от этих показателей с достаточно высоким значением уточненного коэффициента детерминации R² = 95,6 %.

На основе результатов регрессионного анализа построен трехмерный график зависимости производства электроэнергии солнечными панелями от освещенности и температуры воздуха (рис. 7), из которого видно, что выработка электроэнергии фотовольтаическими панелями возрастает с увеличением солнечной радиации, что естественно. Но при высокой солнечной радиации важную роль начинает играть температура наружного воздуха: с увеличением температуры с 9 до 30 °С выработка электроэнергии в сутки в солнечный день при среднесуточной солнечной радиации 360 Вт/м² сокращается с 190 до 123 кВт•ч (на 36 %). При этом в полдень солнечная радиация достигает 1 000 Вт/м² и более, а в ночные часы, естественно, снижается до нуля. Данная зависимость подходит только для конкретной солнечной электростанции.

Более универсальная зависимость может быть построена для среднего КПД от тех же факторов: освещенности и температуры окружающей среды. В результате получена регрессионная зависимость среднесуточного КПД солнечной электростанции (см. формулу (2)) со значением уточненного коэффициента детерминации R² = 78,5 % (рис. 8).

Эффективность солнечной панели определяется КПД, который показывает, какая часть поглощенной энергии солнечного света преобразуется в СП в электрическую энергию. Зависимость выработки электроэнергии (рис. 7) от освещенности и температуры воздуха имеет существенное отличие от аналогичной зависимости КПД солнечных панелей (рис. 8). Взаимосвязь КПД от температуры наружного воздуха видна четко, а вот от освещенности она менее заметна: с увеличением интенсивности солнечной радиации КПД СП медленно снижается, как при низких, так и при высоких температурах. КПД солнечных панелей может зависеть и от многих других факторов, которые трудно учесть, например от затенения близлежащими зданиями и сооружениями, особенно при восходе и заходе солнца, от охлаждения поверхности СП ветром и т. д.

Выводы

Анализируя результаты проведенного исследования системы энергоснабжения расположенного в Подмосковье энергоэффективного двухэтажного дома, можно сделать следующие выводы:

• использование солнечной электростанции для аналогичных индивидуальных малоэтажных домов позволяет достичь нулевого значения энергопотребления за счет передачи излишков электроэнергии в общую сеть;

• оптимально спроектировать солнечную электростанцию, с тем чтобы достичь нулевого углеродного следа и положительного энергетического баланса, позволяет применение BIM- и BEM-технологий;

• годовая выработка солнечной электростанции в климатических условиях Московского региона составляет примерно 1 000 кВт•ч на 1 кВт установленной мощности.

Также нужно отметить бюрократические трудности при реализации требований федерального закона № 471-ФЗ в части микрогенерации, а именно при подписании договора о разрешении на выдачу в сеть излишков электроэнергии, произведенной возобновляемым источником энергии мощностью не более 15 кВт.

Литература

1. Султангузин И. А., Кругликов Д. А., Яворовский Ю. В., Жигулина Е. В., Калякин И. Д., Говорин А.  В., Яцюк Т. В., Бартеньев А. И., Хромченков В. Г. Применение BIM-, BEM- и CFD-технологий для проектирования, строительства и эксплуатации энергоэффективного дома // С.О.К. 2019. № 9. С. 36–42.

2. Файст В. Основные положения по проектированию пассивных домов. М.: ООО «КОНТИ ПРИНТ», 2015. 144 с.

3. Калякин И. Д., Ашихмина А. А., Султангузин И. А., Федюхин А. В., Яворовский Ю. В. Математическое моделирование системы энергоснабжения дома с нулевым энергопотреблением с помощью программного обеспечения для проектирования пассивных домов // Труды восьмой Международной школы-семинара молодых ученых и специалистов «Энергосбережение – теория и практика». Москва, НИУ «МЭИ», 10–13 октября 2016 г. М.: Издательский дом МЭИ. С. 390–393.

4. Sultanguzin I., Kalyakin I., Govorin A., Khristenko B., Yavorovsky Yu. Optimization of the energy efficient active house // 3. INGENIUERTAG 2016. Der Fakultat Maschinenbau, Electro- und Ener-giesysteme Gus- und Osteuropatag. NESEFF-NETZWERKTREFFEN 2016. Tagunsband. Branden-burgische Technische Universitat. Cottbus-Senftenberg. 14–15 November 2016. Pp. 8–12.

5. Говорин А. В., Султангузин И. А. Энергоэффективный жилой дом с минимальным потреблением энергии от внешних сетей (Ашукино, Московской области) // Материалы III Климатического форума городов России «Климатическая адаптация и сокращение парниковых газов мегаполиса: ВИЭ в моем дворе». М., 2019. С. 19–21.

6. Chaikin V. Y., Sultanguzin I. A., Yavorovsky Yu. V., Kalyakin I. D., Skorobatyuk A. V., Demidov E. A. Solar power plant for energy supply of building // Proceedings of the 2022 4th International Youth Conference on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering, REEPE 2022, Moscow, March 17–19, 2022. 6 p.

7. Петров В. А., Чайкин В. Ю., Христенко Б. А., Савицкий И. Д., Султангузин И. А., Демидов Е. А., Нечаев А. Н., Скоробатюк А. В. Перспективы развития инженерной системы энергоэффективного дома // Труды Десятой Международной школы-семинара молодых ученых и специалистов «Энергосбережение – теория и практика». Москва, НИУ «МЭИ», 19–23 октября 2020 г. Курск: ЗАО «Университетская книга», 2020. С. 66–72.

8. Sultanguzin I., Toepfer H., Kalyakin I., Govorin A., Zhigulina E., Kurzanov S., Yavorovsky Yu. Mathematical modeling and control system of nearly zero energy building // Informatyka, Automatyka, Pomiary w Gospodarce i Ochronie Srodowiska. 2018. № 2. Pp. 21–24.

9. Чайкин В. Ю., Петров В. А., Султангузин И. А., Басалаев А. А., Нечаев А. Н., Капитонов Н. Н. Особенности совместного использования систем мониторинга и управления энергоэффективного дома // Труды Десятой Международной школы-семинара молодых ученых и специалистов «Энергосбережение – теория и практика». Москва, НИУ «МЭИ», 19–23 октября 2020 г. Курск: ЗАО «Университетская книга», 2020. С. 291–297.

10. Султангузин И. А., Говорин А. В., Яцюк Т. В., Калякин И. Д., Яворовский Ю. В., Чайкин В. Ю., Бу Дакка Б., Цэцгээ Ц. Достижение нулевого углеродного следа в единой системе «энергоэффективный дом – электромобиль» // Энергосбережение. 2024. № 5, 6.

³ Остальные 134 земельных участка имели больший угол отклонения от юга: на 25–40°.

⁴ Федеральный закон от 27 декабря 2019 года № 471-ФЗ «О внесении изменений в Федеральный закон “Об электроэнергетике” в части развития микрогенерации». Данный закон фактически начал действовать с апреля 2021 года (Постановление Правительства РФ от 2 марта 2021 года № 299 «О внесении изменений в некоторые акты Правительства Российской Федерации в части определения особенностей правового регулирования отношений по функционированию объектов микрогенерации»).

⁶ Согласно требованиям Федерального закона от 26 марта 2003 года № 35-ФЗ «Об электроэнергетике».

⁷ До мая 2022 года отпуск электроэнергии в сеть отсутствовал.