Чакан масштабдагы тармакка интеграцияланган күн системасы (Small-Scale Embedded Solar, SSES), турак жай, коммерциялык объект же өнөр жай аянты сыяктуу керектөө жеринде орнотулуп, электр тармагына туташып иштей ала турган чакан масштабдагы фотоэлектрдик өндүрүш системасы. Бул изилдөө Түштүк Африканын Western Cape аймагындагы бир реалдуу турак жай тибиндеги SSES системасынын 2024-жылдагы өлчөөлөрүн колдонуп, өндүрүш кубаттуулугунун канчасы пайдаланыларын, системадан алынган электр энергиясынын наркын жана пайдаланылбай калган күн энергиясын эки багыттуу эсептегич аркылуу тармакка сатуунун экономикалык натыйжаларын изилдейт.

Изилденген система болжол менен 6,5 kWp PV кубаттуулугунан, батареядан, инвертерден жана максималдуу кубат чекитин көзөмөлдөөчү түзмөктөн турат. Система бир жыл бою үзгүлтүксүз көзөмөлдөнүп, маалыматтар мүнөт сайын жазылып, сааттык жазуулар жумалык салыштырууларга айландырылган. Булак жериндеги теориялык максималдуу панель натыйжалуулугун %17,5 деп эсептеп, жеткиликтүү күн энергиясынын кеминде %54ү пайдаланылбай турганын жана жалпы SSES пайдалануу натыйжалуулугу %46 экенин билдирет. Изилдөөнүн кыскача жана жыйынтык бөлүмдөрүндө пайдаланылбаган кубаттуулук жалпы түрдө болжол менен %50 деп берилет.

Булакта SSES үчүн эсептелген LCOE ZAR5,63/kWh, ал эми тармактык электр үчүн салыштырылган бирдиктик нарк болжол менен ZAR2,96/kWh. 4-таблицада бирдей жылдык керектөө деңгээли болгон 5828 kWh үчүн SSESтин жалпы наркы ZAR30.740, тармактык электрдин наркы ZAR17.553 деп көрсөтүлгөн. Изилдөөчү бул айырманы үй ээси үчүн SSES энергиясынын наркы болжол менен %75 жогору деп жыйынтыктайт. Бирок булактын өзүндө %70, %75 жана LCOE маанилеринин түз катышы ортосунда толук сандык дал келүү жок болгондуктан, бул билдирүүлөрдү күч менен бирдей деп эсептөөгө болбойт.

Экономикалык сценарий пайдаланылбай калган күн электрин эки багыттуу эсептегичтер аркылуу тармакка берүү үй ээлери үчүн гана эмес, электр бөлүштүрүүчүлөрү үчүн да баалуулук түзүшү мүмкүн деп сунуштайт. Cape Town мисалында болжол менен 100 MW каттоодон өтпөгөн же али системага интеграцияланбаган SSES кубаттуулугунун негизинде жылына болжол менен 153 GWh пайдаланылбаган энергия потенциалы эсептелген жана бөлүштүрүүчү үчүн туташтырууну колдоонун пайда/чыгым катышы булакта 5,2:1 деп берилген. Бирок бул натыйжа бир турак жай системасына, бир географиялык жерге жана сценарийдик божомолдорго негизделген; ал Түштүк Африкадагы бардык SSES системаларынын түз өлчөнгөн экономикалык көрсөткүчү эмес.

Чакан Масштабдагы Тармакка Интеграцияланган Күн Системасы Деген Эмне?

Чакан масштабдагы тармакка интеграцияланган күн системасы электрди ири борбордук станцияда эмес, керектөө чекитине жакын PV түзүлүшүндө өндүрүп, зарыл учурда тармак менен эки багытта энергия алмаштыра алган чакан электр өндүрүш системасы. Изилдөөнүн контекстинде SSES күн панелдеринен, максималдуу кубат чекитин көзөмөлдөөчү түзмөктөн, инвертерден, батареядан, турак жайдын электр жүктөрүнөн жана тармактык туташуудан турган система.

Чакан масштабдагы интеграцияланган өндүрүш күн энергиясы менен гана чектелбейт; булак чакан шамал, микро-гидро, биомасса, биогаз жана айрым отунга негизделген технологиялар да ушул кеңири категорияга кире аларын белгилейт. Бул изилдөө болсо фотоэлектрдик SSESке гана көңүл бурат.

Prosumer түшүнүгү

Тармакка туташкан SSESтин маанилүү өзгөчөлүктөрүнүн бири электр керектөөчүсүн жөн гана керектөөчү болуудан чыгара алышы. Колдонуучу керек учурда тармактан энергия алып, башка учурда өзүнүн PV системасындагы ашыкча энергияны тармакка бере алса, ал бир эле убакта өндүрүүчү да, керектөөчү да болот. Булак бул рол үчүн prosumer терминин колдонот.

Бул эки багыттуу мамиле ишке ашышы үчүн энергия агымы тармактан үйгө гана эмес, үйдөн тармакка карай да өлчөнө алышы керек. Ошондуктан эки багыттуу эсептегич изилдөөнүн экономикалык аргументинин борбордук техникалык бөлүктөрүнүн бири.

SSES эмне үчүн пайдаланылбаган кубаттуулук жаратат?

Изилдөөдөгү негизги инженердик маселе сезондук. Турак жай PV системасы кышында күн нуру аз, күндөр кыска жана электр талабы жогору болгон шарттарды камсыздай тургандай өлчөмдө тандалганда, ошол эле панель аянты жайында көбүрөөк энергия өндүрүү мүмкүнчүлүгүнө ээ болот. Эгер керектөө бул өндүрүшкө дал келбесе, ашыкча кубаттуулук пайда болот.

Булактын 2-сүрөтү 2024-жыл бою теориялык потенциалдуу күн өндүрүшүн, чындап пайдаланылган күн энергиясын жана пайдаланылбаган бөлүгүн жумалар боюнча салыштырат. Кышында болжол менен 20–36-жумалар аралыгында пайдаланылбаган бөлүк азайса, жылдын калган мезгилинде потенциалдуу өндүрүш менен пайдаланылган өндүрүштүн айырмасы чоңоёт.

Бул натыйжа жылдык жалпы энергия көлөмү гана эмес, өндүрүш менен талаптын бир убакта болушу же болбошу да маанилүү экенин көрсөтөт. PV панели түш маалында ашыкча энергия өндүрүшү мүмкүн; бирок үйдүн эң жогорку керектөөсү күн баткандан кийин болсо, бул кубаттуулукту түз керектөөгө болбойт.

Кубаттуулуктун Болжол Менен Жарымы Пайдаланылбай Калышы Эмнени Билдирет?

Болжол менен %50 пайдаланылбаган кубаттуулук PV системасы физикалык жактан электр өндүрө албайт дегенди билдирбейт; ал жеткиликтүү күн ресурсунан өндүрүүгө мүмкүн болгон энергиянын олуттуу бөлүгүн үй керектей албай же тармакка сата албай жатканын билдирет. Изилдөөнүн эсептеринде өлчөөгө негизделген пайдаланылбаган энергия кеминде %54, ал эми пайдаланылган потенциалдын үлүшү %46 деп табылган; жыйынтык жана сценарий бөлүмдөрүндө бул абал тегеректеп болжол менен %50 ашыкча кубаттуулук катары берилет.

Күндүзгү өндүрүш менен кечки талаптын дал келбестиги

Булактын 3-сүрөтү жыл бою үйдүн энергия талабын күндөн түз үйгө келген энергия, батареяга кеткен энергия жана тармактан алынган энергия бөлүктөрү менен көрсөтөт. 4-сүрөт болсо жайкы жана кышкы күндөлүк профилдерди салыштырат.

Жайкы профилде күн өндүрүшү үйдүн күндүзгү талабынан кыйла жогору болушу мүмкүн. Кышында потенциалдуу өндүрүш азайып, пайдаланылган күн энергиясы жалпы потенциалга жакындайт. Ошого карабастан булак кыш айларында жалпы талаптын айрым мезгилдерде %60ка чейинки бөлүгү SSES тарабынан камсыздалбай каларын билдирет. Мунун себеби энергия көлөмүнө караганда убакыттык дал келүүдө: күн энергиясы азайган кечки сааттарда жылытуу жана тамак даярдоо сыяктуу жүктөр өсөт.

Fraction of Demand Served — FDS

Fraction of Demand Served (FDS), жалпы электр талабынан жергиликтүү энергия системасы камсыз кылган үлүштү көрсөткөн ишенимдүүлүк көрсөткүчү. Булак изилдеген система үчүн LCOE салыштырылган шартта FDS мааниси %71 деп берилет.

Булак адабияттарда Сахаранын түштүгүндөгү Африкадагы окшош системалар үчүн болжол менен %90 FDS чамасында энергия наркы төмөн болушу мүмкүн экенин жана ишенимдүүлүккө талап жогорулаганда чыгым тез өсөрүн да баяндайт. Жыйынтык бөлүмүндө болжол менен %85 FDS оптималдуу болушу мүмкүн деген жалпыраак пикир бар. Бул эки билдирүү бир эле эксперименттик өлчөө эмес жана булакта бирдиктүү жалпы оптималдуу мааниге математикалык түрдө бириктирилген эмес.

Тармактан толук көз карандысыз болуу эмне үчүн кымбат?

PV өндүрүшү өзгөрмөлүү. Үй бир нече күн бою күн нуру аз шартка туш болушу мүмкүн жана түнкүсүн өндүрүш болбойт. Толук көз карандысыздык максат кылынса, мындай аралыкты жаба турган чоң батарея сыйымдуулугу керек. Булак %99дан жогору талапты камсыздоо деңгээлине жетүү үчүн талап кылынган инвестиция экономикалык жактан негиздүү эмес деп эсептейт.

Ошондуктан изилдөөнүн экономикалык логикасы тармактан ажыроонун ордуна PV-батарея системасынын тармак менен эки багыттуу байланыш түзүшүнө негизделет. Тармак күн аз мезгилдерде резервдик булак болуп, ашыкча өндүрүш мезгилинде SSES тармакка булак боло алат.

Изилдөөдө колдонулган турак жай жана энергия профили

Изилденген система үч уктоочу бөлмөлүү үйдүн энергия муктаждыктарына ылайык долбоорлонгон. Негизги жүктөр — кондиционер, скважина насосу жана кышкы имаратты жылытуу. Ысык суунун көп бөлүгү өзүнчө күн суу жылытуу системасы менен камсыздалгандыктан, электр менен суу жылытуу негизги жүктөрдүн катарына кирбейт.

Изилдөөнүн Ыкмасы жана Жыйынтыктары

Техно-экономикалык модель

Изилдөө техникалык көрсөткүчтөр менен экономикалык чыгымды бирге баалаган техно-экономикалык моделди колдонот. Техникалык катмарда күн нуру, панель өндүрүшү, батарея/инвертер жоготуулары, үйдүн талабы жана тармактык керектөө бар. Экономикалык катмарда капиталдык чыгым, эксплуатация жана тейлөө, долбоор мөөнөтү, дисконт чени, тармак тарифтери жана ашыкча электр үчүн сатып алуу/сатуу баалары бааланат.

Моделдин экономикалык өзөгү энергиянын деңгээлдештирилген наркы (Levelised Cost of Energy, LCOE) ыкмасы. Булак бул жерде эсептелген көрсөткүч батарея жана инвертер цикл жоготууларынан кийинки үйгө жеткирилген энергияга негизделгендиктен, техникалык жактан “levelised cost of delivery” катары да чечмелениши мүмкүн экенин белгилейт.

Бул Изилдөөдө LCOE Кайсы Болжолдор Менен Эсептелди?

Изилдөөдөгү LCOE эсеби системанын реалдуу сатып алуу чыгымдарын, реалдуу 2024-жылкы Түштүк Африка ранды, %8 реалдуу дисконт ченин, ZAR205/kW/жыл эксплуатация-тейлөө чыгымын жана 20 жылдык долбоор мөөнөтүн колдонот. Модель 20 жыл ичинде негизги капиталдык жабдууларды алмаштырууну же PV панелдеринин убакыт менен натыйжалуулук жоготуусун чыгым эсебине кошпойт; демек жыйынтык ушул болжолдордун алкагында чечмелениши керек.

Тармактык электр чыгымдары

PV, инвертер жана батарея системасы

Булактын ички шайкештиги боюнча эскертүү: Техникалык таблицада панелдин кубаты 545 W жана жалпы кубаттуулук 6,540 kW деп берилет; жабдууну долбоорлоо текстинде болсо 12 даана 555 W панель айтылат. Бул билдирүүлөр бир эле маани эмес. Verianla таблицадагы маалыматты өзгөртпөйт жана тексттеги 555 W маанисин да унчукпай оңдобойт.

Капиталдык чыгым

Булак жалпы орнотулган чыгымды болжол менен ZAR33.000/kW деп көрсөтөт. Бул чыгым эки багыттуу эсептегичти, каттоону жана туташтыруу/сертификаттоо чыгымдарын камтыбайт.

2024-жылдагы талаа маалыматтарын чогултуу

Система 1 Январь–31 Декабрь 2024 аралыгында үзгүлтүксүз көзөмөлдөнгөн. Өлчөөлөр ар бир мүнөттө жазылып, сааттык жазуулар кийин жүктөлүп алынган. Сааттык жазуулар ар жуманын ар бир күнү үчүн 24 сааттык профилдерди түзө тургандай орточолонуп, изилдөө жалпы 1248 маалымат чекити боюнча жумалар аралык салыштыруу жүргүзгөн.

Жүктөлүп алынган негизги өзгөрмөлөр:

• \(D_T\): жалпы энергия талабы,
• \(S\): иш жүзүндөгү күн энергиясы өндүрүшү,
• \(G\): күн нурунун интенсивдүүлүгү,
• \(E_G\): электр тармагынан алынган энергия.

Батарея жана инвертер энергия балансы

Булак адегенде батарея/инвертер тарабына багытталган энергияны төмөнкүдөй аныктайт:

\[ D_B = D_T-S-E_G \]

\(D_B\) жалпы талап менен түз күн өндүрүшүнүн жана тармак энергиясынын айырмасы аркылуу батарея/инвертер жолуна кирген энергия компонентин билдирет.

Батареядан үйгө берилген энергия үчүн булак:

\[ D_H = D_T-S-D_L \]

байланышын берет. \(D_L\) — инвертер жана батарея циклинде сарпталган/жоголгон энергия.

Жалпы цикл жоготуусу:

\[ D_L=\sum D_B-\sum D_H \]

түрүндө эсептелет.

Батарея/инвертер натыйжалуулугу болсо булакта:

\[ \eta_B=1-\frac{D_L}{D_T} \]

деп аныкталат. Бул жерде \(\eta_B\) өлчөмсүз натыйжалуулук катышы. Жоготуулар өскөн сайын \(D_L/D_T\) катышы өсүп, натыйжалуулук төмөндөйт.

Андан кийин булак жыл бою SSESтен үйгө таза берилген энергияны:

\[ D_H=\eta_B D_T \]

деп көрсөтөт.

Потенциалдуу күн өндүрүшү

Күн нурунан теориялык/потенциалдуу PV өндүрүшү төмөнкү байланыш менен эсептелет:

\[ S_P = \text{Irradiance} \times \text{Panel Efficiency} \times \text{Conversion Factor} \]

\(S_P\) потенциалдуу күн өндүрүшүн билдирет. Конверсия коэффициенти температурага көз каранды болгондуктан туруктуу деп алынган эмес. Булак жай үчүн 0,0039 kW/(W/m²), кыш үчүн 0,0052 kW/(W/m²) эмпирикалык маанилерин берет.

Пайдаланылбаган күн энергиясы:

\[ S_U=S_P-S \]

менен эсептелет. \(S_U\) потенциалдуу өндүрүш менен иш жүзүндө пайдаланылган/өндүрүлгөн \(S\) ортосундагы айырма.

Жалпы SSES пайдалануу натыйжалуулугу:

\[ \eta_{SSES}=\frac{S}{S_P} \]

түрүндө. Бул катыш жеткиликтүү потенциалдуу күн энергиясынын канчасы система тарабынан иш жүзүндө пайдаланыларын көрсөтөт.

Панель жана система натыйжалуулугу

SSESтин Энергия Наркы Эмне Үчүн Тармак Электринен Жогору Чыгат?

Изилденген системада капиталдык инвестиция батареяга, инвертерге, MPPTге жана башка жабдууларга бөлүштүрүлөт, ошол эле учурда өндүрүүгө мүмкүн болгон күн энергиясынын олуттуу бөлүгү керектелбей калгандыктан бул инвестициянын наркы азыраак жеткирилген киловатт-саатка бөлүнөт. Булактын эсебинде %46 кубаттуулукту пайдалануу жана %8,4 батарея/инвертер жоготуусу менен SSES LCOE мааниси ZAR5,63/kWh, салыштырылган тармактык бирдиктик нарк болжол менен ZAR2,96/kWh; демек пайдаланылбаган өндүрүштү баалоо экономикалык натыйжанын өзөгүндө турат.

Изилдөө учурдагы системада кубаттуулукту көбүрөөк пайдалануу LCOEни төмөндөтүшү мүмкүн деп эсептейт. Эгер жеткиликтүү потенциалдуу энергиянын баары пайдаланылса жана ашыкча энергия өндүрүштүк нарк менен сатылып алынса, булак “breakeven cost” деп атаган маанини ZAR2,53/kWh деп эсептейт.

Feed-in тарифи канчалык айырма жаратат?

Булакта Түштүк Африка муниципалитеттериндеги feed-in тарифтери ZAR0,32/kWh менен ZAR1,30/kWh аралыгында экени жана орточо көрсөткүч болжол менен ZAR0,87/kWh экени айтылат. Бул орточо баа изилдөө ZAR2,53/kWh деп эсептеген breakeven наркынын бир бөлүгүн гана жабат.

Орточо feed-in тарифи колдонулганда булак изилденген система үчүн LCOE ZAR5,63/kWhден ZAR4,56/kWhге чейин төмөндөөрүн жана энергия көз карандысыздыгы үчүн калган нарк үстөгүн %54 деп эсептейт.

Эки Багыттуу Эсептегич Экономикалык Моделде Эмне Үчүн Маанилүү?

Эки багыттуу эсептегич үй тармактан сатып алган электр менен тармакка берген ашыкча PV электрин өзүнчө багыттарда өлчөй алгандыктан, пайдаланылбаган SSES кубаттуулугун коммерциялык энергияга айландыруучу негизги туташуу элементи болуп саналат. Изилдөө сунуштаган моделде ашыкча өндүрүштү тармакка сатуу SSES кубаттуулугун пайдаланууну жогорулатып, бөлүштүрүүчүгө арзаныраак жергиликтүү энергия булагын берет; ошол эле учурда эсептегич, каттоо жана сертификаттоо чыгымдарын prosumerге жүктөө катышууну азайтат.

Cape Town сценарийи

Булак Cape Townda болжол менен 100 MW катталган SSES бар экенин, жалпы кубаттуулук болжол менен 200 MW болушу мүмкүн деген тышкы булакты колдонуп, кошумча 100 MW кубаттуулук жеткиликтүү деп божомолдойт.

%17,5 панель натыйжалуулугу менен сценарий жылына болжол менен 153 GWh пайдаланылбаган SSES электрине жетүүгө болорун эсептейт. City of Cape Town feed-in баасы ZAR1,0595/kWh колдонулганда, бул энергиянын сатып алуу баасы болжол менен ZAR162 миллион, чекене баасы болжол менен ZAR460 миллион деп берилет. Дүң сатып алуу-сатуу айырмасы болжол менен ZAR297 миллион.

Бирок муниципалитеттин SSES энергиясын сатышы буга чейин Eskomдон алган электрдин бир бөлүгүн алмаштыргандыктан, бул ZAR297 миллиондун баары кошумча киреше эмес. Булак Eskomдун орточо дүң баасын ZAR2/kWh деп алып, кошумча маржаны болжол менен ZAR144 миллион деп эсептейт.

Булак ичиндеги шайкешсиздик: Ушул эле беттеги баяндама эсептегичтин баасын ZAR6043, сертификаттоону болжол менен ZAR11.500, жылына максималдуу жаңы туташууну 2000, жылдык кошумча туташуу чыгымын ZAR20,8 миллион жана кошумча жылдык дүң кирешени ZAR107 миллион деп көрсөтүп, болжол менен 5,2:1 катышына келет. Бул баяндамадагы маанилер 5-таблицанын бардык саптары менен бирдей эмес. Булак эки эсеп топтомунун эмне үчүн айырмаланарын түшүндүрбөгөндүктөн Verianla аларды бир “оңдолгон” сценарийге бириктирбейт.

Акчалай стимул гана жетиштүүбү?

Жок. Изилдөө экономикалык стимул зарыл экенин айтса да, prosumer рыногу эки багыттуу эсептегичти колдоо менен гана өзүнөн өзү түзүлбөй турганын да белгилейт. Электр бөлүштүрүүчүлөрү ишеним, ачыктык жана кардарлар менен байланыш көйгөйлөрүн чечиши керектиги так айтылат.

Изилдөө колдогон жана колдобогон түшүндүрмөлөр

Изилдөөнүн негизги чектөөсү

Эң маанилүү методологиялык чектөө техникалык өлчөө натыйжалары болгону бир SSES системасына жана Түштүк Африкадагы бир жерге негизделгенинде. Western Capeдеги изилденген үйдүн сезондук күн профили, түн-күндүз талап бөлүштүрүлүшү, кышкы жылытуу жүктөрү жана система өлчөмү башка үйлөрдөн же аймактардан айырмаланышы мүмкүн.

Автор жыйынтыктар кеңири географиялык аймактарда жана ар башка система конфигурацияларында жүргүзүлө турган изилдөөлөр менен бекемделиши керектигин белгилейт. Ошондуктан %46 пайдалануу натыйжалуулугу, %54 пайдаланылбаган энергия же белгилүү LCOE маанилери улуттук орточо көрсөткүч катары чечмеленбеши керек.

Мындан тышкары модель 20 жылдык долбоор мөөнөтүндө капиталдык жабдууларды жаңылоону эсепке албайт жана талаа маалыматы жок болгондуктан PV панелинин узак мөөнөттүү деградациясын моделдебейт. Бул болжолдор узак мөөнөттүү LCOE жыйынтыгынын чегин аныктайт.

Булак жана Ыкма Жөнүндө Эскертүү

Каржылоонун чоо-жайы: Изилдөө South African National Research Foundation тарабынан колдоого алынган “Deployment of Vehicle to Grid for Decarbonisation, Resilience and Sustainability” аттуу кеңири долбоордун алкагында жүргүзүлгөн.

Ыраазычылык: Автор Victron инвертер маалыматтарын калыбына келтирүүгө жардам бергени үчүн Daniel Rouxка жана South African/German Collaborative Research Programme (SAG-CORE) аркылуу National Research Foundation колдоосуна ыраазычылык билдирет.

Автордун салымы: Макалада өзүнчө CRediT/автор салымдары бөлүмү берилген эмес. Изилдөөнүн жалгыз автору David R. Walwyn; булакта жок деталдуу салым ролдору Verianla тарабынан чыгарылган эмес.

Методологиялык чектөө: Өлчөө бөлүгү Western Capeдеги бир турак жайга таандык. Cape Town муниципалдык эсеби болсо ушул бир системанын өлчөөлөрүн адабият жана муниципалдык баа/кубат маалыматтары менен бириктирген сценарий модели. Ошондуктан бир үйдүн өлчөнгөн көрсөткүчү менен шаар масштабындагы экономикалык проекция бири-биринен ажыратылышы керек.

Сандык шайкештик эскертүүсү: Булактын ар башка бөлүмдөрүндө пайдаланылбаган кубаттуулук %50 жана кеминде %54; нарк айырмасы %70 жана %75; панель кубаты 545 W жана 555 W болуп ар башка берилет. 5-таблица менен ошол эле беттеги пайда/чыгым баянында да эсептегич, сертификаттоо, туташуу саны жана жылдык чыгым киргизүүлөрү айырмаланат. Verianla бул айырмачылыктарды унчукпай оңдогон эмес же бир мааниге бириктирген эмес.