Аккумуляторная батарея TROJAN T145
Учёные из Таиланда оценили, какая технология — солнечная, ветровая или пьезоэлектрическая — лучше подходит для питания уличного освещения, и пришли к выводу, что солнечная энергия является наиболее выгодной как с экономической, так и с технологической точки зрения.
Исследователи из Технологического института Короля Монгкута в Ладкрабанге в Таиланде провели технико-экономическое обоснование системы уличного освещения на основе наносетей и пришли к выводу, что фотоэлектрические элементы должны быть предпочтительным источником энергии для предлагаемой конфигурации системы.
Они исследовали систему, работающую от солнечных батарей, ветра или пьезоэлектрических пластин, и проверили её технологическую и экономическую целесообразность.
«Изучается возможность использования фотоэлектрических, пьезоэлектрических и ветряных систем в качестве источников электроэнергии для систем уличного освещения с учётом как выработки энергии, так и экономической целесообразности, — сообщила команда. — Была проведена экономическая оценка системы уличного освещения протяжённостью 1 км с учётом близости Таиланда к экватору и обилия дневного света (с 6:00 до 18:00).»
Пьезоэлектрические материалы обычно используются в инженерных целях, в основном в качестве исполнительных механизмов и датчиков, генерирующих и регистрирующих механическую деформацию материалов. Они могут вырабатывать электрическую энергию, преобразуя механическую энергию, воздействующую на них, в данном случае — энергию проезжающих мимо автомобилей.
Система уличного освещения состоит из 120-ваттных светодиодных фонарей, установленных на 56 опорах, с общей нагрузкой 80 640 Вт·ч/день или 28 089,6 кВт·ч/год. В случае установки фотоэлектрических панелей на каждой опоре также будет установлена монокристаллическая кремниевая панель мощностью 350 Вт с эффективностью 20%. При уровне облучения в Бангкоке это соответствует ежедневной выработке 98 000 Вт·ч и годовой выработке 37 770 кВт·ч.
Показатели экономической целесообразности: дисконтированный срок окупаемости (DPP) — 12,2 года, внутренняя норма доходности (IRR) — 11%, чистая приведённая стоимость (NPV) — 27 293 доллара, а также усреднённая стоимость электроэнергии (LCOE) — 0,11 доллара за кВт·ч.
В случае с пьезоэлектрической системой сбора энергии в асфальт пришлось бы установить 4466 пластин, каждая из которых имеет мощность 0,102 Вт. Исходя из предположения, что 20 000 автомобилей ежедневно проезжают по системе, ежедневное производство энергии составило бы 25,31 Вт·ч, а годовое — 9,24 кВт·ч. Показатели экономической целесообразности привели к тому, что срок окупаемости инвестиций составил более 20 лет, внутренняя норма доходности отсутствует, чистая приведённая стоимость составила минус 425 227 долларов, а себестоимость электроэнергии — 3121 доллар за кВт·ч.
Предполагалось, что ветряная турбина будет иметь вертикальную ось с двумя лопастями на высоте одного метра. Согласно результатам моделирования, потребуется 560 ветряных турбин мощностью 100 Вт. При ветре, создаваемом 20 000 автомобилей, ежедневная выработка энергии составит 227 455 Вт·ч, а годовая выработка — 83 021 кВт·ч. Показатели экономической целесообразности привели к тому, что срок окупаемости инвестиций составил 33,2 года, внутренняя норма доходности отсутствует, чистая приведённая стоимость отрицательная и составляет 30 362 доллара, а себестоимость электроэнергии — 0,18 доллара за кВт·ч.
«Результаты исследования показывают, что фотоэлектрическая и ветряная системы могут вырабатывать достаточно электроэнергии для систем уличного освещения. Однако ветряная система имеет высокую стоимость и не является экономически целесообразной, — объяснили учёные. — Что касается пьезоэлектрической энергии, то она вырабатывает недостаточно электроэнергии для систем уличного освещения и требует больших инвестиций. Следовательно, она не подходит в качестве источника производства электроэнергии».
Основываясь на этих результатах, команда решила оптимизировать нано-сеть для системы, которая включает в себя солнечную и ветряную энергию, а также литий-ионные или свинцово-кислотные аккумуляторы. В случае со свинцово-кислотными аккумуляторами требовалось 113 кВт·ч энергии, а также 5,98 кВт солнечной энергии и 10 кВт энергии ветра. В этом случае срок окупаемости составил 15,8 лет, внутренняя норма доходности — 3,4%, а чистая приведённая стоимость — 16 280 долларов. В случае с литий-ионным аккумулятором требовалось 71,5 кВт·ч энергии, а также 4,06 кВт солнечной энергии и 8 кВт энергии ветра. В этом случае срок окупаемости составил 13 лет, внутренняя норма доходности — 5,5%, а чистая приведённая стоимость — 45 820 долларов.
«Гибридные фотоэлектрические и ветряные системы сбора энергии представляют собой наиболее экономически целесообразный вариант для систем уличного освещения в наносетях», — заключила команда. «Ветряная система является приоритетным источником энергии из-за её превосходной производительности, а фотоэлектрическая система используется для восполнения недостающей энергии ветра. В результате эта стратегия сокращает необходимый размер систем сбора и хранения энергии.
Их результаты были представлены в статье «Исследование возможности интеграции инфраструктуры наносетей в системы уличного освещения на основе производства энергии и экономической оценки», опубликованной в Scientific Reports.