Сэргээгдэх эрчим хүчний үүсгүүртэй дулаан хуримтлуурт цахилгаан халаагуур: НФЦҮ-ийн чадлын оновчтой сонголт

Баяндэлгэрийн Бат-Эрдэнэ^1,2*, Пүрэвдоржийн Мягмаржав¹, Адъяабатын Амарбаяр¹, Юүзүрү Үэда²

¹ Монгол Улсын Их Сургууль, Хэрэглээний Шинжлэх Ухаан Инженерчлэлийн сургууль

² Япон Улсын Токиогийн Шинжлэх Ухааны Их Сургууль, Инженерчлэлийн сургууль

ТОВЧ АГУУЛГА

Улаанбаатар хотод маань 10 сараас 5 сар хүртэл халаалтаас үүдэлтэй агаарын бохирдлын асуудал хүмүүсийн эрүүл мэнд, амь насанд хохирол учируулахуйц хүнд нөхцөлийг үүсгэж байна. Хотын агаарын бохирдлын 60 % нь гэр хорооллын айл өрхүүдийн түлж байгаа түүхий нүүрс, мод, хуучин дугуй, хувцас, хуванцар хог хаягдал шатааснаар бий болдог. Иймд, бид одоо байгаа нөхцөл боломж, шинэ технологийг ашиглан агаарын бохирдлыг бууруулах хэрэгцээтэй байна. Олон нийтийн хэрэглээнд хамгийн хурдан нэвтэрч болох технологи бол НФЦҮ-ээр ажилладаг ДХЦХ юм. Энэхүү судалгаанд, гэр хорооллын айл өрхийн цахилгаан ачаалалыг хангаж, ДХЦХ-тай хослон ажиллах НФЦҮ-ийн системийн оновчтой чадлыг загварчлал, оновчлолын программаар тооцсон. Өнөөгийн байгаа ЭХ-ний дэд бүтцийн нөөц бололцоо, хууль эрх зүйн орчинд нийцсэн, нэгж айл өрхийн цахилгааны ачаалалыг хангаж, ДХЦХ-тай хослон ажиллах боломжтой НФЦҮ-ийн оновчтой чадал бол 5-9 кВт хооронд байна. Энэхүү системийн эхний хөрөнгө оруулалтаа нөхөх хугацаа 13,2 – 9 жил ба 7.887 – 14.196 кВтц ЭХ-ийг жилд үйлдвэрлэн, 8-15тн нүүрсхүчлийн хий агаарт хаягдахаас сэргийлэх боломжтой болохыг симуляцийн үр дүн харуулав.

ТҮЛХҮҮР ҮГС

Дулаан хуримтлуур, нарны фото-цахилгаан үүсгүүр, оновчтой чадал, цахилгаан халаагуур, симуляци

*Холбоо барих

Баяндэлгэрийн Бат-Эрдэнэ^1,2*

¹Токиогийн ШУ-ны Их Сургуулийн Төгсөлтийн дараах инженерчлэлийн сургууль, 

²Монгол Улсын Их Сургууль, Хэрэглээний Шинжлэх Ухаан Инженерчлэлийн Сургууль, Сэргээгдэх Эрчим Хүчний лаборатори

*И-мэйл хаяг: b.baagii1011@gmail.com

1.    УДИРТГАЛ

Жилийн дундаж температур -0.4 ⁰С, өвөл зуны хамгийн их бага агаарын температур нь +30-аас –30 ⁰С-ийн хооронд байдаг, хүн амын төвлөрөл ихтэй Улаанбаатар хотод маань 10 сараас 5 сар хүртэл халаалтаас үүдэлтэй агаарын бохирдлын асуудал хүмүүсийн эрүүл мэнд, амь насанд хохирол учируулахуйц хүнд нөхцөлийг үүсгэж байна. Хотын агаарын бохирдолд, 184,000 орчим гэр хорооллын айл өрхүүдийн түлж байгаа түүхий нүүрс, мод, хуучин дугуй, хувцас, хуванцар хог хаягдлаас үүдэлтэй утаа 60 %, 306,000 орчим авто тээврийн хэрэгсэл 20 %, 1,400 орчим бага, дунд оврын нам даралтын зуух 10 %, 3 дулааны цахилгаан станц 6 %, барилга гэх мэт бусад бохирдол үүсгэгчүүд 4 % тус тус эзэлж байна. Сүүлийн жилүүдэд, бид агаарын бохирдолыг бууруулахын тулд гэр хороолл(ГХ)-ын айлуудыг орон сууц(ОС)-нд нүүлгэн оруулах зорилгоор төвийн дулаан, цахилгаанд холбогдсон ОС-уудыг олон тоогоор барьсан хэдий ч хүмүүсийн худалдан авах чадвар муу, ОС-ний үнэ өртөг өндөр байгаа нь агаарын бохирдолыг бууруулахад дорвитой үр дүнд хүрч чадаагүй. Мөн, бүрэн шаталттай, утаа бага ялгаруулдаг зуухны үнийг МУ-ын засгийн газар хөнгөлж, ГХ-ын айлуудад тараасан нь оновчтой шийдэл байгаагүй юм. Түүхий нүүрс, түлшийг шууд шатаах технологи нь аль хэдийн үеээ өнгөрөөсөн бөгөөд хөгжингүй орнуудад халаалтын алтернатив хувилбаруудыг илүүд үзэж байна. Жишээ нь: нарны агаарын халаагуур, нарны дулааны коллектор, цахилгаан халаагуур, газрын гүний дулааныг ашиглах технологи, хийн халаагуур, дулааны насос гэх мэт. Мөн, хүмүүс дэлхийн хамгийн хүйтэн хотуудын нэгт амьдарч байгаагаа ухамсарлан дулаан алдагдлыг бууруулах тал дээр хувийн санаачлага гарган байшин, гэрээ сайн дулаалах хэрэгтэй байна. Дээр дурьдсан халаалтын технологиудаас Улаанбаатар хотын нийтийн хэрэглээнд хамгийн хурдан нэвтэрч болох технологи бол цахилгаан халаагуур юм. Гэвч, цахилгаан халаагуур нь цахилгаан эрчим хүчний(ЭХ)-ний сарын төлбөр их гардаг учир төдийлөн сайн дэлгэрч чадахгүй, олон тоогоор ашигласан тохиолдолд, төвийн бүсийн ЭХ-ний системийн суурилагдсан хүчин чадал дөнгөж 910 МВт учир хэт ачаалалд орох эрсдэлтэй юм. Харин, дулаан хуримтлууртай цахилгаан халаагуур(ДХЦХ)-ийг сүлжээнд холбогдсон нарны фото-цахилгаан үүсүүр(НФЦҮ)-тэй хослуулан ашигласнаар дээрх хүндрэл бэрхшээлүүдийг бүрэн шийдэх боломжтой. Сүлжээнд холбогдсон НФЦҮ-тэй ДХЦХ-ийн ерөнхий бүдүүвчийг Зураг 1-д үзүүлэв. 

Зураг 1. НФЦҮ-тэй ДХЦХ-ийн ерөнхий бүдүүвч     

ДХЦХ-ийг Монголд хэд хэдэн арилжааний байгууллагууд импортлон хэрэглэгчдэд нийлүүлж байгаа бөгөөд тэдгээрийн нэг нь монгол гэрийн бүтэц, онцлогт маш сайн зохицсон ДХЦХ-ийг германы инженерүүдтэй хамтран зохион бүтээж, аль хэдийн хэрэглэгчдэд нийлүүлэн, амжилттай ажиллаж байна. Нөгөө талаас, сүүлийн нэг жилийн дотор МУ-д сүлжээнд холболттой НФЦҮ-ийн үүсгүүрийн технологи амжилттай хөгжиж Дархан хотод анхны жишээ 10 МВт станц баригдсан. Цаашид, Налайх, Цогтцэций, Сайншанд, Ховдод НФЦҮ-ийн Мега станцууд баригдахаар төлөвлөгдөж байгаа нь сүлжээнд холбогдсон НФЦҮ-тэй ДХЦХ-ийн шийдэл хэрэгжих бүрэн боломжтой, ирээдүйтэй болох нь ажиглагдаж байна. Үүнээс гадна, Япон, АНУ, Герман зэрэг улсуудад сүлжээнд холбогдсон НФЦҮ-ийн технологи хамгийн өргөн, дэлгэр хэрэглэгддэг боловч энэхүү технологи нэг дор, олон тоогоор байгуулагдсантай холбоотой өдрийн цагт илүүдэл энерги үр ашиггүй хаягдах хүндрэл үүссээр байгаа юм. Сүлжээнд холбогдох зориулалттай НФЦҮ-ийн инвертер нь түүний ажиллах хүчдлийн хүрээнээс төвлөрсөн ЭХ-ний системийн хүчдэл давхад, НЗ дэлгэцээс ирэх оролтын чадлыг хамгийн их чадлын цэг(MPP)-ээс нээлттэй хэлхээний хүчдэл(V­_oc)-ийн төлөвд шилжүүлснээр гаралтын чадлаа хаадаг. Дээр дурьдсан илүүдэл ЭХ-ийг ашиглах зорилгоор хөгжингүй орнууд цэнэг хураагуур(ЦХ)-т хуримтлуулахаар зорьж байгаа хэдий ч, ЦХ-ийн ашиглагдах хугацаа богино, өртөг өндөр байгаа нь нийтийн хэрэглээнд нэвтэрч чадахгүй байна. Энэхүү, судалгааны ажлын зорилго нь ГХ-ын айл өрхийн цахилгаан ачаалал, болон ДХЦХ-ын ачаалалд үндэслэн сүлжээнд холбогдсон НФЦҮ-ийн оновчтой чадлыг тодорхойлох юм.

2.    СУДАЛГААНЫ АРГА ЗҮЙ

2.1. Өрх айлын цахилгаан хэрэглээний хэмжилт

Улаанбаатар хотын өрх айлын цахилгаан хэрэглээний онцлогыг тодорхойлохын тулд, Нарангийн гол, 13-р хороолол, 3-р хороололд айл өрх тус бүрээр нь, 21 болон 13-р хороололд ОС-ний цахилгаан хэрэглээг нийтээр нь хэмжин, санах ойд автоматаар хадгалдаг, wireless electric monitoring болон Power meter 6300 төхөөрөмжүүдээр 1 минут тутамд хэмжилтийг хийсэн. Дээрх 5 цэгээс хэмжилтээр олж авсан мэдээлэлд цаг, хоногийн ачааллын анализ хийж, Улаанбаатар хотын нийтлэг айл өрхийн ЭХ-ний хэрэглээний хэлбэрийг ажил, амралтын өдрөөр тус тусад нь илэрхийлсэн. Мөн, 4.5 кВт-ийн чадалтай, 48 кВт*ц дулаан багтаамжтай Монгол гэрийн халаалтанд зориулсан ДХЦХ-ийг халаалтын улиралд хэрэглэхээр тооцон, сүлжээнд холболттой НФЦҮ-ийн чадлын оновчлолын симуляцид ашигласан.

2.2.  Программийн үндсэн өгөгдлүүд

АНУ-ын сэргээгдэх эрчим хүч(СЭХ)-ний үндэсний лабортори/National Renewable Energy Laboratory(NREL)-ийн нар, салхи, ус, биомасс, түлшний элемент, дизель цахилгаан үүсгүүрүүдийг хослуулж ашиглан, бага чадлын тархмал ЭХ-ний үүсгүүрийн симуляци, оновчлолыг хийдэг Homer Pro-р 2.1-д үзүүлсэн айл өрхийн цахилгаан хэрэглээний хэлбэрт үндэслэн, сүлжээнд холболттой НФЦҮ-ийн системийн оновчтой чадлыг тодорхойлоход доорх үндсэн өгөгдлүүдийг программд оруулах шаардлагатай байдаг. Зураг 2-д сүлжээнд холболттой НФЦҮ-ийн системийн оновчтой чадлыг тодорхойлох пргорамм дахь симуляцийн схемийг харуулав.

·         Хэвтээ гадаргуу дээрх нарны нийлбэр цацраг

·         Өрх айлын цахилгааны цагийн ачаалал +ДХЦХ-ийн ачаалал

·         НФЦҮ-т системийн бүрдэл хэсгүүдийн техникийн үзүүлэлт ба үнэ

·         Төвийн ЭХ-ний системийн цахилгаан ЭХ-ний тариф

·         Хүлэмжийн хийн ялгаралтын коэффициент

Зураг 2: Оновчтой чадлын симуляцийн схем

Хэвтээ гадаргуу дээрх ирэх нарны нийлбэр энерги( )-ийг энэхүү программд National Aeronautics and Space Administration(NASA)-ийн цаг уур орчны мэдээллийн сангаас татаж авах эсвэл бодит хэмжилтийн үр дүнг гараар оруулах боломжтой байдаг. Гэвч хэмжилтээр тодорхойлсон жилийн турш дахь бодит  нь NASA-ийн мэдээлэлийн сангийн мэдээнээс 2.3 %-ийн  зөрөөтэйг [1]-д хийгдсэн судалгаа харуулсан тул, эдгээр үр дүнгүүд ойролцоо байна гэж үзээд NASA-ийн цаг уур, орчны мэдээллийн сангаас татаж авсан, Улаанбаатар хотын  мэдээг судалгаанд ашиглав.

Улаанбаатар хотын нийтлэг өрх айлын цахилгаан хэрэглээний онцлогийг 3.1-д дэлгэрэнгүй тайлбарлаж, графикаар илэрхийлсэн.

Зураг 2-д үзүүлснээр сүлжээнд холболттой НФЦҮ-т системийн гол бүрэлдхүүн хэсэг нь сүлжээнд холбогдох зориулалт бүхий инвертер, НФЦҮ-ийн дэлгэц бөгөөд тогтмол гүйдэл(DC)-ийн нэгтгэх самбар, хувьсах гүйдэл(AC)-ийн хуваарилах, холбох самбар, DC ба AC кабель, дэлгэцийн суурь, кабелийн бүрээс зэрэг нь бусад туслах материалуудад орно.

Энэхүү судалгаанд, монголд үйлдвэрлэсэн, 270 Вт-ийн нэрлэсэн чадалтай НФЦҮ-ийн дэлгэцийг ашигласан. Техникийн үзүүлэлтийг Хүснэгт 1-д харуулсан ба худалдаж авах үнийг 243 $, 25 жилийн дараа солих өртөг 195 $, жилийн урсгал зардал 10 $ байна гэж тооцсон бөгөөд дэлгэцийн бүлийн чадлыг 1 – 31 кВт хүртэл байхаар сонгов. НФЦҮ-ийн дэлгэцийг урд зүгт харуулан, 45⁰-ийн налууд байрлуулна.

Сүлжээнд холбогддог инвертерийн чадлыг дэлгэцийн бүлийн чадалтай адилхан байхаар тооцож, Ашигт үйлийн коэффициент(АҮК)-ийг 97 %, худалдаж авах үнэ 350 $/kWp, 15 жилийн дараах солих зардал 280 $/kWp, жилийн урсгал зардал 10 $ гэж тооцов.

Хүснэгт 1: НФЦҮ-ийн дэлгэцийн үзүүлэлт

Цахилгаан ЭХ-ний үнэ тарифийн хувьд, Монгол улсад одоо мөрдөгдөж байгаа цагийн 3 тарифын буюу 6:00 – 17:00 хооронд өдрийн хэрэглээний 115.9 ₮, 17:00 – 22:00 хооронд оройн хэрэглээний 276 ₮, 22:00 – 6:00 хооронд шөнийн хэрэглээний 77.1 ₮ байна. НФЦҮ-ээс үйлдвэрлэсэн эрчим хүчийг 0.165 $, нүүрсхүчлийн хийн худалдах үнийг 1.96 $/тн гэж тус бүр тооцон программд дээрх өгөгдлүүдийг оруулав [3].

3.    Үр дүн ба хэлэлцүүлэг

3.1.  Өрх айлын цахилгааны хэрэглээ

Улаанбаатар хотын өрх айлын цахилгаан хэрэглээний нийтлэг хэлбэрийг гарган авахын тулд 4 газрын цахилгааны ачааллыг хэмжсэн тухай 2.1-д тайлбарласан. Бидний хэмжиж авсан мэдээнүүд нь хараахан бүтэн жилийн мэдээллийн сан үүсээгүй байгаа учир улиралаас хамааралтай цахилгаан ачааллын мэдээг одоог хүртэл хэмжсэн мэдээнд тулгуурлав. Цаашид, бүтэн жилийн мэдээнд үндэслэн илүү бодитой үр дүн гарган авахаар төлөвлөж байна. Энэхүү судалгаанд, НФЦҮ-ээс үйлдвэрлэсэн ЭХ-ийг ДХЦХ-д хуримтлуулах зорилгоор, ДХЦХ-ийг 10:00 – 20:00-ийн хооронд ажиллана гэж тооцов. ДХЦХ-тай өрх айлын цахилгаан хэрэглээний графикийг Зураг 3-д ажлын өдрөөр, Зураг 4-д амралтын өдрөөр ялган харуулав. 

Зураг 3: Ажлын өдрийн ЭХ-ний хэрэглээ

Мөн, 12, 1, 2-р саруудад буюу өвөл халаалтын ачаалал хамгийн их байх ба ДХЦХ 4 кВт*ц, 4,5,9,10,11-р саруудад ДХЦХ-ийн 2.5 кВт*ц-ийн ачаалалтай байна. Жилийн дундаж өдрийн ачаалал 27.3 кВт*ц, цагийн дундаж 1.14 кВт, оргил ачаалал 8.1 кВт байна. 

Зураг 4: Амралтын өдрийн ЭХ-ний хэрэглээ

3.2.  НФЦҮ-ийн чадлын оновтой сонголт

Энэхүү судалгаанд Улаанбаатар хотын агаарын бохирдлыг бууруулах зорилгоор сүлжээнд холбогдсон НФЦҮ-тэй ДХЦХ-ийн системийн шийдлийг айл өрхийн халаалтанд ашиглах санааг дэвшүүлэн тавьсан. Зураг 3, Зураг 4-д үзүүлсэн цахилгааны ачаалалд тохиромжтой НФЦҮ-ийн системийн оновчтой чадлыг тодорхойлон Зураг 5, Зураг 6-д симуляцийн үр дүнг харуулсан. Симуляцийн үр дүнгээс төвийн сүлжээнээс худалдан авч хэрэглэх болон түүнд нийлүүлэх ЭХ-ний хэмжээ, нэгж кВт ЭХ-ийг үйлдвэрлэх өртөг, СЭХ-ний ачаалалд эзлэх хувь, эхний хөрөнгө оруулалтаа нөхөх хугацаа зэрэг үзүүлэлтээр нь НФЦҮ-ийн системийн оновчтой чадлыг тодорхойлоход, 5-9 кВт-ийн НФЦҮ-ийн систем нь 3.1-д үзүүлсэн онцлог бүхий цахилгаан хэрэглээтэй айл өрхд тохиромжтой юм. Дээрх систем нь жилд 7.887 – 14.196 кВт ЭХ үйлдвэрлэх ба эхний хөрөнгө оруулалтын өртөг 6.250-11.250 $ байна. Цахилгаан хэрэглээний 61 – 77 %-ийг СЭХ-ний үүсгүүрээс жилийн туршид хангаж, үлдсэн хэсгийг төвийн сүлжээнээс худалдан авч хэрэглэх юм. 

Зураг 5: Төвийн ЭХ-ний сүлжээнээс нийлүүлсэн ба түүнээс худалдаж авсан ЭХ-ний хэмжээ

Төвийн сүлжээнээс худалдан авах ЭХ хэмжээ 1-9 кВт-ийн хооронд огцом буурч, 9-31 кВт-ын хоорондох өөрчлөлт нь харьцангуй бага болохыг Зураг 5-д хөх ромбоор илэрхийлсэн байна. НФЦҮ-ийн чадлыг олон дахин нэмэгдүүлсэн хэдий ч төвийн сүлжээнээс худалдан авах ЭХ-ний хэмжээг 0 болгож чадахгүй нь мөн эндээс харагдаж байна. Иймээс, цэнэг хураагуурыг тодорх хэмжээгээр хослуулан ашиглах нь зохистой.

Зураг 6: Цахилгаан ачаалалд эзлэх СЭХ-ний хувь хэмжээ ба нэгж ЭХ-ний өртөг

СЭХ-ээс үйлдвэрлэсэн ЭХ-ийг төвийн сүлжээнд 400 ₮-р нийлүүлж, хүлэмжийн хийн кредитээ Япон, АНУ, Хятад зэрэг аж үйлдвэр хөгжсөн орнуудад 0,165 $-р арилжина гэж үзвэл, 5-9 кВт-ийн систем 13.2 – 9.3 жил эхний хөрөнгө оруулалтын өртөгөө нөхөх ба чадлыг 31 кВт хүртэл нэмэгдүүлэхэд 7 болон буурч байна.

  Хавсралт 1-д жилд үйлдвэрлэх ЭХ, эхний хөрөнгө оруулалтын дүн, цахилгааны төлбөрөөс гадна жилд олох орлого, CO₂-ийн ялгаралтын бууралтын хэмжээ зэргийг хүснэгтээр харуулав. 

4.    Дүгнэлт

Сүлжээнд холбогдсон НФЦҮ-т ДХЦХ-ийг халаалтанд ашиглан агаарын бохирдлыг бууруулах боломжийн талаар судалж, НФЦҮ-ийн системийн оновчтой чадлыг энэхүү судалгаанд тодорхойлов. Монгол улсын өнөөгийн байгаа ЭХ-ний дэд бүтцийн нөөц бололцоо, хууль эрх зүйн орчинд нийцсэн, нэгж айл өрхийн цахилгааны ачаалалыг хангаж, ДХЦХ-тай хослон ажиллах боломжтой НФЦҮ-ийн оновчтой чадал бол 5-9 кВт хооронд байна.

Энэхүү системийн эхний хөрөнгө оруулалтаа нөхөх хугацаа 13.2 – 9 жил ба жилдээ 7.887 – 14.196 кВтц ЭХ үйлдвэрлэн, 8-15тн нүүрсхүчлийн хий агаарт хаягдахаас сэргийлж чадах юм.

Ашигласан материал

1	"www.worldweatheronline.com," [Online].
2	Б. Бат-Эрдэнэ, "Өвөрзайсан дахь 3.12 кВт-ын НЦФҮ-т системийн хэмжилтийн үр дүнг Homer Pro, PV Syst програмуудын симуляцийн үр дүнтэй харьцуулах судалгаа," Улаанбаатар хот, 2016.
3	M. Afrait, "Japan: An emissions trading case study," 2015.
4	Г. Цолмон, Улаанбаатар хотын өрх айлын цахилгаан хэрэглээ, Улаанбаатар: МУИС, ХШУИС, 2016.