Альтернативная энергетика становится все доступнее. Эта статья даст вам полное представление о солнечной энергетике локальных масштабов, видах фотоэлементов и панелей, принципах построения солнечных ферм и экономической обоснованности.
Особенности солнечной энергетики в средних широтах
Для жителей средних широт альтернативная энергетика весьма привлекательна. Даже в северных широтах среднегодовая суточная доза излучения составляет 2,3–2,6 кВт·ч/м2. Чем ближе к югу — тем выше этот показатель. В Якутске, например, интенсивность солнечного излучения составляет 2,96, а в Хабаровске — 3,69 кВт·ч/м2. Показатели в декабре составляют от 7% до 20% от среднегодового значения, а в июне и июле возрастают вдвое.
Вот пример расчета эффективности солнечных панелей для Архангельска — региона с одним из самых низких показателей интенсивности солнечного излучения:
Где:
- Q — среднегодовое количество солнечной радиации в регионе (2,29 кВт·ч/м2);
- Коткл — коэффициент отклонения поверхности коллектора от южного направления (среднее значение: 1,05);
- Pном — номинальная мощность солнечной панели;
- Кпот — коэффициент потерь в электроустановках (0,85–0,98);
- Qисп — интенсивность излучения, при которой панель испытывалась (обычно 1000 кВт·ч/м2).
Последние три параметра указываются в паспорте панелей. Таким образом, если в условиях Архангельска работают панели KVAZAR с номинальной мощностью 0,245 кВт, а потери в электроустановке не превышают 7%, то один блок фотоэлементов обеспечит генерацию в размере около 550 Вт·ч. Соответственно, для объекта с номинальным потреблением 10 кВт·ч понадобится около 20 панелей.
Экономическая обоснованность
Сроки окупаемости солнечных панелей посчитать несложно. Умножьте суточное количество производимой энергии в сутки на количество суток в году и на срок эксплуатации панелей без снижения мощности — 30 лет. Рассмотренная выше электроустановка способна генерировать в среднем от 52 до 100 кВт·ч в сутки в зависимости от продолжительности светового дня. Среднее значение составляет около 64 кВт·ч. Таким образом, за 30 лет электростанция в теории должна выработать 700 тыс. кВт·ч. При одноставочном тарифе в 3,87 руб. и стоимости одной панели около 15 000 руб, затраты окупятся за 4–5 лет. Но реальность более прозаична.
Дело в том, что декабрьские значения солнечной радиации меньше среднегодовых примерно на порядок. Поэтому для полностью автономной работы электростанции зимой требуется в 7–8 раз больше панелей, чем летом. Это существенно увеличивает вложения, но уменьшает срок окупаемости. Перспектива введения «зеленого тарифа» выглядит вполне ободряюще, но даже на сегодняшний день можно заключить договор на поставку электроэнергии в сеть по оптовой цене, которая втрое ниже розничного тарифа. И даже этого достаточно, чтобы выгодно продавать 7–8 кратный излишек выработанной электроэнергии в летний период.
Основные типы солнечных панелей
Существует два основных типа солнечных панелей.
Твердые кремниевые фотоэлементы считаются элементами первого поколения и наиболее распространены: около 3/4 рынка. Их существует две разновидности:
- монокристаллические (черного цвета) имеют высокий КПД (0,2–0,24) и малую цену;
- поликристаллические (темно-синего цвета) дешевле в производстве, но менее эффективны (0,12–0,18), хотя при рассеянном свете их КПД снижается меньше.
Мягкие фотоэлементы называют пленочными и изготавливают либо из кремниевого напыления, либо путем многослойной композиции. Кремниевые элементы дешевле в производстве, но их КПД в 2–3 раза ниже кристаллических. Однако при рассеянном свете (сумерки, пасмурность) они эффективнее кристаллических.
Некоторые виды композитных пленок имеют КПД около 0,2 и стоят гораздо больше твердых элементов. Их применение в солнечных электростанциях весьма сомнительно: пленочные панели в большей степени подвержены деградации со временем. Основная область их применения — мобильные энергоустановки с низким потреблением энергии.
Гибридные панели включают помимо блока фотоэлементов также коллектор — систему капиллярных трубок для нагрева воды. Преимущество их не только в экономии площади и возможности горячего водоснабжения. За счет водяного охлаждения фотоэлементы меньше теряют в производительности при нагреве.
Таблица. Обзор производителей
| Модель | SSI Solar LS-235 | SOLBAT MCK-150 | Canadian Solar CS5A-210M | Chinaland CHN300-72P |
| Страна | Швейцария | Россия | Канада | Китай |
| Тип | Поликристалл | Монокристалл | Монокристалл | Поликристалл |
| Мощность при 1000 кВт·ч/м2, Вт | 235 | 150 | 210 | 300 |
| Число элементов | 60 | 72 | 72 | 72 |
| Напряжение: холостого хода/при нагрузке, В | 36,9/29,8 | 18/12 | 45,5/37,9 | 36,7/43,6 |
| Ток: при нагрузке/короткого замыкания, А | 7,88/8,4 | 8,33/8,58 | 5,54/5,92 | 8,17/8,71 |
| Вес, кг | 19 | 12 | 15,3 | 24 |
| Размеры, мм | 1650х1010х42 | 667х1467х38 | 1595х801х40 | 1950х990х45 |
| Цена, руб. | 13 900 | 10 000 | 14 500 | 18 150 |
Оборудование гелиоэнергетического комплекса
Батареи генерируют при работе постоянный ток величиной до 40 В. Чтобы использовать его в бытовых целях, требуется ряд преобразований. За это отвечает следующее оборудование:
- Блок аккумуляторных батарей. Позволяет пользоваться выработанной энергией ночью и в часы малой интенсивности. Используются гелиевые аккумуляторы номинальным напряжением 12, 24 или 48 В.
- Контроллеры заряда поддерживают оптимальный цикл работы аккумуляторов и переводят требуемую мощность на питание потребителей. Необходимое оборудование подбирается под параметры батарей и аккумуляторов.
- Инвертор напряжения трансформирует постоянный ток в переменный и имеет ряд дополнительных функций. Во-первых, инвертор устанавливает приоритет источника напряжения, а при недостатке мощности «подмешивает» питание из другого. Гибридные инверторы позволяют также отдавать излишек вырабатываемой энергии в городскую сеть.
1 — солнечные батареи 12 В; 2 — солнечные батареи 24 В; 3 — контроллер заряда; 4 — АКБ 12 В; 5 — освещение 12 В; 6 — инвертор; 7 — автоматика «умного дома»; 8 — блок АКБ 24 В; 9 — аварийный генератор; 10 — основные потребители 220 В
Применение в домашнем хозяйстве
Солнечные панели могут использоваться в абсолютно любых целях: от компенсации получаемой энергии и питания отдельных линий до полной автономизации энергосистемы, включая отопление и горячее водоснабжение. В последнем случае важную роль играет масштабное применение энергосберегающих технологий — рекуператоров и тепловых насосов.
При смешанном использовании гелиоэнергетики используют инверторы. При этом питание может направляться либо на работу отдельных линий или систем, либо частично компенсировать использование городского электричества. Классический пример эффективной энергосистемы — тепловой насос, питаемый небольшой солнечной электростанцией с блоком аккумуляторов.
1 — городская сеть 220 В; 2 — солнечные батареи 12 В; 3 — освещение 12 В; 4 — инвертор; 5 — контроллер заряда; 6 — основные потребители 220 В; 7 — АКБ
Традиционно панели устанавливают на крышах зданий, а в некоторых архитектурных решениях они полностью заменяют кровельное покрытие. При этом панели необходимо ориентировать на южную сторону таким образом, чтобы падение лучей на плоскость было перпендикулярным.
Присоединяйтесь к нам на канале Яндекс.Дзен
