РЭМ-ЭЛЕКТРО

Иногда  у технически продвинутых потребителей электроэнергии возникает вопрос — а что если мне установить солнечные панели и пользоваться халявным электричеством. Ответ только один — так не получится. 

Сразу оговорюсь, все расчёты глубоко приблизительные и с долей допущений, но от этого они – расчёты — ошибочными не являются.

Многочисленные «заинтересованные» источники бодро рапортуют, что даже для широты Москвы интенсивность инсоляции для декабря месяца составляет 20 кВт/м2, а для июня — аж 160 кВт/м2. Откуда они взяли такие значения — вопрос открытый. Несколько раз в источниках, не связанных с солнечной энергетикой, встречалось лишь значение солнечного излучения в 1 кВт/м2. Если соотнести эту цифру с тем, что на рынке реально предлагаются солнечные панели площадью 2 м2 с КПД 30% и имеющие мощность 300 Вт, то получается, реальное значение солнечного излучения, которое возможно к преобразованию в электричество, все-таки 1 кВт/м2. И существующие на данный момент массово доступные технологии позволяют получать 150 Вт с м2.

Если ориентироваться на рекламные параметры оборудования, вера в светлое будущее растёт  в арифметической прогрессии. Но если начинать разбираться, то возникают вопросы. Например: а для каких условий получены эти результаты? Среднее ли это значение, вычисленное в течение всего светового дня, или что-то иное. Так как оптимизм в большинстве случаев обходится себе дороже, будем считать, что вышеуказанные показатели относятся к идеальным условиям — полдень ясного солнечного дня. 

Ежегодно, по многолетним наблюдениям Гидрометцентра для Москвы, количество солнечных дней в среднем составляет всего 82 дня (меньше 25%), облачных  — 184, а совсем пасмурных  — 89. Получается можно ориентироваться и принимать в расчёт только отдачу, применительно к облачному дню. Информацию по величине выходных параметров для этого случая, несмотря на многочисленные предложения солнечных батарей найти проблематично. В источниках, не связанных с солнечной энергетикой, есть сведения о солнечной освещённости в средних широтах. А параметры мощности солнечного излучения и солнечная освещённость находятся в прямой зависимости и пропорционально изменяются в одинаковой степени.

Так вот, освещённость в средней полосе солнечным днём в полдень составляет 17 000 люкс, то же, но в облачный 12 000 люкс (снижение на 30% ), в пасмурный же день и во время восхода и заката в ясную погоду освещённость составляет всего 1000 — 2000 люкс ( т.е. 6 — 12 % от полудня солнечного дня). Надо ещё учитывать тот факт, что максимальная отдача будет достигаться только тогда, когда угол падения солнечных лучей будет составлять 90 градусов, т.е. панель должна быть перпендикулярна солнцу. 

Так вот, в декабре, в период зимнего солнцестояния, на широте Москвы солнце встаёт на юго-востоке около 10.00, в 13.58 достигает зенита с высотой подъёма над горизонтом всего в 11°и спустя 7 часов светового дня, примерно, в 17.00 садится на юго-западе. Можно смело сказать, что такие параметры являются просто убийственными для солнечной электроэнергетики.

Если за основу принимать другой варианта расчёта — N2, применительно для дней весеннего и осеннего равноденствий — 22 марта и 22 сентября. Т.е. так, чтобы в лучший период из 6-ти месяцев, с марта по сентябрь, вырабатываемой электроэнергии хватало, летом даже с избытком, а другие полгода с сентября по март, был бы недостаток. Так вот, в указанные дни равноденствий солнце восходит точно на востоке около 7.30, поднимается в зенит в 13.33 на высоту 34° над горизонтом и спустя 12 часов светового дня садится, примерно в 19.30, на западе.

Есть ещё самый лучший и невероятный вариант N°3 — для дня летнего солнцестояния, когда восход происходит на северо-востоке около 5.00, зенит в 13.30 с высотой солнца над горизонтом 57° и заход через 17 часов в 22.00 на северо-западе. Отдача электроэнергии солнечными панелями в этот день будет просто потрясающей воображение. Но, к сожалению, такой день нам дан только один…

Итак, вариант N°2. Располагаем панели под углом более 60° к горизонту. Соответственно, чтобы расположить их одна на другой, надо иметь или очень крутую крышу дома (площадь её мы рассчитаем далее), или южную стену отдельно стоящего на открытой местности здания. Можно также делать конструкцию, желательно с механизмом привода для оптимальной ориентации панелей к солнцу (именно при таком варианте и будет достигнут максимально возможный кпд преобразования солнечного излучения в электроэнергию, но вот из-за общих площадей панелей, минимально необходимых для обеспечения нашего потребления, стоимость такой конструкции будет астрономической. Примем, в среднем, что максимальная отдача будет происходить в период с 12 до 15.00 — 3 часа, учтём поправку на облачные дни — 0,7; час после восхода и перед закатом в расчёт учитывать не будем, и примем, что с 8.30 до 12.00 и с 15 до 18.30 — на протяжении 7 часов отдача панелей в облачный день в среднем будет составлять процентов 30 от номинала.

Исходными техническими и экономическими данными для расчёта стали:

— солнечная панель — площадь 2м2 мощность 300 Вт, весом 25 кг со стоимостью около 300€.

— батарея гелевая 12V, 200 А/ч — 300€, 60 кг, с расчётным временем эксплуатации 6-8 лет.

— для нормального электроснабжения частного дома в 300-500 м2 (даже с учётом применения в нём энергосберегающих технологий) надо иметь энергетический потенциал на день в 30-40 кВт, не в час, а именно, на день. Для этого придётся составить  батарейный блок из 32 шт батарей по 200 А/ч на 12В. Такая ёмкость батарей позволит также сгладить возможные пики электропотребления и компенсировать, с течением времени, снижение ёмкости аккумуляторов. Стоить это будет порядка 10 000 € и обеспечит возможность аккумулирования до 360 А/ч на бытовом напряжении 220В. 

Ориентировочно можно принять, что при потреблении 3 кВт/ч (15А при 220 В) на 12 часов получится в районе 36кВт или 180А. Так как нежелательно допускать разрядку аккумуляторов более 30%, а время их полной зарядки будет составлять до 12 часов , т.е. на протяжении всего светового дня,  надо ещё учесть двукратный запас по емкости, так как помимо обеспечения электроснабжения потребителей в дневное время, солнечным панелям должно ещё хватать мощности и на зарядку батарей. Принимая во внимание, что кпд контроллера солнечных батарей и инвертора составляет 90% — 10% энергии будет теряться в электронных устройствах.

При всём вышеизложенном получается, что для обеспечения энергопотенциала 36 кВт в день в период 6-7 месяцев с марта по сентябрь требуется: 

36/0,9/(0,3*0,7*3+0,3*0,3*7)=32 шт солнечных панелей ( площадью 64 м2 ). 

В принципе, результат вполне возможный к реализации. Но есть ещё одно не учтённое «но» — кпд преобразования электрической энергии через химические процессы, в принимаемых в расчёт и широко распространённых (из-за соотношения цены/качества) свинцово-кислотных аккумуляторах, не равен 100%. Если покопаться в технической литературе, то всплывает цифра в 75-80% и до 1500 циклов заряда-разряда (что соответствует 5 годам непрерывной эксплуатации).  В Li-ion аккумуляторах этот показатель более высокий, но цена их уже другая. С учётом этого нюанса получается, что надо уже около 40 шт солнечных панелей, займут они площадь в 80 м2 и стоить будут в районе 12 000 €.

Здесь не учтена стоимость необходимых металлоконструкций и их монтажа, а также стоимость очистки панелей (потому, как они – панели — имеют свойство даже при небольшом загрязнении очень резко снижать свою эффективность). 

Также, необходимо дополнительное оборудование. Если брать импортные комплектующие, то стоимость составит:

— контроллер заряда — вариант на ток до 80А, напряжением 48/60V, с максимальной мощностью модулей до 6 000W и до 150VDC. Таких понадобится для нашего случая минимум 3 шт по 700€ каждый, итого 2100€.

— инвертор напряжением 48V максимальной мощностью до 8000W и током зарядки до 120A. Таких тоже понадобится 3 шт по цене 5000€ каждый, итого 15 000€.

— ещё необходимы устройства дистанционного управления, процессоры состояния батареи, температурные датчики батарей, соединительные провода, предохранительные устройства, корпуса щитов. Ориентировочно, можно принять их стоимость в районе 5 000€.

Для нашего варианта стоимость только «энергетической» составляющей будет:

40 панелей 300 Вт – 12 000€ + 40 аккумуляторов 12V, 200А/ч – 12 000€ + устройства контроля, управления и преобразования – 22 000€

Итого получается 48 000€.

К этой цифре следует прибавить стоимость современной полностью автоматической дизель-генераторной установки мощностью 8-10 кВт, которая «под ключ» будет стоить в районе 10 000€.

Получается уже 58 000€.

И это без учёта необходимых конструкций для размещения оборудования. А также без оборудования для, или регулярных работ вручную по очистке панелей, стоимости монтажа и пусконаладочных работ. 

Далее можно посчитать сколько же будет стоить в среднем кВт/ч при полной автономности электроснабжения объекта в течении периода 25 лет — именно столько заявляют производители срок службы солнечных панелей и электронного оборудования. И вот, что получилось:

— 36 кВт, условно, потребность в электроэнергии и её выработка в день (около 1000 кВт/ч в месяц);

— Выработка за 25 лет составит 330 МВт;

— 60 000€ минимально составят первоначальные вложения;

— 40 000€ понадобится на два раза за 25 лет замен батарей;

— 12 000€ очень приблизительно считаем на минимальное техническое обслуживание и мелкие поломки (по 500 € в год);

— 28 000€ составит, ориентировочно, стоимость дизельного топлива (расход 0,33 литра на 1 кВт, предполагаемое время работы дизельной установки 90 дней в год – 54 000 мото-часов за 25 лет, что вполне «осилит» одна дизель генераторная с одним капремонтом;

Итого получается 140 000 €, что составит 140 000/330 000 = 42 евроцентов за 1 кВт/час. Для сравнения: сетевое электричество на начало 2022 года стоит не 0,05 евро.  Т.е. получается разница в 10 раз или 125 000€. На эти деньги можно установить подстанцию на 40 кВА — 20 000€ с работой и протянуть до неё не менее 10 км высоковольтной линии (500€ за пролёт). При этом тариф будет дешевле и электроэнергии хватит ещё и на отопление.

Ничто на земле не научилось лучше всего и эффективней преобразовывать солнечный свет в энергию, чем растения при помощи химических процессов фотосинтеза. Вот эти процессы и имеет смысл использовать для аккумулирования энергии солнца.

Есть правда ещё один вариант, единственно реальный, связывающий личную солнечную электроэнергетику и электросистему всей страны. Когда излишки вырабатываемой электроэнергии, как бы продаются во внешнюю сеть, а при недостатке, электричество, соответственно, покупается из неё. Поэтому не требуются большие аккумуляторы и дополнительно генераторы. И при такой ориентированной на альтернативную энергетику политике государства, даже в условиях средней полосы, солнечные панели будут иметь смысл.