Солнечная электроэнергия. Реальность ли?

Иногда, у технически продвинутых пользователей возникает вопрос — а что, если установить мне в своём доме солнечные панели, и в дальнейшем жить и не тужить, пользуясь халявным электричеством. Ответ, по идее, всегда только один — так не получится. И это всегда основывалось на интуитивных предположениях, т.е. косвенно исходя из имеющихся знаний и опыта. Но вот, наконец, решил я всё посчитать, и вот что получилось. Сразу оговорюсь, что все расчёты глубоко приблизительные и с большой долей допущений, но от этого они – расчёты — совсем даже не стали ошибочны.

Многочисленные «заинтересованные» источники бодро рапортуют, что даже для широты Москвы интенсивность инсоляции для декабря составляет 20 кВт/м2, а для июня — аж 160 кВт/м2. Откуда они взяли такие значения — разобраться не удалось. Несколько раз в источниках, не связанных с солнечной энергетикой, встретилось значение солнечного излучения в 1 кВт/м2. Если соотнести эту цифру с заявленным КПД солнечных панелей в 30%, и с тем, что на рынке, например, предлагаются солнечные панели, при мощности 300 Вт имеющие площадь 2 м2, то более менее реальное значение солнечного излучения, которое возможно к преобразованию в электричество, все-таки 1 кВт/м2. А существующие на данный момент массовые промышленные технологии позволяют получать 150 Вт с м2.

Если же  ориентироваться на рекламные параметры оборудования, вера в светлое будущее растёт  в арифметической прогрессии. Но если начинать задумываться, 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. Но, так как оптимизм в большинстве случаев обходится себе дороже, будем считать, что вышеуказанные показатели относятся к идеальным условиям — полдень ясного солнечного дня. Ежегодно в Москве по многолетним наблюдениям Гидрометцентра количество солнечных дней в среднем составляет всего 82 дня (меньше 25%), облачных  — уже 184, и пасмурных  — 89. Как видно, можно смело 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 продавцами и установщиками этих самых панелей, найти оказалось, конечно, проблематично. Но в источниках, не связанных с солнечной энергетикой, удалось найти сведения о солнечной освещённости в средних широтах. Безусловно, предполагаю, можно считать, что параметр 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 солнечного полудня). Обязательно надо 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 через 7 часов светового дня, примерно, в 17.00 садится на юго-западе. Можно смело сказать, что такие параметры являются просто убийственными для солнечной электроэнергетики.

За основу же примем расчёт другого варианта — N2, применительно для дней весеннего и осеннего равноденствий — 22 марта и 22 сентября соответственно. Т.е. так, чтобы в период 6 месяцев, с марта по сентябрь, вырабатываемой электроэнергии хватало, и летом даже было с избытком, а полгода с сентября по март, наоборот, получится недостаток. Так вот, в указанные дни солнце восходит точно на востоке около 7.30, поднимается в зенит в 13.33 на высоту 34° над горизонтом и ровно через 12 часов садится, примерно, в 19.30 на западе.

И 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. Либо разместить панели на южном склоне оврага  или горы (первый имеет неприятное свойство с течением времени оползать, а второго варианта в районе средней полосы России просто не найти). 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:

— Поликристалическая панель — площадь 2м2 мощность 300 Вт, весом 25 кг и со стоимостью около 200€.

— 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 30-50 кВт. Для этого составим  батарейный блок из 64 шт батарей по 200 А/ч на 12В. Выбранная ёмкость батарей позволит также сгладить возможные пики электропотребления и компенсировать, с течением времени, снижение ёмкости аккумуляторов. Стоить это будет где-то 19 000 € и обеспечит возможность аккумулирования до 600 А/ч на бытовом напряжении 220В. Очень приблизительно, например, можно принять, что при потреблении 3 кВт (15А при 220 В) каждый час — в день получится в районе 72 кВт или 360А. Далее, надо сделать уточнение — нежелательно допускать разрядку аккумуляторов более 30%, а время их полной зарядки будет составлять до 12 часов , т.е. как раз и получается, что будет происходить на протяжении всего светового дня. Значит, надо ещё учитывать, что помимо обеспечения электроснабжения потребителей в дневное время, солнечным панелям должно ещё хватать мощности и на зарядку батарей. А также, принимать во внимание, что кпд контроллера солнечных батарей и инвертора составляет 90%, т.е. 10% энергии будет теряться в электронных устройствах.

При всём вышеизложенном и при упрощённом расчёте получается, что для обеспечения энергопотенциала 50 кВт/ч в день в период 6-7 месяцев с марта по сентябрь требуеся: 50/0,9/(0,3*0,7*3+0,3*0,3*7)=45 шт солнечных панелей ( площадью 90 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, вообще-то, совсем не равен 100%. Об этом, почему то обычно и не упоминают. Если покопаться в технической литературе, то всплывает цифра в 75-80% и до 1500 циклов заряда-разряда (что соответсвует 5 годам непрерывной эксплуатации).  В Li-ion аккумуляторах этот показатель более высокий, но цена их совсем не гуманная. С учётом этого нюанса получается, что надо уже около 60 шт солнечных панелей, займут они площадь в 120 м2 и стоить будут в районе 12 000 €.

Не буду рассчитывать стоимость необходимых металлоконструкций и их монтажа, а также систем автоматической очистки панелей (потому, как они – панели — имеют свойство даже при небольшом загрязнении очень резко снижать свою эффективность). Хотя, именно, эта часть затрат окажется очень и очень не маленькой. Думаю, применительно к условиям средней полосы России, можно условно считать, что эта стоимость, вполне, будет сопоставима, непосредственно, с ценой самой системы солнечных батарей.

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, по приблизительному расчёту, 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€.

Всего получается для нашего варианта приблизительная стоимость только «энергетической» составляющей будет:

60 панелей 300 Вт – 12 000€ + 64 аккумуляторов 12V, 200А/ч – 19 000€ + устройства контроля, управления и преобразования – 22 000€

Итого получается 53 000€.

К этой цифре следует прибавить стоимость современной дизель-генераторной установки с блоком автоматики мощностью 8-10 кВт. Относительно, беспроблемная в длительной эксплуатации станция с такой мощностью будет стоить «под ключ» в районе 10 000€.

Получается уже 63 000€.

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. Допустим, очень условно, что первоначальное вложение в эту статью затрат будет в районе 30 000€. Но вероятней всего эта сумма будет ещё выше.

Итого — получилось около 100 000€.

Далее, можно прикинуть, 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:

— 50 кВт, условно, я принял потребность в электроэнергии и её выработку в день;

— Выработка за 25 лет составит 450 МВт;

— 100 000€ составят первоначальные вложения;

— 40 000€ понадобится на два раза, минимально, за 25 лет на замену батарей;

— 12 000€ очень приблизительно считаем на минимальное техническое обслуживание и мелкие поломки (принял 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, всего получилось 180 000 €, что составит 180 000/450 000 = 40 евроцентов за 1 кВт/час. Для сравнения: сетевое электричество на начало 2014 года стоило не более 0,07 евро, а на начало 2016 уже 0,04 евро.  Т.е. получается разница в 10 раз или 160 000€. 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 для отопления.

Обозначенные выше два варианта рассчитывать я уже не стал, так как первый будет ещё в  разы дороже, а второй приемлем только для экватора.

Короче, это утопия, утопия и пока надолго — утопия. 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, как и сейчас, из неё. Поэтому не требуются ни аккумуляторы, ни дополнительно генераторы. И при ориентированной на альтернативную энергетику политике государства, даже в условиях средней полосы, солнечные панели будут выгодны. В Европе программы по развитию таких видов электроэнергетики уже внедряются, дают выгоду и будут развиваться.

У нас же о таком будущем в деятельности электросетевых компаний нет даже намёка и теперь не будет. Конечно, ведь это не так выгодно как «доить» собственное население пока и насколько возможно, причём, за счёт созданного ранее этим же самым населением энергосетевого хозяйства. Здесь тебе всегда и богатое «поле деятельности» для чиновников, и сверхприбыли для единиц  «отобравшихся». Короче, настоящая Мекка и современная российская «мечта». А дальше снова, как всегда, будем ударными темпами и такими же ударными затратами и жертвами догонять весь мир.