Сколько вырабатывает солнечная батарея
Солнечные электростанции редко используются как основной источник энергии. Однако правильно выбранные и смонтированные панели в ясный день способны обеспечить электричеством все бытовые электроприборы.Количество вырабатываемой энергии зависит от того, сколько частиц света попадает на фотоэлемент. В России солнце светит далеко не все дни в году. Также существует ряд других факторов, не зависящих от мощности батареи или площади панелей.
Расчет мощности солнечных батарей
Производительность панелей зависит от материала и технологии, по которой она произведена. Батареи можно разделить на 2 класса: пленочные и на основе кремния.Коэффициент полезного действиякремниевых батарей:
- Монокристаллические – 22%. Выгодно ставить в ограниченном пространстве;
- Гибкие (аморфные) панели – 5%;
- Поликристаллические – до 18%.
КПД модулейиз пленки:
- Пленочные из селенида индия-галлия – 20 %;
- Кадмиево-теллуридные – до 12%;
- Полимерные – не более 5 %.
Есть и смешанные типы панелей, КПД которых выше.
Первое, что надо учесть –суммарная мощность потребителей энергиив кВт*ч.
Производитель указывает мощность исходя из того, что на 1 кв.м. батареи поступает 1000 Вт энергии.
Один из способов расчета реальной мощности:E = I x V x Kо x Kпот.
Е – реальная мощность; I – объем энергии, попадающий на место установки панели (кВт*ч/м2); V – мощность одной панели по номиналу; Кпот – коэффициент общих потерь в системе; Ко – коэффициент поправочный, в зависимости от положения (угла наклона) панели относительно южного направления; U – величина солнечной радиации, всегда постоянная1 кВт*ч.Стоит отметить, что радиация рассчитывается на дневную, месячную и годовую. Например, если показатель 7 кВт*ч/м2 день означает, что за день на 1 кв.м. поступает 7 кВт энергии солнца.
Пример другого расчета
Если взять за расчет модуль площадью 2м2. Общее количество энергии за солнечный день1000 Вт на м2. Формула будет следующая: 1000 Вт умножается на производительность (20%) и умножается на площадь панели (2м) = 400 Вт.
От чего зависит мощность батареи
В панелях используется стекло высокой прозрачности, с пониженным содержанием железа и, тем не менее, оно снижает кпд на несколько процентов.Оптимальное время работы панелей с 9 утра до 4-х вечера – на этот период приходится 70 % выработанной энергии. Комплекс батарей в 1 кВт за это время выдает 7 кВт*ч электричества, то есть в месяц получается 210 кВт*ч. Можно прибавить еще 3 кВт за утро и вечер. Это в идеале. Но в реальности на эта цифра получается меньше:
- Не все дни в месяце солнечные. Если учесть дождливые и облачные дни, скажем таких дней было 5 – уже получится около 180 кВт*ч.
- Продолжительность светового дня зимой меньше, требуется больший массив батарей или установка ветрогенератора.
- Энергия теряется в инверторе и акб. Аккумуляторы нельзя разряжать на 100%, а кпд у них не выше 80%.
Количество вырабатываемой энергии зависит от числа ясных дней в году. Установка батареи будет нецелесообразной, если солнечных дней в году менее двухсот. Кроме того, лучи солнца должны попадать на панель под прямым углом – для этого рекомендуется установить системы слежения за солнцем. Эти устройства дорогостоящие.Также на качество работы батареи влияет уровень нагрева модулей. Выработка энергии падает на 0,5 процента, если модуль нагреется на 1 градус. Постоянная работа с повышенной на 100 C температурой снизит эффективность работы устройства на 30%. ПоэтомуСЭС требуется качественная вентиляция и охлаждение.Потери энергии могут быть: в проводах 1%; шунтирующем диоде 0,5%; инверторе – от 3 до 7 %.Еще один фактор, влияющий на выработку тока –суммарное число установленных модулей, т.к. каждый может принять ограниченное количество энергии.
Батареи вырабатывают энергию только в светлое время суток и выдают заявленную мощность только в ясный день при попадании лучей под прямым углом.
В непогоду расчет такой: 1000 Вт умножается на синус угла лучей солнца и панели умножается на процент энергии в день без солнца. Например, угол падения лучей равен 40%, получается следующее: 1000 Вт/м2 x sin 40% x 60% = 240 Вт/м2.
В России, зачастую, солнечные панели работают при освещенности ниже 1000 Вт/м2. Дешевые модули производятся без антибликового покрытия. Как итог – значительная часть солнечных лучей отражается некачественным стеклом. Также они некачественно работают на рассеянном свете.
В разные месяцы интенсивность освещения различна, следовательно на выработку одного и того же количества энергии надо разное число панелей и аккумуляторов.
Некоторые владельцы домов устанавливают панели за стеклами дома. Это тоже ошибка. Одинарное стекло снижает кпд панели на 9%, а двойное уже на 16% — при условии, что стекла идеально чистые. Грязь на стеклах снижает прозрачность, возникают обратное отражение света – батарея работает неэффективно.
Вырабатываемая энергия зависит от количества поступающего света – напряжение растет до определенного предела. У кремниевых элементов это цифра равна 0,6. Повышение напряжения достигается за счет последовательного соединения модулей. СЭС нужен запас напряжения. Он обеспечивает заряд аккумулятора во время работы в пасмурную погоду. Максимальная мощность при нагрузке вырабатывается батареей с просадкой до 0,47 – 0,5 В. Батарея из 36 элементов при оптимальной нагрузке дает напряжение в 17 В.
Нижний предел чувствительности по освещенности есть у каждой панели. Меньше этой границы панель перестанет вырабатывать энергию. В плохую погоду мощность модулей падает в 10-20 раз. Так, у кристаллических панелей из кремния этот предел равен 150-200 Вт/м2. У тонкопленочных этот параметр ниже – 100-200 Вт/м2. Пленочные панели в пасмурную погоду работают лучше кремниевых. Однако, пороговая разница освещенности 50 Вт/м2 практически не повлияет на выработку энергии.
Чтобы мощность была достаточной – необходимо рассчитать требуемое количество батарей. Для этого потребляемая мощность делится на мощность панели. Общее потребление производится путем суммирования продолжительности работы (часов в день) всех электроприборов в доме – мощность складывается с количеством часов.Также потребление можно вычислить из квитанции за электричество: берется максимальная цифра потребления (кВт*ч) за последние месяцы и умножается на 1,5 (запас).
Увеличить экспозицию солнечных лучей можно установив панели на двухосный трекер – платформа, которая вращается за солнцем в 2-х плоскостях. Кроме того, зимой панели должны располагаться горизонтальней, чем в летний период. Летом угол наклона модулей меньше. Для каждой географической широты есть оптимальный угол наклона.
Осенью и весной выбирают угол равный широте местности. Зимой к искомому значению прибавляют 10-15 градусов, а летом вычитают 10-15 градусов. Если модули устанавливаются неподвижно– выбирают угол по широте региона проживания.
Всегда необходимо иметь запас по мощности – со временем характеристики батареи снижаются. Каждый год мощность снижается на 0,6 – 0,7 %. После 25 лет использования потеря мощности составить 20%. Впрочем, недостающую мощность можно без проблем восполнить, подключив дополнительные модули.
Немного простой математики в контексте альтернативной энергетики
Рассмотрим на примере солнечной энергии и солнечных батарей.
Ищем данные по энергозатратам на производство солнечных панелей — www.ce.cmu.edu/~gdrg/read…ams_EnergyChemicalUse.pdf статью грохнули с сайта, я перезалил к себе на яндекс-диск — yadi.sk/i/yY0xvgok3VruU4
Согласно этим данным они составляют 1,4 кВт*ч/см2. Данная величина является фундаментальной и связана с термодинамикой, прорыва в этой области в ближайшем будущем не предвидится. Усилия инженеров и ученых в области солнечных батарей направлены на снижение стоимости техпроцесса и повышение КПД батареи. Стоимость нас вообще не волнует, а КПД повышаться бесконечно тоже не может, максимум он может быть равен 100% ))
Берем какую-нибудь распространенную солнечную батарею — www.helios-house.ru/solnechnye-batarei/
Первая попавшаяся солнечная батарея мощностью 200 Вт (об этом чуть позже) имеет размер 168 х 80,8 см, что дает нам площадь 13574,4 см2.
Умножаем площадь на энергозатраты — получаем, что на затраты на производство данной панели составляют 19 МВт*ч
Разбираемся с мощностью. Производители тут безбожно врут, обратимся к достоверным научным данным )) Известно, что средняя удельная мощность солнечного излучения на земной поверхности составляет 200 Вт/м2. Реальный КПД солнечных батарей — от 9 до 24%. Дадим нашей панели фору — максимальный КПД! В итоге реальная средняя мощность панели составит 65 Вт вместо заявленных производителем 200 Вт в идеальных лабораторных условиях (они считают, наверное, что солнце светит круглые сутки и везде как в Сахаре).
Далее считаем производство энергии за год — 65 * 24 * 365 = 0,57 МВт*ч
Старение солнечных батарей составляет 1,5% в год
Простой расчет показывает, что данная панель выработает 19 МВт*ч, затраченные на свое производство, за 46 лет.
Срок службы солнечной батареи составляет порядка 10-20 лет. Оптимистичные статьи рассказывают про 30 лет.
Теперь вспоминаем, что самой панели недостаточно — к ней нужен как минимум контроллер заряда, инвертер и аккумулятор. Все это имеет меньший срок службы и на их производство тоже была затрачена энергия.
Т.е. получается, что за весь свой срок службы солнечная батарея не выработает и половины энергии, затраченной на ее производство. А ведь кроме производства новых батарей нужна еще и «полезная» энергия — батарея ведь должна давать электричество, которое можно потратить еще на что-нибудь кроме производства самой батареи.
Такая же картина и с модными ветряками, и с приливными электростанциями, и с другой альтернативной мурой, которой зеленые ездят всем нам по ушам просто для того, чтобы рубить бабосики ))
Вот и остается нам старая добрая традиционная атомная энергетика, гидроэнергетика и ТЭЦ на угле, мазуте или газу.
Вопросы, замечания, комментарии и т.д. приветствуются )
Солнечная энергетика: надежда человечества?
Любят на Хабре солнечную энергетику: вот Гугл строит солнечные электростанции (1 2 3 4 5 6), вот Германия однажды генерировала треть текущего энергопотребления на солнечных электростанциях…
Комментарии делятся на 2 категории: «Вот молодцы, а мы только нефть жгем» и «EROEI! Производство солнечных батарей требует больше энергии чем они производят!».
Въедливый читатель наверняка подумает: Как это производит меньше, чем требуется на производство? Их же поставил — они работают, каши не просят, 10 лет, 50лет, 100лет — значит суммарная произведенная энергия равна бесконечности, и они должны быть выгодны при любой стоимости постройки…
Как обстоит все на самом деле, какие есть подходы к солнечной генерации, что ограничивает КПД солнечных элементов, какие гениальные идеи уже были реализованы и почему солнечная энергетика как-то не активно захватывает мир — под катом.
Сколько энергии мы получаем от солнца?
На каждый квадратный метр от солнца приходит 1367 Ватт энергии (солнечная постоянная). До земли через атмосферу — доходит порядка 1020 Ватт (на экваторе). Если у нас КПД солнечного элемента 16% — то с квадратного метра мы можем получать в лучшем случае 163,2 Ватта электричества. Но ведь у нас есть погода, солнце не в зените, иногда бывает ночь (разной длительности) — как это все посчитать?
Годовая инсоляция все это учитывает, включая и тип установки солнечной батареи (параллельно земле, под оптимальным углом, со слежением за солнцем) и дает нам понять, сколько электричества можно будет выработать за год в среднем ( в кВт*ч/м 2 , без учета КПД солнечной батареи):
| Город / Тип установки | Горизонтально | Под оптимальным углом | Слежение за солнцем |
| Астрахань | 1371 | 1593 | 2200 |
| Владивосток | 1289 | 1681 | 2146 |
| Москва | 1020 | 1173 | 1514 |
| Сочи | 1365 | 1571 | 2129 |
Т.е. мы видим, что если мы возьмем 1 км 2 солнечных батарей, установим под оптимальным углом в Москве ( 40.0°), то за год сможем выработать 1173*0.16 = 187.6 ГВт*ч. При цене 3 рубля за кВт/ч _условная_ стоимость сгенерированной энергии будет — 561 млн рублей. Почему условная — выясним ниже.
Основные подходы к получению энергии от солнца
Солнечные тепло-электространции
Огромное поле поворачиваемых зеркал отражает солнце на солнечный коллектор, где тепло превращается в электроэнергию двигателем Стирлинга, или нагревом воды и далее — обычные паровые турбины как на ТЭЦ. КПД — 20-30%.
Также существует вариант с линейным параболическим зеркалом (поворачивать нужно только вокруг одной оси):
Какова цена вопроса? Если посмотреть на электростанцию Ivanpah (392 МВт) в которую опосредованно вложился Google — стоимость её строительства составила 2.2 млрд $, или 5612$ на кВт установленной мощности. В Википедии даже радостно написано, что это хоть и дороже угольных электростанций, но якобы дешевле атомных.
Однако тут есть пара нюансов — 1кВт установленной мощности на АЭС стоит на самом деле 2000-4000$ (в зависимости от того кто строит), т.е. Ivanpah на самом деле уже получается дороже АЭС. Затем, если посмотреть на годовую оценку выработки электроэнергии — 1079 ГВт*ч, и разделить на количество часов в году, то среднегодовая мощность получается 123.1МВт (ведь станция у нас генерирует только днем).
Это доводит «усредненную» стоимость строительства до 17871 $/кВт, что не просто дорого, а фантастически дорого. Дороже наверное только в космосе электричество вырабатывать. Обычные электростанции на газе обходятся в 500-1000$/кВт, т.е. в 18-36 раз дешевле, и работают всегда, а не как повезет.
И последнее — в стоимость строительства не включены аккумуляторы, вообще. Если сюда добавить аккумуляторы (о них ниже) или строительство гидроаккумулирующей электростанции — стоимость вылезет через крышу.
У солнечных теплоэлектростанций есть возможность генерировать электричество круглосуточно, используя большой объем нагретого за день теплоносителя. Такие станции тоже есть, но стоимость их стараются не писать, видимо чтобы никого не пугать.
Полупроводниковые фотоэлементы (фотовольтаика, PV) — идея очень простая, берем полупроводниковый диод большой площади. Когда квант света влетает в pn-переход — генерируются пара электрон-дырка, которые создают перепад напряжения на выводах этого диода (около 0.5В для кремниевого фотоэлемента).
КПД у кремниевых солнечных батарей — около 16%. Почему так мало?
На формирование электронно-дырочной пары требуется определенная энергия, не больше и не меньше. Если квант света прилетает с энергией меньшей, чем нужно — то он не может вызвать генерацию пары, и проходит через кремний как через стекло (потому кремний прозрачен для инфракрасного света дальше 1.2мкм). Если квант света прилетает с энергией большей чем нужно (зеленый свет и короче) — пара генерируется, но лишняя энергия теряется. Если энергия еще выше (синий и ультрафиолетовый свет) — квант может просто не успеть долететь до глубины залегания p-n перехода.
Помимо этого, свет может отразиться от поверхности — чтобы избежать этого на поверхность наносят анти-отражающее покрытие (как на линзах в фотообъективах), и могут поверхность сделать в виде гребенки (тогда после первого отражения у света будет еще один шанс).
Увеличить КПД выше 16% у фотоэлементов можно комбинируя несколько разных фотоэлементов (на основе других полупроводников, и соответственно с другой энергией требуемой для генерации пары электрон-дырка) — сначала ставим тот, что эффективно поглощает синий свет, а зеленый, красный и ИК — пропускает, затем зеленый, и на конец красный и ИК. Именно на таких 3-х ступенчатых элементах и достигаются рекордные показатели эффективности в 44% и выше.
К сожалению, 3-х ступенчатые фотоэлементы оказываются очень дорогими, и сейчас балом правят обычные дешевые одноступенчатые кремниевые фотоэлементы — именно за счет очень низкой цены они вырываются вперед по показателю Ватт/$, Стоимость одного ватта для кремниевых фотоэлементов с вводом гигантских производств в Китае опустилась до ~0.5$/Ватт (т.е. за 500$ можно купить солнечных элементов на 1000 Ватт).
Основные типы кремниевых элементов — монокристаллические (более дорогие, чуть выше КПД) и поликристаллические (дешевле в производстве, буквально на 1% меньше КПД). Именно поликристаллические солнечные батареи сейчас дают самую низкую стоимость 1 Ватта генерируемой мощности.
Из проблем — солнечные батареи не вечные. Даже если не брать в расчет пыль и грязь (надеемся на дождь и ветер), за счет фотодеградации за 20 лет эксплуатации лучшие кремниевые элементы теряют ~15% мощности. Возможно дальше деградация замедляется, но это все равно нужно учитывать.
Пройдемся теперь по основным попыткам увеличить экономическую эффективность:
А давайте возьмем маленький высокоэффективный фотоэлемент и параболическое зеркало
Это называется concentrated photovoltaics. Идея в принципе неплоха — зеркало дешевле, чем солнечная батарея, да и КПД можно иметь 40% а не 16… Проблема только с тем, что теперь нужна (ненадежная) механика для слежения за солнцем, и наша огромная поворотная тарелка должна быть достаточно прочной, чтобы противостоять порывам ветра. Другая проблема — когда солнце заходит за не слишком плотные тучи — выработка энергии падает до нуля, т.к. параболическое зеркало не может рассеянный свет фокусировать (у обычных солнечных батарей выработка конечно падает, но не до 0).
С падением цен на кремниевые солнечные батареи этот подход оказался слишком дорогим (как по установочной стоимости, так и обслуживанию)
А давайте сделаем солнечные элементы круглыми, разместим на крыше, а крышу покрасим в белый цвет
Этим занималась печально известная нынче компания Solyndra, с подачи Барака Обамы получившая гос.гарантию по кредиту в 535 миллионов долларов от американского министерства энергетики… и внезапно объявившая банкротство. Круглые солнечные батареи делали, напыляя слой полупроводника (в их случае Copper indium gallium (di)selenide) на стеклянные трубы. Эффективность солнечных батарей получалась 8.5% (да, получилось хуже простых и дешевых кремниевых).
Яркий пример того, как американский капитализм при должном лоббировании способен по инерции вкачать огромные ресурсы в принципиально не эффективные технологии. По результатам работы никого не посадили.
Дорога ложка к обеду
Теперь после этого буйства непрерывного усовершенствования технологий открываем грустную страницу истории. Солнечные электростанции генерируют электричество днем, а оно больше всего нужно вечером:
Это значит, что если аккумуляторов у нас нет, электростанции на вечерний пик потребления все равно строить придется, а днем — часть должны быть выключены, а часть — находиться в горячем резерве, чтобы если тучки соберутся над солнечной электростанцией — мгновенно заместить выпавшую солнечную генерацию.
Получается, если мы обязываем покупать электричество у солнечных электростанций по обычной цене тогда, когда оно у них генерируется — мы фактически перераспределяем прибыль от существующих классических генерирующих мощностей, которые вынуждены днем простаивать в резерве в пользу солнечных.
Есть и такой интересный вариант — если где-то вечерний пик потребления — где-то на земле разгар дня. Может строить солнечную электростанцию именно там, а электричество передавать по ЛЭП? Это возможно, но требует передачи энергии на расстояния порядка 5-8 тыс км, что также требует огромных капитальных затрат (по крайней мере пока мы не перешли на сверхпроводники) и согласований с кучей стран. Примерно в этом направлении развивался проект Desertec — генерация в Африке, передача в Европу.
Аккумуляторы
Итак, 1Вт солнечная батарея стоит 0.5$. За день она сгенерирует допустим 8Вт*ч электричества (за 8 солнечных часов). Как нам эту энергию сохранить до вечера, когда она будет больше всего нужна?
Китайские литиевые аккумуляторы стоят примерно 0.4$ за Вт*ч, соответственно, на 1Вт солнечной батареи (ценой в 0.5$) нам понадобится аккумуляторов на 3.2$, т.е. аккумулятор получается в 6 раз дороже солнечной батареи! Помимо этого нужно учитывать, что через 1000-2000 циклов заряд-разряд аккумулятор придется заменить, а это всего 3-6 лет службы. Может есть аккумуляторы дешевле?
Самые дешевые — свинцово-кислотные (которые естественно далеко не «зеленые»), их оптовая цена — 0.08$ за Вт*ч, соответственно, на сохранение дневной выработки нам нужно аккумуляторов на 0.64$, что снова больше стоимости самих солнечных батарей. Свинцовые аккумуляторы также быстро умирают, 3-6 лет службы в таком режиме. Ну и на десерт — КПД свинцовых аккумуляторов — 75% (т.е. четверть энергии теряется в цикле заряд-разряд).
Существует также вариант с гидроаккумулирующими электростанциями (днем — закачиваем воду «вверх» насосом, ночью — работаем как обычная гидроэлектростанция) — но их строительство также обходится дорого, и не везде возможно (КПД — до 90%).
Из-за того, что аккумуляторы получаются дороже самой солнечной электростанции, в крупных электростанциях их и не предусматривают, продавая электричество в распределительную сеть сразу по мере генерации, рассчитывая ночью и вечером на обычные электростанции.
Какова же справедливая цена нерегулируемой солнечной генерации?
Возьмем например Германию, как лидера по развитию солнечной энергетики. Каждый кВт сгенерированный солнечными электростанциями там выкупают по 12.08-17.45 евроцентов за кВт*ч, не взирая на то, что генерируют они в дневной минимум потребления. Все чего они добиваются этим — экономия Российского газа, т.к. газовые электростанции все равно должны быть построены и быть в горячем резерве (и все их остальные расходы остаются неизменными — зарплаты, кредиты, обслуживание).
С экономической точки зрения, было бы справедливо, если бы солнечные электростанции получали ровно столько, сколько они позволяют сэкономить на топливе газовым электростанциям.
Допустим стоимость российского газа — 450 $ за 1 тыс. м 3 . Из этого объема можно выработать 39000 ГДж ≈10.8*0,4 GWh ≈ 4.32 GWh электричества (при КПД генерации 40%), соответственно, на 1 кВт*ч солнечного электричества мы экономим российского газа на 0.104$ = 7.87 евроцента. Именно такая должна быть справедливая стоимость нерегулируемой солнечной генерации, и похоже Германия постепенно идет к этой цифре, но на данный момент солнечная энергетика в Германии получается на 50% дотируемой.
Резюме
Поликристаллические солнечные батареи дают самое дешевое солнечное электричество, порядка 0.5$/Ватт, остальные способы намного дороже.
Проблема солнечной энергетики не в КПД солнечных элементов, не в EROEI (он действительно в теории бесконечен), и не в их цене — а в том, что сгенерированную энергию очень дорого хранить до вечера. Т.е. основная проблема — аккумуляторы, которые сейчас уже дороже, чем солнечные батареи и при этом имеют короткий срок службы (3-6 лет).
На данный момент крупномасштабную солнечную генерацию без аккумуляторов можно рассматривать только как способ сэкономить днем небольшую часть ископаемого топлива, она принципиально не может уменьшить количество необходимых классических электростанций (газовых, угольных, АЭС, гидро) — они все равно должны стоять в резерве днем, и полностью брать на себя нагрузку в вечерний пик потребления.
Если в будущем с помощью (жестоких) тарифов удасться сместить пик потребления на день — строительство солнечных электростанций обретет бОльший смысл (например, если тарифы будут такие, что будет выгодно включать электролизное производство алюминия и водорода только днем).
Стоимость «нерегулируемой» солнечной генерации нельзя сопоставлять со стоимостью генерации на классических электростанциях — т.к. они генерируют когда получится, а не когда нужно. Справедливая стоимость нерегулируемой солнечной электроэнергии должна быть равна стоимости сэкономленного ископаемого топлива, и не более — для газа по 450$ справедливая цена солнечной генерации не выше 0.1$ за 1кВт*ч (соответственно, в Германии солнечная генерация дотируется на ~50%).
«Честная» солнечная энергетика (с аккумуляторами) сегодня может быть экономически оправданна лишь в удаленных районах, где нет возможности подключиться к сети (как например в случае отдаленной, одиноко стоящей базовой станции сотовой связи).
Самая большая проблема солнечной энергетики — ископаемое топливо пока слишком дешевое, чтобы солнечная генерация была экономически оправданной.
Update: Для дальнейшего изучения можно рекомендовать статью о проблемах энергетики Германии в связи с солнечной и ветрогенерацией. Там есть красивые графики выработки, и в целом другие статьи Already_Yet рекомендую почитать.
- солнечная батарея
- солнечная энергетика
- зеленая энергия
Расчет себестоимости производства солнечной электроэнергии для собственных нужд домохозяйства в центре Европы
Как ответ на комментарии к цене электричества в Германии и резонному вопросу «Так доколе народ будет это терпеть?» я решил привести свой расчет в данной статье.
Вступление
Данный расчет я делаю уже второй раз. Первый делал пару лет назад, и следующий буду делать как только появятся обновленные данные. Он не рассчитывает на объективность, а служит только для ответа на вопрос «Есть ли смысл?»
Задача рассчитать себестоимость солнечной электроэнергии, выработанной у себя дома с учетом сегодняшних цен на оборудование и текущие сроки эксплуатации и без учета различных субсидий, «зеленых тарифов» и прочей фигни, так это все равно рано или поздно отменят, а Солнце — оно постоянно. Полученную цифру можно будет сравнить с текущей ценой электроэнергии в данном регионе и понять будут ли окупаться инвестиции в собственный ВИЭ.
Я специально учитываю только основное оборудование и не учитываю стоимость монтажных работ, проводки и т.д, так как это не должно сильно влиять, но усложняет расчет.
Начальные условия
Для расчетов возьмем такие начальные условия.
- Пусть у нас будет дом где-то в центре Европы, например под Мюнхеном. Это необходимо для определения инсоляции и соответственно необходимой площади солнечных батарей.
- У нас есть достаточно большая площадь для установки батарей, направленная на юг.
- Годовое потребление нашего домохозяйства пусть будет 4000 кВт*ч. Пусть оно будет равномерно распределено по месяцам. Т.е. месячное потребление составит 4000 / 12 = 333 кВт*ч.
Расчет оборудования и его стоимости
Первый дисклеймер — сразу скажу, расчет будет делаться для «честной» системы, в которой пик потребления может не совпадать с пиком производства, и поэтому система будет состоять из солнечных батарей + аккумуляторов + инвертора. Это на мой взгляд единственный вариант системы, позволяющий в лучшем случае полную автономность и независимость от сетевых тарифов. В худшем случае вы будете изредка подсасывать электричество из сети. Примерная схема данного решения приведена на рисунке внизу.
В общих словах это работает так: солнечные панели подключены к домашней сети переменного тока через инвертор. Батареи тоже подключены к этой же сети через свой инвертор. Домашняя сеть также соединена с обычной сетью. Умный менеджмент контролирует работу инверторов таким образом, чтобы всегда максимально использовался потенциал солнечных батарей. Т.е. если энергии солнца достаточно для питания всех домашних устройств, избыток энергии забирается батареей из домашней сети и она заряжается. Когда же солнце исчезает, домашняя сеть начинает питаться от батареи, разряжая ее. Только в том случае, когда батарея полностью разряжена и солнца нет, дом начинает забирать электричество из сети.
Второй дисклеймер — так как погода непостоянна, мы говорим о средне статистических цифрах. В реальности может месяц идти дождь и тогда все расчеты не имеют никакого значения.
Солнечные батареи
Итак начнем с солнечных батарей. Нам надо узнать сколько их нужно, чтобы обеспечить нашу потребность в электричестве в худшем случае. Мы знаем две цифры — необходимое количество электричества — 4000 кВтч/год и местоположение — г. Мюнхен.
Расчет инсоляции
По местоположению нам надо получить среднее количество солнечной радиации на квадратный метр. Оно считается в кВтч/м2/день. То есть сколько энергии получает от солнца каждый квадратный метр поверхности за один день. Для расчета используем вот этот калькулятор, который даст нам статистику по месяцам с учетом облачных дней, туманов и т.д.
Так как нам надо наше электричество и зимой, когда солнце светит мало, нас интересует месяц с самой низкой инсоляцией — декабрь или январь. Это даст нам наихудший вариант для расчетов.
Можно считать для плоской поверхности и потом находить оптимальный угол солнечных батарей, но калькулятор сделает это за нас, поэтому сразу кликаем на оптимальный наклон для зимы (27 градусов) и получаем заветные цифры:
Т.е минимальная инсоляция у нас будет в декабре и составлять 1.51 кВтч/м2/день. Мало? Но не забываем, что это в день. А в месяц наберется 1.51*30,5= 46кВтч/м2.
Определение количества панелей
Чтобы перевести полученную цифру в электричество, нам надо:
а) Определиться с типом солнечных панелей и их КПД
б) Определиться с количеством солнечных панелей
По а) я не долго думая выбрал вот эти.
Почему их? Не знаю, наверное потому, что мы на Хабре и для нас важно наличие технических данных, даташитов и прочих пруфов. По ссылке все это присутствует.
В чем прикол в солнечно-батарейном строении? В том, что производители всех солнечных батарей уже в названии модели приводят заветную цифру — выработку при номинальной инсоляции в 1000Вт/м2. В данном случае она равна 330Вт и одной этой цифрой привязывает и КПД и площадь.
Площадь этой солнечной панели стандартная – 1,6м. Значит ее КПД будет 330/(1000*1,6)=20,6%, что соответствует даташиту. И прикол получается, что умножив 330Вт на 1.51 — среднюю инсоляцию в декабре, мы получим 498Вт*ч — именно столько электричества выработает нам одна такая панель в Мюнхене зимой в день, настроенная на зимний угол. Это важная цифра для дальнейших расчетов.
По б) необходимое количество панелей определяем так. Так как нам калькулятор выдал генерацию в день, то и потребление надо пересчитать на дни. Т.е. делим 4000 кВтч на 365 и получаем 10,96 кВтч/день. Зная, что одна панель нам выдаст 498 Вт*ч легко определить, что нам понадобится 10,96/0,498= 22 панели.
Много это или мало — каждый решает сам. Тут есть такие нюансы:
- эти панели должны быть установлены строго на юг под углом 27 градусов. То есть если брать плоскую крышу, реально занимаемая площадь панелями будет больше. Гораздо больше.
- если же крыша имеет скат, но не направлена строго на юг, производительность батарей будет меньше.
- Следует учитывать, что 22 панели понадобятся в случае, если мы хотим даже в декабре получать всю потребляемую электроэнергию от солнца. Если же мы смягчим это условие, например решив, что в ноябре, декабре и январе мы можем подсасывать из сети, то минимальная инсоляция у нас уже будет 2.59 (в Октябре) и общее количество необходимых панелей уменьшится до 10,96/(2,59*0,330)= 13. Т.е почти в 2 раза меньше.
Цена вопроса
Итак идем на сайты по продажам солнечных батарей и гуглим нашу панель VBHN330SA16. У меня получились цены от 250 до 280 евро за одну панель. Т.е 22 панели обойдутся нам в 22*270(среднее)= 5 940 Евро.
Теперь, внимание! Так как это не ноунейм мы читаем даташит и видим, что Панасоник дает гарантию на панели в 25 лет. При этом он гарантирует, что панели деградируют не более, чем на 10% за это время. Беря этот срок за срок жизни и считая, что через 25 лет мы выбрасываем эти панели, нетрудно расчитать и себестоимость киловаттчаса при условии, что мы будем отбирать только наши 4000кВтч в год. За 25 лет мы снимем 100 000 кВтч(100МВтч). Делим 5 940 евро на 100000, получаем 0,0594 евро/кВтч или грубо говоря 6 евроцентов за кВтч.
Напоминаю, что это только составляющая от солнечных батарей. И это только в том случае, если мы будем запасать все вырабатываемое электричество где-то и потом использовать (в декабре, конечно).
Солнечный Инвертор
Идем дальше — инвертор. Тут я немного плаваю, поэтому прошу в комментариях подсказать, если неправильно посчитал.
Выбор
Если считать, что нам в день надо потребить не менее 10кВтч, я думаю, что пиковая мощность должна быть где-то киловатта в 4-5. Может где-то есть данные о пиковой инсоляции в полдень в декабре, чтобы посчитать хватит его или нет.
Цена вопроса
Типовой инвертор — тот же SMA Sunny Boy 4.0 стоит примерно 1000 евро. Т.е опять же разделив эти деньги на нашу выработку, получаем + 0,01 евро.
- Уже видно, что солнечный инвертор — это минимум в общей стоимости. Поэтому можно без проблем взять подороже и помощнее. У нас мощный массив солнечных батарей.
Аккумуляторы
Выбор
Тут у меня простой выбор — Tesla Powerwall. www.tesla.com/de_DE/powerwall?redirect=no
7200(специально не учитываю установку) евро за 13,5 кВтч емкости. 10 лет гарантии. 4,6кВт мощности. Мощность — ОК, соответствует солнечному инвертору, но вот с емкостью не очень. Если наш дом потребляет 11кВтч в день, то 13,5 кВтч хватит едва на сутки. Надо ставить больше. Хотя бы 2 шт.
Цена вопроса
Так как гарантия на Powerwall всего 10 лет, без ограничений по перекачанным киловатт-часам, то и считаем, что за 25 лет мы поменяем 2+2+2/2=5 Powerwalloв общей стоимостью 7200*5= 36 000 евро. Делим на 100000кВтч и получаем 0,36 евро.
Итоги
Себестоимость за кВтч
Итоговая себестоимость солнечного электричества у нас оказалась равна:
- Солнечные батареи: 0,06
- Инвертор: 0,01
- Аккумуляторы: 0,36
Из этой суммы львиная доля приходится на аккумуляторы, и в основном из-за возможно малого срока службы — всего 10 лет. Но будем надеяться, что это скоро изменится в лучшую сторону. Возможна экономия за счет того, чтобы солнечные панели подключались напрямую к Powerwall через DC/DC преобразователь. Так можно сэкономить на одном инверторе. Но это в итоге будет опять же пара центов в стоимости киловатт-часа.
Интересно, что стоимость солнечных батарей в итоговой себестоимости оказалась достаточно низкой — в основном благодаря долгому сроку службы. Поэтому тут экономить на железе не имеет смысла, а лучше вложиться в надежную технику, чтобы избежать дорогостоящих замен батарей на высоте. Ну и варьировать количеством панелей можно без особого влияния на итоговую цену электричества.
Кредит
Так как денег на такие инвестиции у нас обычно нет в наличии, и мы хотим платить за наше электричество желательно небольшим ежемесячным платежом, надо брать кредит.
Итак мне нужно 43 тыс евро разовых инвестиций на оборудование. Точнее не так. Мне нужно 7000 евро на солнечные батареи на 25 лет и 14400 за два Powerwallа на 10 лет, так как Powerwallов нам нужно сперва только 2 шт.
ОК, я иду в ближайший банк и беру два кредита под 2% — например вот тут.
Забиваем указанные суммы в Darlehen-калькулятор и получаем ежемесячные платежи в 29,67 и 132,50 евро в месяц или суммарно 162,17*12=1946 евро в год — вот цена нашего дармового электричества с учетом кредита и выплачивания ежемесячных сумм вместо одноразовых инвестиций.
В результате электричество дорожает с 43 до 49 центов или на 14%.
Итоговый дисклеймер
- Если сравнить полученную цену с ценой электричества из розетки в Германии в 0,30 евро, то можно предположить, что данный проект пока не окупается. Но, стоит учесть, что если статистика покажет, что Powerwall может прожить те же 25 лет без замены, то общая стоимость солнечного кВтч снизится до 0,21-0,22 евро (0,25 с учетом кредита), что может стать уже гораздо интересней. Поэтому я принципиально считаю, что 30 центов — это психологический барьер, выше которого народ начнет серьезно задумываться о том, чтобы переходить на локальную генерацию в данном регионе. И этот барьер снижается, так как батареи дешевеют, а электромобили появляются.
- Так как погода непостоянна, все это всего лишь статистика. Можно поиметь всего два солнечных дня в декабре и придется сосать электричество из сети или подключать другие варианты генерации (дизель, или брать из своего электромобиля).
- Поэтому сеть нужна по-любому, но из нее надо будет сосать достаточно маленькую мощность.
- Понятно, что летом у нас будет гораздо большая выработка электричества, чем зимой — примерно в 2,7 раза, или почти 30кВтч/день при потреблении в 11кВтч/день. Т.е. летом надо максимизировать потребление, так как оно фактически бесплатное — кондиционеры можно не выключать. И вообще, чем больше вы сможете расходовать электричества летом, тем дешевле оно будет. Т.е всякие бойлеры и прочее надо переводить на электричество тоже.
- И вообще летом за неделю будет набегать лишнего электричества почти на один «бак» для Теслы Модел С, поэтому электромобиль — это маст хэв в таком случае. На халяву рассекать.
- Ну и есть такое преимущество — если свет везде отключат, у вас он все равно останется. В Германии, конечно, не принципиально, но все же.
- Существует мнение, что солнечная электростанция на крыше поднимает стоимость дома. То есть инвестиции окупаются еще и за счет этого.
В комментариях предлагаю обсудить именно статью, дисклеймеры, нюансы и возможности получения лучших цифр, уточненных данных, для другой территории и т.д. Зеленую энергетику же вообще предлагаю обсуждать в уже упомянутой в начале статье.
Спасибо, что прочитали эту статью.
- солнечная энергетика
- Powerwall
- Энергия и элементы питания
- Экология
- Будущее здесь