Ефективність сонячних батарей у теплопостачанні

Солнечные батареи

Поданий нижче розрахунок є частиною порівняльного аналізу “Яке джерело тепла для заміського будинку вигідніше?”.

Незважаючи на те, що технологія використання сонячної енергії для потреб споживачів житлових будинків існувала досить давно, актуальність свою вона набула досить недавно – з моменту суттєвого подорожчання традиційних енергоносіїв (передусім – газу). Ринок моментально відреагував на збільшення попиту і у продажу з’явилося безліч різних установок для нагрівання води, заснованих на сонячних колекторах та батареях. Відповідно паралельно виходу нового обладнання його виробниками у ЗМІ стала проводитися широка рекламна компанія, в якій використання сонячних батарей подається як чи не панацея, як єдиний спосіб отримання дармової та екологічно чистої електричної та теплової енергії, який здатний задовольнити всі потреби споживачів.

Така думка, м’яко кажучи, не є правильною. На жаль, сонячна енергія не є дармовий, як це здається на перший погляд. Для того, щоб розвіяти цей міф і показати Вам реальну картину, що склалася сьогодні в галузі сонячної енергетики, пропонуємо Вашій увазі невеликий розрахунок ефективності використання сонячної установки. Розрахунок, який розставить усі крапки над “i” у питанні використання сонячної енергії для виробництва тепла.

Установки використання сонячної енергії для гарячої води

Для використання сонячної енергії в теплопостачанні сьогодні існує два види сонячних установок, що принципово відрізняються один від одного.

  • використовують як приймачі енергії т.зв. “сонячні батареї”, що виробляють електроенергію безпосередньо. Фотоелементи, що є основою даної конструкції за принципом дії подібні до транзисторів, а основним матеріалом батарей є напівпровідниковий кремній. Конструктивно сонячна батарея складається з двох складених тонких листів, поміщених один над одним таким чином, щоб зберігався p-n-p-перехід. Один із листів містить домішкові атоми бору, інший – миш’яку: зовнішній лист відповідно характеризується надлишком електронів, а внутрішній – їх недоліком. При попаданні сонячного світла на пластину активує p-n-p перехід і обидва шари починають працювати як електроди звичайної батареї – виникає ЕДС.
  • установки в яких приймачами енергії є теплообмінники (панель з труб різних конструкцій, “плоскі”, “вакуумні” і т.д.), в яких сонячна енергія безпосередньо нагріває теплоносій, що протікає по них (або хім. очищену воду або, у випадку з цілорічною роботою – пропіленгліколь). Ці установки називають “сонячними колекторами”.

Зважаючи на дорожнечу кремнію і труднощі виготовлення, вартість установок, що використовують сонячні батареї сьогодні на порядок вища за ті, що працюють на сонячних колекторах. Тому в даному випадку, при оцінці ефективності використання сонячної енергії для гарячої води, має сенс розглянути тільки другий варіант.

Типова сонячна установка для потреб ГВП на базі сонячного колектора, незалежно від її виробника, складається з наступних частин (див. мал. ):

  • сонячного колектора, що власне і акумулює енергію;
  • бака акумулятора для теплоносія;
  • електрокотла, що здійснює догрівання теплоносія до необхідних параметрів;
  • насоса, що забезпечує циркуляцію теплоносія між баком-акумулятором та колектором;
  • блок управління.

shema

Конструкція функціонує наступним чином: на дах будівлі або будь-яку вільну поверхню встановлюється колектор, що збирає теплову енергію сонця. Нагріта сонцем хімічно підготовлена ​​вода під дією насоса надходить у ємність (бак-акумулятор), де через теплообмінні поверхні віддає своє тепло водопровідній холодній воді, що потребує гарячого водопостачання. Догрівання води до необхідної споживачеві температури зазвичай здійснюється за допомогою вбудованого в бак-акумулятор ТЕН-а (електрокотла). Блок керування сонячною установкою автоматично підтримує всі необхідні для споживача води параметри.

Розрахунок ефективності сонячної установки

Потужність сонячної установки, тобто іншими словами – кількість гарячої води, яку вона здатна виробити, залежить від площі її колекторів. Збільшення площі колектора автоматично вимагає збільшення потужності насоса, що здійснює циркуляцію теплоносія, більшого перерізу труб установки, більшого теплообмінника в баку акумулятора, більшого обсягу робіт на монтаж і т.д. Тож оцінки вартості тієї чи іншої установки з інженерної точністю має сенс використовувати т.зв. «питому вартість», тобто. її вартість у перерахунку на 1 м2 площі колектора. На сьогоднішній день ця вартість, залежно від обладнання та складності монтажу, коливається в діапазоні від 400 EUR до 1200 EUR на 1 м2 (у першому випадку – установка китайського виробництва, в останньому – німецького). Надійність, якість та ергономічність обладнання – відповідають зазначеним цінам.

Для невеликих дачних котеджів колектор типової сонячної установки зазвичай має площу 2,5 м2. У даному розрахунку собівартості сонячної енергії приймемо повні витрати на її придбання та монтаж у 2400 EUR (тобто, установка відповідає найвищим стандартам якості), а термін безаварійної її служби у 20 років. Приймемо також, що ця установка буде працювати у нас цілий рік у світловий час доби (тобто в середньому по 12 годин на добу).

Кількість падаючого на освітлювану поверхню потенційно корисного сонячного випромінювання визначається поняттям, що називається інсоляцією. Сонячна інсоляція сильно змінюється від однієї точки земної поверхні до іншої. Піски Сахари отримують значно більше світла, ніж ліси навколо Хельсінки. Тому при знаходженні величини інсоляції будь-якого району враховують безліч факторів, серед яких:

  • вплив пори року, що зумовлює нижчу освітленість та довготу дня взимку;
  • характер території, що освітлюється сонцем (наявність деталей рельєфу, що загороджують сонце);
  • місцеві погодні умови (хмарність, туман, дощ);
  • тривалість сонячного опромінення.

Всі ці фактори так чи інакше впливають на те, скільки енергії може бути “знято” з сонячної установки. Однак у середньому, для інженерних цілей, застосовуються спеціально розроблені таблиці середніх величин сонячної інсоляції для тієї чи іншої території. Витяг з такої таблиці для основних міст України за даними NASA ми наводимо нижче.

січ лют бер квіт трав черв лип серп вер жовт лист груд За рік
Сімферополь 39,37 57,68 94,55 129 168,64 175,2 192,2 165,54 122,1 82,77 48,05 33,17 1308,27
Вінница 33,17 52,92 91,14 117,6 160,89 159 159,96 145,08 96,3 61,07 34,1 27,9 1139,13
Луцьк 31,62 49,56 87,73 117,3 156,55 152,4 153,14 141,05 90,3 56,73 32,55 24,49 1093,42
Донецьк 37,51 55,72 91,14 121,2 169,88 166,5 175,46 157,79 110,1 69,44 38,13 29,76 1222,63
Житомир 31,31 50,96 88,97 116,4 159,96 155,7 156,24 144,46 91,8 57,97 32,24 25,73 1111,74
Ужгород 35,03 53,48 93,31 120,9 155,31 159,3 162,75 149,42 99,9 62,62 36,89 27,28 1156,19
Запоріжжя 37,51 56 90,21 126 174,22 171,6 182,28 160,58 116,1 75,64 38,75 29,45 1258,34
Івано-Франківськ 36,89 54,04 88,04 110,4 140,74 142,5 147,56 136,4 91,8 62 37,2 29,14 1076,71
Київ 33,17 52,36 91,45 118,8 162,75 156,6 162,75 144,77 93,6 60,14 31,62 26,66 1134,67
Кропивни́цкий 37,2 54,6 91,76 122,1 169,57 164,7 172,67 152,52 107,1 69,44 35,34 29,76 1206,76
Луганськ 38,13 57,68 94,55 121,5 169,26 167,1 175,15 154,69 108,6 69,13 39,06 28,83 1223,68
Львів 33,48 51,24 87,42 113,4 144,77 144,9 149,73 137,95 90 57,35 32,86 25,73 1068,83
Миколаїв 38,75 58,8 95,17 131,4 175,15 175,5 186,93 165,54 117,9 78,12 42,16 32,24 1297,66
Одеса 38,75 59,08 95,48 131,4 175,15 175,5 187,24 165,23 117,9 78,12 42,16 32,24 1298,25
Полтава 36,58 54,88 94,55 120 167,4 163,2 170,81 150,97 102,6 65,41 35,65 28,21 1190,26
Ровно 31,31 50,68 87,73 116,1 157,48 155,1 154,38 141,98 90,6 57,97 32,24 25,11 1100,68
Суми 35,03 54,04 94,55 119,4 163,37 159,6 166,78 144,77 95,7 61,38 34,1 26,66 1155,38
Тернопіль 33,79 52,08 88,35 115,5 150,04 150 152,83 139,81 92,4 59,21 33,79 26,35 1094,15
Харьків 36,89 56,56 94,55 117,6 166,78 163,8 172,36 151,28 104,7 65,1 36,89 27,9 1194,41
Херсон 40,3 59,64 95,48 130,8 176,08 172,8 186 163,99 120 79,67 42,16 32,24 1299,16
Хмельницький 33,79 52,08 88,97 115,5 157,48 156,3 156,24 141,98 94,2 61,38 34,1 26,97 1118,99
Черкаси 35,65 53,48 91,14 119,7 168,64 163,8 171,74 150,97 102 66,03 33,79 28,21 1185,15
Чернігів 30,69 50,4 90,52 118,8 160,27 155,7 158,72 140,74 90 57,66 30,38 23,25 1107,13
Чернівці 36,89 54,04 88,04 110,4 140,74 142,5 147,56 136,4 91,8 62 37,2 29,14 1076,71

Цифра в таблиці вказує середню кількість сонячної енергії (КВтч), яка потрапляє на 1 квадратний метр горизонтальної поверхні протягом зазначеного місяця.

Як можна помітити, кількість сонячної енергії, що падає на поверхню в літні місяці, приблизно в 5-6 разів вище, ніж те, що потрапляє на цю ж поверхню взимку. Ця обставина робить зовсім неефективною роботу сонячних батарей на потреби опалення (тобто під час осінь-зима-весна). Якщо врахувати, що протягом опалювального періоду на 1м2 площі установки до МІСЯЦЯ в середньому потрапить близько 70 кВт*г енергії, а для потреб опалення невеликого приватного будинку загальною площею 150 м2 розрахункове теплове навантаження становить близько 14 кВт*г на годину, то шляхом невеликого розрахунку можна легко з’ясувати , що для покриття розрахункового навантаження площа сонячного колектора цього будинку навіть без урахування втрат має становити близько 150 м2. А якщо ці втрати врахувати (середньорічний ККД сонячного колектора приблизно дорівнює 0,6), то й усі 250 м2. За вартістю установки близько 1000 EUR/1 м2, використання сонячних променів на потреби опалення обійдеться нам близько 250 тис. EUR. Стає ясно і без розрахунку, що для невеликого приватного будинку такий спосіб опалення надто дорогий.

При розрахунку вартості сонячного тепла для потреб гарячого водопостачання при використанні даних з наведеної вище таблиці слід врахувати таке: навіть якщо припустити, що реальна сонячна панель буде розташована ідеально горизонтально і не матиме жодних перешкод у вигляді тіней від сторонніх предметів (що практично трапляється рідко) далеко не вся енергія, що потрапляє, буде перетворена в теплову. Частина її відіб’ється навіть від чорних труб, а частина губиться конвективним методом (охолоджуватиметься повітрям).

Виробники сонячних колекторів вказують у технічній документації ККД колектора. Під цією величиною мається на увазі т.зв. “оптичний ККД” – він показує ефективність оптичного перетворення сонячної енергії на тепло (у середньому він становить 75-90%). Однак, цей ККД не враховує додаткових конвективних втрат, які також присутні і залежать від конструктивних параметрів сонячної установки. Реальний середньорічний коефіцієнт корисної дії сонячної установки розраховується з урахуванням т.зв. “конструктивних коефіцієнтів” К1 та К2, а також з урахуванням середньорічних температур повітря для конкретної місцевості, тому його потрібно розраховувати щоразу для кожної конкретної сонячної установки. Для середньої, непоганої сонячної установки, розташованої на Одещині, він буде десь в районі 60%. Таким чином, з нашої типової сонячної установки, площею 2,5 м2 протягом року максимально (при ідеальному розташуванні панелей) може бути отримано таку кількість «дармової» теплової енергії:

Qрік=1298*2,5*0,6=1947 кВт*год

З урахуванням терміну служби обраної нами (не китайської) установки у 20 років отримаємо кількість отриманої від неї безкоштовної теплової енергії за весь час її роботи:

Q=1947*20=38940 кВт*год

 

Врахуємо, що циркуляція теплоносія по установці здійснюється за допомогою електронасоса, який постійно працюватиме протягом світлового дня. Потужність насоса становить приблизно 50 Вт. Протягом 20 років роботи установки, в середньому по 12 годин на добу, він вимагатиме таку кількість електроенергії:

Ел=50*12*365*20=4380 кВт*год

 

що, за  вартості електроенергії для побутових споживачів у 78,9 коп/кВт*год складе:

ВАРТел=4380*0,789=3455 грн, або, приблизно 113 EUR

 

Розділивши вартість установки на кількість отриманого за її допомогою тепла, визначимо вартість отриманного від неї “безкоштовного” тепла:

ВАРТ=(2400 +113) /38940=0.065 EUR/Квт*год,

 

тобто. приблизно (при курсі 1EUR = 30 грн) – вона становитиме 1.95 грн за 1 Квт*год

Для порівняння (на 09.02.16):

  • вартість 1 кВтг електроенергії для побутового споживача становить 79 коп (у разі не перевищення ліміту 600 кВтг/міс),
  • при купівлі тепла у теплових мереж при тарифі 670 грн/Гкал вартість 1 Квтч становить ~59 коп/кВтч
  • при виробництві його на власній газовій котельні ~38-50 коп/кВтч (залежно від лімітів).

Як можна побачити використання сонячного тепла не тільки не є безкоштовним, але й дорожчим способом підігріти гарячу воду порівняно з традиційнішими. Однак оснащення сонячними колекторами власної будівлі може відіграти свою роль у випадку, коли характер споживання тепла такий, що є можливість перейти з однієї сітки тарифів споживання з вищими тарифами до іншої, з нижчими. Але в будь-якому випадку перед прийняттям рішення використовувати сонячний колектор для підігріву води варто зробити розрахунок.

Оскільки якість обладнання для нас насамперед, наше підприємство сьогодні пропонує геліоустановки німецьких фірм Buderus та Viessman.