Эффективность солнечных батарей в теплоснабжении

Солнечные батареи

Представленный ниже расчет является частью сравнительного анализа «Каким образом выгоднее снабдить теплом загородный дом?»

Несмотря на то, что технология использования солнечной энергии для нужд потребителей жилых зданий существовала достаточно давно, актуальность свою она стала приобретать достаточно недавно — с момента существенного подорожания традиционных энергоносителей (прежде всего — газа). Рынок моментально отреагировал на увеличение спроса и в продаже появилось великое множество различных установок для нагрева воды, основанных на солнечных батареях и солнечных коллекторах. Соответственно параллельно выходу нового оборудования его производителями в СМИ стала проводиться широкая рекламная компания, в которой использование солнечных батарей преподносится как чуть ли ни панацея, как единственный способ получения дармовой и экологически чистой тепловой энергии, который способен удовлетворить все нужды потребителей.

Такая точка зрения, мягко говоря, не является верной. Увы, солнечная энергия не является дармовой, как это кажется на первый взгляд. Для того, чтобы развеять этот миф и показать Вам реальную картину сложившуюся сегодня в области солнечной энергетики, предлагаем Вашем вниманию небольшой расчет эффективности использования солнечной установки. Расчет, который расставит все точки над «i» в этом вопросе.

Установки использования солнечной энергии для производства горячей воды.

Для использования солнечной энергии в теплоснабжении сегодня существует два принципиально отличающихся друг от друга вида солнечных установок:

  • использующих в качестве приемников энергии т.н. «солнечные батареи», вырабатывающие электроэнергию напрямую. Фотоэлементы, являющиеся основой данной конструкции по принципу действия сходны с транзисторами, а основным материалом батарей является полупроводниковый кремний. Конструктивно солнечная батарея состоит из двух сложенных тонких листов, помещенных друг над другом таким образом, чтобы сохранялся p-n-p переход. Один из листов содержит примесные атомы бора, другой — мышьяка: наружный лист соответственно характеризуется переизбытком электронов, а внутренний – их недостатком. При попадании солнечного света на пластину тот активирует p-n-p переход и оба слоя начинают работать как электроды обычной батареи — возникает ЭДС.
  • установки в которых приемниками энергии являются теплообменники (панель из труб различных конструкций, «плоские», «вакуумные» и т.д.), в которых солнечная энергия напрямую нагревает протекающий по ним теплоноситель (или хим. очищенную воду или, в случае с круглогодичной работой — пропиленгликоль). Эти установки называют «солнечными коллекторами».

Ввиду дороговизны кремния и трудности изготовления, стоимость установок, использующих солнечные батареи сегодня на порядок выше тех, что работают на солнечных коллекторах. Поэтому в данном случае, при оценке эффективности использования солнечной энергии для производства горячей воды, имеет смысл рассмотреть только второй вариант.

Типичная солнечная установка для нужд ГВС на базе солнечного коллектора, вне зависимости от ее изготовителя, состоит из следующих частей (см рисунок):

  • солнечного коллектора, собственно и аккумулирующего энергию;
  • бака аккумулятора для теплоносителя;
  • электрокотла, осуществляющего догрев теплоносителя до необходимых параметров;
  • насоса, обеспечивающего циркуляцию теплоносителя между баком-аккумулятором и коллектором;
  • блока управления.

shema

Конструкция функционирует следующим образом: на крышу здания или какую-либо имеющуюся свободную поверхность устанавливается коллектор, собирающий тепловую энергию солнца. Нагретая солнцем химически подготовленная вода под действием насоса поступает в емкость (бак-аккумулятор), где через теплообменные поверхности отдает свое тепло водопроводной холодной воде, идущей на нужды горячего водоснабжения. Догрев воды до необходимой потребителю температуры обычно осуществляется с помощью встроенного в бак-аккумулятор ТЭН-а (электрокотла). Блок управления солнечной установкой автоматически поддерживает все необходимые потребителю воды параметры.

Расчет эффективности солнечной установки

Мощность солнечной установки, т.е другими словами — количество горячей воды, которую она способна выработать, напрямую зависит от площади ее коллекторов. Увеличение площади коллектора автоматически требует увеличения мощности насоса, осуществляющего циркуляцию теплоносителя, большего сечения труб установки, более крупного теплообменника в баке аккумуляторе, большего объема работ на монтаж и т.д. Поэтому для оценки стоимости той либо иной установки с инженерной точностью имеет смысл использовать т.н. «удельную стоимость», т.е. ее стоимость в пересчете на 1 м2 площади коллектора. На сегодняшний день эта стоимость, в зависимости от используемого оборудования и сложности монтажа, колеблется в диапазоне от 400 EUR до 1200 EUR на 1 м2 (в первом случае — установка китайского производства, в последнем — немецкого). Надежность, качество и эргономичность оборудования — соответствуют указанным ценам.

Для небольших дачных коттеджей коллектор типовой солнечной установки обычно имеет площадь 2,5 м2. В данном расчете себестоимости солнечной энергии примем полные затраты на ее приобретение и монтаж в 2400 EUR (т.е. установка отвечает наивысшим стандартам качества), а срок безаварийной ее службы в 20 лет. Примем также, что эта установка будет работать у нас круглый год в световое время суток (т.е. в среднем по 12 часов/сутки).

Количество падающего на освещаемую поверхность потенциально полезного солнечного излучения определяется понятием, именуемым инсоляцией. Солнечная инсоляция сильно изменяется от одной точки земной поверхности к другой. Пески Сахары получают значительно больше света, чем леса вокруг Санкт-Петербурга. Поэтому при нахождении величины инсоляции какого-либо района учитывают множество факторов, среди которых:

  • влияние времени года, обуславливающее более низкую освещенность и долготу дня зимой;
  • характер местности, освещаемой солнцем (наличие загораживающих солнце деталей рельефа);
  • местные погодные условия (облачность, туман, дождь);
  • длительность солнечного облучения, т.к. солнечные лучи, падающие на освещаемую поверхность под очень малым углом, малопригодны для использования.

Все эти факторы так или иначе влияют на то, какое количество энергии может быть «снято» с солнечной установки. Но в среднем, для инженерных целей, используются специально разработанные таблицы средних величин солнечной инсоляции для той либо иной местности. Выдержку из такой таблицы для основных городов Украины по данным NASA мы приводим ниже.

янв фев март апр май июнь июль авг сент окт ноя дек За год
Симферополь 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
Винница 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
Луцк 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
Донецк 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
Запорожье 37,51 56 90,21 126 174,22 171,6 182,28 160,58 116,1 75,64 38,75 29,45 1258,34
Ивано-Франковск 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
Киев 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
Кировоград 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
Луганск 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
Львов 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
Николаев 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
Одесса 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
Сумы 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
Тернополь 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
Царьков 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
Хмельницкий 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
Черкассы 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
Чернигов 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
Черновцы 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 таблице указывает среднее количество солнечной энергии (в Квтч), которое попадает на 1 квадратный метр горизонтальной поверхности в течение указанного месяца. Как можно заметить, количество солнечной  энергии падающей на поверхность в летние месяцы приблизительно в 5-6 раз выше, чем то, которое попадает на эту же поверхность зимой. Это обстоятельство делает совершенно неэффективным работу солнечных батарей на нужды отопления (т.е. в период осень-зима-весна). Если учесть что в течение отопительного периода на 1м2 площади установки В МЕСЯЦ в среднем попадет около 70 кВтч энергии, а для нужд отопления небольшого частного дома общей площадью в 150 м2 расчетная тепловая нагрузка составляет около 14 кВтч В ЧАС, то путем небольшого расчета можно легко выяснить, что для покрытия расчетной нагрузки площадь солнечного коллектора этого дома даже без учета потерь должна составлять порядка 150 м2. А если эти потери учесть (среднегодовой КПД солнечного коллектора примерно равен 0,6), то и все 250 м2. При стоимости установки около 1000 EUR/1 м2, использование солнечных лучей на нужды отопления обойдется нам около 250 тыс. EUR. Становится ясно и без расчета, что для небольшого частного дома такой способ отопления черезчур дорог.

При расчете стоимости солнечного тепла для нужд горячего водоснабжения при использовании данных из приведенной выше таблицы следует учесть следующее: даже если предположить, что реальная солнечная панель будет расположена идеально горизонтально и не иметь никаких помех в виде теней от посторонних предметов (что на практике случается редко) далеко не вся попадающая энергия будет преобразована в тепловую. Часть ее отразится даже от черных труб, а часть будет теряться конвективным методом (охлаждаться воздухом).

Производители солнечных коллекторов указывают в технической документации КПД коллектора. Под этой величиной подразумевается т.н. «оптический КПД» — она показывает эффективность оптического преобразования солнечной энергии в тепло (в среднем он составляет 75-85%). Однако этот КПД не учитывает дополнительных конвективных потерь, которые также присутствуют и зависят от конструктивных параметров солнечной установки. Реальный среднегодовой коэффициент полезного действия солнечной установки рассчитывается с учетом т.н. «конструктивных коэффициентов» К1 и К2, а также с учетом среднегодовых температур воздуха для конкретной местности. Для средней, неплохой солнечной установки, расположенной в Одесской области он будет в районе 60%.  Таким образом, с нашей типовой солнечной установки, площадью в 2,5 м2 в течение года будет получено следующее количество «дармовой» тепловой энергии:

Qгод=1298*2,5*0,6=1947 кВтч

 

С учетом срока службы выбранной нами (не китайской) установки в 20 лет получим количество полученной от нее бесплатной тепловой энергии за все время ее круглогодичной работы:

Q=1947*20=38940 кВтч

 

Учтем, что циркуляция теплоносителя по установке осуществляется с помощью электронасоса, который будет постоянно работать в течение светового дня. Мощность установленного насоса составляет приблизительно 50 Вт. В течение 20 лет работы установки, в среднем по 12 часов в сутки, он потребит следующее количество электроэнергии:

Эл=50*12*365*20=4380 кВтч

 

что, при сегодняшней стоимости электроэнергии для бытовых потребителей в 78,9 коп/кВтч составит:

Стэл=4380*0,789=3455 грн, или, приблизительно, 113 EUR

 

Разделив стоимость установки на количество полученного с ее помощью тепла, определим его стоимость:

Ст=(2400 +113) /38940=0.065 EUR/Квт*ч,

 

т.е. приблизительно (при курсе 1EUR =30 грн) — она составит 1.95 коп за 1 Квтч.

Для сравнения (на 09.02.16):

  • стоимость 1 кВтч электроэнергии для бытового потребителя составляет 79 коп (в случае не превышения лимита в 600 кВтч/мес),
  • при покупке тепла у тепловых сетей при тарифе в 670 грн/Гкал стоимость 1 Квтч составляет ~59 коп/кВтч
  • при производстве его на собственной газовой котельной ~38-50 коп/кВтч (в зависимости от лимитов).

Как можно увидеть солнечная энергия все еще является ОЧЕНЬ дорогим удовольствием. Однако оснащение солнечными коллекторами собственного здания может сыграть свою роль в случае, когда характер потребления тепла такой, что имеется возможность перейти из одной сетки тарифов потребления с более высокими тарифами в другую, с более низкими. Но в любом случае перед принятием решения использовать солнечный коллектор для подогрева воды стоит произвести расчет.

Поскольку качество оборудования для нас прежде всего, то наше предприятие сегодня предлагает гелиоустановки немецких фирм Buderus и Viessman.