Опыт в фотовольтаике. Проверено на себе

В этой статье мы с моим мужем, Кириллом, постараемся донести ту информацию, которой обладаем сами. Поделиться теми наработками, которые у нас уже есть.

Эта статья не обучающий материал и не инструкция по использованию, не руководство к действию.

Мы НЕ ПРЕТЕНДУЕМ на истину в последней инстанции и НЕ ГОВОРИМ, что все должны поступать так же.

Основные тезисы

Фотовольтаика в данное время сильно подешевела и стала рентабельной. Можно сэкономить и даже заработать денег, и сократить выброс парниковых газов. Здесь мы рассмотрим несколько систем, которые сейчас доступны.

1. Фотобойлер — окупаемость 3,6 года. Мы эксплуатируем порядка года, горячая вода есть всегда.
2. Продажа электричества в сеть — окупаемость 5 лет, строим в данный момент.
3. Островная (независимая) система — окупаемость 9 лет, думаем над этим вопросом.
4. Отопительная система на фотовольтаике — окупаемость 6-9 лет, так же думаем над этим вопросом.

Применение на одном объекте более одной системы называется гибридизацией. Для каждой системы есть своя задача, которую она решает наилучшим образом. Гибридизация позволяет иметь наивысшую эффективность. Так же стоит заметить, что сроки окупаемости посчитаны для Болгарии, исходя из цены элекротока в 25 ст/кВт/час. В Германии сроки окупаемости будут разительно ниже.

Так же мы рассмотрим общие принципы работы фотовольтаической энергетики и ее экологичность.

Почему мы заинтересовались фотовольтаикой?

Потому что нам интересны:

• Новые технологии, которые сейчас стали уже более эффективными и доступными для рядового пользователя
• Экономия средств, которая достигается минимизацией потребления электричества из сети, путем получения своего электричества для обогрева бойлера и других нужд от солнца.
• Модель частичной или полной независимости от поставщиков энергии. И дело тут не только в перебоях, хотя они иногда случаются повсеместно, и «так себе» качестве электроснабжения. Независимость дает нам дополнительные возможности. Обкатав систему однажды, ее можно будет внедрить хоть в домике на скале, хоть в лесу на полянке.
• Этические соображения. Мы хотим пользоваться экологичными продуктами и возобновляемыми источниками энергии - чуть меньше коптить небо, когда это возможно с комфортом.

Что уже сделано нами?

• Фотобойлер для личного пользования. Это 4 фотовольтаические панели, которые сейчас стоят на крыше нашего дома, обеспечивая электричеством бойлер, мощностью 2 кВ, нагревающий воду в установленном температурном режиме таким образом, что хватает на 2 человек с обычными бытовыми нуждами (душ, мытье посуды). Это НЕ СОЛНЕЧНЫЙ КОЛЛЕКТОР.
• Заключен договор с «Энергопро» на поставку электричества в сеть от 5кВт системы на крыше дома по фиксированному тарифу. Сейчас проводится строительство сооружения для установки этой системы, монтаж и обвязка будет осуществлены до конца мая.

Солнечная панель и солнечный коллектор это не одно и то же.

Солнечный вакууамный коллектор (преобразователь тепловой энергии солнца) обеспечивает сбор солнечного излучения в любую погоду, вне зависимости от внешней температуры. Коэффициент поглощения энергии таких коллекторов (что проще говоря КПД) составляет 98 %. Есть еще коллектора других конструкций — плоские, воздушные и другие, но принцип их работы похож. Те или иные коллекторы в разных условиях ведут себя по разному. Мы об этом говорить сейчас подробно не будем. При повышении цен на топливо солнечные коллекторы зарекомендовали себя весьма эффективными с точки зрения экономии средств и окупаемости капитальных вложений на их установку. Но, как и любое высокотехнологичное оборудование, коллектор необходимо правильно установить (соблюсти угол наклона, сделать правильную обвязку), обеспечить бесперебойную работу циркуляционного насоса, подготовить емкость для сброса излишков тепла. Наверняка возникнут вопросы о сравнительной эффективности коллектора и фотовольтаической панели, но статья и так достаточно длинная. Про это отдельно и позже.

Как работает система «фотобойлер»

Изначально давайте разберемся с терминами.

• 1Wp установленной мощности панели - Watt-peac количественная мощность панели, которая измерена в определенных условиях.
• 1W/1Вт - единица мощности электротока.
• 1Wр = 1305 Вт/час/год 1,3 кВ/час/год.

Средняя стоимость тока в Болгарии в дневные часы — 25 стотинок.

Система «фотобойлер» в доме представляет собой 4 панели (1,5-2 панели/человек в случае Болгарии), которые вырабатывают электрический ток для согревания воды в бойлере, мощностью 2 кВт, которая поддерживает 40-45 градусов в пасмурные дни, и до 90 градусов в ясные. Система может нагреть бойлер и до более высоких температур, но при 90 градусах система выключается с помощью контроллера. Подсчет эффективности фотовольтаической системы понятнее проводить в месяц, а не в день или и, тем более, не в час. Каждая панель номинальной мощности 275 Wp - вырабатывает 29,9 кВт/час/месяц, 4 панели вырабатывают 120 кВт/час/месяц.

Расчет: 275 Wp х 1307 Вт/час / 1000 (перевод в кВт/час) = 29,9 кВт/час/месяц х 4 панели 120 кВт/час/месяц — ВЫРАБАТЫВАЕТ ВСЯ СИСТЕМА.

Как быстро нагреется бойлер зависит не только от подаваемой мощности, но и от уровня утепления бойлера, от скорости разбора воды. Учитывая возможные вопросы, как бойлер может быть нагрет при получении в час всего лишь 166 Ватт, можем ответить, что нагревание осуществляется по закону сохранения энергии, который в пересказе гласит, что та энергия, которая была введена в предмет (в нашем случае бойлер 2кВ) не может никуда деться и будет использована на нагрев этого бойлера.

Для нагрева бойлера в 80 литров до 70 градусов, при исходной температуре воды 12-15 градусов (средняя температура воды, поступающей из водопровода в Болгарии) необходимо около 5 кВт. Система из 4 панелей дает в сутки 4 киловатта этого достаточно для соблюдения Европейской нормы на двух человек. Живя здесь, мы привыкли к экономии, но сейчас мы расходуем больше воду так как к вечеру все равно нагреет еще. Если у вас в семье 3 человека, то надо 6 панелей так далее (2 панели мощностью 275 Wp х 2 =550 Wp на человека).

Система «солнечный бойлер» устанавливается без договора с энергокомпанией, подходит для апартаментов, у нее низкая цена входа. При покупке этой системы (4 панели) разовые вложения на 1Wp - 0,6 евро или 1,2 лева (всего 1100 Wp) выработка электричества 4 кВт/час/день, при цене 0,25 ст/кВт\ час - 1 лв/день - 30 лв/месяц - 360 лв/год. Стоимость системы 660 евро 1320 лева окупаемость 3,6 года.

Система продажи электричества в сеть.

Продажа электричества в сеть сейчас возможна при заключении договора с энергокомпанией (в нашем случае «Энергопро») на 15 лет с фиксированной ценой 28 ст/кВт для систем, стоящих на крыше здания. Вы должны продавать весь выработанный ток, т. е. пользоваться в хозяйстве этим током вы не можете. Таковы условия льготного тарифа. В половине стран Европы тарифы такие же, в половине, наоборот, можно продавать разницу. В каждом случае свои плюсы и минусы. Есть еще продажа в пиках, про это тоже в другой раз и не про Болгарию пока. К сожалению, пока Болгарское законодательство не позволяет использовать систему «и вашим и нашим» - т. е. продавать излишки электричества в момент пиковых нагрузок на электросети, что позволило бы еще быстрее окупать систему и зарабатывать больше.

Система 5 кWp стоит 1 евро (2 лева) за 1 Wp - т. е. 10000 лева стоимость всей системы из 18 панелей с теми же характеристиками, что и для фотобойлера. Получаете 25 кВ/час/день стоимостью 7 лв/день - 210 лева в месяц - 2520 лева год. Окупаемость меньше 4 лет. Сами панели стоят 0,33 евро на 1Wp, 0,33 евро монтаж, 0,33 евро инвертор. Вы ток продаёте в сеть, пользуясь из сети более дешевым током. Можно установить и большую систему, все зависит от возможностей крыши. Так же можно устанавливать такую систему и на землю, но наземную систему мы не изучали, и не готовы обсуждать этот вопрос. На все имеющиеся вопросы можно получить ответы на сайте или в офисе энергокомпании.

Можно ли сделать полностью независимую «островную» систему.

Такая система нужна если в доме часто наблюдаются сильные перепады напряжения, нивелировать которые регулятором напряжения не удается или нецелесообразно, или если вы любите Гретту больше, чем 10% годовых где-то еще. Или же дом находится в том месте, где нет доступа к электричеству. Среднему дому для получения света и запитывания бытовых приборов (без отопления и ГВС) нужно порядка 1-5 кВт/час/сутки, без учета бойлера (с бойлером до 9 кВт/час/сутки максимум). При наличии этой системы мы сталкиваемся с необходимостью аккумулировать электричество. Современные технологии позволяют использовать не дешевые кислотные аккумуляторы, которые занимают много места, достаточно быстро приходят в негодность (300 циклов разрядки/зарядки, и это до 2 лет использования в режиме «для дома»), выделяют вредные выбросы, а литиево-ионные аккумуляторы срок службы которых до 10 лет и более. Средняя цена такой системы, в зависимости от профиля потребления электротока от 3000 до 5000 Евро (сюда входят панели, инвертеры, контроллер, литиевые аккумуляторы).

Можно ли отапливать дом только фотовольтаической энергией.

Да, можно и даже умеренно выгодно. Но для получения максимального эффекта необходимо построить дом «с нуля», предварительно просчитав проект пассивного дома с учетом отопления фотовольтаикой, выполнить этот проект правильно (с соблюдением всех требуемых технологий и с использованием указанных в проекте строительных материалов).

Для уже имеющегося, построенного ранее дома, будет все сложнее: нужно провести расчет необходимой мощности системы, первоначально проведя полный тепловой аудит дома. Скорее всего, придется делать утепление дома заново, менять окна и т. д. Сколько будет стоить такая система и когда она окупится можно сказать только при рассмотрении конкретного строения и проекта. Иногда для конкретного дома имеет смысл использовать другие технологии и системы. У нас подготовлен проект энергоэффективного дома, тепловые потребности которого ниже 20Вт /м2, отапливать планируем гибридной системой.

Теперь рассмотрим некоторые дополнительные вопросы по фотовольтаике.

На сколько фотовольтаическая энергетика «чистая»

• Изготовление панелей. Любой изготовленный предмет (пластиковый стаканчик, кусок мяса, яйцо, букет цветов, час работы на компьютере) оставляют свой «Карбоновый след» - совокупность всех выбросов парниковых газов, произведённых прямо и косвенно отдельным человеком, организацией, мероприятием или предыдущим продуктом. Т. Е. Это то, сколько выделено продуктов распада и возникло парниковых газов (карбоновый долг/углеродный след, англ: Carbon footprint) при выработке одной единицы продукта (в данном случае солнечной панели). Тут не будем вдаваться в технологии производства непосредственно самой панели, а только приведу основные выводы:

1. Основываясь на проведенном Стэнфордским университетом исследовании, которое показало, что мировая фотоэлектрическая промышленность готова погасить свой «энергетический долг» (карбоновый долг) в период между 2015 и 2020 годами, что приведет к чистой энергетической выгоде для общества. Далее панели будут производится уже на «чистой энергии» - без выбросов парниковых газов. Эта цифра во многом обусловлена продолжающимся снижением потребности в энергии, необходимой для установки и производства солнечных фотоэлектрических систем. В том числе современные панели требуют в 10 раз меньше кремния, чем старые аналоги.
2. Типичная солнечная панель будет экономить более 900 кг CO2 в год, в результате чего период окупаемости углерода (карбоновый долг) составит ~ 1,6 года
3. «Фотоэлектроэнергетика создает на 96–98% меньше парниковых газов, чем электричество, вырабатываемое из 100% угля, и на 92–96% меньше парниковых газов, чем в европейской структуре производства электроэнергии. По сравнению с электричеством из угля, фотовольтаическое электричество в течение срока службы потребляет на 86-89% меньше воды, занимает или трансформирует на 80% меньше земли, образует токсических для человека элементов примерно на 95% меньше, равно как в результате фотовольтаической деятельности, при отказе от других источников энергии, вероятности возникновения кислотных дождей может быть снижена на 92-97% , и дополнительное загрязнение водоемов на 97- 98%». Кэрол Олсон, научный сотрудник Центра энергетических исследований в Нидерландах (renewableenergyhub.co.uk/main/solar-panels/solar-panels-carbon-analysis/

Утилизация пришедших в негодность панелей

Вопрос утилизации, точнее правильнее сказать, рециклирования, фотовольтаических панелей сейчас остро не стоит. Т. К. Современные панели рассчитаны на гарантийный срок эксплуатации в 25 лет, когда гарантируется их эффективность на уровне 87% к концу срока, следовательно, они могут работать и дольше, но уже со снижающейся эффективностью. Общий срок службы более 50 лет. Солнечные панели изготавливаются из нескольких основных компонентов, в том числе:

• Кремниевые солнечные элементы
• Металлический каркас
• Листы стекла
• Провода
• Пластмасса

Сразу же становится ясно, что многие основные компоненты солнечных панелей могут быть переработаны и использованы повторно. Сложность утилизации солнечных батарей заключается не в том, что материалы, из которых они сделаны, трудно перерабатывать, а в том, что они состоят из множества частей, которые используются вместе в одном продукте. Разделение этих материалов и их повторная переработка уникальным способом - сложный и потенциально дорогостоящий процесс. Но технологии не стоят на месте. И через 40-50 лет, когда начнется рециклирование отработавших свой срок панелей, скорее всего появится возможность оптимизации. Возможно за панели будут еще и доплачивать, так как там весьма приличный для будущего слой кремния.

Как работает солнечная панель

Получение энергии от солнца и ее переработка в электрическую энергию основывается на принципе фотоэффекта. Фотовольтаика — это метод выработки электрической энергии путем использования фоточувствительных элементов для преобразования солнечной энергии в электричество. Для этого используются кремневые фотоэлементы монокристаллического, поликристаллического или тонкопленочного типа. Фактически все фотовольтаические устройства, способные улавливать солнечные излучения и преобразовывать их в электроэнергию, являются разновидностями фотодиодов. Термин «фотовольтаика» означает обычный рабочий режим фотодиода, при котором электрический ток перемещается исключительно благодаря преобразованной энергии света. Фотовольтаичная панель представляет собой фотоэлектрический генератор постоянного тока, который использует эффект преобразования лучистой энергии в электрическую. В фотовольтаической панели использовано свойство полупроводников на основе кристаллов кремния. Однако для того, чтобы напряжения и мощности такого источника было достаточно для применения в хозяйственных целях, одного или двух кремниевых элементов недостаточно, их собирают в целые панели, где соединяют последовательно-параллельно (тогда будет выдаваться большой ток и большее напряжение.

Устройство фотовольтаической панели

Есть две эффективные сейчас технологии изготовления – поликристаллическая и монокристаллическая. Первая технология дешевле на Wp, вторая эффективнее на единицу площади. Именно по поликристалической технологии сделаны те панели, которыми мы пользуемся JKM275PP-60(Plus) 275 Wp. Но принцип устройства панелей схож, т. к. все они работают на одном принципе, который отразил в своей работе, запатентовав первую панель, приближенную видом к современной, Рассел Олом еще в 1946 году.

• Каждая панель в своем устройстве содержит солнечные ячейки, которые объединяют для создания модулей, вырабатывающих электричество из энергии солнца.
• Эти модули монтируются вместе, чтобы получалась группа из солнечных модулей. Такие сборки имеют название солнечных или фотовольтаических панелей.
• Они устанавливаются на специальные стеллажи и, иногда, поворотные устройства, которые направляют группу солнечных модулей на солнце. Сейчас используются реже, так как модули подешевели и выгоднее установить больше панелей, если позволяет площадь.
• Сверху они покрыты стеклом, позволяющим проникать солнечному свету до самих ячеек, одновременно защищая их от вредных химических и механических воздействий. Усовершенствованное текстурирование стекла и поверхности обеспечивает отличную производительность в слабое освещение.
• Большинство панелей на рынке сейчас сертифицированы для противостояния ветровой нагрузке (2400 Паскалей) и снеговой нагрузке (5400 Паскалей). Это весьма много и почти не встречается в большинстве регионов.
• Некоторые производители панелей гарантируют устойчивость своей продукции к солевому туману и аммиаку, получив сертификацию TUV NORD
• Современны поликристаллические панели имеют улучшенный температурный коэффициент, что снижает потери мощности во время высоких температур.

Вполне может быть, что для многих фотовольтаическая энергия останется непонятной и ненужной, но мы пользуемся ею, получаем от этого ощутимый эффект, радуемся тому, что чуть меньше коптим планету. Мы хотим и дальше развивать свои возможности в этом направлении. Готовы поделиться имеющимися знаниями с единомышленниками.