Сонячна сторона проблеми

Про сонячну енергетику та перспективи її розвитку ведуться суперечки і дискусії вже не один рік. Проте над технологічним використанням цього невичерпного джерела енергії людина почала замислюватися ще в позаминулому столітті. Саме 1883 рік прийнято вважати роком народження ери сонячної енергетики. У 1883 році електрик з Нью-Йорка Чарльз Фріттс сконструював перший модуль із використанням сонячної енергії, основою для якого послужив селен, покритий тонким шаром золота. Вчений встановив, що таке поєднання елементів дозволяє, хоч і в мінімальному обсязі (близько 1%), перетворювати енергію сонця в електричну.

Нині темпи розширення виробництва електроенергії перевищують темпи зростання населення землі. Більшість вважають сонячну енергетику – енергетикою майбутнього, надією всього людства. І не безпідставно. Серйозні інвестиції вкладає в будівництво сонячних електростанцій (СЕС) велика кількість компаній. Сонячну енергетику прагнуть розвивати в багатьох країнах світу, вважаючи її головною альтернативою традиційним енергоносіям. Німеччина, будучи далеко не сонячної країною, стала світовим лідерів в цій сфері. Сукупна потужність сонячних електростанцій Німеччини зростає рік від року. Серйозно займаються розробками в області енергії сонця і в Китаї. СЕС потужністю 0,1-10 МВт побудовані в багатьох країнах світу, це насамперед, США, Франція, Японія. Не так давно з’явилися проекти потужніших сонячних електростанції до 100 МВт. За розрахунками учених та спеціалістів у цій галузі вони до 2050 року зможуть виробляти біля 20-25% світової електроенергії. А це велика цифра.

Альтернативний погляд на перспективи СЕС базується на тому, що витрати, які потрібні для виготовлення сонячних батарей і акумуляторних систем, в рази перевищують прибуток від виробленої ними електроенергії. Противники цієї позиції запевняють, що все якраз навпаки.

Сучасні сонячні батареї здатні працювати без нових капіталовкладень десятки і навіть сотні років, вироблена ними сумарна енергія дорівнює нескінченності. Ось чому в довгостроковій перспективі електроенергія, одержана з використанням енергії сонця, стане не просто рентабельною, а над прибутковою.

Де ж істина?

Спробуємо розібратися в цьому разом з вами.

Ми розглянемо сучасні підходи в сфері сонячної енергетики і деякі геніальні ідеї, які на сьогоднішній день вже реалізовані.

Відповідно до сучасних досліджень, сонячна енергія становить порядку 1367 Ватт на 1 м2 (сонячна постійна). В цілому середньорічний потенціал сонячної енергії в Україні (1235 кВт год./м) є достатньо високим і набагато вищим, ніж, скажімо, в Німеччині – 1000 кВт год./м, чи навіть у Польщі – 1080 кВт год./м. Отже, Україна має добрі можливості для ефективного використання теплоенергетичного обладнання на своїй території.

Середньорічна кількість сумарної сонячної радіації, що поступає на 1 м поверхні, на території України знаходиться у межах від 1000 кВт*год./м у північній частині України (сюди відноситься і Житомирська область) і до 1400 кВт*год./м в південній її частині. Простіше сказати, сонячна енергія, що реально надходить тільки за три дні на територію України, перевищує енергію всього річного споживання електроенергії у нашій країні. А тривалість сонячних годин (не сонячної радіації, а прямого сонячного випромінювання) протягом року в північно-західній частині України становить 1600-1700 годин, у лісостеповій зоні вона зростає до 1900-2000 годин, у степовій зоні та на морських узбережжях вже досягає 2300-2400 годин за рік. І, нарешті, максимальне сонячне світло у Кримських горах – 2453 години за рік. Для орієнтиру – у ясний сонячний день з одного квадратного метра площі сонячної батареї можна зняти максимум 120 Вт потужності. Цього недостатньо навіть для роботи комп’ютера. Тому для отримання вагомішої потужності сонячні панелі об’єднують у цілі міні-електростанції. З сонячної батареї площею 10 м2 можна отримувати вже більше 1 кВт енергії, що може уже забезпечити роботу комп’ютера, телевізора, декількох лампочок.

Найбільш поширені способи генерації електроенергії за допомогою сонця – це сонячні теплоелектростанції. Величезні дзеркала таких станцій, повертаючись, відображають світло від сонця і фокусують його на колектор. Принцип функціонування таких електрогенеруючих станцій заснований на перетворенні теплової енергії сонця в механічну електроенергію термодинамічної машини за допомогою газопоршневого двигуна або за допомогою нагріву води тощо. Тільки вартість будівництва таких станцій намагаються не надто афішувати, ймовірно тому, що вона є значною. А якщо у вартість проектування і будівництва сонячних електростанцій включити акумулятори, тим більше, будівництво гідроакумулюючих електростанцій, то сума зросте до фантастичних розмірів.

Однак, одним із найбільш перспективних способів, є пряме перетворення сонячного випромінювання в електричну енергію у напівпровідникових сонячних елементах. Цей метод, по-перше, є найбільш зручним для споживача, оскільки отримується вживаний вид енергії, і, по-друге, такий метод вважається екологічно чистим засобом одержання електроенергії на відміну від інших. Виходячи з цього, ситуацій, коли б сонячна електростанція однозначно себе виправдовувала, на практиці не так вже багато, але вони є. Одним із випадків, коли сонячні батареї вигідні, є ситуація, коли у будинку або на іншому об’єкті лімітовано енергоспоживання, зважаючи на брак потужності. Також, виправдане застосування сонячних батарей у випадках, коли будинок настільки віддалений від трансформаторної підстанції (більше 10-15 км), що прокладання до нього кабелів або дротів виявиться не рентабельно або сумарною за вартістю із самостійним джерелом енергії. Має сенс застосування СЕС і у тому випадку, коли необхідно забезпечити безперебійне живлення якої-небудь системи, наприклад, охоронної сигналізації або комп’ютерної мережі.

Також, останнім часом багато людей оснащують свої будинки системами геліоколекторів для отримання гарячого водопостачання. Використовуючи енергію сонця, вони забезпечують оселю теплом в автономному режимі і дозволяють практично не залежати в питаннях гарячого водопостачання від житлово-комунальних структур. Працюючи від безкоштовного невичерпного джерела енергії, сучасні сонячні колектори допомагають заощаджувати кошти на створення умов для комфортного проживання у будинку. До того ж, воно зручне в експлуатації і при правильному обслуговуванні прослужить не одне десятиліття.

У наші дні все частіше популярністю стали користуються так звані приватні сонячні установки. Стратегія такого бізнесу проста – заповзятливі люди не тільки використовують сонячну електрику без шкоди для власного бюджету, але і продають надлишки енергії державним структурам. Більше того, стати учасником цього специфічного ринку може практично кожен хто встановить фотоелектричні перетворювачі на даху будинку або на своїй земельній ділянці. При нинішніх цінах стандартна сонячна установка окупається за 8 років. Ту електричну енергію, яку було скинуто в загальну мережу, держава викупляє за «зеленим» тарифом, який значно перевищує діючі тарифи на звичайну електричну енергію. Таким чином, система є економічно вигідною для власника будинку. В Житомирській області тільки з жовтня 2015 року по грудень поточного року введено в експлуатацію 10 таких СЕС із загальною потужністю 68,8 кВт.

Наведу затверджені постановою Національною комісією, що здійснює державне регулювання у сферах енергетики та комунальних послуг (НКРЕКП) від 29.09.2016 №1678 та зареєстровану в Міністерстві юстиції України 21.10.2016 за №1374/29504 «зелені» тарифи на електричну енергію для приватних домогосподарств, які виробляють електричну енергію з енергії сонячного випромінювання об’єктами електроенергетики, що вмонтовані (встановлені) на дахах та/або фасадах приватних домогосподарств (будинків, будівель та споруд), величина встановленої потужності яких не перевищує 30кВт, та які введені в експлуатацію:

• з 01 квітня 2013 року по 31 грудня 2014 року – 1055,85 коп/кВт·год (без податку на додану вартість (тут та далі – без ПДВ));
• з 01 січня 2015 року по 30 червня 2015 року – 949,63 коп/кВт·год;
• з 01 липня 2015 року по 31 грудня 2015 року – 589,75 коп/кВт·год;
• з 01 січня 2016 року по 31 грудня 2016 року – 559,63 коп/кВт·год;
• з 01 січня 2017 року по 31 грудня 2019 року – 532,68 коп/кВт·год;
• з 01 січня 2020 року по 31 грудня 2024 року – 478,78 коп/кВт·год;
• з 01 січня 2025 року по 31 грудня 2029 року – 426,46 коп/кВт·год.

Щодо встановлення «зеленого» тарифу на електричну енергію для суб’єктів господарювання то вони затвердженні постановою НКРЕКП від 29.09.2016 №1677 із змінами та доповненнями, які внесені постановами від 06.10.2016 №1802, від 27.10.2016 №1879 та від 07.11.2016 №1952. При цьому, «зелений» тариф встановлений для кожного об’єкту суб’єкта господарювання окремо. Наприклад, на даний час, в нашій області готовиться до виходу на енергоринок черговий такий суб’єкт господарської діяльності, потужність сонячних установок якого сягне 19,6 кВт.

Отже, якщо ви вирішили встановити сонячні батареї тоді:

• врахуйте, що при виборі системи сонячних батарей, яка підійшла б для вашого будинку, існує декілька визначальних чинників. По-перше, це кліматичні характеристики місцевості, в якій розташовано житло. Від цього залежить тривалість сонячного освітлення над вашим будинком і батареєю, а, відповідно, і час накопичення сонячної енергії. Визначте, наскільки відповідна у вас місцевість для розташування сонячних батарей по карті освітленості. В цілому для будинку, де живе 3-4 людини (при споживаній потужності 200-300 кВт у місяць), площі сонячних батарей, скажімо, в 20 м2 у світлий час дня і світлу пору року може виявитися досить. Як правило, орієнтованої на південь ділянки даху для установки такої площі сонячної батареї вистачить. Якщо ж площа даху, орієнтованого на південь, сягає 40 м2, то це може при 18-20 сонячних днях дати до 500 кВт у місяць; 
• підрахуйте, яку кількість тепла, крім електроенергії, ви хочете отримати в результаті встановлення системи сонячних батарей. Батарея, здатна покрити від 40 до 80% потреб у теплі. 
• зверніть увагу на виробника сонячної батареї, а також на матеріал, з якого виготовлений фотоелектронний елемент модулів. Це може бути полікристалічний або монокристалічний кремній. Від цього залежить ціна, коефіцієнт корисної дії (далі – ККД), а також тривалість служби батареї. Монокристалічний кремній – матеріал, стійкий до різних агресивних дій, ККД батарей, виготовлених з нього, може збільшуватися до 20. 
• майте на увазі, що у продажу є мультикристалічні батареї, виготовлені з полікристалів, але названі так для того, щоб ввести покупця в оману. Прикладом використання полікристалічних елементів є садові ліхтарики, які в другий сезон експлуатації працюють значно менший термін, 4-5 годин максимум;
• зверніть увагу на структуру поверхні скла, на якому ламінуються фотоелементи. Гладке скло відбиває частину прямого сонячного випромінювання і велику частину розсіяного. Текстуроване, низько рефлекторне – збирає дифузійне випромінювання і не відбиває прямі сонячні промені. Потужність вхідного оптичного опромінення збільшується на 12-15%, завдяки чому підвищується ККД сонячних батарей, особливо в похмуру погоду, що важливо в наших кліматичних умовах. Загартоване скло на порядок підвищує надійність конструкції сонячних батарей. Ціна сонячних батарей на загартованому склі вища на 5-7%, але це виправдано міцністю і зниженням ваги при рівній товщині;
• врахуйте значну парусність сонячного модуля, не останню роль відіграє товщина і форма алюмінієвого профілю. На жаль, і тут деякі виробники намагаються заощадити. Профіль має бути з декількома ребрами жорсткості;
• важливе значення має робоча напруга. Вибираючи сонячні батареї на 24 або 48 вольт, ви прирікаєте себе на ретельний підбір однакових акумуляторів (далі – АКБ). Не можна підключати послідовно АКБ різних виробників, неоднакової місткості і дати випуску. Іншими словами, необхідно купувати АКБ попарно;
• важливе значення також має товщина фотоелектричних елементів. Значна товщина – забезпечить емісію електронів довічно, а ось товщина фольги тільки забезпечує дешевизну, до чого прагнуть китайські виробники. Зверніть увагу на структуру поверхні скла: якщо воно текстуроване, то потужність вхідного опромінення буде збільшена на 15%, завдяки цьому підвищиться і ККД сонячної батареї, особливо в похмуру пору року; 
• зверніть увагу, щоб система з сонячних батарей працювала і подавала енергію у мережу, потрібно встановити ряд додаткових електроприладів, зокрема: інвертор, що перетворює постійний струм у змінний; АКБ, яка повинна накопичувати енергію і згладжувати перепади напруги через зміну освітленості; контролер заряду акумулятора, який не дозволяє акумулятору перезарядитися або розрядитися завчасно. Усе це в комплексі називається автономною системою енергопостачання на основі сонячних батарей.

Крім цього, ефект від застосування сонячних фотоелектричних модулів у перерахованих напрямах і галузях підвищується, якщо використовуються більш економні споживачі енергії, спеціально розроблені для роботи з фотомодулями (лампи освітлення, холодильники, насоси, телевізори).

Розвиток технологій в області сонячної енергетики має привести до зниження витрат на створення елементів. Вже зараз з’являються скляні панелі, які можуть бути встановлені на вікнах. Розвиток нанотехнологій дозволило винайти фарбу, яка буде напилюється на сонячні батареї і зможе замінити кремнієвий шар. Якщо вартість сонячної енергії дійсно знизиться у декілька разів, її популярність також виросте багаторазово. А створення маленьких панелей для індивідуального застосування дозволить людям в будь-яких умовах використовувати сонячну енергію – в дома, в машині або навіть за містом. Завдяки їх поширенню знизиться навантаження на централізовані електромережі, оскільки люди зможуть самостійно зарядити дрібну електротехніку.

Звичайно, в одній статті неможливо викласти детально усі питання щодо сонячної енергетики. Без сумніву, це перспективний напрям, який буде й надалі розвиватися.