«Эффективность использования солнечных батарей в условиях климата г. Москвы»

XIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

«Эффективность использования солнечных батарей в условиях климата г. Москвы»

Родюков М.С. 1
1ГБОУ Школа № 1590 им. Героя Советского Союза В.В. Колесника
Гурий О.Ш. 1
1ГБОУ Школа № 1590 им. Героя Советского Союза В.В. Колесника
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

ВВЕДЕНИЕ

Прогресс не стоит на месте, каждый день создаются новые технологии, позволяющие менять жизнь к лучшему. Еще два десятилетия назад сложно было представить, что для обогрева и электрификации жилья можно будет использовать энергию солнца.Применение солнечных батарей в центральных регионах является актуальным вопросом в связи с тем, что такой альтернативный источник энергии (АИЭ) является одним из главных решений мировых проблем, затрагивающих вопросы экономики и экологии.

Важность перехода на АИЭ можно рассматривать в связи со следующими проблемами:

Глобально-экологическая. Сегодня общеизвестен и доказан факт пагубного влияния на окружающую среду традиционных энергодобывающих технологий (в т.ч. ядерных и термоядерных), их применение неизбежно ведет к катастрофическому изменению климата уже в первых десятилетиях XXI века.

Экономическая. Цены на альтернативную энергию снижаются, на традиционную - постоянно растут.

Социальная. Общеизвестны факты роста онкологических и других тяжелых заболеваний в районах расположения АЭС, крупных ГРЭС, предприятий топливно-энергетического комплекса.

Эволюционно-историческая. В связи с ограниченностью топливных ресурсов на Земле, а также экспоненциальным нарастанием катастрофических изменений в атмосфере и биосфере планеты существующая традиционная энергетика представляется тупиковой для эволюционного развития общества.

На основе данных проблем, нами была выдвинута следующая гипотеза: переход на альтернативные источники энергии, в первую очередь на солнечные батареи, экономически невыгодное предложение для населения Москвы и страны в целом. Из-за этого нет существенного спроса на данный источник энергии.

Цель работы заключается в определении рентабельности солнечных батарей посредством расчета срока окупаемости установки в центральном регионе России, а именно в г. Москве.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

Изучить теоретические сведения.

Произвести расчёт эффективности применения солнечных батарей в условиях климата г. Москвы, относительно среднестатистического потребителя электроэнергии.

На примере своей квартиры:

Произвести расчёт суммарной нагрузки потребления электричества.

Определить характеристики солнечной системы для обеспечения необходимой электроэнергией.

Произвести расчёт эффективности применения солнечных батарей.

Решение поставленных в работе задач осуществлялось на основе применения общенаучных методов исследования в рамках сравнительного, логического и статистического анализа. Кроме того, в работе используется теоретический анализ научной литературы.

Объектом исследования является процесс преобразования солнечной энергии посредством солнечной установки, её рентабельность и окупаемость.

Предметом исследования является солнечная установка, её характеристики.

Этапы выполнения работы:

I этап – изучение теоретических сведений.

II этап – расчётная работа по изучению эффективности применения солнечной энергии.

III этап – обобщение, систематизация и выводы исходя из полученных данных.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Глава 1. Теоретические сведения

§ 1. Потенциал солнечных технологий

Солнце является основным источником неисчерпаемой энергии (например, солнечной энергии) для планеты Земля. В настоящее время новые технологии используются для производства электроэнергии из собранной солнечной энергии. Эти подходы уже доказаны и широко практикуются во всем мире. Теоретически, солнечная энергия обладает потенциалом полного удовлетворения энергетических потребностей всего мира, если бы технологии её сбора и снабжения были легкодоступны. Около четырёх миллионов экзаджоулей (1 ЭДж = 1018 Дж) солнечной энергии ежегодно достигает Земли. Несмотря на этот огромный потенциал и повышение осведомленности, вклад солнечной энергии в глобальное энергоснабжение все ещё незначителен.

Ещё одна важная перспектива в отношении исследований солнечной энергии связана с нынешним стремлением к сокращению глобальных выбросов углерода, которые в последние годы являются одной из основных глобальных экологических, социальных и экономических проблем. Например, 696 544 тонн выбросов CO2 были сокращены или предотвращены путём установки 113 533 домашних солнечных систем в Калифорнии, США. Поэтому принятие солнечных технологий позволит значительно уменьшить и облегчить проблемы, связанные с энергетической безопасностью и изменением климата. Предполагается также, что его использование будет играть важную роль в транспортном секторе в будущем, поскольку он не требует транспортировки топлива [1].

Как мы мне стало известно, на Земле только три возобновляемых источника энергии (биомасса, геотермальная и солнечная энергия) могут быть использованы для получения электроэнергии. Из этих трех источников солнечная энергия обладает самым высоким глобальным потенциалом, поскольку геотермальные источники ограничены несколькими местоположениями, а поставки биомассы не являются повсеместными. Ряд факторов (например, широта, суточная изменчивость, климат и географическая изменчивость) в значительной степени ответственны за определение интенсивности солнечного притока, проходящего через атмосферу Земли. Среднее количество солнечной энергии, получаемой в атмосфере Земли составляет около 342 Вт м−2, из которых около 30% рассеивается или отражается обратно в космос, оставляя 70% (239 Вт м−2) для сбора энергии. Годовая эффективная солнечная освещенность варьируется от 60 до 250 Вт м−2 по всему миру. Параметр, который определяет облучение поверхности солнечным светом, называется инсоляция [2]. На рис. 1 изображена среднегодовая интенсивность солнечного излучения над поверхностью Земли.

Рисунок 1. Среднегодовое распределение солнечной радиации по поверхности Земли [3].

§ 2. Климат г. Москвы

Климат Москвы умеренно-континентальный — сильные морозы и палящий зной здесь бывают достаточно редко, и имеют небольшую продолжительность. Чаще всего морозы в холодный период года устанавливаются обычно на несколько дней (не больше 7-10 дней), а жара может длиться от 2-3 дней до 1,5 месяцев. Вместе с тем погода относительно неустойчива. Например, в декабре могут начаться длительные оттепели, а летняя жара неожиданно сменяться резким похолоданием с продолжительными дождями.

На климат города оказывает влияние географическое положение (в зоне умеренного климата в центре Восточно-Европейской равнины — что позволяет свободно распространяться волнам тепла и холода, отсутствие крупных водоемов, что способствует довольно большим колебаниям температуры), циркуляция атмосферы — влияние Гольфстрима, вызванное атлантическими и средиземноморскими циклонами, обеспечивающими относительно высокую температуру в зимний период по сравнению с другими населенными пунктами, расположенными восточнее на той же широте (Казань, Омск, Новосибирск и др.) и высокий уровень атмосферных осадков.

Данные максимальной и минимальной среднемесячной температуры по месяцам приведены в таблице 1.

Таблица 1. Максимальная и минимальная среднемесячная температура [4].

Месяц

Янв

Фев

Мар

Апр

Май

Июн

Июл

Авг

Сен

Окт

Ноя

Дек

Абс. максимум, °C

8,6

8,3

19,7

28,9

33,2

34,7

38,2

37,3

32,3

24

16,2

9,6

Абс. минимум, °C

-42,1

-38,2

-32,4

-21

-7,5

-2,3

1,3

-1,2

-8,5

-20,3

-32,8

-38,8

Одним из главных параметров для рентабельного использования солнечных батарей, является количество ясных дней. Согласно имеющимся данным, которые указаны в таблице 2, ясных дней в году 93, облачных дней 82, пасмурных дней 188.

Таблица 2. Число ясных, облачных и пасмурных дней при учёте нижней облачности [4].

Месяц

Янв

Фев

Мар

Апр

Май

Июн

Июл

Авг

Сен

Окт

Ноя

Дек

Год

Ясных дней

1

1

2

7

15

13

14

19

10

5

5

1

93

Облачных дней

3

3

6

8

8

11

11

7

8

7

6

4

82

Пасмурных дней

26

24

24

16

8

5

6

5

11

18

19

26

188

§ 3. Значение солнечной инсоляции в г. Москве

Солнечная инсоляция, как мы говорили раннее, это величина, определяющая количество облучения поверхности пучком солнечных лучей (даже отраженных или рассеянных облаками). Под поверхностью может пониматься и солнечная панель, при расчетах выработки которой используется величина солнечной инсоляции.

Московская область, как и все другие регионы, также подвержена солнечной инсоляции, которую мы смогли найти благодаря сервису «POWER Data Access Viewer» Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) (Круглосуточно спутники NASA следят за деятельностью солнца и заносят полученную информацию в таблицы). Для точного нахождения инсоляции относительно г. Москвы, мы использовали географические координаты (Широта: 55° 45' северной широты; Долгота: 37° 37' восточной долготы). Получившиеся результаты мы представили в таблице 3, в которой, помимо инсоляции, приводится оптимальный угол наклона солнечных панелей относительно поверхности земли.

Таблица 3. Значение солнечной инсоляции и оптимального угла наклона солнечной панели в г. Москве [5].

 

Инсоляция, кВт*ч/м2

Оптимальный угол наклона, °

Январь

1,64

72

Февраль

2,67

63

Март

3,77

50

Апрель

4,38

34

Май

5,67

20

Июнь

5,55

11

Июль

5,51

17

Август

4,79

29

Сентябрь

3,35

43

Октябрь

2,36

58

Ноябрь

1,66

69

Декабрь

1,40

75

Среднее за год

3,57

45

Вывод по главе 1:

Исходя из полученных нами сведений, климат г. Москвы является потенциально возможной зоной для установки солнечных панелей. Этому свидетельствуют 93 ясных дня и 82 облачных дней в году, а также показатели инсоляции, которые составляют 3,57 кВт*ч/м2. Для получения точных выводов нам необходимо произвести расчёты, которые бы учитывали стоимость самой установки и её окупаемость относительно стоимости электроэнергии.

Глава 2. Расчётная работа по изучению эффективности применения солнечной энергии

§ 1. Расчет эффективности применения солнечных батарей в условиях климата г. Москвы, относительно среднестатистического потребителя электроэнергии

Благодаря совершенствованию технологий производства солнечных панелей в условиях современной конкуренции цены на них снижаются. Это способствует росту их популярности. Снижение стоимости и экологичность являются главными достоинствами системы. Поскольку система полностью автономна, затраты осуществляются только на оборудование и эксплуатацию.

В современное время на смену первым кремниевым солнечным батареям приходят усовершенствованные системы, которые являются более технологически сложными, но при этом более эффективными. Полимерные материалы, фотоэлементы и другие инновационные решения вошли в основу данных конструкций. Следует отметить, что такие батареи не используют природное топливо и работают исключительно на внутренних ресурсах. Механический износ незначителен, средний срок службы составляет около двадцати пяти лет, поэтому долговечность следует отнести также в список их преимуществ [6].

В первую очередь, у потребителя возникает вопрос об окупаемости собственной солнечной электростанции. Однако, для покупки и монтажа батарей требуются значительные денежные затраты. Именно поэтому появляется интерес к сроку, после которого можно будет получать видимую экономию. По статистике реальный средний срок окупаемости батарей в государствах с низким уровнем инсоляции – от 5-ти до 10-ти лет, с высоким уровнем возврат инвестиций может сократиться до 2,5-3 лет.

Следует отметить, что полагаться только на эти данные без предварительных расчетов нецелесообразно. Помимо параметров, способствующих определению срока окупаемости всей системы солнечных батарей, таких как выбор производителя, типа материалов, способа монтажа, географических и климатических условий местности, существуют дополнительные факторы, необходимые для расчета:

- Инфляция, учитывающая ежегодное увеличение тарифа на электроэнергию (по статистике прошлых лет варьируется в пределах от 4 до 13% в год);

- Повышение цен на электроэнергию влияет на количество сэкономленных на счетах денег: чем выше стоимость электроэнергии, тем больше экономия;

- Цена на само оборудование и его устройство в валюте постепенно снижается, в рублях - растет. То есть люди, купившие солнечные панели уже в 2015 годах предохранили свои сбережения от падения курса рубля, тем самым сократив окупаемость установки;

Определяющим фактором каждой солнечной установки является мощность. Чем больше мощность системы, тем выше ее функциональность. Тем больше запросов она может удовлетворить, тем больше потребителей электричества к ней можно подключить.

Рассмотрим систему средней мощности, вырабатывающую в месяц от 400 до 800 кВт электроэнергии. Для нее потребуется 8-10 солнечных панелей, инвертор мощностью 3 кВт, генерирующий на выходе переменный ток от 20 до 24 аккумуляторов емкостью по 150 ампер-часов.

Система этой солнечной установки предназначена не только для освещения, зарядки телефона, планшета, ноутбука или радиоприемника, а также для различных бытовых приборов, телевизоров, микроволновой печи, электрочайника и других электроприборов средней мощности. Стоимость такого оборудования составляет от 250000 до 450000 тысяч рублей.

Произведем расчет срока окупаемости солнечных батарей средней мощности по формуле:

, (1)

где N – срок окупаемости, год;

POb – стоимость оборудования, равная в среднем 320 000 руб.;

I – стоимость электроэнергии за год, руб..

Стоимость электроэнергии определяется по формуле:

I = 5,66 ∙ [nсол EKпот + (364 - nсол) ∙ EKпасм], (2) [9]

где nсол – количество солнечных дней в году в г. Москве (93 ясных дней + (82 облачных дней)/2);

E – средняя выработка энергии солнечными батареями в солнечный день в сутки, кВт∙ч;

Kпот = 0,9 – коэффициент, учитывающий теплопотери установки [7];

Kпасм = 0,45 – коэффициент, учитывающий выработку энергии в пасмурные дни [7];

5,66 – тариф на электроэнергию (для квартир с газовыми плитами) в г. Москве, руб. за кВт ∙ ч (на начало 2021 г.) [8];

По формуле (2) находим стоимость выработанной электроэнергии:

I = 5,66 ∙ [134∙ 35 ∙ 0,9+ (364 - 134) ∙ 35 ∙ 0,45] = 44 394 руб.

Полученная стоимость электроэнергии является доходом от затрат, которые были бы направлены на оплату электроэнергии традиционным способом.

По формуле (1) вычисляем срок окупаемости солнечной установки:

Окончательный результат нужно принимать только в совокупности со всеми факторами, описанными выше. Исходя из вычислений можно предположить, что примерный срок окупаемости солнечной электростанции составит 7,2 лет.

Благодаря данным расчётам, мы можем сделать следующие выводы:

На начальном этапе внедрение солнечных батарей подразумевает существенное вложение денежных средств. Однако, ввиду окупаемости проекта и ряда других достоинств, жилье с такой системой имеет инвестиционную выгоду.

Главным фактором, помимо экономии, является борьба с загрязнением окружающей среды и с глобальным потеплением, именно за счет того, что уменьшается потребление энергии от традиционных, экологически грязных источников электроэнергии.

§ 2. Расчёт суммарной нагрузки потребления электричества на примере своей квартиры

Прежде чем установить солнечные батареи, необходимо произвести расчёт потребления электричества, поскольку малейшее отклонение в любую сторону приводит к изменению материальных затрат на порядок. Последующие расчёты будут основываться на потреблении электроэнергии мной и моей семьёй, посредством эксплуатации электроприборов.

Хотелось бы заметить, что от процедуры данного расчета – формируется осознанное четкое понимание порядка эксплуатации будущей солнечной электростанции. Понимание это сводится к одному: как сохранить каждый Ватт*час добытой энергии.

Первый этап расчета начинается с составления перечня всех приборов и устройств, которые эксплуатируются. Для начала был составлен перечень без учёта количественных и качественных характеристик. В этот список вошли следующие приборы: утюг, телевизор, сплит-система, микроволновая печь, духовой шкаф, кухонная вытяжка, холодильник, стиральная машина, чайник, посудомоечная машина, тостер, фен, ноутбук, лампа накаливания, зарядное устройство, пылесос.

Следующим этапом было выяснение потребляемой мощности каждого из приборов. Это было сделано исходя из характеристик, указанных в паспорте прибора, а также на бирке самих приборов. После этого было вычислено среднее потребление общего времени работы данных приборов в течение суток. На основе уже имеющихся данных была составлена таблица 4. Необходимо отметить, что такое устройство как сплит-система используется исключительно в летний период. Таблица 4 показывает пиковую потребляемость, приходящуюся на летний сезон.

Таблица 4. Количественные и качественные характеристики эксплуатирующихся электрических приборов в течение суток.

Наименование

Мощность, Вт

Кол-во, шт.

Время, час

Утюг

2000

1

0,166

Телевизор

210

1

2

Телевизор (кухня)

55

1

0,5

Сплит-система

1100

3

5

Микроволновая печь

800

1

0,166

Духовой шкаф

3100

1

0,2

Кухонная вытяжка

230

1

2

Холодильник

170

1

24

Стиральная машина

1700

1

1,5

Чайник

2000

1

0,333

Посудомоечная машина

2000

1

6

Тостер

900

1

0,25

Фен

1600

1

0,166

Ноутбук

400

1

0,066

Зарядное устройство

5

5

4

Пылесос

2000

1

0,233

Светодиодная лампа

7

78

4

Следует пояснить результаты, рассчитанные в последнем столбце. К примеру, если мы используем духовой шкаф всего 1,5 часа в неделю, то в месяц общее время составит 4 x 1,5 = 6 часов, т.е. в сутки 6 : 30 = 0,2. Аналогично и для ноутбука.

Из уже имеющихся данных, указанных в таблице 4. Мы можем вычислить сколько каждый из приборов потребляет электроэнергии в сутки. Для этого мы умножаем мощность прибора на его кол-во, а также на время его работы. Проведя расчёты, мы получили следующие данные (таблица 5).

Таблица 5. Общее потребление электроэнергии каждым из приборов в течение суток.

Наименование

Вт*ч/сутки

Утюг

332

Телевизор

420

Телевизор (кухня)

27,5

Сплит-система

16 500

Микроволновая печь

132,8

Духовой шкаф

620

Кухонная вытяжка

460

Холодильник

4080

Стиральная машина

2550

Чайник

666

Посудомоечная машина

12 000

Тостер

225

Фен

265,6

Ноутбук

26,4

Зарядное устройство

100

Пылесос

466

Светодиодная лампа

2184

Для заключительного подсчета суточного потребления, необходимо сложить получившиеся данные таблицы 5 исходя из следующей формулы:

, (3)

где S – суммарное суточное потребление электроэнергии всеми приборами, Вт*сутки;

x – суточное потребление электроэнергии одним из приборов, Вт*сутки.

S=332+420+27,5+16 500+132,8+620+460+4080+2550+666+12 000+225+265,6+26,4+100+466+2184 = 41 055,3 Вт*ч/сутки = 41,06 кВт*ч/сутки.

В зимний период суммарное суточное потребление электроэнергии снизится до 24,5 кВт*ч/сутки из-за неиспользования сплит-систем.

После проведённых подсчётов, можно приступить к расчёту стоимости солнечной электростанции. На данный момент мы имеем величину суточного потребления в размере 41,06 КВт*ч / сутки, от которой мы и будем «отталкиваться».

§ 3. Определение требуемого количества энергии в сутки

Для определения требуемого количества энергии в сутки нам необходимо вычисленное нами значение суточного потребления – 41 055,3 Вт*ч/сутки разделить на напряжение системы – 12 В. Выбранное напряжение системы, равное 12 В, было выбрано для того, чтобы снизить токи в цепях, а следовательно, иметь возможность использовать провод меньшего сечения, т.е. более дешёвый. В результате математических расчётов получаем следующий результат, равный 3421 А*ч/сутки.

Для нашей системы мы также учли, что инвертор (устройство для преобразования постоянного тока в переменный), который нам в дальнейшем нужно будет установить, сам потребляет часть энергии на собственные нужды. Исходя из этого, мы должны предусмотреть запас энергии и для него. Для этого полученный результат 3421 А*ч/сутки мы умножим на коэффициент 1,2 и получим 4105,5 А*ч/сутки.

Таким образом мы вычислили суточную величину энергии необходимой для обеспечения электроснабжения наших устройств. И она составила 4105,5 А*ч/сутки.

§ 4. Определение характеристик фотоэлектрических модулей

Для того, чтобы правильно подобрать необходимую солнечную установку, нужно знать характеристики фотоэлектрических модулей, а именно: мощность, напряжение, ток. Нельзя также не обратить внимание и на такие параметры, как габариты, конструктивное исполнение, вес, т.к. это важные характеристики, тем более для многоквартирного дома, как в нашем случае.

1. Напряжение. От выбора величины напряжения будет зависеть выбор контроллера заряда батарей, выбор напряжения аккумуляторов и, соответственно, схема их соединения. Как мы говорили раннее, нами было выбрано напряжение в 12 В.

2. Мощность и ток. Общую мощность мы набираем из тех модулей, напряжение которых соответствует выбранному ранее для системы. Путем соединения их либо параллельно, если напряжение каждого из них равно выбранному, либо последовательно, в случае, когда напряжение каждого из них меньше выбранного. Последовательно-параллельно, чтобы обеспечить суммарную мощность при обеспечении выбранного напряжения системы.

3. Габариты и вес. Помня о том, что каждое дополнительное электрическое соединение в системе повышает вероятность отказа, мы понимаем, что единый модуль, соответствующий требуемым мощности и напряжению, был бы отличным вариантом в нашем случае.

4. Конструктивное исполнение. Конструктивное исполнение тоже играет немаловажную роль как в плане эксплуатационных характеристик, так и с финансовой точки зрения. Нами было принято решение рассматривать бескаркасные модули, которые будут стоить значительно дешевле, по сравнению с каркасными аналогами.

Рассмотрев имеющиеся предложения на рынке солнечных батарей и приняв в расчёт вышеизложенные характеристики, нами была выбрана солнечная батарея, имеющая следующие параметры: номинальная мощность 200 Вт; номинальное напряжение 12 В; количество элементов 72 шт.; габаритные размеры (ДхШ, м) 1,355х0,992; вес 12 кг.

§ 5. Определение характеристик солнечной системы для обеспечения необходимой электроэнергии

Солнечная система состоит из основных 4 компонентов:

Аккумуляторов;

Контролера заряда;

Солнечных батарей;

Инвертора.

Благодаря онлайн-расчёту компании Helios House, мы получили оптимальные характеристики солнечной системы относительно г. Москвы, которые приведены в таблице 6. Представленные характеристики необходимы для обеспечения затрат на электроэнергию исходя из вышеизложенных расчётов: 41,06 кВт*ч/сутки летом и 24,5 кВт*ч/сутки зимой.

Хотелось бы отметить, что, с помощью данного сервиса, мы построили график зависимости количества вырабатываемой энергии солнечными батареями относительно месячной активности солнца, который приведён на рисунке 2.

Таблица 6. Оптимальные характеристики солнечной системы для обеспечения потребляемой электроэнергии рассчитанные с помощью онлайн-расчёта компании Helios House [11].

Наименование

 

Кол-во солнечных панелей (200W), шт

100

Общая площадь солнечных панелей с учётом её габаритов, м2

128

Зенитный угол, °

15°

Азимут, °

180°

Емкость аккумуляторов, Ач

600

Напряжение аккумуляторов, В

12

Время автономной работы, ч

летом

3

зимой

5

Рисунок 2. Выработка солнечных батарей [11].

Анализируя график представленный на рис.2, можно сделать следующий вывод: с ростом продолжительности солнечной активности, многократно возрастает выработка энергии. Можно сделать и другой вывод, с середины февраля до середины сентября будет наблюдаться перевыработка энергии, которая может компенсировать её недостаток с середины сентября до середины февраля благодаря накопительным аккумуляторам.

§ 6. Экономический расчёт солнечной системы

Цены на солнечные батареи и оборудование сейчас достаточно разнятся, одна и та же продукция может по цене в разы отличаться у разных продавцов. В качестве отправной точки были взяты цены из магазина AmperShop [12].

Ранее нами уже была выбрана солнечная батарея DELTA BST 200-12P, характеристики которой описаны выше. Её стоимость на начало 2021 г. составляет 9000 рублей. Исходя из таблицы 5, в которой представлены данные для покрытия расходов на электроэнергию, нам необходимо иметь 100 батарей по 200 Вт. Стоимость всех солнечных панелей, относительно выбранной модели, будет равна 900 000 рублей.

Для компенсирования электроэнергии с середины октября до середины марта, а также в ночной период, нам необходимы аккумуляторы общей емкостью 600 Ач. Наш выбор был сделан в сторону аккумулятора MNB Battery MM200-12, ёмкостью 200 Ач и стоимостью 29 000 рублей. Для полноценного энергообеспечения необходимо 3 таких аккумулятора. Их стоимость составила 87 000 рублей.

Для преобразования постоянного тока от солнечных панелей в переменный, используется сетевой солнечный инвертор. Мы выбрали инвертор компании Growatt New Energy Technology Co, модель GROWATT 1500-S. Его стоимость равна 35 700 рублей. Данный инвертор подходит нашей системе по своим характеристикам: максимальная входная мощность от солнечных панелей 1900 Вт, номинальная мощность 1600 Вт, номинальный выходной ток 7,8.

Последний компонент, который нам необходим, это контроллер заряда. Исходя из наших характеристик, мы выбрали контроллер Epsolar LS 2024B, стоимостью 3100 рублей. Отличительной особенностью является наличие функции автоматического включения освещения в темное время суток и таймера выключения. Поэтому они также могут быть использованы в автономных системах освещения. Модель отличает наличие 2-х таймеров - одного на выключение освещения через определенное количество часов после заката, другой - на выключение перед рассветом.

Безусловно, для монтажа и установки данного оборудования потребуются расходные материалы, кабели и др.. Но так как мы не можем на данном этапе теоретически оценить затраты на данные операции, учитывать их мы не будем.

Также хотелось бы заметить, что расчёт ведётся для обеспечения электроэнергией квартиры. Исходя из этого, мы предполагаем установку панелей на крыше многоквартирного дома, которая соответствовала бы габаритам всех панелей.

Общая стоимость автономной солнечной электростанции способной круглогодично обеспечить мою семью электроэнергией обошлась нам в 1 025 800 рублей на начало 2021 года. Это на порядок отличается от средней стоимости оборудования для солнечной системы, предложенного раннее (§ 1). Но данный факт говорит нам только о том, что расчёты велись исключительно исходя из среднего потребления электроэнергии. В моей семье потребление значительно выше, тем более в летний период с использованием энергозатратных сплит-систем.

По формуле (1) вычисляем срок окупаемости солнечной установки относительно среднемесячного потребления моей семьёй, которое составляет 32,78 кВт*ч/сутки (41,06 кВт*ч/сутки летом и 24,5 кВт*ч/сутки зимой):

Исходя из вычислений можно предположить, что примерный срок окупаемости солнечной электростанции для моего дома составит 15,2 лет.

Исходя из полученных данных, можно сделать следующие выводы:

Инвестирование в данную установку на начальном этапе подразумевает существенное вложение денежных средств и, вероятно, не будет являться экономически целесообразным решением, т.к. в течении 15,2 лет вероятность поломки достаточно высока (например, средний срок службы аккумуляторов – 9 лет).

Чем выше потребление электроэнергии, тем выше стоимость солнечной установки и тем дольше её окупаемость.

Вывод по главе 2:

Согласно расчётам, моя семья не является среднестатистическим потребителем электроэнергии. Этому свидетельствуют расчёты по двум разным методикам, которые показывают расхождение в 52,6 %.

Согласно рисунку 2, выработка электроэнергии с февраля по сентябрь будет значительно превышать потребление. Например, пиковая выработка энергии в июне будет превышать потребление на 62,6 %. Однако, если уменьшить количество солнечных батарей, в зимний период будет наблюдаться недостача электроэнергии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Один из самых перспективных вариантов развития экологически чистой энергии – солнечная. Несмотря на это, популярность использования такой установки крайне невысока по сравнению с традиционными видами энергообеспечения (ТЭС, АЭС, ГЭС).

Проделав вышеописанную работу, мы, с наибольшей долей вероятности, подтвердили свою гипотезу, которая говорит о том, что переход на альтернативные источники энергии (АИЭ), на данный момент времени, является экономически не целесообразной моделью. Этот факт подтверждает продолжительную окупаемость, связанную с большими начальными капиталовложениями.

Исходя из расчёта эффективности применения солнечных батарей в условиях климата г. Москвы, относительно среднестатистического потребителя электроэнергии и относительно энергопотребления моей семьи, мы пришли к следующему выводу: с ростом энергопотребления, стоимость установки возрастает не пропорционально, а параболически.

На данном этапе технического развития солнечных батарей, наиболее рентабельным их использование окажется у тех потребителей, которые потребляют от 400 до 800 кВт электроэнергии в месяц, что соответствует среднемесячному потреблению. Их срок окупаемости приблизительно составит 7,2 лет.

Хотелось бы отметить, что данные расчёты проводились с учётом климата г. Москвы, где уровень инсоляции и количество солнечных дней довольно мало, относительно других регионов страны. Тем самым, срок окупаемости солнечной установки с Юга на Север будет увеличиваться. Подтверждение этому мы видим на среднегодовом распределении солнечной радиации по поверхности Земли, представленной на рисунке 1, а также собственным расчётом по уже известной нам методике. Так, если бы моя семья жила в г. Краснодар, срок окупаемости составил бы 8,77 лет. Другая ситуация наблюдается в г. Иркутск, в котором данный срок будет равен 49 лет, хотя количество солнечных дней и уровень солнечной инсоляции схож с климатом г. Краснодар. Прежде всего получившееся значение объясняется тарифной ставкой за электроэнергию. В г. Иркутске она одна из самых низких по стране и составляет 1,24 рубля за 1 кВт ∙ ч. Исходя из этого можно сделать вывод, что на срок окупаемости существенно влияет тарифная ставка за электроэнергию.

Безусловно, потенциал солнечной энергии велик, но, чтобы использовать его по максимуму, требуется значительная доработка и удешевление оборудования, которое преобразует солнечную энергию в электрическую. Переход на данным тип АИЭ позволил бы устранить многочисленные проблемы, которые были указаны нами выше.

При разработке данного проекта, мы выяснили, что солнечные панели отражают от своей поверхности около 30 % солнечного света. Характеристика отражательной способности поверхности, называется альбедо. У каждой планеты солнечной системы существует естественная отражательная способность (у Земли данный параметр составляет 0,367). По мере его повышения или понижения климат планеты значительно изменяется.

На основе этих данных, мы выдвинули следующую гипотезу: с повышением использования солнечных панелей, а в итоге с полным переходом на данный тип добычи электроэнергии, поверхность Земли начнёт в значительной степени больше отражать солнечные лучи, что приведёт к понижению температуры и, вследствие этого, изменению климата на всей планете. Данный вопрос будет рассмотрен нами, как дальнейшая перспектива развития нашего исследования.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ И ИНТЕРНЕТ-ИСТОЧНИКОВ

Мак-Вейг Д. Применение солнечной энергии // Москва: Энергоиздат, 1981. - 216 с.

Германович В., Турилин А. Альтернативные источники энергии и энергосбережение: практические конструкции по использованию энергии ветра, солнца, земли, воды, биомассы // Санкт-Петербург: Наука и Техника, 2014. – 320 с.

Loster M. Total Primary Energy Supply — From Sunlight, 2010. URL: www.ez2c.de/ml/solar_land_area/ (Дата обращения: 03.01.2021 г.)

Справочно-информационный портал "Погода и климат" URL: www.pogodaiklimat.ru/climate/34927.htm (Дата обращения: 03.01.2020 г.)

POWER Data Access Viewer (NASA) URL: power.larc.nasa.gov/data-access-viewer/ (Датаобращения: 05.01.2021 г.)

Левищева Д.Ю. Солнечные батареи как прогрессирующий источник электроэнергии // Стерлитамак: АМИ, 2017. – 150-152 c.

ГОСТ Р 56978 — 2016 Батареи фотоэлектрические. Технические условия // Москва: Стандартинформ, 2016. – 77 с.

МосЭнергоСбыт. Тарифы в Москве для квартир и домов с газовыми плитами URL: https://mosenergosbyt.info/tarify/ (Дата обращения: 06.01.2021 г.)

Смирнова О.М., Левищева Д.Ю. Расчёт эффективности применения солнечных батарей в условиях климата краснодарского края // Санкт-Петербург: Современная наука, 2018. – 126-128 с.

Харченко Н.В. Индивидуальные солнечные установки // Москва: Энергоатомиздат, 1991. – 208 с.

Helios House: saving energy, money and planet URL: www.helios-house.ru/on-line-kalkulyator.html (Датаобращения: 04.01.2021 г.)

Магазин электротехнических решений Amper Shop URL: amper-shop.ru (Дата обращения: 04.01.2021 г.)

Магазин гибридных систем энергоснабжения РАэнерго URL: ra-energo.ru/xantrexxw6048/ (Дата обращения: 05.01.2021 г.)

Просмотров работы: 93