Арканя (arky_titan) wrote,
Арканя
arky_titan

Расчёт солнечной фотоэлектрической системы для Санкт-Петербурга

Мой предыдущий пост о моей о системе солнечных панелей вызвал значительный скепсис по поводу эффективности работы системы солнечных панелей в России. И Санкт-Петербург здесь оказался одним из самых популярных примернов того, где система работать не будет, или будет работать плохо или никогда не окупится или, даже хуже, не вернёт вложенную в её изготовление энергию. Потому что туман, потому что нет солнечных дней.

Мне стало любопытно, и я воспользовался инструментом для рассчёта солнечных панлей. К счастью база данных по солнечному излучению и температуре воздуха для Санкт-Петербурга имеется обширная, даже гадать не надо. Итак, для примера рассчёта я взял систему аналогичною моей собственной: 22 панели с номиналом 450 Вт, бренд Canadian Solar, модель Hiku-450P. Это конечно самый топчик ("премиум" панели), только что выпустили линейк, поликристаллические панели размером 2.1 на 1.05 метра и площадью панели 2.2 м². С впечатляющим КПД в 20.4% на номинальной температуре панели 42°С. Инвертор Sungrow 8 кВт.

Как только я накоплю больше экспериментальных данных, я хочу провести кейс стади и изучить их фактический КПД и КПД всей системы и выход полезной энергии. Конечно в плане EPBT (время возврата энергии), чем выше эффективность панелей, тем он короче, т.к. основной элемент в расходе энергии в создании солнечной установки это конечно её производство и он не слишком зависит от того, какая у панели эффектвность - так что чем больше панель может собрать энергии, тем более эффективно она себя окупает. К этому вопросу я вернусь позже, а сейчас к деталям рассчёта.

Массив панелей я поставил с ориентацией на север, а угол наклона выбрал опытным путём, следя за максимизацией общейго выхода энергии. Угол получился 40°. Вообще, если говорить про установку солнечных панелей, "правило большого пальца" здесь такое - оптимальный угол примерно равен широте, на которой устанвливается фиксированный массив. У Питера широта почти 60°, и эту величину я использовал как первое приближение, но потом остановился на сорока градусах. Вообще чтобы поддтянуть вверх производство энергии в критический месяц, которым ожидаемо оказался декабрь (и прямо следом за ним ноябрь и январь), можно был установить массив под углом 50%, это подняло бы производтво энергии в эти три месяца на 15-20%, но привело к бы к падению общего производства энергии за год на 5% и я решил оставить на максимуме годовую выработку.

Тем более, что зимой низкая температура воздуха помогает поднять производительность - температурный коэффициент мощности этих панелей -0.37%/°С. Так что зимой, если снег с панелей регулярно счищается, при средней температуре этих месяцев примерно -10°С, разница с номинальной рабочей температурой составляет 52 градуса и это означает, что на холоде выход энергии при равном освещении должен подняться примерно на 20%. И здесь у меня возникла дилемма, дело в том, то панели типа "стандарт" имеют температурный коэффициенты типа -0.45-0.50%/°С (в жарком климате этот эффект сильно срезает производительность на пике, т.к. панели на крышах могут разогреваться до ~85°С) и КПД что-то типа 15-17%, так что может так статься, что более дешёвые и низкопроизводительные в жарком солнечном климате панели могут использоваться в ситуациях, когда нужно поднять производительность системы в холодные и скудные на солнечное излучение месяцы.

По работе моей системы влияние температуры на выход энергии с панелей очень заметен - в холодные и/или ветренные солнечные дни производство выше, чем в жаркие и безветренные. В последнем случае выход иногда не дотягивает даже до номинала инвертора в 8 кВт при при мощности массива в 9.9 кВт. В первом в один из ясных втренных дней система просидела на номинале около 3 часов за вычетом редких туч.

Но вернусь к рассмотрению модельной установки. Общая площадь массива 48 квадратных метров, конечно для того чтобы класть панели плоско на крышу, она должна быть сильно покатая - если ставить на уголки, придётся естественно уменьшить плотность покрытия, чтобы панели друг друга не затеняли. Но коньковая крутая крыша (при правильной ориентации дома, которую опять же желательно заранее спланировать) для этого вполне хорошо подходит. Кроме этого крутой угол позволяет обеспечить само-очищение панелей от снега. В целом зависимость от угла не такая уж убийственная и ради практических соображений можно пожертвовать некоторой продуктивностью. Но как бы там ни было, при оптимальном угле наклона среднегодовая инсоляция в плоскости массива составляет 2.96 кВт·ч/м²/день. Для сравнения на Голд Косте этот показатель находится на уровне 5.5-5.7 кВт·ч/м²/день в зависимости от того, по какому параметру оптимзировать. В Лондоне 3.1 кВт·ч/м²/день. Зависимость инсоляции в плоскости массива от угла его наклона для Питера представлена ниже:



Мощность потока солнечной энергии на единицу поверхности земли и в плоскости массива с углом наклона в 40° показана ниже.



В рассчёт заложены щедрые потери на разнообразные параметры типа загрязнения, потери в кабелях и тому подобное, в общей сложности это 14.1%, потери в инверторе 4% - вполне себе стандартный коэффициент конвертации постоянки в переменку 1.2. То есть если у вас инвертор имеет пиковый номинал 5 кВт, фиксированную систему панелей надо ставить с рейтингом в 6-6.5 кВт. Но конечно фактический пиковый рейтинг вашей системы определяется номиналом инвертора. Если недобрать панелей, неоптимально будет вырабатывать инвертор, если перебрать панелей - опять же они на крыше будут попусту торчать, созадавать нагрузку, занимать место и стариться впустую.

Выработка энергии по месяцам представлен на графике ниже. С практической точки зрения нас обычно интересует выход по переменному току.



Дневная выработка по месяцам на следующем графике.



Общая выработка за год 11,838 кВт·ч, это соответствует мощность на единицу площади массива 28 Вт/м² —(что очень даже неплохо!) и коэффициенту мощности (capacity factor) в 10%. Для купающегося в солнечном излучении жаркого Юго-Восточного Квинслнеда, где я живу, этот показатель для такой же системы находится на уровне 18-20% в среднем за год. Когда у меня будет статистика за год, я конечно же сравню с теоретическими предскзаниями, но примеров таких систем дофига и все они работают примерно с аналогичным коэффициентом мощности.

Понятно, что это неочевидно, но промозглый туманный Санкт-Петербург получает не так уж и мало солнечной энергии. И даже в критические месяцы система производит по 4, 5 и 6 кВт·ч в день. Конечно какой-то внятной мощности вытянуть не получится, но в принципе вполне себе достаточно для освещения и бытовой электроники. В остальные месяцы уже можно говорить о значительной степени энергонезависимости - с февраля по конец октября дневная выработка энергии сидит выше 20 кВт·ч. А уже в весенние и летние месяцы производит не хуже, чем в Австралии.

Что касается окупаемости, тут вопрос конечно более тонкий. Самое важное, чего я здесь не знаю, можно ли в России получить тариф на экспорт энергии, хотя бы на уровне 50% от тарифа на потребление. Если это один к одному (счётчик "крутится" в обратную сторону) это было бы вообще замечательно. Как бы там ни было, это большой и важный вопрос для владельцев бытовых солнечных панелей и правительство конечно должно обратить на него внимание. Забесплатно отправлять энергию обратно в сеть скучно. Особенно в ситуации, когда мы находимся в ситуации резко-континентального климата и разброс в производтсве энергии по году огромный, хотелось бы иметь в критические месяцы какие-то кредиты за производство избытка в летние.

Теперь слегка сферический (в экономическом смысле) конь в вакууме.
В целом если считать по тарифу в 5 рублей за кВт·ч, система нарабатывает за год эквивалент 59,190 рублей.
Если предположить собственное потребление на уровне 450 кВт·ч в среднем в месяц потребление обходится в 27,000 рублей.

Если предположить среднюю степень автономности в 50%, тогда мы в год не платим 13,500 рублей, потребив из своего производства 2700 кВт·ч
Если оставшуюся часть энергии сеть (или соседи) готова купить за 2 рубля (это называется feed-in tariff и это типовое нельготное соотношение), мы получаем в виде прибыли за производство 9,138 кВт·ч умножить на 2 рубля за кВт·ч, это получается 18,276 рублей излишка. Соответсвенно если купить оставшуюся половину потребления у сети за те же 5 рублей за киловатт-час, нужно вычесть из этого излика ещё 13,500 рублей.
Итого, остаток за год система вам генерирует 4,776 рублей. В Австралии тарифы понемножку снижаются, но пока что вот эти излишки даже не облагаются налогом на доходы, это считается категория "хобби".

Что в плане простой окупаемости. Полная цена этой системы (всё железо) без льготных скидок/налоговых возвратов в пересчёте на рубли 530,000 рублей. Установка в наших тургриках стоит 3000 австралодолларов, но если посмотреть на заработки рабочего класса в Австралии и России, то конечно в России установка обойдётся не больше 1500 баксов, или примерно 80,000 рублей. Итого, капитальные расходы 610,000 рублей.

Простой экономический анализ (SPBT) говорит нам о том, что общая годовая финасовая выгода от системы это 27,000 рублей + 4,776 рублей = 31,776 рублей в год.

Делим капитальные расходы на годовую выручку и экономию, получаем 19 лет. Без катастрофических ситуаций, система живёт минимум 25 лет, причём её экспулатационый диапазон температур от -40°С до ~+85°C, холода она не боится и может быть даже немного любит, т.к. в холод лучше охлаждение и выше удельная мощность. Но тут надо иметь ввиду, что лет через 12-13 надо будет скорее всего заменить инвертор, так что мы вероятно где-то снова приходим к нулю за срок службы следующего инвертора.

Дело явно не глубоко убыточное, но не такое уже оглушительно классное, как в Австралии, где энергия в 3 раза дороже, а солнца больше почти в два раза. Тут сразу становится понятно, почему в Австралии такие системы окупаются за несколько лет, даже при том, что изначально щедрые тарифы на экспорт местные энергетические компании стали зажимать и снижать всё ниже и ниже - увы, закон им этого не запрещает. Солнечная энергия стала в экономическом смысле кусаться всё больнее и больнее и они естественно защищаются.

Если с помощью умного потребления энергии добиться бОльшей степени автономности, а правительство будет хоть как-то стимулировать новых пользователей: скажем давать feed-in tariff 1 к 1 и/или стимулировать разными налоговыми вычетами, то естественно можем ожидать окупаемости системы в пределах 10-12 лет. Для бытовых систем тариф на экспорт это ключевой момент, даже важнее чем разные стимулы. Без тарифа на экспорт - труба. Если сейчас у вас его нет, то тогда с окупаемостью глухо. Дарить энергию в сеть и потом покупать из неё обратно по 5 рублей за киловатт-час это и очень очень обидно.

Батареи здесь вообще не выручают, они слишком дороги даже для австралийского рынка и едва позволяют добиться самооокупаемости к моменту выхода из строя. Батареи надо исопльзовать либо как небольшой резревный источник питания при наличии доступа в сеть, либо использовать их когда нужна полная автономность и сеть недоступна.

Что касается окупаемости по энергии, это конечно не вопрос: если вся произведённая энергия ушла в сеть, возврат происходит где-то за 5-6 лет. У меня есть хорошая обзорная статья 2014 года с нескольким десятком проанализвраонных работ разных исследователей из разных точек мира (могу потом написать отдельный пост со ссылками, если будет интерес) и все они сходятся в том, что в зависимости от региона эксплуатации и типа (кремниевых) панелей, срок возврата энергии бытовых систему варьируется от 3 до 7.5 лет. В некоторых случаях авторы приводят диапазон от 1.7 до 2.7 лет. И все эти исследования по оценке жизненного цикла естественно проводились на панелях старых поколений с эффективностью от 6 до 15%.

Новые панели (такие как мои) конечно окупаются ещё быстрее, техонлогия всё ещё понемногу прогрессирует и, если КПД дотянет до 25, что наверное можно будет говорить о прорыве, т.к. это сдвинет стрелку финансовой окупаемости в сторону уверенного плюса, даже в местах с такой дешёвой энергией, как Россия. Но в общем-то вопрос экономической окупаемости это вопрос того, что вся наша экономика основана на угле и углеводородах, как и наши деньги. А вот физику уже не обманешь и разница между энергетической и экономической окупаемость неплохо демонстрирует неадекватность денег в сравнении с килоджоулями. И энергетическая окупаемость солнечных конвертеров имела место практически всегда, с момента их серийного использования; даже для очень ранних поколений, поэтому стойкость мифа о том, что они не генерируют за срок эксплуатации энергии, затраченной на их производство у меня неизменно вызывает недоумение. Одна система производит достаточно энергии, чтобы произвести 3 - 8 аналогичных систем (в зависимости от региона эксплуатации) и больше. Потому что по мере развития технологии растёт и продуктивность и срок жизни и это добавляет единички.

Впрочем, стоит заметить, что ещё один важный для России момент: нужно начать производить свои панели и инверторы в своей ценовой зоне и тогда их цена естественно станет раза в два ниже. В этом случае вопрос экономической окупаемости полностью снимается. Даже в Питере.

При ближайжем рассмотрении наша планета получает дохренищу энергии от своей звезды, даже в таких туманных и облачных местах, находящихся на высоких широтах, как Питер и Лондон, такие дела.

P.S. Как вы думаете, а какая ситуация в Новосибирске? :)
Tags: Возобновляемая энергетика, Солнечная энергия
Subscribe

  • Энергия солнца

    Прежде чем все люди начнут ездить на электрических машинах я бы хотел, чтобы все начали жить в полностью электрических домах, запитанных…

  • Brisbane to Gold Coast Cycle Challenge 2016

    Позавчера мне удалось совершить самую быструю в своей жизни поездку. Ехал я в рамках ежегодного 100 км массового челенджа Брисбен - Голд Кост с…

  • Испытание горами — Peaks Challenge Gold Coast 2016

    На минувших выходных проехал очень важный для себя старт Peaks Challenge Gold Coast — очень длинный горный челендж на шоссейных велосипедах. 235 км…

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 58 comments

  • Энергия солнца

    Прежде чем все люди начнут ездить на электрических машинах я бы хотел, чтобы все начали жить в полностью электрических домах, запитанных…

  • Brisbane to Gold Coast Cycle Challenge 2016

    Позавчера мне удалось совершить самую быструю в своей жизни поездку. Ехал я в рамках ежегодного 100 км массового челенджа Брисбен - Голд Кост с…

  • Испытание горами — Peaks Challenge Gold Coast 2016

    На минувших выходных проехал очень важный для себя старт Peaks Challenge Gold Coast — очень длинный горный челендж на шоссейных велосипедах. 235 км…