- Установки використання сонячної енергії для виробництва гарячої води.
- Розрахунок ефективності сонячної установки
Наши партнеры ArtmMisto
Представлений нижче розрахунок є частиною порівняльного аналізу «Яким чином вигідніше забезпечити теплом заміський будинок?»
Незважаючи на те, що технологія використання сонячної енергії для потреб споживачів житлових будинків існувала досить давно, актуальність свою вона стала набувати досить недавно - з моменту істотного подорожчання традиційних енергоносіїв (насамперед - газу). Ринок моментально відреагував на збільшення попиту і в продажу з'явилося безліч різних установок для нагрівання води, заснованих на сонячних батареях і сонячних колекторах. Відповідно паралельно виходу нового обладнання його виробниками в ЗМІ стала проводитися широка рекламна компанія, в якій використання сонячних батарей підноситься як мало ні панацея, як єдиний спосіб отримання дармової і екологічно чистої теплової енергії, який здатний задовольнити всі потреби споживачів.
Така точка зору, м'яко кажучи, не є вірною. На жаль, сонячна енергія не є дармовий, як це здається на перший погляд. Для того, щоб розвіяти цей міф і показати Вам реальну картину що склалася сьогодні в області сонячної енергетики, пропонуємо Вашій увазі невеликий розрахунок ефективності використання сонячної установки. Розрахунок, який розставить всі крапки над «i» в цьому питанні.
Установки використання сонячної енергії для виробництва гарячої води.
Для використання сонячної енергії в теплопостачанні сьогодні існує два принципово відрізняються один від одного виду сонячних установок:
- використовують в якості приймачів енергії т.зв. «Сонячні батареї», що виробляють електроенергію безпосередньо. Фотоелементи, які є основою даної конструкції за принципом дії схожі з транзисторами, а основним матеріалом батарей є напівпровідниковий кремній. Конструктивно сонячна батарея складається з двох складених тонких листів, поміщених один над одним таким чином, щоб зберігався pnp перехід. Один з листів містить домішкові атоми бору, інший - миш'яку: зовнішній лист відповідно характеризується надлишком електронів, а внутрішній - їх недоліком. При попаданні сонячного світла на пластину той активує pnp перехід і обидва шару починають працювати як електроди звичайної батареї - виникає ЕРС.
- установки в яких приймачами енергії є теплообмінники (панель з труб різних конструкцій, «плоскі», «вакуумні» і т.д.), в яких сонячна енергія безпосередньо нагріває протікає по ним теплоносій (або хім. очищену воду або, у випадку з цілорічної роботою - пропіленгліколь). Ці установки називають «сонячними колекторами».
З огляду на дорожнечу кремнію і труднощі виготовлення, вартість установок, що використовують сонячні батареї сьогодні на порядок вищі за ті, що працюють на сонячних колекторах. Тому в даному випадку, при оцінці ефективності використання сонячної енергії для виробництва гарячої води, має сенс розглянути тільки другий варіант.
Типова сонячна установка для потреб ГВП на базі сонячного колектора, незалежно від її виробника, складається з наступних частин (див малюнок):
- сонячного колектора, власне і акумулює енергію;
- бака акумулятора для теплоносія;
- електрокотла, що здійснює догрів теплоносія до необхідних параметрів;
- насоса, що забезпечує циркуляцію теплоносія між баком-акумулятором і колектором;
- блоку управління.
Конструкція функціонує наступним чином: на дах будівлі або будь-яку наявну вільну поверхню встановлюється колектор, який збирає теплову енергію сонця. Нагріта сонцем хімічно підготовлена вода під дією насоса надходить в ємність (бак-акумулятор), де через теплообмінні поверхні віддає своє тепло водопровідної холодній воді, що йде на потреби гарячого водопостачання. Догрів води до необхідної споживачеві температури зазвичай здійснюється за допомогою вбудованого в бак-акумулятор ТЕН-а (електрокотла). Блок управління сонячною установкою автоматично підтримує всі необхідні споживачеві води параметри.
Розрахунок ефективності сонячної установки
Потужність сонячної установки, тобто іншими словами - кількість гарячої води, яку вона здатна виробити, безпосередньо залежить від площі її колекторів. Збільшення площі колектора автоматично вимагає збільшення потужності насоса, який здійснює циркуляцію теплоносія, більшого перетину труб установки, більшого теплообмінника в баку акумуляторі, більшого обсягу робіт на монтаж і т.д. Тому для оцінки вартості тієї чи іншої установки з інженерної точністю має сенс використовувати т.зв. «Питому вартість», тобто її вартість в перерахунку на 1 м2 площі колектора. На сьогоднішній день ця вартість, в залежності від використовуваного обладнання та складності монтажу, коливається в діапазоні від 400 EUR до 1200 EUR на 1 м2 (в першому випадку - установка китайського виробництва, в останньому - німецького). Надійність, якість і ергономічність обладнання - відповідають зазначеним цінами.
Для невеликих дачних котеджів колектор типовий сонячної установки зазвичай має площу 2,5 м2. В даному розрахунку собівартості сонячної енергії приймемо повні витрати на її придбання і монтаж в 2400 EUR (тобто установка відповідає найвищим стандартам якості), а термін безаварійної її служби в 20 років. Приймемо також, що ця установка буде працювати у нас круглий рік в світловий час доби (тобто в середньому по 12 годин / добу).
Кількість падаючого на освітлювану поверхню потенційно корисного сонячного випромінювання визначається поняттям, що має назву інсоляцією. Сонячна інсоляція сильно змінюється від однієї точки земної поверхні до іншої. Піски Сахари отримують значно більше світла, ніж ліси навколо Санкт-Петербурга. Тому при знаходженні величини інсоляції будь-якого району враховують безліч факторів, серед яких:
- вплив пори року, яка обумовлює більш низьку освітленість і довготу дня взимку;
- характер місцевості, освітлюється сонцем (наявність загороджують сонце деталей рельєфу);
- місцеві погодні умови (хмарність, туман, дощ);
- тривалість сонячного опромінення, тому що сонячні промені, які падають на освітлювану поверхню під дуже малим кутом, малопридатні для використання.
Всі ці фактори так чи інакше впливають на те, яка кількість енергії може бути «знято» з сонячної установки. Але в середньому, для інженерних цілей, використовуються спеціально розроблені таблиці середніх величин сонячної інсоляції для тієї або іншої місцевості. Витяг з такої таблиці для основних міст України за даними NASA ми наводимо нижче.
Січ Лют березня кві тра червень липень Сер Вер Жов Лис Гру За рік Сімферополь 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 Вінниця 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 Луцьк 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 Донецьк 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 Запоріжжя 37,51 56 90,21 126 174,22 171,6 182,28 160,58 116,1 75,64 38,75 29,45 1258,34 Івано-Франківськ 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 Київ 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 Кіровоград 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 Луганськ 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 Львів 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 Миколаїв 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 Одеса 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 Рівне 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 Суми 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 Тернопіль 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 7 9,67 42,16 32,24 1299,16 Хмельницький 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 Черкаси 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 Чернігів 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 Чернівці 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 таблиці вказує середня кількість сонячної енергії (в кВтг), яке потрапляє на 1 квадратний метр горизонтальної поверхні впродовж зазначеного місяця. Як можна помітити, кількість сонячної енергії падаючої на поверхню в літні місяці приблизно в 5-6 разів вище, ніж те, яке потрапляє на цю ж поверхню взимку. Ця обставина робить абсолютно неефективним роботу сонячних батарей на потреби опалення (тобто в період осінь-зима-весна). Якщо врахувати що протягом опалювального періоду на 1м2 площі установки В МІСЯЦЬ в середньому потрапить близько 70 кВтг енергії, а для потреб опалення невеликого приватного будинку загальною площею в 150 м2 розрахункова теплове навантаження складає близько 14 кВтг В ЧАС, то шляхом невеликого розрахунку можна легко з'ясувати , що для покриття розрахункового навантаження площа сонячного колектора цього будинку навіть без урахування втрат повинна складати близько 150 м2. А якщо ці втрати врахувати (середньорічний ККД сонячного колектора приблизно дорівнює 0,6), то і всі 250 м2. При вартості установки близько 1000 EUR / 1 м2, використання сонячних променів на потреби опалення обійдеться нам близько 250 тис. EUR. Стає ясно і без розрахунку, що для невеликого приватного будинку такий спосіб опалення занадто доріг.
При розрахунку вартості сонячного тепла для потреб гарячого водопостачання при використанні даних з наведеної вище таблиці слід врахувати наступне: навіть якщо припустити, що реальна сонячна панель буде розташована ідеально горизонтально і не мати ніяких перешкод у вигляді тіней від сторонніх предметів (що на практиці трапляється рідко) далеко не вся потрапляє енергія буде перетворена в теплову. Частина її відіб'ється навіть від чорних труб, а частина буде губитися конвективним методом (охолоджуватися повітрям).
Виробники сонячних колекторів вказують у технічній документації ККД колектора. Під цією величиною мається на увазі т.зв. «Оптичний ККД» - вона показує ефективність оптичного перетворення сонячної енергії в тепло (в середньому він становить 75-85%). Однак цей ККД не враховує додаткових конвективних втрат, які також присутні і залежать від конструктивних параметрів сонячної установки. Реальний середньорічний коефіцієнт корисної дії сонячної установки розраховується з урахуванням т.зв. «Конструктивних коефіцієнтів» К1 і К2, а також з урахуванням середньорічних температур повітря для конкретної місцевості. Для середньої, непоганий сонячної установки, розташованої в Одеській області він буде в районі 60%. Таким чином, з нашої типової сонячної установки, площею в 2,5 м2 протягом року буде отримано таку кількість «дармової» теплової енергії:
Qгод = 1298 * 2,5 * 0,6 = 1947 кВтг
З урахуванням терміну служби обраної нами (не китайський) установки в 20 років отримаємо кількість отриманої від неї безкоштовної теплової енергії за весь час її цілорічної роботи:
Q = 1947 * 20 = 38940 кВтг
Врахуємо, що циркуляція теплоносія по установці здійснюється за допомогою електронасоса, який буде постійно працювати протягом світлового дня. Потужність встановленого насоса становить приблизно 50 Вт. Протягом 20 років роботи установки, в середньому по 12 годин на добу, він споживе таку кількість електроенергії:
Ел = 50 * 12 * 365 * 20 = 4380 кВтг
що, при сьогоднішній вартості електроенергії для побутових споживачів в 78,9 коп / кВтг складе:
СТЕЛ = 4380 * 0,789 = 3455 грн, або, приблизно, 113 EUR
Розділивши вартість установки на кількість отриманого з її допомогою тепла, визначимо його вартість:
Ст = (2400 +113) /38940=0.065 EUR / Квт * год,
тобто приблизно (при курсі 1EUR = 30 грн) - вона складе 1.95 коп за 1 кВтг.
Для порівняння (на 09.02.16):
- вартість 1 кВтг електроенергії для побутового споживача становить 79 коп (в разі не перевищення ліміту в 600 кВтг / міс),
- при покупці тепла у теплових мереж при тарифі в 670 грн / Гкал вартість 1 кВтг становить ~ 59 коп / кВтг
- при виробництві його на власній газовій котельні ~ 38-50 коп / кВтг (в залежності від лімітів).
Як можна побачити сонячна енергія все ще є ДУЖЕ дорогим задоволенням. Однак оснащення сонячними колекторами власного будинку може зіграти свою роль в разі, коли характер споживання тепла такий, що є можливість перейти з однієї сітки тарифів споживання з більш високими тарифами в іншу, з більш низькими. Але в будь-якому випадку перед ухваленням рішення використовувати сонячний колектор для підігріву води коштує провести розрахунок.
Оскільки якість обладнання для нас перш за все, то наше підприємство сьогодні пропонує геліоустановки німецьких фірм Buderus і Viessman.
