Рентабельность использования солнечных батарей

Мощность солнечной энергии составляет порядка 1360 киловатт на один квадратный метр поверхности Земли. Приручить эту энергию люди пытались давно, но только с появлением фотоэлектрических преобразователей эти попытки стали претворяться в жизнь. Появились гигантские солнечные электростанции мощностью в сотни мегаватт. А параллельно с этими солнечными гигантами появились и индивидуальные малые электростанции. Насколько эффективны эти установки? Каков их коэффициент полезного действия? От чего он зависит? Какова рентабельность солнечных батарей, насколько велик срок окупаемости? Попробуем ответить на эти вопросы.

Вначале – о коэффициенте полезного действия

КПД гелиевого модуля представляет собой отношение значения мощности электроэнергии, вырабатываемой данным конкретным модулем к значению мощности солнечного излучения. Этот коэффициент находится в прямой зависимости от того, из какого материала изготовлена солнечная панель. На сегодняшний день основным материалом для изготовления гелиевых панелей является кремний. Из него изготавливают монокристаллические, поликристаллические модули, модули на базе аморфного кремния. Самый низкий КПД у солнечных модулей на базе аморфного кремния – не больше 12%. А самым высоким КПД обладают модули на базе монокристаллического кремния. Значение эффективности этих модулей может достигать 22% и даже 25%.

Мощность солнечной энергии составляет порядка 1360 киловатт на один квадратный метр поверхности Земли. Приручить эту энергию люди пытались давно, но только с появлением фотоэлектрических преобразователей эти попытки стали претворяться в жизнь. Появились гигантские солнечные электростанции мощностью в сотни мегаватт. А параллельно с этими солнечными гигантами появились и индивидуальные малые электростанции. Насколько эффективны эти установки? Каков их коэффициент полезного действия? От чего он зависит? Какова рентабельность солнечных батарей, насколько велик срок окупаемости? Попробуем ответить на эти вопросы.

Вначале – о коэффициенте полезного действия

КПД гелиевого модуля представляет собой отношение значения мощности электроэнергии, вырабатываемой данным конкретным модулем к значению мощности солнечного излучения. Этот коэффициент находится в прямой зависимости от того, из какого материала изготовлена солнечная панель. На сегодняшний день основным материалом для изготовления гелиевых панелей является кремний. Из него изготавливают монокристаллические, поликристаллические модули, модули на базе аморфного кремния. Самый низкий КПД у солнечных модулей на базе аморфного кремния – не больше 12%. А самым высоким КПД обладают модули на базе монокристаллического кремния. Значение эффективности этих модулей может достигать 22% и даже 25%.

Среднее значение КПД у серийно выпускаемых солнечных батарей колеблется в пределах 18% ± 1.5%. Кремний, как известно, эффективно поглощает солнечное излучение в инфракрасной области спектра. Ультрафиолетовое и видимое излучения тратятся впустую. Для того, чтобы использовать солнечное излучение на полную мощность, разрабатываются так называемые многослойные солнечные элементы. Смысл этих разработок заключается в том, чтобы заставить фотоэлектрические преобразователи работать, поглощая максимум солнечной энергии. Самый верхний слой, к примеру, поглощает лучи только видимой части спектра, пропуская сквозь себя инфракрасные и ультрафиолетовые лучи. Средний слой поглощает инфракрасную часть спектра, пропуская ультрафиолет, который поглощается последним, нижним слоем.

Разумеется, это только схематичное изложение принципа работы многослойных модулей, но этого достаточно, чтобы понять перспективность этих разработок. Ведь теоретические расчеты показывают, что при определенных сочетаниях материалов эффективность солнечных модулей может достичь 87%. Но это пока только теоретически. Конструкторы, разрабатывавшие технологические линии для промышленного производства подобных модулей, столкнулись с непреодолимыми на сегодняшний день трудностями. А те опытные экземпляры, которые были уже получены, оказались по цене дороже золота.

Что касается самого КПД солнечного модуля, то существует одна основная зависимость. Чем выше КПД его, тем меньшая общая площадь гелиевых батарей необходима для генерации электроэнергии заданной мощности. Следовательно, при равных площадях отбора солнечного излучения наибольшую мощность будут вырабатывать модули с наивысшим коэффициентом полезного действия. Именно поэтому ученые всего мира работают над повышением эффективности гелиевых фотоэлектрических преобразователей. Работы ведутся по разным направлениям, но цель этих работ одна – достичь максимально возможных показателей эффективности солнечных батарей.

Так, например, английские ученые разработали технологию, повышающую КПД гелиевых элементов на 22%. На поверхности тонкопленочных ячеек, изготовленных по этой технологии, размещаются алюминиевые наношипы.

Тонкопленочный фотоэлектрический преобразователь с наношипами

Алюминий никак не поглощает солнечное излучение, а, наоборот, способствует его рассеиванию. Это увеличивает мощность излучения, приходящегося на единицу площади солнечного элемента, и, как следствие, повышает его эффективность.
Немецкие специалисты получили гелиевый фотоэлектрический преобразователь, имеющий КПД, равный 44.7%. До этого рекорд эффективности принадлежал разработкам Sharp и равнялся 44.4%. Многослойный фотоэлемент немецких ученых работал в комбинации с солнечным концентратором, площадь линз которого почти в 300 раз превышала площадь самого фотоэлемента.

Многослойный фотоэлектрический преобразователь

Четыре слоя фотоэлемента поглощали волны всего светового диапазона от 200 до 1800 нанометров, то есть от ультрафиолетовой части спектра до инфракрасной.
Другим путем пошли ученые из американского университета в Стэнфорде. Кремний преобразует в электричество только инфракрасную часть спектра, а фотоны видимой и ультрафиолетовой частей спектра, обладающие более высокой энергией, тратятся впустую, только нагревая гелиевые элементы.

Термофотоэлектрический преобразователь

Американские ученые создали жаропрочный композит, позволивший создать термофотоэлектрический преобразователь. Этот композит, поглощая видимую и ультрафиолетовую части спектра, преобразует энергию фотонов в инфракрасный диапазон, приемлемый для кремния. Теоретические расчеты показали, что этим методом можно достичь эффективности порядка 80%.

КПД солнечных батарей и рентабельность домашней электростанции

Рентабельность домашней солнечной электростанции выражается отношением величины чистой прибыли, которую приносит ее эксплуатация к стоимости оборудования. Понятно, что чем выше будет прибыль, тем выше будет и рентабельность. Для того, чтобы определить этот показатель, фирмы, занимающиеся реализацией гелиевых установок, предоставляют своим потенциальным покупателям детальные расчеты, доказывающие выгоду от приобретения домашней солнечной электростанции. Однако скептически настроенный покупатель, не доверяя расчетам продавца, легко сможет произвести подобный расчет самостоятельно.

Для этого достаточно поднять квитанции за оплату электроэнергии за последние два – три года. По этим квитанциям легко проследить динамику роста стоимости одного киловатта электроэнергии. Учитывая, что эта динамика изменяться не будет и цены на электроэнергию будут повышаться, можно вычислить среднеарифметический показатель роста тарифов и подсчитать, в какую сумму выльется электроэнергия, которая будет потреблена в ближайшие пять, десять, пятнадцать лет. Эта сумма и будет отправной точкой для самостоятельного расчета рентабельности и срока окупаемости будущего приобретения.

Срок эксплуатации гелиевых батарей превышает 30 лет. Подсчитав примерную сумму стоимости электроэнергии, подобрав для себя оптимальную конфигурацию солнечной электростанции, нетрудно подсчитать, что расходы на приобретение и установку оборудования окупятся через 12 – 14 лет. Но это при условии, что будет приобретена автономная солнечная электростанция. Если же будет приобретена сетевая солнечная электростанция, то после ввода в действие «зеленого тарифа» срок окупаемости резко уменьшится, так как излишки электроэнергии будут продаваться оператору электросети.

Что же касается зависимости рентабельности гелиевых батарей от КПД, то она кроется в стоимости оборудования. Чем выше КПД одного солнечного модуля, тем большую мощность можно получить с одной и той же площади. Для электростанции понадобится меньшее количество гелиевых батарей, а значит, и цена ее будет меньше.

С вводом «зеленого тарифа», естественно, понадобится и другое оборудование. В условиях России наиболее целесообразным будет использование варианта гибридной солнечной электростанции. Стоимость ее будет выше, чем обычной сетевой или автономной. Но зато и отдача будет выше.