Мифы о фотоэлектрических системах

Основу проблемы малой производительности фотоэлектрических систем составляет несколько широко распространенных заблуждений. Они касаются не только измерения выработки, но и некоторых факторов, влияющих на нее. Под выработкой мы понимаем количество произведенной электроэнергии (кВт∙ч), ежегодно получаемое с помощью солнечных панелей, и, таким образом, ту денежную сумму, которую потребитель может заработать в соответствии с договором о приобретении электроэнергии (ДПЭ).
Для гарантированно успешной эксплуатации солнечных установок необходимо, чтобы компании, занимающиеся разработкой, монтажом и приобретением этих систем, имели четкое представление о методе измерения их производительности. Мы обсудим пять основных заблуждений, относящихся к определению производительности фотоэлектрического оборудования, в т.ч. оценку его стоимости; срок амортизации; КПД и эффективность; правильное размещение и методы монтажа оборудования.

Подавляющая часть потребителей до сих пор не понимает, что существует достаточно большой разброс в производительности солнечных панелей. В связи с этим продавец может легко убедить покупателя в том, что предлагаемое солнечное оборудование имеет ту же мощность, что и более дорогостоящая установка конкурента и, следовательно, оно лучше.
Если инвестор намеревается окупить свои затраты на приобретение установки за счет объема произведенного электричества, он должен исходить из суммарного объема выработанной электроэнергии, а не из показателя «доллар/кВт».
Представим себе две одинаковых системы А и Б с одинаковой паспортной мощностью. Допустим, система А на 20% дешевле. Можно прийти к заключению, что лучше приобрести эту установку, т.к. она позволит сэкономить некоторую сумму и, следовательно, рентабельность инвестиций в этом случае окажется выше.
Но допустим также, что панель Б вырабатывает на 10% больше электроэнергии в год за счет более высокого коэффициент производительности — способности генерировать электроэнергию в широком диапазоне условий эксплуатации [2]. Возникают два вопроса: сколько лет понадобится на то, чтобы возместить достаточно высокую стоимость панели? Насколько велик окажется этот 10-% выигрыш в выработке за весь срок службы установки?
Ответы зависят от суммарного объема покупок электроэнергии. Однако следует помнить о достаточно продолжительном сроке службы панелей: оборудование, построенное на основе высококачественных компонентов, легко прослужит 30–40 лет (см. раздел «Миф второй»).
Вывод. При сравнении солнечных панелей следует исходить из показателя, равного отношению объема инвестиций к объему произведенной мощности в течение всего срока эксплуатации изделия.

Объем инвестиций в солнечные панели определяется стоимостью всего оборудования (панелей и электронной системы) и расходами на его перевозку и монтаж. Принято считать, что инвестиции в приобретение солнечных панелей должны окупиться в течение срока действия ДПЭ, т.е. 20 лет. Таким образом, предполагается, что панель полностью теряет в стоимости к концу срока, указанного в договоре.
Вполне разумно предположить, что этот договор может быть продлен после окончания срока его действия. Кроме того, стоимость электроэнергии едва ли уменьшится через 20 лет. Даже если снизится тариф на оплату произведенной электроэнергии, солнечные панели будут окупать себя и приносить доход.
Гарантия на эксплуатацию большинства солнечных панелей составляет 25 лет. Однако качественное оборудование будет генерировать электричество и по прошествии 40 лет.
Каков срок службы инвертора для солнечных панелей? Гарантийный срок на инверторы, произведенные известными компаниями, составляет 10–20 лет, по истечении которых эти устройства продолжают исправно функционировать. Достаточно вспомнить инверторы для источников бесперебойного питания (ИБП), используемых в центрах обработки данных.
Электронные схемы и компоненты обоих устройств очень похожи. По сути, некоторые из них изготовлены на одних и тех же производствах. Известно, что многие ИБП по-прежнему эксплуатируются, хотя их срок службы превысил 35 лет. Вообще говоря, долговечность инвертора определяется двумя главными факторами — техническим обслуживанием и условиями эксплуатации.
Вывод. При расчете периода амортизации целесообразно исходить из того, что высококачественная солнечная панель служит не 20, а 30–40 лет.

КПД системы показывает, какую долю от потребляемой мощности составляет выходная мощность. В случае с силовой электронной схемой данный показатель характеризует долю энергии, рассеиваемой в виде тепла. Однако этот показатель, в отличие от эффективности, не позволяет оценить, насколько хорошо оборудование выполняет свои функции.
В отличие от КПД, который служит мерой потерь, эффективность определяет выработку. КПД характеризует работающий инвертор, а эффективность — весь цикл преобразования энергии в течение года. Если инвертор работает дольше и чаще на протяжении всего года, он производит большее количество электричества. Следовательно, его эффективность становится выше [3]. Для наглядного объяснения разницы между этими двумя понятиями на рисунке 1 представлена зависимость мощности, вырабатываемой стандартной панелью, от времени суток. За это время солнце периодически закрывается облаками. Во многих регионах вне южных штатов США условия освещения в течение всего года хуже идеальных.

Рис. 1. Генерация электричества как функция времени, уровня солнечного излучения и производительности инвертора

Пояснения к рисунку 1.
– Желтая часть графика соответствует мощности установки в условиях, когда солнечное излучение беспрепятственно попадает на панели;
– Серая часть графика соответствует мощности установки в обычных погодных условиях;
– Бледно-желтая линия показывает уровень мощности постоянного тока, генерируемой фотоэлектрическими панелями на земле.
– Розовая область соответствует суммарной мощности, выработанной с помощью стандартного инвертора с типовым значением эффективности. Хотя фотоэлектрические панели генерируют постоянный ток, выходная мощность инвертора не в полной мере совпадает с мощностью, генерируемой панелями. Инвертор включается позже днем, выключается раньше в полдень и часто отключается, когда небо затянуто облаками.
– Синяя область графика соответствует суммарной мощности, производимой инвертором с большей эффективностью. Этот прибор включается раньше, дольше работает в сумерках и генерирует небольшое количество энергии даже в условиях облачной погоды. Кроме того, он функционирует при пониженной освещенности осенью, зимой и весной.
Понятно, что чем продолжительнее время функционирования инвертора, тем больше энергии он производит и выше ежегодная выработка всей фотоэлектрической системы. Усовершенствованный инвертор может генерировать на 30% больше мощности, чем стандартный инвертор идентичной установки. Работа модернизированных инверторов подробно обсуждается в [4].
Следует заметить, что существует признанный способ измерения эффективности всей фотоэлектрической системы. Этот показатель определяется как отношение объема выработанной энергии в кВт∙ч за год к суммарной мощности постоянного тока фотоэлектрической системы. Данный показатель моделируется с помощью программного обеспечения типа PVWatts и RETScreen. Однако проблема использования этого программного обеспечения в том, что оно не учитывает возможности усовершенствованного инвертора, который включается и работает при меньших напряжениях. Таким образом, традиционно исходят из того, что максимальная «приемлемая» эффективность (например, в канадской провинции Онтарио) составляет за год 1000–1100 кВт∙ч на 1 Вт мощности постоянного тока. Однако на практике этот показатель достигает 1300–1400 кВт∙ч на 1 Вт мощности постоянного тока.
Вывод. С целью экономии расходов на приобретение солнечных панелей рекомендуется выбирать инвертор с высоким КПД и, что еще важнее, с высокой эффективностью.

Часто, исходя из логических соображений, панели устанавливают под малым углом наклона, чтобы оптимизировать попадание на них лучей летом, когда солнце стоит высоко в небе.
На наш взгляд, эта практика приводит к потерям мощности в течение года по следующим причинам.
– Чем дальше населенный пункт находится от экватора, тем короче лето. На широте северных штатов или южной Канады продолжительность лета составляет около трех месяцев.
– Летнее время может стать одним из худших периодов для производства солнечной энергии с помощью фотоэлектрической установки. В характеристиках солнечных панелей указано, что их производительность уменьшается на 0,35–0,55% с увеличением окружающей температуры на один градус относительно исходного значения 25°C. Кроме того, некоторые панели в этих условиях работают хуже, чем указано в их спецификациях. В жаркие летние дни фотоэлектрическое оборудование генерирует намного меньше энергии, чем в холодные весенние или осенние дни при том же уровне излучения.
– Если в жаркие летние дни фотоэлектрическая система производит на 30% меньше энергии, а в холодное время года генерирует на 20% больше, это значит, что разброс данного показателя достигает 50% в зависимости от погодных условий.
– Многие солнечные панели не генерируют в жаркие дни напряжения, достаточного для включения инвертора.
Для оптимальной выработки электроэнергии за год рекомендуется располагать панели под углом, равным широте местности. В таком случае даже стандартный инвертор сможет работать лучше в течение всего года, не говоря уже об усовершенствованном приборе.
По нашим наблюдениям, наилучшее время для генерации солнечной энергии с помощью коммерческих панелей — весна и осень. Прохладные, но довольно-таки продолжительные дни с ярким солнцем обеспечат хорошую работу панелей, а инвертор с расширенными функциями сможет собирать энергию в течение более продолжительного времени по сравнению с летними днями.
Практика показывает, что даже в короткие зимние дни солнечные панели, правильно установленные и подключенные к усовершенствованному инвертору, вырабатывают достаточно большое количество энергии [5].
Вывод. Установите панели под правильным углом и оптимизируйте генерацию электроэнергии таким образом, чтобы она поступала в течение всего года.

Поскольку владельцы домов по понятным причинам не желают, чтобы в крышах сверлили дыры, монтажники и производители монтажного оборудования предлагают т.н. «уравновешенные» или «самобалансирующиеся» системы. Они устанавливаются непосредственно на поверхности крыши без крепежа.
Такой подход обеспечивает относительную дешевизну монтажа фотоэлектрической установки. Сторонники этого метода утверждают, что он позволяет снизить капитальные расходы и установить панели под малым углом наклона (что, как мы уже увидели, снижает выработку электричества), т.к. большие углы способствуют увеличению нагрузки на крышу и обходятся дорого. Кроме того, отверстия в ней могут привести к течи.
Как бы то ни было, большая часть систем действительно требует дополнительного крепления с помощью отверстий в крыше, даже если их немного.
Например, до установки фотоэлектрической системы на крышу здания компания Hybridyne получает заключение от частной проектной фирмы о том, что конструкция дома допускает определенную нагрузку, а крыша выдержит дополнительный груз в виде солнечных панелей, монтажного каркаса и балласта под воздействием, например, сильных порывов ветра. Более того, специалисты Hybridyne учитывают, что в северных широтах под влиянием низких температур поверхность крыши становится хрупкой.
Вывод. Потенциальным инвесторам или потребителям рекомендуется избегать незакрепленного размещения фотоэлектрической системы на поверхности крыши, которая к тому же может оказаться не в состоянии вынести дополнительную нагрузку. Не следует устанавливать эту систему под слишком малым углом, опасаясь, что любое монтажное отверстие в крыше недопустимо. Не следует приобретать изделия производителей монтажного оборудования, которые не сертифицируют системы на воздействие ветровой нагрузки при высоких углах монтажа.
Подытожим сказанное.
1. Перед монтажом фотоэлектрической системы на крышу следует получить заключение от проектной фирмы.
2. Годовой объем вырабатываемой мощности окажется небольшим, если сбалансированная система установлена под низким углом. В этом случае при использовании стандартного инвертора, например, на местности с широтой 43° едва ли можно ожидать, что годовая выработка электроэнергии превысит 1050 кВт∙ч/кВт установленной мощности.
3. Не следует увеличивать вес системы за счет балласта, если имеется возможность прикрепить панели к конструкции здания с помощью правильно сделанных водонепроницаемых отверстий, число которых не превышает оптимального.
4. Установка фотоэлектрических панелей под правильным углом обеспечивает максимальную выработку электроэнергии. При использовании инвертора с расширенным функционалом выгода от продажи добавочной электроэнергии превысит дополнительные капитальные расходы и затраты на заказной монтаж.