Использовать энергию солнца по максимуму, или Как американцы экономят на электричестве до 3000 $ в год

Если счета за электроэнергию приводят в ужас, а на их оплату уходит четверть зарплаты, то берите пример с жителей Америки. Они всё чаще устанавливают солнечные панели и берегут свои кровные. Как всё происходит — расскажу в статье.

Привет, меня зовут Егор Рудович, и я занимаюсь установкой и обслуживанием солнечных панелей. Я познакомился с американской практикой в сфере зеленой энергетики и нашел много интересных и нестандартных решений. О них расскажу в этой статье.

Ежедневно пользоваться посудомойкой, стиральной машиной, смотреть телевизор, а в конце месяца не сходить с ума от счета за электроэнергию — мечта любого взрослого. Один из вариантов ее достичь — перейти на зеленые источники энергии. Например, жители США уже давно просекли фишку и активно используют солнечные батареи в своих домах и организациях.

Использование солнечной энергии позволяет жителям США неплохо экономить на счетах за электричество. Сумма зависит от штата, размера федеральных налоговых льгот и средних расходов электроэнергии.

Устанавливать солнечные панели выгодно не во всех штатах. Во-первых, из-за неподходящего климата. Например, на Аляске суровые погодные условия, которые не подходят для работы батарей: из-за низких температур ячейки могут сломаться. А в Луизиане высокий уровень влажности, который уменьшает производительность солнечных панелей. Во-вторых, не во всех регионах действуют налоговые льготы. Например, в Колорадо придется платить полную стоимость установки панелей и государство не возместит затраты.

Чтобы сэкономить на электричестве, жители этих регионов могут присмотреться к другим источникам альтернативной энергии, например ветряным мельницам или биоэнергетике.

США — вторая страна в мире по установленной мощности солнечных систем. Росту помогает поддержка государства. Например, администрация президента страны разработала план, по которому Америка должна перейти на зеленую энергию к 2035 году.

На первом месте — Китай, который вырабатывает 393 ГВт в год и остается главным мировым поставщиком панелей и солнечных элементов. Причина первенства — борьба Поднебесной с плохой экологией и постоянным смогом в городах. К 2060 году государство планирует достичь углеродной нейтральности за счет развития солнечной энергетики.

Другие страны не могут похвастаться такими темпами развития. Вот какие проблемы тормозят рост.

Устаревшая электрическая инфраструктура. Сети часто не выдерживают переменные нагрузки, которые оказывают на них солнечные системы. Инфраструктуру нужно модернизировать, а это миллиардные вложения, к которым готовы не все страны.

Зависимость от Китая. По данным Financial Times, Поднебесная производит и экспортирует более 85% компонентов для изготовления солнечных ячеек. Если она уменьшит экспорт, многие страны останутся без необходимого сырья, поэтому солнечная энергетика пока не кажется им надежным вариантом.

США уже стараются снизить зависимость от Китая. Например, в 2022 году Конгресс принял закон, который должен стимулировать производство кремниевых пластин внутри страны. Примеру могут последовать и другие государства.

Основной элемент для производства солнечных панелей — диоксид кремния, который содержится в песке. Кратко расскажу об основных этапах изготовления батарей.

Этап 1. В диоксиде кремния содержится много разных примесей — в таком виде он не подходит для производства панелей. Поэтому его очищают и превращают в чистый кремний — поликремний.

Этап 2. Материал нагревают в печи, наносят слой фосфора и бора: так кремний будет лучше проводить электричество.

Этап 3. Массу покрывают антибликовым покрытием, раскатывают и разрезают — на выходе получаются ячейки, которые уже могут поглощать солнечную энергию и преобразовывать ее в электроны. Чтобы превратить их в ток, добавляют серебро, а в роли проводника выступает медь.

Этап 4. На нижнюю сторону солнечной панели устанавливают защитный лист из прочного пластика или металла, а на верхнюю часть — тонкий лист стекла. В конце «слоеный пирог» помещают в алюминиевую форму. Схематично всё выглядит так:

На американском рынке есть четыре основных вида солнечных панелей. Они отличаются по способу изготовления, производительности, внешнему виду.

Монокристаллические. Их изготавливают из цельного кристалла кремния, который выращивают в вакуумных печах. У таких панелей чистый состав без примесей, поэтому их КПД один из самых высоких — 20% и выше. Например, ячейка получила 100 Вт солнечной энергии, а выдала 20 Вт электричества. Единственный минус — высокая стоимость: стандартная система в 6 кВт обойдется от 6000 до 9000 $, потому что на производство панелей уходит много кремния.

Поликристаллические. В производстве используют разные кристаллы кремния, которые переплавляют и заливают в форму. Энергоэффективность таких панелей немного ниже, чем у монокристаллических — 15–17%, зато они дешевле: от 5400 до 6000 $.

PERC-панели. Это вид монокристаллических панелей, которые проапгрейдили. На поверхность ячейки наносят пассивирующий слой. Благодаря ему световые волны отражаются от задней поверхности и снова проходят через ячейки — так батареи получают больше энергии. Еще этот слой защищает панель от перегрева, и она работает эффективнее.

Коэффициент полезного действия PERC-панелей — от 25%, а стоимость системы — от 1920 до 3900 $.

Тонкопленочные. Панели состоят из тонкого слоя проводника, например аморфного кремния или теллурида кадмия, который наносят на гибкую подложку. Их можно использовать даже на кривых поверхностях, например на куполах зданий. Еще тонкопленочные батареи легкие и подходят для установки на окна домов. Но они вырабатывают гораздо меньше электричества, чем кристаллические — их эффективность от 6 до 15%, в зависимости от типа проводника. Стоимость гибких панелей — от 4200 до 6000 $ за систему мощностью 6 кВт.

Чтобы понять, какое количество солнечных панелей понадобится, придется попыхтеть. Сначала нужно посчитать, сколько электроэнергии вы расходуете ежегодно, знать мощность одной солнечной панели и коэффициент продуктивности.

Мощность панели указывает производитель, а коэффициент продуктивности зависит от множества факторов, например производительности панели в тени, ее расположения, наклона, размера батареи. Чтобы не заморачиваться с расчетами, можно взять средний показатель по США — 1,3–1,6.

Например, вы расходуете в год 10 000 кВт⋅ч электроэнергии, продуктивность — 1,5, а мощность — 400 Вт. Подставим цифры в формулу и узнаем необходимое количество солнечных батарей:

10 000 кВт⋅ч÷ 1,5 ÷ 400 Вт = 17 панелей

Чтобы пользоваться солнечной энергией, одних панелей недостаточно. Нужно дополнительное оборудование:

• Инвертор. Он преобразует постоянный ток в переменный, который течет по проводам и поступает в розетки. Такой тип тока подходит для электроприборов и бытовой техники.
• Аккумуляторные батареи. Они накапливают излишки энергии, которую можно потратить при недостаточной выработке, например во время пасмурных или дождливых дней.
• Контроллер заряда. Он измеряет и поддерживает постоянное напряжение в аккумуляторных батареях, чтобы не случилось аварии.

От локации и выбора места установки солнечных панелей зависит, насколько эффективно они будут работать. Например, если дом или предприятие находятся к северу от экватора, батареи должны смотреть на юг, а если они расположены к югу, то на север. Также нужно подобрать правильный угол наклона, обычно он близок к географической широте, на которой находится дом.

Монтировать солнечные панели можно разными способами, на эффективность работы батарей вариант установки не влияет. Вот куда можно их закрепить.

На крыше. Батареи крепят в одной плоскости с конструкцией или под определенным углом. Этот способ — один из самых простых и популярных.

На земле. Чтобы закрепить панели, используют металлические конструкции. Они бывают двух видов: стеллажные столы или отдельные столбы. Можно выбрать любой вариант. Обычно батареи находятся в одном положении, но если хотите, чтобы солнечные панели следили за положением солнца, стоит установить трекинговые системы: они будут поворачивать конструкцию в течение дня. Отслеживающие устройства подойдут и для плоских крыш.

На фасадах зданий. В этом варианте солнечные панели можно интегрировать в стены и окна здания. Для этого разрабатывают специальные монтажные конструкции, которые учитывают особенности помещений.

Вариант монтажа зависит от размеров крыши, земельного участка и необходимого количества энергии. Например, в частном доме без заднего двора солнечные панели можно установить на крыше или фасаде, а на предприятии — на большом поле, чтобы получить больше электричества для работы компании.

Солнечные панели не требуют какого-то специального обслуживания, но их нужно регулярно очищать от пыли, песка, снега. Интенсивность загрязнения зависит от местности. Например, в степях или округе с плохой экологией батареи будут пачкаться быстрее. Грязные панели работают не так эффективно: по данным The National Renewable Energy Laboratory, они могут терять до 25% вырабатываемой энергии.

Чистить панели можно вручную и автоматически. Если используете солнечную энергию в частном доме, подойдет любой способ. В промышленных масштабах лучше выбрать второй вариант, иначе для мытья панелей придется нанять штат уборщиков и закупиться сотнями швабр.

Ручной способ очистки

Самый экономный, но не самый легкий способ. Если панели на крыше — придется включать ловкость и грацию кошки, чтобы не упасть и ничего не сломать.

Перед началом уборки нужно выключить панели и дождаться, пока они остынут, иначе от контакта с холодной водой они могут треснуть. Стоит вооружиться шваброй с длинной ручкой или мягкой губкой, шлангом или ведром с водой. Нельзя использовать мыло и жесткие абразивы: можно повредить поверхность ячеек или на них останется пленка, которая затеняет панели.

Автоматический способ очистки

Чтобы ускорить и упростить мытье панелей, в США есть разные автоматические системы очистки.

• Система опрыскивания. На солнечные панели устанавливают разбрызгиватели, которые автоматически включаются и очищают поверхность водой за пару минут.

• Бесконтактная система. В этом случае панели очищают с помощью электрического заряда, который отталкивает пыль. Проводники размещают по бокам батареи или над всей поверхностью, а при необходимости включают.

• Роботизированная система. На рынке есть разные типы роботов, которые подходят для очистки солнечных панелей на больших площадях. Например, можно выбрать компактную машину и удаленно ей управлять или подобрать роботов побольше, которые одновременно очищают сразу несколько панелей.

Листайте галерею и смотрите на классных роботов—уборщиков ↓

• Вибрационная система. При использовании этого метода к панелям подключают двигатель постоянного тока. Во время очистки он создает вертикальные вибрации, которые убирают с поверхности грязь и пыль.

По данным Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии, солнечные панели каждый год становятся менее эффективными на 0,5%. Спустя 20 лет использования выработка энергии будет всего на 10% ниже первоначального уровня.

Специалисты рекомендуют менять батареи через 25–30 лет после установки: это их оптимальный срок службы. Затем не обязательно заказывать установку новой системы. Можно продолжать использовать старую, но она будет давать гораздо меньше электричества. А если энергии не хватит на нужды семьи, солнечные панели придется заменить.

Приведу пример. Мы решили установить солнечную станцию мощностью 5 кВт в штате Флорида: такой хватит на семью из четырех человек. Ее стоимость вместе с установкой равна 16 550 $. Средний счет за использование электроэнергии — 144 $ в месяц, а в год — 1728 $. Посчитаем, за сколько лет окупится установка солнечных панелей. Разделим ее стоимость на сумму ежегодных трат на электроэнергию:

16 550 $ ÷ 1728 $ = 9,5 года

Если воспользоваться налоговыми льготами от властей штата, на покупке можно сэкономить: солнечная система обойдется в 11 585 $. В этом случае панели окупятся еще быстрее:

11 585 $ ÷ 1728 $ = 6,7 года

• Солнечные панели бывают четырех видов: монокристаллические, поликристаллические, PERC-панели и тонкопленочные. Они отличаются способом производства и энергоэффективностью.
• Перед установкой солнечных батарей нужно рассчитать их количество. Для этого нужно определить, сколько электроэнергии вы потребляете в год, знать мощность панелей и коэффициент их производительности.
• Для подключения электростанции понадобятся панели, инвертор, аккумуляторные батареи и контроллер заряда.
• Устанавливать солнечные панели нужно с учетом географического расположения. От него зависит, в какую сторону света будут смотреть батареи и угол их наклона.
• Монтировать панели можно на землю, крышу и фасады зданий.
• Солнечные батареи не требуют специального обслуживания, но их нужно регулярно очищать от пыли и грязи. Можно делать это самостоятельно или с помощью автоматизированных систем.
• Солнечные панели в среднем окупаются через 8,5 года, а срок из службы — 25–30 лет.

А как вы относитесь к альтернативным источникам энергии? Используете солнечные батареи или предпочитаете традиционные варианты?