Эффективность использования солнечных батарей в климатических условиях Санкт-Петербурга

Работа посвящена выгодности использования солнечной энергии в Санкт-Петербурге. Данная проблема особо актуальна сегодня, в период возросшего интереса к энергосбережению и возможности использования альтернативных источников энергии. Целью работы было определить окупаемость солнечных батарей на основе расчета производства энергии среднестатистическими батареями. Расчет производился по данным посезонного использования ламп накаливания и средней инсоляции за каждый месяц в Санкт-Петербурге. Полученные результаты выработки энергии позволили рассчитать окупаемость батарей — 130 лет, что с учетом среднего срока службы в 10 лет является крайне невыгодным. Был сделан вывод о значительных потерях при установке батарей.

Ключевые слова: солнечные батареи, энергоэффективность, энергосбережение, автономные источники энергии, солнечная энергия

1. Введение

В настоящее время огромное внимание уделяется вопросам энергосбережения в строительстве, это выгодно предприятиям, как с экологической, так и с экономической точки зрения. Одним из основных способов сохранения энергии и природных ресурсов является использование альтернативных источников энергии, в частности, солнечной энергии. В данной работе определяется, насколько выгодно использование солнечных батарей в Санкт-Петербурге на основе расчета производства энергии среднестатистическими батареями в исследуемых климатических условиях.

2. Обзор литературы

Сегодня можно найти большое число работ, посвященных энергоэффективности, в том числе способы энергосбережения закреплены в нормативных документах [1, 2, 3]. Одним из основных направлений развития экономики России является повышение энергоэффективности в различных сферах, уровень которой явно недостаточный в сравнении с мировым опытом [4–8]. В работах [9–16] рассмотрены основные способы энергосбережения в строительстве, среди них и использование солнечных батарей [17–19].

3. Цели и задачи

Целью работы является исследование эффективности использования солнечных батарей в Санкт-Петербурге. Для этого были поставлены следующие задачи:

‒ проанализировать географического положения и климатических условий Санкт-Петербурга;

‒ привести условия расположения батареи и характеристики взятого дома;

‒ привести и проанализировать результаты расчета мощности солнечного излучения и выработки энергии;

‒ определить окупаемость исследуемых солнечных батарей.

4. Описание исследования

Эффективность солнечных батарей была рассмотрена на примере загородного стандартного дома площадью 90 м² в поселке Левашово Выборгского района города Санкт-Петербурга. Принято реальное количество комнат (8) и ламп в каждой из них (Таблица 1).

Посезонное использование ламп накаливания

Выбран 0° наклон солнечной батареи относительно горизонта (батарея расположена горизонтально). Выработка энергии рассчитана для среднестатистических солнечных батарей Centrosolar 215 Вт [20].

Рис. 1. Солнечная батарея

Выработка фотоэлектрической панели определяется по формуле (1):

(1)

где — выработка энергии солнечной батареей за месяц;

— месячная инсоляция квадратного метра [21];

— номинальная мощность солнечной батареи;

η — общий КПД передачи электрического тока по проводам, контроллера солнечной батареи и инвертора при преобразовании низковольтного постоянного напряжения в стандартное (если предполагается использовать низковольтное напряжение напрямую, то при достаточно толстых и коротких проводах η можно приравнять к 1, т. е. не учитывать);

На основе полученных значений месячной инсоляции, была определена номинальная мощность солнечной батареи, требуемую для обеспечения необходимой месячной выработки (2).

Мощность солнечного излучения меняется от месяца к месяцу, а номинальная мощность солнечной батареи неизменна, и именно на неё следует ориентироваться при выборе места для установки и определении затрат. Формула (2) удобна, чтобы оценить номинальную мощность батареи для конкретных условий инсоляции, но мало подходит для оценки её возможностей в течение всего года. Поэтому для данной работы, когда важно знать, сколько и в какие месяцы солнечные модули смогут выработать энергии, правильнее руководствоваться данными, полученными по формуле (1) — (Таблица 2).

Таблица 2

Выработка энергии батареей

Итого: Средняя плата за месяц: 48 рублей. Среднее количество батарей: 5 шт. Стоимость одной батареи 19900 руб.

14900*5=74500 руб, откуда находим окупаемость батарей:

Как видно из таблицы, особо трудно обеспечить достаточную выработку энергии в зимний период.

Стоит заметить, что окупаемость батарей 130 лет, а срок службы батареи — 10 лет, из чего следует сделать вывод, что батареи не окупаемы для данного региона и устанавливать их невыгодно.

5. Выводы

В работе был проведен расчет эффективности использования солнечных батарей в Санкт-Петербурге для стандартного загородного дома. На основе этих подсчетов был сделан вывод о значительных потерях при установке батарей. Таким образом, установка солнечных батарей в климатических условиях Санкт-Петербурга крайне невыгодна.

1. SNiP 23–02–2003 Teplovaja zashhita zdanij. Gosstroj Rossii. [Thermal protection of buildings. State Committee for Construction of Russia] М., 2004. 30 p. (rus)
2. Federal law № 261-ФЗ «Ob jenergosberezhenii i o povyshenii jenergeticheskoj jeffektivnosti i o vnesenii izmenenij v otdel'nye zakonodatel'nye akty Rossijskoj Federacii». [About energy saving and about increase of power efficiency and about modification of separate acts of the Russian Federation] М., 2009. (rus)
3. GOST Р 52106–2003 Resursosberezhenie. Obshhie polozhenija. [Resource-saving. General provisions] М., 2003. (rus)
4. Jakovlev A. S., Barysheva G. A. Jenergojeffektivnost' i jenergosberezhenie v Rossii na fone opyta zarubezhnyh stran. [Energy efficiency and energy saving in Russia against experience of foreign countries] // Izvestija tomskogo politehnicheskogo universiteta. 2012. № 6. pp. 25–30.
5. Zverev A. V. Jenergojeffektivnost' i jenergosberezhenie: mirovoj opyt dlja Rossii. [Energy efficiency and energy saving: world experience for Russia] M.: Izd-vo Statistika Rossii, 2011. 175 p.
6. Tihonenko Ju.F. Ob organizacii jenergosberezhenija za rubezhom i rossijskie realii. [About the organization of energy saving abroad and Russian realities] [Digital resource]. URL: http://portal-energo.ru/articles/details/id/483 (Date of the request: 23.12.2014).
7. Kuznik I. V. Principy bjudzhetnogo stimulirovanija jenergosberegajushhih meroprijatij v Rossii. [The principles of the budgetary stimulation of energy saving actions in Russia] [Digital resource]. URL: http://stroyprofile.com/archive/2555 (Date of the reques: 27.06.2012).
8. Spiridonov A. V., Shubin I. L. Zakonodatel'stvo po jenergosberezheniju v SShA, Evrope i Rossii. Puti reshenija. [The legislation on energy saving in the USA, Europe and Russia. Solutions] // Vestnik MGSU. 2011. T. 1. № 3. pp. 4–14.
9. Savin V. K., Savina N. V. Arhitektura i jenergojeffektivnost' zdanij. [Architecture and energy efficiency of buildings] // Gradostroitel'stvo. 2013. № 1 (23). pp. 82–84.
10. Vatin N. I., Gorshkov A. S., Nemova D. V. Jenergojeffektivnost' ograzhdajushhih konstrukcij pri kapital'nom remonte. [Energy efficiency of the protecting designs at capital repairs] // Stroitel'stvo unikal'nyh zdanij i sooruzhenij. 2013. № 3 (8). pp. 1–11.
11. Avsjukevich A. D. Jenergojeffektivnost' i jenergosberezhenie v sistemah teplosnabzhenija. [Energy efficiency and energy saving in systems of heat supply] // Stroitel'stvo unikal'nyh zdanij i sooruzhenij. 2013. № 2 (7). pp. 40–54.
12. Kaz'min S. I., Fintisov A. I. Solnechnaja batareja. [Solar battery] // Stroitel'stvo unikal'nyh zdanij i sooruzhenij. 2013. № 2 (7). pp. 40–54.
13. Zadvinskaya T., Gorshkov A. Comprehensive method of energy efficiency of residential house // Advanced Materials Research. 2014. № 953–954. pp. 1570–1577.
14. Vatin N., Nemova D., Kazimirova A., Gureev K. Increase of energy efficiency of the building of kindergarten // Advanced Materials Research. 2014. № 953–954. С. 1537–1544.
15. Vatin N., Nemova D., Tarasova D., Staritcyna A. Increase of energy efficiency for educational institution building // Advanced Materials Research. 2014. № 953–954. pp. 854–870.
16. Vatin N., Gamayunova O. Choosing the right type of windows to improve energy efficiency of buildings // Applied Mechanics and Materials. 2014. № 633–634. pp. 972–976.
17. Murgul V. Features of energy efficient upgrade of historic buildings (illustrated with the example of Saint-Petersburg) // Journal of Applied Engineering Science. 2014. № 12 (1). pp. 1–10.
18. Aronova E., Radovic G., Murgul V., Vatin N. Solar Power Opportunities in Northern Cities (Case Study of Saint-Petersburg) // Applied Mechanics and Materials. 2014. № 587–589. pp. 348–354.
19. Murgul V., Vatin N., Aronova E. Solar power supply in the system of restoration and reconstruction remote historic and cultural objects (on the example of Montenegro) // Applied Mechanics and Materials. 2014. № 635–637. pp. 2029–2035.
20. Murgul V. Solar Energy systems in the reconstruction of heritage historical buildings of the northern towns (for example Saint-Petersburg) // Journal of Applied Engineering Science. 2014. № 12 (2). pp. 121–128.
21. CentroSolar [Digital resource]. URL: http://www.centrosolar.de/en/ (Date of the reques: 23.12.2014).
22. Perpetuum mobile. Moshhnost' solnechnogo izluchenija. [Sunlight power] [Digital resource].URL:http://khd2.narod.ru/gratis/insolate.htm (Date of the reques: 23.12.2014).