Стан сонячної енергетики в умовах домашніх господарств Сполучених Штатів Америки

 Панікувати не варто, але до 2050, людству необхідно для стабілізації концентрації кисню в атмосфері, виробляти 15 ТВт енергії з джерел, які відновлюються і не збільшують викидів вуглекислого газу в атмосферу.

Панікувати не варто, але до 2050, людству необхідно для стабілізації концентрації кисню в атмосфері, виробляти 15 ТВт енергії з джерел, які відновлюються і не збільшують викидів вуглекислого газу в атмосферу. Говорячи про потенціал, то найдоступніша і перспективна - сонячна енергія.

Головний науковий співробітник дослідницького центру атмосферних наук в Олбані (штат Нью-Йорк) Річард Перес стверджує, що використання сонця - розумне рішення для отримання енергії на довгостроковій основі, з тим щоб екологічні вимоги планети Земля не були порушені. Це твердження базувалось на аналізі геотермальних джерел, таких як вітер та інших поновлюваних джерел, всіх видів викопного палива, ядерного синтезу.

Якщо геотермальні джерела, гідроенергетика і вітер в деяких регіонах зарекомендували себе дуже добре, потенціал сонячної енергії перевершує інші джерела відновлюваної енергії в рази, тому що панелі можуть бути встановлені незалежно від погодних особливостей конкретної місцевості. На додаток до ядерної енергії, сонячна може вирішити глобальні питання з виробництва дуже великої кількості енергії.

За певними даними вчених, на нашу планету попадає приблизно 175 Вт/м²  сонячної енергії, і це в середньому. Припускаючи, що 10 відсотків такої енергії перетворюється в електричну енергію, необхідну для людства, то поставка енергії, необхідна для Сполучених Штатів Америки вимагає покриття двох відсотків території країни спеціальними панелями (площа штату Північна Дакота). З огляду на такий факт, що навіть взявши поверхню всіх дахів на будівлях США, вимагається площа в тридцять разів більша, тому для генерації цієї кількості енергії необхідно будувати великі електростанції, отримуючи енергію від сонця.

Але це не скоротить ефективність і користь декількох сонячних панелей на даху вашого будинку. Якщо це приватний будинок, то ви якщо захочете зможете генерувати електроенергію самостійно. Таким чином, можна усунути, або хоча б зменшити залежність від постачальника електроенергії, а можливо, і взагалі продавати надлишки, повністю знижуючи вартість до мінімуму, або взагалі отримувати прибуток від цього.

Нинішня ситуація з сонячними ініціативами в США є невизначеною, все через нещодавню зміну Президента. Незважаючи на це, деякі підприємства, компанії або громадяни самі вирішили збільшити або зменшити кількість енергії сонця. Для кращого розуміння нинішнього стану сонячної енергетики в домашніх умовах, ми ознайомилися з практикою, досвідом, економічною стороною різних американських громадян, які перетворили свої будинки на дрібні електростанції, забезпечуючи електроенергією себе самі. Ми впевнені, що навіть якщо ви живете в квартирі, або чомусь в гараж або підвалі, інформація, описана нижче, може бути корисною.

Найкращий час для розвитку

Коли ми були дітьми, ми були спантеличені і захоплювалися в той же час, як годинник і калькулятори можуть заряджатися від сонця. Створення електрики з світла здавалося чимось неймовірним і магічним. Чому до цих пір наша цивілізація не повністю перейшли на сонячну енергію? Головна перешкода - висока вартість і низький ККД СП (сонячні панелі) - спеціальних пластин, які перетворюють на електроенергію фотони.

Просто вдумайтеся, перша сонячна панель була розроблена в 1883 році легендарним американським вченим-винахідником Чарльзом Фріттсом, він мріяв, що його сонячні пластини будуть на рівних конкурувати з зростаючою в той час мережею електростанцій Томаса Едісона, які спалювали вугілля тонами. Але тільки один відсоток ефективності залишив сон видатного винахідника за межами можливого.

У 54-му році минулого століття, лабораторія Белла представила панель для публіки, з'єднавши їх з радіопередавачем і іграшковому колесу огляду. Цей пристрій вже мав ККД 6%, це був серйозний прорив у той час. Плюс це була плита, яка мала кілька фотоелементів, і вони були з’єднані  в одну батарею. Звичайно, для широкого розповсюдження таких СП були дуже дорогими, але всесвітньо відоме видання «The New York Times» вийшло в друк з таким заголовком: «Починається нова ера, яка приведе людство до одного з найцінніших сподівань - освоєння майже безмежної сонячної енергії для цивілізаційних потреб».

П'ятдесяті-шістдесяті роки відзначені активними науково-дослідними роботами фахівців з удосконалення СП. Сонячні батареї почали з'являтися в побутових пристроях різних видів, наприклад, іграшках, годинниках або калькуляторах. У другій половині десятиліття ефективність подвоїлася, але вартість ще була дуже велика, особливо при врахуванні копійкових цін на електроенергію (ціна за 1 Вт електроенергії, отримана від одної батареї становила 50 центів, а панель коштувала $300).

Кінець декади ознаменувався підтвердженням корисності СП, їх використовували для забезпечення енергією величезної кількість штучних супутників. ВМС США скептично ставився до інноваційної розробки, але через пару днів, коли вмер акумулятор на 1-му супутнику, а панелі підтримували роботу на протязі декількох років, вони визнали ефективність виробництва енергії від сонця.

Зрозуміло, що вартість СП найвищої якості, яка використовувалася в різних типах космічної техніки, була високою, але це лише невелика частина загальної ціни найскладніших дорогих систем, а відносно невелика ціна наземної енергії і викопного палива в 50-60-ті роки яка не стимулювала зниження вартості. Але вже в сімдесятих роках вдалося розробити сонячні батареї з використанням більш дешевих матеріалів, за 1 Вт електроенергії доводилося платити $20. І з огляду на енергетичну кризу, що потрапила в 1973 році США, нова хвиля інтересу до поновлюваних джерел енергії охопила всю країну. Але технологія не була готова виходити на масовий ринок, тому що ефективність була всього 10%, а вартість не зменшувалась.

Популярність сонячних панелів в даний час

Підвищення інтересу до сонячної енергетики, дуже чітко проглядається на сьогоднішній день, як у великих обсягах, наприклад, у величезних корпораціях, так і на побутовому рівні. Це відбувається тому, що ефективність зросла, вартість знизилась, почали вводити стимулюючі програми з боку податкових регуляторів. Все це супроводжується глобальною заклопотаністю з приводу кліматичних змін.

Більше ніж у тридцяти країнах, включаючи США, енергія, отримана за допомогою СП, стає дешевшою, ніж від електричної мережі, це без урахування субсидій, передбачених при покупці батарей.

Широке поширення СП в повсякденному житті, допомагали різні види альтернативних варіантів, встановлених на даху, деякі виробники виробляють естетично привабливі моделі, які зовні повторюють спеціальне покриття для покрівель. Є організації, що продають готові будинки невеликих розмірів, деякі з них йдуть з сонячними дахами, така будівля може бути 100 відсотка автономним.

Нещодавно Ілон Маск заявив, що розроблена ним «сонячна покрівля» в установці буде дешевша, ніж звичайна покрівля, хоча вона зможе отримувати електричну енергію від сонця.

Крім того, домовласники не можуть бути обмежені покрівлями, така ж технологія може бути встановлена на навіс для автомобіля і в інших будівлях, або, є можливість встановити СП у дворі або полі.

Хоча ця стаття фокусується на використанні сонячної енергії в господарствах домашнього плану, слід підкреслити, що сегмент споруд середніх розмірів з СП дуже швидко розвивається. Вони менші масштабних електростанцій на сонячній енергії, але більші домашніх.

У всіх куточках США можна помітити земельні ділянки, які засаджені не пасовищами для корів або коней, кукурудзою, а шарами сонячних батарей. Сонячні електростанції невеликого розміру стають дуже популярними, тому що вони дозволяють невеликим громадам існувати без необхідності купувати на кожного члена власну систему. Таким чином, сонячна енергія може принести більше користі, ніж вона приносить при вирощуванні на цьому клаптику землі деяких сільськогосподарських культур.

Вартість

Ви все таки вирішили займатися виробленням енергії від сонця для власних потреб, чи розумне це вкладення коштів?

Багато людей турбуються не тільки про грошову сторону цього питання. Маса мешканців землі турбуються про екологію і про свій внесок у викиди парникових газів, це складова відмови від електромережі може навіть переважати фінансову сторону цього питання. Звичайно, більшість інвестує, особливо якщо система з акумуляторами, щоб відчути незалежність від центральної інфраструктури.

Вся система для здобуття електрики від сонячних променів коштує немалих грошей, особливо якщо власник будинку або квартири не міг підписати взаємовигідний договір з компанією, що займається установкою панелей.

На додаток до узагальнених нюансів, наскільки буде дорогою сонячна енергія у вашому домі, залежить від того, де ви живете. У містах, і особливо - у великих, ціна на електроенергію є найвищою, тому вкладення грошей в СП на даху, без сумніву, буде дуже вигідним. Але якщо погодні умови роблять сонячні панелі малоефективними, а ціна на електроенергію нижча, то такі інвестиції не можуть бути прибутковими. Залежно від регіону, вартість продажу електричної енергії назад в мережу може значно відрізнятися.

Американський енергетичний дослідник говорить, що на сьогоднішній день, ціна сонячної енергії з встановленими на даху СП, беручи до уваги монтаж та інші нюанси, в Сполучених Штатах Америки зрівнялась з ціною із мережі (близько 12 центів/1 кВт/год). Цей факт може слугувати відправною точкою для всього людства, і означає, що кожен власник приватного будинку повинен враховувати доцільність використання СП.

Наведені вище цифри не такі однозначні, тому що ціна отриманої енергії по всій країні з електричної мережі може відрізнятися дуже серйозно (в десять разів), виходячи з цього випливає, що вартість сонячного світла теж відрізняється дуже серйозно.

В результаті є регіони великого розміру, де багато сонячного світла, і висока ціна енергії в електромережі, наприклад, Південна Каліфорнія, тут поставити панелі - красива ідея, яка принесе дохід з плином часу. А в штаті Вашингтон недорога електроенергія, а сонця не так багато як в Каліфорнії, тому установлювати СП там немає ніякого резону, принаймні – в фінансовому плані.

Але інформація дуже швидко оновлюється, тому що прості СП на кремнієвій основі регулярно падають в ціні, як правило, завдяки економії на масштабі. Через це в майбутньому очікується не тільки насичення ринку, а й розпочнеться нове дослідження методів виробництва і типів фотоелементів, які сьогодні не відомі людині.

Приклад з життя

Йохан Петерсен - уродженець Норвегії, а живе в Денвері, штат Колорадо. Півтора року тому він поставив панелі з фотоелементів на даху свого будинку і постійно фіксував дані, він поділився своїми записами, і вони були дуже цікавими.

Йохан стежив за своєю системою і зрозумів, що за фактом, СП згенерували близько 3400 кВт-год електроенергії за 1 рік своєї роботи, в той час як його фермерське господарство спожило 4200 кВт-год, і це на 800 більше, ніж вдалося отримати від сонця. Зрозуміло, що дефіцит електроенергії надійшов з центральної мережі.

Вартість одного кВт - 13 центів, так що стандартний рахунок за 800, складав би 104 долари, але правила заохочення використання сонячної енергії в приватних домогосподарствах припускають, що енергетична компанія повинна заплатити Йохану три центи за кожен кВт/ч. вироблений СП. У більшості штатів, є така стимулююча програма, яка покликана знизити ціну на установку сонячних панелей.

А що ж ми отримуємо? В результаті, Йохан заплатив за панелі 102 долари, а рахунок за річне споживання енергії склав два бакси. Якщо необхідно було заплатити за 4200 кВт/год, тоді власнику будинку довелося б заплатити $546, а це означає, що сонячні промені принесли щорічний прибуток в $544.

Датчанин стверджує, що повернення цієї суми ділиться на вартість установки (7672 доларів після відшкодування податків), дає 7,09% відшкодування (за винятком відсотків по кредиту за установку). Петерсен вважає що доцільно інвестував свої фінанси, плюс захищає навколишнє середовище, що також дуже актуально. І з огляду на сумну тенденцію, що ціна електроенергії від центральної мережі тільки росте, економія власників СП буде тільки зростати, незважаючи на невелику деградацію ефективності панелів з плином часу.

До речі, енергоспоживання будинку Йохан вельми скромне через те, що до монтажу сонячних панелей, він витратився на високоефективні технології (енергоефективна побутова техніка, світлодіодні лампи), вони також мають вигоду, і це дуже вдумливо.

Звичайно, багатьох це не цікавить, але родина Петерсон знизила кількість шкідливих викидів, тому що штат Колорадо, 60% енергії отримує шляхом спалювання викопного палива, а саме - вугілля, так що повітря там досить брудне.

Щоб встановити СП на даху, необхідно чітко зрозуміти, яка площа доступна і який об’єм світла вона отримує. Це може дати вам можливість визначити, зможуть панелі видавати достатню кількість енергії.

Ясна справа, монтажники можуть зробити розрахунок замість вас, але їх основне завдання - продавати більше панелей, тому відмінною ідеєю буде самому виміряти і оцінити наскільки корисною буде система.

Проект Sunroof

Сайт від компанії Google, який після отримання певної адреси поєднує дані на даху з рівнем затінення, погодними умовами, розрахує економічний аспект монтажу панелей з фотоелементами на даху будівлі. Проект Sunroof   буде корисним, якщо не сліпо повірити його даним, а тільки приблизно оцінити, тому що проект все ще знаходиться на ранній стадії і не готовий провести детальний аналіз всіх нюансів.

Нестандартне використання сонячної енергії

Хорошим прикладом буде досвід одного блогера, який має віллу недалеко від Барселони, в Іспанії. Зовсім недавно він вирішив зробити свій офіс повністю залежним від енергії сонця. І хоча в нашій статті річ йде про США, цей досвід є дуже цікавим, тому що середня віддача сонця в Барселоні збігається з даними про Сполучені Штати Америки (1700 кВт/год/ М²на рік).

Блогер скористався вікнами, так як він не мав доступу до даху. Велика удача в тому, що вікна ідеально розташовані (між південним сходом і півднем), їх не затіняють будівлі, скелі або дерева. Але маленькі панельки, які були розміщені на підвіконнях, не могли живити всю будівлю.

Збільшити віддачу енергії вдалося, завдяки тому, що він поставив СП на спеціальні утримувачи, які дозволили розташувати панелі під кутом. така стратегія використовується в сонячних електростанціях, але вона не використовується в приватному, домашньому господарстві, тому що тут панелі просто прикріплюються на даху. Періодично змінюючи кут нахилу панелів, нам вдалося збільшити середньорічну віддачу на 10 відсотків. Що характерно, видача збільшилася в холодну пору року, саме в цей період дуже важливо отримати всю можливу енергію сонця. У зимові місяці СП можуть видавати в три рази більше, якщо їх грамотно нахилити.

Так само важливо зробити роботу офісу від постійного струму в 12 В. Залежно від розміру і потужності, батареї можуть видавати струм різної напруги, а саме дванадцять - найбільш популярна напруга для невеликих блоків. Це дуже зручно, тому що більшість пристроїв, наприклад, ноутбук, працює від 12 В.

Для об'єднання стандартної системи збору сонячної енергії та електропроводки, постійний струм надходить через спеціальний трансформатор і інвертор, який перетворює енергію в струм 120 В і 60 Гц (у Штатах). Замість конвертування виводиться окремий шнур від сонячних батарей, так не втрачається енергія при цьому. Таким чином, 40% енергії було збережено, це позитивно вплинуло на результати сміливих експериментів.

Третій приклад буде узятий з життя Кріса Колдвотера, він живе в штаті Массачусетс. Клімат в цьому регіоні не найкращий для панелей, вони часто покриваються снігом. Незважаючи на це, протягом 365-ти днів, їм вдалося згенерувати більше енергії, ніж спожити. Тоді сім'я Колдвотера поставили різні види пристроїв і систему кондиціювання повітря, щоб споживання енергії було приблизно таким, скільки її було вироблено. Через п'ять років після установки сонячних батарей, вони окупували себе, якщо врахувати стимулюючі програми і податкові пільги.

Пропозиція, від якої не потрібно відмовлятися

Звичайно, на величезних електростанціях електроенергія набагато дешевша порівнюючи з домашнім аналогам. Зовсім недавно, інноваційні технології та компетентне розташування, дозволило одній з сонячних електростанцій отримувати енергію дешевше, ніж газові ТЕС, і це серйозне досягнення.

Можливість отримати зниження цін на систему субсидій та інших преференцій є перевагою, що робить привабливим установку сонячних батарей на приватних будинках. У Сполучених Штатах Америки є кілька правил, які роблять СП будинок привабливим. До 2019 року існує 30% податкова знижка на установку систем, які працюють від сонця, така знижка буде працювати до 2019 року, а потім вона знизиться, а в 2021 її зовсім не буде. З огляду на деякі нюанси, вона діє і при установці сонячних систем, що нагрівають воду.

Дякуючи цій знижці, дослідження в області сонячної енергетики в домашніх господарствах набирало обертів. Хоч її скоро не стане, розширили інші державні індульгенції. Конгрес щороку розглядає пільги на податки, так що все може змінитися. Крім переваг загальнонаціонального масштабу, існують також спеціальні, які розповсюджуються в деяких штатах і округах.

Зовсім недавно, в місті Сан-Франциско увійшов цікавий вид стимуляції населення застосовувати сонячну енергію. Міська влада зобов'язує обладнати кожен новий будинок системами отримання енергії від сонячних променів та світла.

Боротьба з темрявою

У повній темряві або під снігом, сонячні батареї не працюють, але як бути, якщо електрика може знадобитися людині протягом доби, незалежно, ніч це або день. Для цього необхідно зберігати зайву енергію, яка була отримана сонячним днем, витягуючи її при необхідності, якщо генерація на даний момент відсутня.

Як комерційні, так і державні сонячні електростанції великих розмірів, використовують різні способи зберігання енергії, можуть вибирати найбільш ефективний, в залежності від навколишнього середовища. Наприклад, вони можуть стискати пружини або ємності з газом, використовуючи енергію хімічного походження, подібно до звичайних акумуляторів, або застосовувати більш складніші процеси. Можна зберігати енергію сонця у вигляді гравітаційної, накачувати рідину в резервуари, що знаходяться в піднятому положенні, а при необхідності, одержувати енергію, зливаючи через турбіни воду.

Єдиний варіант, який підходить в домашніх умовах є використання електричного акумулятора для зберігання енергії. Але нинішній етап розвитку людства і технологій, розроблених ним, робить придбання системи акумуляторів і їх обслуговування непрактичним і дуже дорогим. Як правило, люди, які мають доступ до електричної розетки воліють підключатися до центральної мережі, коли це потрібно, відмовившись від повної автономії. Це досить вигідний варіант, тому що надлишок енергії протягом дня може бути проданий в енергомережу, а вночі, або в будь-який інший час, коли панелі не функціонують, назад забирати.

Як показала практика, таке гібридне використання центральної мережі в ролі акумулятора дає можливість зробити установку СП дешевше і простіше, плюс вони набагато швидше окупляться, в більшості штатів енергетичні компанії зобов'язані платити домашнім господарствам за енергію, яка потрапили в мережу через панелі. Але в період локального блекауту, коли енергія може вам більш всього потрібна, особиста система буде відключена, оскільки цього вимагають умови безпеки для роботи працівників енергетичної організації, яка буде займатися виправленням проблем в мережі.

Якщо не думати про фінансову складову, то очевидний вибір для компетентного зберігання енергії - акумулятори, як правило, застосовують свинцево-кислотні, точно такі як і в автомобілях.

Зовсім недавно представники Tesla зробили революційну заяву, що вони адаптували технологію літій-іонних батарей, які використовуються в електрокарах, для використання в процесі експлуатації СП в якості резервної батареї. Пристрій розроблений таким чином, щоб функціонувати як збирач сонячної енергії, а також забезпечити резервне живлення протягом деякого часу у випадку відключень.

Поліпшення батарей, зниження цін і підвищення їх ефективності так само важливі, як поліпшення сонячних панелей і всього енергетичного сектору. Якщо буде прогрес у майбутньому, системи, обговорювані в цій статті, щороку будуть набирати популярності. Частка електричних транспортних засобів з кожним роком, а то і місяцем тільки збільшується, і це означає, що ці типи акумуляторів будуть кращим варіантом для зберігання енергії і підвищать попит на сонячну енергетику в домашніх господарствах. Адже кожна людина, яка купила машину, що працює від електрики, уже вкладе свої фінанси в акумулятор, який дозволить бути незалежним від центральної електромережі.

Tesla не так давно придбала компанію SolarCity. Ця покупка є частиною стратегії, яка була дуже скептично прийнята в фінансових колах. Стратегія має великі перспективи, тому що вона покликана створити компанію, яка поставляє енергію сонця, продаючи транспортні засоби, які заряджаються від неї, в той час як ці автомобілі будуть носіями, які дозволяють зберігати енергію.

Експерти впевнені, що до 2020 року батареї від машин Tesla будуть спроможні зберігати 70 ГВт енергії, що дуже серйозно.

Компанія Tesla сильно витратилась на свій проект, в минулому році вони встановили більше акумуляторів, ніж всі разом взяті компанії США в 2015 році. Організація планує виготовити сонячну покрівлю з акумулятором, це дає необхідну енергію споживачеві, без проблем функціонує.

Після придбання SolarCity Ілон Маск оголосив про технічні досягнення компанії, що збігаються з планами вище.

З огляду на всі особливості, на сьогоднішній день, домашня сонячна енергія підлягає постійним коректуванням і дуже складна. Із-за зміни податкового ландшафту та швидкого розвитку дослідницьких напрямків, ця сфера ще дуже нестабільна. Але економіка і технологія досягли такого рівня, що можна бути на 100% упевненим, що сонячні панелі на даху приватного будинку мають сенс, особливо якщо будинок знаходиться в регіоні, де кожен рік є багато сонячних променів. Зрозуміло, якщо місцеві закони не встановлюють на кожному кроці перешкоди різного характеру.

Для тих, хто живе не в дуже зручних кліматичних умовах, все набагато складніше, тут вам потрібно все дуже скрупульозно досліджувати. Але все-таки, певна незалежність від енергетичних компаній може переконати будь-кого у доцільності сонячної енергетики в домашніх умовах, а також догляд за навколишнім середовищем ніхто не скасовував. 

Популярні: Сонячні панелі | Сонячні батареї