Государственная программа Российской Федерации «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2030 года», утверждённая Правительством РФ в 2009 году, направлена на совершенствование нормативно-правовой базы и реализацию механизмов повышения энергетической эффективности, повышение экологической безопасности, сокращении удельной энергоёмкости валового внутреннего продукта более чем в два раза (по сравнению с уровнем 2005 года) [2].
Несмотря на то, что Россия обеспечена собственными запасами традиционных топливно-энергетических ресурсов, развитие возобновляемых источников энергии (ВИЭ) является крайне важным стратегическим направлением будущей энергетики [3, 4]. Развитие ВИЭ в России необходимо рассматривать как важный фактор модернизации экономики, в том числе связанной с развитием инновационных производств, новых технологий, развитием малого и среднего бизнеса, созданием новых рабочих мест, улучшением экологии и т. п. [5].
Активное развитие солнечной энергетики способствовало снижению стоимости производства солнечных панелей, повышению их эффективности.
Различают несколько поколений фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), в зависимости от материала, конструкции и способа производства:
1. ФЭП первого поколения на основе пластин кристаллического кремния [монокристаллический кремний (mc-Si), поликристаллический кремний (m-Si), на основе арсенида галлия (GaAs)].
2. ФЭП второго поколения на основе тонких плёнок [аморфный кремний (a-Si), микрои нанокремний (mc-Si/nc-Si), кристаллический кремний на стекле (CSG), теллурид кадмия (CdTe), (ди)селенид меди-(индия)-галлия (CI(G)S)].
3. ФЭП третьего поколения на основе дешёвых и перерабатываемых полимеров и электролитов [6].
Использование ФЭП, интегрированных в фасады зданий, в настоящий момент становится всё более актуальным. Например, в 2015 году финская компания Ruukki разработала специальную систему облицовки зданий, которая использует встроенные солнечные батареи [7]. Используемые пластины в системе аккумулирующего энергию фасада состоят из плёнки с глянцевой чёрной поверхностью. Такие панели способны захватывать даже диффузное излучение, что позволяет применять фасады при облачной погоде.
Невысокая стоимость (от $0,25 за 1 Вт), КПД 12–20% модулей третьего поколения и высокая производительность при рассеянном свете по сравнению с кристаллическими аналогами делают целесообразным их использование в том числе и в Уральском регионе с его преимущественно пасмурной погодой. Некоторые виды модулей производят с прозрачностью до 20%, что позволяет применять такие тонкоплёночные батареи на светопрозрачных конструкциях. Наиболее распространёнными являются тонкоплёночные батареи на основе аморфного кремния с КПД не более 12%. В настоящее время наиболее эффективны тонкоплёночные фотоэлементы на основе индия, селена и меди с КПД около 20%.
Оценка эффективности использования тонкоплёночных фотоэлектрических преобразователей на фасадах зданий в этом исследовании производится для двух городов: Екатеринбург (Свердловская область) и Севастополь (Республика Крым). Исследование проводится для трёхэтажного жилого дома с размерами в осях 18×24 м. Фасад дома, ориентированный на южную сторону, облицовывается тонкоплёночными панелями.
На первом этаже расположены три квартиры: двух-, трёхи четырёхкомнатная. На втором и третьем также расположены три квартиры: две трёхкомнатных и четырёхкомнатная.
Расчётное количество проживающих человек в здании — 29 человек.
В соответствии с нормативами потребления коммунальной услуги по электроснабжению в жилых помещениях для многоквартирных домов, оборудованных электрическими плитами, норматив потребления на одного человека в месяц составляет для Свердловской области:
- 117 кВт·ч для двухкомнатных квартир;
- 99 кВт·ч для трёхкомнатных;
- 85 кВт·ч для четырёхкомнатных.
Норматив потребления коммунальной услуги по электроснабжению для Республики Крым составляет:
- 108 кВт·ч для двухкомнатных квартир;
- 91 кВт·ч для трёхкомнатных;
- 79 кВт·ч для четырёхкомнатных.
По табл. 9.1 СП 131.13330.2018 определяем значения суммарной солнечной радиации (прямой и рассеянной) при безоблачном небе на вертикальную поверхность, ориентированную на юг [8]. Значения приведены для географических широт для каждого месяца.
Координаты г. Екатеринбурга — 56° 50,3164′0″ с.ш. (N), 60° 36,3308′0″ в.г. (E).
Координаты г. Севастополя — 44° 37,0012′0″ с.ш. (N), 33° 31,5259′0″ в.г. (E).
Дополнительно был вычислен коэффициент, равный отношению количества ясных дней в году к количеству дней в году. Для Екатеринбурга количество ясных дней в среднем составляет 135 дней, для Севастополя — 300. Суммарная годовая солнечная радиация с учётом принятого коэффициента для Екатеринбурга равна 643,36 кВт·ч/м², для Севастополя — 1218,62 кВт·ч/м² (табл. 1). В табл. 2 приведено потребление электроэнергии для квартир в месяц и в год. В табл. 3 приведены выработки электроэнергии солнечными панелями с разными КПД — 7, 10 и 15%. При площади панелей, установленных на южный фасад здания, равной 137,8 м² (не включая окна и двери), выработка энергии панелями с КПД 15% для Свердловской области составляет более 40% от суммарного годового потребления электроэнергии проживающих, без учёта потребления на общедомовые нужны. Для Республики Крым выработка панелями с высоким КПД составляет 83%.
В данном расчёте не учитывалась неравномерность поступления солнечной радиации. Мощность фасадной ФЭС зависит от выбранного типа ФЭП, общая мощность составит от 10 до 20 кВт.
В соответствии с принятыми поправками к Федеральному закону №35-ФЗ «Об электроэнергетике» введено понятие о микрогенерации — о частных электростанциях мощностью до 15 кВт. В том случае, если мощность электростанции для выбранного жилого дома составит менее 15 кВт, в летний период при избытке выработанной энергии сверх собственного потребления, энергоснабжающим организациям предписывается покупать энергию, выработанную микрогенерирующими установками по установленному на данной территории оптовому тарифу. Закон не содержит разрешения на взаимозачётную компенсацию выданной в сеть электроэнергии, что существенно влияет на стагнацию в развитии возобновляемой энергетики.
К примеру, в Германии действует закон о возобновляемых источниках энергии (German Renewable Energy Sources Act или Erneuerbare-Energien-Gesetz, EEG [9]), согласно которому установлено право на выплату премии за поставку энергии ВИЭ от арендодателя к арендатору для солнечных установок с установленной мощностью до 100 кВт, которые устанавливаются в жилом доме, при условии, что не менее 40% площади здания занято жилыми помещениями.
Стимулирующие выплаты способствуют развитию и распространению энергетики, основанной на возобновляемых источников энергии.
В соответствии с действующим законом операторы электростанций получают вознаграждение в течение 20 лет за «возобновляемую» энергию, которую они производят и подают в сеть. Тариф оплачивает оператор системы передачи, который продаёт электроэнергию на бирже. Цена, которую они могут получить там, часто оказывается ниже фиксированной ставки вознаграждения. Разница между расходами на оплату труда и доходами от продажи электроэнергии перекладывается на потребителей электроэнергии. Полученная цифра — это выплата за энергоустановки на основе возобновляемых источников энергии [9].
Изменения в федеральном законе в пользу возобновляемой энергетики, установление порядка стимулирующих выплат операторам электростанций могут значительно повлиять на развитие возобновляемых источников энергии на территории Российской Федерации.
