1. Введение

США является лидером стран, которые намерены выполнить переход от традиционных на возобновляемые источники энергии. За последние десятилетия доля всех возобновляемых источников энергии в США увеличилась на 31% [4]. На рисунке 1 представлен прирост мощностей в солнечной и ветровой энергетики в США с 2010 по 2023 год [6, С. 145–163]. Видно, что солнечная энергия за последние годы демонстрирует стремительный рост, в то время как ветроэнергетика также стабильно увеличивает свою долю. По сообщениям Управления Энергетической Информацией США (EIA) в 2024 году ветряные и солнечные станции 7 месяцев подряд выдавали больше энергии чем угольные станции. Для сравнения в апреле прошлого года только ветряные станции выработали 47,7ГВт∙ч по сравнению с тем, что угольные станции выработали 37,2ГВт∙ч [5, С. 87].

Возобновляемые источники энергии набирают популярность не только в промышленных масштабах, но и в частных домах. Домовладельцы переходят на возобновляемые источники энергии, стремясь снизить затраты на электроэнергию [2, С. 349]. Наиболее популярные решения: ветровые установки и солнечные батареи. Выбор зависит от множества факторов, включая климатические особенности, условия размещения и стоимость. В данной статье проводится всесторонний сравнительный анализ указанных технологий с учетом научных данных и современных исследований в области энергетики.

2. Уровень солнечной инсоляции и скорость ветра в месте установки

Малые ветрогенераторы для частного использования представляют собой установки мощностью от 1 до 10 кВт, предназначенные для автономного или комбинированного электроснабжения индивидуальных жилых домов, фермерских хозяйств и удалённых объектов инфраструктуры. Такие установки, как правило, используются в районах с ограниченным доступом к централизованным электрическим сетям либо в качестве дополнительного источника энергии с целью снижения затрат на электроэнергию и повышения энергетической независимости потребителей.

Наиболее благоприятными регионами для их эксплуатации являются центральные штаты США (Айова, Северная и Южная Дакота, Небраска), а также прибрежные зоны Атлантического и Тихоокеанского побережья, для которых характерны устойчивые воздушные потоки и высокие среднегодовые скорости ветра [10, С. 31]. Наличие стабильного ветрового ресурса в данных регионах обеспечивает более высокий коэффициент использования установленной мощности малых ветрогенераторов и повышает экономическую эффективность их применения.

Подробное распределение ветрового потенциала по регионам США, включая показатели среднегодовой скорости ветра и зональную классификацию территорий по пригодности для размещения ветроэнергетических установок, представлено на рисунке 2 [8].

Согласно данным Национальной лаборатории возобновляемой энергии США (NREL), наибольшая рентабельность эксплуатации таких установок достигается при средней скорости ветра выше 5м/с на высоте установки турбины [3, С. 15]. При благоприятных условиях коэффициент полезного действия (КПД) малых ветрогенераторов может достигать 40%, что делает их эффективным источником автономной электроэнергии в ветрообеспеченных регионах.

Солнечные панели представляют собой устройства, преобразующие солнечную энергию в электричество с использованием полупроводниковых материалов, преимущественно на основе кремния, за счёт фотоэлектрического эффекта. В процессе работы солнечные модули напрямую преобразуют поток солнечного излучения в электрический ток постоянного напряжения, который в дальнейшем может использоваться для электроснабжения потребителей либо аккумулироваться в системах хранения энергии.

Наибольший потенциал солнечной генерации наблюдается в юго-западных штатах США (Калифорния, Аризона, Техас, Невада), где средняя суточная солнечная радиация превышает 5кВт·ч/м² в день [9, С. 4]. Высокий уровень инсоляции в данных регионах обусловлен климатическими особенностями, включая большое количество солнечных дней в году, низкую облачность и продолжительную продолжительность светового дня, что способствует стабильной и предсказуемой выработке электроэнергии солнечными электростанциями.

Подробное распределение солнечного потенциала по регионам США, а также картографическая оценка уровней инсоляции и их сезонной изменчивости представлены на рисунке 3 [7].

Современные фотоэлектрические панели обладают номинальным КПД в пределах 18–24%, однако при недостаточном освещении (например, в облачную погоду или при затенении) их эффективность значительно снижается. Это особенно актуально для северных широт и регионов с высокой облачностью, где годовая генерация солнечных станций может быть ниже среднестатистических значений.

3. Экономическая оценка

Для оценки и сравнения выберем штат в США, в котором не преобладает потенциал для солнечной или ветряной генерации. Иллинойс.

Выполним годовой расчет генерации энергии для двух источников, согласно методике представленной [1, С. 137].

Для солнечной генерации:

где Wsol — 

—

—

Nsol—

—

Для ветровой генерации:

где

Wwin —

Nsol—

Расчет годовой экономии:

где

Wsol

Расчет срока окупаемости:

где

где

Сведем полученные данные в таблицу 1.

Как показали расчёты, установка ветряной станции является более выгодной по сравнению с солнечными панелями, поскольку она способна генерировать электроэнергию круглосуточно, независимо от времени суток. Однако ветряные установки требуют большего пространства и регулярного технического обслуживания, что может стать ограничивающим фактором для частных домовладельцев.

Тем не менее, срок окупаемости обеих установок остаётся экономически нецелесообразным, что делает внедрение возобновляемых источников энергии в регионах с умеренным уровнем ветра и солнечной радиации малопривлекательным для частных домовладельцев. Высокая стоимость первоначальных инвестиций остаётся ключевым барьером, препятствующим массовому внедрению автономных систем солнечной и ветровой генерации.

Решить данную проблему возможно на законодательном уровне путём расширения государственных субсидий, налоговых льгот и программ поощрения для частных домовладельцев, желающих установить системы ВИЭ.

Увеличение налоговых льгот и грантов:

• Увеличение федеральных кредитов для частных лиц, включив туда не только солнечные батареи, но и ветровые установки.

• Предоставление безвозвратных грантов и льготных кредитов на цели покупки и установки необходимого оборудования.

• Введение дополнительных налоговых льгот для домовладельцев, имеющих ВИЭ-установки.

Компенсация за избыточную энергию:

• Разрешить домовладельцам продавать избыточную энергию в сеть по приемлемой цене.

• Упростить процедуры для подключения частных ВИЭ-установок к энергосетям.

Изменение бюрократических процедур:

• Упростить бюрократические процедуры, разрешающие установку частных ветряных турбин, особенно в сельских районах.

• Введение единых стандартов и правил для установки ВИЭ-установок.

4. Заключение

Для перехода на экологически чистые возобновляемые источник энергии развитие на уровне частных домовладельцев просто необходимо. Однако, как показал сравнительный анализ, установка ветряных и солнечных электростанций в регионах без ярко выраженного ветрового или солнечного потенциала остаётся экономически невыгодной. Ветровые установки способны работать круглосуточно, но их установка и обслуживание более дорогое и требует больших трудозатрат. Когда как солнечные панели более дешевые и их установка не требует дополнительного пространства, но они могут работать только в световой день.

Для увеличения рентабельности ВИЭ установок необходимы меры по поддержке от государства. Субсидии, гранты, сниженные налоги, программы стимулирования и поощрения.

Таким образом, чтобы сделать ВИЭ установки более выгодными и привлекательными для населения необходимы не только технологические улучшения, но и всесторонняя поддержка от государства.

The additional file for this article can be found as follows: