Солнечные панели на крыше дома

Солнечные батареи для дачи и дома: принцип работы и подбор комплектующих

Солнечная энергетика

Солнечные батареи находят все большее применение во многих сферах. Чем-то обычным они стали и в быту. Оценив преимущества, их стали активно использовать дачники для обеспечения своих домов, находящихся на некотором расстоянии от благ цивилизации, теплом, электричеством, горячей водой. Чтобы грамотно применить, подаренную наукой технологию, необходимо знать основы работы солнечных панелей, уметь выполнить хотя бы простейшие расчеты рабочих узлов.

Что нужно знать о солнечных батареях

«Солнечная батарея» — выражение, подразумевающее под собой набор нескольких фотоэлементов, основой которых являются полупроводниковые материалы, непосредственно превращающих энергию солнца в электрический постоянный ток. Эта процедура называется фотоэлектрический эффект. После того как управление этим микрофизическим явлением было освоено на лабораторном уровне, производство кремниевых солнечных модулей, освоила и промышленность. КПД гелиопанелей — 18-22%. Соединение фотоэлементов в них — последовательное и параллельное. Каркас, на котором они расположены, изготовлен из диэлектрического материала.

Схема подключения солнечных батарей
Схема подключения солнечных батарей для дачи и частного дома.

На налаженную работу системы оказывает влияние правильный подбор всех комплектующих схемы электростанции. От качества модулей, из которых состоит солнечная батарея, зависит настолько успешно завершиться путь, пройденный фотонами от Солнца до Земли. Попав в эту ловушку для светового излучения, они становятся частью электроцепи, с постоянным током. Далее, в зависимости от поставленной задачи, происходит накопление полученной энергии в аккумуляторах либо их преображение в переменный электроток, питающий розетки 220 В

Виды солнечных панелей

Исходя из типа применяемых для изготовления кремниевых полупроводников, гелиопанели-модули делят на две категории:

  •      поликристаллические;
  •      монокристаллические.

Первые имеют форму плоского квадрата с разнохарактерной поверхностью, обусловленной присутствием разнородных кристаллов. Для их изготовления применяют кремниевый расплав. Сначала сырье заливают в специальные формы, затем полученные путем плавления блоки, режут на квадратные пластины. В процессе производства расплавленную кремниевую массу подвергают постепенному охлаждению.

Виды солнечных батарей
Монокристаллические панели являются более эффективны и производят больше энергии при тех же размерах, но поликристалические панели дешевле

Модуль состоит из 36 или 72 поликристаллических пластин. Из набора таких узлов состоит панель. Технология отличается относительной простотой, не предусматривает использования дорогого оборудования и не требует больших финансовых вложений. Минус у этих модулей один — КПД, не превышающий 18%. Преимущественный спрос на них объясняется тем, что они дешевле.

В отличие от предыдущих, поверхность у монокристаллических панелей однородная. Это тонкие пластины, визуально идентифицируемые, как квадрат, срезанный по углам. Для их получения кремниевый кристалл искусственно выращивают. Фотоэлементы, применяемые в этом случае, состоят из кремниевых цилиндров.

Путем обрезки слитков кремния со всех сторон, повышаются эксплуатационные характеристики. Этот процесс затратный, но продуктивный. Эффективность монокристаллических элементов может достигать 22%. Стоимость их выше, чем у поликристаллических в районе 10%.

 

Элементы и принцип работы солнечных панелей

Задача солнечной батареи — трансформация энергии солнечных лучей в электричество, питающее бытовые и промышленные устройства. Работа солнечной электростанции в принципе осуществляется по той же схеме, что и обычной.

 

Солнечная панель состоит из 5 элементов
Солнечная панель состоит из 5 элементов

 

Первой составляющей солнечной установки являются фотопанели. Полупроводниковые устройства, из которых они состоят, напрямую преобразуют энергию небесного светила в постоянный электроток. Как мощность, так и напряжение солнечных панелей могут быть разными, но обязательно кратным 12 В. Гелиобатарея представляет собой совокупность модульных блоков. Располагают батареи в местах, доступных для прямых солнечных лучей.

Чтобы регулировать и контролировать работу солнечных панелей, в схему включают такие приборы, как аккумуляторная батарея, инвертор, контроллер.

Аккумулятор выполняет в системе свою традиционную роль — запасается электричеством. Это происходит и во время работы домашних электроприборов от централизованной сети, и когда возникают излишки электроэнергии при питании дома целиком от солнечного модуля. Энергонакопитель снабжает цепь таким количеством электричества, чтобы в ней постоянно поддерживалось стабильное напряжение.

Как правило, в схему включают пару аккумуляторов — основной и резервный. Первый, накопив электроэнергию, немедленно отправляет ее в электросеть. Второй отдает накопленную энергию только после падения напряжения в сети. Чаще всего потребность в резервном аккумуляторе возникает в малосолнечную погоду или ночью, когда фотопанели работать не могут.

Схема подключения солнечных батарей
Правильная схема подключения солнечных батарей

 

Своеобразным посредником между гелиопанелью и аккумуляторами является контроллер. На это электронное устройство возложена функция, как контролирующая зарядку и разрядку АБ, так и управляющая этим процессом.

В разное время суток единица поверхности облучается солнцем по-разному. Поэтому меняется и напряжение, выдаваемое панелью. Для зарядки аккумуляторной батареи в пределах нормы необходимо напряжение, величина которого ограничена определенным диапазоном. Солнечный коллектор нивелирует неритмичность, обусловленную инсоляцией.

Наличие такого прибора исключает перезарядку АБ с последующим ее закипанием. Также контроллер не допустит снижения запаса электроэнергии ниже установленной нормы, гарантирующей надежную работу всей энергосистемы.  

 

Существует три типа таких устройств:

 

 

  1. «On-Off» — приборы, подключающие либо отключающие аккумулятор к солнечной батарее в зависимости от уровня напряжения на его клеммах. Уровень зарядки стабильно удерживается на уровне 70%.
  2. ШИМ контроллер — модуляция позволяет достичь 100% заряда АБ на последнем этапе зарядки.
  3. МРРТ — эти устройства преобразуют параметры энергии, полученной от солнечных батарей, до наиболее приемлемых для зарядки АБ, повышая ее эффективность до 30%.

 

Инвертор — узел, преобразовывающий постоянный ток, полученный от солнечных модулей, в переменный напряжением 220 В. Это как раз та разность потенциалов, которая является рабочей для большинства видов бытовой техники. Инверторы выпускают в трех вариантах: автономные, сетевые, гибридные.

Первые не контактируют с наружной электрической сетью. On grid (сетевые) функционируют только с централизованной сетью. Кроме преобразующей функции такие инверторы могут регулировать амплитуду тока, частоту напряжения и другие параметры сети. Hybrid (гибридный) инвертор обладает функциями как автономного, так и сетевого оборудования. Когда работает центральное электроснабжение, он берет от солнечной батареи максимум электроэнергии, а если общая сеть отключена, работает полностью автономно.

Нагрузки и энергопотребление

Принудить энергию солнца работать на себя непросто и дорого. Первый шаг — определить для своего хозяйства оптимальную пиковую нагрузку и рациональное среднесуточное энергопотребление. Первый параметр определяют в киловаттах, а второй — в киловатт-часах.

Пик нагрузки приходится на тот момент, когда возникает необходимость включить одновременно несколько единиц домашней техники. Для вычисления мощности, каждую из них суммируют, учитывая высокие пусковые характеристики отдельных ее частей.

Владея сведениями о максимуме потребляемой мощности, можно исключить те электроприборы, одновременная работа которых не так уж необходима. От этого показателя зависит выбор мощностных характеристик элементов электростанции, а следовательно, и стоимость ее в целом.

Если мощность электроприбора и время, в течение которого он функционирует на протяжении суток, перемножить, узнаем потребность его в электроэнергии на сутки. Путем сложения суточного электропотребления каждой единицы домашней техники вычисляют общую среднесуточную потребность в электроэнергии.

Только при таком подходе можно расходовать солнечное электричество рационально. Полученные итоговые значения нужны и для вычисления емкости аккумуляторов. Стоимость этой важной единицы системы также зависит от итогов вычислений.

Расчет электрических показателей

Для начала все домашние электроприборы следует занести в таблицу. В ней должно быть 30 граф, а количество строк равно числу приборов. В первую колонку вносят порядковый номер, во вторую — название электрического прибора, в третью — потребляемую мощность. Следующие столбцы, вплоть до 27 — расписанные по часам сутки, начиная с 0 часов и заканчивая 24. Здесь же через дробь в десятичном виде указывают время работы прибора (числитель) и его потребляемая мощность (знаменатель). Так будет легко подсчитать часовые нагрузки.

В колонке под номером 28 записывают суммарное время, на протяжении которого работала техника в течение суток. В следующую колонку вносят потребление электричества конкретным электроприбором. Определяют его путем умножения времени на индивидуальную мощность, потребляемую прибором. В 30 колонке — примечания и промежуточные подсчеты.

Таблица потребления бытовой техники
По данной таблице, вы сможете рассчитать общую потребляемую мощность всех приборов для вашего частного дома или дачи

Спецификация потребителей

Заполненную таблицу используют и при дальнейших расчетах. Прежде всего, для составления спецификации. В первой ее графе проставляют порядковые номера, а во второй прописывают наименования приемников электроэнергии. Сначала вносят в эту колонку спецификации электроприборы, находящиеся в прихожей.

Далее перечисляют по порядку все, что находится в следующих помещениях.

Солнечные батареи на крыше дома

Второй этаж и помещения над ним, если такие имеются, описывают в таком же порядке, взяв за исходную точку лестницу. Освещение двора и лестничных пролетов также подлежит включению в спецификацию.

Синхронно со второй заполняют и третью колонку, указывая в ней напротив каждой единицы домашней техники ее мощность. В столбцах 4 – 27 отображают часы суток и подчеркивают их горизонтальными линиями. Под этой линией вписывают значения мощности, такие же, как и в третьей графе. После заполнения всех часовых колонок, построчно подсчитывают, сколько времени в сутки работал прибор. Результаты заносят в 28 колонку в соответствующий квадрат.

Так, продвигаясь постепенно, высчитывают электропотребление потребителей, входящих в перечень, за каждые сутки. Фиксируют эти величины в 29 столбце. Когда в спецификации не останется ни одной свободной колонки и строки, выполняют итоговые расчеты. Знаменатели часовых колонок суммируют, чтобы узнать нагрузки, приходящиеся на каждый час.

Чтобы определить общее среднесуточное значение, складывают суточные величины электропотребления каждого прибора, продвигаясь сверху вниз. Допустим, есть телевизор, потребляющий 30 Вт и работающий в среднем 5 часов в сутки, три лампы, потребляющие по 15 Вт за каждый час при 6 часовой работе ежедневно и холодильник — 600 Вт на протяжении 24 часов.

[table id=1 /]

Путем несложных вычислений находим среднесуточное и среднемесячное потребление: 30 х 5 + 15 х 3 х 6 + 600 = 1020 Вт. За месяц это составит близко 31 кВт.

Такой фактор, как собственное потребление проектируемой гелиосистемы этот расчет не предусматривает. Поправку на него учитывает вспомогательный коэффициент, применяемый на следующем этапе расчета.

Оптимизация полученных значений

Если идет речь о создании на 100% автономной системы, здесь солнечное электричество вырабатывается довольно дорого. В этом случае, исходя из данных, занесенных в спецификацию, лучше оставить в перечне только приборы с энергосберегающими характеристиками — если это лампы, то светодиодные или люминесцентные, если холодильник, то класса А, а еще лучше А++ .

Приборы, которые не относятся к разряду самых необходимых, выгодней питать от генератора. Когда гелиостанция — резервный вариант, то при временном отсутствии централизованной подачи электропитания, также лучше не использовать энергоемкую технику до момента, пока ситуация не нормализуется.

Солнечная электростанция будет работать стабильно в безаварийном режиме, если нагрузки выровнять по максимуму, исключить возможность резких временных провалов электропотребления. Опираясь на эти критерии, можно выбрать для своей солнечной установки экономичные варианты составляющих ее модулей.

Полнее раскрыть всю картину поможет график. На нем четко можно проследить неравномерность потребления электроэнергии и сделать так, чтобы пиковые нагрузки приходились на период, когда солнце наиболее активно.

Графики почасового потребления электрической энергии для солнечных батарей
На данном графике вы сможете отследить как неравномерно энергопотребление: нам нужно – сдвинуть максимумы на время наибольшей активности солнца и снизить потребление электроэнергии в сутки, особенно ночью.

Оптимизировать нерациональный график энергопотребления можно на базе спецификации, снизив как суточное потребление, так и среднесуточную почасовую нагрузку. Возможно, нет смысла покупать более мощные и дорогие солнечные модули, а разумней смириться с небольшими временными неудобствами.

 

Комплектация гелиоэлектростанции

Чтобы правильно подобрать комплектующие для своей электростанции, необходимо определить количество приборов и их мощность. Для наглядности лучше рассмотреть конкретный пример: есть дача, находящаяся в пригороде Рязани, в которой проживают, начиная с марта и по сентябрь.

Комплектация солнечных батарей
В комплектацию солнечных батарей входят: солнечные панели, инвертор, крепеж, дополнительные материалы (кабели, автоматы и т.д.)
  • Среднесуточное потребление равно 10 000 Вт/ч,
  • Нагрузка — в среднем 500 Вт,
  • Максимальная нагрузка — 1000 Вт.

Подсчитаем пиковую нагрузку, увеличив максимальную на 25%: 1000 х 1,25 = 1250 Вт.

 

 

Действующее напряжение

Наиболее часто встречаемый номинал аккумуляторной батареи — кратный 12 В. Такие компоненты гелиостанции, как контроллер, инвертор, солнечные модули рассчитаны на напряжение от 12 до 48 В. Присутствие 12 В аккумуляторов удобно тем, что при выходе их из строя, замену можно выполнить по одному.

При напряжении вдвое большем, исходя из специфики эксплуатации АБ, возможна только замена пары. В сети 48 В на одной ветке придется менять все четыре батареи, к тому же 48 В — это уже угроза с точки зрения электробезопасности. С другой точки зрения, чем выше напряжение, тем меньшего сечения провода потребуются, а контакты будут более надежными.

При выборе номинала нужно учитывать как мощностные характеристики инверторов, так и значение пиковой нагрузки:

 

  •     48 В — от 3 – 6 кВТ;
  •     24 или 48 В — от 1,5 – 3 кВт;
  •     12, 24, 48В — до 1, 5 кВт.

 

Если емкость и цена АБ примерно равны, выбор следует остановить на аккумуляторе с наивысшей допустимой глубиной разряда и наибольшей разрешенной величиной тока. Ресурс АБ значительно повышается, когда этот показатель не превышает 30 – 50%.

«Главным критерием при выборе батареи должна быть надежность. В конкретном случае исходным будет напряжение в системе 24 В.»

 

Подбор солнечных элементов

Мощность солнечной АБ вычисляют с использованием следующей формулы:

Рсм = ( 1000 х Есут ) / ( К х Син )

В ней: Рсм — мощность батареи в Вт, которая равна сумме мощностей солнечных панелей, 1000 — светочувствительность фотоэлементов в кВт/м²,  Есут — потребное суточное потребление электричества в кВт ч. ( для выбранного региона — 18).

Коэффициент К учитывает все потери посезонно: для лета — 0,7, для зимы — 0,5. Син — лавина солнечной радиации в кВт х ч/м² (табличное значение) при наиболее выгодном наклоне панелей.

Узнать этот параметр можно в метеослужбе региона. Оптимальный угол, под которым следует установить солнечные панели, весной и осенью идентичен значению широты.

Летом следует отминусовать 15⁰, а зимой — 15⁰ прибавить. Сами панели обязательно нужно ориентировать на юг. Регион из примера находится на широте 55⁰.

Так как интересующее нас время выпадает на март-сентябрь, берем летний угол наклона — 40⁰ относительно земли. При этом среднесуточная инсоляция для этой местности составляет 4,73. Все эти данные подставляем в формулу и выполняем действие:

Рсм = 1000 х 12 : ( 0,7 х 4,73 ) ≈ 3 600 Вт.

Если модули, составляющие батарею, будут иметь мощность 100 Вт, то необходимо приобретать 36 шт. Для их размещения понадобится площадка 5 х 5 м, а весить сооружение будет около 0,3 т.

 

Сборка аккумуляторного блока

При обустройстве блока аккумуляторов следует учитывать следующие нюансы:

  • обычные аккумуляторы, предназначенные для автомобилей, для этой цели не подходят;
  • на батареях для солнечных электростанций должна быть надпись «SOLAR»;
  • все приобретаемые аккумуляторы должны иметь одинаковые параметры и, желательно, принадлежать к одной партии выпуска;
  • размещать элементы необходимо в теплом помещении, оптимально — 25⁰.
Аккумуляторы для солнечных батарей
Не обязательно покупать новые аккумуляторы, потому что бывшие в употреблении аккумуляторы также отлично подходят для данных целей.

Если температура уменьшится до -5⁰, емкость батареи упадет на 50%. В примере с 12 вольтовой АБ емкостью 100 А/ч можно увидеть, что она на протяжении часа способна обеспечить электричеством потребителей мощностью, в сумме составляющей 1200 Вт. Правда, за этим последует полная разрядка АБ, а это крайне нежелательно.

Так как «золотой серединой» для разрядки считается 60%, берем запас энергии на каждые из 100 А/ч в 600 Вт/ч (1000Вт/ч х 60%).

Аккумуляторы, устанавливаемые изначально, должны быть заряжены на 100% от стационарной розетки. Запас должен быть таким, чтобы его хватило на перекрытие ночной нагрузки, а если погода пасмурная, то обеспечивать и днем необходимые параметры для работы системы.

Избыточное число аккумуляторов нежелательно, т.к. они постоянно будут недозаряженными и прослужат меньше. Самое грамотное решение — блок батарей с запасом, перекрывающим суточное электропотребление.

Определим суммарную емкость батарей:

(10 000 Вт/ч : 600 Вт/ч) х 100 А/ч = 1667 А/ч

Следовательно для обустройства солнечной электростанции из конкретного примера потребуется 16 АБ емкостью 100 А/ч либо 8 по 200. Тип подключения последовательно-параллельный.

 

Как подобрать контроллер

Выбор контроллера имеет свою специфику. Грамотно подобранный контроллер должен:

  1. Обеспечить такой многоступенчатый заряд аккумуляторов, чтобы он увеличивал срок их службы.
  2. Выполнять автоматическое согласованное подключение/отключение АБ и солнечной батареи в тандеме с зарядкой или разрядкой.
  3. Переподключать нагрузки с солнечной батареи на АБ и в обратном порядке.
Контроллер заряда солнечных батарей
Контроллер заряда солнечных батарей должен находиться в одном помещении с аккумуляторами

Для этого его параметры на входе должны соответствовать соответствующим величинам солнечных модулей, а на выходе необходимо напряжение одинаковое с разностью потенциалов внутри системы. От того, настолько правильно будет выбран контроллер, зависит многое: и работа аккумуляторного блока, и всей гелиосистемы в целом.

Если сделать так, чтобы освещение получало питание напрямую от контроллера, можно будет сэкономить при покупке инвертора — приобрести более дешевый вариант.

Как подобрать инвертор

Задача инвертора — обеспечить пиковую нагрузку на протяжении длительного времени. Это возможно, когда его напряжение на входе идентично разности потенциалов внутри системы.

Инвертор с функцией контроллера
Лучшим вариантом при выборе инвертора, это будет «Инвертор с функцией контроллера»

 

Важными являются следующие критерии:

  1. Форма синусоиды и частота тока, преобразованного в переменный. Близость к синусоиде частотой 50 Гц — гарантия более высокого КПД.
  2. Идеально, если этот показатель будет выше 90%.
  3. Соизмеримым с суммарным электропотреблением гелиосистемы должно быть и собственное потребление устройства. Лучше всего — до 1%.
  4. Прибор должен выдерживать двукратные перегрузки кратковременного характера.

 

Советы и примеры расчетов, приведенных в статье, помогут при устройстве домашней солнечной электростанции. Они подойдут как для большого коттеджа, так и для маленького загородного домика.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *