Научные достижения позволили нам жить в эпоху, когда солнечная энергия стала доступной для всех. Каждый владелец недвижимости может установить солнечные батареи в своем доме, и дачники не остаются в стороне. Особенно это актуально для тех, кто находится вдали от централизованного электроснабжения.
Мы предлагаем вам углубиться в материал, который освещает устройство, принципы функционирования и способы расчета компонентов гелиосистемы. Ознакомившись с этой информацией, вы сможете приблизиться к цели обеспечения своего участка экологически чистой энергией.
Для лучшего восприятия предоставленной информации прилагаются детальные схемы, изображения, а также фото- и видеоинструкции.
Краткое содержание статьи
Конструкция и принцип работы солнечной панели
В свое время любознательные исследователи открыли нам природные элементы, способные преобразовывать световые частицы Солнца, или фотоны, в электрическую энергию. Этот процесс получил название фотоэлектрического эффекта. Учёные научились управлять этим микрофизическим явлением.
С использованием полупроводников были разработаны компактные электронные устройства — фотоэлементы.
Производители освоили технологии объединения множества небольших преобразователей в эффективные солнечные модули. КПД панелей из кремния, производимых на промышленном уровне, варьируется от 18% до 22%.
Из схемы становится ясно: все компоненты солнечной электростанции имеют одинаковую значимость — правильный выбор всех частей определяет слаженность работы системы.
Из этих модулей формируется солнечная батарея, выступающая конечным пунктом пути фотонов от Солнца к Земле. Далее эти частицы света преобразуются в электрическую цепь в виде постоянного тока.
Электричество распределяется между аккумуляторами или конвертируется в переменный ток напряжением 220 вольт, чтобы питать различные устройства в доме.
Солнечная панель — это система последовательно соединённых преобразователей — фотоэлементов, которые превращают солнечную энергию в электрическую.
Дополнительные подробности о конструкции и работе солнечных батарей можно найти в другой статье на нашем сайте.
Типы солнечных панелей
Солнечные модули формируются из фотоэлектрических преобразователей, также известных как солнечные элементы. В массовом производстве представлены два типа этих элементов.
Они различаются по используемым для их изготовления полупроводниковым материалам на основе кремния:
- Поликристаллические. Это солнечные элементы, созданные из кремниевого расплава, охлажденного длительное время. Упрощённый процесс производства делает их доступными по цене, однако их эффективность не превышает 12%.
- Монокристаллические. Эти элементы получаются путём нарезки на тонкие пластины кристаллов искусственно выращенного кремния. Это наиболее эффективный, но и наиболее дорогой вариант. Средний КПД таких панелей находится в диапазоне 17%, но можно найти монокристаллические элементы с даже более высокой отдачей.
Поликристаллические элементы имеют квадратную форму с неоднородной поверхностью, тогда как монокристаллические панели представляют собой тонкие квадратные пластины с закруглёнными углами.
Общая характеристика солнечных модулей не зависит от типа используемых элементов — различия касаются только размеров и ценовой категории.
Панели первого типа, даже при одинаковой мощности, будут занимать больше места, чем монокристаллические из-за их меньшей эффективности (18% против 22%). Однако они на 10% дешевле и поэтому довольно популярны.
Галерея изображений
Монокристаллические солнечные панели гораздо эффективнее поликристаллических, но стоят значительно дороже.
На обратной стороне кремниевых пластин размещены минусовые токоведущие линии, а на лицевой — плюсовые.
Поликристаллические панели более доступны, поэтому и пользуются спросом среди домашних мастеров. Процесс соединения элементов аналогичен.
Поликристаллические пластины объединяются в модули по 36 или 72 элемента, из которых затем формируются панели.
Монокристаллический элемент солнечной батареи
Минусовые токоведущие линии на пластине
Поликристаллические элементы для сборки солнечной батареи
Стороны поликристаллического элемента гелиосистемы
О нюансах выбора солнечных батарей для автономного отопления можно узнать здесь.
Принцип работы солнечной электросистемы
При взгляде на сложные названия компонентов, входящих в систему солнечного электроснабжения, может показаться, что устройство очень сложно. На молекулярном уровне это правда, но общая схема и принцип работы выглядят довольно просто. От Солнца до «лампочки Ильича» всего четыре этапа.
Первым компонентом электростанции являются солнечные модули — тонкие прямоугольные панели, состоящие из определённого количества стандартных фотоэлементов. Производители предлагают фотопанели различной мощности и напряжения, кратного 12 вольтам.
Галерея изображений
Солнечные батареи применяются в районах с низким уровнем облачности и могут служить основным или дополнительным источником энергии.
Создание системы солнечных батарей целесообразно в регионах с недостаточно развитой инфраструктурой, не соединённых с централизованными электрическими сетями.
Летние месяцы на даче солнечные приборы могут обеспечить энергией не только электроприборы, но и систему отопления.
Оборудование для контроля и регулировки работы солнечных панелей занимает немного пространства и обычно включает инвертор, контроллер и аккумуляторы.
Если на участке имеется свободная, хорошо освещённая территория, солнечную электростанцию можно установить на ней.
При наличии достаточной защиты от негативного воздействия окружающей среды контролирующее оборудование можно устанавливать на улице.
Солнечную электростанцию для загородного дома можно создать, использовав батареи заводского производства.
Дешевле и при этом практически не уступающая по производительности солнечная панель может быть изготовлена самостоятельно из кремниевых пластин.
Установка солнечных панелей на скатах крыши
Монтаж на террасах, верандах, балконах мансард
Гелиосистема на покатой крыше пристройки
Внутренний блок солнечной мини электростанции
Расположение на свободной площадке участка
Сооруженный на улице блок аппаратуры для батареи
Сборка солнечной панели из готовых батарей
Изготовление солнечной батареи своими руками
Плоские устройства удобно устанавливать на открытых площадках, доступных для солнечного света. Модули соединяются между собой через взаимные подключения, образуя гелиобатарею. Основная цель батареи заключается в преобразовании солнечной энергии в постоянный ток определенного значения.
Элементы для накопления электрического заряда — аккумуляторы — хорошо известны многим. Они традиционно выполняют свою роль в системе солнечного электроснабжения. При подключении к централизованной сети они накапливают электричество.
Также они хранят избыток энергии, когда ток солнечного модуля достаточен для обеспечения работы потребляемых приборов.
Аккумулятор отдает цепи нужное количество энергии и поддерживает стабильное напряжение, когда потребление в системе возрастает. То же происходит, например, ночью, когда панели не работают, или в условиях плохой солнечной погоды.
Система обеспечения дома энергией от солнечных батарей отличается от систем с коллекторами тем, что она позволяет накапливать энергию в аккумуляторах.
Контроллер представляет собой электронное звено между солнечным модулем и аккумуляторами. Его задача — регулировать уровень заряда аккумуляторов, предотвращая их перезарядку или разрядку ниже необходимого уровня, что обеспечивает стабильную работу всей гелиосистемы.
Инвертор, название которого можно перевести как «переворачивающий», выполняет свою специальную функцию, которая когда-то казалась вдохновляющей сказкой для электриков.
Этот компонент инвертирует постоянный ток от солнечных панелей и аккумуляторов в переменный ток напряжением 220 вольт, который используется в большинстве домашних электросистем.
Поток солнечной энергии зависит от положения Солнца: при установке модулей желательно предусмотреть возможность регулировки угла наклона в зависимости от сезона.
Максимальная нагрузка и среднесуточное потребление энергии
Услуга по созданию собственной гелиостанции требует определенных затрат. Первый шаг на пути к использованию солнечной энергии заключается в определении максимальной пиковой нагрузки в киловаттах и расчетах среднего суточного потребления в киловатт-часах для домашнего или дачного хозяйства.
Пиковая нагрузка возникает, когда включает сразу несколько электрических устройств, и определяется как максимальная суммарная мощность с учетом повышенных характеристик запуска некоторых из них.
Определение максимального потребляемого значения мощности позволяет понять, какие электроприборы необходимо использовать одновременно, а какие могут быть включены по отдельности. Эти показания влияют на мощностные характеристики узлов электростанции и, соответственно, на общую стоимость устройств.
Энергетические затраты электроприбора за день рассчитываются путем умножения его мощности на продолжительность работы от электросети, то есть на время, когда он использует электричество в течение суток. Для получения общего суточного энергопотребления складываются все затраты энергии непосредственно каждым прибором за 24 часа.
Далее произведенный анализ и оптимизация собранных данных о нагрузках и потреблении электричества помогут сформировать необходимую конфигурацию и обеспечат эффективное функционирование солнечной энергетической установки с минимальными затратами.
Итоги потребления энергии способствуют рациональному подходу к расходованию солнечной электрической энергии. Эти вычисления важны для определения емкости аккумуляторов. Этот параметр непосредственно влияет на стоимость аккумуляторного блока, ключевого элемента системы.
Методика вычисления энергетических характеристик
Начало вычислений подразумевает использование обычного клетчатого листа бумаги, на котором при помощи карандаша создается шаблон из тридцати столбцов, с количеством строк равным числу бытовых электроприборов.
Подготовка к арифметическому процессу
Первый столбец служит для порядковых номеров. Второй представляет собой наименование прибора. Третий – мощность, которую он потребляет.
Столбцы с четвертого по двадцать седьмой обозначают часы суток от 00 до 24. В этих колонках с помощью горизонтальной черты фиксируется:
- в числителе – время, в течение которого прибор работал в течение соответствующего часа в десятичной форме (0,0);
- в знаменателе – его индивидуальная потребляемая мощность (это важно для последующего подсчета почасовых нагрузок).
В восемнадцатой колонке фиксируется общее время работы бытового устройства за сутки. В девятой записывается индивидуальное энергопотребление устройства, вычисляемое как произведение его мощности на время работы за сутки.
Создание подробной спецификации потребителей с учетом почасовых нагрузок поможет оставить больше привычных приборов благодаря их рациональному использованию.
Тридцатый столбец стандартен – здесь находятся заметки, которые могут быть полезны для промежуточных расчетов.
Создание спецификации потребителей
Вторая графа заполняется наименованиями электроприборов. Рекомендуется начинать с приборов, находящихся в прихожей, а затем описывать остальные в порядке часовой стрелки или против – по усмотрению.
Если имеется второй этаж, его по аналогии прорабатывают, начиная от лестницы и двигаясь по окружности. Не забудьте указать приборы, размещенные на лестничных пролетах, и уличное освещение.
Третью колонку с указанием мощности следует заполнять параллельно со второй.
Колонки с четвертой по двадцать седьмую необходимо разделить горизонтальными линиями по центру строк для удобства. Верхние половины строк будут служить числителями, нижние – знаменателями.
Эти графы заполняются строчно. Числители оформляются в десятичном формате (0,0), отражая время работы устройства в определенный час. Параллельно рядом указывается соответствующая потребляемая мощность из третьей графы.
После того как все часы были заполнены, переходим к подсчету индивидуального рабочего времени электроприборов, фиксируя результаты в ячейках двадцать восьмой колонки.
Если солнечная электростанция используется как вспомогательный источник, можно подключить часть нагрузки для постоянного питания, чтобы система не работала без нагрузки.
Исходя из мощности и времени работы, последовательно вычисляется суточное энергопотребление всех приборов, и результаты фиксируются в ячейках двадцать девятого столбца.
После заполнения всех строк и столбцов производится подсчет итогов. Сложив мощности из знаменателей почасовых колонок, получим нагрузки для каждого часа. Суммировав индивидуальное суточное потребление из двадцать девятой колонки, находим общее среднесуточное.
При этом расчет не включает собственное потребление будущей солнечной системы. Этот фактор берется в расчет вспомогательным коэффициентом при последующих итоговых вычислениях.
Анализ и оптимизация собранных данных
Если солнечная электростанция планируется как резервный источник, информация о почасовых потребляемых мощностях и среднем суточном энергопотреблении позволит сократить использование дорогого солнечного электричества.
Это достигается за счет отключения энергоемких потребителей до восстановления централизованного электрообеспечения, особенно в часы пиковых нагрузок.
Если система солнечной энергии создается для постоянного электроснабжения, важно обратить внимание на результаты часовых нагрузок. Задача – так распределить потребление электричества, чтобы сгладить высокие пики и низкие провалы.
Исключение пиковых нагрузок, выравнивание максимальных значений и устранение резких провалов в потреблении электроэнергии помогут выбрать наиболее экономичные решения для компонентов солнечной системы и обеспечат стабильную и безаварийную работу солнечной станции в долгосрочной перспективе.
График отразит неравномерность энергопотребления: наша задача – перенести пики на периоды наибольшей солнечной активности и уменьшить общее суточное потребление, особенно ночью.
Иллюстрация показывает, как можно трансформировать полученный заранее неэффективный график в более оптимальный. Потребление электроэнергии за сутки удалось сократить с 18 до 12 кВт/ч, а средняя почасовая нагрузка снизилась с 750 до 500 Вт.
Такой же подход оптимальности можно применять и при использовании солнечной энергии в качестве резервного источника. Не всегда стоит тратиться на увеличение мощности солнечных модулей и аккумуляторных батарей ради временного снижения комфорта.
Выбор компонентов солнечной электростанции
Для упрощения расчетов будет рассматриваться вариант использования солнечной панели как основного источника энергии для дачи. В качестве потребителя возьмем гипотетический дачный домик в Рязанской области, в котором живут с марта по сентябрь.
Практические расчеты основаны на данных ранее представленного рационального графика почасового энергопотребления:
- Общее среднесуточное энергопотребление = 12 000 ватт/час.
- Средняя нагрузка = 500 ватт.
- Максимальная нагрузка = 1200 ватт.
- Пиковая нагрузка = 1200 х 1,25 = 1500 ватт (+25%).
Эти значения понадобятся для расчетов общей емкости солнечных систем и остальных рабочих параметров.
Определение рабочей напряженности гелиосистемы
Рабочее напряжение любой солнечной системы обычно базируется на кратности 12 вольтам, так как это наиболее распространенный стандарт для аккумуляторов. В основном компоненты солнечных электростанций: солнечные панели, контроллеры и инверторы, изготавливаются на популярных напряжениях 12, 24 и 48 вольт.
При более высоком напряжении возможно использование проводов меньшего сечения, что повышает надежность соединений. С другой стороны, при поломке аккумуляторов в 12-вольтовой системе их можно заменить по одному.
В сети на 24 вольта аккумуляторы придется менять парами. В 48-вольтовой системе придется заменять сразу все батареи в одной ветке, что может быть неудобно. К тому же высокий уровень напряжения создает риск поражения электрическим током.
При сопоставимой емкости и схожей стоимости целесообразно приобретать аккумуляторы с более значительной глубиной разряда и повышенным пиковым током.
Основной выбор напряжения системы сопряжен с мощностными характеристиками инверторов современного производства и учитывает величину максимальной нагрузки:
- от 3 до 6 кВт – 48 вольт,
- от 1,5 до 3 кВт – 24 или 48V,
- до 1,5 кВт – 12, 24, 48В.
В выборе между надежностью проводки и удобством замены аккумуляторов в нашем примере делаем акцент на надежность. В дальнейшем будем исходить из рабочего напряжения системы, равного 24 вольта.
Комплектование солнечными модулями
Формула для вычисления требуемой мощности солнечной панели записывается следующим образом:
Рсм = ( 1000 * Есут ) / ( к * Син ),
- Рсм = мощность солнечной батареи = общая мощность солнечных модулей (Вт),
- 1000 = стандартная светочувствительность фотоэлектрических преобразователей (кВт/м2),
- Есут = потребление за сутки (кВт*ч, в нашем примере = 18),
- к = сезонный коэффициент, который учитывает потери (летом = 0,7; зимой = 0,5),
- Син = табличное значение инсоляции (потока солнечной радиации) при оптимальном угле наклона панелей (кВт*ч/м2).
Информацию о значении инсоляции можно получить в региональной метеорологической службе.
Оптимальный угол наклона солнечных панелей соответствует широте региона:
- весной и осенью,
- плюс 15 градусов зимой,
- минус 15 градусов летом.
Рязанская область расположена на 55-й широте.
Максимальная эффективность солнечных панелей достигается при использовании систем слежения, изменения угла наклона панелей в зависимости от времени года и применения различных типов солнечных модулей.
В период с марта по сентябрь оптимальный угол наклона для нерегулируемой солнечной панели составляет 40° по отношению к земле. Установив модули под таким углом, можно добиться средней дневной инсоляции в Рязани, равной 4,73. Теперь произведем расчет:
Рсм = 1000 * 12 / (0,7 * 4,73) ≈ 3 600 ватт.
Основываясь на 100-ваттных солнечных модулях, нам понадобится 36 штук. Их общий вес составит примерно 300 килограммов, а занимаемая площадь — около 5 на 5 метров.
На сайте представлены проверенные монтажные схемы и методы подключения солнечных панелей.
Организация аккумуляторного энергоблока
При выборе аккумуляторов необходимо учитывать следующие принципы:
- Обычные автомобильные аккумуляторы не подходят для этих целей. Аккумуляторы для солнечных электростанций помечены словом «SOLAR».
- Следует приобретать аккумуляторы, имеющие одинаковые характеристики, предпочтительно из одной партии.
- Помещение для аккумуляторного блока должно быть теплым. Идеальная температура для полной отдачи батарей — 25°C. Если температура опускается до -5°C, емкость аккумуляторов может сократиться на 50%.
Рассмотрим типичный аккумулятор на 12 вольт с емкостью 100 ампер-час. В полном разряженном состоянии он способен обеспечить потребителей суммарной мощностью 1200 ватт в течение одного часа. Однако такая разрядка крайне нежелательна.
Для продления срока службы аккумуляторов рекомендуется не опускать уровень заряда ниже 70%. Критической точкой считается 50%. Используя 60% как «золотую середину», можно взять за основу расчетный запас энергии в 720 Вт/ч на каждые 100 А*ч емкости аккумулятора (1200 Вт/ч умножить на 60%).
Приобретение одного аккумулятора емкостью 200 А*ч может быть более выгодным, чем покупка двух по 100 А*ч, что также снижает количество соединений между батареями.
Аккумуляторы необходимо выставлять на 100% зарядку с помощью стационарного источника. Батареи должны полностью покрывать нагрузки в ночное время, а в случае плохих погодных условий — обеспечивать необходимую поддержку и днем.
Важно помнить, что избыточное количество аккумуляторов может привести к их недостаточному заряду, что негативно скажется на сроке службы. Оптимальным решением будет комплектовать блок батареями с энергией, достаточною для удовлетворения суточного потребления.
Чтобы рассчитать необходимую суммарную емкость, можно воспользоваться следующим методом: общее суточное потребление энергии 12000 Вт/ч разделить на 720 Вт/ч, а затем умножить на 100 А*ч:
12 000 / 720 * 100 = 2500 А*ч ≈ 1600 А*ч
Таким образом, в нашем примере необходимо будет 16 аккумуляторов по 100 А*ч или 8 по 200 А*ч, соединенных последовательно-параллельно.
Выбор качественного контроллера
Правильный выбор контроллера для зарядки аккумуляторных батарей (АКБ) — это специфическая задача. Его входные параметры должны соответствовать солнечным модулям, а выходное напряжение — внутреннему напряжению гелиосистемы (в данном случае 24 вольта).
Хороший контроллер должен обеспечивать:
- Многоступенчатый процесс зарядки аккумуляторов, что значительно увеличит их срок службы.
- Автоматическое включение и отключение АКБ и солнечных панелей в зависимости от состояния заряда и разряда.
- Переключение нагрузки между АКБ и солнечными панелями и обратно.
Этот компактный элемент представляет собой важный компонент системы.
Если некоторое оборудование (например, освещение) подключить напрямую к 12 вольтам от контроллера, это позволит использовать более дешевый и менее мощный инвертор.
Правильный выбор контроллера обеспечивает стабильную работу дорогостоящего аккумулятора и гармоничное взаимодействие всей системы.
Подбор наиболее подходящего инвертора
Инвертор следует выбрать такой мощности, чтобы он мог поддерживать долговременные пиковые нагрузки. Входное напряжение должно совпадать с внутренним напряжением гелиосистемы.
При выборе стоит обратить внимание на такие характеристики:
- Форма и частота выходного переменного тока. Чем ближе к синусоиде на 50 герц, тем лучше.
- Коэффициент полезного действия устройства. Чем выше 90%, тем лучше.
- Собственное потребление инвертора. Оно должно быть соизмеримо с общим потреблением системы. Идеальным является значение до 1%.
- Способность устройства переносить кратковременные перегрузки в два раза.
Оптимальным вариантом будет инвертор с интегрированной функцией контроллера.
Сборка бытовой солнечной системы
Мы подготовили фотогалерею, которая наглядно иллюстрирует процесс сборки бытовой солнечной системы из заводских модулей:
Перед началом строительства мини-электростанции необходимо рассчитать требуемую мощность для устройства и определить количество необходимых приборов.
Перед покупкой в магазине не забудьте внимательно проверить состав комплектации каждого прибора и убедиться в отсутствии повреждений.
Транспортировка солнечных панелей должна осуществляться в заводской упаковке. Приборы нуждаются в корректной транспортировке, после чего рекомендуется повторно проверять целостность всех элементов и корпуса.
Сборку солнечных панелей следует проводить на открытом пространстве или в достаточно просторном помещении.
Угол наклона для установки на специальной подставке должен учитывать сезон и направление солнечных лучей.
Место для размещения солнечных приборов следует выбирать так, чтобы поблизости не находились высокие здания и деревья, создающие тень.
Контроллер, инвертор и аккумуляторный блок мини-электростанции устанавливаются в отапливаемых помещениях, лишенных риска затопления.
При необходимости увеличить мощность солнечной электростанции, используемые модули можно дополнить аналогичными устройствами в нужном количестве.
