Научные достижения открыли нам эпоху, когда солнечная энергия стала доступна для использования широким слоям населения. Теперь владельцы загородных домов могут установить солнечные панели, и дачники не стоят в стороне, так как им также необходимо электричество вдали от централизованных источников.
В этом материале мы хотим поделиться сведениями о том, как устроены солнечные системы, как они функционируют и какие аспекты необходимо учитывать при их расчете. Эти знания помогут вам сделать шаг к возможности обеспечить свой участок экологически чистым электричеством.
Для лучшего понимания приведенной информации мы подготовили детализированные схемы, рисунки, а также фото- и видеоинструкции.
Краткое содержание статьи
Устройство и принцип действия солнечной батареи
Исследователи когда-то обнаружили природные материалы, которые, взаимодействуя с солнечными фотонами, способны генерировать электрическую энергию. Этот процесс назвали фотоэлектрическим эффектом, и учёные научились использовать его в своих интересах.
С помощью полупроводниковых веществ были разработаны компактные устройства — фотоэлементы.
Производственные предприятия освоили технологию создания эффективных солнечных панелей, объединяя эти миниатюрные преобразователи. КПД кремниевых панелей, производимых массово, составляет примерно 18-22%.
Как видно из схемы, все составляющие солнечной электростанции играют равнозначную роль — правильный выбор компонентов определяет гармоничную работу всей системы.
Солнечная батарея складывается из модулей, которые являются конечным пунктом в пути фотонов от Солнца до Земли. Далее эти частицы продолжают движение внутри электрической цепи как постоянный ток.
Они направляются на аккумуляторы или преобразуются в переменный ток с напряжением 220 вольт, которые могут использоваться для питания различных домашних устройств.
Солнечная батарея — это комбинация последовательно соединенных полупроводниковых элементов, которые превращают солнечную энергию в электрическую.
Более полную информацию о конструкции и принципах работы солнечной батареи можно найти в другой статье на нашем сайте.
Виды солнечных модулей-панелей
Солнечные панели состоят из фотоэлектрических преобразователей, которые делятся на два основных типа.
Эти типы отличаются по использованию различных видов кремниевых полупроводников:
- Поликристаллические. Эти солнечные элементы производятся из кремниевого расплава, который охлаждают в течение длительного времени. Простой метод производства делает их доступными, однако их эффективность не превышает 12%.
- Монокристаллические. Эти элементы изготавливаются из тонких пластин кристаллического кремния, выращенного искусственно. Они обладают высокой производительностью, но стоят дороже. Средний КПД составляет около 17%, но можно встретить и более эффективные варианты.
Поликристаллические солнечные элементы имеют плоскую квадратную форму и неоднородную поверхность, в то время как монокристаллические выглядят как тонкие квадратные пластины с округленными углами.
Сравнивая характеристики модулей, можно отметить, что тип используемых элементов не влияет на производительность панели, а меняет лишь её размеры и стоимость.
Панели первого типа более громоздкие при одинаковой мощности, нежели второй тип, из-за меньшей эффективности (18% против 22%). Однако они, как правило, дешевле на десять процентов и пользуются большим спросом.
Монокристаллические кремниевые пластины значительно эффективнее своих поликристаллических аналогов, но стоят значительно больше.
На обратной стороне кремниевых пластин находятся минусовые токоведущие линии, а на лицевой — плюсовые.
Поликристаллические кремниевые пластины более бюджетные, что делает их популярными среди домашних мастеров, и технология их соединения аналогична.
Поликристаллические пилоты объединяются в модули, которые содержат от 36 до 72 элементов. Из таких модулей затем создаются панели.
Вы можете почитать о правилах выбора солнечных батарей для автономного отопления в нашем материале.
Схема работы солнечного электроснабжения
Глядя на сложные названия элементов системы солнечной энергии, может показаться, что это устройство слишком технически сложно.
На микроуровне это действительно так. Однако, общая схема электрической цепи и её функционирование выглядят довольно просто. От солнечного света до получения электричества — всего лишь четыре этапа.
Солнечные модули являются первой частью электростанции. Это плоские панели, состоящие из определенного количества стандартных фотоэлементов. Производители предлагают фотопанели различной мощности и напряжения, кратного 12 вольтам.
Солнечные батареи эффективно применяются в регионах с малым количеством облачных дней и могут служить основным или дополнительным источником энергии.
Создание системы солнечных батарей имеет смысл в местах с недостаточно развитой инфраструктурой, где отсутствует подключение к централизованным электрическим сетям.
В летний период солнечные установки способны обеспечить энергией как электрические приборы, так и системы отопления на даче.
Контроль и регулирование работы солнечных панелей не занимают много места и обычно включают в себя инвертор, контроллер и аккумуляторные батареи.
Если на вашем участке есть достаточно открытое и хорошо освещенное пространство, можно установить солнечную электростанцию в этом месте.
При наличии хорошей защиты от неблагоприятных погодных условий оборудование для управления и контроля работы солнечной батареи можно размещать на улице.
Собрать солнечную электростанцию для частного дома можно, используя панели заводского производства.
Солнечная батарея, собранная собственными руками из кремниевых пластин, обойдется значительно дешевле и будет обладать почти той же производительностью.
Панели устанавливаются на скатах крыш, а также на террасах, верандах или балконах.
Устанавливается гелиосистема на наклонной крыше пристройки.
Так выглядит внутренний блок солнечной мини-электростанции.
Также можно расположить систему на свободной площадке вашего участка.
Оборудование для солнечных батарей может быть установлено на улице.
Сборка солнечной панели из готовых модулей также возможна.
Создание солнечной батареи своими руками — это интересный процесс.
Устройства в плоской форме удобно размещать на открытых поверхностях, которые подвержены солнечным лучам. Модульные блоки соединяются между собой, образуя гелиобатарею, цель которой — преобразование солнечной энергии в электропоток определенного напряжения.
Аккумуляторы для солнечных батарей известны всем. Они играют традиционную роль в системе солнечного энергоснабжения, обеспечивая накопление электричества.
Аккумуляторы также собирают избыток энергии, если ток солнечного модуля достаточен для покрытия потребляемой мощности.
Аккумуляторная система передает необходимое количество энергии в цепь и поддерживает стабильное напряжение, когда потребление возрастает. Это происходит, скажем, в тёмное время суток или в период плохой солнечной погоды.
Система энергоснабжения дома с использованием солнечных батарей отличается от таких систем с коллектором тем, что позволяет накапливать энергию в аккумуляторах.
Контроллер — это электронное устройство, служащее связующим звеном между солнечными модулями и аккумуляторами. Он регулирует уровень заряда батарей, предотвращая их перезарядку или недозаряд, что позволяет сохранять стабильную работу всей гелиосистемы.
Инвертор, как следует из названия, выполняет функцию обратного преобразования. Он преобразует постоянный ток от солнечных модулей и аккумуляторов в переменный ток с напряжением 220 вольт. Это именно то напряжение, которое необходимо для большинства бытовых электроприборов.
Эффективность захвата солнечной энергии зависит от положения солнечного света, поэтому при установке модулей стоит учитывать возможность регулировки угла наклона в зависимости от времени года.
Пиковая нагрузка и среднесуточное энергопотребление
Личный гелиокомплекс пока стоит значительно, но первый шаг к обладанию солнечной энергией — это вычисление оптимальной пиковой нагрузки в киловаттах и разумного среднего суточного потребления энергии в киловатт-часах для вашего домашнего или дачного хозяйства.
Пиковая нагрузка создаётся потребностью одновременного включения нескольких электрических устройств и определяется суммарной мощностью этих приборов с учетом высоких пусковых характеристик некоторых из них.
Подсчет максимального потребления мощности позволяет определить, что именно необходимо для одновременной работы в вашем доме, а что нет. Эти параметры влияют на мощностные характеристики узлов электростанции, что напрямую сказывается на итоговой стоимости устройства.
Суточное энергопотребление приборов рассчитывается как произведение их мощности на количество часов работы от сети в течение суток. Общее среднесуточное энергопотребление определяется как сумма энергии, потребляемой каждым устройством за сутки.
Достойный анализ и оптимизация собранной информации о нагрузках и потреблении энергии помогут корректно подобрать оборудование и гарантировать эффективную работу солнечной энергетической системы при минимальных затратах.
Данные о расходе электроэнергии способствуют более разумному обращению с солнечной электричеством. Итоговые расчеты имеют ключевое значение для определения ёмкости аккумуляторов, что в свою очередь значительно влияет на стоимость этого элемента системы, который является высокозатратным.
Порядок расчета энергетических показателей
Этап вычислений начинается с листа в клетку, уложенного горизонтально. Легкими линиями карандаша мы формируем бланк с тридцатью столбцами и строками по количеству используемых домашних устройств.
Подготовка к расчетам
Первый столбец выделяется под порядковый номер. Во втором указываем название электроприбора, а в третьем — его индивидуальную мощность.
Столбцы с четвертого по двадцать седьмой представляют собой часы суток от 00 до 24. В их верхнюю часть записывается:
- в числителе — время работы прибора в течение каждого часа в десятичном формате (0,0);
- в знаменателе — его индивидуальная потребляемая мощность (это необходимо для расчета часовых нагрузок).
Двадцать восьмой столбец фиксирует общее время работы устройства за сутки. В двадцать девятом указывается вычисленное энергопотребление прибора, которое получается путем умножения его потребляемой мощности на время работы за сутки.
Составление детализированной спецификации потребителей с учётом почасовых нагрузок позволит оставить больше привычных устройств за счёт их рационального использования.
Тридцатый столбец, как и прежде, отведён под примечания. Он будет полезен для промежуточных расчетов.
Создание спецификации потребителей
Следующий шаг — это трансформация тетрадного бланка в спецификацию потребителей электроэнергии. Первая колонка понятна: здесь записываются порядковые номера.
Во втором столбце вписываются названия потребителей энергии, рекомендуется начинать с приборов, расположенных в прихожей, а затем последовательно описывать устройства из других комнат, двигаясь по часовой стрелке или против — как удобнее.
Для многоэтажных домов процесс идентичен: начинать стоит с лестницы и двигаться циклически. Не следует забывать про приборы на лестничных клетках и уличное освещение.
Заполнение третьего столбца с указанием мощности можно выполнять параллельно со вторым.
Четвёртый по двадцать седьмой столбцы будут освещать каждый час суток. Для удобства можно провести горизонтальные линии по центру строк, тем самым разделяя значения на числители и знаменатели.
Эти колонки заполняются построчно. Числители оформляются как временные интервалы в десятичном формате (0,0), отображающие продолжительность работы электрооборудования за конкретные часы. Параллельно в тех же строках указываются знаменатели с показателем мощности, взятой из третьего столбца.
После завершения заполнения всех часовых столбцов, проводится расчёт зафиксированного рабочего времени электроприборов, которые аккумулируются в соответствующих ячейках двадцать восьмого столбца.
Если солнечная электростанция выполняет вспомогательную роль, для избежания её работы вхолостую, часть нагрузки можно подключить к ней на постоянное питание.
С учетом мощности и времени работы, последовательно вычисляется суточное потребление энергии всех потребителей, и результаты фиксируются в ячейках двадцатого столбца.
Когда все строки и столбцы спецификации заполнятся, начинается суммирование результатов. Складывая по строкам мощности, указанные в знаменателях часовых столбцов, мы получаем нагрузки на каждый час. Просуммировав суточные энергопотребления в двадцать девятом столбце, можно вычислить общее среднесуточное значение.
При этом расчёт не принимает во внимание собственное потребление будущей системы, этот коэффициент будет учтён в дальнейших итогах.
Оптимизация и анализ полученных результатов
Если запланировано использование гелиоэлектростанции в качестве резервного источника, информация о почасовых потребляемых мощностях и об общем среднесуточном энергопотреблении позволяет минимизировать затраты на дорогое солнечное электричество.
Это достигается за счёт отключения энергоёмких устройств в моменты максимальной нагрузки до восстановления централизованного электроснабжения.
Когда солнечная система проектируется как основной источник питания, то результаты почасовых нагрузок становятся ключевыми. Важно корректно распределить потребление электричества в течение дня, чтобы избежать резких пиков и провалов.
Снижение пиковых значений, выравнивание максимальных нагрузок и исключение резких падений в потреблении обеспечивают высокую экономическую эффективность элементов солнечной системы и стабильную, безаварийную работу гелиостанции.
График расхода покажет неравномерность потребления энергии: нужно сдвинуть пики на наиболее солнечные часы и сократить общее суточное потребление, особенно в ночные часы.
Представленный график демонстрирует, как разрабатывать полученные в результате составленной спецификации неэффективные графики в эффективные. Суточное потребление было снижено с 18 до 12 кВт/ч, а среднесуточная почасовая нагрузка — с 750 до 500 Вт.
Принципы оптимизации также подойдут для солнечной системы в качестве резервного источника. Излишние расходы на увеличение мощности солнечных панелей и аккумуляторов ради временных неудобств могут оказаться неоправданными.
Подбор узлов гелиоэлектростанции
Для упрощения расчетов будет рассмотрена ситуация, когда солнечная батарея выступает в роли основного источника электреработы на даче. В качестве потребителя выберем гипотетический дачный дом в Рязанской области, в котором живут с марта по сентябрь.
Наглядность рассуждениям добавят практические вычисления, основанные на данных из ранее описанного рационального графика почасового энергопотребления:
- Общее среднемесячное энергопотребление = 12 000 ватт/час.
- Средняя нагрузка = 500 ватт.
- Максимальная нагрузка = 1200 ватт.
- Пиковая нагрузка = 1200 х 1,25 = 1500 ватт (+25%).
Эти значения окажутся полезными при расчете общей ёмкости солнечных панелей и других рабочих параметров.
Определение рабочей напряженности солнечной системы
Рабочее напряжение любой солнечной системы обычно основано на кратности 12 вольтам, что является наиболее распространённым стандартом для аккумуляторов. Элементы солнечных систем, такие как солнечные панели, контроллеры, инверторы, производятся для номинального напряжения в 12, 24 и 48 вольт.
Более высокое напряжение позволяет применять провода меньшего сечения, что улучшает надёжность соединений. С другой стороны, в случае поломки, аккумуляторы сети с 12В можно менять по одному.
В случае 24-вольтовой системы, учтя особенности замены аккумуляторов, потребуется менять их только парами. Системе на 48В понадобится замена всех четырех батарей в одной группе. К тому же на этом уровне уже существует риск электрического удара.
При равноценной ёмкости и схожих ценах следует выбирать аккумуляторы с наиболее глубокой возможной разрядкой и более высоким максимально допустимым током.
Выбор внутреннего напряжения системы также связан с мощностными характеристиками современных инверторов и должен учитывать уровень пиковых нагрузок:
- от 3 до 6 кВт — 48 вольт,
- от 1,5 до 3 кВт — 24 или 48 вольта,
- до 1,5 кВт — 12, 24 или 48 вольт.
Взвесив надежность соединений против сложности замены аккумуляторов, для нашего примера мы выберем надёжность. Мы будем считать рабочее напряжение проектируемой системы равным 24 вольтам.
Подбор солнечных панелей для батареи
Формула для расчета требуемой мощности солнечной батареи выглядит следующим образом:
Рсм = ( 1000 * Есут ) / ( к * Син ),
- Рсм — мощность солнечной батареи — совокупная мощность модулей (панелей, Вт),
- 1000 — стандартная светочувствительность фотоэлектрических преобразователей (кВт/м²),
- Есут — ежедневная потребность в энергии (кВт*ч, в нашем случае = 12),
- к — коэффициент, учитывающий сезонные потери (летом = 0,7; зимой = 0,5),
- Син — табличное значение солнечной радиации (кВт*ч/м²) при оптимальном угле наклона панелей.
Узнать значения инсоляции можно через региональную метеорологическую службу.
Оптимальный угол наклона солнечных панелей составляет величину широты местности:
- весной и осенью,
- плюс 15 градусов — зимой,
- минус 15 градусов — летом.
Рязанская область находится на 55-й широте.
Наивысшая эффективность солнечных батарей достигается при использовании систем слежения, сезонной регулировки угла наклона панелей и применении различных моделей модулей.
Для нашего примера с марта по сентябрь наилучший нерегулируемый угол наклона солнечной панели должен составлять 40⁰ относительно горизонтали. При такой настройке, средняя суточная инсоляция в Рязани за этот период составит 4,73. Теперь выполним расчет:
Рсм = 1000 * 12 / ( 0,7 * 4,73 ) ≈ 3 600 ватт.
При использовании солнечных панелей мощностью 100 Вт потребуется всего 36 модулей. Общее их вес составит около 300 кг, а занимаемая площадь приблизительно равна 5 х 5 метрам.
В этой статье собраны проверенные схемы монтажа и подключения солнечных панелей.
Создание аккумуляторного блока
Выбирая аккумуляторы, следует руководствоваться несколькими принципами:
- Обычные автомобильные аккумуляторы не подходят для этой цели. Специальные батареи для солнечных установок обозначены надписью «SOLAR».
- При покупке следует выбирать аккумуляторы, которые совпадают по всем характеристикам, предпочтительно из одной партии.
- Аккумуляторный блок должен размещаться в теплом помещении. Лучшая температура для максимальной отдачи батарей составляет 25°C. При снижении температуры до -5°C их емкость уменьшается на 50%.
Рассмотрим пример с аккумулятором на 12 вольт и емкостью 100 Ач: он способен обеспечить энергией устройства общей мощностью 1200 ватт в течение одного часа при условии полной разрядки, что крайне нежелательно.
Для долговременной эксплуатации аккумуляторов нужно избегать разрядки ниже 70%. Максимально допустимый уровень разряда составляет 50%. Приняв 60% за «золотую середину», мы получаем энергетический запас в 720 Втч на каждую 100 Ач емкости батареи (1200 Втч умножить на 60%).
Покупка одного аккумулятора на 200 Ач может оказаться более экономичной по сравнению с двумя аккумуляторами на 100 Ач, а также минимизирует количество подключений.
Аккумуляторы должны быть первоначально полностью заряжены от стационарного источника электроэнергии. Они должны обеспечивать питание в темное время суток, а также поддерживать стабильные параметры системы в случае недостатка солнечного света.
Следует помнить, что избыток аккумуляторов может привести к недостаточной зарядке, что негативно скажется на сроке их службы. Наиболее эффективно будет собрать блок так, чтобы он обеспечивал суточные потребности в энергии.
Чтобы рассчитать нужную общую емкость аккумуляторов, разделим общее суточное потребление энергии — 12000 Втч — на 720 Втч и умножим на 100 Ач:
12000 / 720 * 100 = 2500 Ач ≈ 1600 Ач
В данном случае для нашего примера потребуется 16 аккумуляторов по 100 Ач или 8 по 200 Ач, соединенных последовательно и параллельно.
Правильный выбор контроллера
Точный выбор контроллера заряда для аккумуляторов — это важная задача. Его входные характеристики должны соответствовать характеристикам солнечных панелей, а выходное напряжение — внутреннему напряжению всей системы (в нашем случае — 24 вольта).
Качественный контроллер должен обеспечивать:
- Многоступенчатый процесс зарядки аккумуляторов, что значительно увеличивает их срок службы.
- Автоматическое подключение и отключение аккумуляторов и солнечных панелей в зависимости от режима зарядки и разрядки.
- Переключение нагрузки с аккумуляторов на солнечные панели и наоборот.
Этот небольшой, но важный узел играет ключевую роль в системе.
Если перевести часть потребителей (например, освещение) на прямое подключение 12 вольт от контроллера, это снизит мощность инвертора, что сделает его более экономичным.
Правильный выбор контроллера обеспечивает надежную работу жизненно важного аккумуляторного блока и сбалансированность всей системы.
Выбор инвертора наилучшего качества
Мощность инвертора должна быть достаточной для обеспечения долгосрочных пиковых нагрузок, а его входное напряжение должно совпадать с внутренним напряжением солнечной системы.
При выборе инвертора рекомендуется обратить внимание на такие характеристики:
- Форму и частоту выходного переменного тока. Чем ближе он к синусоиде на 50 герц, тем лучше.
- Коэффициент полезного действия устройства. Чем выше он (более 90%), тем предпочтительнее.
- Собственное потребление инвертора должно быть соизмеримо с общим энергопотреблением системы. Идеальное значение — до 1%.
- Способность инвертора выдерживать кратковременные двухкратные перегрузки.
Самым оптимальным выбором является инвертор с встроенным контроллером.
Сборка бытовой гелиосистемы
Мы подготовили для вас фотогалерею, которая показывает процесс сборки бытовой солнечной системы из заводских модулей:
Галерея изображений
Перед тем, как начинать строительство мини-электростанции, необходимо точно рассчитать мощность группы устройств и определить их количество.
Перед покупкой в магазине важно тщательно проверить комплектацию каждого устройства и осмотреть их на предмет повреждений.
Транспортировка солнечных панелей должна осуществляться в их оригинальной упаковке. Устройства требуют осторожной погрузки и выгрузки, после чего следует заново проверить их целостность.
Сборку солнечных коллектораў лучше производить на открытой местности или в просторном помещении.
Угол наклона для установки на подставке, входящей в комплект, следует подбирать с учетом времени года и направления солнечных лучей.
Место установки солнечных панелей должно быть выбрано так, чтобы вблизи не было высоких зданий и деревьев, отбрасывающих тень.
Контроллер, инвертор и аккумуляторный блок солнечной мини-электростанции должны устанавливать в отапливаемых помещениях, где нет риска затопления.
Если необходимо увеличить мощность солнечной электростанции, к существующим модулям можно добавить аналогичные устройства в нужном количестве.
