Электрические блоки от солнца

Солнечные панели для частного дома: поставь светло себе на службу

Использовать в частных домах и даже дачных домиках альтернативные источники энергии сегодня стало модной тенденцией. Впрочем, это достаточно практично и, как правило, выгодно. Первенство среди таких устройств получили солнечные панели для частного ома (солнечные батареи, солнечные электростанции). Связано это с ежегодным ростом (весьма солидным) производства, снижением цен, многочисленными наработками, упрощающими подбор оборудования и построение систем.

Что это?

Основу любой системы составляют солнечные панели. Они выполняют роль основного источника энергии и, зачастую, становятся наиболее дорогой составляющей.

От их взвешенного выбора зависит:

производительность домашней электростанции;
объемы и стоимость работ по монтажу и обслуживанию;
цена покупки;
характеристики остальных звеньев.

Критерии выбора

Единственным критерием при проектировании домашней электростанции и выборе оборудования для нее должна стать целесообразность.

Однако понятие это широкое, для его понимания потребуется учет многих факторов:

Средней и максимальной потребляемой мощности.
Производительности солнечных модулей.
Наличия стационарной электросети и режима совместной с ней работы.

Географического положения местности и климатических условий.
Финансовых возможностей владельца дома.

Структура домашней солнечной электростанции

Определяется двумя основными положениями:

Целью создания и использования.
Работой совместно со стационарными электросетями.

Соответственно, рассматривать можно 3 варианта организации солнечного электроснабжения дома:

Зависимый от электросети.
Полуавтономный с резервированием.
Полностью автономный.

Зависимый от сети вариант (электростанция, ведомая сетью)

Такая электростанция строится по простейшей схеме. В ее состав входят:

Солнечные панели в качестве альтернативного источника энергии.
Инвертор, преобразующий постоянное напряжение на выходе фотоэлементов в переменное напряжение для потребителей.

Гелиобатареи подключаются на вход инвертора. Его выход соединен с сетью (после счетчика). Основная особенность схемы – отсутствие промежуточных накопителей энергии (аккумуляторов) и устройства для их заряда.

При такой структуре приборы в доме потребляют электроэнергию от солнечных элементов через инвертор. Недостаток мощности восполняется сетью, и, наоборот, ее избыток (например, когда батареи работают в номинальном режиме, а потребители выключены), сбрасывается в сеть.

Достоинства такой схемы:

Минимальная стоимость по сравнению с другими вариантами.

Простота настройки и регулировки.

Есть у нее и серьезный недостаток – при отсутствии сетевого напряжения (во время отключения электроэнергии) система не работает.

Автономная схема

В этой системе отсутствует сеть, а электроснабжение дом полностью производится от солнечных батарей.

Такой функционал диктует схему построения:

Источник энергии – солнечные панели.
Накопитель (аккумулятор) – берет на себя питание потребителей, когда батареи не вырабатывают электроэнергию (например, в ночное время).
Контроллер заряда аккумуляторов – устройств, управляющее зарядом накопителей и потребление энергии от фотопанелей.
Инвертор, как и в предыдущем варианте, преобразующий постоянное напряжение в переменное.

Система работает следующим образом:

При наличии освещения солнечные батареи вырабатывают энергию.
Она поступает на вход контроллера, преобразующий ее параметры в нужные для заряда батарей. Аккумуляторы подключены к его выходу.
К выходу контроллера и зажимам АКБ подключаются входные цепи инвертора. Он преобразует напряжение и подает питание в сеть дома (не путать с централизованной).

Таким образом, при включенных электроприборах они получают энергию непосредственно с солнечных панелей (через контроллер и инвертор), когда светит Солнце. Одновременно, если есть избыток мощности, заряжаются аккумуляторы. Когда солнечный источник не работает, АКБ отдают накопленную энергию (через инвертор) потребителям.

Однако за красивой картинкой обязательно скрываются «подводные камни»:

Стоимость электростанции выходит весьма значительной.
Если по каким-либо причинам наблюдается длительный перерыв в работе панелей (поверхность покрыта снегом в зимнее время, дождевые тучи на неделю закрыли Солнце и т.д.), запасенной в аккумуляторах энергии не хватит для работы потребителей.

Решить проблему поможет резервный источник электроэнергии. В вариантах полностью автономных систем его роль может выполнять ветро- или гидро-, дизельный или бензиновый генератор. При наличии сетевого ввода резервным источником выступит стационарная электросеть, а система превратиться в полуавтономную.

Полуавтономная (гибридная) система

Схема такой электростанции практически полностью повторяет предыдущую за единственным исключением – для заряда накопителей используется энергия не только от солнечных панелей, но и от сети. В этом случае контроллер, кроме управления зарядными процессами, получает дополнительную функцию.

В настройках контроллера можно задать приоритет источников:

При выборе солнечных батарей работающие электроприборы будут, по возможности, запитаны от них, а от сети будут потребляться недостающая мощность и подзаряжаться аккумуляторы.
При выборе сети до пороговой мощности будет работать стационарный источник, а дополнительную энергию обеспечат гелиопанели.

Монокристаллические

Такие батареи визуально выглядят как панели с сегментами глубокого черного цвета. Получили название за счет конструкции на основе монокристаллов кремния.

Самый существенный недостаток — строгая ориентировка оптических осей кристаллов, что требует точного позиционирования панелей для получения максимальной отдачи. По этой же причине монокристаллы не терпят затенения – генерация энергии значительно снижается.

В настоящий момент обладают самым высоким КПД преобразования – около 22%. При этом стоимость тоже наиболее высокая – порядка 0.9-1.1 доллара за 1 Вт генерируемой мощности.

Поликристаллические модули

Название такие батареи получили за счет размещения на подложке множества кремниевых кристаллов с хаотически ориентированными оптическими осями. Визуально такие модули отличаются синим цветом с «морозным» рисунком.

Естественно, такое расположение кристаллов вызвало потерю КПД преобразования – он находится на уроне 11-16%. Однако это же позволило увеличить эффективность работы при рассеянном свете, что в результате привело к созданию панелей, которые успешно конкурируют с монокристаллическими (при прочих равных, например, размерах) по мощности генерации. Более того, по цене они значительно выигрывают и обходятся в 0.7-0.9 доллара за 1 Вт.

Аморфные

Технология изготовления рабочего тела сходна с поликристаллическими, но в качестве основы выступает аморфный кремний (aSi). При КПД в пределах 8-11% отличаются высокой эффективностью работы в рассеянном свете, могут захватывать и инфракрасный диапазон. В результате обладают лучшей стоимостью – порядка 0.5-0.7 доллара за 1 Вт.

Кроме того, имеют солидное преимущество – гибкую основу. Это означает, что для монтажа не требуется жестких конструкций, материал легко клеится на поверхности любой формы.

Остальные

Модули, предлагаемые производителями, могут быть изготовлены и по другим технологиям:

Микроморфные, отличаются высокой отдачей при рассеянном и инфракрасном излучении.
Гибридные, использует несколько полупроводниковых материалов и обеспечивают высокий КПД преобразования (до 44%).
Полимерные, гибкие с подложкой из полимерных материалов, абсолютные лидеры по стоимости.

Такие предложения следует тщательно изучать, некоторые из них могут оказаться намного выгоднее, чем лидирующие на рынке панели, выполненные по стандартным технологиям.

Вообще, монокристаллические панели можно рекомендовать для установки только жителям южных регионов. Остальным следует выбирать поликристаллы или панели по другим технологиям.

Мощность и количество

Определить, какое количество солнечных панелей необходимо, следует по средней и максимальной мощности потребления. Среднюю легко найти в счетах за электроэнергию – месячное потребление делится на количество дней в месяце. Максимальное находится суммированием мощностей всех имеющихся в доме электроприборов.

Кроме мощности потребителей необходимо учесть:

Время работы солнечных батарей. Как правило, принимается равным 6 часам, соответственно, мощность генерации нужно кратно увеличить.
Потери на преобразование при зарядке аккумуляторов и получении переменного напряжения на инверторе. С их учетом необходим запас по мощности не менее 30%.
Пиковые токи. Например, при средней мощности стиральной машины 500 Вт при работе нагревателя может потребляться до 2 кВт. При пуске насосов или других двигателей, пусковые токи могут превосходить номинальные значения в 5-6 раз. Конечно, львиную долю примут на себя аккумуляторы, но запас модулей по току в 20-30% не помешает.
Географию и погодные условия местности – коэффициент инсоляции. Найти его для зимнего и летнего времени можно в справочниках.

После расчета необходимой мощности генерации рассчитывается мощность, отдаваемая одной батареей:

Где:

Кс – стандартный сезонный коэффициент, 0.5 для лета и 0.7 для зимы.
Wn – мощность панели, заявленная производителем.
Ki – коэффициент инсоляции, также берется для лета и зимы.

Читайте также: Солнце в петров день

Рассчитанную необходимую мощность генерации делят на оба (летнее и зимнее) значения. Наибольшее из двух чисел будет минимальным количеством панелей, которые потребуются для электроснабжения дома.

Источник

Электроснабжение при помощи солнечных батарей: сборка системы своими руками

Статья рассматривает практическое применение солнечных батарей, подробно описывает необходимые для бесперебойного электроснабжения узлы, самостоятельное подключение и настройку солнечных батарей.

Оборудование системы электроснабжения: ассортимент, характеристики

В предыдущей статье мы рассмотрели виды солнечных батарей. Но в системах генерации солнечной энергии эти элементы являются лишь первичными преобразователями. Для создания полноценной домашней электростанции нам понадобится такой комплект оборудования:

контроллер заряда аккумуляторной батареи
аккумуляторная батарея (АКБ)
инвертор напряжения

Контроллеры заряда АКБ бывают двух типов: ШИМ-контроллеры (PWM-контроллеры) и ОТММ-контроллеры (MPPT-контроллеры).

ШИМ-контроллер более простое и более дешевое устройство, управляющее зарядом АКБ. КПД ШИМ-контроллера обычно выше, чем у ОТММ-контроллера в силу того, что на начальном этапе зарядки он подключает аккумулятор практически напрямую к солнечной батарее без преобразования генерируемого напряжения. ОТММ-контроллеры рекомендуют использовать с модулями с нестандартным выходным напряжением от 28 В и выше.

Экономически оправданным использование ОТММ-контроллеров будет в системах генерации номинальной мощностью более 400 Вт. Еще одно основание для использования такого контроллера — проектирование солнечной станции для круглогодичной выработки электроэнергии. В пасмурные зимние дни при зарядке аккумуляторов ОТММ-контроллер проявит себя с лучшей стороны.

Аккумулятор в системе солнечного электроснабжения играет роль буфера, накапливающего электрическую энергию.

В отличие от всего остального оборудования гелиостанции аккумулятор является расходным элементом. Поэтому чем дольше он проработает без замены, тем меньше будет срок окупаемости приобретенных вами компонентов. Чтобы АКБ прослужила долго, нужно ответственно подойти к его выбору. Основные параметры АКБ, интересующие потенциального владельца, — это:

напряжение (Вольт, В) — в продаже есть аккумуляторы для солнечных батарей на напряжение 12, 24 и 48 В. Для небольших домашних станций мощностью 200–300 Вт вполне подходят АКБ на 12 В;
электрическая емкость (Ампер⋅час, А⋅ч) — характеризует количество электроэнергии, которую можно аккумулировать. Соответственно, чем больше этот параметр, тем больше электросистема может проработать в автономном режиме (в пасмурную погоду или в темное время суток);
уровень саморазряда (% от номинальной емкости) — чем ниже этот параметр, тем лучше АКБ.

Инвертор напряжения предназначен для преобразования постоянного напряжения аккумулятора в переменное напряжение сети 220 В, питающей бытовую нагрузку.

На рынке есть большой ассортимент инверторов, обладающих разнообразными функциями. Среди самых важных параметров следует отметить следующие:

мощность инвертора;
напряжение первичной цепи (напряжение подключаемого аккумулятора);
наличие встроенных защит (от перегрузки, от переполюсовки аккумулятора, от короткого замыкания в нагрузке, от чрезмерного разряда аккумулятора);
синусоидальность выходного напряжения (принципиально, если в подключаемой нагрузке есть двигатели, например, стиральные машины, холодильники, циркуляционные насосы, вентиляторы и т. п.).

Следует также отметить, что избыточное количество функций приводит лишь к удорожанию прибора и усложнению его настройки и эксплуатации.

Схема подключения оборудования гелиостанции

Сборка схемы солнечной электростанции достаточно проста. Ниже будет приведена последовательность подключений, проиллюстрированная фотографиями. Для сборки простой системы используется солнечная панель с поликристаллическими элементами, контроллер заряда и аккумулятор. Сборку начинаем с подключения кабеля к солнечной батарее.

Для батарей, которые идут в комплекте с кабелем, этот шаг не требуется. К выходным клеммам контроллера подключаем АКБ. Далее провода, идущие от панели, необходимо присоединить к входным клеммам контроллера заряда.

Все присоединения производятся по принципу «+» к «+», а «-» к «-». На входные клеммы инвертора подаем питание от аккумулятора. После включения контроллера заряда и инвертора мы видим, что генерируемое солнечной панелью электричество начинает зарядку аккумулятора.

Для того чтобы определить полярность выводов солнечной батареи, достаточно замерить напряжение на клеммах с помощью мультиметра. Если возле показаний величины напряжения стоит знак «минус», то положение черного щупа соответствует плюсовой клемме (проверьте правильность подключения щупов перед измерением). Если знак «минус» отсутствует, то положение черного щупа соответствует отрицательной клемме батареи.

Монтаж солнечных панелей и вспомогательного электрооборудования

Монтаж электрооборудования гелиостанции производится медным проводом. Сечение медного провода для одной панели стоит выбирать не менее 2,5 мм². Это обусловлено тем, что нормальная плотность тока в медном проводнике 5 ампер на 1 мм². То есть при сечении 2,5 мм² допустимый ток будет составлять 12,5 А.

При этом ток короткого замыкания панели RZMP-130-T мощностью 145 Вт составляет всего 8,5 А. При объединении нескольких панелей с параллельным подключением сечение общего выходного кабеля должно подбираться исходя из максимального суммарного тока всех панелей по вышеописанной концепции (5 А на 1 мм²).

В продаже есть разнообразные кабели для подключения солнечных батарей. Их отличительная особенность в том, что внешняя изоляция кабеля подверглась специальной обработке и имеет повышенную стойкость к ультрафиолетовому излучению. Покупать такие кабели необязательно. Солнечные батареи можно подключить кабелем с обычной ПВХ-изоляцией, но проложить его в гофрированном рукаве, который предназначен для прокладки внешней проводки. Такой вариант обойдется на 30–40% дешевле.

Контроллер заряда АКБ и инвертор необходимо разместить в сухом помещении с комнатной температурой, например, в кладовке или прихожей. Размещать это оборудование вне помещения нецелесообразно, так как электронные узлы аппаратуры не должны подвергаться значительным колебаниям температуры и влажности. Саму аккумуляторную батарею можно разместить вместе с электроникой.

Если вы решили использовать кислотные или щелочные аккумуляторы, то следует их разместить в хорошо проветриваемом нежилом помещении, так как при их эксплуатации выделяются вредные для здоровья испарения электролита. Кроме того, в помещении с аккумуляторами не должно быть источников искровой и огневой опасности, так как выделяющиеся кислород и водород в плохо проветриваемых помещениях могут образовать взрывоопасную смесь.

Солнечная панель может устанавливаться двумя способами:

неподвижная установка предполагает стационарное размещение панелей на крыше дома или на кронштейне, закрепленном на стене или фундаменте. При этом панели должны быть направлены на юг, горизонтальный наклон панелей должен составлять угол, равный широте местности плюс 15°. Широту вашего местоположения можно определить, например, по показаниям GPS-навигатора или в сервисе Google Maps;
подвижная установка панелей производится на траверсу, которая способна поворачиваться азимутально (в направлении движения солнца вдоль горизонта) и зенитально, наклоняя панели для того, чтобы солнечные лучи падали на них перпендикулярно. Такая система установки позволяет увеличить КПД используемых солнечных батарей, но требует дополнительных ощутимых финансовых затрат на конструкцию траверсы, приводные двигатели и систему для их управления.

Пути повышения эффективности автономного электроснабжения

Для повышения эффективности солнечной электростанции можно идти двумя путями: увеличивать количество генерируемой электроэнергии с одной стороны и уменьшать её потребление с другой. Пути для увеличения генерируемой электроэнергии могут быть следующие:

установка солнечных батарей на подвижную траверсу или на механизм управления зенитальным наклоном (полумера, но тоже достаточно эффективная, в основном для монокристаллических панелей);
использование качественных аккумуляторов с малым процентом саморазряда и долгим сроком службы без значительного снижения емкости;
регулярное техническое обслуживание системы: чистка панелей от пыли и снега, обслуживание разъемных и клеммных соединений с целью уменьшения контактных сопротивлений и, как следствие, потерь мощности.

Со стороны нагрузки энергоэффективность может быть увеличена следующим образом:

выделение цепи низковольтного питания напрямую от аккумулятора, например, для подключения светодиодного освещения. Это позволит избежать двойного преобразования энергии в инверторе;
отключение инвертора при отключении нагрузки на его выходе, так как инвертор, работающий вхолостую, все равно потребляет небольшое количество энергии;
установка совместно с освещением датчиков движения с таймером, чтобы исключить досадное расходование электроэнергии из-за того, что просто забыли выключить лампу в прихожей.

Источник