Расчет мощности солнечных батарей: сколько нужно для частного дома, подробная методика подсчета

Сколько энергии может дать в день одна солнечная панель?

Рассчитать, сколько может дать в сутки одна солнечная панель сложнее. Сразу следует подчеркнуть, что расчёт здесь будет достаточно приблизительный, так как источник (в данном случае – солнце) непостоянный. Здесь приходится учитывать несколько факторов:

• заводская мощность панели;
• уровень инсоляции в вашей местности в течение года;
• планируемые потери в процессе работы батареи.

С максимальной заводской мощностью всё понятно – она указана в паспорте изделия. Но это совсем не значит, что на практике солнечная панель будет работать именно с такой мощностью. Реальный выход энергии зависит от уровня инсоляции — количества света, которое панель сможет получить в течение года (а в разных регионах оно очень разное), и всех предстоящих утечек электроэнергии (например, при зарядке/разрядке аккумуляторов, работе контроллера и т.д.). На эффективность батареи влияет также правильность установки панели, возможность менять её наклон, чистота фотоэлементов (панели надо регулярно чистить от снега, пыли и грязи).

Итак, мощность солнечной батареи летом и зимой – это две разные величины. Вычисляются они следующим образом:

• Заводская мощность панели (они могут быть разные) умножается на средний месячный уровень инсоляции по нужному региону летом (берётся верхний показатель). Затем всё это умножается на поправочный коэффициент для лета, равный 0,5. Полученная цифра будет означать реальную мощность солнечной батареи летом.
• Заводскую мощность панели умножить на средний месячный уровень инсоляции для данного региона в самый тёмный месяц зимы и затем умножить всё на поправочный коэффициент для зимы, равный 0,7. Полученная цифра будет означать реальную мощность батареи зимой.

Разница между зимней и летней мощностью солнечной батареи может быть в регионах с умеренным климатом раз в 5-6. Выяснив реальную мощность батареи, следует возвратиться к расходу электроэнергии. Для этого к рассчитанному ранее показателю по дому нужно добавить размеры потерь от работы самой солнечной установки (главным образом, аккумуляторов). Например, если такие потери составляют 25%, то расход по дому следует умножить на 1,25. Получится реальный расход электроэнергии при работе всех приборов в доме и самой солнечной батареи.

И в завершении остаётся выяснить, сколько панелей потребуется для обеспечения вашего дома электричеством. Их количество выйдет разным зимой и летом. Для этого надо разделить общее число расходуемой в доме энергии (включая перерасход аккумуляторов) на мощность батареи. При делении на зимнюю мощность, получится количество панелей, необходимых зимой. При делении на летнюю мощность — летом. Надо отметить, что разница тоже будет примерно в 5 раз. Теперь, зная стоимость и необходимое количество панелей, можно подсчитать, насколько выгодна их установка в вашем доме.

Шаг 2: Выбор аккумуляторов

Все солнечные панели являются источниками постоянного тока. Электроэнергию они генерируют только днем. Если есть желание подключить нагрузку постоянного тока днем, то с этим нет никаких проблем, можно подключиться непосредственно от панелей. Но сделать это – не самое хорошее решение, потому что:

• Большинству приборов необходимо постоянное номинальное напряжение для эффективной работы. Передаваемое солнечными панелями напряжение и ток непостоянны. Они меняются в зависимости от интенсивности солнечного света, пасмурная погода – «не есть хорошо».
• Если вы хотите включить что-то ночью, то это что-то попросту не включится.

Указанная проблема решается использованием аккумуляторов, для накопления энергии в дневное время, и использования её в ночное. Существует много видов аккумуляторов. Аккумуляторы «открытого типа» с жидким электролитом, к которым относятся автомобильные аккумуляторы – предназначены для выдачи высокого тока в течение небольшого промежутка времени. Они не предназначены для глубокого разряда, у них задачи другие. Аккумуляторы для солнечных батарей являются аккумуляторами глубокого цикла, они легко переносят частичные разряды и предназначены для глубокого медленного разряда. Для солнечных электростанций хорошо подходят гелевые и литиевые аккумуляторные батареи (о том какие аккумуляторы лучше для солнечных электростанций мы писали тут).

Устройство и принцип работы

Солнечные коллекторы и батареи на фотоэлектрических элементах – это разные по функционалу и принципу действия системы. Разберем их подробнее.

Солнечные коллекторы

Принцип работы таких систем основан на нагревании темных предметов под воздействием солнечного излучения. Если просто представить ведро, наполненное водой в ясный жаркий день, через какое-то время температура воды значительно вырастет. Если ведро будет выкрашено черной краской, то нагревание будет происходить значительно быстрее. Если же ведро плотно накрыть сверху листом стекла, то время нагрева значительно уменьшится, так как будет наблюдаться парниковый эффект.

Типы солнечных коллекторов:

• открытые;
• трубчатые;
• плоские.

Рассмотрим их подробнее.

Открытые солнечные коллекторы

Тут действует принцип черного ведра без крышки, из примера выше. Простейшая система, которая представляет систему каналов, выкрашенных в черный цвет. Под действием излучения канал нагревается, передавая тепло воде. Защиты от атмосферных воздействий нет, и в зависимости от ветра и окружающей температуры эффективность системы может быть разной, но в любом случае она не высока.

Плоские коллекторы

Вариант ведра, которое закрыто стеклом, из примера выше. Принцип такой же, как и у открытого коллектора, но при этом сам канал закрыт прозрачным материалом. По дну канала проходит трубка, которая получает тепло и передает его теплоносителю, например, воде. Также малоэффективны, но могут применяться для летнего душа или бассейна.

Трубчатые коллекторы

В трубчатых системах идея поглощения и сохранения тепла, была доведена практически до совершенства. Устройство представляет из себя систему трубок, каждая из которых состоит из стеклянной колбы, внутри которой находится трубка со светопоглощающим покрытием. Между трубками вакуум. Таким образом, внутренняя трубка нагревается от солнечного излучения, но из-за вакуума потери тепла минимальны, потому что она находится в своеобразном термосе, из-за откачанного воздуха. Тепло передается через теплоноситель в общую систему.

Схема трубчатого коллектора

Трубки соединяются параллельно и собираются в модули разного размера. Модулей может быть несколько, в зависимости от мощности отопительной системы.

Преимущества трубчатых коллекторов
эффективность при более низких температурах;
модульность и ремонтопригодность;
не обязательно попадание солнечных лучей под прямым углом к плоскости коллектора.

Недостатки
высокая стоимость;
низкая эффективность зимой;
низкая эффективность зимой;
имеют большие габариты;

Трубчатые коллекторы чаще всего имеют заводское исполнение. Вышедшие из строя трубки можно заменить. Также требуется эффективно утеплять трубопроводы, по которым передается теплоноситель, чтобы снизить потери энергии.

Солнечные батареи

В основе устройства солнечной батареи лежит свойство полупроводниковых фотоэлементов вырабатывать электрический ток под воздействием солнечных лучей. Элементы собираются в единый блок, солнечную батарею или панель. Количеством таких блоков можно легко регулировать мощность системы.

Сами фотоэлементы состоят из кремния и делятся на 3 вида:

• Монокристаллические – состоит из тонких пластин, выращенного искусственно кристалла кремния. Коэффициент полезного действия примерно 18%. Самая дорогая разновидность солнечной батареи;
• Поликристаллические – пластины получают из кремниевого расплава, который охлаждается постепенно. КПД в районе 12%. Это менее эффективная, но и менее трудоемкая технология производства;
• Аморфные – пластины состоят из испаренного кремния, который осел на подложке. КПД 5 – 7%. Панели выполненные по этой технологии отличаются хорошим светопоглощением в пасмурную погоду.

Ток солнечных батарей на фотоэлементах зависит от погоды, облачности, времени суток, степени загрязнения поверхности батареи. Помимо того они вырабатывают постоянный ток. Поэтому в комплекте к батарее в системе есть:

• инвертор;
• контроллер;
• аккумулятор

Инвертор преобразует постоянный ток в требуемое напряжение сети. Аккумулятор накапливает электроэнергию за световой день для стабильной работы в ночное время. Контроллер управляет зарядом аккумулятора, предохраняет его от перезаряда, регулирует потоки энергии от батареи между аккумулятором и потребителями.

Подсчет количества панелей

Когда известны два параметра – потребление энергии и уровень инсоляции, можно переходить к расчету количества панелей, которые покроют потребность конкретного пользователя.

Норму электроэнергии для этого делят последовательно на инсоляцию помесячную. Далее, получившуюся цифру делят еще раз на мощность установки (есть в техпаспорте), и получают искомое значение.

Пример: Если покупатель проживает в Москве, где в июле инсоляция рана 5,3 кВт/ч, а ваше энергопотребление в сутки не более 20 кВт/ч, то при мощности батареи в 240 Вт (0,24 кВт), панелей потребуется 16 штук (20:5,3:0,24=15,7).

Если панель подбирается для дачи и выбор остановлен на устройстве, мощность которого 185 Вт (0,185 кВт), достаточно будет 5 панелей (5:5,3:0,185=5).

Особенности используемых в формуле показателей

Величина солнечной энергии, падающей на крышу и стены дома в определенном регионе, может измеряться для разных промежутков времени. Метеорологи рассчитывают годовую, месячную и дневную солнечную радиацию, приходящуюся на 1 кв. м. Если этот показатель годовой, то его единицей измерения является кВт*ч/(м²*год). Вместо слова «год» могут быть слова «месяц» и «день». Например, показатель 5 кВт*ч/(м²*день) означает, что за 1 день на 1 кв. м. падает 5 кВт солнечной энергии.

В вышеуказанную формулу можно подставлять любой показатель. Если подставляется годовая солнечная энергия, то результатом расчета будет такое количество электроэнергии, сколько панель производит за 1 год. Так же с показателями других промежутков времени. Наиболее целесообразно высчитывать месячную выработку электрической энергии. Интенсивность освещения в каждом месяце различна, и для выработки, например, 10 кВт электричества, надо использовать разное количество панелей, а также подключать соответствующее число аккумуляторов.

Выражение включает в себя 2 показателя, но его следует рассматривать, как один. Это потому, что он показывает производительность панели. Более правильно было бы использовать выражение , где S является площадью светочувствительных пластин в кв. м. Оно позволяет определить КПД солнечных батарей, а точнее, какую часть света может превратить 1 кв. метр панели в электрическую энергию.

Например, есть немецкая монокристаллическая панель SolarWorld 2015. Она имеет площадь 1,995 кв. метр и мощность 320 Вт. Ее КПД составляет 320 / (1 000 * 1,995) * 100 = 16,04%. Для применения в формуле выражение на 100 умножать не надо. В ней следует использовать число 0,1604.

Второе выражение не используют потому, что результатом будет мощность 1 кв. метра панели. Батарея редко имеет такую площадь. Этот ее показатель значительно больше. Например, вышеупомянутое изделие имеет площадь 1,995 м². В итоге, конечный рассчитанный по формуле результат нужно было бы умножать на площадь. Получилось бы так, что в числителе и знаменателе выражения будет S. А если S делить на S выйдет 1.

Размеры панелей

Ошибка №11
Чем больше, тем мощнее, а значит лучше.

Например, попадаются экземпляры на 12В, где в одном корпусе собрано не 36 элементов, как в стандартном варианте, а сразу 72шт. Две цепочки по 36шт включенных параллельно.

Однако во-первых, при монтаже больших размеров высока вероятность повреждения панелей.

А дальше монтажной коробки они не ремонтопригодны.

Кстати, по поводу этой коробки. В последних моделях она как правило залита компаундом и доступа к контактам и диодам вы не имеете.

Ошибка №12
В старых моделях она “пустая”.

Некоторые этим пользовались и переподключали контакты самостоятельно, делая из 12 вольтовой панельки 24-х вольтовую.

Что делать

Из опрошенных 1500, более 1000 специалистов высказались за улучшение статистики при сборе и обработке данных, улучшение качества надзора со стороны боссов, а также более строгое планирование экспериментов.

Вопрос: Какие факторы помогут повысить воспроизводимость?

Ответы (сверху вниз): –Лучшее понимание статистики –Более строгий надзор –Улучшенное планирование экспериментов –Обучение –Внутрилабораторная проверка –Совершенствование практических навыков –Стимулирование к формальной перепроверке данных –Межлабораторная проверка –Выделение большего количества времени для управления проектами –Повышение стандартов научных журналов –Выделение большего количества времени для работы с лабораторными записями

Заключение и немного личного опыта

Во-вторых, в статье замалчивается (вернее, не рассматривается) роль научных метрик и рецензируемых научных журналов в возникновении и развитии проблемы невоспроизводимости результатов исследований. В погоне за скоростью и частотой публикаций (читай, повышение индексов цитирования) резко падает качество и не остаётся времени на дополнительную проверку результатов.

Как говорится, все персонажи вымышлены, но основано на реальных событиях. Довелось как-то одному студенту проводить рецензирование статьи, ибо не у каждого профессора есть время и силы на вдумчивое чтение статей, поэтому собирается мнение 2-3-4 студентов и докторов, из которого складывается отзыв. Была написана рецензия, в ней указывалось на невоспроизводимость результатов по методике, описананой в статье. Это было наглядно продемонстрированно профессору. Но дабы не портить отношения с «коллегами» – ведь у них-то всё получается – рецензия была «скорректирована». И таких статей опубликовано 2 или 3 штуки.

Получается замкнутый круг. Учёный отправляет статью редактору журнала, где указывает «желаемых» и, основное, «нежелаемых» рецензентов, то есть фактически оставляя лишь положительно настроенных к авторскому коллективу. Они рецензируют работу, но не могут по-чёрному «гадить в комментах» и стараются из двух зол выбрать меньшее – вот список вопросов, на которые необходимо ответить, и мы тогда опубликуем статью.

PS: Статья переводилась и писалась на скорую руку, обо всех замеченных ошибках и неточностях, просьба писать в ЛС.

Факторы, влияющие на эффективность фотомодулей

Журналисты ProfiDom.com.ua не раз слышали мнение, что на КПД влияет только используемый в производстве материал и от него напрямую зависит мощность батареи, но это не совсем так. Существует несколько технологических нюансов.

Как оценивается КПД солнечных панелей

КПД – пусть, не единственный, но все же, ключевой параметр. Он показывает, какой процент солнечного света панель может трансформировать в электроэнергию. КПД измеряется в «чистых» лабораторных условиях при следующих параметрах:

• Объем энергии солнечного света – 1000 Вт;
• Температура – 25 градусов;
• Рабочая площадь модуля – 1 м2;
• Угол наклона панели – 30 градусов.

И если производитель, к примеру, указывает КПД в 17%, это значит, что при указанных выше условиях из 1000 Вт батарея демонстрирует выходную мощность в 170 Вт на м2.

Вообще, эталоном для кремниевых элементов является 20% КПД. Некоторым производителям удалось увеличить этот показатель за счет технологических решений, но, в среднем, полезное действие составляет 16-18%. При этом:

• Поликристаллические панели показывают 14-16%;
• Монокристаллические дотягивают до 17-20%.

Влияние КПД на эффективность вполне очевидно: чем больше солнечной энергии может преобразовать модуль, тем выше мощность на выходе. Также, очевидно, что при эксплуатации достичь лабораторных условий невозможно, поэтому, фактический КПД часто отличается от заявленного.

Соединение и размеры пластин солнечных панелей

Солнечные панели состоят из многочисленных кремниевых пластин (36, 60, 72, 96 хотя возможно и другое количество). От размера и технологии соединения этих пластин напрямую зависит эффективность:

• Монокристаллические батареи, разделенные на 60 клеток, выдают до 19% КПД;
• Панели, разделенные на шинглы – прямые горизонтальные линии – демонстрируют от 17% до 19% КПД;
• 120-клеточная панель, в которой размер клетки уменьшен вдвое, позволяет повысить производительность до 20%;
• Новейшие батареи с IBC-структурой на 60 или 96 клеток выдают до 22% эффективности, что пока является рекордом.

При оценке соединения, на первое место выходит количество шин. Шины – это вертикальные линии, проходящие сквозь всю панель, через которые передается выработанное электричество. Чем больше шин, тем меньше потерь при передаче. Наиболее эффективными на данный момент являются панели IBM-5 с 5-тью горизонтальными шинами.

Мощность солнечных батарей на квадратный метр

Альтернативный способ оценки эффективности солнечной панели – это измерение производственной мощности на м2 или на 1 модуль (по стандарту – 1,6 м2). В этом случае, покупатель получает не абстрактные проценты, а конкретное количество вырабатываемой энергии.

Мощность и КПД – взаимосвязанные величины и тестируются они при одинаковых лабораторных условиях. Поэтому, чтобы рассчитать мощность, – достаточно площадь умножить на КПД и на 1000 Вт (солнечное излучение при испытаниях). Например, 1,6*20%*1000 = 320 Вт.

Однако, производители добиваются и большей мощности при меньших КПД, за счет оптимизации соединений и сокращении энергопотерь, при передаче от фотомодуля непосредственно на распределительную коробку. Поэтому, одинаковые по КПД панели могут на выходе давать разное количество энергии.

Наглядный пример в помощь

Для небольшого дачного дома среднесуточное потребление электроэнергии составляет порядка 2-5 кВт*ч, для загородного коттеджа это значение может равняться 10-50 кВт*ч и даже больше. В таблице 1 приведены основные энергопотребители, которые встречаются в каждом доме. На основе представленных данных и произведем расчет.

№	Энергопотребитель	Мощность, Вт	Количество	Среднесуточное время работы, ч	Потребляемая мощность в сутки, кВт*ч
1	Лампа накаливания	100	3	3	0,9
2	Лампа накаливания	60	3	3	0,54
3	Телевизор	150	1	4	0,6
4	Насос	500	1	2	1
5	Холодильник	1000	1	2	2
6	Компьютер	400	1	2	0,8
7	Спутниковая антенна	30	1	4	0,12
	ИТОГО:	—	—	—	5,96

Получается, энергоемкость нашего дома составляет 5,96 кВт, а с учетом потерь на разряд/заряд аккумулятора 5,96*1,15=6,854кВт. Допустим, что наш дом находится в Ялте, и мы планируем использовать устанавливаемую солнечную систему в течение всего года, тогда коэффициент инсоляции составит 3,57. Номинальная мощность солнечных батарей, которые мы приобрели, равняется 100 Вт. За сутки один модуль сможет вырабатывать 100*3,57=357 Вт. Вычисляем количество: 6,854/0,6426=19,2, округляем в большую сторону и получаем 20 солнечных батарей смогут обеспечить дом, потребляющий около 6000 Вт*ч/сутки.

Как видно из расчета, наиболее прожорливыми приборами являются лампы накаливания и холодильник. Чтобы снизить энергозатраты рекомендуют:

1. Заменить лампы накаливания на светодиодные энергосберегающие, потребляя всего 4 Вт они излучают светопоток, аналогичный 90 Вт лампе накаливания.
2. Если обклеить холодильник пенопластом и отодвинуть от стены на 15 и более сантиметров, это снизит его энергопотребление на 15%.

Расчет мощности солнечных батарей

Мощность солнечных панелей для автономных систем выбирается исходя из необходимой вырабатываемой мощности, времени года и географического положения.

Необходимая вырабатываемая мощность определяется мощностью, требуемой потребителям электроэнергии, которые планируется использовать. При расчете стоит учитывать потери на преобразование постоянного напряжения в переменное, заряд-разряд аккумуляторов и потери в проводниках.

Солнечное излучение величина не постоянная и зависит от многих факторов – от времени года, времени суток, погодных условий и географического положения. Эти факторы также должны учитываться при расчете количества необходимой мощности солнечных панелей. Если планируется использование системы круглогодично, то расчет должен производиться с учетом самых неблагоприятных месяцев с точки зрения солнечного излучения.

При расчете для каждого конкретного региона необходимо проанализировать статистические данные о солнечной активности за несколько лет. На основании этих данных, определить усредненную действительную мощность солнечного потока на квадратный метр земной поверхности. Эти данные можно получить у местных или международных метеослужб. Статистические данные позволят с минимальной погрешностью спрогнозировать количество солнечной энергии для вашей системы, которая будет преобразована солнечными панелями в электроэнергию.

Для примера рассмотрим усредненную дневную инсоляцию по месяцам с одного из серверов метеослужб для г. Москвы. Данные указаны с учетом атмосферных явлений и являются усредненными за несколько лет.

Единица измерения инсоляции в таблице кВт*ч/м2/сутки.

Угол наклона плоскости, градусы по отношению к земле (0°- инсоляция на горизонтальную плоскость, 90 – инсоляция на вертикальную плоскость и т. п.), при этом плоскость ориентирована на Юг.

Янв.	Февр.	Март	Апр.	Май	Июнь	Июль	Авг.	Сент.	Окт.	Нояб.	Дек.	Среднегодовая инсоляция кВт*ч/м2/сутки
0°	0.75	1.56	2.81	3.87	5.13	5.27	5.14	4.30	2.63	1.49	0.81	0.50	2.86
40°	1.51	2.55	3.78	4.34	5.12	4.97	5.00	4.57	3.22	2.20	1.46	1.08	3.32
55°	1.66	2.70	3.82	4.16	4.70	4.51	4.53	4.31	3.17	2.27	1.58	1.20	3.22
70°	1.72	2.71	3.67	3.79	4.18	3.95	4.00	3.85	2.97	2.24	1.62	1.26	3.00
90°	1.65	2.50	3.19	3.07	3.21	2.99	3.05	3.08	2.51	2.02	1.53	1.22	2.50
Оптимальный угол	72.0	63.0	50.0	34.0	20.0	11.0	16.0	27.0	43.0	58.0	69.0	74.0	44.6

Как видно, самым неблагоприятным месяцем для данного региона является декабрь, дневная усредненная инсоляция на горизонтальную поверхность земли составляет 0,5 кВтч/м2/сутки, на вертикальную – 1,22 кВт*ч/м2/сутки. При угле наклона плоскости относительно земли 70 градусов инсоляция будет составлять 1,26 кВтч/м2/день, оптимальным углом для декабря является 74 градуса. Самым благоприятным месяцем является июнь и инсоляция на горизонтальную поверхность составит 5,27 кВтч/м2/сутки, оптимальный угол наклона для июня 11 градусов.

Угол наклона солнечной панели, при круглогодичном использовании в системе, которая потребляет в среднем одну и ту же мощность независимо от времени года, должен совпадать с оптимальным углом наклона самого неблагоприятного месяца по количеству солнечной радиации. Оптимальным углом наклона для декабря в г. Москва является 74 градус, таким образом и стоит устанавливать солнечную панель, так как в другие месяцы инсоляция заметно больше, и как следствие выработки электроэнергии будет более чем достаточно. Более того, в зимнее время при углах наклона 70-90 градусов, на солнечной панели не будут скапливаться осадки в виде снега. Если задачей является получение максимальной мощности от солнечных панелей, в течение всего года, то требуется постоянно ориентировать солнечную панель максимально перпендикулярно солнцу.

Формула расчета мощности солнечных панелей

Pсп=Eп*k* Pинс / Eинс, где:

Pсп — мощность солнечных панелей, Вт;

Еп — потребляемая энергия, Втч в сутки;

Eинс — среднемесячная инсоляция (из таблицы) кВтч/м2/день;

Pинс – мощность инсоляции на земной поверхности на одном квадратном метре (1000Вт/м2);

k – коэффициент потерь на заряд – разряд аккумуляторов, преобразование постоянного напряжения в переменное, обычно принимают равным 1,2-1,4.

Формула расчета вырабатываемой энергии солнечными батареями

Eв=Eинс*Pсп/Pинс*k, где:

Pсп — мощность солнечных панелей, Вт;

Ев — вырабатываемая энергия солнечными панелями, Втч в сутки;

Eинс — среднемесячная инсоляция (из таблицы) кВтч/м2/день;

Pинс – мощность инсоляции на земной поверхности на одном квадратном метре (1000Вт/м2);

k – коэффициент потерь на заряд – разряд аккумуляторов, преобразование постоянного напряжения в переменное, обычно принимают равным 1,2.

Определение потерь электроэнергии в домашней системе

Величину этих потерь учитывает Кпот. Эти потери могут быть в:

1. Проводах. Величина составляет 1%.
2. Инверторе. Составляют от 3 до 7%.
3. Шунтирующих диодах (0,5%).
4. Самой батарее при очень малом солнечном излучении (1-3%).

Также потери электроэнергии могут возникать из-за сильного нагрева модуля (составляют 4-8%) и из-за наличия грязи на солнечных панелях или их потемнений (1-3%).

Автономная электрическая система для дома считается оптимальной, если общие потери не превышают 15%. Тогда срок окупаемости сокращается, а также аккумуляторы накапливают больше тока. Кпот составляет 0,85. Однако плохое качество оборудования или неграмотный выбор комплектующих может привести к 30-% потерям. Кпот уже составит 0,7.

Набор оборудования для солнечной станции

Мощная солнечная батарея для дачи – устройство не самодостаточное. Полученную энергию нужно где-то запасти, чтобы вечером и в пасмурную погоду полноценно пользоваться бытовыми электроприборами.

Поэтому емкий и живучий аккумулятор нам в любом случае потребуется. В его выборе есть один важный нюанс: не пытайтесь сэкономить, покупая стартовый автомобильный аккумулятор. Он плохо подходит для цикличного запасания энергии и не переносит глубокого разряда. Его главное предназначение – дать мощный, но кратковременный ток для пуска двигателя.

Для запасания и медленного расходования энергии нужны аккумуляторы другого типа: AGM или гелевые. Первые дешевле, но имеют небольшой срок службы (до 5 лет). Гелевые аккумуляторы дороже, но зато работают значительно дольше (8-10 лет).

Контроллер – еще один важный элемент автономной гелиостанции. Он выполняет несколько задач:

• Отключает батарею от аккумулятора в момент полного заряда и включает ее для новой закачки электричества.
• Выбирает оптимальный режим зарядки, повышая количество запасаемой энергии.
• Обеспечивает максимальный срок службы аккумулятора.

Существует несколько типов контроллеров, используемых в солнечных станциях:

• ON/OFF «включил-выключил»;
• PWM;
• MPPT.

Самый дешевый прибор просто отключает солнечную панель от аккумулятора при возрастании напряжения на его клеммах до максимального уровня. Это не лучший вариант, поскольку в этот момент аккумулятор еще не полностью заряжен.

Более дорогой PWM-контроллер действует «умнее». После набора максимального напряжения, он понижает его до заданного уровня и держит еще пару часов. Так достигается более полный уровень накопления энергии.

И наконец, самый интеллектуальный контроллер MPPT- типа максимально эффективно использует мощность солнечной панели на всех режимах ее работы. Это позволяет запасти в аккумуляторе дополнительно от 10 до 30 % электричества.

Независимо от вида используемых полупроводниковых материалов (поликристаллы, монокристалл, аморфный кремний) устройство солнечной батареи представляет собой цепочку последовательно соединенных ячеек-модулей. Каждый из них генерирует небольшое напряжение (в пределах 0,5 вольт) и слабый ток (десятые доли ампера). Работая вместе, они «сливают» накопленную энергию в общий канал и на выходе из батареи мы получаем ток большой силы и постоянного напряжения (12 или 24 Вольт).

Структурная схема оборудования солнечной станции

Стандартные бытовые электроприборы рассчитаны на 220 Вольт, поэтому работать от «постоянки» не будут. Преобразование постоянного тока в переменный выполняет отдельное устройство-инвертор. Им завершается цепочка оборудования, необходимого для солнечной батареи.

Несмотря на относительно высокую стартовую стоимость компонентов солнечной станции, ее эксплуатация получается выгодной благодаря большому ресурсу «жизни» главных элементов: фотокристаллической панели и аккумулятора.

Расчёт ёмкости аккумуляторной батареи для солнечных панелей

Примерно так выглядит солнечная электростанция внутри дома

>

Ещё один пример установленных аккумуляторов и универсального контроллера для солнечных батарей

>

Самый минимальный запас ёмкости аккумуляторов

, который просто необходим должен быть такой чтобы пережить тёмное время суток. Например если у вас с вечера и до утра потребляется 3кВт*ч энергии, то в аккумуляторах должен быть такой запас энергии.

Если аккумулятор 12 вольт 200 Ач, то энергии в нём поместиться 12*200=2400 ватт (2,4кВт). Но аккумуляторы нельзя разряжать на 100%

. Специализированные АКБ можно разряжать максимум до 70%, если больше то они быстро деградируют. Если вы устанавливаете обычные автомобильные АКБ, то их можно разряжать максимум на 50%. По-этому, нужно ставить аккумуляторов в два раза больше чем требуется, иначе их придётся менять каждый год или даже раньше.

Оптимальный запас еъёмкости АКБ

это суточный запас энергии в аккумуляторах. Например если у вас суточное потребление 10кВт*ч, то рабочая ёмкость АКБ должна быть именно такой. Тогда вы без проблем сможете переживать 1-2 пасмурных дня, без перебоев. При этом в обычные дни в течение суток аккумуляторы будут разряжаться всего на 20-30%, и это продлит их недолгую жизнь.

Ещё одна немаловажная делать

это КПД свинцово-кислотных аккумуляторов, который равен примерно 80%. То-есть аккумулятор при полном заряде берёт на 20% больше энергии чем потом сможет отдать. КПД зависит от тока заряда и разряда, и чем больше токи заряда и разряда тем ниже КПД. Например если у вас аккумулятор на 200Ач, и вы через инвертор подключаете электрический чайник на 2кВт, то напряжение на АКБ резко упадёт, так-как ток разряда АКБ будет около 250Ампер, и КПД отдачи энергии упадёт до 40-50%. Также если заряжать АКБ большим током, то КПД будет резко снижаться.

Также инвертор (преобразователь энергии 12/24/48 в 220в) имеет КПД 70-80%.

Учитывая потери полученной от солнечных батарей энергии в аккумуляторах, и на преобразовании постоянного напряжения в переменное 220в, общие потери составят порядка 40%. Это значит что запас ёмкости аккумуляторов нужно увеличивать на 40%, и так-же увеличивать массив солнечных батарей на 40%

, чтобы компенсировать эти потери.

Но и это ещё не все потери

. Существует два типа контроллеров заряда аккумуляторов от солнечных батарей, и без них не обойтись. PWM(ШИМ) контроллеры более простые и дешёвые, они не могут трансформировать энергию, и потому солнечные панели не могут отдать а АКБ всю свою мощность, максимум 80% от паспортной мощности. А вот MPPT контроллеры отслеживают точку максимальной мощности и преобразуют энергию снижая напряжение и увеличивая ток зарядки, в итоге увеличивают отдачу солнечных батарей до 99%.Поэтому если вы ставите более дешёвый PWM контроллер, то увеличивайте массив солнечных батарей ещё на 20% .

Схема подключения электроснабжения дома с использованием наших батарей

Конечно, одной батареи в 50 Вт не хватит для обеспечения энергией даже небольшого домика. Но с её помощью уже можно реализовать в нем освещение, используя современные светодиодные светильники.

Для комфортного существования городского жителя сейчас в сутки требуется не менее 4 кВтч электроэнергии. Для семьи — соответственно количеству её членов.

Следовательно, солнечная батарея частного дома для семьи из трёх человек должна обеспечивать 12 кВтч. Если предполагается электроснабжение жилища только от солнечной энергии нам нужна будет солнечная батарея площадью, не менее 12 кВтч / 0,6 кВтч/м2 = 20 м2.

Эту энергию необходимо запасти в аккумуляторных батареях, ёмкостью 12 кВтч / 12 В = 1000 Ач, или примерно 16 батарей по 60 Ач.

Для нормальной работы аккумуляторной батареи с солнечной панелью и её защиты потребуется контроллер заряда.

Чтобы преобразовать 12 В постоянного тока в 220 В переменного, нужен будет инвертор. Хотя сейчас на рынке уже в достаточном количестве представлено электрооборудование на напряжения 12 или 24 В.

Совет: В низковольтных сетях электроснабжения действуют токи значительно более высоких значений, поэтому для выполнения проводки к мощному оборудованию следует выбирать провод соответствующего сечения. Проводка для сетей с инвертором выполняется по обычной схеме 220 В.