Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!

Наука подарувала нам час, коли технологія використання енергії сонця стала загальнодоступною. Дістати сонячні батареї для дому має можливість всякий власник. Дачники не відстають в цьому питанні. Вони частіше виявляються далеко від централізованих джерел стійкого електропостачання.

Ми пропонуємо ознайомитися з інформацією, що представляє пристрій, принципи роботи і розрахунку робочих вузлів геліосистеми. Ознайомлення із запропонованими нами відомостями наблизить реальність забезпечення своєї ділянки природним електрикою.

Для наочного сприйняття наданих даних додаються докладні схеми, ілюстрації, фото- і відео-інструкції.

Пристрій і принцип дії сонячної батареї

Колись допитливі відкрили для нас природні речовини, що виробляють під впливом частинок світла сонця, фотонів, електричну енергію. Процес назвали фотоелектричним ефектом. Вчені навчилися управляти мікрофізичної явищем.

На основі напівпровідникових матеріалів вони створили компактні електронні прилади - фотоелементи.

Виробники освоїли технологію об'єднання мініатюрних перетворювачів в ефективні геліопанелі. ККД панельних сонячних модулів з кремнію широко вироблених промисловістю 18-22%.

З опису схеми наочно видно: всі комплектуючі елементи електростанції однаково важливі - від їх грамотного підбору залежить злагоджена робота системи

З модулів збирається сонячна батарея. Вона є кінцевим пунктом подорожі фотонів від Сонця до Землі. Звідси ці складові світлового випромінювання продовжують свій шлях вже всередині електричного кола як частки постійного струму.

Вони розподіляються по акумуляторів, або піддаються трансформації в заряди змінного електроструму напругою 220 вольт, яке живить різноманітні домашні технічні пристрої.

Сонячна батарея являє собою комплекс послідовно з'єднаних напівпровідникових пристроїв - фотоелементів, що перетворюють сонячну енергію в електричну

Більше подробиць про специфіку пристрою і принцип дії сонячної батареї ви знайдете в іншій популярній статті нашого сайту.

Види сонячних модулів-панелей

Геліопанелі-модулі збираються з сонячних елементів, інакше - фотоелектричних перетворювачів. Масове застосування знайшли ФЕП двох видів.

Вони відрізняються використовуваними для їх виготовлення різновидами напівпровідника з кремнію, це:

  • Полікристалічні. Це сонячні елементи, виготовлені з кремнієвого розплаву шляхом тривалого охолодження. Нескладний метод виробництва обумовлює доступність ціни, але продуктивність полікристалічного варіанту не перевищує 12%.
  • Монокристалічні. Це елементи, отримані в результаті нарізки на тонкі пластини штучно вирощеного кремнієвого кристала. Найбільш продуктивний і дорогий варіант. Середній ККД в районі 17%, можна знайти монокристалічні фотоелементи з більш високою продуктивністю.

Полікристалічні сонячні елементи плоскої квадратної форми з неоднорідною поверхнею. Монокристалічні різновиди виглядають як тонкі однорідної поверхневої структури квадрати зі зрізаними кутами (псевдоквадрати).

Так виглядають ФЕП - фотоелектричні перетворювачі: характеристики сонячного модуля не залежать від різновиду застосовуваних елементів - це впливає лише на розміри і ціну

Панелі першого виконання при однаковій потужності більше розміром, ніж другі через меншу ефективність (18% проти 22%). Але відсотків, в середньому, на десять дешевше і користуються переважним попитом.

Монокристалічні кремнієві пластини в рази продуктивніше полікристалічних аналогів, але значно дорожче На тильній стороні кремнієвих пластин прокладені мінусові струмопровідні лінії, на лицьовій - плюсові Полікрісталіческіе кремнієві пластини дешевше, тому популярнішим в середовищі самостійних майстрів. Пайка елементів проводиться аналогічним чином Полікристалічні пластини з'єднуються в модулі, в яких повинно бути по 36 або 72 штуки. З модульних батарей збираються панелі

Про правила і нюанси вибору сонячних батарей для постачання енергією автономного опалення ви зможете прочитати тут.

Схема роботи сонячного електропостачання

Коли проводиш поглядом по загадково звучить назвами вузлів, що входять до складу системи харчування сонячним світлом, приходить думка про супертехніческой складності пристрою.

На мікрорівні життя фотона це так. А наочно загальна схема електричного кола і принцип її дії виглядають дуже навіть просто. Від світила небесного до «лампочки Ілліча» всього чотири кроки.

Сонячні модулі - перша складова електростанції. Це тонкі прямокутні панелі, зібрані з певного числа стандартних пластин-фотоелементів. Виробники роблять фотопанелі різними по електричної потужності і напрузі, кратному 12 вольт.

Сонячні батареї використовуються в регіонах з низькою кількістю похмурих днів, експлуатують їх в якості основного або додаткового постачальника енергії Є сенс в спорудженні системи сонячних батарей в районах з відсталою інфраструктурою, які ще не підключені до централізованих електромереж У літню пору на дачній ділянці сонячні прилади зможуть забезпечити енергією електроприлади і систему опалення Апаратура для контролю роботи і регулювання сонячних панелей не займає багато місця, зазвичай включає інвертор, контролер і АКБ Якщо на ділянці є вільна, добре освітлена майданчик, сонячну електростанцію можна розташувати на ній При гарній захисту від атмосферного негативу пристрою управління і контролю роботи сонячної батареї можна розташовувати на вулиці Сонячну електростанцію для приватного будинку можна зібрати з батарей заводського виробництва Значно більш дешевої і практично рівною по продуктивності буде сонячна батарея, зібрана своїми руками з кремнієвих пластин

Пристрої плоскої форми зручно розташовуються на відкритих для прямих променів поверхнях. Модульні блоки об'єднуються за допомогою взаємних підключень в геліобатареї. Завдання батареї перетворювати отримувану енергію сонця, видаючи постійний струм заданої величини.

Пристрої накопичення електричного заряду - акумулятори для сонячних батарей відомі всім. Роль їх усередині системи енергопостачання від сонця традиційна. Коли домашні споживачі підключені до централізованої мережі, еноргонакопичувачів запасаються електрикою.

Вони також акумулюють його надлишки, якщо для забезпечення витрачається електроприладами потужності достатньо струму сонячного модуля.

Акумуляторний блок віддає ланцюга необхідну кількість енергії і підтримує стабільну напругу, як тільки споживання в ній зростає до підвищеного значення. Те ж відбувається, наприклад, вночі при непрацюючих фотопанелі або під час малосонячних погоди.

Схема енергозабезпечення будинку за допомогою сонячних батарей відрізняється від варіантів з колекторами можливістю накопичувати енергію в акумуляторі

Контролер - електронний посередник між сонячним модулем і акумуляторами. Його роль регулювати рівень заряду акумуляторних батарей. Прилад не допускає їх закипання від перезарядки або падіння електричного потенціалу нижче певної норми, необхідної для сталої роботи всієї геліосистеми.

Перевертає, так дослівно пояснюється звучання терміна інвертор для сонячних батарей. Так, адже насправді, цей вузол виконує функцію, колись здавалася електротехнікам фантастикою.

Він перетворює постійний струм сонячного модуля і акумуляторів в змінний з різницею потенціалів 220 вольт. Саме таку напругу є робочим для переважної маси побутових електропристроїв.

Потік сонячної енергії пропорційний положенню світила: встановлюючи модулі, добре б передбачити регулювання кута нахилу в залежності від пори року

Пікове навантаження і середньодобове споживання енергії

Задоволення мати власну геліостанцію варто поки чимало. Перший ступінь на шляху до володіння могутністю енергії сонця - визначення оптимальної пікового навантаження в кіловатах і раціонального середньодобового енергоспоживання в кіловат-годинах домашнього або дачного господарства.

Пікове навантаження створюється необхідністю включення відразу декількох електричних приладів і визначається їх максимальної сумарною потужністю з урахуванням підвищених пускових характеристик деяких з них.

Підрахунок максимуму споживаної потужності дозволяє виявити, життєво необхідна одночасна робота яких електроприладів, а яких не дуже. Таким показником підкоряються потужності характеристики вузлів електростанції, тобто підсумкова вартість пристрою.

Добове енергоспоживання електроприладу вимірюється твором його індивідуальної потужності на час, що він пропрацював від мережі (споживав електроенергію) протягом доби. Загальна середньодобове споживання енергії розраховується як сума витраченої енергії електрики кожним споживачем за добовий період.

Подальший аналіз і оптимізація отриманих даних про навантаження і енергоспоживанні забезпечать потрібну комплектацію і подальшу роботу сонячної енергосистеми з мінімальними витратами

Результат споживання енергії допомагає раціонально підійти до витрати сонячної електрики. Підсумок обчислень важливий для подальшого розрахунку ємності акумуляторів. Від цього параметра ціна акумуляторну батарею, чимало стоїть компонента системи, залежить ще більше.

Порядок розрахунку енергетичних показників

Процес обчислень в буквальному сенсі починається з горизонтально розташованого, в клітинку, розгорнутого зошитового листа. Легкими олівцевими лініями з листка виходить бланк з тридцятьма графами, а рядками за кількістю домашніх електроприладів.

Підготовка до арифметичним розрахунками

Перша колонка чертится традиційна - порядковий номер. Другий стовпчик - найменування електроприладу. Третій - його індивідуальна споживана потужність.

Стовпці з четвертого по двадцять сьомий - години доби від 00 до 24. У них через горизонтальну дробову риску заносяться:

  • в чисельник - час роботи приладу в період конкретного години в десятковому вигляді (0, 0);
  • в знаменник - знову його індивідуальна споживана потужність (це повторення потрібно для підрахунку часових навантажень).

Двадцять восьма колоночки - сумарний час, який працює побутовий пристрій протягом доби. У двадцять дев'яту - записується персональне енергоспоживання приладу як результат множення індивідуальної споживаної потужності на час роботи за добовий період.

Складання розгорнутої специфікації споживачів з урахуванням погодинних навантажень допоможе залишити більше звичних приладів, завдяки їх раціональному використанню

Тридцята колонка теж стандартна - примітка. Вона стане в нагоді для проміжних підрахунків.

Складання специфікації споживачів

Наступний етап розрахунків - перетворення зошитового бланка в специфікацію побутових споживачів електроенергії. З першої колонкою зрозуміло. Тут проставляються порядкові номери рядків.

У другому стовпчику вписуються найменування споживачів енергії. Рекомендується починати заповнення електроприладами передпокої. Далі описуються інші приміщення проти або за годинниковою стрілкою (кому як зручно).

Якщо є другий (і т.д.) поверх, процедура та ж: від сходів - вкруговую. При цьому не треба забувати про прилади на сходових прольотах і вуличне освітлення.

Третю графу із зазначенням потужності навпроти назви кожного електричного приладу краще наповнювати попутно з другої.

Стовпці з четвертого по двадцять сьомий відповідають всякий своєму годині доби. Для зручності їх відразу можна прокреслити горизонтальними лініями посередині рядків. Отримані верхні половини рядків - як би числители, нижні - знаменники.

Ці стовпці заповнюються через підрядник. Чисельники вибірково оформляються як тимчасові інтервали десяткового формату (0, 0), що відображають час роботи даного електроприладу в той чи інший конкретний часовий період. Паралельно там, де проставляються числители, вписуються знаменники з показником потужності приладу, взятої з третьої графи.

Після того як всі часові стовпці заповнені, переходять до підрахунками індивідуального добового робочого часу електроприладів, рухаючись по рядках. Результати фіксуються у відповідних осередках двадцять восьмий колоночки.

У разі, коли сонячна електростанція відіграє допоміжну роль, щоб система не працювала вхолосту, частина навантаження можна підключити до неї на постійне харчування

На основі потужності і робочого часу послідовно обчислюється добове енергоспоживання всіх споживачів. Воно відзначається в комірках двадцять дев'ятого стовпчика.

Коли всі рядки і стовпчики специфікації заповнені, проводять розрахунки підсумків. Складаючи пографно потужності з знаменників часових стовпців, отримують навантаження кожної години. Підсумувавши зверху вниз індивідуальні добові енергоспоживання двадцять дев'ятого колоночки, знаходять загальне середньодобове.

Розрахунок не включає власне споживання майбутньої системи. Цей фактор враховується допоміжним коефіцієнтом при наступних підсумкових обчисленнях.

Аналіз і оптимізація отриманих даних

Якщо харчування від геліоелектростанції планується як резервне, дані про погодинних споживаних потужностях і про загальний середньодобовому енергоспоживанні допомагають мінімізувати витрату дорогого сонячної електрики.

Цього домагаються, виключаючи з користування енергоємні споживачі до моменту відновлення централізованого електропостачання, особливо в години максимальних навантажень.

Якщо сонячна енергосистема проектується як джерело постійного електрозабезпечення, тоді результати часових навантажень висуваються вперед. Важливо так розподілити споживання електрики протягом доби, щоб прибрати набагато переважаючі максимуми і сильно западають мінімуми.

Виняток пікової, вирівнювання максимальних навантажень, усунення різких провалів енергоспоживання в часі дозволяють підібрати найбільш економічні варіанти вузлів сонячної системи і забезпечують стабільну, головне, безаварійну довготривалу роботу геліостанції.

Графік розкриє нерівномірність енергоспоживання: наше завдання - зрушити максимуми на час найбільшої активності сонця і зменшити загальний добовий витрата, особливо нічний.

Представлений проект показує перетворення отриманого на основі складеної специфікації нераціонального графіка в оптимальний. Показник добового споживання знижений з 18 до 12 кВт / год, середньодобова погодинна навантаження з 750 до 500 Вт.

Такий же принцип оптимальності стане в нагоді при використанні варіанту харчування від сонця в якості резервного. Зайве витрачатися на збільшення потужності сонячних модулів і акумуляторних батарей заради деякого тимчасового незручності, можливо не варто.

Підбір вузлів геліоелектростанції

Для спрощення розрахунків буде розглядатися версія застосування сонячної батареї як основного для дачі джерела електричної енергії. Споживачем виступить умовний дачний будиночок в Рязанській області, де постійно проживають з березня по вересень.

Наочності міркувань додадуть практичні обчислення, що грунтуються на даних опублікованого вище раціонального графіка погодинного енергоспоживання:

  • Загальна середньодобове споживання енергії = 12 000 ват / година.
  • Середнє навантаження споживання = 500 ват.
  • Максимальне навантаження 1200 ват.
  • Пікове навантаження 1200 х 1, 25 = 1500 ват (+ 25%).

Значення будуть потрібні в розрахунках сумарної ємності сонячних приладів та інших робочих параметрів.

Визначення робочої напруги геліосистеми

Внутрішня робоча напруги будь-якої геліосистеми грунтується на кратності 12 вольт, як найпоширенішого номіналу акумуляторних батарей. Найбільш широко вузли геліостанцій: сонячні модулі, контролери, інвертори - випускаються під популярні напруги 12, 24, 48 вольт.

Більш висока напруга дозволяє використовувати живлять дроти меншого перетину - а це підвищена надійність контактів. З іншого боку, що вийшли з ладу акумулятори мережі 12В, можна буде замінювати по одному.

У 24-вольтової мережі, розглядаючи специфіку експлуатації акумуляторних батарей, доведеться робити заміну тільки парами. Мережа 48V потребують зміни всіх чотирьох батарей однієї гілки. До того ж, при 48 вольтах вже існує небезпека ураження електричним струмом.

При однаковій ємності і приблизно дорівнює ціні слід купувати акумулятори з найбільшою допустимою глибиною розряду і більш максимальним струмом

Головний вибір номіналу внутрішньої різниці потенціалів системи пов'язаний з характеристиками потужності випускаються сучасною промисловістю інверторів і повинен враховувати величину пікового навантаження:

  • від 3 до 6 кВт - 48 вольт,
  • від 1, 5 до 3 кВт - дорівнює 24 або 48V,
  • до 1, 5 кВт - 12, 24, 48В.

Вибираючи між надійністю проводки і незручністю заміни акумуляторів, для нашого прикладу зупинимося на надійності. В подальшому будемо відштовхуватися від робочої напруги системи, що розраховується 24 вольта.

Комплектування батареї сонячними модулями

Формула розрахунку необхідної від сонячної батареї потужності виглядає так:

Рсм = (1000 * Есут) / (к * Син),

де:

  • Рсм = мощность солнечной батареи = суммарная мощность солнечных модулей (панелей, Вт),
  • 1000 = принятая светочувствительность фотоэлектрических преобразователей (кВт/м²)
  • Есут = потребность в суточном энергопотреблении (кВт*ч, в нашем примере = 18),
  • к = сезонный коэффициент, учитывающий все потери (лето = 0, 7; зима = 0, 5),
  • Син = табличное значение инсоляции (потока солнечной радиации) при оптимальном наклоне панелей (кВт*ч/м²).

Узнать значение инсоляции можно у региональной метеорологической службы.

Оптимальный угол наклона солнечных панелей равен значению широты местности:

  • весной и осенью,
  • плюс 15 градусов – зимой,
  • минус 15 градусов – летом.

Рассматриваемая в нашем примере Рязанская область находится на 55-й широте.

Наибольшая мощность солнечных батарей достигается использованием систем слежения, сезонным изменением угла наклона панелей, применением смешанного дифферента модулей

Для взятого времени с марта по сентябрь лучший нерегулируемый наклон солнечной батареи равен летнему углу 40⁰ к поверхности земли. При такой установке модулей усредненная суточная инсоляция Рязани в этот период 4, 73. Все цифры есть, выполним расчет:

Рсм = 1000 * 12 / ( 0, 7 * 4, 73 ) ≈ 3 600 ватт.

Если брать за основу солнечной батареи 100-ваттные модули, то потребуется их 36 штук. Будут весить они килограмм 300 и займут площадь размером где-то 5 х 5 м.

Проверенные на практике монтажные схемы и варианты подключения солнечных батарей приведены здесь.

Обустройство аккумуляторного энергоблока

Подбирая аккумуляторные батареи, нужно руководствоваться постулатами:

  1. НЕ подходят для этой цели обычные автомобильные аккумуляторы. Батареи солнечных электростанций маркируются надписью «SOLAR».
  2. Приобретать аккумуляторы следует только одинаковые по всем параметрам, желательно, из одной заводской партии.
  3. Помещение, где размещается аккумуляторный блок, должно быть теплым. Оптимальная температура, когда батареи выдают полную мощность = 25⁰C. При ее снижении до -5⁰C емкость аккумуляторов уменьшается на 50%.

Если взять для расчета показательный аккумулятор напряжением 12 вольт емкостью 100 ампер/час, несложно подсчитать, целый час он сможет обеспечить энергией потребителей суммарной мощностью 1200 ватт. Но это при полной разрядке, что крайне нежелательно.

Для длительной работы аккумуляторных батарей НЕ рекомендуется снижать их заряд ниже 70%. Предельная цифра = 50%. Принимая за «золотую середину» число 60%, кладем в основу последующих вычислений энергозапас 720 Вт/ч на каждые 100 А*ч емкостной составляющей аккумулятора (1200 Вт/ч х 60%).

Возможно, покупка одного аккумулятора емкостью 200 А*ч обойдется дешевле приобретения двух по 100, да и количество контактных соединений батарей уменьшится

Первоначально устанавливать аккумуляторы необходимо 100% заряженными от стационарного источника тока. Аккумуляторные батареи должны полностью перекрывать нагрузки темного времени суток. Если не повезет с погодой, поддерживать необходимые параметры системы и днем.

Важно учесть, что переизбыток аккумуляторов приведет к их постоянному недозаряду. Это значительно уменьшит срок службы. Наиболее рациональным решением видится укомплектование блока батареями с энергозапасом, достаточным для покрытия одного суточного энергопотребления.

Чтобы узнать требующуюся суммарную емкость батарей, разделим общее суточное энергопотребление 12000 Вт/ч на 720 Вт/ч и умножим на 100 А*ч:

12 000 / 720 * 100 = 2500 А*ч ≈ 1600 А*ч

Итого для нашего примера потребуется 16 аккумуляторов емкостью 100 или 8 по 200 А*ч, подключенных последовательно-параллельно.

Выбор хорошего контроллера

Грамотный подбор контроллера заряда аккумуляторных батарей (АКБ) – задача весьма специфичная. Его входные параметры должны соответствовать выбранным солнечным модулям, а выходное напряжение – внутренней разности потенциалов гелиосистемы (в нашем примере – 24 вольта).

Хорошему контроллеру обязательно надлежит обеспечивать:

  1. Многоступенчатый заряд АКБ, кратно расширяющий их срок эффективной службы.
  2. Автоматическое взаимное, АКБ и солнечной батареи, подключение-отключение в корреляции с зарядом-разрядом.
  3. Переподключение нагрузки с АКБ на солнечную батарею и наоборот.

Этот небольшой по размерам узел – очень важный компонент.

Если часть потребителей (например, освещение) перевести на прямое питание 12 вольт от контроллера, инвертор понадобится менее мощный, значит более дешевый

От правильного выбора контроллера зависит безаварийная работа дорогостоящего аккумуляторного блока и сбалансированность всей системы.

Подбор инвертора лучшего исполнения

Инвертор выбирается такой мощности, чтобы смог обеспечивать долговременную пиковую нагрузку. Его входное напряжение обязано соответствовать внутренней разности потенциалов гелиосистемы.

Для лучшего варианта подбора рекомендуется внимание обращать на параметры:

  1. Форма и частота выдаваемого переменного тока. Чем больше близки к синусоиде в 50 герц – тем лучше.
  2. КПД устройства. Чем выше 90% – тем замечательней.
  3. Собственное потребление прибора. Должно соизмеряться с общим энергопотреблением системы. Идеально – до 1%.
  4. Способность узла выдерживать кратковременные двухкратные перегрузки.

Наиотличнейшее исполнение – инвертор со встроенной функцией контроллера.

Сборка бытовой гелиосистемы

Мы сделали вам фото-подборку, которая наглядно демонстрирует процесс сборки бытовой гелиосистемы из изготовленных на заводе модулей:

Перед строительством мини электростанции необходимо рассчитать требующуюся мощность группы приборов и определить их количество В магазине перед покупкой следует тщательно проверить комплектацию каждого прибора и просмотреть их на предмет повреждений Перевозка солнечных батарей производится в заводской упаковке. Приборам требуется корректная транспортировка, после которой нужно снова проверить целостность экрана и корпуса Сборку солнечных батарей желательно проводить на открытой свободной площадке или в достаточно просторном помещении Угол наклона для крепления на входящей в комплект подставке должен учитывать время года и направление солнечных лучей Место для расположения солнечных приборов надо подобрать так, чтобы рядом не было создающих тень высоких построек и деревьев Контроллер, инвертор и АБК солнечной мини электростанции устанавливаются в отапливаемых помещениях, не имеющих угрозы подтопления При необходимости дополнить мощность солнечной электростанции эксплуатируемые модули дополняются аналогичными приборами в необходимом количестве

Висновки і корисне відео по темі

Ролик # 1. Показ установки солнечных батарей на крышу дома своими руками:

Ролик # 2. Выбор аккумуляторных батарей для гелиосистемы, виды, отличия:

Ролик # 3. Дачная солнечная электростанция для тех, кто все делает сам:

Рассмотренные пошаговые практические приемы расчетов, основной принцип эффективной работы современной солнечной панельной батареи в составе домашней автономной гелиостанции помогут хозяевам и большого дома густонаселенного района, и дачного домика в глуши обрести энергетическую суверенность.

Хотите поделиться личным опытом, который получили в ходе сооружения мини гелиосистемы или только батареи? Возникли вопросы, на которые хотелось бы получить ответ, нашли недочеты в тексте? Залишайте, будь ласка, коментарі в розташованому нижче блоці.

Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!

Категорія:

Будівництво