Солнечные панели для дачи и жилья: типы, принцип функционирования и методика расчета солнечных систем

Научные достижения произвели на свет эпоху, когда стал возможен широкий доступ к технологии использования солнечной энергии. Каждый владелец жилья может установить солнечные батареи, и дачники также активно включаются в этот процесс, особенно поскольку они часто находятся вдали от стабильных источников электроэнергии.

В нашем обзоре вы найдете информацию о конструкции, принципах работы и расчетах компонентов солнечной энергетической системы. Понимание предложенных материалов поможет вам приблизиться к мечте обеспечить свой участок электроэнергией, полученной от солнца.

Для удобства восприятия предоставленных сведений мы добавили схемы, иллюстрации, а также фото- и видеоинструкции.

Структура и функционирование солнечной батареи

Когда-то любознательные ученые выявили природные материалы, в которых под воздействием солнечных фотонов вырабатывается электрическая энергия, процесс назван фотогальваническим эффектом. Ученые разработали методы контроля этого микроявления.

На основе полупроводниковых материалов были созданы компактные электронные устройства — фотоэлементы.

Производители освоили технологии комбинирования таких миниатюрных преобразователей в мощные солнечные панели. Эффективность панельных солнечных модулей из кремния, выпускаемых на уровне 18-22%, стала стандартом в индустрии.

Из представленной схемы следует, что все компоненты солнечной электростанции играют важную роль — корректный выбор элементов определяет согласованную работу всей системы.

Солнечная батарея собирается из модулей. Она представляет собой конечный этап пути фотонов от солнца к Земле, и в дальнейшем эти фотонные составляющие продолжают движение внутри электрической цепи как частицы постоянного тока.

Эта энергия распределяется на аккумуляторы или преобразуется в переменный ток напряжением 220 вольт, который питает различные бытовые устройства.

Солнечная батарея состоит из последовательно соединенных полупроводниковых элементов, которые превращают солнечную энергию в электрическую.

Более подробную информацию о конструкции и работе солнечной батареи можно найти в другой статье на нашем сайте.

Типы солнечных панелей

Солнечные панели состоят из фотоэлементов, которые также известны как фотогальванические преобразователи. В массовом употреблении находятся два типа таких элементов.

Они отличаются по типу используемого кремниевого полупроводника:

• Поликристаллические. Эти элементы изготавливаются из кремниевого расплава с последующим медленным охлаждением. Простота производства делает их доступными по цене, но их эффективность не превышает 12%.
• Монокристаллические. Эти элементы получаются путем нарезки на тонкие пластины кристаллов, выращенных синтетически. Они обладают высокой эффективностью и, как правило, стоят дороже. Средний КПД составляет около 17%, однако существуют образцы с еще большей производительностью.

Поликристаллические элементы имеют плоскую квадратную форму с неоднородной поверхностью. Монокристаллические выглядят как однородные квадраты с срезанными углами.

Тем не менее, характеристики солнечного модуля не зависят от типа используемых фотоэлементов — это влияет лишь на размеры и стоимость продукции.

Первые панели, обладая одинаковой мощностью, имеют большие размеры по сравнению со вторыми из-за меньшей эффективности (18% против 22%). Тем не менее, они на 10% дешевле и поэтому пользуются большим спросом.

Монокристаллические кремниевые пластины значительно эффективнее поликристаллических аналогов, но стоят дороже.

На задней стороне кремниевых пластин расположены минусовые токоведущие линии, а на лицевой — плюсовые.

Поликристаллические кремниевые пластины дешевле и пользуются популярностью среди любителей-иностранцев. Сборка элементов осуществляется стандартным образом.

Поликристаллические пластины соединяются в модули, которые состоят из 36 или 72 штук. Изготавливаются солнечные панели из этих модулей.

Более подробно о правилах выбора солнечных панелей для автономного отопления можно прочитать здесь.

Схема работы солнечной энергетической системы

При взгляде на запутанные названия компонентов, входящих в систему солнечного питания, может сложиться впечатление о невероятной сложности устройства.

На микроуровне, в действительности, это так. Но общая схема электрической цепи и принцип ее функционирования кажутся довольно простыми. От солнца до «лампочки Ильича» всего четыре шага.

Солнечные панели составляют первый элемент солнечной электростанции. Это плоские прямоугольные панели, которые собираются из определенного количества стандартных фотоэлементов. Производители предлагают фотопанели с различной электрической мощностью и напряжением, кратным 12 вольтам.

Солнечные батареи функционируют в регионах с малым числом облачных дней и могут использоваться как основной или дополнительный источник энергии.

Есть смысл устанавливать систему солнечных батарей в районах с низкой развитостью инфраструктуры, где еще нет подключения к централизованным электросетям.

Летним временем солнечные устройства на дачном участке способны обеспечить энергией как бытовые электроприборы, так и систему отопления.

Комплекс оборудования для контроля и настройки солнечных панелей занимает немного пространства и обычно включает инвертор, контроллер и аккумулятор.

При наличии свободного, хорошо освещенного участка, солнечную электростанцию можно установить на нем.

При условии надежной защиты от внешних условий, устройства управления и контроля солнечной батареи можно расположить и на улице.

Солнечную электростанцию для частного дома можно собрать из заводских батарей.

Собранная самостоятельно из кремниевых пластин солнечная батарея будет значительно дешевле и почти такой же производительности.

Плоские устройства удобно размещать на открытых поверхностях, непосредственно под солнечными лучами. Модульные блоки соединяются между собой с помощью различных подключений в гелиобатарею. Основной задачей этой батареи является преобразование собираемой солнечной энергии в постоянный ток заданной величины.

Устройства для хранения электрического заряда — аккумуляторы для солнечных энергетических систем всем известны. Их роль в системе, питаемой от солнечной энергии, традиционна. Когда домашних потребителей подключают к централизованной сети, они запасают электричество.

Аккумуляторы также аккумулируют избытки энергии, когда для удовлетворения потребления достаточной мощности солнечного модуля достаточно.

Аккумуляторный блок выдает необходимые объемы энергии в цепь и поддерживает стабильное напряжение, когда потребление энергии увеличивается. То же самое происходит, например, в ночное время при отсутствии работы фотопанелей или в условиях облачной погоды.

Схема мощностного обеспечения дома при помощи солнечных панелей отличается от системы с коллекторами тем, что позволяет накапливать электроэнергию в аккумуляторе.

Контроллер представляет собой электронное устройство, которое выполняет роль посредника между солнечными панелями и аккумуляторами. Его функция заключается в регулировании уровня заряда аккумулейторов. Он предотвращает их перегрев от перезарядки и поддерживает минимальный уровень электрического потенциала, необходимый для стабильной работы всей солнечной системы.

Инвертор, как говорит название, отвечает за «переворот» электричества. Фактически, этот элемент превращает постоянный ток, вырабатываемый солнечными модулями и аккумуляторами, в переменный с напряжением 220 вольт. Именно это напряжение используется в большинстве бытовых приборов.

Эффективность притока солнечной энергии зависит от положения солнца: при установке панелей желательно предусмотреть возможность регулировки угла наклона в зависимости от сезона.

Пиковая нагрузка и среднесуточное энергопотребление

Реализация собственной солнечной электростанции на данный момент требует значительных затрат. Первый этап на пути к владению солнечной энергией — это определение оптимальной пиковой нагрузки в киловаттах и среднесуточного энергопотребления в киловатт-часах вашего домохозяйства.

Пиковая нагрузка возникает во время параллельной работы нескольких электроприборов и определяется суммарной мощностью всех устройств с учетом повышенных стартовых характеристик некоторых из них.

Рассмотрение максимальной потребляемой мощности позволяет выяснить, какие именно электроприборы должны работать одновременно и какие не так важны. Этот показатель становится основой для мощностных характеристик компонентов электростанции, а также для определения общей стоимости системы.

Энергия, потребляемая электрическими устройствами в течение суток, определяется как произведение их мощности на время работы от электросети. Общая величина среднесуточного потребления рассчитывается как итог всех энергетических затрат, произведенных каждым устройством за сутки.

Далее проведенный анализ и оптимизация этих данных о нагрузках и потреблении энергии позволят правильно подобрать оборудование для солнечной энергетической системы и обеспечить её функционирование с минимальными расходами.

Данные об энергопотреблении позволяют эффективно управлять расходом электричества, вырабатываемого солнечными панелями. Этот расчет важен для определения объема аккумуляторов, цена которых существенно влияет на общую стоимость всей системы.

Методика расчета энергетических показателей

Расчет начинается с подготовленного тетрадного листа в клеточку, который нужно разметить на тридцать колонок, а количество строк должно соответствовать количеству используемых электроприборов.

Подготовка к расчетам

Первая колонка будет порядковой. Во втором столбце указывается название прибора, а в третьем – его индивидуальная мощность.

Столбцы с четвертого по двадцать седьмой будут представлять часы в диапазоне от 00 до 24. В них записывается:

• в числителе – количество часов работы прибора в десятичном формате (например, 0.0);
• в знаменателе – его индивидуальная мощность (это повторение необходимо для подсчета нагрузок по часам).

Двадцать восьмую колонку отводим для суммарного времени работы устройства за сутки. В двадцать девятой колонке записывается персональное энергопотребление прибора, рассчитываемое как произведение мощности на время его работы за сутки.

Составленные спецификации, учитывающие почасовые нагрузки, помогут сохранить больше привычных электроприборов за счет их рационального использования.

Тридцатая колонка предназначена для примечаний, которые могут оказаться полезными для промежуточных подсчетов.

Создание спецификации потребителей

Следующим шагом является преобразование тетрадного листа в спецификацию электроэнергетических потребителей. Первая колонка с порядковыми номерами для строк уже известна.

Во втором столбце вносим названия потребителей. Начинать рекомендуется с электрооборудования, находящегося в прихожей, далее описываем приборы в других помещениях по часовой стрелке или против неё, как удобнее.

На втором этаже (если он есть) процедура та же: начиная с лестницы и двигаясь по кругу. Не забываем про приборы на лестничных площадках и уличное освещение.

Третью колонку с указанием мощности стоит заполнять одновременно со второй.

Столбцы с четвертого по двадцать седьмой соответствуют каждому часу суток. Для удобства можно провести горизонтальные линии, разделяющие их на числитель и знаменатель.

Эти столбцы заполняются построчно. Числители фиксируются как временные интервалы в десятичном формате (например, 0.0), показывающие время работы электроприбора в конкретный час. Одновременно в знаменателях записывается его мощность, полученная из третьей колонки.

После заполнения всех часовых столбцов переходим к расчету индивидуального времени работы электроприборов за сутки, фиксируя результаты в соответствующих ячейках двадцать восьмой колонки.

Если солнечная электростанция имеет вспомогательную роль, для оптимизации работы системы можно подключить часть нагрузки на постоянное питание.

На основании мощности и времени работы рассчитывается суточное энергопотребление всех приборов, что отражается в двадцать девятом столбце.

Когда все строки и столбцы заполнены, проводим итоговые расчеты. Складывая мощности, записанные в знаменателях часовых столбцов, получаем нагрузки за каждый час. Сложив суммарные суточные энергопотребления из двадцать девятой колонки, определяем общее среднесуточное значение.

Расчет не включает собственное потребление будущей системы; это учитывается дополнительным коэффициентом при последующих вычислениях.

Анализ и оптимизация полученных данных

Если питание от солнечной электростанции рассматривается как резервное, информация о почасовом потреблении и среднем суточном энергопотреблении помогает сократить использование дорогого солнечного электричества.

Это достигается исключением энергозатратных приборов до восстановления центрального электроснабжения, особенно в часы пиковых нагрузок.

Если солнечная энергиосистема предполагается как основной источник питания, данные о часовых нагрузках становятся ключевыми. Важно оптимально распределить потребление электричества по всей продолжительности суток, чтобы минимизировать пики и провалы.

Исключение пиковых нагрузок, выравнивание максимальных значений и устранение резких провалов в потреблении энергии позволит подобрать наиболее экономичные компоненты для солнечной системы и обеспечить её стабильную, долгосрочную работу без сбоев.

График наглядно иллюстрирует неравномерность энергопотребления, и цель заключается в том, чтобы переместить максимумы к времени наибольшей солнечной активности и снизить общий суточный расход, особенно в ночное время.

Приведенный чертеж демонстрирует преобразование неэффективного графика, основанного на составленной спецификации, в оптимизированный: суточное потребление снижено с 18 до 12 кВт/ч, а среднесуточная нагрузка с 750 до 500 Вт.

Тот же принцип оптимизации можно использовать и при организации резервного питания от солнечных источников. Нет смысла тратить ресурсы на увеличение мощности солнечных панелей и батарей, если это лишь временное неудобство.

Подбор компонентов солнечной электростанции

Для упрощения расчетов будет взято в расчет использование солнечной батареи в качестве основного источника энергии для дачи. В качестве потребителя рассматривается условный дачный домик, находящийся в Рязанской области, где проживают с марта по сентябрь.

Практические вычисления, основанные на вышеуказанном рациональном графике энергопотребления, обеспечивают наглядность:

• Общее среднесуточное энергопотребление = 12 000 ватт/час.
• Средняя нагрузка потребления = 500 ватт.
• Максимальная нагрузка = 1200 ватт.
• Пиковая нагрузка = 1200 х 1,25 = 1500 ватт (+25%).

Эти значения потребуются для расчета общей емкости солнечных систем и других рабочих параметров.

Определение рабочего напряжения солнечной системы

Рабочее напряжение любого солнечного энергоблока обычно соответствует кратности 12 вольт, так как это самый распространенный номинал для аккумуляторов. Компоненты солнечных систем, такие как солнечные панели, контроллеры, инверторы, чаще всего производятся для популярных напряжений 12, 24 и 48 вольт.

Более высокое напряжение позволяет использовать провода меньшего сечения, что снижает риск повреждения соединений. Однако в случае выхода из строя аккумуляторов в 12В системе, отдельные батареи можно заменить по одной.

В 24-вольтовой системе придется заменять батареи парами, а в 48В системе — все четыре на ветке. Кроме того, работа с 48 вольтами увеличивает риск поражения электрическим током.

При равной емкости и аналогичной стоимости предпочтение следует отдавать аккумуляторам с максимальной глубиной разряда и высокой стойкостью к увеличенному току.

Основной выбор напряжения системы зависит от мощности современных инверторов и должен учитывать величину пиковых нагрузок:

• от 3 до 6 кВт – 48 вольт,
• от 1,5 до 3 кВт – 24 или 48V,
• до 1,5 кВт – 12, 24 или 48В.

Выбирая между надежностью проводки и трудностями замены батарей, в нашем примере предпочтение будет отдано надежности. Следовательно, мы примем рабочее напряжение расчетной системы равным 24 вольта.

Подбор солнечных панелей

Формула для расчета необходимой мощности солнечных панелей выглядит так:

Рсм = ( 1000 * Есут ) / ( к * Син ),

• Рсм = мощность солнечной панели = суммарная мощность (Вт),
• 1000 = принятый уровень светочувствительности фотоэлектрических преобразователей (кВт/м²),
• Есут = необходимость в суточном энергопотреблении (кВт·ч, в нашем случае = 12),
• к = сезонный коэффициент, учитывающий все потери (летом = 0,7; зимой = 0,5),
• Син = табличное значение инсоляции (потока солнечного излучения) при оптимальном угле наклона панелей (кВт·ч/м²).

Информацию об инсоляции можно получить у местных метеорологических служб.

Оптимальный угол наклона солнечных панелей соответствует широте региона:

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

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

Наибольшая эффективность солнечных панелей достигается при использовании систем слежения, сезонных изменений угла наклона модулей и смешанных вариантов модулей.

В период с марта по сентябрь наилучший угол наклона для солнечных батарей, не подлежащий регулировке, составляет 40° по отношению к горизонту. При такой установке модулей среднесуточная солнечная инсоляция в Рязани за указанный период достигает 4,73 кВт/м². Теперь проведем необходимые расчеты:

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

Если исходить из использования 100-ваттных солнечных панелей, понадобится 36 штук. Их общий вес составит около 300 килограммов, а занимаемая площадь будет примерно 5 х 5 метров.

Здесь представлены проверенные на практике схемы установки и подключения солнечных панелей.

Создание аккумуляторного блока

При выборе аккумуляторных батарей важно следовать следующим рекомендациям:

1. Для данного применения не подходят стандартные автомобильные аккумуляторы. Лучше выбирать батареи, имеющие маркировку «SOLAR».
2. Все аккумуляторы должны быть одинаковыми по характеристикам, предпочтительно из одной производственной партии.
3. Комната, где будет размещен аккумуляторный блок, должна быть теплой. Оптимальной температурой для достижения полной мощности считается 25°C. При понижении до -5°C емкость батарей резко уменьшается на 50%.

Для примера возьмем аккумулятор на 12 вольт и 100 ампер/час. В таком случае он сможет обеспечить приборы общей мощностью 1200 ватт в течение одного часа при полном разряде, что крайне нежелательно.

Чтобы продлить срок службы аккумуляторов, не рекомендуется разряжать их менее чем на 70%. Предельный уровень разряда составляет 50%. Используем значение 60% для дальнейших расчетов, что приведет к энергозапасу в 720 Вт·ч на каждый 100 А·ч емкости аккумулятора (1200 Вт·ч х 60%).

Возможно, наличие одного аккумулятора на 200 А·ч будет более экономичным, чем две 100 А·ч, так как это сократит количество соединений между батареями.

На начальном этапе все аккумуляторы должны быть полностьюCharged от постоянного источника питания. Они обязаны полностью обеспечивать потребление энергии в темное время суток, а в случае неблагоприятной погоды — поддерживать параметры и днем.

Также следует учитывать, что чрезмерное количество аккумуляторов приведет к их недостаточной зарядке, что негативно скажется на сроке службы. Оптимальным вариантом будет составление блока, учитывающего суточные энергозатраты.

Для расчета необходимой суммарной емкости батарей необходимо общее суточное энергопотребление (12000 Вт·ч) разделить на 720 Вт·ч и умножить на 100 А·ч:

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

В итоге, для рассмотренного примера потребуется 16 аккумуляторов емкостью по 100 А·ч или 8 по 200 А·ч, подключенных в последовательной и параллельной комбинации.

Выбор подходящего контроллера

Правильный выбор контроллера для зарядки аккумуляторных батарей – это специфическая задача. Его входные параметры должны соответствовать солнечным модулям, а выходное напряжение – внутреннему напряжению гелиосистемы (в нашем случае – 24 вольта).

Хороший контроллер обязан обеспечивать:

1. Многоступенчатую зарядку АКБ, что значительно увеличивает их срок службы.
2. Автоматическое соединение и отключение АКБ и солнечной батареи в зависимости от состояния зарядки и разрядки.
3. Переключение нагрузки между АКБ и солнечной батареей.

Этот небольшой, но важный элемент системы имеет большое значение.

Если перевести часть потребителей (например, освещение) на прямое питание 12 вольт непосредственно от контроллера, то инвертор можно выбрать менее мощный и, как следствие, более дешевый.

Качество работы солнечного аккумуляторного блока и баланс всей системы зависят от правильного выбора контроллера.

Выбор инвертора оптимальной мощности

Инвертор должен быть мощным так, чтобы обеспечить долговременное функционирование под пиковыми нагрузками. Его входное напряжение должно соответствовать внутреннему напряжению гелиосистемы.

Рекомендуется обращать внимание на такие параметры при выборе:

1. Форма и частота выходного переменного тока. Чем ближе они к синусоиде с частотой 50 Гц, тем лучше.
2. Коэффициент полезного действия (КПД) устройства. Идеальный КПД лучше 90%.
3. Собственное потребление инвертора. Оно должно быть низким относительно общего энергопотребления системы, желательно до 1%.
4. Способность устройства выдерживать кратковременные перегрузки в два раза.

Наилучшее решение – инвертор с интегрированным контроллером.

Создание домашней солнечной системы

Мы подготовили фотогалерею, которая наглядно показывает процесс сборки домашней солнечной электростанции из заводских модулей:

Перед началом установки мини-электростанции необходимо рассчитать нужную мощность для всех приборов и определить их число.

При покупке в магазине следует внимательно проверять комплектность каждого устройства и осматривать их на наличие повреждений.

Транспортировка солнечных панелей должна производиться в заводской упаковке, так как они требуют аккуратного обращения. После транспортировки стоит повторно осмотреть целостность элементов.

Сборку солнечных панелей лучше всего проводить на открытом пространстве или в достаточно просторном помещении.

Угол наклона установки на предоставленной подставке следует подбирать в зависимости от времени года и направления солнечных лучей.

Место для установки солнечных модулей должно быть выбрано так, чтобы там не было высоких зданий или деревьев, создающих тень.

Контроллер, инвертор и аккумуляторный блок мини-электростанции должны размещаться в теплых помещениях, защищенных от затопления.

Если нужно увеличить мощность солнечной системы, допускается добавить аналогичные модули в нужном количестве.