Солнечная электростанция своими руками

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).

Примечание: Перед тем как выбирать компоненты, определите, какую систему по напряжению вы хотите иметь: 12/24 или 48В. Чем выше напряжение, тем меньший ток будет в медных проводниках и тем меньше будут потери. Кроме того, чем выше рабочее напряжение, тем меньше потребуется сечение проводников. Чаще всего в качестве домашней электростанции используют системы с рабочим напряжением 12В или 24В. Это связано с тем, что часть домашних приборов можно питать напрямую от вашей электростанции, без двойного преобразования напряжения (вверх-вниз), которое приводит к потере мощности. В этом проекте рассмотрим систему 12В.

Параметры аккумулятора:

• Емкость аккумулятора рассчитывается в ампер-часах (Aч).
• Мощность (Вт)= Напряжение (В) х Ток (А). • Вт*час = Напряжение (В) х Ток (А) х Время (ч) = Вт*ч.
• Напряжение батареи = 12В (для нашей системы).

Емкость аккумулятора (Ач) = Мощность нагрузки (Вт)*Время работы (ч)/напряжение(В) = 250/12 = 20,83Ач.

Нужно понимать, что КПД аккумуляторов не может быть 100%, чаще всего КПД равен 80%. Учитывая это, имеем емкость аккумулятора (Ач) = 20,83/0,8 = 26Ач. Поскольку мы используем преобразователь напряжения, который имеет свой КПД, обычно его также принимают равным 80%, добавим его: 26/0,8 = 32,5Ач. Но и это еще не все — даже не смотря на использование аккумуляторов глубокого цикла, для продолжительного срока службы, их не рекомендуется разряжать до полной разрядки, и по-хорошему нужно оставлять хотя бы 30% заряда — чем больше оставим, тем дольше он прослужит, получается: 32,5*1,3 = 42,25Ач Округляем вверх, для того что бы получить целое число и выбираем аккумуляторы глубокого разряда емкостью от 45 ампер-часов (Ач).

Расчет количества солнечных батарей и их мощности

Так как солнечные панели вырабатывают электрическую энергию только в светлое время суток, то это необходимо учесть в первую очередь, так же стоит понимать, что выработка в пасмурные дни и зимой очень сильно снижается, и может составлять 10-30 процентов от мощности панелей. Для простоты и удобства мы будем делать расчет с апреля по октябрь, по времени суток основная выработка идет с 9 до 17 часов, т.е. 7-8 часов в день. В летнее время интервалы конечно будут больше, с восхода до заката, но в эти часы выработка будет значительно меньше номинала, поэтому мы усредняем.

Итак 4 солнечные батареи мощностью 250Вт. (всего 1000Вт). За день выработают 8кВт.ч энергии, т.е. в месяц это 240кВт.ч. Но это идеальный расчет, как мы говорили выше, в пасмурные дни выработка будет меньше, поэтому можно лучше взять 70% от выработки, 240 * 0,7 = 168 кВт.ч. Это усредненный расчет без потерь в инверторе и аккумуляторных батареях. Так же это значение можно применить для рассчета сетевой солнечной электростанции где не используются аккумуляторные батареи.

Мощность бытовых приборов, потребление электроэнергии

Теперь что касается потребителей и их мощности, приведем основные из них:

• Телевизор Led – 50-150Вт.
• Холодильник класса А – 100-300Вт. (только во время работы компрессора)
• Ноутбук – 20-50Вт
• Лампа энергосберегающая – 30Вт, Светодиодная 3-9Вт
• Котел настенный (электроника + встроенный насос) – 70-130Вт.
• Роутер – 10-20Вт.
• Кондиционер 9 – 700-900Вт.
• Эл. Чайник – 1500Вт.
• Микроволновка – 500-700Вт.
• Стиральная машина – 600 – 900Вт.
• Видеорегистратор + 4 камеры – 30-50Вт.

Все мощности указаны в час работы прибора, стоит учитывать, что большинство приборов работают непродолжительное время, чайник подогрев – 5мин, холодильник включается раз в 2-3 часа на час для поддержания темп. Насос котла тоже работает по мере поддержания температуры теплоносителя. Так же можно рассчитать и другие приборы по этому принципу.

Когда появились солнечные батареи

Солнечные батареи были изобретены достаточно давно. Впервые эффект преобразования света в электричество был обнаружен Александром Эдмоном Беккерелем в 1842 году. Для создания первых прототипов потребовалось почти сто лет.

В 1948 году, а именно 25 марта, итальянский фотохимик Джакомо Луиджи Чемичан смог сделать то, что мы теперь используем и развиваем. Спустя 10 лет в 1958 году технология впервые была опробована в космосе в качестве элемента питания американского спутника, названного ”Авангард-1”. Спутник был запущен 17 марта, а уже 15 мая того же года это достижение повторили в СССР (аппарат ”Спутник-3”). То есть технологи начала массово применяться в разных странах почти одновременно.

Использование солнечных панелей в космосе — обычная практика.

Подобные конструкции применяются в космосе до сих пор, как важный источник энергии. А еще их используют на Земле для обеспечения энергией домов и даже целых городов. А еще их начали встраивать в гражданские электромобили для обеспечения большей автономности.

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.

Как выбрать остальные составляющие системы

Обязательными компонентами для работы солнечной батареи является инвертор и аккумулятор, а так же крепления для солнечных панелей. Для обеспечения дома энергией и правильной работы системы при их выборе также необходимо учитывать определенные технические характеристики.

Выбор емкости аккумуляторов

Зачем нужно выбирать емкость аккумулятора? В солнечной батарее вырабатывается энергия, которая накапливается в аккумуляторе, с целью выполнения трех важных функций:

• компенсировать периоды плохой погоды и продолжать электроснабжение дома;
• покрывать пиковую нагрузку;
• обеспечить электроэнергией частный дом в ночное время.

На сегодняшний день нет проблем с выбором аккумулятора, промышленность выпускает разнообразные модели для систем резервного питания, которые отлично подходят для солнечной батареи

Но проблема может возникнуть в том случае, если для большого количества модулей будет недостаточно емкости одного аккумулятора, поэтому очень важно правильно выбрать солнечный аккумулятор с учетом потребляемой энергии и технических характеристик устройства. Например, аккумулятор мощностью 12В и емкостью 100А/ч (ампер/час) может сохранять 1200 Вт*ч

Но постоянно аккумулятор не может сохранять столько энергии, так как его работа напрямую зависит от зарядки и интенсивности использования. Специалисты советуют производить расчеты так, чтобы размер батареи аккумулятора позволял сохранить энергии минимум на 4 дня. Если более понятным языком: представим потребность дома в 3600 Вт*ч в день, теперь делим эту цифру на напряжение 12Вт, после чего получаем дневную норму 300 А*ч. То есть на 4 дня бесперебойной работы нам нужен заряд 1200 А*ч.

Аккумуляторы для солнечных панелей

Перед покупкой и выбором типа аккумулятора учитывайте, что батарея из свинца требует на 20% больше от рассчитанного значения, так как ей нежелательно полностью разряжаться. А вот, например, для батареи кадмиево-никелевой дополнительно уже потребуется свыше 20%. То же самое правило применяется и к железо-никелевым. Насчет щелочных можете быть спокойны, так как полная разрядка аккумулятора не вредит их сроку службу и общей работе.

Для того чтобы аккумулятор прослужил заявленный срок и не подвергался перенапряжениям или, наоборот, глубокой разрядке, необходимо использовать качественный контроллер.

Выбор инвертора

С помощью инвертора постоянная энергия, получаемая панелями от солнца, превращается в переменную с повышением напряжения до 220В, необходимого для обеспечения бытовых потребностей. Мощность инвертора начинается от 250 Вт и может достигать 8000 Вт. Оптимальным вариантом является инвертор с мощностью 3000 Вт, который способен обслуживать сразу несколько модулей параллельного подключения. Специалисты советуют выбирать для дома трехфазные синусоидальные инверторы. Они отличаются надежностью, высоким качеством и долгим сроком службы. Кроме того, они также могут служить «буфером» для вывода излишней солнечной электроэнергии в общую сеть.

Схема работы солнечного электроснабжения

Когда проводишь взглядом по загадочно звучащим названиям узлов, входящих в состав системы питания солнечным светом, приходит мысль о супертехнической сложности устройства.

На микроуровне жизни фотона это так. А наглядно общая схема электрической цепи и принцип ее действия выглядят очень даже просто. От светила небесного до «лампочки Ильича» всего четыре шага.

Солнечные модули – первая составляющая электростанции. Это тонкие прямоугольные панели, собранные из определенного числа стандартных пластин-фотоэлементов. Производители делают фотопанели различными по электрической мощности и напряжению, кратному 12 вольтам.

Устройства плоской формы удобно располагаются на открытых для прямых лучей поверхностях. Модульные блоки объединяются при помощи взаимных подключений в гелиобатарею. Задача батареи преобразовывать получаемую энергию солнца, выдавая постоянный ток заданной величины.

Устройства накопления электрического заряда – аккумуляторы для солнечных батарей известны всем. Роль их внутри системы энергоснабжения от солнца традиционна. Когда домашние потребители подключены к централизованной сети, энергонакопители запасаются электричеством.

Они также аккумулируют его излишки, если для обеспечения расходуемой электроприборами мощности достаточно тока солнечного модуля.

Аккумуляторный блок отдает цепи требуемое количество энергии и поддерживает стабильное напряжение, как только потребление в ней возрастает до повышенного значения. То же происходит, например, ночью при неработающих фотопанелях или во время малосолнечной погоды.

Схема энергообеспечения дома с помощью солнечных батарей отличается от вариантов с коллекторами возможностью накапливать энергию в аккумуляторе

Контроллер – электронный посредник между солнечным модулем и аккумуляторами. Его роль регулировать уровень заряда аккумуляторных батарей. Прибор не допускает их закипания от перезарядки или падения электрического потенциала ниже определенной нормы, необходимой для устойчивой работы всей гелиосистемы.

Переворачивающий, так дословно объясняется звучание термина инвертор для солнечных батарей. Да, ведь на самом деле, этот узел выполняет функцию, когда-то казавшуюся электротехникам фантастикой.

Он преобразует постоянный ток солнечного модуля и аккумуляторов в переменный с разностью потенциалов 220 вольт. Именно такое напряжение является рабочим для подавляющей массы бытовых электроустройств.

Поток солнечной энергии пропорционален положению светила: устанавливая модули, хорошо бы предусмотреть регулировку угла наклона в зависимости от времени года

Основные критерии выбора оборудования

На обеспечение электроснабжения от солнечных коллекторов влияют:

• Продолжительность дня и ночи (ночью солнечные системы прекращают подавать энергию);
• Погодных условий (в пасмурные дни уровень энергообеспечения спадает);
• Сезонности (когда дни становятся короче ночей).

В связи с этим рекомендуется выбирать емкость аккумуляторов 12 вольтовых:

• Только для летнего периода — не менее 400 А/ч на 1 кВт/ч суточного потребления в минимальном режиме;
• Для круглогодичного энергопотребления – не менее 800 А/ч на 1 кВт/ч в минимальном режиме потребления.

При выборе панели учитывается три основных фактора:

1. Геометрия;
2. Тип фотоэлементов;
3. Номинальное выходное напряжение.

Когда стоит вопрос: «приобретать одну большую панель или несколько маленьких», наш совет — лучше одну. Маленькие панели хорошо устанавливать там, где нет возможности установить большую панель (размер ее не превышает 1,5 – 2 метров). В этом случае площадь соединений будет меньше, а уровень надежности повысится.

При выборе напряжения солнечной батареи рекомендуется останавливать на 24 вольтовых панелях, так как у них вдвое меньше рабочие токи, чем у 12 вольтовых панелей той же мощности.

Наиболее часто предлагаемые типы фотоэлементов:

• На монокристаллическом кремнии;
• На поликристаллическом кремнии.

Монокристаллический тип дороже, но его преимущества намного выше поликристаллического.

Если суммарная мощность панелей будет превышать мощность инвертора, это в разы оправдается даже с учетом постоянной мощной нагрузки и мощного аккумуляторного блока.

При выборе размещения панелей учитываются ориентирование дома по сторонам света и его «посадки» на местность. Традиционной ориентацией считается размещение панелей на юг.

Сейчас не проблема приобрести систему отслеживания Солнца. Будут оправданы расходы на такое дополнительное оборудование для солнечного коллектора или нет – решение сугубо индивидуальное.

Важно при выборе панелей учитывать характеристики контролеров, которые различают по типам контролеров зарядов и мощности. В некоторых случаях эффективнее устанавливать мультивольтажные контролеры (рассчитанные на несколько напряжений)

При расчете важно учитывать срок эксплуатации системы, который без существенного понижения КПД может продолжаться 20 – 25 лет. Стоимость системы может быть разной в зависимости от комплектующих: аккумуляторных батарей, фотомодулей и инверторов

Примерно цена 1 кВт мощности варьируется в пределах 2,5 – 3 €

Стоимость системы может быть разной в зависимости от комплектующих: аккумуляторных батарей, фотомодулей и инверторов. Примерно цена 1 кВт мощности варьируется в пределах 2,5 – 3 €.

Какую систему брать для дома, сколько средств потратить на ее приобретение и будут ли эти затраты окупаемы подсчитать не так уж сложно.

26 мая 2014

Формула расчета реальной мощности панели

Мощность солнечной панели напрямую зависит от солнечного освещения. Чем больше лучей падает на батарею, тем больше тока она производит. И наоборот.

Производители указывают номинальную мощность, исходя из того, что на 1 кв. метр светочувствительных элементов падает 1 000 Вт солнечной энергии. На такую цифру стоит ориентироваться только тогда, когда в месте расположения частного дома, наблюдается такая же солнечная активность.

Реальную мощность солнечной панели можно рассчитать по формуле: E = I x x Ko x Kпот., где

• Е является реальной мощностью батареи (измеряется в кВт*ч);
• I представляет собой количество солнечное энергии, которое падает на крышу дома. Его измеряют в кВт*ч/м²;
• V является номинальной мощностью одной солнечной батареи (измеряется в Вт);
• U представляет собой величину солнечной радиации, на которую производитель ориентировался при расчете номинальной мощности. Эта величина постоянная и равна 1 000 Вт/м² или 1 кВт/м²;
• Ко представляет собой поправочный коэффициент количества солнечной энергии, падающей на панель. Он зависит от угла наклона батареи и угла ее отклонения от южного направления;
• Кпот. является коэффициентом, который характеризует, сколько электрической энергии теряется во всей системе автономного электроснабжения.

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 3 кВт*ч энергии, то в аккумуляторах должен быть такой запас энергии. Если аккумулятор 12 вольт 200 А/ч, то энергии в нём поместиться 12*200=2400 ватт (2,4 кВт).

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%.

Оптимальный запас ёмкости АКБ это суточный запас энергии в аккумуляторах. Например если у вас суточное потребление 10 кВт*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 200 Ач, и вы через инвертор подключаете электрический чайник на 2 кВт, то напряжение на АКБ резко упадёт, так-как ток разряда АКБ будет около 250 Ампер, 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 220 в) 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%.

Выбираем компоненты для солнечной электростанции

Для того чтобы наглядно проиллюстрировать расчет, сколько нужно солнечных батарей для использования их в качестве основного источника энергии, рассмотрим условный загородный дом в Рязанской области, в котором жильцы находятся с марта по сентябрь включительно.

Для расчета мы возьмем следующие показатели почасового потребления:

• суммарное потребление энергии в сутки – 12 кВт/ч;
• средний уровень нагрузки всех потребителей – 500 Вт;
• максимальное значение нагрузки – 1200 Вт;
• пиковый уровень нагрузки (+25 %) – 1200×1,25 = 1500 Вт.

Полученные данные будут использованы для определения необходимой емкости аккумуляторов гелиоэлектростанции.

Определение возможностей солнца

Расчет мощности ожидаемой выработки энергии проводится на основе данных мощности солнечного излучения с учетом погодных особенностей в различные времена года. Получая результат, необходимо также учитывать разные углы наклона панели, как вертикальной, так и горизонтальной ориентации.

Важный вопрос – выбор угла наклона панели. Имея возможность круглый год эксплуатировать систему, следует отдать предпочтение углу на 15° больше географической широты расположения дома. Кроме того, при большем наклоне на поверхности панели будут меньше задерживаться пыль и снег. Для Москвы этот угол будет равен 70° с ориентацией панели на юг. Если расчет для дома проводится исключительно для теплого времени года, они могут размещаться на стене или скате крыши с ориентацией на запад или на восток, в данном случае лучше увеличить наклон панелей в сравнении с оптимальным для лета наклоном.

Вторая формула расчета мощности солнечной панели

Существует еще одна формула, позволяющая рассчитать количество вырабатываемой энергии солнечными панелями. Для этого нужно знать размеры вашей батареи, а также количество мощности, которую она вырабатывает и среднее количество времени, когда на нее распространялась солнечная радиация. Допустим, что у вас есть солнечная батарея размером 2 м² и мощность 185 Вт. Зимой она получает солнечный свет максимум 1-1,5 часа, летом – 3-3,5 часа. Теперь мы можем рассчитать средний показатель электроэнергии, вырабатываемый такой батареей.

Зимой: 185 * 1,5 = 278 Вт*ч. Летом: 185 * 3,5 = 648 Вт*ч.

Плюсы и минусы солнечных панелей

Да, использование солнечных батарей может показаться довольно рациональным решением, когда необходимо обеспечить себя электричеством и теплом:

1. На рынке сейчас существует много предприятий, готовых предоставить вам качественные батареи.
2. Несмотря на цену, фотоэлектрические панели могут окупиться в течение 2-3-х лет.
3. Гарантия на обеспечиваемую мощность: 12 (более 90 %) и 25 лет (более 80 %).
4. Минимальное обслуживание.

Но не стоит также забывать и про минусы, который тоже имеют место быть:

1. Низкая эффективность в пасмурные дни.
2. Необходимость довольно больших площадей для размещения панелей, чтобы они могли вырабатывать достаточное количество энергии.
3. Для накопления энергии необходимы специальные аккумуляторы.

Вывод

Я сам всегда хотел перейти на альтернативные способы энергии и, с появлением солнечных панелей в Украине, я осознал, что настало время реализовывать мои планы в жизнь. Единственная проблема, которую я сейчас наблюдаю – малое количество солнечной радиации в зимний период. Но это меня не останавливает! Думаю, что с ней, в конце концов, можно справиться. Я действительно считаю, что солнечные батареи могут предоставить необходимое количество электроэнергии для обеспечения нормального способа жизни, а значит в ближайшем будущем они могут стать отличным способом выработки энергии для среднестатистического человека.

13.02.2017

3880

Другие варианты для инвестиций

Помимо того, что вы можете установить солнечные батареи на крыше собственного дома с целью потреблять часть электроэнергии, а остаток продавать, также можно взять в аренду или оформить в собственность участок, на котором установить солнечные батареи исключительно с целью продажи электричества государству. Окупаемость таких инвестиций занимает порядка пяти лет. Это зависит от тарифов, установленных на электричество на данный момент, а также количества солнечной энергии, которую возможно добывать в конкретном регионе.

Конечно, Россия несколько отстаёт от своих зарубежных коллег в сфере развития зелёной энергии. Но по прогнозам экспертов эта отрасль продолжит развиваться. На сегодняшний день Правительство уже сосредоточено на строительстве новых солнечных электростанций. Вполне вероятно, что в ближайшие годы их генерация достигнет порядка пятнадцати процентов.

В то же время, хотелось бы отметить тенденцию к постепенному снижению стоимости фотоэлементов на фоне постоянного роста цен на электроэнергию в стране. Точный расчёт окупаемости конкретной установки могут произвести только специалисты по факту, поскольку в учёт принимается множество факторов, в числе которых и количество солнечных дней в конкретном регионе, и тарифы на электричество, и стоимость конкретной установки.

Таким образом, покупка и установка солнечных модулей – это прогрессивные на сегодняшний день решения. С помощью данных установок вы сможете не только обеспечить свой дома бесперебойной подачей электричества, но и сделать выгодные инвестиции в будущее. Да, сроки окупаемости здесь могут показаться вам довольно большими, но выгода, которую вы получите от приобретения и установки солнечных батарей, очевидна. Поэтому при наличии возможности следует серьёзно задуматься об использовании солнечной энергии для энергообеспечения.

Как рассчитать емкость аккумулятора для панелей

Минимальный запас емкости должен быть таким, чтобы его хватало на работу ночью. Например, если с вечера до утра вы потребляете 3кВт/ч энергии, то запас энергии для аккумулятора должен быть именно таким.

Расчет мощности АКБ для солнечной панели.

Специализированные АКБ можно разрядить до 70% максимум. В противном случае они быстро выходят из строя. Обычные автомобильные АКБ нельзя разряжать более чем на 50%. Поэтому аккумуляторов нужно ставить вдвое больше, чем требуется, чтобы не менять их каждый год.

Оптимальный запас емкости АКБ – суточный запас энергии. Так, 10 кВТ/ч за 24 часа требует такой же рабочей емкости АКБ. Лишь тогда вы сможете прожить пару пасмурных дней без перебоев. В обычные дни аккумуляторы будут разряжаться частично (на 20-30%), что продлит срок эксплуатации АКБ.

КПД аккумуляторов

Немаловажная деталь – КПД свинцово-кислотных аккумуляторов, равный 80%.  Т.е. при полном заряде аккумулятор берет на 20% больше, чем сможет отдать. Кроме того, КПД зависит от разряда и заряда тока, чем они больше, тем ниже КПД. Например, подключая чайник на 2кВт через инвертор и аккумулятор на 200Ач, то в последнем напряжение резко упадет, т.к. ток разряда будет около 250А, а КПД отдачи упадет до 40-50%.

С учетом потери полученной от батарей энергии в аккумуляторе и преобразовании постоянного напряжения в переменный ток 220 В, потери составляют 40%. Поэтому при расчете солнечных панелей и емкости АКБ, массив батарей нужно увеличить на 40%, чтобы перекрыть затраты.

Существует еще один похититель энергии – контроллер заряда аккумулятора. Их производят двух типов: PWM(ШИМ) и МРРТ. Первые более простые и дешевые, но они не трансформируют энергию, а потому панели не отдают в АКБ всю мощность (максимум 80% от паспортной мощности). МРРТ отслеживает пик мощности и может преобразовать энергию, понижая напряжение и поднимая ток зарядки, что увеличивает отдачу до 99%.

Интересное:

Ставя дешевый PWM, прибавьте массив солнечных батарей еще на 20%.

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.

Подбираем комплектующие

Теперь самое главное — подберем солнечные батареи. Подобрать массив солнечных панелей на суточное потребление 1,5кВт можно всё в том же онлайн калькуляторе. Получится что-то около 400 Ватт солнечных панелей. Это могут быть 4 панели по 100 Ватт или 2 солнечные батареи по 200 Ватт. Второй вариант интереснее и дешевле.

Подберем аккумуляторную батарею, но сначала определимся с её напряжением. В такой небольшой электростанции лучше все  иметь 12В, это просто удобнее. В системах большего размера применяются аккумуляторные массивы на 24, 48 и более Вольт. Полная полезная ёмкость аккумулятора должна иметь запас на 1,5-2 суток автономной работы, в случае облачной погоды. Рассчитать полезную ёмкость легко, это произведение напряжения и ёмкости в Ач за минусом предельной глубины разряда ( для свинцово-кислотных аккумуляторов это 25%). То есть для аккумулятора с параметрами 12В 200А это (12Вх200Ач) – 25% = 1800 Ватт*часов полезной энергии или 1,5 суток (1800Ватт*часов/1500Ватт*часов) автономной работы при суточном потреблении 1500Ватт*часов.

Очень важно! Проверим максимальный зарядный ток, который будет поступать от нашего массива на аккумулятор, для этого мощность солнечного массива 400Вт разделим на напряжение системы 12В, получаем 33А. В идеале, свинцово-кислотный аккумулятор должен заряжаться током 0,1С, в нашем случае это 20А, немного меньше, чем 33А, но мы не будем по этому поводу сильно беспокоиться, так как максимальный ток заряда для гелевой батареи 200Ач составляет 40А

К тому же, учитывая погоду потери и, собственное потребление, зарядный ток 33А мы будем видеть не часто.

Выбираем контроллер заряда аккумулятора. Так как максимальный зарядный ток нам известен 33А, осталось только взять контроллер требуемого (но не меньшего) номинала. Нам подойдёт модель на 40Ампер, технология MPPT. Почему не ШИМ? Ответ прост ШИМ технология основана на принципе одинакового напряжения на массиве солнечных панелей и аккумуляторе. Заряд аккумулятора будет производиться лишь в том случае, когда напряжение на солнечной панели будет выше напряжения на АКБ, то есть только в солнечную погоду. О принципе работы MPPT контроллера написано уже много. Важным преимуществом является разница напряжений (на солнечном массиве до 100 — 150В) и поиск точки максимальной мощности. Подробнее принципа работы описан здесь.

Резюмируя, для расчёта системы мы выполнили следующие действия:

• Определили задачу, рассчитали суточное потребление объекта в кВт*ч;
• Подобрали массив фотоэлектрических модулей, удовлетворяющий потреблению;
• Выбрали аккумулятор, ёмкость которого обеспечит автономную работу системы в течение 1,5-2 суток;
• Рассчитали максимальный ток заряда, что бы убедиться, что аккумулятор не будет подвергаться перезаряду и заряду большим током. Подобрали контроллер заряда, требуемого номинала.

Приблизительная схема соединения солнечной электростанции

Так как в системе планируется холодильник, то осталось выбрать преобразователь (инвертор). Основными требованиями к нему будут:

1. Чистый синус (так как планируется работа с холодильником);
2. Пиковая мощность не менее 1500 Ватт (так как холодильник имеет «высокие пики»).

Идеальным решением будет «чистосинусоидное» устройство номинальной мощностью 1000-1500Ватт и пиковой —  не менее 2000Ватт.

Как вы могли легко убедиться, в расчете солнечной электростанции в основном нет ничего сложного, тем не менее, мы коснулись только общих принципов и не углублялись в особенности работы конкретного оборудования.

Итоги

Я использовал метод сравнительного анализа, при котором снимались данные с соседних панелей. Для абсолютных значений, нужно приобрести термометр и люксметр, и впоследствии приводить результаты к STC. В плате и программе предусмотрено их подключение. Даже на визуально чистом небе, может появляться невидимая глазу дымка, которая влияет на конечный результат.

Прибор получился довольно компактный и точный.  Повторяемость результатов у меня была с точностью до 1 Вт.

К основным минусам стоит отнести трудоемкость процесса  снятия показаний — станцию нужно обесточить, получить доступ к проводам от конкретной панели, что довольно часто невозможно, без полного демонтажа.

Если у Вас есть сомнения в работе своей солнечной станции, этот или аналогичный прибор считаю крайне необходимым и востребованным. Опять же, местные поставщики, подтверждают гарантию и по не сертифицированным приборам.

Наработки и результаты обследования солнечных станций я начал выкладывать в своём блоге. Для желающих углубиться в тему — есть так же живой форум по домашним солнечным электростанциям, присоединяйтесь.

Всем мира и солнечного неба над головой!