Наука предоставила нам время, когда технологии использования энергии солнца стали общедоступными. Каждому домовладельцу доступны солнечные батареи для дома. Дачники не отстают в этом вопросе, так как чаще оказываются подальше от централизованных источников устойчивого электроснабжения.
Предлагаем изучить информацию о конструкции, функционировании и расчете рабочих элементов гелиосистемы. Погружение в представленные сведения позволит приблизиться к возможности снабжения участка собственным солнечным электроэнергией.
Для лучшего понимания представленной информации даны схемы, иллюстрации, фото- и видеоуроки.
Солнечные панели и как работают.
В прошлом любознательные умы обнаружили нам природные вещества, образующиеся под действием солнечных лучей, фотонов. электрическую энергиюЯвление назвали фотоэлектрическим эффектом. Учёные освоили управление микрофизическим процессом.
На основе полупроводников созданы компактные электронные приборы – фотоэлементы.
Изделия получили новые возможности благодаря созданию эффективных гелиопанелей из миниатюрных преобразователей. Эффективность панелей из кремния, массово выпускаемых в промышленности, составляет 18-22%.
Из модулей создаётся солнечная батарея, являющаяся финальной точкой пути фотонов от Солнца до Земли. Далее эти элементы света начинают движение внутри электрической цепи в виде составляющих постоянного тока.
Размещаются в аккумуляторах или преобразуются в переменный ток напряжением 220 вольт для питания бытовых приборов.
Информация о конструкции и работе солнечных панелей представлена в другом источнике. популярной статье нашего сайта.
Виды солнечных модулей-панелей
Гелиопанельные модули состоят из солнечных элементов, или фотоэлектрических преобразователей. Широко применяются два вида фотоэлектрических преобразователей.
Они различаются по видам кремниевых полупроводников, применяемых при изготовлении.
- Поликристаллические. Солнечные элементы из кремния производят путем застывания расплавленного материала. Простой способ изготовления делает их доступными по цене, но эффективность поликристаллических элементов ограничена 12%.
- Монокристаллические. Это элементы, полученные путем резки искусственно выращенного кремниевого кристалла на тонкие пластинки. Самый эффективный и дорогостоящий вариант. Средняя эффективность около 17%, некоторые монокристаллические фотоэлементы обладают большей производительностью.
Поликристаллические солнечные элементы имеют плоскую квадратную форму с неровной поверхностью. Монокристаллические аналоги — тонкие, однородные квадратные структуры с закругленными углами (псевдоквадраты).
Панели первого выпуска, несмотря на равную мощность, крупнее, чем панели второго поколения, поскольку их эффективность ниже (18% против 22%). В среднем, они стоят на десять процентов меньше и пользуются большим спросом.
Соединение компонентов выполняется идентично.
О правилах и тонкостях выбора солнечных батарей для обеспечения автономного отопления можно узнать. прочитать здесь.
Схема работы солнечного электроснабжения
Проводя взгляд по загадочно звучащим названиям узлов системы питания солнечным светом, думаешь о необычайной технической сложности ее устройства.
На уровне отдельных фотонов всё происходит иначе. В целом же схема электрической цепи и её работа понятны без труда. От солнца до лампочки — всего четыре ступени.
Солнечные модули представляют собой первую часть электростанции. Это тонкие прямоугольные панели, состоящие из определенного количества стандартных пластин-фотоэлементов. Производители выпускают фотопанели с разной электрической мощностью и напряжением, кратным 12 вольтам.
Плоские устройства легко размещаются на открытых солнечных поверхностях. Модули соединяют друг с другом для создания гелиобатареи. Цель батареи – преобразовать солнечную энергию в постоянный ток заданного значения.
Устройства накопления электрического заряда — аккумуляторы для солнечных батарей Все хорошо знают их. Внутри систем солнечного энергообеспечения их роль традиционная. Когда домохозяйства подключены к общей электросети, накопители забирают электричество.
Если ток от солнечного модуля достаточен для питания используемых приборов, также аккумулируют избыток энергии.
Аккумуляторный блок подаёт системам нужную энергию и стабильное напряжение при увеличении нагрузки, например, ночью без работы солнечных панелей или в пасмурную погоду.
Контроллер – электронный компонент, соединяющий солнечный модуль с аккумуляторами. Задача его заключается в управлении уровнем заряда аккумуляторных батарей. Прибор предотвращает перегрев от перезарядки и снижение электрического потенциала ниже допустимого для стабильной работы всей гелиосистемы.
Термин означает переворот. инвертор для солнечных батарейЭтот узел осуществляет функцию, которая раньше казалась электротехникам невозможной.
Из постоянного тока, получаемого от солнечных панелей и аккумуляторов, устройство производит переменный ток с напряжением 220 вольт. Такое напряжение подходит большинству бытовых приборов.
Пиковая нагрузка и среднесуточное энергопотребление
Обзавестись гелиостанцией пока недешево. Первым шагом к использованию солнечной энергии становится определение оптимальной пиковой нагрузки в киловаттах и рационального среднесуточного энергопотребления в киловатт-часах для дома или дачи.
Пиковая нагрузка возникает при одновременном использовании большого количества электроприборов, её величина зависит от максимальной мощности всех работающих устройств, учитывая повышенные стартовые характеристики некоторых из них.
Измерение максимальной нагрузки помогает определить, какие бытовые приборы работают одновременно обязательно и какие можно исключить из списка. Эта информация влияет на характеристики мощностей станций электропитания, а значит, и конечную цену устройства.
Энергопотребление прибора за сутки вычисляют путем умножения его мощности на время работы от сети в течение суток. Общее среднесуточное энергопотребление складывается из суммарного количества электроэнергии, потребленной каждым потребителем за сутки.
Потребление энергии даёт возможность разумно подходить к использованию солнечной электроэнергии. Результат расчётов играет важную роль в определении необходимой ёмкости аккумуляторов. От этого показателя ещё больше зависит цена блока аккумуляторной системы, дорогостоящего элемента всей конструкции.
Порядок расчета энергетических показателей
Рассчеты начинаются с обычного тетрадного листа, развёрнутого горизонтально и разграфленного лёгкими карандашными линиями. В результате получается бланк из тридцати граф, по числу строк — количеством домашних электроприборов.
Подготовка к арифметическим расчетам
В первой колонке указывается порядковый номер. Во второй – наименование электроприбора. В третьей – индивидуальная потребляемая мощность.
С столбцов четвёртого по двадцать седьмой – время суток с нуля до двадцати четырех часов. В них через горизонтальную дробную черту записывают:
- В числитель входит количество времени, которое прибор работал в течение конкретного часа, выраженное десятичным числом (0,0).
- В знаменатель вводится повторно его индивидуальная потребляемая мощность (для расчёта часовых нагрузок).
Двадцать восьмая строка показывает общее время работы бытового устройства в сутки. В двадцатой девятой указывается личное энергопотребление прибора, которое получается при умножении его мощности на время работы за день.
Тридцатая колонка, как и предыдущие, предназначена для заметок и промежуточных расчётов.
Составление спецификации потребителей
Следующим этапом вычислений станет переработка тетрадного бланка в характеристику потребления электроэнергии домашними хозяйствами. С первой колонкой всё ясно: тут указываются номерные значения строк.
Во втором столбце указываются наименования потребителей энергии. Начать можно с электроприборов прихожей, затем переходить к другим помещениям по желанию — против часовой стрелки или по часовой.
Если есть второй (и так далее) этаж, действовать нужно так же: от лестницы – по кругу. Необходимо помнить о приборах на лестничных пролетах и внешнем освещении.
При заполнении третьей колонки, где указывается мощность, целесообразно делать это одновременно с заполнением второй.
Столбцы с четвертого по двадцать седьмой показывают каждый час суток. Чтобы упростить их использование, можно провести горизонтальными линиями посередине строк. Верхняя часть каждой строки — это числитель, нижняя — знаменатель.
Столбцы заполняются построчно. Числители формируются как временные интервалы десятичного формата (0,0), показывающие время работы электроприбора в определённый часовой период. В тех же ячейках, где проставляются числители, записываются знаменатели с показателем мощности прибора, взятого из третьей графы.
Заполнив все столбцы часового учета, переходят к подсчету индивидуального суточного рабочего времени электроприборов по строкам. Результаты записываются в ячейки двадцать восьмой колонки.
Потребляемая энергия всеми потребителями за сутки определяется на основании мощности и времени работы. Результаты регистрируются в ячейках двадцать девятого столбца.
После заполнения всех строк и столбцов спецификации проводят расчеты итогов. Суммируя по графу мощности из знаменателей часовых столбцов, получают нагрузки каждого часа. Просуммировав сверху вниз индивидуальные суточные энергопотребления двадцать девятой колоночки, находят общее среднесуточное.
Расчёт исключает собственное потребление будущей системы.
Анализ и оптимизация полученных данных
При использовании гелиоэлектростанции как резервного источника питания информация о суточной мощности потребления и среднем дневном объёме энергии помогает сократить использование оплачиваемого солнечного электричества.
Для достижения этой цели временно отключают энергоемкие устройства до восстановления работы электросети, особое внимание уделяя периодам наибольшей нагрузки.
При проектировании солнечной энергосистемы как источника постоянного электроснабжения результаты часовых нагрузок сдвигают вперёд.
Важно равномерно распределить потребление электричества в течение суток, чтобы устранить чрезмерные максимумы и глубокие минимумы.
Исключение пиковых мощностей, выравнивание максимальных нагрузок и устранение резких падов энергопотребления во времени помогают подобрать самые экономичные варианты узлов солнечной системы и обеспечивают стабильную, главное, безаварийную долгосрочную работу гелиостанции.
Чертеж иллюстрирует преобразование нерационального графика в оптимальный на основе составленной спецификации. Благодаря этому суточное потребление снизилось с 18 до 12 кВт/ч, а среднесуточная почасовая нагрузка с 750 до 500 Вт.
При использовании солнечной энергии как резерва принципы оптимизации также актуальны. Нецелесообразно излишне увеличивать мощность солнечных панелей и аккумуляторов ради кратковременных неудобств.
Подбор узлов гелиоэлектростанции
Рассмотрим вариант использования солнечной батареи в качестве основного источника электроэнергии для дачного дома в Рязанской области. Жильцом дачного дома является человек, который пребывает там с марта по сентябрь.
Практические вычисления на основе данных рационального графика почасового энергопотребления сделают рассуждения более наглядными.
- 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%).
Для подсчёта общей мощности солнечных батарей и других рабочих характеристик необходимы значения.
Определение рабочего напряжения гелиосистемы
Рабочее напряжение в любой гелиосистеме строится на кратности 12 вольтам из-за распространенности аккумуляторных батарей этого номинала. Самые часто встречающиеся элементы гелиостанций — солнечные модули, контроллеры и инверторы — выпускаются под напряжениями 12, 24 и 48 вольт.
Повышенное напряжение дает возможность применять провода с меньшим сечением, что повышает надежность соединений. Также выведенные из строя аккумуляторы сети 12В можно заменить по отдельности.
В 24-вольтовой сети из-за особенностей работы аккумуляторных батарей замену необходимо производить парами. В сетях 48V придется заменить все четыре батареи ветки. Кроме того, при напряжении в 48 вольт появляется опасность поражения электрическим током.
Основной выбор номинальной разности потенциалов системы обусловлен параметрами мощности современных промышленных инверторов и зависит от максимальной нагрузки.
- от 3 до 6 кВт – 48 вольт,
- от 1,5 до 3 кВт – равен 24 или 48V,
- до 1,5 кВт – 12, 24, 48В.
Остановимся на надежности, выбрав её по сравнению с удобством замены аккумуляторов. Будем исходить из расчетного напряжения работающей системы 24 вольта.
Комплектование батареи солнечными модулями
Формула для вычисления необходимой мощности солнечной батареи такова:
Рсм = ( 1000 * Есут ) / ( к * Син ),
где:
- Рсм — это мощность солнечной батареи, которая равна суммарной мощности всех солнечных модулей (панелей) в ваттах.
- Фотоэлектрические преобразователи имеют светочувствительность 1000 кВт/м².
- Есут — это суточная потребность в энергии (кВт*ч, например, 18).
- Сезонный коэффициент учитывает потери (лето — 0,7; зима — 0,5).
- Син — это количество солнечного тепла, которое панели вырабатывают за час в квадратный метр при идеальном угле наклона.
Значение инсоляции возможно уточнить в региональной метеослужбе.
Лучший угол наклона солнечных батарей соответствует широте расположения.
- весной и осенью,
- плюс 15 градусов – зимой,
- минус 15 градусов – летом.
Рязанская область, которая рассматривается в этом примере, расположена на 55-й параллели.
С марта по сентябрь наилучшим нерегулируемым углом наклона солнечной батареи является летний угол 40⁰ к поверхности земли. При таком расположении модулей средняя суточная инсоляция Рязани в этот период составляет 4,73. Ввиду наличия всех необходимых данных выполним расчет.
Рсм = 1000 * 12 / ( 0,7 * 4,73 ) ≈ 3 600 ватт.
Для установки системы на основе 100-ваттных солнечных модулей понадобится 36 штук. Их общая масса составит 300 килограммов, а занимаемая площадь – примерно 5 на 5 метров.
Экспресс-схемы монтажа солнечных батарей с подтверждённым опытом работы. приведены здесь.
Обустройство аккумуляторного энергоблока
Выбирая аккумуляторы, следует учитывать следующие принципы:
- Для этих целей не годятся стандартные автомобильные аккумуляторы. Аккумуляторы солнечных электростанций имеют маркировку «SOLAR».
- Купите аккумуляторы с одинаковыми характеристиками, предпочтительно одной серии производства.
- Для полноценной работы аккумуляторного блока помещение должно быть тёплым. Температура 25°С обеспечивает полную мощность батарей. При понижении температуры до -5°С ёмкость аккумуляторов снижается на 50%.
Рассмотрим аккумулятор напряжением 12 вольт и емкостью 100 ампер/час. За час работоспособность обеспечит потребителям суммарной мощностью 1200 ватт. Полная разрядка недопустима.
Рекомендуется поддерживать заряд аккумуляторных батарей не ниже 70%. Предельным значением считается 50%. Считая «золотой серединой» число 60%, в расчётах используется энергозапас 720 Вт/ч на каждые 100 А*ч емкости аккумулятора (1200 Вт/ч х 60%).
Начальная зарядка аккумуляторов выполняется в 100% от стационарного источника питания. Батареи должны обеспечить полное покрытие потребления электроэнергии в ночное время. При необходимости поддержать работоспособность системы и днем, если погодные условия неблагоприятны.
Избыток аккумуляторов может привести к их постоянному недозарядке, что сократит срок их службы. Наиболее целесообразно комплектовать блок батареями, рассчитанными на покрытие дневного энергопотребления.
Для определения общей емкости аккумуляторов необходимо общее суточное потребление энергии в 12000 Вт/ч разделить на 720 Вт/ч и умножить на 100 А*ч.
12 000 / 720 * 100 = 2500 А*ч ≈ 1600 А*ч
Для примера понадобится либо 16 аккумуляторов на 100 А*ч, либо 8 аккумуляторов на 200 А*ч, соединенных последовательно-параллельно.
Выбор хорошего контроллера
Грамотный подбор контроллера заряда аккумуляторных батарей Задача аккумулятора заключается в том, что его входные параметры должны быть совместимы с выбранными солнечными панелями, а выходное напряжение должно соответствовать внутренней разности потенциалов гелиосистемы. В нашем случае это 24 вольта.
Хороший контроллер должен обеспечить:
- Многоступенчатая подзарядка аккумуляторов увеличивает период их работоспособности в разы.
- Автоматический взаимосвязь аккумуляторной батареи и солнечной батареи по принципу подключения и отключения при изменении уровня заряда.
- Переключение нагрузки между аккумулятором и солнечной батареей.
Этот маленький узел играет важную роль.
Выбранный контроллер определяет безопасную работу аккумулятора и согласованность работы всей системы.
Подбор инвертора лучшего исполнения
Инвертор подбирают по мощности таким образом, чтобы он мог справляться с длительными пиковыми нагрузками. Его входное напряжение должно совпадать с внутренним напряжением гелиосистемы.
Для оптимального выбора обращайте внимание на следующие параметры:
- Форма и частота переменного тока должны максимально приближаться к синусоидальной форме с частотой 50 Гц.
- КПД устройства. Чем выше 90% — тем замечательней.
- Ввод энергии устройством не должен превышать 1% от общего энергопотребления системы.
- Узел способен противостоять кратковременному воздействию усилий, вдвое превышающих номинальное значение.
Лучший вариант исполнения — инвертор с интегрированным контроллером.
Сборка бытовой гелиосистемы
Фото-подборка иллюстрирует сборку бытовой гелиосистемы из заводских модулей.
Выводы и полезное видео по теме
Видеообзор монтажа солнечных панелей на кровлю частного дома собственными силами.
Выбор аккумуляторных батарей для солнечной системы: виды и особенности.
Видеоролик номер три. Солнечная электростанция для дачи, которую можно установить самостоятельно.
Рассмотренные практические приемы расчетов и принцип работы современной солнечной панели помогут получить энергетическую независимость как владельцам больших домов в населённых пунктах, так и дачникам в отдаленных районах.
Поделитесь своим опытом создания мини-гелиосистемы или солнечной батареи.
Хотите задать вопрос, найти ошибку в тексте? Комментарии приветствуются.