Расчет солнечных батарей для частного дома

Глядя на океан энергии, льющейся с небес на землю, мы остаемся зависимыми от электросетей.

Что такое «выделенная мощность электроэнергии»?

Если объяснять значение это термина простым языком, то выделенная (или разрешенная) мощность это максимально допустимая нагрузка на сеть потребителя. Она устанавливается в соответствии с действующими нормами и указывается в договоре электроснабжения.

Тем, кто хочет детально разобраться в этом вопросе, должен иметь представление о присоединенной, установленной, единовременной и разрешнной мощности. Дадим краткое определение каждой из них:

  • Присоединенная, под данным термином подразумевается суммарная установленная мощность всех электроприемников, запитаных от сети потребителя.
  • Установленная – номинальная активная мощность, указанная в технической документации к электрооборудованию, то есть та, при которой устройства потребителя будут работать в штатном режиме.
  • Единовременная – расчетная величина потребляемой мощности оборудования электроустановки за определенное время.
  • Выделенная (разрешенная) – максимальна единовременная мощность, которую потребитель может подключить к сети энергоснабжающей компании. Данный параметр указывается в ТУ на присоединение энергопринимающих объектов и в договоре между потребителем и организацией, поставляющей электроэнергию.

Увеличение эффективности солнечных батарей

Стоимость системы солнечного энергоснабжения зависит от варианта его использования. Если энергию солнца использовать как дополнительный источник электроэнергии, тогда она вам обойдется дешевле.  Общие затраты также будут значительно меньше, если сами будете устанавливать гелиосистему со всем оборудованием.

Правильный выбор производителя, тоже влияет на окупаемость солнечной электростанции. Не нужно ориентироваться на европейский бренд, китайский вариант солнечных панелей и оборудования ничуть не хуже, зато намного дешевле. Самый дорогой элемент солнечной электростанции – это солнечные панели. Можно приобрести отдельные солнечные модули и зимними вечерами их собирать в панели.

Правда их производительность будет ниже заводских, и для достижения необходимой мощности солнечных панелей нужно сделать их больше. За то какая экономия!  Выбрав правильный угол установки солнечных элементов для вашей местности, можно поднять эффективность солнечных будет установка панелей на специальную автоматическую подвижную раму, которая поворачивается вслед за солнцем.

Угол наклона солнечных батарей для максимальной эффективности зимой и летом

Батареи будут получать максимальное освещение солнечной энергией в течение всего светлого времени суток. Если в вашей местности преобладает пасмурная погода, то лучше остановиться на микроморфных пленочных панелях, которые вырабатывают энергию и в пасмурные дни. Самой дорогой и самой эффективной является монокристаллическая фотопанель, с КПД 20-25%. Популярные поликристаллические изделия имеют КПД равные 15-20%, и по эффективности мало уступают монокристаллическим.

Типы солнечных панелей

Гелиоустройства, как еще называют солнечные батареи, можно разделить на 2 основных группы. Все зависит от технологии, по которой они произведены:

  1. Фотоэлектрический тип, может быть пленочным или кремниевым. Это полимерные фотоэлементы, которые последовательно соединены между собой контактами. Отдельный модуль – солнечная батарея.
  2. Солнечный коллектор, бывает трубчатым и плоским. Лучшее решение, которое может накапливать электричество или подогревать теплоноситель.

Гибкие панели проще в установке и удобнее, но служат меньше.

Как устроены фотоэлектрические преобразователи

Название элементов подсказывает, что они конвертируют солнечную энергию в электрическую. Их производят в двух исполнениях – на алюминиевой раме и на полимерном полотне.

В первом варианте лицевая часть защищена стеклом, а задняя стенка закрыта изоляционной пленкой. Во втором обе защитные части сделаны из полимерных материалов.

Все фотоэлементы соединены друг с другом токопроводящими шинами, которые соединяются, чтобы получить единую систему. В зависимости от особенностей используемого кремния выделяют такие типы солнечных панелей:

  1. Монокристаллические. Для них используется чистый кремний, который выращивают в виде монокристалла, а затем нарезается на пластинки толщиной от 0,4 до 0,4 мм. Эти заготовки служат основой будущих солнечных батарей. На одну панель требуется 36 таких пластинок.
  2. Поликристаллические варианты на порядок проще в изготовлении, поэтому гелиоустройства этого типа стоят дешевле. Суть технологии в том, что кремний расплавляют, а потом медленно остужают, после нарезают поликристаллы на тонкие пластинки. Отличить разновидность несложно по характерному ярко-синему цвету.
  3. На основе аморфного кремния. Этот вариант отличается от предыдущих тем, что используется технология, по которой испаряющийся кремний оседает на несущем элементе, потом этот тоненький слой покрывается защитным составом. Обычно устройства ставят на стенах домов и других строений.
Читайте также:  Бойлер косвенного нагрева: описание, принцип работы, схемы подключения

Особенности конструкции панелей.

По эффективности лучше всего показывают себя монокристаллические батареи, их средний КПД обычно составляет от 14 до 20%. У поликристаллических этот показатель на порядок ниже – от 10 до 12%. Варианты с аморфным кремнием самые малопроизводительные, они рассчитаны на рассеянный свет и используются как вспомогательный источник энергии, их КПД – от 5 до 6%.

Кстати! У компании Sanyo есть собственная разработка – многослойная структура фотоэлемента, благодаря этому КПД их панелей равен 23%.

Пленочные варианты сейчас изготавливают на основе кадмия, индия и галлия. Это полимерный вариант, он хорош своей гибкостью, при этом показатели сопоставимы с классическими жесткими панелями. За счет безопасности (все вещества в составе в стабильном состоянии) и низкой цены это решение становится все популярнее.

Функционирование и виды преобразователей

Выработка электрического тока становится возможной благодаря воздействию солнечного излучения на поверхность кремниевых пластин. При попадании прямых лучей электроны сдвигаются с собственных орбит, создавая направленное движение заряженных частиц. Перед тем, как купить солнечные батареи для частного дома, необходимо ознакомиться с основными типами преобразователей.

Наглядно представлена схема функционирования комплекта

Монокристаллические панели

Характерной чертой подобных изделий является односторонняя направленность ячеек, чувствительных к свету. Благодаря этому удается существенно повысить КПД, но в этом случае снижается восприимчивость к солнечным лучам в облачную погоду. В связи с этим устройства рекомендуется использовать в южных регионах, где пасмурных дней не так много.

Вариант с применением монокристаллических панелей

Поликристаллические пластины

Из-за разнонаправленности кристаллических ячеек кремния КПД элементов несколько снижается, но повышается эффективность функционирования в пасмурную погоду. Панели имеют форму квадрата и неоднородную структуру, которая объясняется наличием разнородных кристаллов.

Так выглядят батареи поликристаллического типа

Основным достоинством солнечных панелей является высокая энергетическая эффективность в пасмурную погоду, когда свет рассеян.

Аморфные батареи

Подобные изделия имеют слой кремния очень маленькой толщины. Его напыление на поверхность осуществляется в вакууме. В качестве основы применяется пластиковая, металлическая или стеклянная фольга. Хотя КПД панелей относительно мал, функционирование при облачной погоде и уровень поглощения света находятся на должном уровне.

Демонстрируется внешний вид аморфных панелей

Существенным недостатком тонкопленочных пластин считается сравнительно быстрое выгорание кремниевого покрытия.

Комбинированные аналоги

Отдельно стоит остановиться на гибридных солнечных батареях для дома, отзывы о которых пользователи оставляют в основном положительные. При таком варианте производится объединение аморфного кремния непосредственно с микрокристаллами. В отличие от тех же поликристаллических аналогов, эффективность гибридных систем при рассеянном свете более высока.

Схема устройства солнечной электростанции

Рассмотрим, как устроена и работает гелиосистема для загородного дома. Главное ее назначение – преобразовать энергию солнца в электричество 220 В, которое является основным источником питания для домашних электроприборов.

Основные части, из которых состоит СЭС:

  1. Батареи (панели), преобразующие солнечное излучение в ток постоянного напряжения.
  2. Контроллер, регулирующий заряд АКБ.
  3. Блок аккумуляторных батарей.
  4. Инвертор, преобразующий напряжение АКБ в 220 В.

Конструкция батареи продумана таким образом, что позволяет оборудованию функционировать в различных погодных условиях, при температуре от -35ºС до +80ºС.

Выходит, что правильно установленные солнечные батареи будут работать с одинаковой производительностью и зимой, и летом, но при одном условии – в ясную погоду, когда солнце отдает максимальное количество тепла. В пасмурную эффективность работы резко снижается.

Эффективность СЭС в средних широтах велика, но не настолько, чтобы полностью обеспечивать электричеством большие дома. Чаще гелиосистема рассматривается как дополнительный или резервный источник электроэнергии

Вес одной батареи на 300 Вт равен 20 кг. Чаще всего панели монтируют на крышу, фасад или специальные стойки, установленные рядом с домом. Необходимые условия: разворот плоскости в сторону солнца и оптимальный наклон (в среднем 45° к поверхности земли), обеспечивающий перпендикулярное падение солнечных лучей.

При возможности устанавливают трекер, отслеживающий движение солнца и регулирующий положение панелей.

Верхняя плоскость батарей защищена закаленным противоударным стеклом, которое легко выдерживает удары града или тяжелые снежные наносы. Однако необходимо следить за целостностью покрытия, иначе поврежденные кремниевые пластины (фотоэлементы) перестанут работать

Читайте также:  Какой электрический котел для отопления частного дома выбрать?

Контроллер выполняет насколько функций. Кроме основной – автоматической регулировки заряда АКБ, контроллер регулирует подачу энергии от солнечных батарей, предохраняя тем самым аккумулятор от полной разрядки.

При полном заряде контроллер автоматически отключает АКБ от системы. Современные устройства оборудованы панелью управления с дисплеем, показывающим напряжение батарей.

Для самодельных гелиосистем лучшим выбором являются гелевые аккумуляторы, отличающиеся сроком бесперебойного функционирования 10-12 лет. После 10-летней работы их емкость уменьшается примерно на 15-25 %. Это необслуживаемые и абсолютно безопасные устройства, не выделяющие вредных веществ.

Зимой или в пасмурную погоду панели также продолжают работать (если их регулярно очищать от снега), но выработка энергии снижается в 5-10 раз

Задача инвертеров – преобразовывать постоянное напряжение от АКБ в переменное напряжение 220 В. Они отличаются такими техническими характеристиками, как мощность и качество получаемого напряжения. Синусовое оборудование способно обслуживать наиболее «капризные» к качеству тока приборы – компрессоры, бытовую электронику.

Обзор бытовой СЭС:

Стоит знать, что бытовые электростанции способны обслуживать постоянно работающий холодильник, периодически запускаемый погружной насос, телевизор, систему освещения. Чтобы обеспечить энергией функционирование котла или даже микроволновки, потребуется более мощное и очень дорогое оборудование.

Простейшая схема солнечной электростанции, включающая главные составные элементы. Каждый из них выполняет свою функцию, без которой работа СЭС невозможна

Существуют и другие, более сложные схемы сборки солнечных электростанций, однако данное решение является универсальным и наиболее востребованным в быту.

Умеренное потребление

Режим потребления энергии солнечных панелей вводит существенные изменения, сохраняя при этом достаточный уровень комфорта. Исключается всяческий вид электрического подогрева. Стирка, глажка, работа с электроинструментом проводится только при очень активном солнечном сиянии. Среднее ежемесячное потребление в этом случае сокращается до 100-200 кВт.

В остальных случаях, если потребуется меньше электричества или потребление энергии от солнечных батарей будет использоваться как резервное питание при отключении основного источника света, тогда можно обойтись и батареями на 50-100 кВт.

Виды экологически чистых установок

Схема солнечной энергосберегающей системы

На сегодняшний день на промышленном современном рынке можно приобрести один из нескольких видов солнечных батарей:

  1. Маломощные. Такой вид современных установок состоит из достаточно широкого спектра действий, используя который можно без особых проблем заряжать мобильные телефоны и другую электронную технику. К сожалению, такое оборудование не всегда оправдывает потраченные средства и больше относиться к дорогим игрушкам, нежели к полезному оборудованию.
  2. Универсальные. Такой тип батарей среди пользователей имеет большую популярность за счет более широких возможностей использования и мест применения установки. Большее количество вырабатываемой энергии в сочетании с разработанным интересным дизайном являются главными ключевыми критериями во время приобретения. Следует заметить, что стоимость изделий полностью зависит как от мощности самой установки, так и от площади, реализации внешнего вида. Достаточно часто такие батареи приобретают для использования в полевых действиях, туристических целях.
  3. Солнечные панели. Такие батареи представляют собой набор фотопластин, крепящихся на специальной подложке. Наиболее часто такие пластины используются в роли заготовки для иного вида приборов.

Обогреет солнце

Весьма популярное решение — обеспечить автономную электрогенерацию при помощи солнечных батарей (панелей). Плюсы здесь очевидны — экологичность, бесшумность, простота в обслуживании и при правильной установке возможна выработка электроэнергии в любую погоду. Естественно, зимой, в пасмурные и дождливые дни, производительность будет снижаться. В комплекте с солнечными панелями необходимо приобрести солнечный инвертор, преобразовывающий постоянный ток, полученный от солнечных модулей, в переменный напряжением 220 вольт, и аккумулятор, накапливающий получаемую энергию. Как правило, для загородных домов на рынке предлагаются уже готовые комплексные решения.

Инфографика «РГ»/ Леонид Кулешов/ Сергей Тихонов

Размещать солнечные панели можно на любом незатененном пространстве участка, например, на крыше дома, обращая принимающую поверхность под углом 70 градусов, лучше на южную сторону. Время от времени необходимо протирать панели от пыли и убирать с них мелкий мусор. Качественные солнечные батареи очень надежны и рассчитаны на долгую эксплуатацию — от 15 до 25 лет. После этого их работоспособность немного снижается, и следующие 15-20 лет панели выдают ресурс в объеме около 80% от базовой изначальной мощности, заявленной производителем.

Главный минус солнечной генерации, что система нестабильна, ее мощность слишком зависима от погодных условий. Кроме того, для выработки 10 кВт энергии под солнечные панели потребуется площадь более 32 квадратных метров, что, учитывая стандартные размеры дачных участков, весьма существенно. Цена такой электростанции кусается — она стоит около 700 тысяч рублей. А вот комплект на 2-3 кВт можно приобрести за 110-130 тысяч рублей, а под установку панелей потребуется площадь 3,5-5,5 квадратных метра, что вполне позволит разместить их на крыше дома, не занимая площадь участка. Станции на 4 кВт стоят от 300 тысяч рублей, а под размещение панелей понадобится более 15 квадратных метров.

Читайте также:  Ошибки газового котла Protherm, модели Panther и Gepard, v18 и v19

Философия выбора энергосистемы на солнечных батареях

Так же, как и с выбором стабилизатора, нужно честно задать себе вопрос – “Зачем устанавливать солнечные батареи и аккумуляторы с инвертором?” От правильного ответа будет сильно зависеть комплектность системы и цена. По цене можно сэкономить десятки тысяч рублей, и всё будет прекрасно работать.

Итак, нужно решить, для чего будет применяться система.

1. Аварийный резерв

В случае кратковременного пропадания напряжения в городской сети нужно обеспечить работу жизненно важных приборов в доме – отопление, связь, освещение, холодильник. Все остальные приборы по возможности не использовать. Предполагается, что авария – явление редкое и непродолжительное.

В этом случае конфигурация системы с солнечным инвертором и аккумуляторами будет минимальной.

2. Экономия

Если планируется использовать солнечную энергию в целях экономии, то нужно наращивать мощность системы. И выбирать такой режим работы инвертора, когда энергия солнца “подмешивается” к энергии, которую мы оплачиваем по счетчику. Либо некоторые линии питаются постоянно только от солнечных батарей.

Тем самым экономится электроэнергия, которую мы получаем из города, при неизменном потреблении всего дома. И в этом случае можно говорить об окупаемости такой системы на солнечных батареях.

Разумеется, этот вариант включает в себя и аварийное электропитание, т.е. первый случай.

3. Полная замена

Этот вариант – полный отказ от городской электросети. Городская электросеть нужна будет лишь для аварийного резервирования системы на солнечных батареях, если она вдруг выйдет из строя. Такая конфигурация системы будет иметь максимальную мощность и стоимость.

В этом случае желательно также иметь и генератор, который понадобится в случае недостаточной энергии от солнца. Это может происходить, например, зимой, когда активность солнца минимальна. Генератор послужит для зарядки аккумуляторов и питания важной нагрузки.

Пример монтажа однофазного инвертора

Сначала рассмотрим на практике однофазную систему, а потом перейдем к трехфазной.

Внешний вид солнечного инвертора может быть таким, как на рис. 1. Его мощность в данном случае — 5 кВА, есть модели и на другие мощности.

Пример монтажа однофазного инвертора

Рис. 1. Инвертор для солнечных батарей Ecovolt

На рис. 2 показано, как устроен интерфейс инвертора со всеми входами, выходами и органами управления.

Рис. 2. Солнечный однофазный аккумуляторный инвертор для дома. Клеммы для подключения

Пример монтажа однофазного инвертора

Подключение аккумуляторных батарей обязательно производится через автоматический выключатель. Это необходимо в целях безопасности при перегрузках и коротких замыканиях. Подключение к электрощитку — через кабель нужного сечения, учитывая максимальный ток и падение напряжения.

Важное замечание! В отличие от стабилизаторов, входная и выходная нейтрали инвертора гальванически развязаны. Если их соединить, инвертор работать не будет!

Иногда, чтобы установить инвертор, приходится приводить в порядок домашнюю проводку, чтобы она соответствовала системе заземление TN-C-S.

Пример монтажа однофазного инвертора

Энергосистема, установленная под лестницей, может выглядеть как на рис. 3.

Рис. 3. Монтаж энергосистемы для дома на солнечном инверторе Ecovolt

Используются 4 АКБ, каждая напряжением 12 В и емкостью 200 А·ч. После подключения необходимо настроить инвертор согласно инструкции. Вот как выглядит экран Ecovolt при нормальной работе — рис. 4.

Пример монтажа однофазного инвертора

Рис. 4. Работа солнечного инвертора Ecovolt. Нагрузка питается с улицы через байпас, одновременно идет заряд батареи

При различных режимах работы и при настройках на экране отображается информативная картинка, которая будет понятна неподготовленному пользователю.

Например, вот что будет на экране, если пропадает напряжение с улицы — рис. 5.

Пример монтажа однофазного инвертора

Рис. 5. Работа инвертора с аккумуляторными батареями

В данном случае, как и при работе от солнечных батарей, солнечный инвертор выдает стабильное синусоидальное напряжение 230 В, как и положено по стандарту.