Солнечные батареи для дома и дачи: виды, устройство, принцип работы, расчет количества

Как рассчитать солнечную электростанцию и выбрать оборудование для нее?

Далее перейдем к расчёту ёмкости аккумуляторной батареи для солнечных панелей. Их количестов и емкость должна быть такой, чтобы энергии которая в них запасается хватило на темное время суток, стоит учесть что ночью потребление электроэнергии минимально, по сравнению с дневной активностью.

Аккумулятор на 100А.ч. запасает примерно 100А * 12В = 1200Вт. (лампочка на 100Вт. проработает от такого акб 12 часов). Так если за ночь вы потребляете 2,4кВт.ч. электричества, то вам необходимо установить 2 АКБ по 100А.ч. (12В), но тут стоит учитывать что аккумуляторы нежелательно разряжать на 100%, а лучше не более 70%-50%.

Если вы хотите рассчитать, какая емкость аккумулятора нужна к солнечной батари, ниже приводим таблицу соответствия (для системы 12В.):

  •  Солнечная батарея 50Вт. — АКБ 20-40А.ч.
  •  100Вт. — 50-70А.ч.
  •  150Вт. — 70-100А.ч.
  •  200Вт. — 100-130А.ч.
  •  300Вт. — 150-250А.ч.

Чтобы правильно подобрать комплектующие для своей электростанции, необходимо определить количество приборов и их мощность. Для наглядности лучше рассмотреть конкретный пример: есть дача, находящаяся в пригороде Рязани, в которой проживают, начиная с марта и по сентябрь.

Комплектация солнечных батарей
В комплектацию солнечных батарей входят: солнечные панели, инвертор, крепеж, дополнительные материалы (кабели, автоматы и т.д.)
  • Среднесуточное потребление равно 10 000 Вт/ч,
  • Нагрузка — в среднем 500 Вт,
  • Максимальная нагрузка — 1000 Вт.

Подсчитаем пиковую нагрузку, увеличив максимальную на 25%: 1000 х 1,25 = 1250 Вт.

Солнечная энергия привлекала человека тем, что это практически бесконечный источник энергии. Такие аккумуляторные панели — это альтернативный способ обуздать энергию солнца. Первой попыткой было создание термальных электростанций, принцип работы солнечной батареи заключался в том, что энергия солнца нагревала воду до состояния кипения, а образующийся при этом пар крутил лопасти турбины, производящей электричество.

В случае с солнечными панелями коэффициент полезного действия (КПД) выше поскольку производится прямая трансформация тепловой энергии солнца в электрическую, минуя стадии предобразования энергии на нагрев пара вращения вала турбины (при этом увеличиваются потери энергии за счет силы трения). Солнечная батарея состоит из цепи полупроводниковых фотоэлементов, которые под воздействие м солнечного света вырабатывают электроэнергию. Этот процесс в физике называется фотоэлектрическим эффектом.

Это свойство впервые было открыто французским физиком Александром Беккерелем (в честь которого также была названа единица измерения радиоактивности в Международной системе единиц) в 1839 году. А первый прототип подобной электростанции был создан спустя 50 лет русским ученым Александром Столетовым. Дальнейшее развитие и объяснение фотоэлектрического эффекта было описано Альбертом Эйнштейном. Спустя несколько лет был запатентован проект по созданию типовых солнечных батарей.

Солнечные батареи для дома и дачи: виды, устройство, принцип работы, расчет количества

На картинке внизу показана типовая электростанция, работающая на солнечном свете. Она состоит из следующих элементов:

  • солнечная панель (одна или несколько объединенных в единую систему) – собирает энергию и преобразует в электрическую;
  • контроллер – нужен для оптимизации работы солнечных панелей, а также снижения потерь при транспортировке энергии по электросистеме станции;
  • инвертор – преобразование постоянного тока в переменный;
  • аккумулятор – собирает и сохраняет накопленную электроэнергию.

Аккумулятор позволяет использовать накопленную за дневного время электроэнергию. Контроллер также предохраняет АКБ от перезарядки. Таким образом, при достижении на аккумуляторе максимального уровня заряда контроллер автоматически понижает напряжения до уровня, необходимого для сохранения заряда, не нагружая аккумулятор излишним напряжением. А инвертор необходим для того, чтоб бытовые приборы и осветительная сеть могли использовать электроэнергию, получаемую через батареи.

Первые попытки использования энергии солнца для получения электричества были предприняты еще в середине двадцатого века.

Тогда ведущие страны мира предпринимали попытки строительства эффективных термальных электростанций.

Концепция термальной электростанции подразумевает использование концентрированных солнечных лучей для нагревания воды до состояния пара, который, в свою очередь, вращал турбины электрического генератора.

Поскольку, в такой электростанции использовалось понятие трансформации энергии, их эффективность была минимальной. Современные устройства напрямую преобразуют солнечные лучи в ток благодаря понятию фотоэлектрический эффект.

Современный принцип работы солнечной батареи был открыт еще в 1839 году физиком по имени Александр Беккерель. В 1873 году был изобретен первый полупроводник, который сделал возможным реализовать принцип работы солнечной батареи на практике.

Принцип работы

Как было сказано раньше, принцип работы заключается в эффекте полупроводников. Кремний является одним из самых эффективных полупроводников, из известных человечеству на данный момент.

При нагревании фотоэлемента (верхней кремниевой пластины блока преобразователя) электроны из атомов кремния высвобождаются, после чего их захватывают атомы нижней пластины.

Солнечные батареи для дома и дачи: виды, устройство, принцип работы, расчет количества

Согласно законам физики, электроны стремятся вернуться в свое первоначальное положение.

Соответственно, с нижней пластины электроны двигаются по проводникам (соединительным проводам), отдавая свою энергию на зарядку аккумуляторов и возвращаясь в верхнюю пластину.

Эффективность фотоэлементов, созданных при помощи монокристаллического метода нанесения кремния, является существенно выше, поскольку в такой ситуации кристаллы кремния имеют меньше граней, что позволяет электронам двигаться прямолинейно.

Устройство

Конструкция солнечной батареи очень проста.

Основу конструкции устройства составляют:

  • корпус панели;
  • блоки преобразования;
  • аккумуляторы;
  • дополнительные устройства.

Корпус выполняет исключительно функцию скрепления конструкции, не имея больше никакой практической пользы.

Основными элементами являются блоки преобразователей. Это и есть фотоэлемент, состоящий из материала-полупроводника, которым является кремний. Можно сказать, что состоят солнечные батареи, устройство и принцип работы которых всегда одинаковый, из каркаса и двух тонких слоев кремния, который может быть нанесен на поверхность, как монокристаллическим, так и поликристаллическим методом.

От метода нанесения кремния зависит стоимость батареи, а также ее эффективность. Если кремний наносится монокристаллическим способом, то эффективность батареи будет максимально высокой, как и стоимость.

Если говорить о том, как работает солнечная батарея, то не нужно забывать об аккумуляторах. Как правило, используется два аккумулятора. Один является основным, второй — резервным. Основной накапливает электроэнергию, сразу же направляя ее в электрическую сеть. Второй накапливает избыточную электроэнергию, после чего направляет ее в сеть, когда напряжение падает.

Среди дополнительных устройств можно выделить контроллеры, которые отвечают за распределение электроэнергии в сети и между аккумуляторами. Как правило, они работают по принципу простого реостата.

Очень важными элементами солнечной назвать диоды. Данный элемент устанавливается на каждую четвертую часть блока преобразователей, защищая конструкцию от перегрева из-за избыточного напряжения. Если диоды не установлены, то есть большая вероятность, что после первого дождя система выйдет из строя.

Как подключается

Как было сказано раньше, устройство солнечной батареи достаточно сложное. Правильная схема солнечной батареи поможет добиться максимальной эффективности. Подключать блоки преобразователей необходимо при помощи параллельно-последовательного способа, что позволит получить оптимальную мощность и максимально эффективное напряжение в электрической сети.

Существует несколько разновидностей фотоэлементов для солнечных батарей, которые отличаются между собой строением кристаллов кремния.

Выделяют три вида фотоэлементов:

  • поликристаллические;
  • монокристаллические;
  • аморфные.

Первый вид панелей является более дешевым, но менее эффективным, поскольку, если кремний нанесен поликристаллическим способом, то электроны не могут двигаться прямолинейно.

Монокристаллические фотоэлементы отличаются максимальным КПД, который достигает 25 %. Стоимость таких батарей выше, но для получения 1 киловатта нужна существенно меньшая площадь фотоэлементов, чем при использовании поликристаллических панелей.

Из аморфного кремния изготавливают гибкие фотоэлементы, но их КПД самый низкий и составляет 4-6 %.

Основные преимущества солнечных батарей:

  • солнечная энергия абсолютно бесплатная;
  • позволяют получать экологически чистую электроэнергию;
  • быстро окупаются;
  • простая установка и принцип работы.

Недостатки:

  • большая стоимость;
  • для удовлетворения потребностей небольшой семьи в электроэнергии нужна достаточно большая площадь фотоэлементов;
  • эффективность существенно падает в облачную погоду.

При покупке солнечных батарей для дома очень важно подобрать конструкцию, которая сможет обеспечить жилище электроэнергией достаточной мощности. Считается, что эффективность солнечных батарей в пасмурную погоду составляет приблизительно 40 Вт на 1 квадратный метр за час.

В действительности, в облачную погоду мощность света на уровне земли составляет приблизительно 200 Вт на квадратный метр, но 40 % солнечного света – это инфракрасное излучение, к которому солнечные батареи не восприимчивы. Также стоит учитывать, что КПД батареи редко превышает 25 %.

Иногда энергия от интенсивного солнечного света может достигать 500 Вт на квадратный метр, но при расчетах стоит учитывать минимальные показатели, что позволит сделать систему автономного электроснабжения бесперебойной.

Что нужно знать о солнечных батареях

«Солнечная батарея» — выражение, подразумевающее под собой набор нескольких фотоэлементов, основой которых являются полупроводниковые материалы, непосредственно превращающих энергию солнца в электрический постоянный ток. Эта процедура называется фотоэлектрический эффект. После того как управление этим микрофизическим явлением было освоено на лабораторном уровне, производство кремниевых солнечных модулей, освоила и промышленность.

Схема подключения солнечных батарей
Схема подключения солнечных батарей для дачи и частного дома.

На налаженную работу системы оказывает влияние правильный подбор всех комплектующих схемы электростанции. От качества модулей, из которых состоит солнечная батарея, зависит настолько успешно завершиться путь, пройденный фотонами от Солнца до Земли. Попав в эту ловушку для светового излучения, они становятся частью электроцепи, с постоянным током.

Виды солнечных панелей

Регионы: Москва, Новосибирск, Краснодар.

Установкагелиопанелей для энергопитания дома требует тщательного предварительного расчета. Возможности подобного оборудования ограничены и в значительной степени зависят от внешних условий:

  • географическое положение региона
  • климатические и погодные условия
  • продолжительность светового дня

Производительность комплекса всегда зависит от внешних условий. Один и тот же набор оборудования в разных условиях демонстрирует отличающиеся друг от друга результаты, поэтому в каждом случае потребуется специализированный расчет. Его можно заказать в специализированных организациях или выполнить самостоятельно. Рассмотрим, как рассчитать солнечные батареи для дома, чтобы получить эффективную установку по производству электроэнергии.

Расчет солнечных батарей для дачи или частного дома надо начинать с определения потребностей в электроэнергии. Эту величину можно узнать из показаний счетчика электроэнергии или подсчитать по энергопотреблению каждого потребителя и времени его использования. Второй вариант гораздо сложнее и чреват возникновением ошибок, поэтому правильнее руководствоваться показаниями счетчика.

Вторым действием станет определение количества солнечных дней в регионе, продолжительности светового дня по сезонам. В приложениях СНиП есть карта инсоляции регионов России, в которой дается количество солнечной энергии в разных участках страны. По ней определяется среднегодовое количество доступной энергии для заданного города или региона. Это важный показатель, демонстрирующий верхний предел возможностей оборудования в данном месте.

Определив эти значения можно начинать расчет мощности солнечных батарей для дома.

Начиная расчет солнечной батареи, следует учесть, что световой день — это показатель преимущественно географический. Выполняя расчет солнечных панелей для дома, надо исходить из реального производства энергии, которое в утренние и вечерние часы значительно падает из-за снижения интенсивности свечения солнца.

Обычно в летнее время максимальная производительность панелей отмечается в период с 9 до 16 часов, а в остальное светлое время суток они выдают 20-30 % своей мощности. Кроме того, существенные коррективы вносят погодные условия, которые способны снизить выработку энергии вдвое или больше. Поэтому реальную производительность солнечной батареи следует принимать максимум в половину указанной в паспорте и рассчитывать количество энергии на 70 % продолжительности светового дня.

Это не будет излишним, поскольку всегда оказываются неучтенными некоторые детали, значительно меняющие условия работы и требуемую мощность солнечных батарей на квадратный метр.

Формула

Pсп=Eп*k* Pинс / Eинс,

  • где Pсп — мощность солнечной панели
  • Eп — суточное количество энергии, необходимой для питания всех потребителей дома
  • K — коэффициент потерь, обычно равен 1,2-1,4
  • Pинс — мощность инсоляции на земной поверхности
  • Eинс — табличное значение среднемесячной инсоляции в данном регионе

Используя эту формулу, находят требуемую мощность солнечной батареи на 1 кв. метр. По мощности определяется, сколько солнечных батарей нужно для частного дома, расчет количества панелей производится путем деления общего значения на параметры одного элемента.

Солнечные батареи для дома и дачи: виды, устройство, принцип работы, расчет количества

Емкость аккумуляторов должна соответствовать производительности солнечных панелей и обеспечивать потребление дома как в светлое, так и в темное время суток. Необходимо ограничить емкость батарей, чтобы не тратить лишние деньги. Однако, необходимо иметь определенный запас емкости, поскольку полностью разряжать аккумуляторы нельзя.

Величина допустимого разряда у каждого вида АКБ своя, например, заряд автомобильных батарей можно расходовать только до 50 %. Оптимальный вариант — наличие суточного запаса энергии. Больше иметь нецелесообразно, так как это сильно увеличит стоимость системы. Меньший запас может оставить жителей дома без электроэнергии при возникновении неблагоприятных внешних условий.

Кроме того, надо учесть КПД батарей, инвертора и возможность плохого функционирования солнечных панелей из-за плохой погоды, занесения поверхности фотоэлементов снегом и т.п. Эти потери принято оценивать в 40 %, но к ним надо еще прибавить КПД контроллера.

Простейший вариант расчета мощности инвертора — определение суточной потребности жилища в электроэнергии (по показаниям счетчика), которому и должен соответствовать инвертор. Для учета возможных форс-мажорных ситуаций считают пиковую нагрузку, умножая суточное потребление на коэффициент 1,3.

Есть другой вариант расчета инвертора — по производительности солнечных панелей и емкости аккумуляторов. Он привязывает результат к имеющемуся оборудованию, но оно изначально так же рассчитывалось по суточному потреблению энергии, поэтому оба варианта практически равноценны. На этом расчет солнечной электростанции для дома можно считать завершенным и переходить к непосредственному созданию комплекта.

Выбор готового инвертора, как и в случае с аккумуляторами, производится путем подбора устройства по полученным данным. Рекомендуется выбирать инвертор, обладающий несколько увеличенными показателями на 10-15 %, чтобы компенсировать падение производительности со временем.

Развитие инженерной мысли привело к созданию трех основных категорий фотоэлектрических систем. Каждая из них имеет конструктивные и технологические особенности, отличается некоторыми нюансами функционирования.

Солнечные батареи I категории — автономные

Главное отличие систем этой группы — отсутствие подключения к централизованной сети электроснабжения. Оборудование, подключенное к установке, получает прямое питание. Автономные системы снабжены аккумуляторными батареями, что позволяет иметь бесперебойное электроснабжение в период недостатка солнечного света.

Солнечные батареи II категории — открытые

Данное оборудование подключаются к системе централизованного электроснабжения через инвертор. Аккумулятор не входит в комплект. Когда уровень потребляемой мощности становится выше вырабатываемой, фотоэлектрическая система отключается, переводя приборы на питание от основной электросети. В противоположной ситуации блокируется центральная электросеть. Это наиболее экономный и надежный вариант. Однако при полном отсутствии централизованного электропитания работа системы невозможна.

Солнечные батареи III категории — комбинированные

Особенностью установки является поступление излишне выработанной электроэнергии в основную сеть. Солнечные батареи с такой комплектацией наиболее дорогостоящие.

Решившись переходить на экономный режим снабжения дома электричеством, важно учитывать цены не только на комплект, но также на его установку и обслуживание. Конкретную стоимость солнечных батарей назвать довольно трудно, так как на ее формирование оказывает влияние больше, чем один фактор.

На цену комплекта влияет:

  • категория системы;
  • мощность;
  • качество;
  • производитель.

Узнать приблизительную стоимость комплекта автономной электростанции для дома, поможет расчет на основании доступных данных. Известно, что для выработки 1 Вт мощности требуется затратить порядка 60 рублей. Нетрудно подсчитать затраты на приобретение комплекта, вырабатывающего 100-200 Вт мощности (достаточной для небольшого дома) — 6000-12000 руб. Стоит учесть, что этот расчет охватывает вниманием фотоэлектрическое оборудование самого низкого качества.

За комплект I категории, характеризующемся номинальной мощностью 2 кВт придется заплатить по меньшей мере 120 000 руб.

При выборе комплекта солнечных батарей для частного дома важно также учитывать гарантию бесперебойного обеспечения электроэнергией. Это особенно важно для поддержания стабильной работы установленных в доме систем отопления, наружного и внутреннего слежения, пожарной сигнализации и компьютерного обеспечения.

Чтобы понять, насколько целесообразно в конкретном случае приобретение комплекта солнечных батарей для дома, нужно сделать следующее: соотнести стоимость единицы мощности, производимой централизованной электросетью с ценой на такой же объем мощности, преобразуемой из солнечного света. Проведение сравнения ныне действующих цен, показывает, что такое соотношение составляет 8-9 раз в пользу фотоэлектрического оборудования.

Выходящее напряжение солнечных батарей —12 В, 24 В и более. Характеристики элементов комплекта позволяют применять их отдельно, без подключения всего комплекта. Напомним, для получения 1 Вт необходимо затратить около 60 рублей на фотоэлектрическое оборудование.Для получения 1 Вт из солнечной энергии необходимо потратить около 60 рублей

Перейдем к конкретике локального использования. Например, если для освещения маленькой площади вам необходима лампочка на 25 Вт, рассчитанная на напряжение 12 В, для этой цели можно приобрести солнечную батарею с подходящими параметрами, которая обойдется приблизительно в 2000 рублей. К необъемной фотоэлектрической системе можно подключить маленький колодезный насос с параметрами — 200 Вт и 24 В. Основанная на нем система полива будет служить более 10 лет и обойдется около 12 000 руб.

Планируя использование фотоэлектрической системы на даче, важно учесть несколько нюансов:

  • стабильность централизованной подачи электричества в районе;
  • риск возникновения кражи в период отсутствия на даче;
  • необходимая мощность электрификации.
Принцип работы солнечной батареи

Принцип работы солнечной батареи

История возникновения солнечных электростанций

Один фотоэлемент даже в полдень при ясной погоде выдает совсем немного электроэнергии, достаточной разве что для работы светодиодного фонарика.

Чтобы повысить выходную мощность, несколько ФЭП объединяют по параллельной схеме для увеличения постоянного напряжения и по последовательной для повышения силы тока.

Эффективность солнечных панелей зависит от:

  • температуры воздуха и самой батареи;
  • правильности подбора сопротивления нагрузки;
  • угла падения солнечных лучей;
  • наличия/отсутствия антибликового покрытия;
  • мощности светового потока.

Чем ниже температура на улице, тем эффективней работают фотоэлементы и гелиобатарея в целом. Здесь все просто. А вот с расчетом нагрузки ситуация сложнее. Ее следует подбирать исходя из выдаваемого панелью тока. Но его величина меняется в зависимости от погодных факторов.

Параллельное и последовательное подсоединение

Гелиопанели выпускаются с расчетом на выходное напряжение, кратное 12 В – если на аккумулятор надо подать 24 В, то две панели к нему придется подсоединить параллельно

Постоянно отслеживать параметры солнечной батареи и вручную корректировать ее работу проблематично. Для этого лучше воспользоваться контроллером управления, который в автоматическом режиме сам подстраивает настройки гелиопанели, чтобы добиться от нее максимальной производительности и оптимальных режимов работы.

Идеальный угол падения лучей солнца на гелиобатарею – прямой. Однако при отклонении в пределах 30-ти градусов от перпендикуляра эффективность панели падает всего в районе 5%. Но при дальнейшем увеличении этого угла все большая доля солнечного излучения будет отражаться, уменьшая тем самым КПД ФЭП.

Если от батареи требуется, чтобы она максимум энергии выдавала летом, то ее следует сориентировать перпендикулярно к среднему положению Солнца, которое оно занимает в дни равноденствия по весне и осени.

Для московского региона – это приблизительно 40–45 градусов к горизонту. Если максимум нужен зимой, то панель надо ставить в более вертикальном положении.

И еще один момент – пыль и грязь сильно снижают производительность фотоэлементов. Фотоны сквозь такую “грязную” преграду просто не доходят до них, а значит и преобразовывать в электроэнергию нечего. Панели необходимо регулярно мыть либо ставить так, чтобы пыль смывалась дождем самостоятельно.

Некоторые солнечные батареи имеют встроенные линзы для концентрирования излучения на ФЭП. При ясной погоде это приводит к повышению КПД. Однако при сильной облачности эти линзы приносят только вред.

Если обычная панель в такой ситуации будет продолжать генерировать ток пусть и в меньших объемах, то линзовая модель работать прекратит практически полностью.

Солнечные батареи для дома и дачи: виды, устройство, принцип работы, расчет количества

Солнце батарею из фотоэлементов в идеале должно освещать равномерно. Если один из ее участков оказывается затемненным, то неосвещенные ФЭП превращаются в паразитную нагрузку. Они не только в подобной ситуации не генерируют энергию, но еще и забирают ее у работающих элементов.

Панели устанавливать надо так, чтобы на пути солнечных лучей не оказалось деревьев, зданий и иных преград.

Самый популярный полупроводник для солнечных батарей – кремний. Но его КПД составляет усредненные 20%. В зависимости от мощности выделяют несколько видов солнечных панелей:

  • органические фотоэлементы – самые слабые, КФП составляет в среднем 5-7% (при мощности светового потока в 500 Вт выработка энергии будет на уровне 25 Ватт;
  • аморфные и фотохимические батареи – обладают немного улучшенными характеристиками по сравнению с предыдущим видом. КФП у них в районе 10-13%, соответственно из полученных 500 ватт энергии в систему пойдет около 50 ватт;
  • кремниевые фотоэлементы – обладают гораздо высокими качественными характеристиками. При хорошей погоде в средней полосе номинальная мощность может составлять 125-130 ватт (КПФ 20-25%);
  • батареи на основе арсенида галлия – довольно дорогие и сложные в изготовлении батареи с КФП выше 35%. (до 150 Вт электричества с квадратного метра) Используются в космической промышленности.

Если вы планирует установить на участке небольшую солнечную электростанцию, то вам нужны автономные кремниевые батареи. Выделяют два вида:

  • Монокристаллические – эффективные и соответственно дорогие. По форме напоминают восьмигранник. За счет однородности дают высокий КФП, но только при прямых солнечных лучах. Плохо воспринимают боковой и рассеянный свет. Пользуются высокой популярностью в теплых странах (Италия, Израиль, Ливия, Алжир, Испания и т.д.)
  • Поликристаллические – средняя производительность солнечных батарей такого типа в районе 14-16%. Быстрое изготовление и низкая цена. Большой выбор размеров.

В первую очередь нужно узнать сколько электроэнергии вы потребляете в сутки, это можно сделать взяв средние ежемесячные показания счетчика электроэнергии и разделить на 30 дней.

Так мы получим среднее потребление в сутки. Например соц норма в РО на двух чел составляет 234кВт, что около 8кВт электроэнергии в сутки.

Соответственно нам необходимо чтобы солнечные батареи вырабатывали такое же количество энергии в день.

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 энергии, т.е. в месяц это 240кВт.

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. Это усредненный расчет без потерь в инверторе и аккумуляторных батареях.

Солнечные батареи для дома и дачи: виды, устройство, принцип работы, расчет количества

Так же это значение можно применить для рассчета сетевой солнечной электростанции где не используются аккумуляторные батареи.

ВАЖНО:  комплектация солнечной системы никак не связана с площадью дома. Она зависит только от мощности подключаемого оборудования и количества потребляемой энергии.

  • Основными элементами солнечной электростанции являются:
  • ·         Солнечные панели – они генерируют электроэнергию, и чем они мощнее и их больше, тем больше электроэнергии можно получить в течении дня.
  • ·         Аккумуляторные батареи – в них происходит накопление элеткроэнергии, которую можно использовать в отсутствии солнца (ночью), когда выработки электричества на солнечных панелях нет.

·         Контроллер заряда аккумулятора – это устройство, которое позволяет обеспечить правильные режимы заряда аккумулятора. Выбор этого устройства, как правило, чисто технический момент за исключением выбора типа контроллера MPPT или ШИМ. Иногда контроллер заряда может быть встроен в инвертор.

·         Инвертор преобразователь напряжения – это устройство преобразует постоянный ток на аккумуляторах в переменный 220В, который используется во всех бытовых электроприборах. Мощность инвертора ограничивает максимальную мощность электропотребителей, которые могут быть подключены к системе.

Теперь подробно остановимся на каждом из этих элементов системы, для того, чтобы понять, какое именно оборудование и в каком количестве, нам потребуется.

Как выбрать инвертор – преобразователь напряжения

Подбор оборудования для системы начинается с выбора инвертора. Все инверторы делятся на 2 группы по форме выходного сигнала – чистый синус (форма сигнала в виде синусоиды) и модифицированный синус (форма сигнала в виде ступенек или трапеций).

Если к системе будет подключаться любая индуктивная нагрузка: двигатели , компрессоры и т.д. то инвертор должен быть обязательно с чистым синусом на выходе. Т.е. если вы планируете подключать холодильник, насос, электроинструмент и т.д.

то инвертор должен на выходе выдавать чистую синусоиду.

Если же подключаемая нагрузка это телевизоры, зарядные устройства, освещение и т.д. то модифицированный синус вполне подойдет.

Таким образом чистый синус имеет более широкую область применения, но и цена у него существенно дороже чем у инверторов с модифицированным синусом.

Итак, мы определили тип инвертора, который нам нужен, далее нужно определить его номинальную мощность. Для того, чтобы это сделать, нужно просуммировать мощность всех электроприборов которые могут быть включены одновременно. Мощность каждого прибора можно найти в инструкции или на самом устройстве.

Например: холодильник (300Вт) телевизор (70Вт) насос (400Вт) микроволновка (1000Вт) = 300Вт 70Вт 400Вт 1000Вт = 1770Вт. Соответственно в данном случае инвертор должен иметь номинальную мощность более 1770Вт. Кроме того важно понимать, что у некоторых приборов существуют пусковые токи, которые кратковременно появляются при запуске оборудования.

Поэтому в данном примере инвертора номинальной мощностью 2000Вт хватит для обеспечения питанием указанных приборов, даже с учетом того, что у холодильника в момент пуска мощность может быть 300Вт*7=2100Вт.

Как рассчитать солнечные панели

Следующий вопрос  — как рассчитать сколько солнечных батарей нужно установить, чтобы их было достаточно для обеспечения нужным количеством электроэнергии.

Прежде чем ответить на этот вопрос, давайте выясним, сколько же электроэнергии мы потребляем. Это можно сделать умножив мощность электроприборов на время их работы, например: лампочка мощностью 50Вт работая в течении 3х часов, израсходует 50вт*3ч=150Вт*ч электроэнергии.

Таким образом, можно посчитать полное электропотребление за сутки, но есть и более простой способ – посмотреть показания электросчетчика за месяц и разделить на количество дней в месяце. К примеру: счетчик за месяц (30 дней) накрутил 150кВт*ч электроэнергии. В среднем за сутки получается 5кВт*ч электроэнергии.

 Это значит, что массив солнечных панелей должен за солнечный день успеть сгенерировать такое же количество электроэнергии.

Нагрузки и энергопотребление

Принудить энергию солнца работать на себя непросто и дорого. Первый шаг — определить для своего хозяйства оптимальную пиковую нагрузку и рациональное среднесуточное энергопотребление. Первый параметр определяют в киловаттах, а второй — в киловатт-часах.

Пик нагрузки приходится на тот момент, когда возникает необходимость включить одновременно несколько единиц домашней техники. Для вычисления мощности, каждую из них суммируют, учитывая высокие пусковые характеристики отдельных ее частей.

Владея сведениями о максимуме потребляемой мощности, можно исключить те электроприборы, одновременная работа которых не так уж необходима. От этого показателя зависит выбор мощностных характеристик элементов электростанции, а следовательно, и стоимость ее в целом.

Если мощность электроприбора и время, в течение которого он функционирует на протяжении суток, перемножить, узнаем потребность его в электроэнергии на сутки. Путем сложения суточного электропотребления каждой единицы домашней техники вычисляют общую среднесуточную потребность в электроэнергии.

Только при таком подходе можно расходовать солнечное электричество рационально. Полученные итоговые значения нужны и для вычисления емкости аккумуляторов. Стоимость этой важной единицы системы также зависит от итогов вычислений.

Количество солнечных батарей и емкостью аккумулятора зависит от нескольких критериев. Например, мощность сети электропотребления и расположение модуля. На основании этого подбирается инвертор. Количество панелей также напрямую зависит от региона – чем меньше поступает радиации на поверхность, тем выше суммарная площадь панелей.

Солнечные батареи для дома и дачи: виды, устройство, принцип работы, расчет количества

Для этого необходимо рассчитать количество пиковых часов за сутки (время, при котором уровень солнечной энергии не падает ниже отметки в 1000 Вт/м2). Затем на основании полученных расчетов определяется суммарную мощность электростанции, в зависимости от мощности одного фотоэлемента за время пиковой нагрузки.

Пример расчета мощности и количества солнечных батарей для дома: формула и цены

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.

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.

Производительность комплекса всегда зависит от внешних условий.

Один и тот же набор оборудования в разных условиях демонстрирует отличающиеся друг от друга результаты, поэтому в каждом случае потребуется специализированный расчет.

Его можно заказать в специализированных организациях или выполнить самостоятельно. Рассмотрим, как рассчитать солнечные батареи для дома, чтобы получить эффективную установку по производству электроэнергии.

Любая современная гелиоэлектростанция, которую решили устанавливать на загородный дом, работает на принципе P-N перехода. Панель состоит из двух пластин полупроводников, соприкасающихся между собой.

Когда на верхнюю часть попадает солнечный свет, он передает электронам, содержащимся в материале, часть своей энергии. После этого они начинают путешествие в другой слой, чтобы уравновесить заряды.

Сбрасывая напряжение в накопители, частицы перемещаются на металлическую пластину основания, а после этого в нижний, темный слой, откуда проталкиваются опять к верхнему.

Получается замкнутый цикл, движущей силой которого служит солнечный свет.

Существует несколько направлений солнечных панелей, которые можно использовать в частном доме. По материалам самыми распространенными являются кремневые пластины и полимерные пленки. В каждом способе присутствуют как свои преимущества, так и недостатки, поэтому необходимо рассмотреть каждый вид по отдельности.

Пластины, содержащие кремень, работают наиболее эффективно, в сравнении с другими известными человечеству фотоэлементами. При попадании солнечных лучей на кремень, энергия, заключенная в них, смещает электроны с орбиты атомов, производя постоянный ток.

Частицы, двигаясь к накопителю, сбрасывают заряд, возвращаются к атомам, где снова подвергаются бомбардировке энергией. Но производство таких панелей довольно затратное как по средствам, так и по выбросам в окружающую среду.

Ученые добились больших успехов, более 200 лет трудясь над усовершенствованием систем по превращению световых волн в электрический ток.

Поэтому сейчас в лабораториях идет поиск более экологичных и эффективных способов извлечения энергии из света.

Характеристика кремневых панелей:

  1. Монокристаллические батареи, имеют самый высокий КПД, которое для распространенных моделей составляет 20–22%. Все фотоэлементы, из которых состоит панель, направлены в одну сторону, что требует установки ее под определенным углом к солнечным лучам. При смещении угла количество вырабатываемого тока значительно снижается. Сумерки, затененное место и неправильно падающий свет слабо улавливается ячейками, из-за чего батарея не вырабатывает энергию. Поэтому такой модуль рационально устанавливать при большом количестве прямых солнечных лучей и ясных дней.
  2. Поликристаллические батареи. Их КПД в пределах 17–18% из-за того, что часть кремниевых пластинок направлены в разные стороны. Благодаря этому увеличивается время работы, и можно использовать в облачную погоду или затемненном месте.
  3. Аморфные панели. КПД до 10%, что обусловлено слишком тонким слоем кремния, напыляемого на подложку из металла или пластика. Постепенно эффективность снижается, и через 3–4 года батарея может прекратить работу. Но благодаря случайному направлению кремниевых чешуек, улавливается весь возможный свет.
  4. Гибридные панели состоят из монокристаллических ячеек, вместе с которыми используют и аморфное нанесение. Это увеличивает захват световых лучей и время работы, что повышает КПД.

Отдельно выделяются полимерные солнечные батареи, которые производятся с помощью печати нескольких слоев на пластиковой подложке. Из-за того, что фоточувствительный материал не требует жесткого основания, чаще всего такие панели выпускают гибкими.

Такая особенность дает возможность использовать их на любой поверхности. КПД достигает 6%, но производство достаточно дешевое из-за отказа от дорогостоящего кремния и потерь при транспортировке.

Но к сожалению, технология довольно новая, и имеет меньшее распространение.

Если в доме проживают постоянно и довольно давно, то количество потребляемой энергии можно посмотреть в квитанциях.

Для того чтобы это узнать потребуется дополнительно рассчитать, какая часть из общей массы электричества идет на поддержания работы приборов в фоновом режиме, а что используется осознано.

Порядок определения потребления энергии:

  1. Для начала следует обойти весь дом, и записать все оборудование, которое потребляет энергию беспрерывно. К таким относятся холодильники, морозильные камеры, бойлеры, теплые полы, телефоны и прочее. После этого следует свериться с инструкцией, чтобы узнать сколько КВт/ч потребляют те или иные устройства. На данном этапе часто происходит отсечение не используемой техники, что сокращает расход средств.
  2. Когда стал известен постоянный расход энергии, начинают рассчитывать переменный. Малый пиковый период приходится на утренние часы, когда все собираются на работу или в школу. А большой пик необходимости в электричестве наступает после 17–18 часов, когда возвращаются с работы. Но все это зависит от привычек каждой семьи, и необходимо провести исследование, когда именно и как долго используются осветительные приборы, а также другая техника. Самыми большими потребителями являются аппараты для приготовления пищи, телевизоры и стационарные компьютеры, поэтому особенно важно точно посчитать время их работы.
  3. После того, как стало известно потребление бытовых приборов, начинают следить за частотой использования осветительных приборов. Важно понять, что в зимний период светает позже, а темнеет раньше. В Московской области световой день, при котором на улице хорошо видны предметы без дополнительного освещения, всего 8 часов. Время нормальной освещенности помещения с помощью солнечных лучей еще меньше, поэтому на лампы приходится значительная нагрузка, и их обязательно надо учитывать.

Когда все значения зафиксированы, конечное значение обязательно умножают на 10–20%, чтобы создать резерв для непредвиденных ситуаций. Это значение и нужно использовать для расчета дополнительного оборудования и площади солнечных панелей.

Солнечные батареи для дома и дачи: виды, устройство, принцип работы, расчет количества

В зависимости от количества солнечных дней и освещенности участка, выбирают тип панели. Для того чтобы полностью обеспечить частный дом, понадобится энергетический показатель потребления дома. Чтобы облегчить расчет необходимо сделать следующее:

  • вычесть из общей суммы работу приборов, происходящую в солнечные часы;
  • оставшееся значение разделить на солнечный период.

Именно столько электричества в час должно поступать и сохраняться в аккумуляторе для нормального функционирования дома.

Но прежде чем покупать панели, необходимо узнать уровень инсоляции (количество лучей попадающих на поверхность) в данном регионе.

Если установка будет работать в доме с постоянным проживанием, нужно смотреть на самое минимальное значение за год. А если это дача для летнего проживания, выбирают минимальное значение для теплого времени года.

Общую сумму разделяют на уровень инсоляции и производительность выбранной панели. В результате получают минимальное количество штук, которые необходимы для функционирования дома. При этом важно чтобы десятые доли округлялись в большую сторону.

Солнечные батареи для дома и дачи: виды, устройство, принцип работы, расчет количества

Сами панели нельзя подключить к электросети дома. Для этого понадобится еще несколько устройств.

Комплектующие:

  1. Контроллер, предотвращающий перепады тока. Панель можно подключать только через него.
  2. Аккумулятор необходимой емкости. Накапливает постоянный ток, поступающий с панели.
  3. Инвертор — узел, преобразующий постоянный в переменный ток.

Все эти механизмы должны подходить друг к другу. Поэтому необходим подбор совместимых устройств, выдерживающих определенную мощность.

Электрификация дома с помощью солнечных панелей становится все популярнее, и многие задумываются о том, чтобы сэкономить на этом. К сожалению, пока что производство такой энергии стоит дороже, чем от традиционной электростанции. Но по прогнозам в течение 10 лет ситуация изменится на противоположную, поэтому вложение в собственные панели быстро окупится.

Для начала все домашние электроприборы следует занести в таблицу. В ней должно быть 30 граф, а количество строк равно числу приборов. В первую колонку вносят порядковый номер, во вторую — название электрического прибора, в третью — потребляемую мощность. Следующие столбцы, вплоть до 27 — расписанные по часам сутки, начиная с 0 часов и заканчивая 24.

В колонке под номером 28 записывают суммарное время, на протяжении которого работала техника в течение суток. В следующую колонку вносят потребление электричества конкретным электроприбором. Определяют его путем умножения времени на индивидуальную мощность, потребляемую прибором. В 30 колонке — примечания и промежуточные подсчеты.

Таблица потребления бытовой техники
По данной таблице, вы сможете рассчитать общую потребляемую мощность всех приборов для вашего частного дома или дачи

Преимущества солнечных батарей

Солнечная энергия — это перспективное направление, которое постоянно развивается. Они имеют несколько основных достоинств. Удобство использования, долгий срок службы, безопасность и доступность.

Положительные стороны применение данной разновидности аккумуляторных батарей:

  • Возобновляемость – этот источник энергии практически не имеет ограничений притом бесплатный. По крайней мере на ближайшие 6.5 миллиардов лет. Нужно подобрать оборудование, установить его и использовать по назначению (в частном доме или коттеджном участке).
  • Обильность – Поверхность земли в среднем получает около 120 тысяч терравват энергии что в 20 раз превышает нынешнее энергопотребление. Солнечные батареи для коттеджей или частных домов имеют огромный потенциал для использования.
  • Постоянство – солнечная энергия постоянна поэтому человечеству не грозит перерасход в процессе ее использования.
  • Доступность – солнечная энергия может вырабатывать на любой территории, при наличии естественного света. При этом чаще всего она применяется для отопления жилища.
  • Экологическая чистота – солнечная энергетика является перспективной отраслью, которая в будущем заменит электростанции, работающие на невозобновляемых ресурсах: газ, торф, уголь и нефть. Безопасны для здоровья людей и домашних животных.
  • При производстве панелей и монтаже солнечных электростанций в атмосферу не происходят значительные выбросы вредных или токсичных веществ.
  • Бесшумность – выработка электроэнергии производится практически бесшумно, и поэтому этот вид электростанций лучше ветровых электростанций. Их работа сопровождается постоянным гулом из-за чего оборудование быстро выходит из строя, а сотрудники должны делать частые перерывы на отдых.
  • Экономичность – при использовании солнечных батарей владельцы недвижимости ощущают значительное снижение коммунальных расходов на электроэнергию. Панели имеют долгий срок службы – производитель дает гарантию на панели от 20 до 25 лет. При этом обслуживание всей электростанции сводится к периодической (раз в 5-6 месяцев) очистке поверхностей панелей от грязи и пыли

Недостатки солнечных батарей

К сожалению, и этот практически неисчерпаемый источник энергии имеет определенные ограничения и недостатки:

  • Высокая стоимость оборудования – автономная солнечная электростанция даже небольшой мощности доступна далеко не каждому. Оборудование частного дома такими аккумуляторами стоит недешево, но помогает снизить расходы на оплату коммунальных услуг (электроэнергии).
  • Обустройство собственного жилища солнечными батареями потребует финансовых затрат.
  • Периодичность генерации – солнечная электростанция не способна обеспечить полноценную бесперебойную электрификацию частного дома.
  • Хранения энергии – в солнечной электростанции аккумуляторная батарея является самым дорогим элементом (даже батареи небольшого объема и панели на гелевой основе).
  • Низкий уровень загрязнения окружающей среды – солнечная энергия считается экологически чистой, однако производственный процесс батарей сопровождается выбросами трифторида азота, оксидов серы. Все это создает «парниковый эффект».
  • Использование в производстве редкоземельных элементов – тонкопленочные солнечные панели имеют в своем составе теллурид кадмия (CdTe).
  • Плотность мощности – это количество энергии, которое можно получить с 1 кв. метра энергоносителя. В среднем этот показатель составляет 150-170 Вт/м2. Это гораздо больше по сравнению с другими альтернативными источниками энергии. Однако несравнимо, ниже чем у традиционных (это касается атомной энергетики).

Действующее напряжение

Наиболее часто встречаемый номинал аккумуляторной батареи — кратный 12 В. Такие компоненты гелиостанции, как контроллер, инвертор, солнечные модули рассчитаны на напряжение от 12 до 48 В. Присутствие 12 В аккумуляторов удобно тем, что при выходе их из строя, замену можно выполнить по одному.

Солнечные батареи для дома и дачи: виды, устройство, принцип работы, расчет количества

При напряжении вдвое большем, исходя из специфики эксплуатации АБ, возможна только замена пары. В сети 48 В на одной ветке придется менять все четыре батареи, к тому же 48 В — это уже угроза с точки зрения электробезопасности. С другой точки зрения, чем выше напряжение, тем меньшего сечения провода потребуются, а контакты будут более надежными.

При выборе номинала нужно учитывать как мощностные характеристики инверторов, так и значение пиковой нагрузки:

  •     48 В — от 3 – 6 кВТ;
  •     24 или 48 В — от 1,5 – 3 кВт;
  •     12, 24, 48В — до 1, 5 кВт.

Если емкость и цена АБ примерно равны, выбор следует остановить на аккумуляторе с наивысшей допустимой глубиной разряда и наибольшей разрешенной величиной тока. Ресурс АБ значительно повышается, когда этот показатель не превышает 30 – 50%.

Как повысить эффективность солнечных батарей?

Для достижения максимально эффективной электрификации помещений:

  • Перед покупкой и установкой батарей следует со стороной куда будут устанавливаться панели. Желательно делать это на южное направление.
  • Для оценки освещенности лучше всего будет воспользоваться люксметром либо пригласить специалиста, который составит вам предварительную смету и рассчитает рентабельность системы.
  • Рассчитайте окупаемость системы – если вы живете в Центральной России или в северных регионах, то установка аккумуляторных батарей будет неоправданно высока.

Если в живете в южном регионе, то солнечные панели отлично вам подойдут. Однако для оптимальной работы необходим корректный расчет и правильная установка.

Подводя итог

При покупке солнечных батарей, российские жители хотят уменьшить затраты на электроэнергию. Коммунальные платежи за электричество самые большие, это касается частных домов и коттеджей. Это будет эффективно только при установке автономной сетевой (подключенной к общей сети электроснабжения). Средний срок окупаемости одной электростанции для дачи 7-8 лет, срок напрямую зависит от тарифа на электроэнергию и географической широты.

Создание солнечного системы, обеспечивающей горячее водоснабжение, электроснабжение и отопление жилого дома.

ЧИТАТЬ ДАЛЕЕ:  Калькулятор расчета количества листов шифера - с необходимыми пояснениями
Оцените статью
MALIVICE.RU
Adblock
detector