Солнечные батареи для дома
Содержание
Человек делает только первый шаг к использованию неиссякаемых источников возобновляемой энергии. Но способы ее добычи стали доступны для применения в домашних условиях. На многих дачных участках можно наблюдать установленные модули солнечных батарей. Благодаря им можно получить полную автономность. Какие изделия лучше всего подходят для такого использования и что еще понадобится для строительства энергетической системы? Вопросы будут раскрыты в статье.
Принцип работы
Природа солнечного излучения до конца не изучена, но успешно создаются системы, которые способны преобразовать волны в постоянное напряжение, которое может быть использовано различными способами. Солнечная панель представляет собой конструкцию из фотоэлементов, которые имеют различную структуру. Одна из пластин изготовлена таким образом, что в ней есть избыток электронов. Вторая часть конструкции имеет их недостаток, вследствие чего электроны способны свободно перетекать от одного элемента к другому. «Выбивание» этих электронов происходит за счет волны излучения, которое приходит от солнца. Благодаря такому процессу возникает p-n переход, который и является источником электрического разряда. На выходе возникает постоянный ток, который требует дальнейшего преобразования для использования в различных целях.
Варианты панелей
В целях создания наиболее эффективной системы, батареи изготавливались и изготавливаются из различных материалов. Наиболее распространенными являются:
- монокристаллические;
- поликристаллические.
Источником кремния для солнечных панелей служит кварцевый порошок. Он представляет собой измельченные кристаллы кварца. Именно кремниевые солнечные батареи получили самое широкое распространение и имеют доступную цену для частного сектора. Два приведенных вида солнечных батарей довольно просто определить по цвету. Первый вариант батарей имеет равномерный темный окрас. При этом цвет не изменяет своего оттенка на любой из частей поверхности. По стоимости первый вид батарей превосходит второй. Это связано со способом позиционирования кристаллов. В процессе изготовления каждый из них располагается в определенном положении, что обеспечивает высокий КПД. Для всего процесса требуется кремний с максимальной очисткой, что сказывается на стоимости процесса производства.
Есть определенный недостаток у такого вида батарей. Он заключается в том, что лучи на панель должны падать только под прямым углом для достижения наилучшей производительности. Это означает, что батареи приходится постоянно поворачивать в направлении солнца, что требует строительства дополнительных стоек с электрическими приводами и датчиками. Отдельные элементы солнечной батареи вырезаются из цилиндрической заготовки, поэтому отдельные модули имеют скругленные края. Такие батареи чувствительны к загрязнению поверхности, что обязывает постоянно следить за состоянием защитного слоя. Это касается не только периода снегопадов, но и пыльных бурь. Монтаж монокристаллических батарей обязательно должен осуществляться на открытом участке.
Второй вариант конструкции также довольно просто выделить по цвету. Поверхность имеет синий или голубой оттенок и неравномерна в тоне. В качестве сырья также применяется кремний, но не прошедший такую тщательную очистку, как в предыдущем случае. Удешевить процесс производства позволяет отсутствие необходимости в одинаковой направленности кристаллов. Это, в свою очередь, повышает эффективность даже в пасмурную погоду, т. к. рассеянный свет воспринимается в различных направлениях. Солнечные батареи такого типа не требуют постоянного ориентирования по направлению солнца. Такие особенности позволяют разместить батареи на крышах зданий и других поверхностях без применения приводов. Недостатком такой конструкции можно считать необходимость больших площадей при одинаковой отдаваемой мощности в сравнении с монокристаллическим вариантом батарей.
Схема системы для частного дома
Устройство системы не слишком сложное, поэтому знание о ее основных модулях дает возможность собрать ее самостоятельно. Основой всей системы служат солнечные батареи, которые выступают источником электрической энергии. В большинстве случаев конструкция проектируется таким образом, чтобы полностью покрывать потребности по мощности для основного оборудования. Для этого будет мало только одной солнечной батареи, поэтому несколько модулей объединяются в общую конструкцию, при этом их мощность и сила тока суммируется, чтобы достичь требуемой. Некоторые приборы способны функционировать от напряжения в 12 вольт, но практически вся техника, которая используется в быту требует 220 вольт.
Поэтому между источником и потребителей устанавливается инвертор, который превращает 12 вольт постоянного тока в 220 переменного. Его мощность и сила тока подбираются в согласии с общим показателем среднего потребления техники при среднестатистическом использовании. Но не всегда есть возможность использовать энергию солнца напрямую через преобразователь. Например, ночью эффективность солнечных батарей стремится к нулю. Это означает, что не обойтись без элементов, которые способны запасать произведенное на протяжении дня электричество. В качестве таких элементов используются аккумуляторы.
Расчет требуемой мощности
Система не может быть построена без правильных расчетных работ. Это позволит определить общее среднее потребление и в согласии с ним подобрать необходимое оборудование. В большинстве случаев это позволяет не переплачивать и избежать необходимости ремонта или восстановления впоследствии. Первым делом необходимо составить список всей техники, которая используется постоянно. В него также включаются изделия, которые включаются периодически. После этого необходимо определить, сколько прибор потребляет в среднем в сутки. Для этого необходимо определить, сколько времени в часах он включен на протяжении суток. После этого количество часов умножается на номинальную потребляемую мощность. Такие подсчеты необходимо сделать для каждого из приборов, после чего осуществляется суммирование общей потребляемой мощности в сутки.
Необходимо также определить среднее потребление в час. Для этого можно общее полученное число разделить на 24 часа или составить отдельную таблицу, в которой указано время включения и выключения каждого из приборов, после чего осуществляется подсчет среднего и пикового потребления. После выведенного среднего значения можно определиться с мощностью установки, прибавив к получившемуся числу еще 20%. Такие расчеты справедливы для тех случаев, когда солнечные батареи будут выступать в качестве основного источника питания. Если солнечные панели будут только резервом, тогда необходимо определить приборы, которые должны функционировать без перебоев и произвести расчеты конкретно для них. Вся остальная техника отключается до момента восстановления центральной сети питания.
Подбор элементов системы
Проще производить расчеты для солнечных батарей и других модулей системы, которые выступают в качестве основного источника питания. Если за основу брать среднесуточное потребление в 15 кВт, то можно получить следующие показатели:
- средняя нагрузка – 625 Вт;
- максимальная нагрузка – 2 кВт;
- пиковая – 2,5 кВт.
Полученные показатели потребуются для выбора других компонентов системы питания.
Напряжение блока батарей
Первым делом необходимо определить внутреннее напряжение, которое будет подаваться от солнечных батарей к контроллеру, преобразователю и к аккумуляторам. Его принято брать кратным 12. Связано это с напряжением аккумуляторов. Чем выше напряжение внутренней сети, мем меньшее сечение проводов от солнечных батарей к остальным модулям можно использовать. Недостатком является сложность замены аккумуляторов. Если система будет функционировать при напряжении в 12 вольт, тогда можно смело производить замену аккумуляторов поштучно. В случае когда внутреннее напряжение 24 вольта, тогда замена будет парной и так далее по мере увеличения напряжения.
Но основой для выбора напряжения служит не площадь сечения проводников или способ замены аккумуляторов, общая потребляемая мощность. Если она будет доходить до 6 кВт, тогда внутреннее напряжение системы должно быть 48 вольт. В случае когда потребление не будет превышать 3 кВт, тогда можно реализовать напряжение внутри системы в 24 вольта. При потреблении до 1500 Вт, оно может быть 12 или любым из перечисленных выше.
Аккумуляторы
Не каждый аккумулятор подойдет для работы в паре с солнечной батареей, поэтому есть несколько факторов, которые стоит учитывать при выборе. Одним из них заключается в том, чтобы не использовать обычные автомобильные аккумуляторы для систем энергоснабжения на основе солнечных батарей. Связано это с тем, что такие изделия не рассчитаны на интенсивный цикл эксплуатации с высокой частотой заряда и разряда. Это приводит к тому, что такие батареи быстро выходят из строя и требуют замены. Для систем на солнечных панелях разработаны и выпускаются специальные гелевые аккумуляторы с пометкой Solar. Приобретаемые батареи должны быть от одного производителя и одной емкости, что позволит скоординировать время и ток заряда. Помещение, которое будет отведено под аккумуляторные батареи должно иметь постоянную температуру, которая будет поддерживаться на уровне в 25 градусов. В этом случае каждый элемент обладает стопроцентным КПД.
Общее количество аккумуляторов можно подсчитать в зависимости от того, какая отдаваемая мощность от них потребуется. Одна батарея на 120 ампер с напряжением в 12 вольт способна выдать 1,4 кВт. Но это касается идеальных условий при полной зарядке. Для продолжительного срока службы каждого элемента рекомендуется заряжать его не больше, чем на 80% и не уводить в разряд ниже 10%. Это означает, что полезная отдаваемая мощность у такой батареи составит приблизительно 1 кВт. Если общее суточное потребление находится в пределах 15 кВт, то потребуется 15 таких аккумуляторов. Но их количество лучше увеличить, если солнечные батареи являются основным источником питания, т. к. бывают ситуации, когда несколько дней нет нормальной солнечной погоды.
Контроллер и инвертор
Контроллер является той частью системы, на которой не стоит экономить. Способ его функционирования и функции напрямую влияют на срок службы аккумуляторных батарей. Его параметры должны соответствовать силе тока и напряжению, которые будут передаваться от солнечных батарей, а также напряжению и силе тока, которая требуется для заряда аккумуляторных батарей. Предпочтение лучше отдать прибору, который умеет выполнять многоступенчатую зарядку батарей. Проявляется она в варьировании силы тока в зависимости от доступной емкости. Контроллер также должен обладать способностью переключать нагрузку с солнечных элементов на аккумуляторные батареи и наоборот, чтобы добиться требуемой производительности.
Современные контроллеры-инверторы также способны функционировать и с основной сетью питания. В случае если в пиковой мощности не хватает резерва солнечных батарей или аккумуляторов, тогда контроллер переводит весь дом на питание от центральной системы. Таким же образом он осуществляет заряд аккумуляторов, если солнечные батареи не справляются в силу недостаточного солнечного излучения. В характеристиках стоит обратить внимание на синусоиду выходного сигнала. Она должна быть правильной – максимально приближенной к той, которая есть в центральной сети питания. Только в этом случае можно говорить о том, что все приборы будут способны нормально функционировать. Видео об особенностях выбора модулей есть ниже.
Резюме
Как видно, установка собственной солнечной электростанции является отличным решением как в условиях полного отсутствия централизованного электроснабжения, так и при наличии центральной сети. Срок окупаемости и целесообразность такой конструкции каждый должен определить для себя сам.
Обсудить статью на форуме
