Солнечные батареи для дома: сколько нужно, расчет мощности электроэнергии, сколько дает энергии система, как установить, установка

С развитием технологий у потребителей появилась возможность получать электричество от солнечной энергии. Причем солнечные батареи может приобрести практически каждый желающий. Особенно популярны такие приспособления у владельцев дач и загородных домов, расположенных вдалеке от линии электропередач. Далее в материале мы рассмотрим, что такое солнечные батареи для дома, по какому принципу они функционируют, как рассчитать их мощность и каким образом такие устройства можно установить.

Содержание:

• Что это такое
• Разновидности солнечных модулей для дома
• Схема электропроводки от гелиопанелей
• Максимальная нагрузка и уровень среднего потребления энергии
• Расчет основных показателей - сколько нужно батарей и какой мощности
  • Предварительный этап
• Составляем спецификацию энергопотребления
• Обработка данных и их оптимизация
• Выбираем компоненты для солнечной электростанции
• Устанавливаем уровень напряжения для солнечных батарей
• Оборудование батареи солнечными модулями
• Обустройство аккумуляторного энергоблока
• Подбираем контроллер
• Устанавливаем инвертор

Что это такое

Процесс генерирования электричества из частиц солнечного света – фотонов – в перечне природных компонентов называется фотоэлектрическим эффектом. После открытия данного физического явления встал вопрос о том, как его можно контролировать. С этой целью были созданы специальные компактные электронные приспособления – фотоэлементы, в основе которых содержатся полупроводниковые материалы.

На промышленном производстве нашли способ объединить микроскопические преобразователи в достаточно большие и эффективные панели. В частности, КПД кремниевых модульных гелиопанелей, которые в больших объемах выпускаются современными предприятиями, составляет 18-22 %.

Солнечная батарея состоит из нескольких таких модулей. Через нее солнечные фотоны подаются в электрическую цепь в качестве частиц постоянного тока. Далее они распределяются по аккумулирующим устройствам или трансформируются в заряды переменного тока с напряжением в 220 вольт. Полученная энергия позволяет питать домашние электроприборы.

Разновидности солнечных модулей для дома

Модульные гелиопанели состоят из фотоэлектрических преобразователей. На производстве выпускают два вида таких устройств.

Различие между преобразователями состоит в разновидности кремниевых полупроводников:

• Поликристаллические. Получают такие фотоэлементы путем длительного охлаждения кремниевого расплава. Хотя данная технология существенно удешевляет процесс производства и делает изделия более доступными для покупателей, их эффективность не превышает 12 %.
• Монокристаллические. В данном случае речь идет об искусственном выращивании кристаллов кремния, которые затем нарезают на тонкие пластины. Этот способ считается наиболее затратным, однако он обеспечивает более высокий коэффициент полезного действия. Среднее значение его колеблется в пределах 17 %, однако встречаются фотоэлементы на монокристаллах и с более высокими показателями.

Фотоэлементы на поликристаллах имеют плоскую квадратную форму и поверхность с неоднородной структурой. В то же время, монокристаллические солнечные элементы обладают однородной структурой поверхности и формой в виде квадрата со срезанными углами.

При равной мощности солнечных батарей для дома первый вариант панелей имеет большие размеры, чем второй, поскольку они менее эффективны. Хотя стоимость поликристаллических панелей примерно на 10 % ниже, за что они и пользуются популярностью.

Схема электропроводки от гелиопанелей

Чтобы понять, каким образом солнечная электроэнергия для дома попадает в электросеть и питает бытовые приборы, стоит рассмотреть схему работы солнечного оборудования. Несмотря на кажущуюся сложность, принцип действия схемы является достаточно простым и состоит из четырех этапов.

Солнечные панели являются первым компонентом электрической схемы. Они собираются из заданного количества пластин фотоэлементов в прямоугольные тонкие модули. Мощность фотопанелей может быть разной, однако она всегда делится на 12 вольт.

Для улавливания фотонов плоские панели размещают на открытых для солнечного света пространствах. Мощные солнечные батареи для дома получаются после объединения модульных блоков между собой. Такая батарея предназначена для преобразования солнечной энергии в постоянный ток.

Аккумуляторы служат для накопления электроэнергии, полученной от солнца. В данном случае, если бытовые приборы в доме были подключены к центральной электросети, то генерируемая солнечная энергия накапливается в аккумулирующих устройствах. Кроме того, они запасают излишнее количество электроэнергии, поступающей с гелиопанелей, которая не расходуется в полном объеме.

Задачей аккумулятора является подача необходимого количества электроэнергии и обеспечение стабильности напряжения, когда возрастает ее потребление. Ту же функцию аккумуляторные блоки выполняют в ночное время суток либо при недостатке солнечного света, когда фотопанели не работают.

Промежуточным звеном между солнечными панелями и аккумуляторным блоком служит контроллер. Он регулирует степень заряда аккумулятора, чтобы предотвратить их перезарядку либо снижение мощности ниже определенного уровня, что приведет к утрате стабильности работы солнечной электросистемы.

Последний важный узел схемы электроснабжения от солнечных батарей – это инвертор. Он необходим для преобразования постоянного тока, который подается от солнечных модулей к аккумуляторам, в переменный с напряжением в 220 вольт. Как известно, такой уровень напряжения необходим для работы большинства современных бытовых приборов.

Максимальная нагрузка и уровень среднего потребления энергии

На данный момент далеко не каждый сможет себе позволить поставить в своем загородном доме подстанцию, работающую от солнечной энергии. Тем не менее, планируя их установку, сначала необходимо выяснить, на какую пиковую нагрузку при включении бытовых приборов следует рассчитывать, а также какое среднее количество электроэнергии в сутки они потребляют.

Максимальный уровень нагрузки определяют, исходя из предельной мощности всех электроприборов, имеющихся в доме, чтобы при одновременном включении нескольких из них система в доме смогла справиться с нагрузкой.

Для определения среднесуточного потребления каждого из приборов, следует перемножить его мощность на время работы от сети в сутки. А общий расход энергии находим путем суммирования энергии от всех приборов в доме.

Определение общих показателей энергопотребления позволит распланировать эффективный расход солнечной энергии, генерируемой солнечными панелями. Кроме того, полученные цифры дают возможность выполнить расчет мощности солнечных батарей для дома, чтобы знать, какой аккумулятор нужно будет купить. Емкость аккумулятора напрямую влияет на его стоимость.

Расчет основных показателей - сколько нужно батарей и какой мощности

Прежде чем начинать выполнение расчетов, следует подготовить специальную таблицу, в которую будут заноситься полученные данные. Вертикальных граф должно быть 30 штук, а горизонтальных – по количеству бытовых приборов, используемых хозяевами.

Предварительный этап

В первом столбце будет указываться номер по порядку бытового прибора. Его название проставляем во второй колонке. Третьей графой проставляем мощность каждого из приспособлений. В следующих 24 столбиках необходимо проставить часы от 01 до 24.

В этих клеточках в виде десятичных дробей будем вносить такие данные:

• числитель представляет собой период каждого прибора в течение конкретного часа (в десятичном выражении);
• знаменателем проставляют индивидуальную мощность электроприбора (такой повтор облегчает процесс дальнейших расчетов).

Графа 28 предназначена для суммирования общего времени работы электроприбора в пределах суток. Следующая колонка содержит данные об энергопотреблении отдельного прибора за прошедшие сутки – эту цифру получают умножением периода работы на потребляемую мощность. В последней вертикальной графе записывают примечания, например результаты промежуточных расчетов.

Составляем спецификацию энергопотребления

Когда черчение таблицы завершено, можно приступать к составлению спецификации энергопотребления. В первой графе расставляем номера приборов. Их названия прописываем в следующем графе. Опытные люди советуют начинать составление таблицы с бытовыми приборами с первого помещения в доме, то есть прихожей. Затем последовательно вносят данные о всех остальных помещениях на этаже, двигаясь, по желанию, по или против часовой стрелки. При наличии верхних этажей, подход к занесению в таблицу оборудования будет аналогичным – последовательно, двигаясь в одном направлении. Обратите внимание, что в спецификацию необходимо внести осветительные приборы с лестничных пролетов и улицы.

Намного удобнее, если мощность каждого из приспособлений в 3 колонке вы будете проставлять параллельно с их названиями.

Следующие 24 столбца будут содержать числовые значения часа. Чтобы было удобнее вносить данные, их сразу разделяют пополам горизонтальной линией. Таким образом, получится числитель и знаменатель.

В эти клеточки отдельно по каждому прибору проставляют период его работы в виде десятичных дробей, заполняя только те, которые соответствуют времени суток, когда они использовались. Одновременно с этим заполняют и знаменатели каждой графы, указывая в них данные, взятые из третьей колонки.

По завершении заполнения всех клеточек с часами, начинают подсчет общего времени работы оборудования в течение суток, постепенно заполняя строки со всеми электроприборами. Эти данные вносят в 28 графу.

Колонка 29 заполняется после вычисления общего потребления электроприбора в течение суток. Оно определяется умножением рабочей мощности на период работы оборудования.

После того, когда все клеточки в таблице будут содержать конкретные данные, можно переходить к подведению итогов. Реальные нагрузки на каждый час суток определяют путем сложения значений знаменателей всех используемых в этот период электроприборов. Вертикальное сложение уровней потребления энергии в сутки по каждому из приборов, проставленных в графе 29, дает итоговое значение среднесуточного энергопотребления.

Количество энергии, которое потребуется для обслуживания самой системы на солнечных батареях для дома, на данном этапе в расчет не принимается. Его нужно будет учитывать в виде особого коэффициента во время окончательных расчетов.

Обработка данных и их оптимизация

При расчете солнечных батарей на дом стоит определить, каким образом они будут использоваться – в качестве основного источника питания или же резервного. В случае применения солнечных электростанций в качестве дополнительного питания, информация о почасовых нагрузках и среднесуточном потреблении энергии позволит использовать эти мощности более эффективно. Например, при перебоях с основным электричеством, энергоемкие бытовые приборы будут применяться минимальное количество времени, либо вовсе не будут включаться.

А вот в тех домах, где используется только электроэнергия от солнечных батарей, стоит обратить особое внимание на уровень почасовых нагрузок. При этом желательно применять электроприборы таким образом, чтобы предотвратить скачки энергопотребления в сторону минимальных или максимальных значений.

Чтобы сократить расходы на закупку оборудования для солнечных электростанций и обеспечить их бесперебойное, стабильное и длительное функционирование, очень важно равномерно распределить нагрузки в течение суток, исключить повышение мощности до пиковых значений или ее падение до минимума.

Например, при рациональном распределении нагрузки и эффективном использовании солнечной электроподстанции, можно сократить ежесуточное энергопотребление с 18 до 12 кВт/ч, а потребляемую мощность – с 750 до 500 Вт.

Аналогичным образом производится оптимизация потребления энергии от резервных солнечных батарей. Таким образом, можно будет избежать дополнительных расходов на приобретение аккумуляторов повышенной мощности.

Выбираем компоненты для солнечной электростанции

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

Для расчета мы возьмем следующие показатели почасового потребления:

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

Полученные данные будут использованы для определения необходимой емкости аккумуляторов гелиоэлектростанции.

Устанавливаем уровень напряжения для солнечных батарей

Чтобы понять, сколько дают энергии солнечные батареи, нужно определиться с уровнем их рабочего напряжения. Это значение всегда кратно 12 вольтам, поскольку такое напряжение характерно большинству аккумуляторов. Чаще всего используются инверторы, контроллеры и солнечные панели с напряжением в 12, 24 или 48 вольт.

Для систем с более высоким уровнем напряжения можно применять питающие кабели с меньшим сечением, что обеспечивает высокую надежность соединений.

В тоже время, аккумуляторы по 12 вольт, если они сломаются, можно заменять поочередно. Особенностью эксплуатации батарей с напряжением в 24 вольта будет необходимость замены узлов только попарно. В случае использования системы с напряжением в 48 вольт необходимо будет менять сразу 4 батареи, расположенных на одной ветке. Кроме того, при неосторожном обращении с батареями в 48 вольт можно получить удар электрическим током.

Рабочее напряжение электросистемы напрямую влияет на то, сколько дает солнечная батарея. Этот фактор учитывается при подборе необходимого оборудования.

Зависимость между мощностью инвертора и пиковыми нагрузками выглядит так:

• 3-6 кВт – 48 вольт;
• 1,5-3 кВт – 24 или 48 вольт;
• до 1,5 кВт – 12, 24 или 48 вольт.

В рассматриваемом примере выбор между сложностями при замене аккумуляторов и надежностью электропроводки сделаем в пользу последнего. Уровень рабочего напряжения составит 24 вольта.

Оборудование батареи солнечными модулями

Мощность солнечной батареи определяется по такой формуле:

Рсм = (1000×Есут)/(к×Син), где

• Рсм – мощность солнечной батареи – общая мощность солнечных модулей, Вт;
• 1000 – постоянная светочувствительности фотоэлектрических преобразователей, кВт/м²;
• Есут – требуемая суточная норма энергопотребления, кВт·ч, в данном случае – 18;
• к – сезонный коэффициент, с учетом всех затрат – летом: 0,7; зимой: 0,5;
• Син – величина инсоляции из таблицы (потока солнечной радиации), с учетом оптимального угла панелей, кВт·ч/м².

Величину инсоляции можно уточнить у местной метеорологической службы.

Требуемый уклон солнечных панелей определяется широтой местности:

• в весеннее и осеннее время года;
• в зимнее время года – плюс 15 градусов;
• в летнее время года – минус 15 градусов.

В нашем случае, Рязанская область, располагается на 55-й широте.

С учетом того, что время выбрано с марта по сентябрь, оптимальным постоянным углом установки солнечных батарей будет 40 градусов относительно земли. При этом средняя суточная инсоляция Рязани в указанный период равняется 4,73.

С учетом имеющихся данных произведем расчет:

Рсм = 1000×12/(0,7×4,73) ≈ 3600 ватт.

При использовании 100 ваттных солнечных батарей нам понадобится 36 штук. Такое количество будет иметь массу приблизительно в 300 кг, а площадь они будут занимать в пределах 5×5 м.

Обустройство аккумуляторного энергоблока

Чтобы правильно подобрать аккумуляторы для солнечных батарей, необходимо учесть такие правила:

1. Аккумуляторные батареи для электростанций на солнечной энергии должны иметь маркировку «SOLAR». Ни в коем случае нельзя использовать стандартные аккумуляторы для автомобилей.
2. Мощность батарей и другие их рабочие характеристики должны быть одинаковыми, идеально, если все приборы будут из одной партии.
3. Для установки солнечной батареи в частном доме необходимо выбрать теплое помещение. Максимальное количество энергии гелиостанция вырабатывает при температуре воздуха порядка 25 ℃. Если же температура воздуха опустится до -5 ℃, батарея будет работать всего на 50% мощности.

Например, при использовании аккумуляторной батареи с напряжением в 12 вольт и емкостью 100 А·ч, можно запитать оборудование общей мощностью в 1200 Вт, которая будет работать в течение часа. Однако в таком случае в конечном итоге батарея окажется полностью разряженной. Такого допускать ни в коем случае не стоит.

Примечательно, что долговечность аккумуляторов на солнечной энергии будет обеспечена лишь в том случае, если их не будут разряжать ниже 70 %, максимум – не ниже 50 %. Если взять усредненное значение, скажем, в 60 %, то можно расходовать по 720 Вт/ч на каждые 100 А·ч емкости аккумулятора (1200×60 %).

Перед тем как установить солнечные батареи в частном доме, их нужно зарядить на 100 % от стандартной розетки. Это нужно для того, чтобы солнечные батареи могли справляться с нагрузками в темное время суток, а также днем, если нет солнечной погоды.

В то же время, если установлено слишком много аккумуляторных батарей, они будут постоянно недополучать уровень заряда. Это пагубно скажется на их долговечности. Лучше всего, если установлено столько аккумуляторов солнечной электростанции, чтобы хватало для снабжения потребители энергии в течение 1 суток.

Вычислить необходимую общую емкость аккумулятора можно, найдя кратное между суточным потреблением энергии (12000 Вт) и энергозапасом (720 Вт/ч), умноженное на 100 А·ч:

• 12000/720×100 ≈ 1600 А·ч.

Расчеты показали, что для бесперебойной работы солнечной подстанции необходимо либо 16 батарей по 100 А·ч, либо 8 по 200 А·ч, которые подключены последовательно-параллельно.

Подбираем контроллер

Контроллер для аккумуляторных батарей (АКБ) следует подбирать особенно тщательно. Дело в том, что по параметрам он должен быть совместим с солнечными модулями, а исходящее напряжение должно соответствовать мощности электрической подстанции – в рассматриваемом примере 24 вольта.

Качественный контроллер аккумуляторов должен справляться с такими задачами:

1. Обеспечивать многоступенчатый заряд АКБ, что существенно увеличивает срок их эксплуатации.
2. Осуществлять подключение и отключение солнечной батареи и АКБ в автоматическом режиме, в соответствии с уровнем заряда.
3. Корректировка нагрузки между солнечными батареями и АКБ.

Хотя размеры контроллера невелики, этот компонент влияет на работу, как отдельного аккумуляторного блока, так и всей системы в целом.

Устанавливаем инвертор

Мощность инвертора должна быть такой, чтобы он мог выдерживать пиковые уровни нагрузки в течение длительного времени. Входящее напряжение такого блока должно быть равно внутреннему напряжению всей солнечной электроподстанции.

Чтобы не ошибиться с выбором, обратите внимание на следующие моменты:

1. Частота и форма переменного тока. Чем ближе к параметру в 50 Гц, тем лучше.
2. Эффективность устройства должна составлять не менее 90 %. В идеале, чем больше, тем лучше.
3. Энергопотребление самого прибора. Это значение должно быть соизмеримо с общим количеством энергии, необходимой для функционирования системы. Показатель в 1 % считается идеальным.
4. Может ли инвертор справляться с кратковременными нагрузками, двукратно превышающими заявленную мощность.

Стоит отметить, что если вы подберете инвертор со встроенным контроллером, это будет оптимальным вариантом.