Слънчеви батерии за вилата и дома: видове, принцип на работа и ред на изчисляване на слънчевите системи

Науката ни подари време, когато технологията за използване на слънчевата енергия стана общодостъпна. Всеки собственик има възможност да се сдобие със слънчеви батерии за дома. Собствениците на вили не изостават в този въпрос. Те по-често се намират далеч от централизирани източници на устойчиво електрозахранване.

Предлагаме ви да се запознаете с информацията, представяща устройството, принципите на работа и изчисляването на работните възли на хелиосистемата. Запознаването с предложената от нас информация ще доближи реалността за осигуряване на вашия парцел с природно електричество.

За визуално възприемане на предоставените данни са приложени подробни схеми, илюстрации, фото- и видео-инструкции.

Устройство и принцип на действие на слънчевата батерия

Някога любознателните умове откриха за нас природни вещества, които под въздействието на частиците на слънчевата светлина, фотоните, произвеждат електрическа енергия. Процесът е наречен фотоелектричен ефект. Учените се научиха да управляват микрофизическото явление.

На основата на полупроводникови материали те създадоха компактни електронни устройства – фотоелементи.

Производителите усвоиха технологията за обединяване на миниатюрни преобразуватели в ефективни хелиопанели. Ефективността на панелните слънчеви модули от силиций, широко произвеждани от индустрията, е 18-22%.

От описанието на схемата ясно се вижда: всички компоненти на електроцентралата са еднакво важни – от правилния им подбор зависи съгласуваната работа на системата

От модулите се сглобява слънчевата батерия. Тя е крайната точка на пътуването на фотоните от Слънцето до Земята. Оттук тези съставки на светлинното излъчване продължават своя път вече вътре в електрическата верига като частици на постоянен ток.

Те се разпределят към акумулаторите или се трансформират в заряди на променлив електрически ток с напрежение 220 волта, захранващ всевъзможни домакински технически устройства.

Слънчевата батерия представлява комплекс от последователно свързани полупроводникови устройства – фотоелементи, преобразуващи слънчевата енергия в електрическа.

Повече подробности за спецификата на устройството и принципа на действие на слънчевата батерия ще намерите в друга популярна статия на нашия сайт.

Видове слънчеви модули-панели

Гелиопанелите-модули се сглобяват от слънчеви елементи, иначе – фотоелектрически преобразуватели. Масово приложение намериха ФЕП от два вида.

Те се различават по използваните за изработката им разновидности на полупроводника от силиций, а именно:

• Поликристалични. Това са слънчеви елементи, изработени от силициева стопилка чрез продължително охлаждане. Несложният метод на производство обуславя достъпна цена, но производителността на поликристаличния вариант не надвишава 12%.
• Монокристалични. Това са елементи, получени в резултат на нарязване на тънки пластини от изкуствено отгледан силициев кристал. Най-продуктивният и скъп вариант. Средният КПД е около 17 %, могат да се намерят монокристалични фотоелементи с по-висока производителност.

Поликристаличните слънчеви елементи са с плоска квадратна форма и нееднородна повърхност. Монокристаличните разновидности изглеждат като тънки квадрати с еднородна повърхностна структура и срязани ъгли (псевдоквадрати).

Така изглеждат ФЕП – фотоелектрически преобразуватели: характеристиките на слънчевия модул не зависят от разновидността на използваните елементи – това влияе само на размерите и цената.

Панелите от първото изпълнение при еднаква мощност са по-големи по размер от вторите поради по-ниската ефективност (18% срещу 22%). Но са с около десет процента по-евтини и се ползват с предимно търсене.

За правилата и нюансите при избора на слънчеви батерии за енергийно захранване на автономно отопление можете да прочетете тук.

Схема на работа на слънчевото електрозахранване

Когато погледът премине по загадъчно звучащите названия на възлите, които са част от системата за захранване със слънчева светлина, идва мисълта за свръхтехническата сложност на устройството.

На микроравнище на живота на фотона това е така. А наглед общата схема на електрическата верига и принципът на нейното действие изглеждат много просто. От небесното светило до «лампочката на Илич» има само четири стъпки.

Слънчевите модули – първата съставна част на електроцентралата. Това са тънки правоъгълни панели, сглобени от определен брой стандартни пластини-фотоелементи. Производителите правят фотопанели различни по електрическа мощност и напрежение, кратно на 12 волта.

Устройства с плоска форма удобно се разполагат на отворени за директни лъчи повърхности. Модулните блокове се обединяват чрез взаимни свързвания в хелиобатерия. Задачата на батерията е да преобразува получаваната енергия от слънцето, като извежда постоянен ток с определена стойност.

Устройствата за натрупване на електрически заряд – акумулатори за слънчеви батерии са известни на всички. Ролята им вътре в системата за енергозахранване от слънцето е традиционна. Когато домашните консуматори са свързани към централизирана мрежа, енергонакопителите се зареждат с електричество.

Те също така акумулират неговите излишъци, ако за осигуряване на мощността, консумирана от електроуредите, е достатъчен токът на слънчевия модул.

Акумулаторният блок подава на веригата необходимото количество енергия и поддържа стабилно напрежение, веднага щом потреблението в нея нарасне до повишена стойност. Същото се случва например през нощта при неработещи фотопанели или по време на слаба слънчева светлина.

Схемата за енергоосигуряване на дома с помощта на слънчеви батерии се различава от вариантите с колектори по възможността да натрупва енергия в акумулатор.

Контролерът – електронен посредник между соларния модул и акумулаторите. Неговата роля е да регулира нивото на заряд на акумулаторните батерии. Уредът не допуска тяхното прегряване от презареждане или падане на електрическия потенциал под определена норма, необходима за стабилната работа на цялата хелиосистема.

Обръщащ, така буквално се обяснява звученето на термина инвертор за слънчеви батерии. Да, наистина, този възел изпълнява функция, която някога е изглеждала на електротехниците фантастична.

Той преобразува постоянния ток на соларния модул и акумулаторите в променлив с потенциална разлика 220 волта. Именно такова напрежение е работно за по-голямата част от битовите електроуреди.

Потокът на слънчева енергия е пропорционален на положението на светилото: при монтажа на модулите е добре да се предвиди регулиране на ъгъла на наклон в зависимост от сезона.

Пиково натоварване и среднодневна консумация на енергия

Удоволствието да притежаваш собствена хелиостанция струва все още немалко. Първата стъпка по пътя към обладаването на силата на слънчевата енергия – определяне на оптималното пиково натоварване в киловати и рационалното средносуточно енергопотребление в киловатчаса на домашното или вилното стопанство.

Пиковото натоварване се създава от необходимостта за едновременно включване на няколко електрически уреда и се определя от тяхната максимална обща мощност, като се вземат предвид завишените пускови характеристики на някои от тях.

Изчисляването на максимума на консумираната мощност позволява да се установи кои електроуреди се нуждаят жизнено от едновременна работа и кои не толкова. На такъв показател се подчиняват мощностните характеристики на възлите на електростанцията, тоест крайната цена на устройството.

Дневната консумация на енергия на електроуред се измерва като произведение на неговата индивидуална мощност по времето, през което е работил от мрежата (потребявал електроенергия) в рамките на денонощието. Общото среднодневно енергопотребление се изчислява като сума от изразходваната електрическа енергия от всеки консуматор за денонощен период.

Последващият анализ и оптимизация на получените данни за натоварванията и енергопотреблението ще осигурят необходимата комплектация и последващата работа на слънчевата енергийна система с минимални разходи.

Резултатът от потреблението на енергия помага да се подходи рационално към разхода на слънчево електричество. Итогът от изчисленията е важен за по-нататъшното изчисляване на капацитета на акумулаторите. От този параметър цената на акумулаторния блок, немалко струващ компонент на системата, зависи още повече.

Ред за изчисляване на енергийните показатели

Процесът на изчисленията буквално започва с хоризонтално разположен, на квадратчета, разгънат тетраден лист. С леки моливни линии от листа се получава бланк с тридесет колони и редове според броя на домашните електроуреди.

Подготовка за аритметични изчисления

Първата колона се чертае традиционно – пореден номер. Вторият стълб – наименование на електроуреда. Третият – неговата индивидуална консумирана мощност.

Стълбовете от четвърти до двадесет и седми – часовете на денонощието от 00 до 24. В тях през хоризонтална дробна черта се вписват:

• в числител – времето на работа на уреда в периода на конкретния час в десетичен вид (0,0);
• в знаменател – отново неговата индивидуална консумирана мощност (това повторение е необходимо за изчисляване на часовите натоварвания).

Двадесет и осмата колоничка – общото време, през което работи домакинският уред в рамките на денонощието. В двадесет и деветата – се записва личното енергопотребление на уреда като резултат от умножението на индивидуалната консумирана мощност по времето на работа за денонощния период.

Съставянето на разгърната спецификация на консуматорите с отчитане на часовите натоварвания ще помогне да се запазят повече обичайни уреди, благодарение на рационалното им използване.

Тридесетата колона също е стандартна – забележка. Тя ще бъде полезна за междинни пресмятания.

Съставяне на спецификация на потребителите

Следващият етап на изчисленията – превръщане на тетрадния бланк в спецификация на битовите консуматори на електроенергия. С първата колона е ясно. Тук се поставят поредните номера на редовете.

Във втория стълб се вписват наименованията на консуматорите на енергия. Препоръчително е да се започне попълването с електроуредите на антрето. След това се описват другите помещения срещу или по часовниковата стрелка (който както му е удобно).

Ако има втори (и т.н.) етаж, процедурата е същата: от стълбището – в кръг. При това не трябва да се забравят уредите на стълбищните площадки и уличното осветление.

Третата графа с посочване на мощността срещу името на всеки електрически уред е по-добре да се попълва успоредно с втората.

Колоните от четвърта до двадесет и седма съответстват всяка на своя час от денонощието. За удобство те могат да бъдат очертани с хоризонтални линии по средата на редовете. Получените горни половини на редовете са като числители, а долните – знаменатели.

Тези колони се попълват ред по ред. Числителите избирателно се оформят като времеви интервали в десетичен формат (0,0), отразяващи времето на работа на дадения електроуред в съответния конкретен часови период. Паралелно там, където се поставят числителите, се вписват знаменатели с показателя на мощността на уреда, взет от третата колона.

След като всички часови колони са попълнени, се пристъпва към пресмятане на индивидуалното денонощно работно време на електроуредите, като се върви по редовете. Резултатите се фиксират в съответните клетки на двадесет и осмата колонка.

В случай, когато слънчевата електроцентрала играе спомагателна роля, за да не работи системата на празен ход, част от натоварването може да се свърже към нея за постоянно захранване.

На основата на мощността и работното време последователно се изчислява денонощното енергопотребление на всички потребители. То се отбелязва в клетките на двадесет и деветата колона.

Когато всички редове и колони на спецификацията са попълнени, се извършват изчисления на крайните резултати. Като се събират по колони мощностите от знаменателите на часовите колони, се получават натоварванията за всеки час. След сумиране отгоре надолу на индивидуалните денонощни енергопотребления на двадесет и деветата колонка, се намира общото средноденонощно.

Изчислението не включва собственото потребление на бъдещата система. Този фактор се отчита с помощен коефициент при последващите крайни изчисления.

Анализ и оптимизация на получените данни

Ако захранването от хелиоелектростанцията се планира като резервно, данните за почасовите потребявани мощности и за общото средноденонощно енергопотребление помагат да се минимизира разходът на скъпо слънчево електричество.

Това се постига чрез изключване на енергоемките потребители от употреба до момента на възстановяване на централизираното електроснабдяване, особено в часовете на максимални натоварвания.

Ако слънчевата енергийна система се проектира като източник на постоянно електроосигуряване, тогава резултатите от часовите натоварвания излизат на преден план. Важно е така да се разпредели потреблението на електричество през денонощието, че да се премахнат силно преобладаващите максимуми и силно спадащите минимуми.

Изключване на пиковете, изравняване на максималните натоварвания, премахване на резките спадове на енергопотреблението във времето позволяват да се подберат най-икономичните варианти на възлите на слънчевата система и осигуряват стабилна, и най-вече безаварийна дългосрочна работа на хелиостанцията.

Графикът ще разкрие неравномерността на потреблението на енергия: нашата задача е да изместим максимумите към времето на най-голямата слънчева активност и да намалим общия дневен разход, особено нощния.

Представеният чертеж показва превръщането на получения въз основа на съставената спецификация нерационален график в оптимален. Показателят за дневно потребление е намален от 18 на 12 kWh, средночасовата дневна натовареност от 750 на 500 W.

Същият принцип на оптималност ще бъде полезен при използване на варианта за захранване от слънцето като резервен. Излишно е да се харчат средства за увеличаване на мощността на слънчевите модули и акумулаторните батерии заради известно временно неудобство, вероятно не си струва.

Подбор на възли на хелиоелектрическата централа

За опростяване на изчисленията ще бъде разглеждана версията за използване на слънчевата батерия като основен източник на електрическа енергия за вилата. Като потребител ще се яви условна вилна къща в Рязанска област, където постоянно живеят от март до септември.

Нагледност на разсъжденията ще придадат практическите изчисления, основаващи се на данните от публикувания по-горе рационален график на почасовото потребление на енергия:

• Общо среднодневно потребление на енергия = 12 000 вата/час.
• Средна натовареност на потреблението = 500 вата.
• Максимална натовареност = 1200 вата.
• Пикова натовареност = 1200 х 1,25 = 1500 вата (+25%).

Стойностите ще са необходими в изчисленията на общия капацитет на слънчевите уреди и другите работни параметри.

Определяне на работното напрежение на хелиосистемата

Вътрешното работно напрежение на всяка слънчева система се основава на кратност спрямо 12 волта, като най-разпространения номинал на акумулаторните батерии. Най-широко възлите на слънчевите централи: слънчеви модули, контролери, инвертори – се произвеждат за популярните напрежения 12, 24, 48 волта.

По-високото напрежение позволява използването на захранващи проводници с по-малко сечение – а това е повишена надеждност на контактите. От друга страна, повредените акумулатори на мрежата 12V могат да бъдат заменяни един по един.

В 24-волтовата мрежа, предвид спецификата на експлоатация на акумулаторните батерии, ще трябва да се извършва замяна само по двойки. Мрежата 48V ще изисква смяна на всичките четири батерии от един клон. Освен това, при 48 волта вече съществува опасност от токов удар.

При еднакъв капацитет и приблизително равна цена трябва да се закупуват акумулатори с най-голяма допустима дълбочина на разреждане и с по-голям максимален ток

Основният избор на номиналното вътрешно напрежение на системата е свързан с мощностните характеристики на произвежданите от съвременната промишленост инвертори и трябва да отчита големината на пиковата натовареност:

• от 3 до 6 kW – 48 волта,
• от 1,5 до 3 kW – 24 или 48V,
• до 1,5 kW – 12, 24, 48V.

Избирайки между надеждността на окабеляването и неудобството от смяната на акумулаторите, за нашия пример ще се спрем на надеждността. Впоследствие ще изхождаме от работното напрежение на изчисляваната система от 24 волта.

Комплектоване на батерията със слънчеви модули

Формулата за изчисляване на необходимата мощност от слънчевата батерия изглежда така:

Рсм = ( 1000 * Есут ) / ( к * Син ),

където:

• Рсм = мощност на слънчевата батерия = обща мощност на слънчевите модули (панели, W),
• 1000 = приетата светлочувствителност на фотоелектрическите преобразуватели (kW/m²)
• Есут = необходимост от дневно потребление на енергия (kWh, в нашия пример = 18),
• к = сезонен коефициент, отчитащ всички загуби (лято = 0,7; зима = 0,5),
• Син = таблична стойност на инсолацията (потока на слънчева радиация) при оптимален наклон на панелите (kWh/m²).

Стойността на инсолацията може да се получи от регионалната метеорологична служба.

Оптималният ъгъл на наклон на слънчевите панели е равен на стойността на географската ширина на местността:

• през пролетта и есента,
• плюс 15 градуса – през зимата,
• минус 15 градуса – през лятото.

Разглежданата в нашия пример Рязанска област се намира на 55-та ширина.

Най-голямата мощност на слънчевите батерии се постига чрез използване на системи за проследяване, сезонна промяна на ъгъла на наклон на панелите, прилагане на смесен диферент на модулите

За избрания период от март до септември най-добрият нерегулируем наклон на слънчевата батерия е равен на летния ъгъл 40⁰ спрямо земната повърхност. При такава инсталация на модулите средната дневна инсолация на Рязан през този период е 4,73. Всички цифри са налични, нека направим изчислението:

Рсм = 1000 * 12 / ( 0,7 * 4,73 ) ≈ 3 600 вата.

Ако вземем за основа на слънчевата батерия 100-ватови модули, то ще са необходими 36 броя. Те ще тежат около 300 килограма и ще заемат площ с размери приблизително 5 х 5 м.

Изпитани на практика монтажни схеми и варианти за свързване на слънчеви батерии са представени тук.

Оборудване на акумулаторния енергиен блок

При избора на акумулаторни батерии трябва да се ръководите от следните постулати:

1. НЕ са подходящи за тази цел обикновените автомобилни акумулатори. Батериите на слънчевите електроцентрали са маркирани с надпис «SOLAR».
2. Акумулаторите трябва да се закупуват само еднакви по всички параметри, за предпочитане от една фабрична партида.
3. Помещението, в което се намира акумулаторният блок, трябва да е топло. Оптималната температура, при която батериите дават пълна мощност, е 25⁰C. При намаляването ѝ до -5⁰C капацитетът на акумулаторите намалява с 50%.

Ако вземем за изчисление показателен акумулатор с напрежение 12 волта и капацитет 100 ампер/час, не е трудно да се изчисли, че за цял час той може да осигури енергия на потребители с обща мощност 1200 вата. Но това е при пълно разреждане, което е крайно нежелателно.

За дълготрайна работа на акумулаторните батерии НЕ се препоръчва зарядът им да се намалява под 70%. Граничната стойност е 50%. Приемайки числото 60% за „златна среда“, поставяме в основата на следващите изчисления енергиен запас от 720 Wh на всеки 100 Ah от капацитивната компонента на акумулатора (1200 Wh x 60%).

Възможно е закупуването на един акумулатор с капацитет 200 Ah да излезе по-евтино от закупуването на два по 100 Ah, а и броят на контактните връзки на батериите ще намалее.

Първоначално акумулаторите трябва да се инсталират 100% заредени от стационарен източник на ток. Акумулаторните батерии трябва да покриват напълно натоварванията през тъмната част на денонощието. Ако времето не е благоприятно, те трябва да поддържат необходимите параметри на системата и през деня.

Важно е да се вземе предвид, че излишъкът от акумулатори ще доведе до постоянното им недозареждане. Това значително ще намали експлоатационния им живот. Най-рационалното решение изглежда да бъде оборудването на блока с батерии с енергиен запас, достатъчен за покриване на едно денонощно потребление на енергия.

За да разберем необходимия общ капацитет на батериите, разделяме общото дневно потребление на енергия 12 000 Wh на 720 Wh и умножаваме по 100 Ah:

12 000 / 720 * 100 = 2500 Ah ≈ 1600 Ah

Общо за нашия пример ще са необходими 16 акумулатора с капацитет 100 Ah или 8 по 200 Ah, свързани последователно-паралелно.

Избор на добър контролер

Грамотният подбор на контролера за зареждане на акумулаторните батерии (АКБ) е доста специфична задача. Неговите входни параметри трябва да съответстват на избраните слънчеви модули, а изходното напрежение – на вътрешната разлика на потенциалите на соларната система (в нашия пример – 24 волта).

Добрият контролер задължително трябва да осигурява:

1. Многостепенно зареждане на АКБ, което многократно удължава ефективния им експлоатационен живот.
2. Автоматично взаимно включване-изключване на АКБ и слънчевата батерия в корелация със зареждането-разреждането.
3. Прехвърляне на товара от АКБ към слънчевата батерия и обратно.

Този малък по размер възел е много важен компонент.

Ако част от консуматорите (например осветлението) се прехвърлят на директно захранване от 12 волта от контролера, инверторът ще е необходим с по-малка мощност, следователно по-евтин.

От правилния избор на контролер зависи безаварийната работа на скъпоструващия акумулаторен блок и балансираността на цялата система.

Подбор на инвертор с най-добро изпълнение

Инверторът се избира с такава мощност, че да може да осигурява дълготрайно пиково натоварване. Неговото входно напрежение трябва да съответства на вътрешната разлика на потенциалите на соларната система.

За по-добър вариант на избор се препоръчва да се обърне внимание на параметрите:

1. Форма и честота на изходния променлив ток. Колкото по-близки са до синусоида от 50 херца, толкова по-добре.
2. КПД на уреда. Колкото по-висок е процентът над 90%, толкова по-чудесно.
3. Собствената консумация на уреда. Трябва да се съразмерява с общото енергопотребление на системата. Идеално – до 1%.
4. Способност на възела да издържа на краткотрайни двойни претоварвания.

Най-отличното изпълнение – инвертор с вградена функция на контролер.

Сглобяване на битова хелиосистема

Направихме ви фото-подборка, която нагледно демонстрира процеса на сглобяване на битова хелиосистема от изработените в завода модули:

Изводи и полезно видео по темата

Видео #1. Показване на инсталиране на слънчеви батерии на покрива на къща със собствени ръце:

Видео #2. Избор на акумулаторни батерии за хелиосистема, видове, разлики:

Видео #3. Вилна слънчева електроцентрала за тези, които всичко правят сами:

Разгледаните поетапни практически похвати на изчисленията, основният принцип на ефективната работа на съвременна слънчева панелна батерия в състава на домашна автономна хелиостанция ще помогнат на собствениците и на голяма къща в гъстонаселен район, и на вилна къщичка в глуха местност да придобият енергийна суверенност.

Искате ли да споделите личен опит, който сте получили по време на изграждане на мини хелиосистема или само батерия? Възникнали са въпроси, на които бихте искали да получите отговор, намерили сте недостатъци в текста? Оставяйте, моля, коментари в разположения по-долу блок.