Мой личный опыт использования солнечных панелей без подключения к РЭС
- Энергия и элементы питания
В статье описывается самый обычный эксперимент с получением электрической энергии от солнца.
Предыстория
Захотел я переехать из города на природу. Требования были следующие:- Недалеко от Киева, рассматривались участки до 30км
- Недалеко от родителей моих и супруги, которые остаются в Киеве
- Поменьше людей, побольше природы.
Первый опыт был интересным. Фундамент мы заливали с помощью генератора FIRMAN на 950Вт, небольшой бетономешалки (40л) и по выходным. Все это помещалось в Славуту. Был построен небольшой дом 18м2+чердак, на простом каркасе, в котором мы сейчас и обитаем время от времени. В основном в теплое время, конечно. Рядом в селе снимаем кусок дома на зимнее время. Речь и пойдет об электрификации этого дома.
Начало
Были куплены две солнечные панели китайского производства по 180Вт каждая. Был куплен контроллер ШИМ EPSOLAR на 20А. Два свинцово-кислотных аккумулятора по 100Ач достались по очень льготной цене и инвертор FORT FX55. Позднее мне еще подарили автомобильный преобразователь 12-220 на 300Вт. А до этого я еще купил на 150Вт без вентиляторный автомобильный преобразователь.С оборудованием разобрались.
Вот снимок характеристик одной панели:
Вот то, что панели выдают на ХХ:
Фотография сразу после установки на крышу:
Быт, потребление
Живу я, сами понимаете, ИТ-жизнью. Убежденный фрилансер, периодически пытаюсь создать что-то большее чам самостоятельный фриланс. Кому интересно, можете зайти ко мне в гостиВсе вышеописанное питает: Macbook Pro 2010, телефоны, книжки, планшеты, 3G-роутер, принтер HP LaserJet 1020. Зарядка шуруповерта, насосная станция для воды 1100Вт, пару прожекторов на улицу с датчиками движения и освещенности. Освещение в доме светодиодное 12В.
Есть так же генератор 2,5КВт Кентавр. 4-х тактный. Масло отдельно, а 95-й бензин отдельно. Расход 0,5л в час. Очень экономно получется. На нем сейчас работает бетономешалка, когда она требуется.
На кухне в мелком доме сейчас стоит газовый баллон на 4,8л, без редуктора. Типа «туристический», но работает постоянно. Хватает на две недели при готовке три раза в день. Мимо АГЗС проезжаю регулярно, так что с заправкой проблем нет.
Вот как мое хозяйство выглядело этой зимой:
Большой дом и планы на него
Как я уже писал, изначально планировалась сеть для него, поэтому куплен инвертор FORT FX55 (3500Вт / 5500Вт пусковой). Крыша спроектирована под 20 солнечных панелей 180Вт, что бы они «стали на угол 50 градусов». Широта у меня такая. Где-то вычитал, что на нашей широте и ставить надо под углом 50 градусов - это самый оптимальный угол. Аккумуляторы куплю гелевые, поставлю отдельный новый контроллер.Будет печка, с которой я на освещение буду снимать зимой электричество (см. ru.wikipedia.org/wiki/Элемент_Пельтье). Так же с печки будет «снято»: горячая вода, водяное отопление (пол + батареи). Печка будет «двухколпаковая». Для эстетики добавлю камин.
На кухне газовая плита и газовая же (ох, и трудно было найти) духовка. Встроенная в мебель.
Вопросы? Комментарии?
Оговорюсь сразу, что несмотря на 4 балла по ТОЭ, основы электротехники я совсем не помню. Ну разве что закон Ома, который является частным случаем Второго правила Кирхгофа. Все делалось по логике и вычитанному из интернета.
Взвесив все положительные и отрицательные моменты использования альтернативных источников энергии, и выбрав использование последних в качестве основного поставщика электрического тока к потребляющим электроприборам, можно приступать к установке модулей на их будущее место работы: то есть балкон или крышу своего дома. Казалось бы, что может быть проще, но возникает вполне логичный вопрос - как соединить так, чтобы максимально и, по возможности, без потерь использовать возможности .
Значение школьного курса физики
Вспоминая обязательную школьную программу по физике, можно отметить, что возможны три варианта соединения :
- параллельное,
- последовательное,
- смешанное, или как его еще называют последовательно-параллельное.
Название каждого соединения возвращает в прошлое на уроки физики. Даже если не получается вспомнить точное определение каждому из указанных терминов, почти все смогут нарисовать или хотя бы своими словами объяснить основные отличия той или иной схемы подключения.
Схема соединения солнечных источников энергии подчиняется все тем же законам школьной физики. Казалось бы, солнечные батареи - высокотехнологичный агрегат, еще недавно бывший основой для написания фантастических произведений, должен подключаться также непонятно, как и сам процесс фотосинтеза, происходящий в панелях, но это далеко не так.
Параллельное соединение солнечных панелей обеспечивает такое подключение моделей, при котором все элементы имеют два общих узла схождения или разветвления проводников. То есть, в каком бы месте и последовательности не происходило соединение выводов солнечных батарей, все минусовые и плюсовые клеммы сойдутся в двух основных точках: соответственно плюс и минус.
Последовательное соединение солнечных модулей дает возможность соединить элементы таким образом, чтобы для протекания электрического тока остался единственно возможный путь, по которому и будет происходить передача энергоносителя от источника к потребителю. Схема выглядит как цепочка нескольких солнечных батарей, соединенных через один проводник таким образом, чтобы выходной конец одной батареи соединялся с входной клеммой другой, и так от первой до последней панели.
Смешанная схема соединения позволяет соединять солнечные батареи одновременно двумя способами. При таком совмещении вариантов некоторые панели формируются в отдельные блоки, имеющие параллельное соединение, а затем эти блоки соединяются между собой последовательно или наоборот.
Отличия в работе модулей соединенных разными схемами
Каждая схема подключения солнечных батарей обеспечивает их бесперебойную работу. Но есть интересные особенности, которые помогут более разумно распорядиться не только самой солнечной электроэнергией, но и сэкономить на отдельных составных элементах всей цепочки автономного электропитания.
На практике это выглядит следующим образом. К примеру, необходимая - 360 Вт. Для набора этой мощности, помимо самих солнечных панелей, можно приобрести пару инверторов напряжением 12 В и мощностью 180 Вт. Соединив эти приборы с помощью параллельного соединения можно выйти на заданную мощность.
Конечно, 360 Вт крайне не достаточно для обеспечения жилой площади достаточным количеством электричества. Поэтому применяются несколько инверторов необходимой мощности.
Но следует помнить, что повышение мощности приведет к увеличению нагрузки на проводящие элементы.
Все это пагубно сказывается на пожарной безопасности, так как неверно рассчитанное сечение провода может привести к плачевным последствиям. Именно поэтому необходимо перед установкой нужны теоретические расчеты о количестве инверторов и их мощности.
Что касается последовательно соединенных солнечных батарей, то тут экономическая составляющая заключается в том, что один инвертор на 24 В, стоит дороже чем два по 12 В. Но установив последние инверторы параллельно, невозможно добиться схемы с напряжением 24 В или 36 В. Зато при последовательной конфигурации можно использовать несколько относительно дешёвых модулей по 12 В.
По такому же принципу выполняется соединение всех элементов солнечных батарей, начиная от самих панелей и заканчивая накопителями, то есть аккумуляторами.
В настоящее время существует множество поставщиков составляющих электросетей для сборки солнечных модулей. Достаточно широкий спектр поможет найти необходимые элементы, которые могут работать по любой из описанных схем.
Альтернативная энергетика становится все доступнее. Эта статья даст вам полное представление о солнечной энергетике локальных масштабов, видах фотоэлементов и панелей, принципах построения солнечных ферм и экономической обоснованности.
Особенности солнечной энергетики в средних широтах
Для жителей средних широт альтернативная энергетика весьма привлекательна. Даже в северных широтах среднегодовая суточная доза излучения составляет 2,3-2,6 кВт·ч/м 2 . Чем ближе к югу — тем выше этот показатель. В Якутске, например, интенсивность солнечного излучения составляет 2,96, а в Хабаровске — 3,69 кВт·ч/м 2 . Показатели в декабре составляют от 7% до 20% от среднегодового значения, а в июне и июле возрастают вдвое.
Вот пример расчета эффективности солнечных панелей для Архангельска — региона с одним из самых низких показателей интенсивности солнечного излучения:
- Q — среднегодовое количество солнечной радиации в регионе (2,29 кВт·ч/м 2);
- К откл — коэффициент отклонения поверхности коллектора от южного направления (среднее значение: 1,05);
- P ном — номинальная мощность солнечной панели;
- К пот — коэффициент потерь в электроустановках (0,85-0,98);
- Q исп — интенсивность излучения, при которой панель испытывалась (обычно 1000 кВт·ч/м 2).
Последние три параметра указываются в паспорте панелей. Таким образом, если в условиях Архангельска работают панели KVAZAR с номинальной мощностью 0,245 кВт, а потери в электроустановке не превышают 7%, то один блок фотоэлементов обеспечит генерацию в размере около 550 Вт·ч. Соответственно, для объекта с номинальным потреблением 10 кВт·ч понадобится около 20 панелей.
Экономическая обоснованность
Сроки окупаемости солнечных панелей посчитать несложно. Умножьте суточное количество производимой энергии в сутки на количество суток в году и на срок эксплуатации панелей без снижения мощности — 30 лет. Рассмотренная выше электроустановка способна генерировать в среднем от 52 до 100 кВт·ч в сутки в зависимости от продолжительности светового дня. Среднее значение составляет около 64 кВт·ч. Таким образом, за 30 лет электростанция в теории должна выработать 700 тыс. кВт·ч. При одноставочном тарифе в 3,87 руб. и стоимости одной панели около 15 000 руб, затраты окупятся за 4-5 лет. Но реальность более прозаична.
Дело в том, что декабрьские значения солнечной радиации меньше среднегодовых примерно на порядок. Поэтому для полностью автономной работы электростанции зимой требуется в 7-8 раз больше панелей, чем летом. Это существенно увеличивает вложения, но уменьшает срок окупаемости. Перспектива введения «зеленого тарифа» выглядит вполне ободряюще, но даже на сегодняшний день можно заключить договор на поставку электроэнергии в сеть по оптовой цене, которая втрое ниже розничного тарифа. И даже этого достаточно, чтобы выгодно продавать 7-8 кратный излишек выработанной электроэнергии в летний период.
Основные типы солнечных панелей
Существует два основных типа солнечных панелей.
Твердые кремниевые фотоэлементы считаются элементами первого поколения и наиболее распространены: около 3/4 рынка. Их существует две разновидности:
- монокристаллические (черного цвета) имеют высокий КПД (0,2-0,24) и малую цену;
- поликристаллические (темно-синего цвета) дешевле в производстве, но менее эффективны (0,12-0,18), хотя при рассеянном свете их КПД снижается меньше.
Мягкие фотоэлементы называют пленочными и изготавливают либо из кремниевого напыления, либо путем многослойной композиции. Кремниевые элементы дешевле в производстве, но их КПД в 2-3 раза ниже кристаллических. Однако при рассеянном свете (сумерки, пасмурность) они эффективнее кристаллических.
Некоторые виды композитных пленок имеют КПД около 0,2 и стоят гораздо больше твердых элементов. Их применение в солнечных электростанциях весьма сомнительно: пленочные панели в большей степени подвержены деградации со временем. Основная область их применения — мобильные энергоустановки с низким потреблением энергии.
Гибридные панели включают помимо блока фотоэлементов также коллектор — систему капиллярных трубок для нагрева воды. Преимущество их не только в экономии площади и возможности горячего водоснабжения. За счет водяного охлаждения фотоэлементы меньше теряют в производительности при нагреве.
Таблица. Обзор производителей
| Модель | SSI Solar LS-235 | SOLBAT MCK-150 | Canadian Solar CS5A-210M | Chinaland CHN300-72P |
| Страна | Швейцария | Россия | Канада | Китай |
| Тип | Поликристалл | Монокристалл | Монокристалл | Поликристалл |
| Мощность при 1000 кВт·ч/м 2 , Вт | 235 | 150 | 210 | 300 |
| Число элементов | 60 | 72 | 72 | 72 |
| Напряжение: холостого хода/при нагрузке, В | 36,9/29,8 | 18/12 | 45,5/37,9 | 36,7/43,6 |
| Ток: при нагрузке/короткого замыкания, А | 7,88/8,4 | 8,33/8,58 | 5,54/5,92 | 8,17/8,71 |
| Вес, кг | 19 | 12 | 15,3 | 24 |
| Размеры, мм | 1650х1010х42 | 667х1467х38 | 1595х801х40 | 1950х990х45 |
| Цена, руб. | 13 900 | 10 000 | 14 500 | 18 150 |
Оборудование гелиоэнергетического комплекса
Батареи генерируют при работе постоянный ток величиной до 40 В. Чтобы использовать его в бытовых целях, требуется ряд преобразований. За это отвечает следующее оборудование:
- Блок аккумуляторных батарей. Позволяет пользоваться выработанной энергией ночью и в часы малой интенсивности. Используются гелиевые аккумуляторы номинальным напряжением 12, 24 или 48 В.
- Контроллеры заряда поддерживают оптимальный цикл работы аккумуляторов и переводят требуемую мощность на питание потребителей. Необходимое оборудование подбирается под параметры батарей и аккумуляторов.
- Инвертор напряжения трансформирует постоянный ток в переменный и имеет ряд дополнительных функций. Во-первых, инвертор устанавливает приоритет источника напряжения, а при недостатке мощности «подмешивает» питание из другого. Гибридные инверторы позволяют также отдавать излишек вырабатываемой энергии в городскую сеть.
1 — солнечные батареи 12 В; 2 — солнечные батареи 24 В; 3 — контроллер заряда; 4 — АКБ 12 В; 5 — освещение 12 В; 6 — инвертор; 7 — автоматика «умного дома»; 8 — блок АКБ 24 В; 9 — аварийный генератор; 10 — основные потребители 220 В
Применение в домашнем хозяйстве
Солнечные панели могут использоваться в абсолютно любых целях: от компенсации получаемой энергии и питания отдельных линий до полной автономизации энергосистемы , включая отопление и горячее водоснабжение. В последнем случае важную роль играет масштабное применение энергосберегающих технологий — рекуператоров и тепловых насосов.
При смешанном использовании гелиоэнергетики используют инверторы. При этом питание может направляться либо на работу отдельных линий или систем, либо частично компенсировать использование городского электричества. Классический пример эффективной энергосистемы — тепловой насос, питаемый небольшой солнечной электростанцией с блоком аккумуляторов.
1 — городская сеть 220 В; 2 — солнечные батареи 12 В; 3 — освещение 12 В; 4 — инвертор; 5 — контроллер заряда; 6 — основные потребители 220 В; 7 — АКБ
Традиционно панели устанавливают на крышах зданий, а в некоторых архитектурных решениях они полностью заменяют кровельное покрытие. При этом панели необходимо ориентировать на южную сторону таким образом, чтобы падение лучей на плоскость было перпендикулярным.
В настоящее время на российском рынке альтернативной энергетики чаще встречаются два типа солнечных батарей: монокристаллические и поликристаллические. Монокристаллические батареи отличаются большей эффективностью преобразования солнечной энергии в электрическую, чем поликристаллические батареи. При этом их стоимость также выше, чем стоимость поликристаллических батарей. Это обусловлено более сложным и дорогостоящим процессом производства.
Еще один немаловажный вопрос, который встает при выборе солнечных батарей - это производитель. Конечно, больше всего солнечных батарей производится в Китае. Есть также батареи европейского и российского производства. Китайские батареи, по большей части значительно дешевле своих европейских и российских аналогов, но при этом среди них чаще встречаются некачественные экземпляры. Несмотря на это, мы остановили свой выбор на солнечных батареях китайской компании Suoyang . Они зарекомендовали себя, как качественный продукт за достаточно приемлемую цену, в чем наши инженеры смогли убедиться лично, побывав на производстве Suoyang к Китае.
Если вы определились с типом солнечных батарей и их производителем, то теперь надо правильно рассчитать необходимую для ваших нужд мощность солнечных модулей. все подробно описано. Зная требуемую мощность солнечных батарей, легко определить необходимое их количество.
Как установить?
Начнем с выбора места. Солнечные батареи можно установить практически в любом месте на крыше загородного дома, на участке рядом с домом и даже на балконе многоквартирного дома. Главное, чтобы были соблюдены основные условия для получения максимальной выработки электроэнергии. Это угол наклона относительно горизонта и ориентация.
Светопоглощающая поверхность солнечных батарей должна быть направлена на юг. Идеальные условия соблюдаются, если солнечные лучи падают на поверхность солнечной батареи под углом 90 о как можно дольше. Подберите оптимальный угол наклона для вашего региона, с учетом времени года, в котором прогнозируется максимальное потребление электроэнергии. Для каждого региона оптимальный угол наклона определяется отдельно. Например, для московского региона оптимальный угол наклона в летний период 15 o -20 о, а в зимний период 60 o -70 o . Для максимально эффективного использования солнечных батарей рекомендуется минимум два раза в год менять угол наклона.
При последовательном подключении, во избежание снижения эффективности, все панели в цепочке должны располагаться на одной плоскости, под одним углом.
Если вы решили установить солнечные батареи не на крыше, а на участке около вашего дома, не забудьте приподнять их от поверхности земли минимум на 50 см (на случай, если зимой выпадет много снега).
Солнечные батареи и тень
Даже небольшая тень негативно сказывается на выработке электричества солнечными батареями. Поэтому массив солнечных батарей рекомендуется размещать в местах не подверженных затененью. На протяжении года, тень меняет свое положение, учтите это при установке. Старайтесь не закрывать солнечные панели дополнительным стеклом, это снижает КПД панели приблизительно на 30%, даже при видимой прозрачности стекла.
Рис. 1. Световое отражение
Вентиляция солнечных батарей
Не устанавливайте нижнюю сторону солнечных батарей вплотную, между панелью и установочной плоскостью должно быть расстояние для циркуляции воздуха. При должной вентиляции нижней поверхности солнечных батарей обеспечивается рассеивание излишнего тепла, которое негативно сказывается на эффективности панелей.
В целях выполнения надежного крепления, солнечные батареи должны быть закреплены, по крайней мере, в четырех точках. Алюминиевая рама крепления рассчитана на крепление по длинной стороне, не следует использовать для крепления короткую сторону.
Рис. 2. Крепление солнечных батарей
Существует несколько способов и крепления солнечных батарей, основные из них: при помощи и при помощи болтового соединения через отверстия на нижней части рамки. Для крепления используйте только специально предусмотренные отверстия в раме панели. Гарантия на солнечные батареи прекращается в случае сверления дополнительных; отверстий, а также внесения изменений в конструкцию. Для крепления солнечных батарей используйте прочный крепеж из коррозионностойких материалов.
Подключение солнечных батарей
Встроенные соединительные провода устойчивы к ультрафиолетовому излучению. Сечение провода составляет 4 мм 2 . Для герметичного подключения на концах проводов предусмотрены .
Рис. 3. Разъемы стандарта МС4
Всегда перед подключением солнечных батарей в систему проверяйте правильность электромонтажа. Проверьте полярность и измерьте напряжение холостого хода массива солнечных батарей, если оно отличается от паспортного значения - есть неправильное соединение.
При подключении солнечных батарей не превышайте технические требования других устройств по максимальному напряжению и допустимому току. Придерживайтесь технических требований производителей инвертора и контроллера заряда.
Не вскрывайте распаячную коробку солнечной батареи. Панели имеют все необходимые провода и соединительные разъемы для подключения к системе.
Для подключения рекомендуется использовать только одножильные медные провода с сечением в зависимости от тока и длины провода, но не менее 4 мм 2 . Изоляция провода должна быть устойчива к ультрафиолетовому излучению. Если используется провод не устойчивый к ультрафиолетовому излучению, то обязательно прокладывайте его в гофре, предназначенной для наружной прокладки. Старайтесь, чтобы провода не попадали под прямые солнечные лучи. Для подключения солнечных батарей используйте только специальные коннекторы стандарта MC4. Соединение провода и коннектора осуществляется с помощью специального обжимного инструмента или пайки.
Как собрать небольшую солнечную электростанцию
Для того чтобы собрать небольшую солнечную электростанцию, вам понадобятся:
- Солнечная батарея;
- Контроллер заряда;
- Аккумулятор (желательно герметичный, если вы планируете установить его в помещении);
- Инвертор для преобразования электрического напряжения 12В в 220В;
- Предохранители для защиты от короткого замыкания (желательно);
- Комплект коннекторов МС4 для подключения солнечной батареи к контроллеру.
Ниже представлена схема небольшой солнечной электростанции.