Слънчеви батерии за градината и дома: видове, принципи на работа и процедура за изчисляване на слънчеви системи

Науката ни даде време, когато технологията за използване на слънчева енергия е станала публично достъпна.Всеки собственик има възможност да се снабди със слънчеви панели за своя дом. Летните жители не изостават по този въпрос. Те често се оказват далеч от централизирани източници на устойчиво захранване.

Предлагаме ви да се запознаете с информацията, представяща устройството, принципите на работа и изчислението на работните блокове на слънчевата система. Запознаването с информацията, която предлагаме, ще ви доближи до реалността на осигуряването на вашия обект с естествено електричество.

За ясно разбиране на предоставените данни са приложени подробни диаграми, илюстрации, снимки и видео инструкции.

Устройство и принцип на работа на слънчева батерия

Някога любознателните умове откриха за нас природни вещества, произведени под въздействието на частици светлина от слънцето, фотони, електрическа енергия. Процесът се нарича фотоелектричен ефект. Учените са се научили да контролират микрофизичните явления.

Въз основа на полупроводникови материали те създадоха компактни електронни устройства - фотоклетки.

Производителите са усвоили технологията за комбиниране на миниатюрни преобразуватели в ефективни слънчеви панели. Ефективността на модулите от силициев слънчев панел, широко произвеждани от индустрията, е 18-22%.

От описанието на диаграмата ясно се вижда: всички компоненти на електроцентралата са еднакво важни - координираната работа на системата зависи от техния компетентен избор

Слънчева батерия се сглобява от модули. Това е крайната точка на пътуването на фотоните от Слънцето към Земята. Оттук тези компоненти на светлинното излъчване продължават своя път вътре в електрическата верига като частици на постоянен ток.

Те се разпределят между батерии или се трансформират в заряди от променлив електрически ток с напрежение 220 волта, който захранва всякакви домашни технически устройства.

Слънчевата батерия е комплекс от последователно свързани полупроводникови устройства - фотоклетки, които преобразуват слънчевата енергия в електрическа.

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

Видове соларни модули

Слънчевите панели-модули се сглобяват от слънчеви клетки, иначе известни като фотоелектрически преобразуватели. FEPs от два вида са намерили широко приложение.

Те се различават по видовете силиконови полупроводници, използвани за тяхното производство, а това са:

• Поликристален. Това са слънчеви клетки, направени от разтопен силиций чрез дългосрочно охлаждане. Простият метод на производство прави цената достъпна, но производителността на поликристалната версия не надвишава 12%.
• Монокристален. Това са елементи, получени чрез нарязване на изкуствено отгледан силициев кристал на тънки пластини. Най-продуктивният и скъп вариант. Средната ефективност е около 17%; можете да намерите монокристални слънчеви клетки с по-висока производителност.

Поликристалните слънчеви клетки имат плоска квадратна форма с нееднородна повърхност. Монокристалните разновидности изглеждат като тънки квадрати с еднаква повърхностна структура с изрязани ъгли (псевдоквадрати).

Ето как изглеждат FEPs - фотоволтаични преобразуватели: характеристиките на соларния модул не зависят от вида на използваните елементи - това се отразява само на размера и цената

Панелите на първата версия със същата мощност са по-големи от вторите поради по-ниската ефективност (18% срещу 22%). Но средно те са с десет процента по-евтини и са много търсени.

Можете да научите за правилата и нюансите на избора на слънчеви панели за доставка на автономна отоплителна енергия. прочетете тук.

Схема на работа на соларното захранване

Когато погледнете мистериозно звучащите имена на компонентите, които изграждат системата за захранване със слънчева светлина, мисълта идва за свръхтехническата сложност на устройството.

На микронивото на фотонния живот това е вярно. И визуално общата схема на електрическата верига и принципът на нейната работа изглеждат много прости. Има само четири стъпки от небесното тяло до „крушката на Илич“.

Слънчевите модули са първият компонент на една електроцентрала. Това са тънки правоъгълни панели, сглобени от определен брой стандартни фотоклетки. Производителите правят фотопанели с различна електрическа мощност и напрежение, кратно на 12 волта.

Устройствата с плоска форма са удобно разположени върху повърхности, отворени за директни лъчи. Модулните блокове се комбинират чрез взаимни връзки в слънчева батерия. Задачата на батерията е да преобразува получената слънчева енергия, произвеждайки постоянен ток с определена стойност.

Устройства за съхранение на електрически заряд - батерии за слънчеви панели известен на всички. Тяхната роля в системата за доставка на слънчева енергия е традиционна. Когато домакинските потребители са свързани към централизирана мрежа, устройствата за съхранение на енергия съхраняват електроенергия.

Те също акумулират неговия излишък, ако токът на соларния модул е ​​достатъчен, за да осигури мощността, консумирана от електрическите уреди.

Батерийният блок доставя необходимото количество енергия на веригата и поддържа стабилно напрежение, веднага щом потреблението му нарасне до повишена стойност. Същото се случва например през нощта, когато фотопанелите не работят или при слабо слънчево време.

Схемата за енергоснабдяване на дом, използващ слънчеви панели, се различава от опциите с колектори в способността да съхранява енергия в батерия

Контролерът е електронен посредник между соларния модул и батериите.Неговата роля е да регулира нивото на заряд на батериите. Устройството не им позволява да кипнат поради презареждане или спад на електрическия потенциал под определена норма, необходима за стабилна работа на цялата слънчева система.

Обръщайки се, така буквално звучи терминът соларен инвертор. Да, всъщност това устройство изпълнява функция, която някога е изглеждала фантастична на електроинженерите.

Преобразува постоянния ток на соларния модул и батериите в променлив ток с потенциална разлика 220 волта. Това е работното напрежение за по-голямата част от домакинските електрически уреди.

Потокът от слънчева енергия е пропорционален на положението на осветителното тяло: при инсталиране на модули е добре да се предвиди регулиране на ъгъла на наклон в зависимост от времето на годината

Пиково натоварване и средна дневна консумация на енергия

Удоволствието да притежаваш собствена соларна станция все още си струва много. Първата стъпка по пътя към овладяване на мощността на слънчевата енергия е да се определи оптималното пиково натоварване в киловати и рационалното средно дневно потребление на енергия в киловатчасове за домакинство или селска къща.

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

Изчисляването на максималната консумация на енергия ви позволява да определите кои електрически уреди се нуждаят от едновременна работа и кои не са толкова жизненоважни. Характеристиките на мощността на компонентите на електроцентралата, тоест общата цена на устройството, са предмет на този показател.

Ежедневната консумация на енергия на един електроуред се измерва чрез произведението на неговата индивидуална мощност и времето, през което е работил от мрежата (консумирана електроенергия) през деня. Общата средна дневна консумация на енергия се изчислява като сбор от електроенергия, консумирана от всеки потребител за дневен период.

Последващият анализ и оптимизиране на получените данни за натоварвания и консумация на енергия ще осигури необходимата конфигурация и последваща работа на слънчевата енергийна система при минимални разходи

Резултатът от потреблението на енергия помага за рационален подход към потреблението на слънчева електроенергия. Резултатът от изчисленията е важен за по-нататъшно изчисляване на капацитета на батерията. Цената на батерийния пакет, който е важен компонент на системата, зависи още повече от този параметър.

Процедурата за изчисляване на енергийните показатели

Процесът на изчисления буквално започва с хоризонтално разположен, квадратен, разгънат лист от тетрадка. С леки линии с молив от листа се получава формуляр с тридесет колони и линии според броя на домакинските електроуреди.

Подготовка за аритметични изчисления

Първата колона е традиционна - пореден номер. Втората колона е името на електрическия уред. Третото е неговата индивидуална консумация на енергия.

Колони от четвърта до двадесет и седма са часовете от денонощието от 00 до 24 часа. В тях през хоризонтална дробна черта се вписват:

• в числителя – времето на работа на уреда за определен час в десетична форма (0,0);
• знаменателят отново е неговата индивидуална консумация на енергия (това повторение е необходимо за изчисляване на почасовите натоварвания).

Двадесет и осмата колона е общото време, през което домакинското устройство работи през деня.В двадесет и деветия - личната консумация на енергия на устройството се записва в резултат на умножаване на индивидуалната консумация на енергия по времето на работа за дневен период.

Изготвянето на подробна потребителска спецификация, като се вземат предвид почасовите натоварвания, ще помогне да се запазят повече от обичайните устройства, благодарение на рационалното им използване

Тридесетата колона също е стандартна - бел. Ще бъде полезно за междинни изчисления.

Изготвяне на потребителски спецификации

Следващият етап от изчисленията е трансформирането на формата на тетрадката в спецификация за битови потребители на електроенергия. Първата колона е ясна. Тук се въвеждат поредните номера на линиите.

Втората колона съдържа имената на потребителите на енергия. Препоръчително е да започнете да запълвате коридора с електрически уреди. По-долу са описани други стаи обратно на часовниковата стрелка или по посока на часовниковата стрелка (както е удобно за вас).

Ако има втори (и т.н.) етаж, процедурата е същата: от стълбите - наоколо. В същото време не трябва да забравяме за устройствата на стълбищните клетки и уличното осветление.

По-добре е да попълните третата колона, като посочите мощността срещу името на всяко електрическо устройство, заедно с втората.

Колони от четвърта до двадесет и седма съответстват на всеки час от деня. За удобство можете веднага да ги изчертаете с хоризонтални линии в средата на линиите. Получените горни половини на линиите са като числители, долните са знаменатели.

Тези колони се попълват ред по ред. Числителите са селективно форматирани като времеви интервали в десетичен формат (0,0), отразяващи времето на работа на даден електрически уред в определен часови период. Успоредно с това, където се въвеждат числителите, се въвеждат знаменателите с показателя за мощността на устройството, взет от третата колона.

След попълване на всички колони за часове се преминава към изчисляване на индивидуалното дневно работно време на електроуредите, като се премества ред по ред. Резултатите се записват в съответните клетки на двадесет и осмата колона.

В случай, че слънчевата електроцентрала играе спомагателна роля, така че системата да не работи на празен ход, част от товара може да бъде свързан към нея за постоянна мощност

На база мощност и работни часове последователно се изчислява дневната консумация на енергия на всички консуматори. Отбелязва се в клетките на двадесет и деветата колона.

Когато всички редове и колони на спецификацията са попълнени, се изчисляват сумите. Чрез събиране на графиките на мощността от знаменателите на часовите колони се получават натоварванията на всеки час. Като се сумира индивидуалната дневна консумация на енергия от двадесет и деветата колона отгоре надолу, се намира общата средна дневна стойност.

Изчислението не включва собственото потребление на бъдещата система. Този фактор се взема предвид от спомагателния коефициент при следващите окончателни изчисления.

Анализ и оптимизация на получените данни

Ако захранването от слънчева електроцентрала е планирано като резервно, данните за почасовото потребление на енергия и общото средно дневно потребление на енергия спомагат за минимизиране на потреблението на скъпо слънчево електричество.

Това се постига чрез изключване от употреба на енергоемки консуматори до възстановяване на централизираното електрозахранване, особено в часовете с пиково натоварване.

Ако слънчевата енергийна система е проектирана като източник на постоянно захранване, тогава резултатите от почасовите натоварвания излизат напред.Важно е да разпределите консумацията на електроенергия през целия ден по такъв начин, че да елиминирате преобладаващите високи и много ниски ниски нива.

Премахването на пиковите натоварвания, изравняването на максималните натоварвания и елиминирането на резки спадове в потреблението на енергия във времето позволяват да се изберат най-икономичните опции за компонентите на слънчевата система и да се осигури стабилна и най-важното безпроблемна дългосрочна работа на слънчевата станция.

Графиката ще разкрие неравномерността на потреблението на енергия: нашата задача е да изместим максимумите към времето на най-голяма слънчева активност и да намалим общото дневно потребление, особено през нощта.

Представеният чертеж показва превръщането на ирационален график, получен на базата на спецификация, в оптимален. Ежедневната консумация е намалена от 18 на 12 kW/h, среднодневното часово натоварване от 750 на 500 W.

Същият принцип на оптималност е полезен, когато използвате опцията за слънчева енергия като резервна. Може би не си струва да харчите твърде много пари за увеличаване на мощността на слънчевите модули и батерии в името на някакво временно неудобство.

Избор на компоненти за слънчева електроцентрала

За да опростим изчисленията, ще разгледаме версията за използване на слънчева батерия като основен източник на електрическа енергия за градината. Потребителят ще бъде условна селска къща в района на Рязан, където постоянно пребивават от март до септември.

Практически изчисления, базирани на данните от публикувания по-горе рационален график за почасово потребление на енергия, ще дадат яснота на разсъжденията:

• Обща средна дневна консумация на енергия = 12 000 вата/час.
• Средна консумация на товар = 500 вата.
• Максимално натоварване 1200 вата.
• Пиково натоварване 1200 x 1,25 = 1500 вата (+25%).

Стойностите ще бъдат необходими при изчисляване на общия капацитет на слънчевите устройства и други работни параметри.

Определяне на работното напрежение на соларната система

Вътрешното работно напрежение на всяка слънчева система се основава на кратно на 12 волта, което е най-често срещаният рейтинг на батерията. Най-широко използваните компоненти на соларни станции: соларни модули, контролери, инвертори се произвеждат за популярни напрежения от 12, 24, 48 волта.

По-високото напрежение позволява използването на захранващи проводници с по-малко напречно сечение - а това означава повишена надеждност на контакта. От друга страна, повредените 12V батерии могат да се сменят една по една.

В 24-волтова мрежа, като се има предвид спецификата на работа на батериите, ще трябва да ги смените само по двойки. 48V мрежа ще изисква смяна на четирите батерии на един клон. Освен това при 48 волта вече има опасност от токов удар.

Със същия капацитет и приблизително същата цена трябва да закупите батерии с най-високата допустима дълбочина на разреждане и по-висок максимален ток

Основният избор на номиналната стойност на вътрешната потенциална разлика на системата е свързан с мощностните характеристики на инверторите, произвеждани от съвременната индустрия, и трябва да вземе предвид големината на пиковото натоварване:

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

Избирайки между надеждността на окабеляването и неудобството от смяната на батериите, за нашия пример ще се съсредоточим върху надеждността. Впоследствие ще започнем от работното напрежение на изчислената система, 24 волта.

Оборудване на батерията със соларни модули

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

Рcm = (1000 * Esut) / (k * Sin),

Където:

• Rcm = мощност на слънчева батерия = обща мощност на слънчеви модули (панели, W),
• 1000 = приета фотоволтаична чувствителност (kW/m²)
• Esut = изискване за дневна консумация на енергия (kWh, в нашия пример = 18),
• k = сезонен коефициент, отчитащ всички загуби (лято = 0,7; зима = 0,5),
• Syn = таблична стойност на изолация (поток на слънчева радиация) при оптимален наклон на панелите (kW*h/m²).

Можете да разберете стойността на слънчевата светлина от вашата регионална метеорологична служба.

Оптималният ъгъл на наклон на слънчевите панели е равен на географската ширина на района:

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

Районът Рязан, разглеждан в нашия пример, се намира на 55-та ширина.

Най-високата мощност на слънчевите панели се постига чрез използване на системи за проследяване, сезонни промени в ъгъла на наклона на панелите и използване на смесени трим модули

За времето, взето от март до септември, най-добрият нерегулиран наклон на слънчевия панел е равен на летен ъгъл от 40⁰ спрямо повърхността на земята. С тази инсталация на модули средната дневна инсолация на Рязан през този период е 4,73. Всички числа са там, нека направим изчислението:

Rcm = 1000 * 12 / (0,7 * 4,73) ≈ 3600 вата.

Ако вземем 100-ватови модули като основа за слънчевата батерия, тогава ще ни трябват 36 от тях. Те ще тежат 300 килограма и ще заемат площ с размери около 5 х 5 м.

Тествани на място диаграми на свързване и опции за свързване на соларни панели са дадени тук.

Подреждане на акумулаторен захранващ блок

Когато избирате батерии, трябва да се ръководите от следните принципи:

1. Обикновените автомобилни акумулатори НЕ са подходящи за тази цел. Батериите на слънчевите електроцентрали са маркирани с надпис “SOLAR”.
2. Трябва да купувате само батерии, които са идентични във всички отношения, за предпочитане от една и съща фабрична партида.
3. Стаята, в която се намира батерията, трябва да е топла. Оптималната температура, когато батериите произвеждат пълна мощност = 25⁰C. Когато падне до -5⁰C, капацитетът на батерията намалява с 50%.

Ако вземете представителна 12-волтова батерия с капацитет 100 ампера/час за изчисление, лесно можете да изчислите, че тя може да осигури енергия на потребителите с обща мощност от 1200 вата за цял час. Но това е с пълно освобождаване от отговорност, което е изключително нежелателно.

За дълготраен живот на батериите НЕ се препоръчва да намалявате заряда им под 70%. Лимит = 50%. Приемайки числото 60% като „златна среда“, ние базираме следващите изчисления на енергиен резерв от 720 Wh за всеки 100 Ah от капацитивния компонент на батерията (1200 Wh x 60%).

Може би закупуването на една батерия с капацитет 200 Ah ще струва по-малко от закупуването на две батерии по 100 Ah и броят на контактните връзки на батерията ще бъде намален

Първоначално батериите трябва да бъдат инсталирани 100% заредени от стационарен източник на захранване. Акумулаторните батерии трябва напълно да покриват товарите на тъмно. Ако нямате късмет с времето, поддържайте необходимите системни параметри през деня.

Важно е да се има предвид, че излишъкът от батерии ще доведе до тяхното постоянно недозареждане. Това значително ще намали експлоатационния живот. Най-рационалното решение изглежда е оборудването на уреда с батерии с енергиен резерв, достатъчен за покриване на едно дневно потребление на енергия.

За да разберете необходимия общ капацитет на батерията, разделете общата дневна консумация на енергия от 12000 Wh на 720 Wh и умножете по 100 A*h:

12 000 / 720 * 100 = 2500 A*h ≈ 1600 A*h

Общо за нашия пример ще ни трябват 16 батерии с капацитет 100 или 8 от 200 Ah, свързани последователно-паралелно.

Избор на добър контролер

Компетентен подбор контролер за зареждане на батерията (AKB) е много специфична задача. Входните му параметри трябва да съответстват на избраните соларни модули, а изходното напрежение трябва да съответства на вътрешната потенциална разлика на слънчевата система (в нашия пример 24 волта).

Добрият контролер трябва да осигурява:

1. Многостепенно зареждане на батериите, което удължава многократно ефективния им експлоатационен живот.
2. Автоматично взаимно, акумулаторно и соларно свързване-разединяване в зависимост от заряд-разряд.
3. Повторно свързване на товара от батерията към слънчевата батерия и обратно.

Тази малка единица е много важен компонент.

Ако някои консуматори (например осветление) се превключят на директно захранване от 12 волта от контролера, ще е необходим по-малко мощен инвертор, което означава по-евтин

Правилният избор на контролер определя безпроблемната работа на скъпата батерия и баланса на цялата система.

Избор на най-добрия инвертор

Инверторът е избран с такава мощност, че да може да осигури дългосрочно пиково натоварване. Неговото входно напрежение трябва да съответства на вътрешната потенциална разлика на слънчевата система.

За най-добрата опция за избор се препоръчва да се обърне внимание на следните параметри:

1. Форма и честота на подавания променлив ток. Колкото по-близо до синусоида от 50 херца, толкова по-добре.
2. Ефективност на устройството. Колкото по-високи са 90%, толкова по-прекрасно.
3. Собствена консумация на уреда. Трябва да съответства на общата консумация на енергия на системата. В идеалния случай - до 1%.
4. Способността на възел да издържа на краткотрайни двойни претоварвания.

Най-добрият дизайн е инвертор с вграден контролер.

Монтаж на битова соларна система

Направихме ви селекция от снимки, която ясно демонстрира процеса на сглобяване на домакинска слънчева система от фабрично произведени модули:

Изводи и полезно видео по темата

Видео #1. Направи си сам демонстрация на инсталиране на слънчеви панели на покрива на къща:

Видео #2. Избор на батерии за соларна система, видове, разлики:

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

Разгледаните стъпка по стъпка практически методи за изчисление, основният принцип на ефективната работа на модерна слънчева батерия като част от домашна автономна слънчева станция ще помогнат на собствениците както на голяма къща в гъсто населен район, така и на селска къща в пустинята, за да придобият енергиен суверенитет.

Бихте ли искали да споделите личния си опит, който сте натрупали по време на изграждането на мини соларна система или просто батерии? Имате ли въпроси, на които искате да получите отговор или сте открили недостатъци в текста? Моля, оставете коментари в блока по-долу.