Как сделать расчет солнечных батарей для частного дома

Установка солнечных батарей

Если вы решили устанавливать панели самостоятельно специалисты рекомендуют следовать основным правилам монтажа:

Расположение генератора должно быть направлено на сторону максимального освещения в течение светового дня. При этом здания, расположенные близ дома не должны создавать батареям тень. Наиболее подходящее место для их установки считается крыша дома. Если монтировать панели на крышу не представляется возможным, их устанавливают на специальные стойки во дворе.

Если дом расположен на северном полушарии, плиты желательно монтировать в южном направлении. Угол наклона определяется географическими координатами и сезонностью (его можно рассчитать посредством онлайн-калькулятора)

Для наших зон угол наклона генератора относительно горизонта должен равняться 30-45 градусов.

При установке большого количества генераторов более одного ряда, расстояние между рядами должно превышать 1/7 высоты ряда.

Важно учитывать метеоусловия. Атмосферные осадки снижают выработку энергии в разы или сводят ее к нулю

Поэтому немаловажно обеспечить беспрепятственный доступ к батареям для их очистки.

Не рекомендуется применять какие-либо крепежные элементы в процессе монтажа панелей. Все необходимы крепежи следует приобретать в одном месте одновременно с батареями. Каждый блок укомплектован специальными отверстиями для определенных крепежей.

Схема работы солнечных батарей

Расчет аккумуляторов для солнечной электростанции

Далее перейдем к расчёту ёмкости аккумуляторной батареи для солнечных панелей. Их количестов и емкость должна быть такой, чтобы энергии которая в них запасается хватило на темное время суток, стоит учесть что ночью потребление электроэнергии минимально, по сравнению с дневной активностью.

Аккумулятор на 100А.ч. запасает примерно 100А * 12В = 1200Вт. (лампочка на 100Вт. проработает от такого акб 12 часов). Так если за ночь вы потребляете 2,4кВт.ч. электричества, то вам необходимо установить 2 АКБ по 100А.ч. (12В), но тут стоит учитывать что аккумуляторы нежелательно разряжать на 100%, а лучше не более 70%-50%. Исходя из этого получаем, что 2 АКБ по 100А.ч. будут запасать 2400 * 0,7 = 1700Вт.ч. Это верно при разряде не большими токами, при подключении мощных потребителей происходит просадка напряжения и емкость по факту уменьшается.

Если вы хотите рассчитать, какая емкость аккумулятора нужна к солнечной батари, ниже приводим таблицу соответствия (для системы 12В.):

Солнечная батарея 50Вт. — АКБ 20-40А.ч.
100Вт. — 50-70А.ч.
150Вт. — 70-100А.ч.
200Вт. — 100-130А.ч.
300Вт. — 150-250А.ч.

Расчет количества солнечных батарей и их мощности

Так как солнечные панели вырабатывают электрическую энергию только в светлое время суток, то это необходимо учесть в первую очередь, так же стоит понимать, что выработка в пасмурные дни и зимой очень сильно снижается, и может составлять 10-30 процентов от мощности панелей. Для простоты и удобства мы будем делать расчет с апреля по октябрь, по времени суток основная выработка идет с 9 до 17 часов, т.е. 7-8 часов в день. В летнее время интервалы конечно будут больше, с восхода до заката, но в эти часы выработка будет значительно меньше номинала, поэтому мы усредняем.

Итак 4 солнечные батареи мощностью 250Вт. (всего 1000Вт). За день выработают 8кВт.ч энергии, т.е. в месяц это 240кВт.ч. Но это идеальный расчет, как мы говорили выше, в пасмурные дни выработка будет меньше, поэтому можно лучше взять 70% от выработки, 240 * 0,7 = 168 кВт.ч. Это усредненный расчет без потерь в инверторе и аккумуляторных батареях. Так же это значение можно применить для рассчета сетевой солнечной электростанции где не используются аккумуляторные батареи.

Как рассчитать необходимую мощность солнечной электростанции

В настоящее время, т.к. “зеленый тариф” еще не вступил в силу (он будет введен весной 2020 г.) сетевая солнечная электростанция окупится максимально быстро, если вы будете использовать всю вырабатываемую солнечными модулями энергию, и излишков не будет, ведь сейчас они просто теряются. Понять необходимую мощность достаточно легко.

Самое главное, понять ваше среднемесячное потребление. Легче всего это сделать посмотрев свои “платежки” за электричество. В них указан месячный расход электроэнергии. Сетевая солнечная электростанция работает в светлое время суток, когда светит солнце и не замещает ночное потребление, но надо учитывать, что ночью тариф существенно дешевле, поэтому мы как раз экономим на дневном, дорогом тарифе. Исходя из вышесказанного, мы понимаем, что 100% потребления сетевая солнечная электростанция не заместит, обычно мы можем говорить о замещении 60-70% потребления, т.к. остальная часть приходится на вечернее-ночное время. И так, разберем на примере, как рассчитать оптимальную мощность сетевой солнечной электростанции для экономии электроэнергии:

По платежкам мы видим, что среднее потребление весна-осень — 550 кВт*ч, а зимой потребление доходит до 1000 кВт*ч. Зимнее потребление практически всегда выше летнего, но т.к. солнце лучше “работает” именно весна-осень, мы рекомендуем подбирать мощность солнечной электростанции, именно исходя из летнего потребления, чтобы по максимуму экономить летом и проецировать сэкономленные кВт*ч на зиму, если мы будем стараться закрыть именно зимнее потребление, то нам потребуется такая мощность электростанции, которая будет давать очень большой избыток, не используемой энергии, в летний период, это будет актуально только с введение “зеленого тарифа”, поэтому сейчас лучше подбирать мощностьсолнечной электростанции, именно для своих нужд и минимальным количеством излишней энергии. С введением “зеленого” тарифа, мощность солнечной электростанции можно будет увеличить, тем более наша компания предлагает очень легкий способ масштабирования солнечных электростанций!
И так, мы ориентируемся на максимальное замещение весенне-осеннего потребления, и можем замещать около 70%, т.к. остальные кВт*ч мы потребляем в вечернее и ночное время. Общее среднемесячное дневное потребление составляет 550 кВт* 0,7 = 385 кВт*ч в месяч, среднесуточное дневное потребление 385 кВт*ч / 30 = 12,8 кВт*ч. И так, нам надо получать 12,8 кВт*ч электроэнергии в день, чтобы максимально заместить дневное электропотребление в доме и экономить на более дорогом дневном тарифе. В среднем в Подмоковье за 8 месяцев (март-октябрь) уровень инсоляции равен 4,2 кВт*ч/м2 в сутки (по данным NASA Surface meteorology and Solar Energy). Поэтому, мы делим требуемое количество кВт*ч — 12,8 на уровень инсоляции и получаем требуемую мощность:

12,8/4,2=3,04.

То есть оптимальна для нас Сетевая солнечная электростанция 3 кВт

Ниже мы приведем сравнительный график потребления на объекте и выработки станции (исходя из цифр выше).

Как мы видим, даже с таким расчетом летом у нас будут излишки, и солнечная электростанция будет генерировать более 400 кВт*ч в месяц, при требуемых 385 кВт*ч, суммарно по году солнечная электростанция заместит до 50% всего потребления на объекте.

И если раньше за год, при тарифе 6 руб./кВт*ч, вы платили 8300*6= 49 800 рублей, то с установкой солнечной электростанции станете платить (8300-3806,5)*6=27 561 рубль. И экономить 22 239 рублей в год!

С учетом минимального срока службы солнечной электростанции 25 лет, за это время вы сможете сэкономить более550.000 рублей , и это без учета ежегодного роста тарифа, а растут они постоянно и стабильно!

В этой статье вы сможете прочитать про сроки окупаемости сетевой солнечной электростанции, а здесь ознакомиться с реальными цифрами по результатам работы одной из солнечных электростанций смонтированных нашей компанией.

Также вы можете воспользоваться калькулятором для расчета требуемой мощности, но в настоящее время он вам покажет мощность требуемую с учетом зимнего времени (то есть максимальную). Поэтому лучше всего обратиться за расчетом к нашим инженерам, они смогут рассчитать максимально эффективное решение, осуществить бесплатный выезд на объект, для замера реального текущего потребления и согласовать варианты и место установки солнечной электростанции, для ее оптимальной работы.

Дополнительные устройства для эксплуатации

Важной особенностью солнечной батареи является сильная зависимость ее выходного напряжения и максимального тока от освещенности. Сделав своими руками батарею с расчетным напряжением в 12В, можно будет обнаружить, что ее реальное напряжение будет колебаться от 9В при слабом и косо падающем свете до 18-19В при ярком прямом освещении

Напрямую подключать солнечную батарею к аккумулятору нельзя – это может привести к перезаряду и выкипанию электролита, если используется свинцово-кислотный аккумулятор. Для герметичных гелевых аккумуляторов перезаряд еще более страшен и приводит к необратимому повреждению.

Во избежание перезаряда аккумуляторных батарей используются специальные контроллеры заряда. Наиболее простые схемы просто отключают аккумулятор по мере набора заряда, а сама зарядка идет лишь тогда, когда напряжение на солнечной батарее выше, чем на аккумуляторе (так называемая схема On-Off). По соображениям безопасности отключение зарядки происходит заведомо раньше полного набора емкости, в среднем на 70 процентах. Более совершенные зарядные устройства на основе ШИМ (широтно-импульсной модуляции, также PWM от Pulse Width Modulation) поддерживают заряд аккумулятора практически на 100%, переходя по мере набора емкости в импульсный режим. Самые сложные и дорогие контроллеры MPPT (Maximum Power Point Tracking, отслеживание точки максимальной мощности) также отслеживают и состояние самой батареи, включая ее температуру, для обеспечения максимального КПД.

Китайские контроллеры заряда производства фирм наподобие EP Solar обойдутся недорого по сравнению с самой солнечной батареей: блок 12В/5А стоит около 1100 р., более мощные и совершенные американские блоки Morningstar имеют цену от 8 тысяч рублей.

Но подобное устройство можно собрать и самостоятельно при наличии соответствующих навыков в радиоэлектронике. Ниже приведена простая схема повышающего контроллера, способного обеспечивать заряд аккумулятора от шестивольтовой солнечной батареи:

Для подстройки максимального напряжения на выходе служит подстроечный резистор R2.

Для солнечных батарей, рассчитанных на 12В, можно использовать следующую схему:

Здесь MainLoad– разъем для подключения аккумулятора, AuxLoad– для дополнительной нагрузки, требующей ограничения напряжения (например, зарядное устройство телефона). Достоинство этой схемы – возможность ее использования с различными типами аккумуляторов, определяемыми положением переключателя:

1.Обслуживаемый свинцово-кислотный аккумулятор
2.Необслуживаемый аккумулятор
3.Батарея литиевых аккумуляторов (3 аккумулятора по 4,1 В)

Что считать дальше?

Необходимо определить сколько радиации в год выпадает конкретно в вашей местности, где Вы живёте и где расположен дом. Такие показатели можно либо запросить у метеорологической службы, либо найти таблицы по вашей местности в интернете. Кстати у Google есть отличный сервис, позволяющий определять уровень солнечной радиации, однако он доступен далеко не во всех странах. Поэтому всё же самый простой вариант — найти таблицы во всемирной паутине. Вот некоторые из них, солнечная радиации указана в “кВт·ч/м²/день”:

Средний месячный уровень солнечной радиации в России

Средний месячный уровень солнечной радиации в Украине

Средний месячный уровень солнечной радиации в Беларуси

Идём дальше: как рассчитать мощность солнечной батареи? К примеру посмотрим в таблице показания по Киеву. Здесь самые эффективные месяца в плане инсоляции — это май и июль, с показателем 5,25. Ещё один важный момент — это учёт потерь зарядки аккумулятора. Этот показатель можно посмотреть в документации к оборудованию или узнать у специалистов, но зачастую этот показатель около 20%. То есть нам нужно сделать в расчётах “нахлёст” на перерасход зарядки и разрядки аккумулятора. Таким образом, этот показатель будет 1,2 — где 1(или 100%) — это наших посчитаных 5200 Вт·ч в сутки потребления, а 0,2(20%) — это перерасход на аккумулятора. Итак пример:

W=5200×1,2=6240 Вт·ч или 6,24 кВтч

Теперь дальше. Следующая формула основана на поправочных коэффициентах, для лета — это 0,5, а для зимы — 0,7. Эти коэффициенты помогут вычислить выработку одной панели в сутки. В зависимости от времени года и уровня инсоляции. Итак, к примеру, мы устанавливаем панели с мощностью в 130 Вт:

W= 0,5× 130×5,25=341,25 Втч W=0,7× 130×0,86=78,26 Втч

Где соответственно первая формула отображает выработку в летний, самый эффективный месяц в году(данные взяты из таблицы). Вторая формула — для самого не эффективного зимнего месяца.

Теперь необходимо разделить 6240 Вт·ч, полученные в первом примере, разделить на полученные результаты во второй и третьей формуле:

N=6240/341,25=18,3 N=6240/78,26=79,73

Итак полученные результаты — это наше количество необходимых панелей для выработки заданного показателя энергии. Соответственно для летнего периода понадобится 18 панелей, а для зимнего периода 80. Вот настолько могут быть разные показатели для разных периодов года. Конечно, такие расчёты не совсем точны и по факту есть ещё очень много факторов, которые влияют на выработку энергии. О них Вы можете почитать в статье про установку солнечных батарей.

На эффективность могут существенно повлиять угол наклона панелей, наличие приводов, которые разворачивают панели к солнцу или их отсутствие. Напоследок хочется сказать, что вряд ли батареи будут способны снабдить Ваш дом необходимой энергией, только если у Вас не предусмотрены большие площади под солнечные батареи. Но всё же главный плюс батарей состоит в том, что Вы всегда можете нарастить мощность, добавляя новые панели. Или же заменив одни солнечные элементы на другие, более мощные.

Шаг 5: Выбор инвертора

Солнечные батареи получают солнечные лучи и конвертируют их в электричество, они являются источниками постоянного тока (DC), также как аккумуляторная батарея, а нам для подключения розеток требуется переменный ток с напряжением 220В. Постоянный ток (DC) преобразуется в переменный ток (AC) через устройство под названием инвертор.

Виды волн переменного тока на выходе инвертора:

Прямоугольная волна – меандр;
Модифицированная синусоида;
Чистая синусоида.

Инвертор прямоугольной волны дешевле всех, но подходит не для всех приборов. Инвертор модифицированной синусоиды тоже не предназначен для обеспечения электричеством приборов с электромагнитными или ёмкостными компонентами, типа: микроволновых печей; холодильников; различных типов электродвигателей. Инверторы с модифицированной синусоидой работают с меньшей эффективностью, чем инверторы с чистой синусоидой.

Мы рекомендуем выбирать инверторы с чистой синусоидой.

Параметры инвертора:

Мощность инвертора должна быть равной или больше, чем мощность всех приборов нагрузки, включенных одновременно;
Если есть приборы с пусковыми токами (электродвигатели), нельзя чтобы она превышала максимальную мощность инвертора с учетом других электропотребителей;
Предположим, что у нас будет: телевизор (50Вт) + вентилятор (50Вт) + настольная лампа (10Вт) = 110Вт;
Чтобы иметь запас по мощности, выбираем инвертор от 150Вт. Так как наша система 12В, мы должны выбрать инвертор постоянного тока 12В в 220В/50Гц переменного тока с чистой синусоидой.

Примечание: Такая техника как стиральная машина, холодильник, фен, пылесос и т.д. имеют начальную потребляемую мощность во много раз больше, чем их нормальная рабочая мощность. Как правило, это вызвано наличием электрических двигателей или конденсаторов в таких приборах

Это должно быть принято во внимание при выборе мощности преобразователя (инвертора).

Как рассчитать мощность солнечных батарей для дома. Жми!

Невысокий КПД солнечных батарей – один из основных недостатков современных гелиосистем. На сегодняшний день один квадратный метр фотоэлемента способен вырабатывать около 15-20 % от мощности падающего на него излучения.

Такая выработка требует установку батарей больших размеров для полноценного электроснабжения. Более того, чтобы достичь необходимого выходного напряжения, панели соединяются между собой последовательно или параллельно. Их площадь при этом может достигать от нескольких квадратных метров.

КПД солнечных панелей зависит от целого ряда причин:

материал фотоэлемента;
плотность солнечного потока;
время года;
температура;
и др.

Давайте подробнее поговорим о каждом факторе.

Материал фотоэлемента

Виды солнечных батарейСолнечные преобразователи делятся на три вида, в зависимости от метода образования атома кремния:

поликристаллические;
монокристаллические;
панели из аморфного кремния.

Поликристаллические панели изготовлены из чистого кремния и отличаются сравнительно высоким КПД – 14-17%.

Монокристаллические панели менее эффективны в преобразовании солнечной энергии. Их коэффициент полезного действия около 10-12 %. Но невысокие энергозатраты на изготовление таких преобразователей делает их более доступными.

Тонкопленочные батареи также изготавливают с нанесением частиц меди, индия, галлия и селена. Это немного увеличивает их производительность.

Работа в любую погоду

График зависимости мощности от погодных условийДанный показатель зависит от географического расположения панели: чем ближе к экватору, тем выше плотность солнечного излучения.

Зимой производительность фотоэлементов может снизиться от 2 до 8 раз. Это объясняется, прежде всего, скоплением на них снега, сокращением продолжительности и количества солнечных дней.

Важно помнить: в зимнее время следить за наклоном панелей т. к

солнце находится ниже обычного.

Условия эффективной работы

Чтобы батарея работала эффективно, нужно учесть несколько нюансов:

угол наклона батареи к солнцу;
температуру;
отсутствие тени.

Угол между рабочей поверхностью преобразователя и солнечными лучами должен быть близок к прямому. В таком случае эффективность фотоэлементов при прочих равных условиях будет максимальна. Чтобы увеличить КПД дополнительно к ним устанавливают систему слежения за солнцем, которая меняет наклон относительно положения светила. Но подобное встречается нечасто из-за дороговизны оборудования.

В процессе работы многие батареи нагреваются, что плохо сказывается на качестве преобразования энергии солнца в электрическую. Во избежание потерь необходимо оставлять пространство между устройством и опорной поверхностью. Это позволит потоку воздуха свободно проходить и охлаждать преобразователи.

Важно знать: необходимо протирать панели 2-3 раза в год, очищая их от пыли и тем самым увеличивая проходимость лучей солнца. КПД фотоэлементов непосредственно зависит от количества попадающего на них солнечного света

И очень важно предусмотреть правильный монтаж преобразователей с полным отсутствием теней, падающих на рабочую поверхность. В противном случае может пострадать эффективность всей системы в целом. Как правило, батареи устанавливаются с южной стороны

КПД фотоэлементов непосредственно зависит от количества попадающего на них солнечного света

Как правило, батареи устанавливаются с южной стороны.

Есть батареи с 40% кпд, о них смотрите в следующем видео:

https://youtube.com/watch?v=pKscGXyZOi8

Солнечная батарея — что это такое

Следует заметить, что постоянно появляются разработки солнечных элементов, использующих новейшие материалы и технологии. Это позволяет постепенно устранять недостатки, присущие солнечным батареям или уменьшать их влияние. Так, КПД новейших элементов, использующих органические и полимерные модули, достигает уже 35% и есть ожидания достижения 90%, а это делает возможным при тех же размерах батареи получить много бòльшую мощность, либо, сохранив энергоотдачу, значительно уменьшить габариты батареи.

Кстати, средний КПД автомобильного двигателя не превышает 35%, что позволяет говорить о достаточно серьёзной эффективности солнечных панелей.

Появляются разработки элементов на основе нанотехнологий, одинаково эффективно работающих под разными углами падающего света, что избавляет от необходимости их позиционирования.

Таким образом, уже сегодня можно говорить о преимуществах солнечных батарей по сравнению с другими источниками энергии:

- Отсутствие механических преобразований энергии и движущихся частей.
- Минимальные расходы на эксплуатацию.
- Долговечность 30~50 лет.
- Тишина при работе, отсутствие вредных выбросов. Экологичность.
- Мобильность. Батарея для питания ноутбука и зарядки аккумулятора для светодиодного фонарика вполне поместится в небольшом рюкзаке.
- Независимость от наличия постоянных источников тока. Возможность подзарядки аккумуляторов современных гаджетов в полевых условиях.
- Нетребовательность к внешним факторам. Солнечные элементы можно разместить в любом месте, на любом ландшафте, лишь бы они достаточно освещались солнечным светом.

Разновидности

Эффективность и производительность солнечных панелей зависят от конструкции отдельных элементов. Существует несколько разновидностей:

Монокристаллические. Изготавливаются из одного монокристалла, выращенного из кремния в определенных условиях. Представляют собой тонкий поперечный срез. КПД составляет 17–22 %. Это самые дорогие и качественные элементы. Внешне выглядят как черные прямоугольники со скошенными краями.
Поликристаллические. Разработаны для того, чтобы снизить себестоимость и конечную цену элементов. Изготавливаются из расплава кремния, состоящего из множества кристаллических образований. КПД составляет 12–18 %. Характеристики этих элементов несколько снижены, но и цена более доступная для массового покупателя. Внешне они представляют собой синие прямоугольники.
Аморфные элементы. Эти элементы имеют более слабые характеристики, чем моно- или поликристаллические конструкции. Однако, они намного дешевле, что позволяет получить общую мощность аморфных солнечных панелей, не уступающую более производительным конструкциям. Разница только в количестве элементов. Аморфные солнечные батареи изготавливаются из разных материалов, могут быть жесткими или гибкими. Особенностью таких панелей является способность работать в пасмурную погоду, когда освещенность низкая.

Самыми производительными панелями считаются арсенид-галлиевые, но их обычно не учитывают в общей классификации. Они слишком дорогие, поэтому для частных пользователей не доступны.

Кроме этого, существуют одно- и двухсторонние солнечные батареи, способные поглощать свет одной или обеими сторонами. Однако, пока применения двусторонним панелям не найдено, так как для использования одновременно обеих сторон требуется отражающая система. Она сложна в изготовлении и настройке, дешевле использовать большее количество обычных панелей.

Какие солнечные электростанции подходят для частного дома

Полностью автономные солнечные электростанции созданы для домов, не подключенных к централизованному электроснабжению. Днем автономная система снабжает дом электричеством и заряжает аккумуляторы, которые возьмут на себя обеспечение хозяйства энергией в ночное время.

Сетевые солнечные электростанции не накапливают электроэнергию, они работают параллельно с внешней сетью по приоритетной схеме. Дом в основном снабжается от солнечных модулей, а внешняя сеть используется только ночью, при плохой погоде или при недостатке мощности. Нередко ими компенсируют и недостаток выделенной мощности – это распространенная проблема в дачных поселках, сильно ограничивающая степень комфорта в загородном доме.

Автономная СЭС при необходимости может быть легко модернизирована до автономно-гибридной, которая будет сочетать преимущества обоих описанных выше типов. Этот тип станции может работать параллельно с сетью, обеспечивая функцию резервного питания на случай отключения централизованной подачи.

Мощность инвертора и потери в нем

Теперь что касается инвертора, он тоже имеет свой КПД а это порядка 75-90%, т.е. все полученные величины выработки энергии и запаса можно относить к этим процентам. В итоге лучше брать двойной запас емкости для аккумуляторов, Так при потреблении 2400Вт.ч за ночь, устанавливать 4 АКБ емкостью 100А.ч. 100А*12В*4 = 4800Вт.ч. Мощность инвертора показывает номинальную нагрузку которую можно подключить к нему, т.е количество и тип бытовых приборов.

В Итоге получаем солнечную электростанцию на 2,5кВт:

Солнечные батареи 4шт. по 250Вт. Выработка в месяц 170 -240кВт.ч (36тыс.руб.)
АКБ по 100А.ч. 4 шт. запас до 4800 Вт. (AGM аккумуляторы 50тыс.руб.)
Инвертор 2,4кВт номинальная мощность подключаемого оборудования (27тыс.)

Итого 113 тыс. руб. за комплект оборудования.