Солнечная электростанция для дома: принцип работы, правила расчета и установки

ТОП-4 Солнечная электростанция 0.7 кВт*ч в сутки

Комплект предназначен для питания приборов, мощность которых до 600 Вт. Это мобильные телефоны, освещение, ноутбуки, телевизоры, насосы типа «Малыш».

Комплектность

• Батареи солнечной — 100 Вт, 12 В;
• Коннектора – 2 шт. (МС-4);
• Контроллера – 10А;
• Инвертор мощностью 0,6 кВт;
• АКБ – 55 Ач;
• Провода – 3 метра сечением 2х2;
• Схемы с описанием.

Параметры

• Суточная выработка энергии – 0,7 Вт;
• Запасаемая и общая мощность потребителей– 0.4 и 1,2 кВт;
• Тип солнечной панели – монокристалл общей мощностью 0,1 кВт;
• Число панелей – 1;
• Площадь панели -0,7 м. кв.;
• Срок эксплуатации — 30 л;
• Аккумулятор – 1 (33 Ач);
• Размеры — 1000/700/400 мм;
• Масса – 25 кг.

10 кВт

Это уже более серьезный показатель. Солнечная электростанция для дома в 10 кВт действительно способна обеспечить привычный городскому жителю уровень комфорта. Не говоря уже о выходцах из деревни. Как уже было сказано выше, достаточно даже 7 кВт, но три оставшихся все равно будут востребованы для работы отопления, получения горячей воды и многого другого. Ну а если нет, то запас карман не тянет. Если принято решение электрифицировать свой частный дом именно таким образом, то лучше всего останавливать свой выбор именно на станциях такой мощности. Приятным дополнением будет тот факт, что за энергию больше не придется платить. По крайней мере до тех пор, пока на нее не будет введен какой-то дополнительный налог.

Установка фотоэлементов

Устанавливаются они по специальной методике:

• для увеличения производительности выставляется под углом 90 градусов к падающим лучам поверхность блоков;
• допустимая погрешность (учитывая, что Светило движется) от перпендикулярного положения не может превышать 15 градусов;
• при всесезонном пользовании электростанцией, необходимо угол выставить относительно широты в столько же градусов, но со знаком «+», т.е. +15 градусов;
• если предполагается пользоваться станцией только в жаркое время, отталкиваются от значения угла в – 15 градусов.

• Только, установив солнечную батарею под углом в 90 градусов к падающим лучам, можно рассчитывать на максимальную эффективность. Увеличить отдачу до полутора раз возможно, если батарею солнечную закрепить на поворотном устройстве, способном двигаться вслед за перемещением Солнца. Способ рассчитан на небольшие конструкции.

Топливные генераторные установки

Резервным источником электроэнергии могут стать генераторы, работающие на жидком или газообразном топливе (бензин, дизтопливо, газ).

Здесь все просто: установка состоит из двигателя внутреннего сгорания и генератора. Двигатель вращает ротор, и генератор вырабатывает энергию.

Полностью автономной такую систему назвать нельзя, все-таки необходимо топливо, которое еще и дорожает постоянно. Но как резервный источник электроэнергии такие генераторные установки являются самыми оптимальными.

В случае, когда пасмурная погода стоит уже несколько дней или же наблюдается безветрие, всегда можно запустить генераторную установку для восполнения заряда батарей.

Из положительных качеств генераторных установок, работающих от топлива, отмечается постоянная доступность электроэнергии, такие установки сравнительно дешевые, они обеспечивают хороший выход энергии.

К недостаткам же их относится потребность в топливе, что обеспечивает постоянные затраты. Такие установки не могут работать длительный период, а двигатели внутреннего сгорания требуют технического обслуживания.

Также для использования генераторных установок необходимо отведение отдельного помещения и организацию отвода выхлопных газов, ну и, естественно, ни о какой экологичности и речи быть не может.

Как работает солнечная электростанция

Теплоэлектростанция на параболоцилиндрических концентраторах работает по иному принципу. На железную опору установлены параболоцилиндрические зеркала, сконцентрированные на максимальный прием солнечных лучей. В их фокусе расположена светопоглощающая трубка, в которой циркулирует масляный носитель, поступающий в теплообменник с водой. Жидкость быстро нагревается, превращаясь в пар, который вращает турбогенератор. Вакуумные СЭС используют энергию потоков воздуха, за счет разных температур.

Конструкция состоит:

• Из высокой башни;
• Встроенной турбиной с электрогенератором;
• Участком земли, накрытым зеркалами.

Мощность увеличивается по мере нагревания потоков воздуха. Благодаря прогреву земли башня может вырабатывать энергию круглосуточно, что является важным преимуществом в сравнении с другими солнечными аналогами. Для солнечных генераторов основной частью конструкции являются батареи, состоящие из множества тонких пластин кремния, которые преобразовывают солнечные лучи в электроэнергию. Чтобы обеспечить достаточную мощность, необходимо устанавливать несколько батарей. Такие системы обычно применяют для домашнего хозяйства, освещения оранжерей и выставок.

Принцип работы солнечной батареи

В результате перетечки зарядов на границе p- и n- слоев, в n-слое образуется зона нескомпенсированного положительного заряда, а в p-слое – отрицательного заряда, т.е. известный всем из школьного курса физики p-n-переход. Разность потенциалов, возникающая на переходе контактная разность потенциалов (потенциальный барьер) препятствует прохождению электронов с p-слоя, но беспрепятственно пропускает неосновные носители в направлении противоположном, что позволяет получить фото-ЭДС при попадании на ФЭП солнечного света.

При облучении солнечным светом, поглощенные фотоны начинают генерировать неравновесные электронно-дырочные пары. Генерируемые же вблизи перехода электроны, из p-слоя переходят в n-область.

Аналогичным образом попадают в p-слой избыточные дырки и слоя n (рисунок а). Получается, что в p-слое накапливается положительный заряд, а в n- слое – отрицательный, вызывая напряжение во внешней цепи (рисунок б). У источника тока есть два полюса: положительный — p-слой и отрицательный — n-слой.

Это основной принцип работы солнечный элементов. Электроны, таким образом, будто бегают по кругу, т.е. выходят из p-слоя и возвращаются в n-слой, проходя нагрузку (аккумулятор).

Фотоэлектрический отток в однопереходном элементе обеспечивают лишь те электроны, которые обладают энергией выше, чем ширина некой запрещенной зоны. Те же, которые обладают меньшей энергией, в этом процессе не участвуют. Это ограничение снять позволяют структуры многослойные, состоящие из более чем один СЭ, у которых ширина запрещенной зоны различная. Их называют каскадными, многопереходными или тандемными. Фотоэлектрическое преобразование у них выше за счет того, что работают такие СЭ с более широким солнечным спектром. В них фотоэлементы располагаются по мере уменьшения ширины запрещенной зоны. Солнечные лучи вначале попадают на фотоэлемент с самой широкой зоной, при этом происходит поглощение фотонов с наибольшей энергией.

Затем, фотоны, пропущенные верхним слоем, попадают на следующий элемент и т.д. В области каскадных элементов основным направлением исследования является использование в качестве одного компонента или нескольких арсенида галлия. У таких элементов эффективность преобразования составляет 35%. Элементы соединяют в батарею, поскольку изготовить отдельный элемент большого размера (следовательно, и мощности) не позволяют технические возможности.

Солнечные элементы способны работать длительное время. Они себя зарекомендовали как стабильный и надежный источник энергии, пройдя испытания в космосе, где главной опасностью для них является метеорная пыль и радиация, которые приводят к эрозии кремниевых элементов. Но, поскольку, на Земле эти факторы не оказывают на них столь негативного действия, можно предположить, что срок службы элементов будет еще более продолжительным.

Солнечные батареи уже находятся на службе человека, являясь источником питания для различных устройств, начиная от мобильных телефонов и заканчивая электромобилями.

И это уже вторая попытка человека обуздать безграничную солнечную энергию, заставив работать ее себе во благо. Первой попыткой было создание солнечных коллекторов, электричество в которых вырабатывалось за счет нагрева сконцентрированными лучами солнца воды до температуры кипения.

Термальная солнечная электростанция в Испании (город Севилья)

Преимущество солнечных батарей в том, что они непосредственно производят электричество, теряя энергии намного меньше, чем солнечные многоступенчатые коллекторы, в которых процесс ее получения связан с концентраций лучей Солнца, нагревом воды, выделением пара, вращающего паровую турбину и только после этого выработке генератором электричества. Основные параметры солнечных батарей – в первую очередь, мощность

Затем важно, каким запасом энергии они обладают

Зависит этот параметр от емкости аккумуляторов и их числа. Третьим параметром является пиковая мощность потребления, означающая количество одновременно возможных подключений приборов. Еще одним важным параметров является номинальное напряжение, от которого зависит выбор дополнительного оборудования: инвертора, солнечной панели, контроллера, аккумулятора.

Солнечная установка для предприятия

Солнечное электричество возможно использовать для обеспечения электроэнергией разного рода предприятий – вокзалы, торговые центры, парковки, дата-центры – перечень объектов можно продолжить на несколько страниц.

При создании солнечных установок для промышленных объектов, применяют сетевые (on grid) трехфазные инверторы, мощностью от 10 кВА и выше, в зависимости от требований. Данный тип инверторов работает исключительно при наличии напряжения в сети, синхронизация выходной мощности по напряжению и частоте основной сети электроснабжения.

В случае отключения основного электропитания, остановится и солнечная генерация. Поэтому нет возможности использования таких инверторов в качестве резервного источника питания.

Оборотная сторона этого обстоятельства – отсутствие необходимости в банке АКБ, который может стоить не менее 1/3 от стоимости всей системы. Косвенно, это ускоряет окупаемость проекта на 30-40%.

Основное преимущество установки солнечных панелей на предприятиях – это конечно же существенная экономия электроэнергии. Расчеты показывают, что при условии корректной установки и эксплуатации, для большинства случаев, любая промышленная установка вернет вложенные средства в течение 3-5 лет. Эта цифра получена для московского региона. За счет чего экономия?

• Коммерческий объект потребляет большое количество электроэнергии, это означает, что практически все солнечное электричество будет использовано;
• Часто, пик потребления коммерческого объекта совпадает с пиком солнечной генерации. Пример: лето, солнце в зените, магазин продуктов, максимальное потребление электроэнергии системами кондиционирования и холодильным оборудованием;
• Стоимость киловатт часа для юридических лиц, до настоящего момента была всегда выше, чем для физических – это косвенный фактор, но он уменьшает срок окупаемости;
• Возможность увеличения подключенной мощности, без согласования с энергосбытовой компанией.

Ветроэлектрические установки

Вторая по популярности автономная система энергообеспечения – ветряная. Для получения электроэнергии используются ветрогенераторы.

По сути, это обычные генераторы, на ротор которых надеты лопасти. За счет ветра ротор вращается и происходит генерация электричества.

Из положительных качеств ветрогенераторов отмечается достаточно компактные размеры, относительная бесшумность работы, экологичность, долговечность. Также существует возможность самодельного изготовления такого генератора.

Но недостатков у ветряной системы больше. Первый из них – стоимость, обойдутся ветряные генераторы не дешево.

Учитывая то, что КПД ветрогенераторов невысокая, то для полного обеспечения дома электричеством, потребуется установка трех и более ветряков небольшой мощности или же одного, но достаточно производительного. И в обоих случаях затраты на приобретение будут значительными.

Опять же необходимо учитывать и климатические условия. В зонах, где средний годовой показатель скорости ветра не превышает 8 м/с, использовать ветрогенераторы будет нецелесообразно, поскольку они неспособны будут работать в оптимальном режиме.

Стоит также учитывать, что в дни полнейшего безветрия можно остаться без электричества, поэтому использовать ветряную автономную систему энергообеспечения лучше, если имеется резервный источник электроэнергии.

Автономные инверторы напряжения, виды, устройство и принцип работы, как выбрать

Возможность использования солнечных систем

Основой любой солнечной электростанции являются фотоэлектрические модули на основе кремния. Благодаря своим физическим свойствам, они превращают энергию солнца в электрический ток. Каждая панель оборудована выходами для подключения кабелей, соединяющих ее с аккумулятором или инвертором в соответствии с установленной схемой. При полном отсутствии централизованного энергоснабжения, кроме панелей для дома потребуется следующее оборудование:

• Аккумуляторная батарея. В дневное время накапливает электричество, а с наступлением темноты обеспечивает питание потребителей.
• Контроллер. Управляет процессами зарядки и разрядки, поддерживает их наиболее оптимальный уровень.
• Преобразователь (инвертор). Осуществляет преобразование постоянного тока, вырабатываемого фотоэлементами, в переменный, который необходим для работы большинства потребителей.
• Кабели, провода, крепежные и фиксирующие элементы.

Самые простые варианты подключения используются на дачах. В большинстве случаев используется панель и аккумулятор, соединенные между собой. Такая станция может быть установлена прямо на земле, а вся энергия будет собираться в аккумуляторе. Подобная система легко собирается своими руками. При необходимости ее можно быстро разобрать и спрятать или увезти с собой.

Более сложные системы предполагают установку панелей на крышу или на специальные конструкции. В этом случае понадобится разводка проводов от аккумулятора к розеткам и выключателям. Мощность станции можно постепенно увеличивать за счет подключения дополнительных панелей и аккумуляторных батарей.

Если частный дом подключен к централизованному электроснабжению, то солнечная электростанция будет использоваться в качестве резервного источника питания. В целях экономии средств ее можно использовать в дневное время, особенно при ярком солнечном свете. С наступлением темноты вновь задействуются стационарные электрические сети. Некоторые хозяева используют альтернативную электроэнергию круглосуточно, а централизованную сеть подключают только во время пиковых нагрузок, при большом количестве работающих потребителей.

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.

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:

1. Прямоугольная волна – меандр;
2. Модифицированная синусоида;
3. 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). 

Преимущества и недостатки

К преимуществам солнечных батарей следует отнести:

• Общедоступность и неисчерпаемость источника энергии (солнца);
• 100% экологическая безопасность;
• Возможность длительного использования – срок эксплуатации составляет 25 и более лет;
• Электричество от солнечных батарей поступает полностью автономно;
• После установки – бесплатная энергия;
• Для установки солнечных батарей не требуется никаких согласований.

Одновременно с этим они имеют и ряд недостатков:

• высокие первоначальные затраты и недостаточный КПД.
• Низкая эффективность в зимнее время, а также при пасмурной и туманной погоде.
• Потребность в дополнительном оборудовании (аккумуляторах, инверторах и т. д.) и вспомогательных помещениях для его размещения.
• Зависимость от времени года в определенных климатических поясах.

Преобразование солнечной энергии

Чтобы понять, как работают солнечные батареи, нужно знать устройство и принцип работы. Непосредственное превращение солнечной энергии в электрический ток происходит внутри фотоэлементов, соединенных последовательно между собой. Основой каждого из них служат кристаллы кремния, широко распространенные в природе в виде различных соединений. Более всего известен обычный песок, который является оксидом кремния. По аналогии, кристаллический кремний представляет собой крупную песчинку, выращенную искусственным путем.

Готовые кристаллы получаются в форме кубиков, после чего они разрезаются на тонкие пластины, толщиной 200 микрон. На одну сторону такой пластинки наносится слой бора, а на другую – слой фосфора. На границе кремния и бора присутствует избыточное количество электронов, а со стороны фосфора их, наоборот, не хватает. Место стыковки с такими физическими свойствами называется р-п переходом.

Принцип действия солнечной батареи заключается в следующем. Когда солнечный свет попадает на фотоэлементы, его фотоны начинают бомбардировать поверхность. Излишки электронов выбиваются, после чего начинается их движение туда, где их не хватает, то есть, в сторону дырок. В этот момент и происходит возникновение электрического тока, представляющего собой упорядоченное движение электронов. Сбор электричества производится по металлическим дорожкам, подведенным к каждому фотоэлементу.

Отдельно взятый фотоэлемент обладает незначительной мощностью. Его напряжение находится в пределах 0,5 В. Для получения более высокого выходного напряжения в 18 вольт, элементы в количестве 36 единиц соединяются последовательно в общую батарею. Полученного напряжения вполне достаточно аккумулятору на 12 вольт. Данные параметры взяты по максимуму, на практике же заявленные показатели будут ниже. Все зависит от того, как устроена солнечная батарея.

Готовая батарея в сборе устанавливается на подложку, сверху накрывается стеклом, после чего все швы и стыки герметизируются. Сами батареи также могут соединяться между собой последовательно или параллельно. В результате, получаются небольшие солнечные электростанции, широко используемые на дачах и в частных домах. Единственным условием является чистая поверхность и наличие яркого солнечного света.

KISAE 40402 1800 ваттный комплект

Учитывая суммарную мощность этой солнечной панели и цену, мы можем сказать, что это может быть лучшим предложением для вашего кармана и ваших потребностей. Он имеет 4 розетки переменного тока, а также встроенный переключатель передачи и зарядное устройство переменного тока.

Конфигурация plug-n-play чрезвычайно проста и интуитивно понятна, и ее можно выполнить полностью в течение не более часа. Любая дополнительная солнечная панель, которую вы хотите добавить, может быть подключена к генератору KISAE. Вы также можете купить отдельные вспомогательные батареи.

Несмотря на то, что он весит почти 76 фунтов, он по-прежнему не такой тяжелый, как генерирующие единицы Wagan’s или Grid Eraser. Конечно, вес не должен быть проблемой, но это зависит от ваших целей для данного устройства. Еще одна вещь, которую следует учитывать, — это вентилятор, который включается при подключении устройства. Это может быть немного шумно, хотя и незначительно (ни один клиент не обнаружил эту проблему), но мы все равно должны указать на это, если у вас чувствительный слух

Еще одна слегка негативная вещь о продукте — отсутствие обслуживания клиентов, которое быстро реагирует на ваши потребности. Фактически, многие клиенты, у которых были проблемы или вопросы для KISAE, пытались связаться с центром обслуживания клиентов, но не могли общаться с ними.

Это может быть определенно неприятно, но когда речь идет о самом продукте, о проблемах почти не сообщалось. Этот генератор идеально подходит для кемпинга и легкого использования.

Если вам нравится этот продукт, вы можете найти и проверить его цену на Amazon.

Для чего нужны солнечные электростанции

Современная солнечная станция предназначена для электроснабжения приборов, которые работают при частоте 50 Гц и напряжении 220 В. Она также может питать приборы, работающие с малым напряжением 1,5-2 В.

Солнечные установки способны запитать такие устройства:

1. Системы противопожарной защиты.
2. Сигнализации.
3. Ноутбуки, телевизоры и бытовую технику.
4. Мобильные телефоны, планшеты и любую электронику.
5. Радиостанции.
6. Насосы или другие приборы.

Но, наличие мощной электростанции на солнечных батареях вполне может заменить общую энергосистему дома.

Солнечная электростанция для дома.

Сетевая СЭС: как это работает

Сетевая солнечная электростанция не заменяет централизованное электроснабжение, а работает параллельно с ним. Когда поступление энергии от солнца достаточное, приоритет имеет солнечная электростанция; ночью или в плохую погоду снабжение дома электричеством берет на себя централизованный источник. Сетевые СЭС, в отличие от автономных, не комплектуются аккумуляторными батареями, но при необходимости такую СЭС можно оснастить и ими — это несложно, а получившаяся в результате конфигурация электростанции будет называться гибридной.

Упрощенная схема работы сетевой солнечной электростанции