Как выбрать солнечные батареи для дома – расчет системы

Альтернатива

С развитием технологий у потребителей появилась возможность получать электроэнергию от солнечной энергии. Также практически каждый может купить солнечные батареи. Такие устройства особенно популярны у владельцев дач и загородных домов, расположенных вдали от линий электропередач. Далее в материале рассмотрим, какие бывают солнечные батареи для дома, по какому принципу они работают, как рассчитать их мощность и как такие устройства можно установить.

Как выбрать солнечные батареи для дома – расчет системы

Что это такое

Процесс выработки электричества из частиц солнечного света (фотонов) в списке природных компонентов называется фотоэффектом. После открытия этого физического явления встал вопрос, как им можно управлять. Для этого были созданы специальные малогабаритные электронные устройства — фотоэлементы, основу которых составляют полупроводниковые материалы.

В промышленном производстве они нашли способ объединить микроскопические преобразователи в достаточно большие и эффективные панели. В частности, КПД модульных кремниевых солнечных панелей, которые современные компании выпускают в больших объемах, составляет 18-22 %.

Солнечная батарея состоит из нескольких таких модулей. Через него солнечные фотоны вводятся в электрическую цепь в виде частиц постоянного тока. Затем они распределяются по накопителям или преобразуются в нагрузки переменного тока с напряжением 220 вольт. Полученная энергия позволяет питать бытовые приборы.

Разновидности солнечных модулей для дома

Модульные солнечные панели состоят из фотоэлектрических преобразователей. На производстве выпускается два типа таких устройств.

Отличие преобразователей заключается в типе кремниевых полупроводников:

  • Поликристаллический. Эти солнечные элементы получают путем длительного охлаждения расплава кремния. Хотя эта технология значительно удешевляет производственный процесс и делает продукцию более доступной для покупателей, ее эффективность не превышает 12 %.
  • Монокристаллический. В данном случае речь идет об искусственном выращивании кристаллов кремния, которые затем разрезаются на тонкие пластины. Этот метод считается самым дорогим, но он обеспечивает более высокую эффективность. Его среднее значение колеблется в пределах 17%, однако встречаются монокристаллические фотоэлементы с более высокими показателями.

Как выбрать солнечные батареи для дома – расчет системы

Фотоэлементы на поликристаллах имеют плоскую квадратную форму и неоднородную структуру поверхности. В то же время монокристаллические солнечные элементы имеют однородную структуру поверхности и квадратную форму со срезанными углами.

Учитывая одинаковую солнечную энергию для дома, первый вариант больше, чем второй, потому что они менее эффективны. Хотя стоимость поликристаллических панелей ниже примерно на 10%, поэтому они пользуются популярностью.

Схема электропроводки от гелиопанелей

Чтобы понять, как солнечное электричество для дома поступает в электросеть и питает приборы, стоит рассмотреть схему солнечного оборудования. Несмотря на кажущуюся сложность, принцип работы схемы достаточно прост и состоит из четырех этапов.

Солнечные панели являются первым компонентом электрической цепи. Они собираются из заданного количества пластин фотоэлементов в тонкие прямоугольные модули. Мощность фотопанелей может быть разной, но она всегда делится на 12 вольт.

Для улавливания фотонов плоские панели размещают в местах, открытых солнечному свету. Мощные солнечные батареи для дома получаются путем соединения модульных блоков друг с другом. Такая батарея предназначена для преобразования солнечной энергии в постоянный ток.

Как выбрать солнечные батареи для дома – расчет системы

Батареи используются для хранения электроэнергии от солнца. В этом случае, если бы электроприборы в доме были подключены к центральной электрической сети, вырабатываемая солнечная энергия накапливалась бы в накопителях. Кроме того, они накапливают лишнюю электроэнергию от солнечных батарей, которая не расходуется полностью.

Задача аккумулятора — подавать необходимое количество электроэнергии и обеспечивать стабильность напряжения при увеличении его потребления. Ту же функцию аккумуляторные батареи выполняют ночью или при недостатке солнечного света, когда фотопанели не работают.

Контроллер служит промежуточным звеном между солнечными панелями и аккумуляторной батареей. Он регулирует состояние заряда батареи, чтобы избежать перезарядки или снижения мощности ниже определенного уровня, что приведет к потере стабильности в солнечной электрической системе.

Последним важным узлом в схеме питания солнечной панели является инвертор. Необходимо преобразовать постоянный ток, который подается от солнечных модулей к батареям, в переменный с напряжением 220 вольт. Как известно, такой уровень напряжения необходим для работы большинства современных бытовых приборов.

Максимальная нагрузка и уровень среднего потребления энергии

На данный момент не каждый может себе позволить установить у себя на даче подстанцию ​​на солнечных батареях. Однако при планировании своей установки необходимо предварительно выяснить, на какую максимальную нагрузку следует рассчитывать при включении бытовых приборов, а также какое среднее количество электроэнергии в сутки они потребляют.

Максимальный уровень заряда определяется исходя из лимита мощности всех электроприборов в доме, чтобы при одновременном включении нескольких из них система в доме справлялась с нагрузкой.

Как выбрать солнечные батареи для дома – расчет системы

Для определения среднесуточного потребления каждого из устройств необходимо умножить его мощность на время работы сети в сутки. А общее потребление энергии получается путем сложения энергии всех приборов в доме.

Определение общих показателей энергопотребления позволит планировать эффективное потребление солнечной энергии, вырабатываемой солнечными панелями. Кроме того, полученные цифры позволяют рассчитать мощность солнечных батарей для дома, чтобы знать, какой аккумулятор необходимо будет купить. Емкость аккумулятора напрямую влияет на его стоимость.

Расчет основных показателей — сколько нужно батарей и какой мощности

Перед началом расчетов нужно подготовить специальную таблицу, в которую будут занесены полученные данные. Вертикальных и горизонтальных столбцов должно быть 30, в зависимости от количества приборов, которыми пользуются хозяева.

Предварительный этап

В первой колонке будет указан номер заказа прибора. Ваше имя написано во второй колонке. В третьем столбце отмечена мощность каждого из устройств. В следующие 24 столбца необходимо ввести часы с 01 по 24.

Как выбрать солнечные батареи для дома – расчет системы

В эти ячейки в виде десятичных дробей введем следующие данные:

  • числитель – период работы каждого инструмента в течение данного часа (в десятичном выражении);
  • в знаменателе отмечена индивидуальная мощность электроприбора (такое повторение облегчает процесс последующих расчетов).

Столбец 28 предназначен для суммирования общего времени работы аппарата за один день. Следующий столбец содержит данные об энергопотреблении отдельного устройства за последние сутки; эта цифра получается путем умножения периода работы на потребление энергии. В последней вертикальной колонке пишутся примечания, например, результаты промежуточных расчетов.

Составляем спецификацию энергопотребления

Когда чертеж таблицы завершен, вы можете приступить к построению спецификации энергопотребления. В первую колонку ставим номера устройств. Их имена написаны в следующем столбце. Опытные люди рекомендуют начинать составление таблицы с бытовой техникой с первой комнаты в доме, то есть прихожей. Затем последовательно вводите данные во все остальные комнаты на этаже, двигаясь, как хотите, по часовой или против часовой стрелки. При наличии этажей повыше подход к выведению команд за стол будет аналогичным: последовательно, двигаясь в одном направлении. Обратите внимание, что в спецификации должны быть указаны светильники маршевого и уличного освещения.

Гораздо удобнее, если параллельно с их названиями написать мощность каждого из устройств в третьей колонке.

Следующие 24 столбца будут содержать числовые значения часов. Чтобы было удобнее вводить данные, они сразу разделены пополам горизонтальной чертой. Это даст вам числитель и знаменатель.

В этих ячейках отдельно для каждого прибора отмечают период его эксплуатации в виде десятичных дробей, заполняя только те, которые соответствуют времени суток их использования. При этом также заполняют знаменатели каждого столбца, указывая в них данные, взятые из третьего столбца.

Как выбрать солнечные батареи для дома – расчет системы

Завершив заполнение всех ячеек часами, начинают подсчитывать общее время работы техники за сутки, постепенно заполняя строки всеми бытовыми приборами. Эти данные вносятся в графу 28.

Графа 29 заполняется после расчета общего потребления электроприбора в течение суток. Определяется путем умножения рабочей мощности на период работы оборудования.

После того, как все ячейки таблицы будут содержать конкретные данные, можно переходить к подведению итогов. Фактические нагрузки для каждого часа суток определяются путем сложения значений знаменателей всех электроприборов, используемых в этот период. Вертикальная сумма уровней потребления энергии в день для каждого из приборов, перечисленных в столбце 29, дает окончательное значение среднего дневного потребления энергии.

На данном этапе не учитывается количество энергии, которая потребуется для поддержания солнечной системы дома. Его нужно будет учитывать в качестве специального коэффициента при окончательных расчетах.

Обработка данных и их оптимизация

При расчете солнечных батарей для дома стоит определиться, как они будут использоваться, как основной источник питания или как резервный. В случае использования солнечных электростанций в качестве дополнительной энергии информация о часовых нагрузках и среднесуточном потреблении энергии позволит более эффективно использовать эти мощности. Например, в случае отключения электроэнергии энергоемкие приборы будут использоваться минимальное количество времени или вовсе не включаться.

А вот в тех домах, где используется только электроэнергия от солнечных батарей, стоит обратить особое внимание на уровень заряда в час. При этом электроприборы желательно использовать так, чтобы не было скачков энергопотребления в сторону минимальных или максимальных значений.

Как выбрать солнечные батареи для дома – расчет системы

Для снижения стоимости закупки оборудования для солнечных электростанций и гарантии их бесперебойной, стабильной и долговременной работы очень важно равномерно распределить нагрузки в течение суток, исключить рост мощности на максимальных значениях или его падение как минимум.

Например, при рациональном распределении нагрузки и эффективном использовании солнечной электроподстанции можно снизить суточную потребляемую мощность на 18-12 кВт/ч и потребляемую мощность на 750-500 Вт.

Аналогичным образом оптимизируется энергопотребление резервных солнечных батарей. Таким образом удастся избежать дополнительных затрат на покупку аккумуляторов большей мощности.

Выбираем компоненты для солнечной электростанции

Чтобы наглядно проиллюстрировать расчет того, сколько солнечных батарей необходимо для использования в качестве основного источника энергии, рассмотрим условный загородный дом в Рязанской области, в котором жители проживают с марта по сентябрь включительно.

Для расчета возьмем следующие часовые показатели потребления:

  • общее потребление энергии в сутки – 12 кВт/ч;
  • средний уровень нагрузки всех потребителей — 500 Вт;
  • максимальное значение нагрузки — 1200 Вт;
  • максимальный уровень нагрузки (+25%) — 1200×1,25=1500 Вт.

Полученные данные будут использованы для определения необходимой емкости аккумуляторов солнечной электростанции.

Устанавливаем уровень напряжения для солнечных батарей

Чтобы понять, какую мощность дают солнечные панели, нужно определить уровень их рабочего напряжения. Это значение всегда кратно 12 вольтам, так как это напряжение характерно для большинства аккумуляторов. Наибольшее распространение получили инверторы, контроллеры и солнечные батареи с напряжением 12, 24 или 48 вольт.

Для систем с более высоким уровнем напряжения можно использовать силовые кабели меньшего сечения, что обеспечивает высокую надежность соединений.

В то же время 12-вольтовые батареи в случае поломки можно заменить по одной. Особенностью эксплуатации аккумуляторов с напряжением 24 вольта будет необходимость замены узлов только попарно. В случае использования системы с напряжением 48 вольт необходимо будет менять одновременно 4 батареи, находящиеся на одной ветке. Также неосторожное обращение с 48-вольтовыми батареями может привести к поражению электрическим током.

Как выбрать солнечные батареи для дома – расчет системы

Рабочее напряжение электрической системы напрямую влияет на то, сколько дает солнечная батарея. Этот фактор учитывается при подборе необходимого оборудования.

Зависимость между мощностью инвертора и пиковыми нагрузками выглядит следующим образом:

  • 3-6 кВт — 48 вольт;
  • 1,5-3 кВт – 24 или 48 вольт;
  • до 1,5 кВт – 12, 24 или 48 вольт.

В данном примере выбор между сложностью замены аккумуляторов и надежностью электропроводки будет сделан в пользу последней. Уровень рабочего напряжения составит 24 вольта.

Оборудование батареи солнечными модулями

Мощность солнечной батареи определяется по следующей формуле:

Rсм = (1000×Eсут)/(k×Sin), где

  • Рсм – мощность солнечной батареи – суммарная мощность солнечных модулей, Вт;
  • 1000 – константа светочувствительности фотоэлектрических преобразователей, кВт/м²;
  • Есут — необходимая суточная норма расхода электроэнергии, кВтч, в данном случае — 18;
  • k — сезонный коэффициент, учитывающий все затраты — летом: 0,7; зимой: 0,5;
  • Без — значение инсоляции из таблицы (поток солнечного излучения) с учетом оптимального угла наклона панелей, кВтч/м².

Значение инсоляции можно уточнить в местной метеорологической службе.

Как выбрать солнечные батареи для дома – расчет системы

Необходимый уклон солнечных панелей определяется широтой местности:

  • в весенний и осенний сезоны;
  • в зимний сезон плюс 15 градусов;
  • в летний сезон — минус 15 градусов.

В нашем случае Рязанская область расположена на 55° широты.

Учитывая, что время выбрано с марта по сентябрь, оптимальным постоянным углом установки солнечных панелей будет 40 градусов относительно земли. При этом среднесуточная инсоляция Рязани в указанный период составляет 4,73.

С учетом имеющихся данных рассчитаем:

Rсм = 1000×12/(0,7×4,73) ≈ 3600 Вт.

Когда мы используем солнечные панели мощностью 100 Вт, нам нужно 36 штук. Такое количество будет иметь массу около 300 кг и займет площадь в пределах 5×5 м.

Обустройство аккумуляторного энергоблока

Чтобы правильно подобрать аккумуляторы для солнечных батарей, необходимо учитывать следующие правила:

  1. Аккумуляторы для солнечных электростанций должны иметь маркировку «SOLAR». Ни в коем случае нельзя использовать стандартные автомобильные аккумуляторы.
  2. Мощность аккумуляторов и другие ТТХ должны быть одинаковыми, в идеале, если все устройства из одной партии.
  3. Для установки солнечной батареи в частном доме нужно выбрать теплое помещение. Солнечная станция вырабатывает максимальное количество энергии при температуре воздуха около 25℃. Если температура воздуха упадет до -5℃, батарея будет работать только на 50% емкости.

Например, используя аккумулятор напряжением 12 вольт и емкостью 100 Ач, можно запитать оборудование общей мощностью 1200 Вт, которое будет работать в течение одного часа. Однако в этом случае батарея со временем будет полностью разряжена. Ни в коем случае нельзя допускать этого.

Как выбрать солнечные батареи для дома – расчет системы

Следует отметить, что долговечность солнечных батарей будет гарантирована только в том случае, если они будут разряжены не ниже 70%, максимум не ниже 50%. Если мы возьмем среднее значение, скажем, 60%, то мы можем потреблять 720 Вт/ч на каждые 100 Ач емкости аккумулятора (1200 × 60 %).

Перед установкой солнечных батарей в частном доме их необходимо зарядить до 100% от стандартной розетки. Это необходимо для того, чтобы солнечные панели могли справляться с нагрузками как ночью, так и днем, если погода не благоприятствует.

В то же время, если аккумуляторов установлено слишком много, они будут постоянно терять уровень заряда. Это негативно скажется на его долговечности. Лучше, если будет установлено столько батарей солнечной электростанции, чтобы их хватило на обеспечение электроэнергией потребителей в течение 1 суток.

Вы можете рассчитать общую требуемую емкость батареи, найдя кратное ежедневному потреблению энергии (12000 Вт) и накопленной энергии (720 Вт/ч), умноженное на 100 Ач:

  • 12000/720×100 ≈ 1600 Ач.

Расчеты показали, что для бесперебойной работы солнечной подстанции необходимо 16 батарей по 100 Ач или 8 по 200 Ач, которые соединены последовательно-параллельно.

Подбираем контроллер

Контроллер для аккумуляторов (аккумуляторов) нужно выбирать очень тщательно. Дело в том, что по параметрам он должен быть совместим с солнечными модулями, а выходное напряжение должно соответствовать мощности электроподстанции, в данном примере 24 вольта.

Как выбрать солнечные батареи для дома – расчет системы

Качественный контроллер батареи должен справляться со следующими задачами:

  1. Обеспечивают многоступенчатую зарядку аккумулятора, значительно увеличивая срок его службы.
  2. Подключайте и отключайте солнечную батарею и аккумулятор в автоматическом режиме, в зависимости от уровня заряда.
  3. Регулировка заряда между солнечными панелями и аккумулятором.

Хотя габариты контроллера небольшие, этот компонент влияет на работу как отдельного аккумулятора, так и всей системы.

Устанавливаем инвертор

Мощность инвертора должна быть такой, чтобы он мог выдерживать пиковые уровни нагрузки в течение длительного времени. Входное напряжение такого блока должно быть равно внутреннему напряжению всей солнечной электроподстанции.

Чтобы не ошибиться с выбором, обратите внимание на следующие моменты:

  1. Частота и форма переменного тока. Чем ближе к 50 Гц, тем лучше.
  2. КПД устройства должен быть не менее 90%. В идеале, чем больше, тем лучше.
  3. Энергопотребление самого устройства. Это значение должно быть пропорционально общему количеству энергии, необходимой для работы системы. Идеальным считается показатель в 1.
  4. Может ли инвертор выдерживать кратковременные нагрузки, вдвое превышающие номинальную мощность.

Стоит отметить, что если вы выбираете инвертор со встроенным контроллером, то это будет оптимальный вариант.

Оцените статью
Добавить комментарий