Солнечные батареи для дачи и дома: виды, принцип работы и порядок расчета гелиосистем

Область применения

Сегодня отсутствуют ограничения на использование солнечных батарей. Это обусловлено их преимуществами, в частности, выработкой достаточного количества электроэнергии для энергообеспечения всего объекта или решения локальных проблем (применения в качестве элемента питания и пр.). Освещение – это пока основное направление применения таких модулей. Реже их используют для обогрева, причем в большинстве случаев солнечные батареи обсуживают малогабаритные объекты. Их применяют:

в частных и многоквартирных домах;

Применение солнечных батарей в многоквартирных домах

коммерческих зданиях;

Использование солнечных панелей на промышленных зданиях

Солнечная энергетика в аграрном секторе

на придомовой территории.

Крытый навес из солнечных панелей

Условия, при которых предпочтительно устанавливать такие модули:

  • для обогрева/освещения местности, где отсутствуют ЛЭП, в данном случае применение преобразователей солнечной энергии позволит сократить затраты на энергообеспечение объекта, это более выгодный метод, если сравнивать с применением дизельных генераторов;
  • в некоторых многоквартирных домах, построенных за последние годы, использовался альтернативный источник энергии (в системах водоснабжения) или в качестве резервного;
  • в местности (селах, деревнях) время от времени случается отключение электричества, такие модули позволяют обеспечить бесперебойную работу техники.

Что можно получить от солнечных батарей?

Обеспечить свой дом теплом и горячей водой бесплатно, только за счет солнечной энергии — сценарий возможный, однако нужно понимать, что это не круглогодичное решение.

Дело в том, что на нашей широте наблюдается неравномерное распределение солнечного света в течение года. В России мы можем наслаждаться прекрасным солнцем только в течение нескольких летних месяцев. В свою очередь, с осени до начала весны лучам приходится пробиваться сквозь густые облака. Следовательно, использование солнечной энергии в этот период ограничено.

По этой причине солнечные батареи могут полностью удовлетворить задачу обогрева дома только в летние месяцы. В оставшиеся месяцы они лишь незначительно будут поддерживать тепло в доме.

В любом случае, установив такую систему на крыше, в течение 5-7 месяцев в году мы сможем бесплатно пользоваться горячей водой, что, безусловно, станет значительным облегчением для семейного бюджета, не говоря уже об охране окружающей среды.

Метод увеличения производительности

Обычно, поэкспериментировав с небольшим количеством солнечных модулей, владельцы частных домов идут дальше и совершенствуют систему различными способами.

Самый простой способ – это увеличение количества задействованных модулей, соответственно, привлечение дополнительных площадей для их размещения и покупка более мощного сопутствующего оборудования

Что делать, если существует дефицит свободной площади? Вот несколько рекомендаций для повышения эффективности солнечной станции (с фотоэлементами или коллекторами):

Изменение ориентации модулей. Перемещение элементов относительно положения солнца. Проще говоря, установка основной части панелей на южной стороне. При длинном световом дне также оптимально задействовать поверхности, выходящие на восток и запад.

Регулировка угла наклона. Производитель обычно указывает, какой угол является наиболее предпочтительным (например, 45º), но порой при монтаже приходится вносить свои коррективы с учетом географической широты.

Правильный выбор места установки. Крыша подходит, потому что чаще всего является наивысшей плоскостью и не затеняется другими объектами (предположим, садовыми деревьями). Но существуют еще более подходящие площади – поворотные устройства слежения за солнцем.

При перпендикулярном расположении элементов к лучам солнца система работает более эффективно, однако на стабильно закрепленной поверхности (например, крыше) это возможно лишь на короткий промежуток времени. Чтобы его увеличить, придумали практичные устройства слежения.

Механизмы слежения – это динамические платформы, которые своей плоскостью поворачиваются вслед за солнцем. Благодаря им производительность генератора увеличивается летом примерно на 35-40%, зимой – на 10-12 %

Большим минусом устройств слежения является их высокая стоимость. В некоторых случаях она не окупается, поэтому нет смысла вкладываться в бесполезные механизмы.

Подсчитано, что 8 панелей – минимальное количество, при котором затраты со временем оправдают себя. Можно задействовать и 3-4 модуля, но при одном условии: если они напрямую, в обход аккумуляторов, подключены к водяному насосу.

Буквально на днях компания Тесла Моторс объявила о создании нового типа крыши – с интегрированными солнечными батареями. Илон Маск заявил, что модифицированная крыша будет дешевле, чем обычная кровля с установленными на нее коллекторами или модулями.

Расчет солнечных батарей для дома

Инсоляция (количество солнечной энергии) в разные месяцы сильно изменяется. Потому сначала нужно определиться с тем, какую часть электроэнергии и на какой период вы собираетесь вырабатывать. Если вы хотите все 100% в любое время года вырабатывать самостоятельно, считать придется по самому плохому месяцу с минимальным количеством солнечных дней. Но тогда возникнет вопрос: что делать с избыточным количеством электроэнергии, которая будет вырабатываться в другие месяца.  Если проживание планируется только в огородный сезон, считаете по самой низкой инсоляции в этот период. В общем, принцип понятен.

Лучше всего с выработкой электроэнергии от солнца дело обстоит на юге

Затем необходимо рассчитать какую суммарную мощность должна выдавать ваша солнечная система для дома. Для этого в таблицу вписываете все электроприборы, и из их паспортов вносите данные по мощности, потребляемому току и ваттную нагрузку. Подбив колонки, узнаете, сколько электроэнергии в час нужно всей вашей аппаратура и приборам. Понятно, что все они вряд ли включаются одновременно. Можете попытаться высчитать, какие из них работают одновременно, и по этой цифре подбирать солнечные панели.

Как считать количество солнечных батарей разберем на примере. Пусть потребность в электроэнергии 10 кВт/ч, инсоляция в расчетном месяце 2 кВт/ч. Мощность батареи, которую собрались покупать, 250 Вт (0,25 кВт). Теперь считаем 10 / 2 / 0,25 = 20 шт. То есть понадобится 20 солнечных панелей.

Оборудование батареи солнечными модулями

Мощность солнечной батареи определяется по такой формуле:

Рсм = (1000×Есут)/(к×Син), где

  • Рсм – мощность солнечной батареи – общая мощность солнечных модулей, Вт;
  • 1000 – постоянная светочувствительности фотоэлектрических преобразователей, кВт/м²;
  • Есут – требуемая суточная норма энергопотребления, кВт·ч, в данном случае – 18;
  • к – сезонный коэффициент, с учетом всех затрат – летом: 0,7; зимой: 0,5;
  • Син – величина инсоляции из таблицы (потока солнечной радиации), с учетом оптимального угла панелей, кВт·ч/м².

Величину инсоляции можно уточнить у местной метеорологической службы.

Требуемый уклон солнечных панелей определяется широтой местности:

  • в весеннее и осеннее время года;
  • в зимнее время года – плюс 15 градусов;
  • в летнее время года – минус 15 градусов.

В нашем случае, Рязанская область, располагается на 55-й широте.

С учетом того, что время выбрано с марта по сентябрь, оптимальным постоянным углом установки солнечных батарей будет 40 градусов относительно земли. При этом средняя суточная инсоляция Рязани в указанный период равняется 4,73.

С учетом имеющихся данных произведем расчет:

Рсм = 1000×12/(0,7×4,73) ≈ 3600 ватт.

При использовании 100 ваттных солнечных батарей нам понадобится 36 штук. Такое количество будет иметь массу приблизительно в 300 кг, а площадь они будут занимать в пределах 5×5 м.

Оборудование для частной солнечной станции

Бытовые солнечные станции бывают сетевые, автономные и гибридные. Как следует из названия, сетевые используются в тех случаях, когда объект присоединен к внешней электрической сети и работает одновременно с ней. Автономные и гибридные могут работать без подключения к внешней сети.

Сетевые дешевле всех и позволяют уменьшить счета за электроэнергию, снижая объем потребления из внешней сети. Автономные и гибридные дороже, но позволяют накапливать электроэнергию в аккумуляторах, чтобы использовать ее в темное время суток или когда подача электроэнергии прерывается. Минус первых в том, что они не могут стать резервным источником энергии: при аварии во внешней сети не получится использовать энергию панелей, так как они автоматически отключатся. Минус вторых и третьих — в дороговизне.

Все солнечные станции состоят из солнечных панелей, коннекторов, то есть соединителей, проводов и инверторов, которые преобразуют постоянный ток от солнечных панелей в переменный и позволяют управлять всеми потоками электроэнергии. Аккумуляторы используются только в автономных и гибридных станциях.

Есть множество производителей оборудования, в том числе российских. Станцию можно скомпоновать из оборудования от разных производителей.

Для нашего анализа возьмем уже скомпонованные станции разных типов и мощности от разных поставщиков и посчитаем их среднюю розничную стоимость. Рассчитаем среднюю стоимость производства электроэнергии на протяжении всего жизненного цикла и выберем наиболее подходящий вариант, чтобы на его основе оценить целесообразность установки солнечных станций в разных субъектах РФ.

Для расчета возьмем средний срок службы панелей — 25 лет. Среднегодовой объем выработки электроэнергии посчитаем по инсоляции Челябинской области: там средний для РФ показатель, 1101 кВт·ч в год на 1 кВт мощности. Также учтем стоимость денег — возьмем среднюю ставку между банковским вкладом и кредитом, 8%, на срок службы панелей. Полную стоимость оборудования рассчитаем с помощью кредитного калькулятора.

Чем выше мощность станции, тем дешевле энергия. Есть станции и большей мощности, чем 15 кВт, но мы ограничились средним объемом присоединенной мощности домохозяйств.

Мощность станции необходимо подбирать так, чтобы выработка электроэнергии не превышала средний объем вашего потребления. Даже если дом имеет присоединенную мощность 15 кВт, это совершенно не значит, что вам нужны панели такой мощности. 15 кВт в этом случае — ваш максимум, при превышении которого сработает автоматика и электричество отключится. А средняя потребляемая мощность может составлять только 1—5 кВт — на это значение и нужно ориентироваться, чтобы использование солнечной станции было экономически целесообразным.

В статье мы рассматриваем солнечные станции с точки зрения экономии, а не как резервный или автономный источник энергии. Поэтому мы не будем использовать автономные и гибридные станции: они сильно дороже. И у аккумуляторов гораздо меньший срок службы, чем у солнечных панелей, — а это негативно влияет на сроки окупаемости.

Для анализа мы возьмем сетевую солнечную станцию без аккумуляторов средней мощностью 5 кВт. Держим в голове, что выработка всех станций мощностью ниже 5 кВт будет дороже, а выше 5 кВт — дешевле.

Расчет основных показателей — сколько нужно батарей и какой мощности

Прежде чем начинать выполнение расчетов, следует подготовить специальную таблицу, в которую будут заноситься полученные данные. Вертикальных граф должно быть 30 штук, а горизонтальных – по количеству бытовых приборов, используемых хозяевами.

Предварительный этап

В первом столбце будет указываться номер по порядку бытового прибора. Его название проставляем во второй колонке. Третьей графой проставляем мощность каждого из приспособлений. В следующих 24 столбиках необходимо проставить часы от 01 до 24.

В этих клеточках в виде десятичных дробей будем вносить такие данные:

  • числитель представляет собой период каждого прибора в течение конкретного часа (в десятичном выражении);
  • знаменателем проставляют индивидуальную мощность электроприбора (такой повтор облегчает процесс дальнейших расчетов).

Графа 28 предназначена для суммирования общего времени работы электроприбора в пределах суток. Следующая колонка содержит данные об энергопотреблении отдельного прибора за прошедшие сутки – эту цифру получают умножением периода работы на потребляемую мощность. В последней вертикальной графе записывают примечания, например результаты промежуточных расчетов.

Что такое солнечная батарея

Солнечная батарея (СБ) представляет собой несколько фотоэлектрических модулей, объединенных в одно устройство с помощью электрических проводников.

И если батарея состоит из модулей (которые еще называют панелями), то каждый модуль сформирован из нескольких солнечных элементов (которые называют ячейками). Солнечная ячейка является ключевым элементом, который находится в основе батарей и целых гелиоустановок.

На фото представлены солнечные ячейки различных форматов.

А вот фотоэлектрическая панель в сборе.

На практике фотоэлектрические элементы используются в комплекте с дополнительным оборудованием, которое служит для преобразования тока, для его аккумуляции и последующего распределения между потребителями. В комплект домашней солнечной электростанции входят следующие устройства:

  1. Фотоэлектрические панели – основной элемент системы, генерирующий электричество при попадании на него солнечного света.
  2. Аккумуляторная батарея – накопитель электроэнергии, позволяющий обеспечивать потребителей альтернативным электричеством даже в те часы, когда СБ его не вырабатывают (например, ночью).
  3. Контроллер – устройство, отвечающее за своевременную подзарядку аккумуляторных батарей, одновременно защищающее аккумуляторы от перезарядки и глубокого разряда.
  4. Инвертор – преобразователь электрической энергии, позволяющий получать на выходе переменный ток с требуемой частотой и напряжением.

Схематично система электроснабжения, работающая от солнечных батарей, выглядит следующим образом.

Схема довольно проста, но для того, чтобы она эффективно работала, необходимо правильно рассчитать рабочие параметры всех задействованных в ней устройств.

Действующее законодательство

В России в конце 2019 года вышел закон, который ввел понятие «объект микрогенерации». Из определения следует, что это объект, присоединенный к сетям напряжением ниже 1000 вольт, имеющий возможность выдавать электроэнергию в общую сеть в объеме, не превышающем величину технологического присоединения. И максимум 15 кВт. А также использующий для выдачи электроэнергии в сеть собственную электросетевую инфраструктуру, а не общую.

Строго говоря, солнечные панели, установленные на крыше среднестатистического частного дома, могут быть объектом микрогенерации.

Также в марте 2020 года в развитие этого закона вышло постановление правительства РФ, уточняющее некоторые вопросы.

Что законодательство нам дает:

  1. Появляется возможность продавать излишки выработанной электроэнергии в общую сеть по договору купли-продажи с энергосбытовой организацией.
  2. Появляется возможность сальдировать в рамках одного месяца объемы потребления из сети и объемы выдачи в сеть.

Что касается продажи электроэнергии сбытовой организации: излишки можно продать по цене, не превышающей средневзвешенную цену электрической энергии на оптовом рынке — это порядка 0,8—1,3 Р за киловатт-час без НДС. Это ниже рассчитанной нами средней стоимости выработки электроэнергии солнечными станциями, то есть продажу электроэнергии в сеть вряд ли можно назвать выгодной.

А вот сальдирование предоставляет возможность использовать общую сеть как некий аккумулятор. Когда нам не нужна выработанная электроэнергия, она отдается в сеть, а когда нужна — забирается из сети в том же объеме бесплатно.

Это очень важный момент, так как все расчеты экономической эффективности солнечных панелей производятся исходя из условия, что каждый выработанный киловатт-час на протяжении всего жизненного цикла станции был потреблен и ни одного не ушло «в землю». Без сальдирования в условиях частного дома это было бы невозможно: нам приходится покидать дом, чтобы сходить в магазин, в гости, в кафе, съездить в отпуск, а солнце светит и светит. Сальдирование позволяет накопить весь объем выработанной солнечными панелями электроэнергии и использовать его в удобное для вас время в рамках одного месяца.

Оба механизма — купля-продажа и сальдирование — работают вместе. Итоги формируются по итогам расчетного месяца. Если ваше совокупное месячное потребление — 1000 кВт·ч, а станция выработала 800 кВт·ч, то разницу, 200 кВт·ч, вы приобретете по тарифу из сети. Если потребление было 800 кВт·ч, а станция выработала 1000 кВт·ч, то разницу у вас купит энергосбытовая компания по ценам оптового рынка.

Если у вас установлен двухтарифный или многотарифный счетчик, то объемы выработки и потребления определяются и сальдируются в рамках соответствующих зон суток — день/ночь, пик/полупик/ночь. То есть в таком случае дневную выработку станции нельзя сальдировать с ночным потреблением из сети — только с дневным.

Вот что необходимо сделать, чтобы все это заработало:

  1. Выполнить технологическое присоединение солнечной станции к объектам сетевой организации. Можно сделать это вместе с присоединением дома к сети или отдельно, если дом уже присоединен. Как подавать заявку на технологическое присоединение, мы уже писали.
  2. Заключить договор купли-продажи электрической энергии с энергосбытовой организацией — с той же, что вас обслуживает. Сделать это можно после или во время процедуры технологического присоединения, обратившись любым удобным способом.

Составляем спецификацию энергопотребления

Когда черчение таблицы завершено, можно приступать к составлению спецификации энергопотребления. В первой графе расставляем номера приборов. Их названия прописываем в следующем графе. Опытные люди советуют начинать составление таблицы с бытовыми приборами с первого помещения в доме, то есть прихожей. Затем последовательно вносят данные о всех остальных помещениях на этаже, двигаясь, по желанию, по или против часовой стрелки. При наличии верхних этажей, подход к занесению в таблицу оборудования будет аналогичным – последовательно, двигаясь в одном направлении

Обратите внимание, что в спецификацию необходимо внести осветительные приборы с лестничных пролетов и улицы.

Намного удобнее, если мощность каждого из приспособлений в 3 колонке вы будете проставлять параллельно с их названиями.

Следующие 24 столбца будут содержать числовые значения часа. Чтобы было удобнее вносить данные, их сразу разделяют пополам горизонтальной линией. Таким образом, получится числитель и знаменатель.

В эти клеточки отдельно по каждому прибору проставляют период его работы в виде десятичных дробей, заполняя только те, которые соответствуют времени суток, когда они использовались. Одновременно с этим заполняют и знаменатели каждой графы, указывая в них данные, взятые из третьей колонки.

По завершении заполнения всех клеточек с часами, начинают подсчет общего времени работы оборудования в течение суток, постепенно заполняя строки со всеми электроприборами. Эти данные вносят в 28 графу.

Колонка 29 заполняется после вычисления общего потребления электроприбора в течение суток. Оно определяется умножением рабочей мощности на период работы оборудования.

После того, когда все клеточки в таблице будут содержать конкретные данные, можно переходить к подведению итогов. Реальные нагрузки на каждый час суток определяют путем сложения значений знаменателей всех используемых в этот период электроприборов. Вертикальное сложение уровней потребления энергии в сутки по каждому из приборов, проставленных в графе 29, дает итоговое значение среднесуточного энергопотребления.

Как выбрать солнечную панель

Перед тем как выбирать солнечную панель, необходимо разобраться с местом ее установки, а также познакомиться с сезонными изменениями светимости Солнца для конкретной местности. Дешевые солнечные панели для частного дома редко гарантируют долговечность и при удовлетворительных стартовых показателях, начинают снижать производительность уже через год-два эксплуатации.

Применение слишком дорогих, как наиболее качественных панелей, также может оказаться неоправданным, поскольку при малом энергопотреблении и редком использовании окупаемость таких преобразователей растянется на десятилетия. К наиболее важным критериям выбора солнечных панелей относят назначение, тип, вырабатываемое напряжение и мощность.

Назначение

Выполняя единую функцию – преобразование света Солнца в электрическую энергию, солнечные панели отличаются условиями эксплуатации, при которых они предполагают наибольшую эффективность:

  • Для туризма – легкие, портативные модели, не создающие проблем с транспортировкой;
  • Для дачи, садового участка, временного жилища – мобильные модули, предусматривающие быструю установку и демонтаж;
  • Для частного дома, магазина – монокристаллические или поликристаллические стационарные модули, выбор которых зависит от бюджета, площади и прочности крыши, потребляемой мощности и др.

При создании экономичного автономного уличного освещения целесообразно воспользоваться гибкими пленочными панелями.

Тип панели

Солнечные модули различают по материалу изготовления фотоэлементов. Каждому типу присущи недостатки. Однако наличие определенных преимуществ не позволяет производителям сосредоточить производство на каком-либо одном из них:

  • Монокристаллические – сложная технология изготовления. Большой вес. КПД 18–22%. Высокая цена;
  • Поликристаллические – набраны из обрезков монокристаллов. КПД 12–18%. В разы дешевле монокристаллов;
  • Пленочные – легкие гибкие солнечные панели, выпускаемые в рулонах. Режутся, подгоняются под формат крыши. Самые дешевые, но малоэффективные. КПД до 10%;
  • Аморфные – кремниево-водородная основа. КПД 13–17%. Эффективны при ослабленной освещенности.

При достаточной установочной площади дорогую поликристаллическую панель можно заменить двумя-тремя монокристаллическими, получив ту же производительность при меньших затратах.

Мощность и напряжение

Используемые в быту световые солнечные панели бывают 12-ти и 24-х вольтовыми. Первые легко согласовываются со стандартными инверторами, эффективны при потреблении электроэнергии, не превышающей 1 кВт.

При потребительских запросах свыше 1 кВт целесообразно купить панели с номинальным напряжением 24 В. Последовательное соединение двух модулей дает в результате 48 В, что соответствует параметрам большинства мощных инверторов.

Для зарядки аккумуляторов смартфонов и других гаджетов предусмотрены компактные преобразователи солнечной энергии, с выходным напряжением 5–6 В.

Из чего состоит

Солнечная панель представляет собой жесткое прямоугольное основание того или иного размера, на котором размещены отдельные ячейки – фотоэлементы. Для механической защиты и защиты от окружающей среды вся конструкция помещается в рамку и закрывается стеклом. Поскольку элементы очень хрупкие, с обеих сторон они дополнительно защищены полимерной подложкой, причем верхняя обязательно прозрачная.

Устройство солнечных панелей

На рисунке цифрами обозначены:

  • 1 – жесткое основание;
  • 2 – полимерная подложка;
  • 3 – рама;
  • 4 – защитное стекло;
  • 5 – ячейки фотоэлементов.

Каждая из ячеек является маленьким генератором, преобразующим свет (необязательно солнечный) в электрическую энергию. Для получения нужных выходных напряжения и тока фотоэлектрические ячейки электрически соединяются между собой тем или иным способом.

Мнение эксперта

Алексей Бартош

Специалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.

Задать вопрос

Важно! Существуют и гибкие панели, которые можно буквально свернуть в трубочку. Такие панели имеют основание, на котором расположены элементы специальной конструкции (об этом ниже)

Роль защитного стекла в них исполняют гибкие прозрачные полимеры.

Поделитесь в социальных сетях:FacebookTwitterВКонтакте
Напишите комментарий

Adblock
detector