Солнечные панели для частного дома: поставь светло себе на службу

Использовать в частных домах и даже дачных домиках альтернативные источники энергии сегодня стало модной тенденцией. Впрочем, это достаточно практично и, как правило, выгодно. Первенство среди таких устройств получили солнечные панели для частного ома (солнечные батареи, солнечные электростанции). Связано это с ежегодным ростом (весьма солидным) производства, снижением цен, многочисленными наработками, упрощающими подбор оборудования и построение систем.

Что это?

Основу любой системы составляют солнечные панели. Они выполняют роль основного источника энергии и, зачастую, становятся наиболее дорогой составляющей.

От их взвешенного выбора зависит:

• производительность домашней электростанции;
• объемы и стоимость работ по монтажу и обслуживанию;
• цена покупки;
• характеристики остальных звеньев.

Критерии выбора

Единственным критерием при проектировании домашней электростанции и выборе оборудования для нее должна стать целесообразность.

Однако понятие это широкое, для его понимания потребуется учет многих факторов:

• Средней и максимальной потребляемой мощности.
• Производительности солнечных модулей.
• Наличия стационарной электросети и режима совместной с ней работы.

• Географического положения местности и климатических условий.
• Финансовых возможностей владельца дома.

Структура домашней солнечной электростанции

Определяется двумя основными положениями:

1. Целью создания и использования.
2. Работой совместно со стационарными электросетями.

Соответственно, рассматривать можно 3 варианта организации солнечного электроснабжения дома:

1. Зависимый от электросети.
2. Полуавтономный с резервированием.
3. Полностью автономный.

Зависимый от сети вариант (электростанция, ведомая сетью)

Такая электростанция строится по простейшей схеме. В ее состав входят:

• Солнечные панели в качестве альтернативного источника энергии.
• Инвертор, преобразующий постоянное напряжение на выходе фотоэлементов в переменное напряжение для потребителей.

Гелиобатареи подключаются на вход инвертора. Его выход соединен с сетью (после счетчика). Основная особенность схемы – отсутствие промежуточных накопителей энергии (аккумуляторов) и устройства для их заряда.

При такой структуре приборы в доме потребляют электроэнергию от солнечных элементов через инвертор. Недостаток мощности восполняется сетью, и, наоборот, ее избыток (например, когда батареи работают в номинальном режиме, а потребители выключены), сбрасывается в сеть.

Достоинства такой схемы:

• Минимальная стоимость по сравнению с другими вариантами.

• Простота настройки и регулировки.

Есть у нее и серьезный недостаток – при отсутствии сетевого напряжения (во время отключения электроэнергии) система не работает.

Автономная схема

В этой системе отсутствует сеть, а электроснабжение дом полностью производится от солнечных батарей.

Такой функционал диктует схему построения:

• Источник энергии – солнечные панели.
• Накопитель (аккумулятор) – берет на себя питание потребителей, когда батареи не вырабатывают электроэнергию (например, в ночное время).
• Контроллер заряда аккумуляторов – устройств, управляющее зарядом накопителей и потребление энергии от фотопанелей.
• Инвертор, как и в предыдущем варианте, преобразующий постоянное напряжение в переменное.

Система работает следующим образом:

• При наличии освещения солнечные батареи вырабатывают энергию.
• Она поступает на вход контроллера, преобразующий ее параметры в нужные для заряда батарей. Аккумуляторы подключены к его выходу.
• К выходу контроллера и зажимам АКБ подключаются входные цепи инвертора. Он преобразует напряжение и подает питание в сеть дома (не путать с централизованной).

Таким образом, при включенных электроприборах они получают энергию непосредственно с солнечных панелей (через контроллер и инвертор), когда светит Солнце. Одновременно, если есть избыток мощности, заряжаются аккумуляторы. Когда солнечный источник не работает, АКБ отдают накопленную энергию (через инвертор) потребителям.

Однако за красивой картинкой обязательно скрываются «подводные камни»:

• Стоимость электростанции выходит весьма значительной.
• Если по каким-либо причинам наблюдается длительный перерыв в работе панелей (поверхность покрыта снегом в зимнее время, дождевые тучи на неделю закрыли Солнце и т.д.), запасенной в аккумуляторах энергии не хватит для работы потребителей.

Решить проблему поможет резервный источник электроэнергии. В вариантах полностью автономных систем его роль может выполнять ветро- или гидро-, дизельный или бензиновый генератор. При наличии сетевого ввода резервным источником выступит стационарная электросеть, а система превратиться в полуавтономную.

Полуавтономная (гибридная) система

Схема такой электростанции практически полностью повторяет предыдущую за единственным исключением – для заряда накопителей используется энергия не только от солнечных панелей, но и от сети. В этом случае контроллер, кроме управления зарядными процессами, получает дополнительную функцию.

В настройках контроллера можно задать приоритет источников:

• При выборе солнечных батарей работающие электроприборы будут, по возможности, запитаны от них, а от сети будут потребляться недостающая мощность и подзаряжаться аккумуляторы.
• При выборе сети до пороговой мощности будет работать стационарный источник, а дополнительную энергию обеспечат гелиопанели.

Монокристаллические

Такие батареи визуально выглядят как панели с сегментами глубокого черного цвета. Получили название за счет конструкции на основе монокристаллов кремния.

Самый существенный недостаток — строгая ориентировка оптических осей кристаллов, что требует точного позиционирования панелей для получения максимальной отдачи. По этой же причине монокристаллы не терпят затенения – генерация энергии значительно снижается.

В настоящий момент обладают самым высоким КПД преобразования – около 22%. При этом стоимость тоже наиболее высокая – порядка 0.9-1.1 доллара за 1 Вт генерируемой мощности.

Поликристаллические модули

Название такие батареи получили за счет размещения на подложке множества кремниевых кристаллов с хаотически ориентированными оптическими осями. Визуально такие модули отличаются синим цветом с «морозным» рисунком.

Естественно, такое расположение кристаллов вызвало потерю КПД преобразования – он находится на уроне 11-16%. Однако это же позволило увеличить эффективность работы при рассеянном свете, что в результате привело к созданию панелей, которые успешно конкурируют с монокристаллическими (при прочих равных, например, размерах) по мощности генерации. Более того, по цене они значительно выигрывают и обходятся в 0.7-0.9 доллара за 1 Вт.

Аморфные

Технология изготовления рабочего тела сходна с поликристаллическими, но в качестве основы выступает аморфный кремний (aSi). При КПД в пределах 8-11% отличаются высокой эффективностью работы в рассеянном свете, могут захватывать и инфракрасный диапазон. В результате обладают лучшей стоимостью – порядка 0.5-0.7 доллара за 1 Вт.

Кроме того, имеют солидное преимущество – гибкую основу. Это означает, что для монтажа не требуется жестких конструкций, материал легко клеится на поверхности любой формы.

Остальные

Модули, предлагаемые производителями, могут быть изготовлены и по другим технологиям:

• Микроморфные, отличаются высокой отдачей при рассеянном и инфракрасном излучении.
• Гибридные, использует несколько полупроводниковых материалов и обеспечивают высокий КПД преобразования (до 44%).
• Полимерные, гибкие с подложкой из полимерных материалов, абсолютные лидеры по стоимости.

Такие предложения следует тщательно изучать, некоторые из них могут оказаться намного выгоднее, чем лидирующие на рынке панели, выполненные по стандартным технологиям.

Вообще, монокристаллические панели можно рекомендовать для установки только жителям южных регионов. Остальным следует выбирать поликристаллы или панели по другим технологиям.

Мощность и количество

Определить, какое количество солнечных панелей необходимо, следует по средней и максимальной мощности потребления. Среднюю легко найти в счетах за электроэнергию – месячное потребление делится на количество дней в месяце. Максимальное находится суммированием мощностей всех имеющихся в доме электроприборов.

Кроме мощности потребителей необходимо учесть:

• Время работы солнечных батарей. Как правило, принимается равным 6 часам, соответственно, мощность генерации нужно кратно увеличить.
• Потери на преобразование при зарядке аккумуляторов и получении переменного напряжения на инверторе. С их учетом необходим запас по мощности не менее 30%.
• Пиковые токи. Например, при средней мощности стиральной машины 500 Вт при работе нагревателя может потребляться до 2 кВт. При пуске насосов или других двигателей, пусковые токи могут превосходить номинальные значения в 5-6 раз. Конечно, львиную долю примут на себя аккумуляторы, но запас модулей по току в 20-30% не помешает.
• Географию и погодные условия местности – коэффициент инсоляции. Найти его для зимнего и летнего времени можно в справочниках.

После расчета необходимой мощности генерации рассчитывается мощность, отдаваемая одной батареей:

Где:

• Кс – стандартный сезонный коэффициент, 0.5 для лета и 0.7 для зимы.
• Wn – мощность панели, заявленная производителем.
• Ki – коэффициент инсоляции, также берется для лета и зимы.

Рассчитанную необходимую мощность генерации делят на оба (летнее и зимнее) значения. Наибольшее из двух чисел будет минимальным количеством панелей, которые потребуются для электроснабжения дома.

Напряжение

Как правило, панели выпускаются с выходным напряжением 12 В. Но для заряда аккумуляторов необходимо иметь в системе напряжение выше, чем из рабочее, да и преобразование из постоянного в переменное выгоднее по КПД производить с более высоких значений.

Поэтому принята стандартная практика использовать напряжения:

• 12 В для систем с потреблением на более 1 кВт.
• 24 В или 36 В – при потреблении до 5 кВт.
• 48 В – при мощности свыше 5 кВт.

Для получения таких напряжений используют последовательное включение панелей (наборов панелей).

Установка

Монтировать панели допускается практически как угодно – вертикально, горизонтально, под наклоном. Однако следует учитывать, что максимальную отдачу модули дают при падении солнечных лучей на рабочую поверхность перпендикулярно. При этом нужно обеспечить и максимальное время облучения.

Отсюда – некоторые рекомендации по установке:

• Ориентировать фотоприемники на юг.
• Располагать панели под углом, равным широте местности.
• Изменять (по возможности) угол наклона на 20% — увеличивать зимой и уменьшать летом.

Оборудование для солнечной электростанции

Эффективность работы солнечных панелей для частного дома определяется не только правильным подбором и расчетом числа модулей. Во многом она зависит от выбора оборудования.

Аккумуляторы

Наилучшие результаты в системах показывают литиевые АКБ, однако стоимость их пока непомерно высока – порядка 4 долларов на 1 Вт мощности. При этом их ресурс составляет 1000-2000 циклов заряд-разряд, что соответствует сроку эксплуатации 3-6 лет. В этом отношении выгоднее кислотно-свинцовые батареи. При том же ресурсе их стоимость почти в 10 раз ниже – около 38 центов на 1 Вт.

Для дома лучше использовать необслуживаемые батареи – AGM или гелевые. При желании получить большую экономию следует обратить внимание на обслуживаемые тяговые аккумуляторы. Их ресурс работы (с учетом замены электролита, восстановления пластин) значительно выше. Однако их придется устанавливать в специальном помещении с соблюдением обязательных условий (например, оборудованном отдельной вентиляционной установкой).

Нужное напряжение батарей получают путем последовательного соединения.

Контроллер панелей

Устройство отвечает за передачу энергии от солнечных панелей на аккумуляторы или на вход ведомого сетью инвертора.

В настоящее время большинство контроллеров используют один из двух принципов регулирования:

1. ШИМ (PWM). Использует широтно-импульсную модуляцию, работает при превышении напряжения батарей над АКБ до двукратного.
2. MPPT (Maximum Power Point Tracking). Устройство обеспечивает максимальную отдачу мощности, работает с любыми разностями напряжений и обладает повышенным, по отношению к контроллеру ШИМ, КПД. Однако при этом стоит, при прочих равных, в среднем в 4 раза дороже.

Для мощных солнечных станций для большого дома следует отдать предпочтение именно второму варианту.

Инвертор

Специфичен только для сетевых (ведомых сетью) солнечных станций. Для автономных и гибридных используются одни и те же модели, но в различных режимах. Современные технологии позволяют получить высокий КПД и качество выходного напряжения. При этом могут формироваться как однофазная, так и трехфазная система напряжений.

Частые вопросы

Поскольку генерация идет с перерывами, накопитель в системе обязателен. Можно использовать не электрохимические, а другие варианты, например, гидроаккумулятор. Но, как правило, его создание обойдется значительно дороже и связано с трудностями исполнения.

Конечно, но они существенно усложняют и удорожают систему.

Можно, но с ними те же проблемы, что и с тяговыми – требуется отдельное помещение и соответствующие правилам безопасности условия. Кроме того, они плохо переносят разряд малыми токами, что существенно снижает ресурс.

Как правило, производители не устанавливают частоту такого обслуживания, утверждают, что природных осадков достаточно для чистоты поверхностей. Но 2-4 раза в год полить панели водой из шланга не помешает.

Наиболее эффективной считается гибридная система, которая позволяет обеспечить бесперебойное электроснабжение при минимуме оплаты поставщикам электроэнергии.

По показателям инсоляции можно сделать вывод, что и в такой местности солнечные электростанции себя вполне оправдывают. Естественно, в общем она обойдется несколько дороже, но окупает создание всего за 3-5 лет эксплуатации.

Видео-советы по подключению