Солнечные панели для частного дома: поставь светло себе на службу

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.

Плюсы и минусы альтернативной отопительной системы

Достоинств у солнечной системы обогрева не так много, но каждое из них весомо и может стать причиной для частных экспериментов:

• Экологические достоинства. Это безопасный для жильцов дома и окружающей природы, чистый источник тепла, не требующий применения традиционных видов топлива.
• Автономность. Владельцы систем абсолютно не зависят от цен на энергоносители и от экономической обстановки в стране.
• Экономичность. При сохранении традиционной отопительной системы появляется возможность снизить затраты на оплату горячего водоснабжения.
• Общедоступность. Для установки солнечных систем не нужно разрешения из государственных инстанций.

Но существует и неприятные моменты, способные испортить общую картину. Например, для определения эффективности работы системы потребуется продолжительный период – не менее 3 лет (при условии, что солнечной энергии достаточно и она используется активно).

Установка только солнечных модулей потребует больших вложений: самые дешевые кремниевые панели обойдутся не менее 2200 руб. за штуку, а поликристаллические шестидиодные элементы первой категории – до 17000 за штуку. Подсчитать стоимость 30 модулей довольно просто (+)

Пользователи отмечают следующие недостатки:

• высокие цены на оборудование, необходимое для запуска системы в эксплуатацию;
• прямая зависимость количества произведенного тепла от географического положения и погоды;
• обязательное наличие резервного источника, например, газового котла (на практике зачастую резервной оказывается гелиосистема).

Чтобы добиться большей отдачи, приходится регулярно следить за исправностью коллекторов, очищать их от мусора и беречь от образования наледи в заморозки. Если температура часто опускается ниже отметки 0ºС, нужно позаботиться о дополнительной теплоизоляции не только элементов гелиосистемы, но и дома в целом.

Выбор АКБ, контроллера и инвертора

Работоспособность системы во многом зависит и от других компонентов, входящих в комплект солнечных батарей для дома

Особое внимание следует уделить аккумулятору, который в нужное время будет отдавать накопленную электроэнергию. Выбор модели осуществляется в соответствии с потребностью в электроэнергии, поэтому нужно заранее рассчитать ее суточный расход для имеющихся потребителей, в том числе и для освещения

Расчет выполняется с запасом в 10%, учитывающим потери в инверторе во время преобразования тока.

Если система солнечных батарей используется в качестве автономного источника питания, емкость аккумулятора должна быть максимально возможной. Если же планируется аварийный или резервный режим, то в первую очередь нужно рассматривать сроки эксплуатации.

Тип АКБ выбирается по условиям применения. При незначительных нагрузках вполне достаточно обычных стартерных батарей, хотя они и требуют регулярного обслуживания. Гелевым устройствам подобный уход не требуется, но электроэнергии они способны накопить значительно больше. Аккумулятором с герметичной и заливной конструкцией можно пользоваться в течение длительного времени, несмотря на высокую мощность потребителей.

Следующее оборудование для солнечных батарей представляет собой контроллер, подключаемый на участке между АКБ и солнечной панелью. Наиболее сложные и дорогие изделия способны отслеживать изменяющиеся входящие потоки и выравнивать их до требуемых значений. Такие приборы лучше всего подходят для больших солнечных систем, а на даче можно использовать более простые модели, например PWM. Когда аккумулятор заряжается на 80%, эти устройства снижают напряжение на солнечных панелях и далее поддерживают его на определенном уровне. Самые простые и дешевые приборы в таких случаях просто отключают подачу напряжения.

Выбор преобразователя – инвертора также требует определенной информации о системе. Входное напряжение должно соответствовать мощности данного устройства. Например, при показателе в 24 В, мощность инвертора составляет не менее 600 ватт

Рекомендуется выбирать инвертор синусоидального типа, обращать внимание на массу, которая зависит от мощности устройства. На каждые 100 ватт приходится 1 кг устройства, следовательно, инвертор на 3 квт будет весить 30 кг

Значение выходного тока должно соответствовать мощности всех подключенных потребителей.

Зная параметры и характеристики основных компонентов, можно собрать их по частям или приобрести готовые комплекты солнечных батарей.

Солнечные батареи для дома

Установка солнечных батарей

Инверторы для солнечных батарей

Как сделать солнечную батарею своими руками

Расчет солнечных батарей

Производство солнечных батарей

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.

Какое выходное напряжение на Ваших солнечных панелях?

12 В / 24 В36 В / 48 В

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).

Общие сведения о солнечных системах

Данные устройства, предназначенные для частного дома, работают на основе фотоэлектрических элементов, составляющих единую солнечную панель. Их основная функция состоит в преобразовании световой энергии в электричество, используя для этих целей фотоэффект. Солнечные системы постоянно улучшаются и к настоящему времени коэффициент полезного действия некоторых моделей достигает 46%.

Сегодня рынок электроники предлагает немало модификаций, из которых можно выбрать наиболее подходящий вариант. Уверенно ориентироваться во всем разнообразии продукции поможет знание конструктивных и технических особенностей того или иного прибора, его функций и возможностей в процессе эксплуатации. Среди них выделяются основные солнечные батареи для частного дома, разделяющиеся на две категории.
Одна из них предназначена для автономного электроснабжения, которое не работает вместе с основными электрическими сетями и не подключается к ним. Они образуют собственный замкнутый контур, напрямую питающий бытовые приборы, технику и оборудование. В комплекте имеется аккумуляторная батарея, накапливающая электроэнергию. Когда солнечное излучение становится менее интенсивным, солнечная панель отдает потребителям накопленное электричество. То же самое происходит, когда приборы и оборудование начинают потреблять больше мощности, чем вырабатывает система.

В некоторых случаях осуществляется прямое подключение нагрузки до 3 кВт к солнечным батареям, без использования аккумулятора. Такой вариант считается более дешевым, но и менее эффективным.

Второй вариант электроснабжения на солнечных батареях предполагает открытое использование панелей. В таких системах отсутствуют аккумуляторы, а соединение с основной сетью осуществляется с помощью инвертора. Если потребление электроэнергии находится на уровне с вырабатываемой панелями, то основная сеть находится в отключенном состоянии. В случае превышения потребителями установленной мощности, солнечные батареи для дачи отключаются, и питание начинает поступать из общей сети. Данные системы стоят дешевле, однако их работа полностью зависит от перечисленных факторов.

Существует еще одна категория, работающая по комбинированной схеме от солнечных панелей, в формате двух первых вариантов. В этом случае они постоянно вырабатывают дополнительную электроэнергию, которая передается в общую сеть и позволяет снизить затраты на энергопотребление. Данные системы считаются наиболее дорогими, требующими использования сложных зарядных устройств и сетевых фотоэлектрических инверторов.

В условиях дачи, расположенной за городом, может возникнуть ситуация, когда заметно снижается солнечная активность, и одновременно, общая сеть прекращает свою работу и электропитание. На подобные случаи рекомендуется запастись еще одним резервным источником питания – электрогенератором с небольшой мощностью, в пределах 2-5 киловатт.

Коллекторная система отопления

Наибольшей эффективности и отдачи можно добиться, установив вместо солнечных модулей коллекторы – наружные установки, в которых под действием солнечного излучения происходит нагрев воды. Такая система является более логичной и естественной, так как не потребует нагревания теплоносителя другими устройствами.

Рассмотрим конструкцию и принцип действия приборов двух основных видов: плоских и трубчатых.

Плоский вариант для самостоятельного изготовления

Конструкция плоских установок настолько проста, что опытные мастера-умельцы собирают кустарные аналоги своими руками, часть деталей купив в специализированном магазине, часть соорудив из подручного материала.

Внутри стального или алюминиевого утепленного короба закреплена пластина, адсорбирующая солнечное тепло. Чаще всего она покрыта слоем черного хрома. Сверху теплопоглотитель защищен герметичной прозрачной крышкой.

Нагревание воды происходит в трубках, уложенных змейкой и соединенных с пластиной. Вода или антифриз поступает внутрь короба через впускной патрубок, нагревается в трубках и перемещается на выход – к выпускному патрубку.

Светопропускная способность крышки объясняется использованием прозрачного материала – прочного закаленного стекла или пластика (например, поликарбоната). Чтобы солнечные лучи не отражались, стеклянную или пластиковую поверхность матируют (+)

Существует два вида подключения, однотрубное и двухтрубное, принципиальной разницы в выборе нет. Но существует большая разница в том, каким способом теплоноситель будет подаваться к коллекторам – самотечным или с помощью насоса. Первый вариант признан неэффективным из-за слабой скорости передвижения воды, по принципу нагрева он напоминает емкость для летнего душа.

Функционирование второго варианта происходит благодаря подключению циркуляционного насоса, который подает теплоноситель в принудительном порядке. Источником энергии для работы насосного оборудования может стать энергосистема на солнечных батареях.

Температура теплоносителя при нагреве солнечным коллектором достигает 45-60 ºС, на выходе максимальный показатель – 35-40 ºС. Для повышения эффективности работы отопительной системы наряду с радиаторами используют «теплые полы» (+)

Трубчатые коллекторы – решение для северных регионов

Общий принцип работы напоминает функционирование плоских аналогов, но с одной разницей – теплообменные трубки с теплоносителем находятся внутри стеклянных колб. Сами трубки бывают перьевыми, запаянными с одной стороны и внешним видом напоминающие перья, и коаксиальными (вакуумными), вставленными друг в друга и запаянными с обеих сторон.

Теплообменники также бывают разными:

• система преобразования солнечной энергии в тепловую Heat-pipe;
• обычная трубка для перемещения теплоносителя U-type.

Второй вид теплообменников признан более эффективным, но недостаточно популярным из-за стоимости ремонта: при выходе из строя одной трубки придется производить замену всей секции.

Трубка Heat-pipe не является частью целого сегмента, поэтому поменять ее можно за 2-3 минуты. Вышедшие из строя коаксиальные элементы ремонтируют, просто сняв заглушку и заменив поврежденный канал.

Схема, объясняющая цикличность нагревательного процесса внутри вакуумных трубок: холодная жидкость под воздействием солнечного тепла нагревается и испаряется, уступая место следующей порции холодного теплоносителя (+)

Проанализировав технические характеристики коллекторов разного типа и обобщив опыт их использования, решили, что для южных областей больше подходят плоские коллекторы, а для северных – трубчатые. Особенно хорошо зарекомендовали себя в условиях сурового климата установки с системой Heat-pipe. Они обладают нагревательной способностью даже в пасмурные дни и ночью, «питаясь» минимальным количеством солнечного света.

Образец стандартной схемы подключения солнечных коллекторов к бойлерному оборудованию: насосная станция обеспечивает циркуляцию воды, контроллер регулирует процесс нагревания

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.

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:

P = Kc * Wn * Ki

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.

Мнение эксперта
Торсунов Павел Максимович

Окончательно принимают ближайшее число кратное 2 для системы с выходным напряжением 24 В, 4 – для 36 В, 4 – для 48 В.

Способы использования солнечной энергии

Методы применения энергии небесного светила не относятся к инновационным технологиям, солнечное тепло используют давно и весьма успешно. Однако это касается, в основном, Австралии, некоторых стран Европы, Америки и южных регионов, где альтернативную энергию можно получать в течение всего года.

Некоторые северные области испытывают дефицит естественного излучения, поэтому его применяют в качестве дополнительного или запасного варианта.

Посредниками между солнечными лучами и образующим энергию механизмом являются солнечные батареи или коллекторы, которые отличаются и назначением, и конструкцией.

Батареи аккумулируют энергию солнца и позволяют использовать ее для питания бытовых электрических приборов. Они представляют собой панели с фотоэлементами с одной стороны и фиксирующим механизмом с другой. Можно поэкспериментировать и собрать батарею самостоятельно, но проще купить готовые элементы – выбор достаточно широк.

Гелиосистемы (солнечные коллекторы) являются частью отопительной системы дома. Большие теплоизолированные короба с теплоносителем, как и батареи, крепят на приподнятых щитах, обращенных к солнцу, или скатах крыши.

Считать, что абсолютно все северные регионы получают намного меньше естественного тепла, чем южные, ошибочно. Предположим, на Чукотке или в центральной Канаде солнечных дней намного больше, чем в расположенной южнее Великобритании

Для повышения эффективности панели помещают на динамические механизмы, напоминающие систему слежения – они поворачиваются вслед за движением солнца. Процесс преобразования энергии происходит в трубках, расположенных внутри коробов.

Главное отличие гелиосистем от солнечных батарей в том, что первые нагревают теплоноситель, а вторые аккумулируют электроэнергию. Есть возможность обогревать помещение и с помощью фотоэлементов, но схемы устройства нерациональны и пригодны только для тех для районов, где солнечных дней в году не менее 200.

Схема устройства отопительной системы с солнечным коллектором, подключенным к бойлеру, и запасным источником электроэнергии (например, газовым котлом), работающем на традиционном топливе (+)

Разновидности солнечных батарей

Большинство солнечных панелей, в том числе и для частного дома, созданы на основе кремния, который считается наиболее распространенным и дешевым материалом с высокой производительностью.

Существует несколько типов батарей с кремниевыми элементами, подходящими для дачного участка.

Монокристаллические

Считаются наиболее дорогими и эффективными. Каждый кристалл является фотоэлементом, а все вместе они соединяются в общую панель. Изготавливаются из кремния с высокой чистотой. Готовые монокристаллы разрезаются на пластинки, толщиной 250-300 мкм. Вся площадь пронизана металлическими электродами, нанесенными в виде сетки. Такая солнечная батарея с высокой мощностью в кВт обладает сравнительно высоким КПД, составляющим около 25%, поэтому она стоит дороже поликристаллических или аморфных аналогов. Ее отличает насыщенный однородный синий цвет и закругленные углы квадратов фотоэлементов.

Поликристаллические

Состоят из нескольких кристаллов, объединенных в общий элемент. Они производятся методом расплава с последующим медленным охлаждением. Данный способ более простой и дешевый, но и структура фотоэлементов получается неоднородной, что снижает уровень поглощения солнечного света. В результате, КПД таких панелей составляет всего лишь 12-18%, то есть, их производительность ниже по сравнению с монокристаллами. Однако, продажа по низкой цене делает эти солнечные батареи для дома более привлекательными для потребителей.

Тонкопленочные или аморфные

В них используется не чистый кремний, а его соединения, напыляемые тонким слоем на гибкую пленочную подложку. Такие батареи отличаются самой низкой производительностью, поскольку их КПД не превышает 5-6%.

Для выработки электроэнергии, сопоставимой с поликристаллическими, потребуется в два раза большая площадь рабочей поверхности. Тем не менее, они также пользуются спросом, благодаря возможности монтажа на стены, на крышу и другие нестандартных площади. Главное, определиться сколько их нужно в данном случае.

Сборка фотоэлементов в отдельные блоки путем параллельного подключения, обеспечивает требуемый уровень напряжения, что дает возможность установить солнечные батареи на дачу 10 квт. Такое объединение производится с использованием однотипных компонентов. При выборе предпочтение следует отдавать одной большой панели, нежели двум маленьким. Во втором варианте используются дополнительные подключения и соединения, снижающие надежность устройства.

Заключение

Приведенные расчеты и соображения позволяют сделать следующие выводы.

1. Установка для отопления в частном доме полностью автономной солнечной электростанции вполне возможна. Однако стоимость её составит  около $ 45 000, а для размещения оборудования понадобится от 150 квадратных метров площади.
2. Наиболее выгодным вариантом представляется интеграция «солнечного» отопления в общее энергоснабжение дома и/или вспомогательное снабжение энергией отдельных элементов уже существующие системы обогрева. Это позволит использовать станцию для отопления дома солнечными батареями максимально рационально. А заодно на порядок уменьшить её стоимость, мощность и площадь для монтажа.
3. Главным преимуществом монтажа фотоэлектрической системы является е абсолютная независимость от внешних источников. Именно поэтому в отдаленных регионах России (например, Якутии) такие СЭС представляют собой не только выгодный, но и наиболее надежный способ получения электроэнергии.