Расчёт производительности солнечных батарей

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.

Принцип работы солнечной электростанции в домашних условиях

Солнечная электростанция – это система состоящая из панелей, инвертора, аккумулятора и контроллера. Солнечная панель трансформирует лучистую энергию в электричество (как было сказано выше). Постоянный ток попадает в контроллер, который распределяет ток по потребителям (например, компьютер или освещение). Инвертор преобразовывает постоянный ток в переменный и обеспечивает работу большинства электрических бытовых приборов. В аккумуляторе накапливается энергия, которая можно расходовать в темное время суток.

Видео описание

Наглядный пример расчетов, показывающий, сколько панелей нужно для обеспечения автономного энергоснабжения, смотрите в этом видеоролике:

https://youtube.com/watch?v=ID34smUuqdA

Как солнечная энергия используется для получения тепла

Гелиосистемы применяются для нагревания воды и отопления жилища. Они могут давать тепло (по желанию владельца) даже тогда, когда отопительный сезон закончится, и обеспечивать дом горячей водой бесплатно. Простейшее устройство представляет собой металлические панели, которые устанавливают на крыше дома. Они аккумулируют энергию и согревают воду, которая циркулирует по скрытым под ними трубам. Функционирование всех гелиосистем основано на этом принципе, несмотря на то, что конструктивно они могут отличаться друг от друга.

Солнечные коллекторы состоят из:

бака-аккумулятора;
насосной станции;
контроллера;
трубопроводы;
фиттингов.

По типу конструкции различают плоские и вакуумные коллекторы. У первых дно покрыто теплоизоляционным материалом, а жидкость циркулирует по стеклянным трубам. Вакуумные коллекторы отличаются большой эффективностью, потому что теплопотери в них сведены к минимуму. Этот тип коллектора обеспечивает не только отопление солнечными батареями частного дома – его удобно использовать для систем горячего водоснабжения и подогрева бассейнов.

Принцип действия солнечного коллектораИсточник 21ek.ru

Этапы монтажа батарей

Для установки панелей выбирается самое освещенное место – чаще всего это крыши и стены зданий. Чтобы устройство функционировало максимально эффективно, панели монтируются под определенным углом к горизонту. Учитывается также уровень затемненности территории: окружающие предметы, которые могут создавать тень (постройки, деревья и т. п.)
Устанавливаются панели при помощи специальных крепежных систем.
Затем модули соединяются с аккумулятором, контроллером и инвертором, и производится наладка всей системы.

Для монтажа системы всегда разрабатывается персональный проект, который учитывает все особенности ситуации: как будет выполняться установка солнечных батарей на крыше дома, цена и сроки. В зависимости от вида и объема работ, все проекты рассчитываются в индивидуальном порядке. Клиент принимает работу и получает на нее гарантию.

Установка солнечных батарей должна производиться профессионалами и с соблюдением мер безопасностиИсточник pinterest.ca

Как итог – перспективы развития солнечных технологий

Если на Земле максимально эффективной работе солнечных батарей мешает воздух, который в известной мере рассеивает излучение Солнца, то в космосе такой проблемы не существует. Учеными ведется разработка проектов гигантских орбитальных спутников с солнечными батареями, которые будут работать 24 часа в сутки. От них энергия будет передаваться на наземные приемные устройства. Но это дело будущего, а для уже существующих батарей усилия направлены на повышение энергоэффективности и уменьшение размеров устройств.

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.

Определение потерь электроэнергии в домашней системе

Величину этих потерь учитывает Кпот. Эти потери могут быть в:

Проводах. Величина составляет 1%.
. Составляют от 3 до 7%.
Шунтирующих диодах (0,5%).
Самой батареи при очень малом солнечном излучении (1-3%).

Также потери электроэнергии могут возникать из-за сильного нагрева модуля (составляют 4-8%) и из-за наличия грязи на солнечных панелях или их потемнений (1-3%).

Автономная электрическая система для дома считается оптимальной, если общие потери не превышают 15%. Тогда срок окупаемости сокращается, а также аккумуляторы накапливают больше тока. Кпот составляет 0,85. Однако плохое качество оборудования или неграмотный выбор комплектующих может привести к 30-процентным потерям. Кпот уже составит 0,7.

Срок эксплуатации

Самый большой эксплуатационный опыт имеют кристаллические модули. Они стали выпускаться с 50-х годов двадцатого столетия по специальным эксплуатационным тестам. Солнечные элементы, которые используются в модулях, обладают неограниченным сроком службы. Они не деградируют по истечению нескольких лет работы. Однако модульная мощность падает с течением времени. Это происходит из-за постепенного разрушения этиленвинилацетатной пленки, которая используется для модульной герметизации и замутнения пленочной прослойки, которая располагается у стекла и солнечных элементов.

Задача модульного герметика заключается в защите компонентов устройства и внутренних электросоединений от негативного воздействия жидкости. Поскольку невозможно сделать полную защиту элементов от влаги, ультрафиолета и температурного перепада, герметик разрушается с течением времени. Влага, которая попала внутрь, выводится наружу в дневное время, когда модульная температура растет. Свет начинает разрушение герметизирующих компонентов, благодаря световому излучению, и они становятся менее эластичными, более податливыми на механический вид воздействий. С течением времени защита модуля ухудшается. Влага, которая попала внутрь модуля, приводит к коррозии электросоединений. Из-за этого увеличивается сопротивление в месте ржавчины, перегревается и разрушается контакт, уменьшается модульное напряжение на выходе.

Заключительным фактором, который уменьшает модульную выработку, считается постепенное снижение прочности пленки у стекла и элементов. Снижение заметить самостоятельно сложно, но оно ведет к тому, что эффективность работы модуля снижается за счет попадания меньшего количества света на ряд солнечных элементов.

Что это такое солнечные батареи и как они работают

Солнечные панели работают по принципу фотопреобразования энергии солнца в электричество. Основу устройств составляют фотоэлементы, состоящие из пары разнополярных кремниевых кристаллов, один из которых покрыт фосфором, а второй бором. При освещении солнцем между пластинами разность потенциалов с активным перемещением электронов и дырок, сопровождаемое созданием постоянного напряжения.

Из таких элементов, соединенных последовательно и параллельно, формируются наборы, которые помещаются на пластины и ограничиваются рамкой.

Как устроены

Солнечная батарея устроена следующим образом. Светочувствительная панель, которая вырабатывает постоянный ток, посредством проводников связана с контроллером. В этом элементе схемы формируется стабилизированное постоянное напряжение 12В. С этого устройства ток подается на аккумуляторы и инвертор, где вновь подвергается преобразованию, получая параметры стандартной бытовой сети (220В).

https://youtube.com/watch?v=fPp37tg5sOc

Основные различия солнечных панелей

Для преобразования энергии солнца используются четыре основных типов панелей:

Кремниевые поликристаллические. Узнаваемые по антибликовому листу, стеклу и поликристаллической конструкции. Не создают трудностей в производстве, что сказывается на относительно низкой стоимости. При невысоком КПД, вырабатывают электричество даже при пасмурной погоде. Однако чувствительны к высоким температурам и не отличаются длительным сроком службы.
Кремниевые монокристаллические. Конструктивно сходны с поликристаллическими, только дополнены стальными пластинами, которым отводится роль радиаторов. Имеют достаточно высокий КПД (до 20%). Не создают проблем при установке. Однако при малейшем затемнении полностью теряют эффективность. Нуждаются в сложном процессе изготовления, что способствует высокой цене.
Кремниевые мультикристаллические. Сочетают особенности первых двух видов. В связи с упрощенным производственным процессом имеют более доступную цену.
Пленочные (рулонные). Могут располагаться на крышах, стенах и других поверхностях. Обеспечивают быстрое покрытие больших площадей. Легко поддаются резке, что позволяет получать панели любых форм и размеров. Не отличаются значительной эффективностью, однако постоянно совершенствуются и считаются наиболее перспективным вариантом.

Основные критерии выбора системы для каждого случая

При выборе солнечных батарей электростанции для дома или дачи, необходимо учитывать следующие нюансы:

Вырабатываемая батареей мощность должна превышать суммарную мощность нагрузки не менее, чем на 20%.
Для местностей с высокой круглогодичной солнечной активностью лучше остановить выбор на монокристаллах, а при частой облачности – на поликристаллических панелях.
Если батареи размещаются на крыше, следует подсчитать ее площадь, и сравнить сколько солнечных батарей каждого типа можно будет разместить на этом пространстве для получения оптимальной энергоэффективности.
При размещении батарей на крыше необходимо учесть их вес и позаботиться об усилении кровли.

Кроме этого, следует обратить внимание на энергоэффективность, температурный коэффициент и гарантийный срок, который в зависимости от типа устройств составляет от 5 до 10 лет, а также что входит в комплект

Типы фотоэлектрических преобразователей

Классифицируют промышленные солнечные панели по их конструкционным особенностям и типу рабочего фотоэлектрического слоя.

Различают такие виды батарей по типу устройства:

гибкие панели;
жесткие модули.

Гибкие тонкопленочные панели постепенно занимают всё большую нишу на рынке благодаря своей монтажной универсальности, ведь установить их можно на большинстве поверхностей с разнообразными архитектурными формами.

Реальные характеристики солнечных панелей обычно ниже, чем указанные в инструкции. Поэтому перед их установкой дома желательно самому увидеть похожий реализованный проект

По типу рабочего фотоэлектрического слоя солнечные батареи разделяются на такие разновидности:

Кремниевые: монокристаллические, поликристаллические, аморфные.
Теллурий-кадмиевые.
На основе селенида индия- меди-галлия.
Полимерные.
Органические.
На основе арсенида галлия.
Комбинированные и многослойные.

Интерес для широкого потребителя представляют не все типы солнечных панелей, а только лишь первые два кристаллических подвида.

Хотя некоторые другие типы панелей и имеют большие КПД, но из-за высокой стоимости они не получили широкого распространения.

Кремниевые фотоэлектрические элементы довольно чувствительны к нагреву. Базовая температура для измерения электрогенерации составляет 25°C. При её повышении на один градус эффективность панелей снижается на 0,45-0,5%.

Далее будут подробно рассмотрены солнечные панели, которые представляют наибольший потребительский интерес.

Расчет фотоэлектрических панелей

Первое, что необходимо знать, собираясь рассчитывать конструкцию фотоэлектрических преобразователей (панелей ФЭП), это количество электроэнергии, которое будет потреблять оборудование, подключенное к солнечным батареям. Просуммировав номинальную мощность будущих потребителей солнечной энергии, которая измеряется в Ваттах (Вт или кВт), можно вывести среднемесячную норму потребления электроэнергии – Вт*ч (кВт*ч). А требуемая мощность солнечной батареи (Вт) будет определяться, исходя из полученного значения.

Для примера рассмотрим перечень электрооборудования, которое сможет обеспечивать энергией небольшая солнечная электростанция мощностью 250 Вт.

Таблица взята с сайта одного из производителей солнечных панелей.

Налицо несоответствие между суточным потреблением электроэнергии – 950 Вт*ч (0,95 кВт*ч) и значением мощности солнечной батареи – 250 Вт, которая при непрерывной работе должна генерировать в сутки 6 кВт*ч электроэнергии (что намного больше обозначенных потребностей). Но раз уж мы говорим именно о солнечных панелях, то следует помнить, что свою паспортную мощность эти устройства способны развивать только в светлое время суток (примерно с 9-ти до 16-ти часов), да и то в ясный день. В пасмурную погоду выработка электроэнергии также заметно падает. А утром и вечером объем электроэнергии, вырабатываемой батареей, не превышает 20–30% от среднесуточных показателей. К тому же, номинальная мощность может быть получена с каждой ячейки только при наличии оптимальных для этого условий.

Все это учитывается, когда в конструкцию солнечных панелей закладывается определенный запас мощности.

Теперь поговорим о том, откуда взялся показатель мощности – 250 кВт. Указанный параметр учитывает все поправки на неравномерность солнечного излучения и представляет собой усредненные данные, основанные на практических экспериментах. А именно: измерение мощности при различных условиях эксплуатации батарей и вычисление ее среднесуточного значения.

Идем дальше: зная среднесуточные потребности в электричестве, можно рассчитать требуемую мощность солнечных батарей и количество рабочих ячеек в одной фотоэлектрической панели.

При осуществлении дальнейших расчетов будем ориентироваться на данные уже знакомой нам таблицы. Итак, предположим, что суммарная мощность потребления равна примерно 1 кВт*ч в сутки (0,95 кВт*ч). Как мы уже знаем, нам понадобится солнечная батарея, обладающая номинальной мощностью – не менее 250 Вт.

Предположим, что для сборки рабочих модулей вы планируете использовать фотоэлектрические ячейки с номинальной мощностью – 1,75 Вт (мощность каждой ячейки определяется произведением силы тока и напряжения, которые генерирует солнечный элемент). Мощность 144-х ячеек, объединенных в четыре стандартных модуля (по 36 ячеек в каждом), будет равна 252 Вт. В среднем с такой батареи мы получим 1 – 1,26 кВт*ч электроэнергии в сутки, или 30 – 38 кВт*ч в месяц. Но это в погожие летние дни, зимой даже эти значения можно получить далеко не всегда. При этом в северных широтах результат может быть несколько ниже, а в южных – выше.

Представленные значения – это киловатты, которые можно получить непосредственно с солнечных батарей. Сколько же энергии дойдет до конечных потребителей – это зависит от характеристик дополнительного оборудования, встроенного в систему электроснабжения. О них мы поговорим позже.

Как видим, количество солнечных элементов, необходимых для генерирования заданной мощности, можно рассчитать лишь приблизительно. Для более точных расчетов рекомендуется использовать специальные программы и онлайн калькуляторы солнечной энергии, которые помогут определить требуемую мощность батареи в зависимости от многих параметров (в том числе, и от географического положения вашего участка).

Если с первого раза произвести правильный расчет фотоэлектрических панелей не удалось (а непрофессионалы очень часто сталкиваются с подобной проблемой), это не беда. Недостающую мощность всегда можно будет восполнить, установив несколько дополнительных фотоэлементов.

Виды солнечных батарей

В настоящее время солнечные батареи представлены несколькими вариантами в зависимости от типа их устройства, и от материала, из которого изготовлен фотоэлектрический слой.

I. Классификация по типу их устройства:

1. Гибкие;
2. Жёсткие.

II. В зависимости от материала, из которого изготовлен фотоэлектрический слой выделяют:

1. Солнечные батареи, фотоэлемент которых выполнен из кремния. Они в свою очередь бывают монокристаллическими, поликристаллическими и аморфными. Монокристаллические панели достаточно дорогой вариант, но они отличаются высокой мощностью.

Поликристаллические дешевле, чем монокристаллические панели. Такие панели медленней теряют свою эффективность с увеличением сроков службы, а так же при нагревании.

Аморфные представлены в основном тонкопленочными панелями. Такое устройство солнечной батареи позволяет генерировать солнечный свет, даже в плохих погодных условиях;

2. Солнечные батареи, фотоэлемент которых выполнен из теллурида кадмия;

3. Солнечные батареи, фотоэлемент которых выполнен из селена;

4. Солнечные батареи, фотоэлемент которых выполнен из полимерных материалов;

5. Из органических соединений;

6. Из арсенида галлия;

7. Из нескольких материалов одновременно.

Основные типы, которые получили распространение, это многопереходные кремниевые фотоэлементы.

Фотоэлементы, выполненные из кремния, отличаются высокой чувствительностью к нагреванию, компактностью, надежностью и высоким уровнем КПД (коэффициента полезного действия).

Другие материалы не получили широкого распространения в связи с большой стоимостью.

Разновидности

По способу функционирования солнечные системы делятся на два типа:

Автономные. Работают там, где нет возможности подключиться к центральной электросети. Минус проявляется в периоды длительного отсутствия солнца (например, зимой), когда есть риск остаться без электроэнергии. Нуждаются в подстраховке дизельным/бензиновым генератором.

Комбинированные. Система работает автономно, на генерации от солнца, но при необходимости переключается на дублирующий источник (электросеть или тот же дизель). Источники связаны в сеть с помощью приборов, переключение происходит в автоматическом режиме.

Технологии производства и устройства солнечной батареи отличаются, главным образом, методом нанесения кремния. Большинство систем используют модули следующих типов:

Поликристаллического типа. Бюджетный вариант солнечных батарей, подходит в качестве источника энергии для загородного дома. Существует версия мобильной модели, которую можно взять в путешествие или поход. Недостаток технологии – сравнительно низкая (до 18 %) эффективность.
Монокристаллический кремний. Панели более надежны в эксплуатации. У них выше срок эксплуатации (до 40-50 лет), стабильнее работа: они сохраняют до 70-80 % мощности на протяжении работы. Панели из монокристаллических элементов демонстрируют эффективность до 22 % (в серии); те, что используются в космической отрасли – до 38 %.

Также возможна установка следующих устройств:

Мультикристаллический кремний. Модули из мультикристаллического кремния просты в изготовлении, поэтому обладают более доступной стоимостью. КПД доходит до 15 %, служба рассчитана на 25 лет.
Тонкопленочные батареи. Могут функционировать при рассеянном свете (без прямого солнечного света), что является плюсом в туманном климате или в запыленном воздухе. Это дает дополнительно 10-15 % мощности в год (если сравнивать с традиционными кристаллическими системами).
Солнечные панели из аморфного кремния. КПД невысокий (6-8 %), зато вырабатываемая электроэнергия – одна из самых дешевых.
Модели на основе CIGS (полупроводниковые). В состав полупроводника входит медь в смеси с индием, галлием и селеном. В основе изготовления батареи лежит пленочная технология, эффективность достигает 15 %.
Батареи с использованием теллуида кадмия (CdTe). Изготавливаются по пленочной технологии, отличаются сверхтонким полупроводниковым слоем. КПД не превышает 11 %, зато генерируемая энергия обходится на 20-30 % дешевле, чем у кремниевых моделей.

Выводы и полезное видео по теме

Ролик #1. Показ установки солнечных батарей на крышу дома своими руками:

https://youtube.com/watch?v=BSFHEB48R9Y

Ролик #2. Выбор аккумуляторных батарей для гелиосистемы, виды, отличия:

https://youtube.com/watch?v=HWpwTSfXZr4

Ролик #3. Дачная солнечная электростанция для тех, кто все делает сам:

https://youtube.com/watch?v=QiQpFrwZTLY

Рассмотренные пошаговые практические приемы расчетов, основной принцип эффективной работы современной солнечной панельной батареи в составе домашней автономной гелиостанции помогут хозяевам и большого дома густонаселенного района, и дачного домика в глуши обрести энергетическую суверенность.

Хотите поделиться личным опытом, который получили в ходе сооружения мини гелиосистемы или только батареи? Возникли вопросы, на которые хотелось бы получить ответ, нашли недочеты в тексте? Оставляйте, пожалуйста, комментарии в расположенном ниже блоке.

Заключение

Теперь мы знаем, что с 7 утра и до 17 вечера мощность панели в солнечную погоду будет на уровне 30 Вт, что само по себе уже неплохо. В пасмурную погоду мощность естественно будет падать. Об экономической составляющей мы уже говорили – каждый сам решает, насколько ему необходима такая система, которая за неделю сможет выработать всего 2 кВт/час.

Но все же если не учитывать того момента, что установка такого комплекта на балконе не даст квартире полную энергонезависимость, в наших российских реалиях такой комплект может хорошо выручить — зарядит смартфон, светодиодные ленты будут давать свет. Кроме всего прочего, вы будете себя чувствовать сопричастным к процессу использования альтернативных источников энергии.