Источники энергии
Источники энергии, берущиеся из окружающей среды, становятся все более актуальными.
Вода, ветер и солнце являются практически бесконечными источниками, способными обеспечить практически неиссякаемой энергией. Остается только преобразовать ее в электроэнергию.
Причем эти источники доступны не только в промышленных масштабах, ими может воспользоваться и простой обыватель.
Самым оптимальным для владельца дома или дачи является использование солнечной энергии.
Ведь реки есть не везде, существуют и районы, где ветра не так уж и много, а вот дневной свет способен обеспечить электроэнергией практически в любом месте земного шара.
Конечно, полностью обеспечить электроэнергией все приборы в доме за счет энергии солнца удастся не всегда, но часть их – вполне возможно.
Количество вырабатываемой электроэнергии зависит от многих факторов: площади солнечных панелей, материала их изготовления, особенностей дополнительного оборудования, погодных условий.
Как рассчитать необходимую мощность солнечных батарей
При выборе гелиопанелей мощность выступает одним из основных параметров данного оборудования, сказывающемся на его стоимости. Подобрать для домашнего использования по данному критерию модуль (соответственно прочие комплектующие) можно несколькими способами:
- определив суточное (почасовое) электропотребление всех имеющихся дома потребителей электроэнергии;
- по величине потребляемой электроэнергии (определяется по электросчетчику).
Чтобы определить суточное потребление электроэнергии домашними электроприборами, необходимо составить их перечень с указанием потребляемой мощности. После следует записать часы (период) и время работы каждого устройства в течение дня.
Умножением времени использования прибора на его мощность удастся рассчитать электропотребление в сутки. Суточное потребление электроэнергии получится сложением потребления всех единиц электрооборудования.
Солнечные панели за световой день по производительности должны покрывать рассчитанную суточную величину электропотребления. Желательно создать запас по мощности примерно 20 %.
Для проведения расчетов удобно все данные занести в таблицу. Её пример:
Пример таблицы для расчета электропотребления
Следует учитывать наличие пиковых часов энергопотребления, чтобы оптимизировать скачки нагрузки путем отключения ненужных во время пика электроприборов. Их поможет выявить записанное потребление по приборам.
По показателям счетчика требуемая мощность панелей рассчитывается упрощенным способом (например, потребление 210 кВт за 30 дней) в следующей последовательности:
- 210 кВт/30 дней = 7 кВт – средний дневной расход, а 7000 Вт/24 часов = 292 Вт (округленно) – это среднечасовое потребление;
- затем величину среднего потребления за день (7 кВт) необходимо разделить на усредненную продолжительность светового дня по региону (определяется широтой местности) – это даст требуемую производительность электростанции в час.
Изложенные выше способы позволяют получить усредненные данные. Более точную информацию даст учет в расчетах среднего числа солнечных дней в каждом месяце, средней продолжительности светового дня по месяцам года, потерь в цепи.
Дом с потребителями электроэнергии
Рассчитав величину электропотребления жилья удобным способом, можно приобрести готовые солнечные электростанции заводского производства либо самостоятельно собрать схему. В последнем случае понадобится правильно подобрать по мощности, рабочему напряжению и способу функционирования аккумулятор, инвертор, контроллер. Цены на устройства варьируются в широком диапазоне. Они зависят от эксплуатационных характеристик и вида оборудования, производителя. Поэтому в вопросе выбора большая роль принадлежит личным финансовым возможностям.
В нижеследующем видеоролике на примере с расчетами показан выбор солнечных панелей и других устройств, необходимых для создания домашней электростанции:
Принцип работы солнечных батарей
По своей сути данные батареи — это фотогенераторы электрической энергии. Согласно законам физики, солнечный свет образует постоянный электрический ток, воздействуя на полупроводниковые элементы. В цепях батареи возникает определенное напряжение, которое подается непосредственно на сами объекты. В специальном аккумуляторе накапливается энергия, которая потом используется в пасмурную погоду.
Схема водонагревательной гелиосистемы.
Целесообразнее батареи устанавливать на южную сторону крыши дома, угол крыши должен составлять не менее 30⁰С. При этом рекомендуется учесть дополнительные помехи, например, рядом стоящие строения или деревья, которые могут помешать работе всей системы в будущем. В установленном оборудовании поток солнечных лучей должен исходить из учета 1000 кВт/ч на 1 м² за год. Полученная солнечная энергия в данном случае будет равна, использованию 100 л газа. Некоторые мощные батареи площадью около 4 м², применяемые для обогрева частного дома, могут обеспечить среднюю семью из трех человек горячей водой. Они способны выработать энергию примерно до 2000 кВт/ч в год.
В состав солнечных батарей входит:
- прозрачная, стеклянная или пластмассовая верхняя панель, внутри которой циркулируют вода или воздух;
- зачерненная металлическая поверхность, которая поглощает тепловую энергию солнца;
- водяной бак или накопительный резервуар, куда попадает нагретая жидкость или газ, затем они перемещаются непосредственно в батареи.
В установку отопления солнечными батареями входит:
- преобразователь обыкновенный;
- преобразователь постоянного тока в переменный;
- датчик, регулирующий зарядку и разрядку батареи;
- аккумулятор;
- механизм отбора мощности.
Применение
Схема принципа работы и устройства солнечной батареи.
Система отопления, основанная на солнечных батареях, используется в основном для получения электричества. Соответственно, такие батареи практичнее устанавливать в доме с электрическим отоплением, электрическими обогревателями и системой теплых полов. Оборудовав мощными солнечными батареями отопление частного дома, можно в дальнейшем пользоваться горячей водой. В этом случае необходимо учесть количество проживающих человек, площадь обогреваемого жилья и расход потребляемой энергии.
Например, в семье из трех человек в среднем расходуется до 500 кВт в месяц только на бытовые приборы. При этом не учитывается количество энергии на подогрев воды. Лучше всего площадь системы солнечного отопления рассчитывать из учета 1 м² площади батареи на человека. Для установки системы теплого пола на каждые 10 м потребуется 1 м² солнечной батареи.
Эффективность
Эффективность работы солнечных батарей зависит от множества факторов, и главным здесь является поступающая энергия солнца. В случае отопления дома, расположенного в северных широтах, рекомендуется использование совмещенных видов отопления, где обогрев солнечными батареями будет использоваться как дополнительный вариант к газовому или твердотопливному отоплению.
http:
Совмещенный способ обогрева частного дома можно использовать и в более теплых широтах, потому что мощность солнечных батарей при недостаточном естественном освещении и в пасмурную погоду крайне мала. Поэтому обогрев таким способом является больше средством экономии, чем основным источником тепла в доме. Вследствие этого не рекомендуется полностью отказываться от других способов обогрева дома. Самым эффективным отоплением на сегодня является комбинированный способ обогрева жилья.
Обзор моделей
Выпуском аккумуляторов для солнечных электрических станций занимаются такие компании, как:
- Немецкая фирма Bosh, занимающаяся выпуском техники бытового и промышленного назначения.
- Немецкая фирма Sonnenschein, занимающаяся разработкой и выпуском техники.
- Английская компания YUASA (Великобритания).
- Американская фирма C&D Technoloqies.
- Китайский производитель техники Delta.
- Китайская компания Haza (Китай).
- Тайваньская фирма APS.
Все представленные выше компании, успевшие с самой лучшей стороны зарекомендовать себя на рынке, занимаются выпуском аккумуляторов для солнечных батарей. Продукция каждой из компаний отличается своими особенностями. Например, аккумуляторы, выпускаемые фирмой Haza изготовлены с использованием технологий AGM и HZY.
Для автономных систем лучше всего подходят аккумуляторы, изготовленные с использованием технологии Gel “глубокого разряда” или аккумуляторы технологии OPzV. Таким характеристикам соответствуют аккумуляторы, выпущенные фирмой Delta.
Правила пользования устройством
Придерживаясь определенных правил эксплуатации, можно продлить срок службы аккумуляторов.
Придерживаясь правил можно продлить жизнь аккумулятора для солнечных батарей
Температура – одно из самых важных условий для хорошей и длительной работы устройства. Резкие перепады негативно сказываются на состоянии аккумуляторов. В среднем, устройство должно работать при температуре воздуха не выше +40° и не ниже -25° C. Необходимо исключить попадания на устройство прямых солнечных лучей.
Чтобы избежать таких неприятностей, как непреднамеренный нагрев или самовозгорание, аккумуляторы не должны находиться вблизи открытого огня. Также следите за тем, чтобы на устройства не попадала вода или атмосферные осадки, из-за чего высока вероятность возникновения тока самозаряда.
Зарядка аккумуляторов должна осуществляться строго по инструкции, которую прилагает производитель. Не лишним будет и регулярная проверка плотности электролита.
История происхождения
Солнечные батареи применяют для создания автономного электроснабжения в доме. Повышают эффективность системы отопления энергией солнца — нагревают воду в змеевике из труб, подключенном к душу на даче. Генерацию пара обеспечивают комплектом зеркал, концентрирующих лучи на стенках бака.
Фотоэффект при облучении электролитического раствора впервые обнаружил А. Беккерель в 1839 г. Следующий список отражает вклад других исследователей:
- Г. Герц (1887 г.) — открытие внешнего фотоэффекта;
- Томсон (1898 г.) — экспериментальное подтверждение возрастания силы тока при увеличении освещенности контрольной зоны;
- Ф. Леонард (1902 г.) — регистрация зависимости образованной энергии от частоты облучающего сигнала;
- А. Эйнштейн (1905 г.) — формулировка физических принципов явления.
Преобразование солнечной энергии в электрический ток выполняется без промежуточных этапов. Отсутствие теплоносителя определяет более высокую эффективность фотоэлектрической панели.
Инвертор
Способы подключения солнечных батарей могут быть разными, но подбор параметров частей системы имеет общие принципы. Рассмотрим, как подобрать инвертор для СЭС разных типов.
Электростанция полностью автономного типа. Такая система не подключена к сети Энергосбыта (внешней магистрали), пользователь получает все электричество только от панелей. Подойдет инвертор off-grid. Эти автономные модели могут быть одно и трехфазными, способны преобразовывать постоянный токи разного вольтажа 12, 24, 48, 96 В и выше. Данные изделия самые дешевые (25–600 долл.), но это не означает их неэффективность — для не особо требовательной сборки указанного типа они подойдут, нет смысла брать более дорогие изделия, так как их потенциал не будет использоваться.
Схема с подключением к центральной сети. СЭС работает как автономно, так и совместно с главной магистралью. Но без аккумуляторов. Тут подойдет инвертор on-grid:
- регулирует забор электричества, но не из АКБ, а из сети Энергосбыта, если модули не выдают достаточного его количества;
- отправляет излишки продуцируемой энергии в центральную сеть, например, для продажи «по зеленым тарифам».
Стоимость изделия on-grid 200–20 000 $. Зависит от мощности конкретной модели, например, для устройства на 3–6 кВт — 2000 $, на 1000 кВт — 15 000 $ и выше. Для дома хватит 5 кВт.
Аккумуляторно-сетевая СЭС — самый распространенный оптимальный тип: вырабатывается энергия для запитывания приборов дома, излишек накапливается в АКБ, которые отдают заряд ночью и/или когда модули не справляются с нагрузкой, а также в центральную сеть для продажи. Если система из-за возросших потребностей не справится с нагрузкой, то предполагается забор энергии из магистрали Энергосбыта. Для таких условий подойдет модель hybrid (с сетевыми функциями). Цена начинается с 500–600 $ и до около 20 000 $.
Иные параметры
Дальше кратко подбор инвертора по иным критериям, которые необходимо учесть перед тем, как подключить солнечную панель.
| Параметр | Описание |
|---|---|
| Мощность | Зависит от номинала по мощности СЭС, связанной со стороной от постоянного тока и максимумом нагрузки — от переменного. Надо взять полное значение по мощности СЭС (допустимая погрешность 90–120%) и мощность всех приборов при их одновременном включении. Первая характеристика указана в ТД панелей, по второй считают не просто кВт, а совокупное пиковое (пусковое) значение, которое может превышать рабочее в 5–7 раз. Из-за перегрузки во время запуска даже на 2–3 сек. инвертор не запустится. |
| По напряжению | Рекомендованное соотношение (вольтаж/мощность СЭС):
|
| КПД | Это малозначимый параметр — все современные изделия имеют 90–95% КПД. Энергопотребление прибора не должно быть большим 5–10% проходящей через него энергии. |
| Вес | 1 кг — 100 Вт. Качественный прибор не может быть легким, так как чем он мощнее, тем больше трансформатор и его медные обмотки. |
| Меандровые, синусоидальные типы сигнала | Меандр (прямоугольная форма) — дешевый, не защитит полностью от скачков напряжения. Плохо влияет на индуктивные нагрузки, например, на компрессор, насосы кондиционеры, стиралки. К нему ставят дополнительные стабилизаторы. Чистая синусоида — дорогое изделие, колебания очень плавные, только такая модель рекомендована без оговорок для частного дома для запитывания перечисленных выше и всех других приборов. Квазисинусоид — тут применен компромисс, грубо говоря, имитация чистой синусоиды, подойдет для таких же целей, как в предыдущем пункте, прибор менее качественный, но дешевле. |
| 1 или 3 фазный | Трехфазный можно поставить и на 1 и на 3-фазную сеть. Однофазный — только на такую же систему. |
Количество инверторов
Теоретически 1 прибора, если он подобран правильно под мощность, другие параметры, хватит для всей СЭС. Но при большом количестве пластин в нескольких линях желательно на каждую ставить свой инвертор. Причина в том, что нестабильность одной ветки (расположенность на чуть ниже освещаемой стороне) негативно влияет на общий инвертор, КПД понизится. А с отдельными такими устройствами этот недостаток нивелируется.
Хороший вариант — модель для нескольких отдельных MPPT входов (2– 4 и больше). Но цена такого оснащения часто неоправданно высокая.
На что обратить внимание при выборе солнечных батарей?
При выборе солнечных батарей для частного дома или дачи необходимо обратить внимание не только на КПД батареи, которое в современных конструкциях на основе кремниевых элементов, ограничивается величиной 20-21%, но и на суммарную мощность купленной солнечной электростанции. Она должна обеспечить электроэнергией, достаточной для потребления электросистемой дома в любую погоду
Зимой сильно снижается длительность светового дня, поэтому в регионах, где это наблюдается, необходимо делать запас мощности, чтобы батарей хватало на то время, когда солнце менее активно. Почему выработка зимой меньше? Не нужно думать, что из-за холода батарея будет хуже работать. Негативное действие на эффективность работы оказывают осадки в виде снега, которые необходимо удалять и меньшая продолжительность светового дня с высокой облачностью – именно это негативно влияет на выработку электроэнергии в зимнее время. Летом солнечная батарея генерирует меньшее напряжение, чем зимой. В жару температура на поверхности гелиопанели может достигать 50–55 °С, что снижает эффективность фотогальванических элементов.
Еще один важный момент при составлении плана “Как выбрать солнечные батареи для домашней электростанции” – эффективность финансовых вложений. Многие батареи при правильном выборе окупаются достаточно быстро, так как производимая при использовании энергии солнца электроэнергия является бесплатной. Выходное номинальное напряжение солнечных батарей кратно 12В и 24В, но бывают и 20В – это панели с 60 элементами. Фактическое напряжение на выходе гелиопанелей, как правило больше номинального. Так гелиопанель с выходным номинальным напряжение, равным 12В, в точке максимальной мощности выдает 17В, а при холостом ходе выдает 23В. Аналогично работают и батареи с номинальным напряжением на выходе 20 В и 24В. Двадцативольтовая батарея выдает напряжение на выходе 30В точке максимальной мощности и 39В – в режиме холостого хода, а двадцатичетырехвольтовая соответственно – 37В и 45В.
Сравнение различных типов батарей
Свинцовые батареи стоят дешевле, но они имеют более короткий срок службы и по современным меркам низкую плотность энергии, а некоторые из них требуют регулярного технического обслуживания, чтобы поддерживать их в рабочем состоянии. Литиевые батареи дороже, но они не требуют технического обслуживания и имеют более длительный срок службы, что соответствует их более высокой цене. Давайте более подробно рассмотрим какой лучше взять аккумулятор для солнечных электростанций, плюсы и минусы каждого варианта и объясним, почему вы можете выбрать один из них для своей системы.
Свинцово-кислотные с жидким электролитом
Свинцово-кислотная АКБ с жидким электролитом
Отличительной особенностью этих батарей является то, что свинцовые пластины погружены в жидкий электролит. Их необходимо регулярно проверять и доливать каждые 1-3 месяца, чтобы они работали должным образом. Халатное отношение к обслуживанию может сократить их срок службы и аннулировать гарантию. Поскольку в ходе эксплуатации этот тип АКБ может выделять опасные газы, их необходимо устанавливать в вентилируемом помещении, чтобы позволить газам батареи выходить наружу.
Герметичные свинцово-кислотные
Герметичный свинцово-кислотный аккумулятор
Герметизированные бывают двух типов: AGM и GEL, которые имеют много схожих свойств. Они практически не требуют обслуживания и влагозащищены. Отличия заключаются в электролите – в гелевом аккумуляторе он находится в загущенном состоянии, а в AGM электролит абсорбирован в стекловолокне. Считается, что они не выделяют газы, это не совсем так, поскольку для защиты аккумуляторов предусмотрены клапаны, которые могут открываться в экстренных ситуациях.
Панцирные OPzS и OPzV
Панцирные аккумуляторы типов OPzS и OPzV
Эти аккумуляторы являются разновидностью свинцово-кислотных аккумуляторов: OPzS – с жидким электролитом, а OPzV с электролитом в виде геля. Минусы – низкая плотность энергии и нелинейные разрядные характеристики, свойственные всем свинцовым аккумуляторам. Из плюсов можно отметить 1200-1500 циклов, при глубине разряда на 80%, что в 2-3 раза больше в сравнении с обычными свинцово-кислотными АКБ, но и более высокую цену, которая соизмерима уже со стоимостью LiFePo4 аккумуляторов.
Литий-железо-фосфатные аккумуляторы
Литий-железо-фосфатные аккумуляторы
Одним из лучших химических составов литиевых АКБ для солнечных батарей является литий-железо-фосфат LiFePO4, он же LFP, еще встречается название «Лифер». Эта технология имеет в несколько раз больший срок службы, чем у свинцовых АКБ и может использоваться при более глубоких циклах. Благодаря линейным разрядным характеристикам можно использовать меньшую емкость, при разряде большими токами. Они также не требуют обслуживания или вентиляции, в отличие от заливных свинцово-кислотных батарей. LiFePO4 это одна из разновидностей литий-ионных батарей, но в отличие от них LiFePO4 пожаро-взрывобезопасны.
Литий-титанатные, они же LTO
Литий-титанатная АКБ
Можно уверенно сказать, что это великолепные аккумуляторы и одни из лучших на данный момент и они имеют все вышеперечисленные плюсы LiFePO4 аккумуляторов, но и еще могут заряжаться просто огромнейшими токами в 10С (для сравнения «свинец» можно заряжать токами 0,1 – 0,2С) и имеют ресурс 16000 циклов. Из минусов можно отметить высокую цену и больший вес в сравнении с LiFePO4.
Литий-ионные, они же Li-ion
Имеют очень высокую плотность энергии и малый вес, благодаря чему широко применяются на электротранспорте, в том числе в Тесле, но имеют существенный недостаток — при повреждениях и при работе в нештатном режиме могут воспламеняться. У LiFePO4 и Литий-титанатных аккумуляторов отсутствует этот недостаток, поэтому они более предпочтительны для использования в автономных и бесперебойных системах.
Литий-ионный аккумулятор
Подводя промежуточный итог, можно отметить, что первоначальные вложения на литиевые батареи больше, но при эксплуатации стоимость владения получается значительно ниже — за время эксплуатации литиевых аккумуляторов приходится несколько раз заменить свинцовые АКБ.
Автономные электростанции на солнечных батареях
Преимущества и особенности реального использования
Никто не даст лучшей оценки, чем те, кто попробовал технологию на себе. Остались ли довольны решением пользователи солнечных батарей? Узнаем, что об этом рассказывают пользователи сети.
Грид-инверторы, используемые для работы батарей, не требуют аккумуляторов, которые являются слабым звеном в альтернативном электроснабжении. Электроэнергия вырабатывается в режиме реального времени сразу же попадает в сеть. Теоретические расчеты полностью соответствуют действительности, что проверено на практике. Это позволяет планировать расходы на приобретение батарей
Однако важно делать поправку на облачность
Плюсы и минусы
- Возобновляемость. В отличие от газа или угля, энергия солнца почти бесконечна. По заверениям НАСА Солнце будет согревать Землю еще не менее 6.5 млрд лет.
- Доступность. Солнечные лучи освещают планету в должной мере почти везде (может быть кроме полюсов), продолжительности солнечного дня хватит для конвертации в электричество.
- Экологичность. Солнечная энергетика – наиболее перспективная отрасль добычи энергии под человеческие нужды с точки зрения борьбы с загрязнениями. В процессе добычи не выделяются вредные соединения, не портится ландшафт, не сбрасываются отходы.
- Бесшумность. Добыча электроэнергии из панелей не создает шума.
- Отсутствует необходимость в ежедневном обслуживании. При эксплуатации системы нет необходимости наблюдать за ней, достаточно раз в год очистить панели и раз в пять лет провести техническое обслуживание.
- Высокая стоимость. Оборудовать дом солярными панелями может вылиться в копеечку.
- Применение дорогостоящих и редких материалов. Вытекает из предыдущего пункта. Основной фактор высокой стоимости и редкости (особенно в наших широтах) применения.
