какие солнечные батареи выбрать для частного дома
Как выбрать солнечные батареи для частного дома
Использование энергии лучей Солнца для получения электричества – это актуальное направление в альтернативной энергетике. По всему миру растет число, как больших солнечных электростанций, так и домашних СЭС. Есть города, энергоснабжение которых осуществляется полностью за счет Солнца. Использование данной технологии позволяет создавать независимое от централизованной системы электроснабжение жилья.
Солнечные батареи являются основным звеном в цепочке преобразования энергии света в электричество. Знание особенностей их работы, конструкции, характеристик заводских моделей, умение рассчитать требуемую мощность изделий и собрать схему – позволяют выбрать и обслуживать оборудование собственной небольшой электростанции.
Устройство солнечных батарей
Солнечная батарея – это набор фотоэлементов. Эти полупроводниковые (фотоэлектрические) устройства, объединенные в панели, преобразуют энергию солнечных лучей непосредственно в постоянный ток.
Конструктивно гелиопанель (она представлена схематически ниже на фото) в общем виде состоит из следующих частей:
Корпус (рамка, основа, стеклянное покрытие) предназначены для фиксации фотоэлементов, защиты их от разрушительного воздействия внешней среды. Каркасные детали изготавливают из диэлектрических материалов. Фотоэлементы к корпусу крепятся таким способом, чтобы их замена была возможной.
Фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) на сегодняшний день изготавливают из различных химических элементов. Но широкое промышленное распространение получили кремниевые фотоэлементы. Эти пластины состоят из двух, отличающихся физическими свойствами, слоев кремния.
Кремний – это полупроводник. Каждый слой батареи имеет свои особенности:
В результате неоднородности (разного типа проводимости) кремниевых полупроводниковых слоев ФЭП между ними устанавливается р-n переход. Возникает электронно-дырочная проводимость.
Неоднородность слоев фотоэлемента достигается несколькими способами:
Разновидности фотоэлементов
Солнечные батареи классифицируются по нескольким признакам:
Мощность солнечных элементов зависит от их площади и конструктивных особенностей. Промышленностью выпускается большое количество моделей: от миниатюрных (например, для портативной электроники) до крупногабаритных вариантов (для зданий, электростанций).
Конструктивно модули могут быть:
Использование тонкопленочных гибких моделей позволяет нивелировать некоторые неровности монтажной поверхности. В этом плане они универсальнее. Но гибкие панели дороже жестких аналогов.
По структуре панели бывают двухслойными и многослойными. КПД последних достигает 32 %, что на сегодняшний день делает их наиболее эффективным вариантом.
ФЭП по материалу фотоэлектрического слоя могут быть:
Это далеко не полный перечень. Постоянно появляются новые материалы.
Виды кремниевых ФЭП
Есть несколько видов фотоэлементов на базе кремния:
Монокристаллические панели (края у них округлые) среди трех разновидностей кремниевых ФЭП наиболее эффективны: КПД достигает почти 25 %. Такие модели при одинаковой мощности стоят дороже своих поликристаллических и аморфных аналогов. Но для производства 1 кВт электроэнергии понадобится меньше фотоэлементов, чем при использовании кремниевых аналогов с другой структурой.
По цене поликристаллические панели дешевле, но их КПД составляет до 18 %. Более низкая стоимость делает их гораздо доступнее для населения.
Аморфные ФЭП по структуре – это слой полупроводника (на базе кремния), который нанесен на гибкую основу. Такая особенность позволяет устанавливать их на неровные поверхности. КПД установок с аморфными фотоэлементами доходит только до 10 %. Но высокий уровень поглощающей способности в несолнечную погоду со слабым уровнем освещенности делает их более эффективными.
Принцип действия фотоэлектрических преобразователей
Работа фотоэлементов базируется на фотоэлектрическом эффекте: при действии электромагнитных волн на вещество его электронам передается энергия фотонов. Весь рабочий процесс схематически в батареях проходит следующим образом:
Принцип действия ФЭП
Через металлические контакты электроны поступают в нагрузку. После нее они попадают обратно в n-слой. Цепь замыкается.
Использование многослойных фотоэлементов позволяет свести к минимуму данное ограничение. Такие приборы поглощают солнечную энергию в большем спектре излучения за счет послойного изменения ширины запрещенной зоны (изменяется от большей к меньшей).
Мощности отдельных ФЭП достаточно только для питания портативных устройств, например, наручных электронных часов. Для получения мощностей, достаточных для запитывания бытовых потребителей, отдельные фотоэлементы соединяют в солнечные модули.
Схема и принцип работы домашней электростанции
Имея только солнечную батарею, не получится использовать производимую ей электроэнергию для питания электрических приборов. Чтобы создать домашнюю электростанцию по стандартной схеме (с напряжением на выходе 220 В), кроме гелиопанели понадобится приобрести (или самостоятельно собрать) еще ряд устройств:
Устройства должны соответствовать по своим рабочим характеристикам друг другу. Все подсоединения на участке цепи с постоянным током должны выполняться строго с соблюдением указанной полярности.
Работает схема так:
Аккумуляторы выполняют свою стандартную функцию – являются накопителями энергии. Заряжаются они в светлое время суток, а разрядка происходит ночью.
Для повышения уровня надежности электроснабжения устанавливают две аккумуляторные батареи: основную и резервную. Избыточная электроэнергия будет сохраняться в «резерве». Соединяют аккумуляторы последовательно или параллельно в зависимости от вольтажа АКБ и необходимой величины напряжения на их общем выходе. Пример представлен на иллюстрации:
Бывают случаи, когда используются для освещения лампочки на 12 В постоянного напряжения. Тогда инвертор не нужен.
Для защиты участков цепей переменного и постоянного тока используют предохранители с соответствующим номиналом по силе тока. Гелиопанели от перегрева и перегрузок по напряжению спасают с помощью диодов. Их число рассчитывается по количеству фотоэлементов в схеме.
Чтобы повысить эффективность работы гелиопанелей, их можно оснастить поворотными механизмами. Последние разворачивают панели максимальной площадью к Солнцу, используя специальные датчики слежения за светилом.
Эффективность солнечных батарей
В зависимости от действия различных факторов КПД солнечной электростанции способен изменяется как в сторону увеличения, так и уменьшения. На эффективность работы гелиопанелей оказывают влияние:
Идеальным считается угол падения лучей на панель 90 градусов. Если он отклонится от прямого, например, в пределах 30 градусов, то КПД солнечной батареи упадет примерно на 5 %. Дальнейшее изменение угла приводит к значительному снижению производительности за счет увеличения количества отраженного света.
ФЭП должно быть равномерно освещено. Затемненные участки не только не генерируют электричество, но и становятся источниками дополнительной нагрузки. Перед батареями не должно быть объектов, закрывающих их частично или полностью от солнечных лучей. Поверхность панелей необходимо регулярно очищать от грязи и пыли.
Производители солнечных батарей
Иностранными лидерами в производстве солнечных батарей являются:
Изготовлением и сборкой гелиопанелей в России занимается ряд фирм, среди которых можно выделить следующих:
В России очень распространены солнечные модули и полные комплекты для электростанций китайского производства. Связано это с их меньшей ценой, по сравнению с аналогами от производителей из других стран.
Характеристики и примеры моделей солнечных панелей
Технические характеристики солнечных панелей производители указывают в паспорте к оборудованию. Основными параметрами гелиопанелей являются:
Среди моделей гелиопанелей, отмеченных потребителями, значатся следующие:
Цены на солнечные батареи и готовые комплекты (с аккумулятором, инвертором, контроллером и прочими комплектующими) варьируются в широком диапазоне. Стоимость комплектов лежит в примерном диапазоне 30000÷2000000 рублей. Если отдельно, то батареи обойдутся приблизительно от 5000 до 30000 руб.
Как самостоятельно выбрать солнечные батареи для дома
При выборе солнечных панелей необходимо ориентироваться (в общем) на следующие критерии:
Гелиопанели по качеству делятся на 4 уровня, которые отличаются долговечностью:
Предпочтение желательно отдавать классу Grade А. Но стоят такие модули дорого.
Солнечная электростанция может понадобиться для работы в таких режимах:
В зависимости от необходимого режима работы находится комплектация электростанции по требуемому оборудованию и его характеристикам. Что значительным образом отображается на затратах.
Число солнечных дней можно узнать из карты освещенности. Их может оказаться недостаточно для выработки системой необходимого количества энергии, ее окупаемости.
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:
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
По показателям счетчика требуемая мощность панелей рассчитывается упрощенным способом (например, потребление 210 кВт за 30 дней) в следующей последовательности:
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:
Солнечные батареи для дома, как выбрать и что нужно обязательно учитывать
Солнечный свет, в качестве альтернативного источника энергии, активно используют во всем мире. И это не только независимость от природных ископаемых, которые не безграничны, но и значительный вклад в экологию всей планеты.
Одним из способов получения такой энергии являются солнечные панели или батареи. По научному эти системы называются фотоэлектрическими панелями.
Так что же это за системы и как они работают
Так что же это за системы и как они работаютФотоэлектрические системы энергоснабжения (ФСЕ) работают по принципу физического закона фотоэффекта. Не вдаваясь в подробности его можно описать как превращение солнечного света в электрические микроразряды.
Как известно, солнце это неограниченный источник энергии, но только незначительная ее часть доходит к поверхности земли. Однако и этой энергии вполне достаточно, учитывая что современные панели могут использовать до 45% от ее количества.
Где уже применяются и для кого актуальны
Солнечные панели на крышах частных домов
Современный мир уже давно использует ФСЕ в промышленных масштабах, особенно это актуально для стран где солнечный свет активен большую часть года. Сегодня же, благодаря снижению цен на это оборудование и росту стоимость электричества, их часть используют частные дома и дачи в качества основного или дополнительного источника энергии.
А что же с квартирами? Здесь все сложнее, во первых нет достаточной свободной площади для установки панелей. Во вторых это сложно согласовать в различными надзорными органами.
В целом, такую задачу можно решить, но обойдется установка оборудования в многоквартирном доме значительно дороже, чем в частном доме.
Как выбрать солнечную батарею
Прежде чем установить такую систему в доме нужно определится с видом самих панелей и комплекта оборудования в целом. И здесь есть несколько очень важных моментов, которые нужно знать и от которых зависеть эффективность установки.
Определяемся с системой
Как выглядит комплект оборудования и как он работает
В комплект солнечных батарей сходят сами панели, аккумулятор, контроллер и инвертор. В некоторых случаях система может быть другой, в зависимости от ее назначения, давайте рассмотрим их подробнее.
Виды солнечных панелей
От этого элемента напрямую зависит эффективность работы всей системы, поэтому к их выбору стоит отнестись серьезно. Их всего три вида, но массовое применение получили только два, о них подробнее.
Монокристаллические
Каждый фотоэлемент состоит из одного кремниевого кристалла. Они самые эффективные за счет одностороннего направления этих кристаллов, КПД составляет 20% — 24%, но и стоят немного дороже. По внешнему виду их легко определить, панели имеют насыщенный синий цвет и округленные края.
Поликристаллические
Здесь мелкие кремниевые кристаллы объедены в фотоэлементы, что не позволяет сделать однотонную поверхность. Это отрицательно сказывается на КПД панели, ее эффективность примерно на 18% меньше монокристальных. Однако, производство таких батарей менее сложное, а значит они дешевле.
Амфорные
Представляют собой слой полупроводника (кремневодорода), напыленный на гибкую подложку. За счет своей гибкости могут монтироваться на криволинейные поверхности. Невысокий КПД, в среднем 10,4%. Однако, такие панели имеют более высокое поглощение, что делает их эффективнее в пасмурную погоду.
Сравнительная таблица уровня КПД
Соотношение производительности разных типов панелей различных производителей
Эффективность работы солнечной электростанции по месяцам
По сути, выбирать панели стоит исходя их двух параметров: финансовых возможностей и доступной свободной площади. Если вы хотите немного сэкономить, но обладаете большими площадями для установки, можете взять поликристалические. Если же место ограничено, но нужно выжать максимум, берите монокристалические.
Старение панелей
Еще один важный момент, который нужно знать, это коэффициент старения. С каждым годом производительность блоков немного снижается. Монокремний стареет за 25 лет примерно на 17 – 20%, то для монокристаллических элементов этот показатель может быть все 30%.
Что такое концентрационные солнечные лучи и как они влияют на производительность
Как можно судить из фото иллюстрации, чем больше затенена панель тем меньше ее производительность.
Видео обзор панелей
Инвертор, что нужно знать о нем
Подключение инвектора в сети
Без этого элемента система солнечных батарей просто не сможет работать. Он выполняет функцию преобразователя постоянного тока от панелей в переменный с напряжением 220 вольт. Их мощность может быть от 100 до 8000 Вт.Но, не все так просто, существует 3 вида инвекторов:
Автономный инвертор (обозначение off grid). Этот прибор установлен внутри системы, выполняя все функции, но не имеет технической возможности для подключения к внешней сети. Не может перенаправлять электричество в аккумуляторы
Сетевой (или синхронный с обозначением on grid) может функционировать с подключением к внешней энергосети. Он может регулировать потоки энергии в зависимости от необходимой мощности. При недостатке электричества от батарей будет брать необходимое с сети. При переизбытке отправлять излишки в аккумуляторные батареи. Излишки электричества также могут быть перенаправлены во внешнюю сеть (если не подключены АКП или они полностью заряжены).
Многофункциональный инвертор. Универсальный вариант, работающий как оба предыдущие типа устройств. Также он обладает большим количеством дополнительных настроек, поэтому самый дорогой. Лучший вариант для домашних электростанций.
Подробная статья о инверторах, как правильно выбрать, что смотреть.
Более подробно о контроллере
Этот прибор контролирует зарядку аккумуляторных батарей. Он ограничивает подачу тока от панелей на АКП когда их, максимально возможный по техническим параметрам, уровень заряда достигнут. Это его основная функция, но некоторые типы этих приборов могут отслеживать и частично контролировать:
Можно ли не использовать контроллер в системе? Можно, но в этом случае необходимо следить за уровнем заряда батарей и вручную отключать подачу питания на АКП. Если этого не делать, батареи очень быстро выйдут из строя, выкипает электролит и высохнут банки.
Какой выбрать аккумулятор для солнечных батарей
АКП накапливают излишки электричества во время максимальной солнечной активности и раздают его, когда это необходимо. Поскольку это оборудование стоит достаточно дорого, важно подобрать его правильно что получить максимальную выгоду. Рассмотрим самые распространенные типы.
Самое важное, что нужно знать при выборе батареи, это количество циклов зарядки-разрядки, которые она выдержит. Условно говоря, батарея заряжается днем, а отдает свой заряд ночью, пусть и не полностью, а даже 90%, это уже 1 цикл.
Литий-железо-фосфатные АКБ (lifepo4) — это самый лучший вариант для автономных электростанций любых видов. Относительно новый тип батарей, практической использование его на данный момент не превышает 10-12 лет.
Преимущества
Недостатки
Высокий КПД, в пределах 95-98%.
Средний срок службы 15 лет
Количество циклов зарядки 3000-10000
Не боится перепадов напряжения
Не требует никакого обслуживания
Свинцово-кислотные аккумуляторы. Они нам всем хорошо известны так как стоят практически в каждом автомобиле. Самые распространенный в солнечных электростанциях.
Уязвимость к низким температурам
Средний срок службы 10 лет
Количество циклов зарядки 2000
AGM-аккумуляторы. Это самые слабые по всем показателям батареи. КПД не превышает 80%, не более 500 циклов заряда и рабочая температура в пределах +15-25 градусов. Это делает их неконкурентоспособными как по качеству так и по цене, относительно других типов.
Видео обзор аккумулятров
Какой комплект солнечных батарей выбрать для дома
Типичный комплект солнечной электростанции
Такие системы бывают всего нескольких видов, разобраться в них не сложно. Собирать комплект этого оборудования стоит исходя из ваших задач, давайте рассмотрим несколько вариантов.
Это основные комплекты солнечных электростанций, которые применяются в частных домовладениях.
Видео обзор комплектов
Немного практических расчетов цены системы
Установка солнечных батарей мощностью до 1 кВт/час = 90 000 руб (без аккумуляторная система, 8 монокристаллов и автономный инвертор). Бытовые нужды, плюс теплые полы.
Считаем рентабельность. Допустим, месяц расходуем:
Таким образом мы вычислили что солнечное электричество в 28 раз дороже обычной сети, цифра пугает, но не все так плохо. Теперь рассчитаем окупаемость:
Стоимость в год, при расхода 600 кВт = 38000 руб.
Вложили 90 000 руб, делим на годовой расход, теоретическая окупаемость наступить через 2.3 года. Однако, средне годичный световой день для Московской области составляет 34 %, это значит что наши батареи будут работать только треть времени, соответственно их срок окупаемости увеличится ровно в 3 раза, то есть до 6.9 года.
Как правильно выбрать инвертор для солнечных батарей
Подключение солнечных панелей, правильные схемы соединения