Solárne batérie pre záhradu a dom: typy, princípy fungovania a postup výpočtu solárnych systémov

Veda nám dala čas, keď sa technológia na využívanie slnečnej energie stala verejne dostupnou.Každý majiteľ má možnosť zaobstarať si solárne panely do svojho domova. Letní obyvatelia v tejto veci nezaostávajú. Často sa ocitnú ďaleko od centralizovaných zdrojov trvalo udržateľného zásobovania energiou.

Odporúčame Vám oboznámiť sa s informáciami prezentujúcimi návrh, princípy činnosti a výpočet pracovných jednotiek solárneho systému. Oboznámenie sa s informáciami, ktoré ponúkame, vám priblíži realitu poskytovania vašej lokality prírodnou elektrinou.

Pre jasné pochopenie poskytovaných údajov sú priložené podrobné schémy, ilustrácie, foto a video návody.

Konštrukcia a princíp činnosti solárnej batérie

Kedysi pre nás zvedavé mysle objavovali prírodné látky vyrábané pod vplyvom častíc svetla zo slnka, fotónov, elektrická energia. Tento proces sa nazýval fotoelektrický efekt. Vedci sa naučili ovládať mikrofyzikálne javy.

Na základe polovodičových materiálov vytvorili kompaktné elektronické zariadenia – fotobunky.

Výrobcovia zvládli technológiu spájania miniatúrnych meničov do účinných solárnych panelov. Účinnosť modulov kremíkových solárnych panelov široko vyrábaných v priemysle je 18-22%.

Z popisu schémy je jasne vidieť: všetky komponenty elektrárne sú rovnako dôležité - koordinovaná prevádzka systému závisí od ich kompetentného výberu

Solárna batéria je zostavená z modulov. Je to konečný bod cesty fotónov zo Slnka na Zem. Odtiaľ tieto zložky svetelného žiarenia pokračujú vo svojej ceste vnútri elektrického obvodu ako častice jednosmerného prúdu.

Sú rozdelené medzi batérie, alebo sú transformované na náboje striedavého elektrického prúdu s napätím 220 voltov, ktorý napája všetky druhy domácich technických zariadení.

Solárna batéria je komplex sériovo zapojených polovodičových zariadení - fotočlánkov, ktoré premieňajú slnečnú energiu na elektrickú energiu.

Viac podrobností o špecifikách zariadenia a princípe fungovania solárnej batérie nájdete v inom populárny článok našej stránke.

Typy modulov solárnych panelov

Solárne panely-moduly sú zostavené zo solárnych článkov, inak známych ako fotoelektrické konvertory. FEP dvoch typov našli široké uplatnenie.

Líšia sa typmi kremíkových polovodičov používaných na ich výrobu, sú to:

• Polykryštalický. Ide o solárne články vyrobené z roztaveného kremíka dlhodobým chladením. Vďaka jednoduchému spôsobu výroby je cena cenovo dostupná, ale produktivita polykryštalickej verzie nepresahuje 12%.
• Monokryštalický. Ide o prvky získané rozrezaním umelo vypestovaného kryštálu kremíka na tenké doštičky. Najproduktívnejšia a najdrahšia možnosť. Priemerná účinnosť sa pohybuje okolo 17 %, nájdete monokryštalické solárne články s vyšším výkonom.

Polykryštalické solárne články sú plochého štvorcového tvaru s nerovnomerným povrchom. Monokryštalické odrody vyzerajú ako tenké štvorce s jednotnou povrchovou štruktúrou so zrezanými rohmi (pseudoštvorce).

Takto vyzerajú FEP - fotovoltaické konvertory: vlastnosti solárneho modulu nezávisia od typu použitých prvkov - ovplyvňuje to len veľkosť a cenu

Panely prvej verzie s rovnakým výkonom sú väčšie ako u druhej kvôli nižšej účinnosti (18 % oproti 22 %). V priemere sú však o desať percent lacnejšie a sú veľmi žiadané.

Môžete sa dozvedieť o pravidlách a nuansách výberu solárnych panelov na dodávanie autonómnej vykurovacej energie. čítajte tu.

Schéma prevádzky solárneho napájania

Keď sa pozriete na záhadne znejúce názvy komponentov, ktoré tvoria solárny svetelný energetický systém, napadne vás supertechnická zložitosť zariadenia.

Na mikroúrovni fotónového života je to pravda. A vizuálne, všeobecná schéma elektrického obvodu a princíp jeho fungovania vyzerajú veľmi jednoducho. Od nebeského tela k „Iľjičovej žiarovke“ sú len štyri kroky.

Solárne moduly sú prvou súčasťou elektrárne. Ide o tenké pravouhlé panely zostavené z určitého počtu štandardných dosiek s fotobunkami. Výrobcovia vyrábajú fotopanely s rôznym elektrickým výkonom a násobkom napätia 12 voltov.

Zariadenia plochého tvaru sú vhodne umiestnené na povrchoch otvorených pre priame lúče. Modulárne bloky sú spojené pomocou vzájomných prepojení do solárnej batérie. Úlohou batérie je premieňať prijatú slnečnú energiu na výrobu jednosmerného prúdu danej hodnoty.

Zariadenia na ukladanie elektrického náboja - batérie do solárnych panelov všetkým známy. Ich úloha v systéme zásobovania solárnou energiou je tradičná. Keď sú spotrebitelia v domácnosti pripojení k centralizovanej sieti, zariadenia na ukladanie energie uchovávajú elektrinu.

Tiež akumulujú jeho prebytok, ak je prúd solárneho modulu dostatočný na zabezpečenie energie spotrebovanej elektrickými spotrebičmi.

Akumulátor dodá obvodu potrebné množstvo energie a udržiava stabilné napätie, akonáhle sa jeho odber zvýši na zvýšenú hodnotu. To isté sa deje napríklad v noci, keď nefungujú fotopanely alebo pri slabom slnečnom počasí.

Schéma dodávky energie pre dom so solárnymi panelmi sa líši od možností s kolektormi v schopnosti ukladať energiu do batérie

Regulátor je elektronickým prostredníkom medzi solárnym modulom a batériami.Jeho úlohou je regulovať úroveň nabitia batérií. Zariadenie nedovolí ich varu z dôvodu prebitia alebo poklesu elektrického potenciálu pod určitú normu potrebnú pre stabilnú prevádzku celého solárneho systému.

Invertovanie, takto znie pojem doslova vysvetlený solárny invertor. Áno, v skutočnosti táto jednotka plní funkciu, ktorá sa elektrotechnikom kedysi zdala fantastická.

Premieňa jednosmerný prúd solárneho modulu a batérií na striedavý prúd s rozdielom potenciálov 220 voltov. Toto je prevádzkové napätie pre veľkú väčšinu domácich elektrických zariadení.

Tok slnečnej energie je úmerný polohe svietidla: pri inštalácii modulov by bolo dobré zabezpečiť nastavenie uhla sklonu v závislosti od ročného obdobia

Špičkové zaťaženie a priemerná denná spotreba energie

Potešenie z vlastnej solárnej stanice stále stojí za to. Prvým krokom na ceste k využitiu výkonu slnečnej energie je určenie optimálneho špičkového zaťaženia v kilowattoch a racionálnej priemernej dennej spotreby energie v kilowatthodinách pre domácnosť alebo vidiecky dom.

Špičkové zaťaženie vzniká potrebou zapnutia niekoľkých elektrických spotrebičov naraz a je určené ich maximálnym celkovým výkonom, berúc do úvahy nadhodnotené štartovacie charakteristiky niektorých z nich.

Výpočet maximálnej spotreby energie vám umožní identifikovať, ktoré elektrické spotrebiče potrebujú súčasnú prevádzku a ktoré nie sú také dôležité. Výkonové charakteristiky komponentov elektrárne, to znamená celkové náklady na zariadenie, podliehajú tomuto ukazovateľu.

Denná spotreba energie elektrického spotrebiča sa meria súčinom jeho individuálneho výkonu a času, ktorý počas dňa pracoval zo siete (spotrebovanej elektriny). Celková priemerná denná spotreba energie sa vypočíta ako súčet elektriny spotrebovanej každým spotrebiteľom za denné obdobie.

Následná analýza a optimalizácia získaných údajov o záťaži a spotrebe energie zabezpečí potrebnú konfiguráciu a následnú prevádzku solárneho energetického systému s minimálnymi nákladmi

Výsledok spotreby energie pomáha racionálne pristupovať k spotrebe solárnej elektriny. Výsledok výpočtov je dôležitý pre ďalší výpočet kapacity batérie. Od tohto parametra ešte viac závisí cena batérie, ktorá je významnou súčasťou systému.

Postup výpočtu energetických ukazovateľov

Proces výpočtov doslova začína horizontálne umiestneným, štvorcovým, rozloženým listom notebooku. Ľahkými čiarami ceruzky sa z listu získa formulár s tridsiatimi stĺpcami a čiarami podľa počtu domácich elektrických spotrebičov.

Príprava na aritmetické výpočty

Prvý stĺpec je tradičný – poradové číslo. V druhom stĺpci je názov elektrického spotrebiča. Tretím je jeho individuálna spotreba energie.

Stĺpce štyri až dvadsaťsedem sú hodiny dňa od 00 do 24. Vložia sa do nich cez vodorovnú zlomkovú čiaru:

• v čitateli – prevádzkový čas zariadenia počas konkrétnej hodiny v desatinnom tvare (0,0);
• menovateľom je opäť jeho individuálna spotreba energie (toto opakovanie je potrebné na výpočet hodinových záťaží).

Dvadsiaty ôsmy stĺpec je celkový čas, počas ktorého zariadenie v domácnosti funguje počas dňa.V dvadsiatom deviatom - osobná spotreba energie zariadenia sa zaznamenáva ako výsledok vynásobenia individuálnej spotreby energie prevádzkovým časom za denné obdobie.

Vypracovanie podrobnej spotrebiteľskej špecifikácie, berúc do úvahy hodinové zaťaženie, pomôže zachovať viac bežných zariadení vďaka ich racionálnemu využívaniu

Štandardná je aj tridsiata kolóna – pozn. Bude to užitočné pre medzivýpočty.

Vypracovanie špecifikácií pre spotrebiteľov

Ďalšou fázou výpočtov je transformácia formulára notebooku na špecifikáciu pre domácich spotrebiteľov elektriny. Prvý stĺpec je jasný. Tu sa zadávajú poradové čísla riadkov.

Druhý stĺpec obsahuje mená spotrebiteľov energie. Odporúča sa začať napĺňať chodbu elektrickými spotrebičmi. Nasleduje popis ostatných miestností proti smeru hodinových ručičiek alebo v smere hodinových ručičiek (ako je pre vás výhodné).

Ak je druhé (a pod.) poschodie, postup je rovnaký: zo schodov - okolo. Zároveň by sme nemali zabúdať na zariadenia na schodiskách a pouličné osvetlenie.

Je lepšie vyplniť tretí stĺpec označujúci výkon oproti názvu každého elektrického zariadenia spolu s druhým.

Stĺpce štyri až dvadsaťsedem zodpovedajú každej hodine dňa. Pre pohodlie ich môžete okamžite nakresliť vodorovnými čiarami v strede čiar. Výsledné horné polovice riadkov sú ako čitatelia, spodné sú menovateľmi.

Tieto stĺpce sa vypĺňajú riadok po riadku. Čitatelia sú selektívne formátované ako časové intervaly v desiatkovom formáte (0,0), ktoré odrážajú prevádzkový čas daného elektrického spotrebiča v určitom hodinovom období. Paralelne tam, kde sa zadávajú čitateľa, sa zadávajú menovatele s ukazovateľom výkonu zariadenia, prevzatým z tretieho stĺpca.

Po vyplnení všetkých stĺpcov hodín pristúpte k výpočtu individuálneho denného pracovného času elektrospotrebičov po jednotlivých riadkoch. Výsledky sa zaznamenajú do zodpovedajúcich buniek dvadsiateho ôsmeho stĺpca.

V prípade, že solárna elektráreň hrá pomocnú úlohu, takže systém nebeží naprázdno, je možné k nej pripojiť časť záťaže na konštantný výkon

Na základe výkonu a pracovného času sa postupne vypočíta denná spotreba energie všetkých spotrebičov. Zaznamenáva sa v bunkách dvadsiateho deviateho stĺpca.

Po vyplnení všetkých riadkov a stĺpcov špecifikácie sa vypočítajú súčty. Pridaním výkonových grafov z menovateľov stĺpcov hodín sa získajú zaťaženia každej hodiny. Sčítaním individuálnej dennej spotreby energie dvadsiateho deviateho stĺpca zhora nadol sa zistí celkový denný priemer.

Výpočet nezahŕňa vlastnú spotrebu budúceho systému. Tento faktor je zohľadnený pomocným koeficientom v následných konečných výpočtoch.

Analýza a optimalizácia získaných údajov

Ak je napájanie zo solárnej elektrárne plánované ako záloha, údaje o hodinovej spotrebe energie a celkovej priemernej dennej spotrebe energie pomáhajú minimalizovať spotrebu drahej solárnej elektriny.

Dosahuje sa to vylúčením energeticky náročných spotrebiteľov z používania až do obnovenia centralizovaného napájania, najmä počas špičkových hodín.

Ak je solárny systém navrhnutý ako zdroj stáleho napájania, potom sa dostavia výsledky hodinového zaťaženia.Je dôležité rozložiť spotrebu elektriny počas dňa tak, aby sa eliminovali veľmi prevládajúce maximá a veľmi nízke minimá.

Eliminácia špičkového zaťaženia, vyrovnanie maximálneho zaťaženia a eliminácia prudkých poklesov spotreby energie v čase umožňujú zvoliť najekonomickejšie možnosti komponentov solárneho systému a zabezpečiť stabilnú a hlavne bezproblémovú dlhodobú prevádzku solárnej stanice.

Graf odhalí nerovnomernosť spotreby energie: našou úlohou je posunúť maximá na čas najväčšej slnečnej aktivity a znížiť celkovú dennú spotrebu najmä v noci.

Prezentovaný výkres ukazuje transformáciu iracionálneho rozvrhu získaného na základe špecifikácie na optimálny. Denná spotreba sa znížila z 18 na 12 kW/h, priemerná denná hodinová záťaž zo 750 na 500 W.

Rovnaký princíp optimality je užitočný pri použití možnosti solárnej energie ako zálohy. Možno sa neoplatí míňať príliš veľa peňazí na zvýšenie výkonu solárnych modulov a batérií kvôli určitým dočasným nepríjemnostiam.

Výber komponentov solárnej elektrárne

Pre zjednodušenie výpočtov zvážime verziu využitia solárnej batérie ako hlavného zdroja elektrickej energie pre záhradu. Spotrebiteľom bude podmienený vidiecky dom v regióne Ryazan, kde má trvalé bydlisko od marca do septembra.

Praktické výpočty založené na údajoch z vyššie zverejneného racionálneho rozvrhu hodinovej spotreby energie objasnia odôvodnenie:

• Celková priemerná denná spotreba energie = 12 000 watt/hod.
• Priemerná spotreba pri záťaži = 500 wattov.
• Maximálne zaťaženie 1200 wattov.
• Špičkové zaťaženie 1200 x 1,25 = 1500 wattov (+25 %).

Hodnoty budú potrebné pri výpočte celkovej kapacity solárnych zariadení a ďalších prevádzkových parametrov.

Stanovenie prevádzkového napätia solárneho systému

Vnútorné prevádzkové napätie akéhokoľvek solárneho systému je založené na násobku 12 voltov, čo je najbežnejšie hodnotenie batérie. Najpoužívanejšie komponenty solárnych staníc: solárne moduly, ovládače, invertory sa vyrábajú pre obľúbené napätia 12, 24, 48 voltov.

Vyššie napätie umožňuje použitie napájacích vodičov menšieho prierezu - a to znamená zvýšenú spoľahlivosť kontaktu. Na druhej strane neúspešné 12V batérie je možné vymeniť po jednej.

V 24-voltovej sieti ich budete musieť vzhľadom na špecifiká prevádzky batérií vymieňať iba v pároch. 48V sieť bude vyžadovať výmenu všetkých štyroch batérií jednej vetvy. Navyše pri 48 voltoch už hrozí nebezpečenstvo úrazu elektrickým prúdom.

Pri rovnakej kapacite a približne rovnakej cene by ste si mali kúpiť batérie s najvyššou povolenou hĺbkou vybitia a vyšším maximálnym prúdom

Hlavná voľba nominálnej hodnoty rozdielu vnútorného potenciálu systému súvisí s výkonovými charakteristikami meničov vyrábaných moderným priemyslom a mala by brať do úvahy veľkosť špičkového zaťaženia:

• od 3 do 6 kW – 48 voltov,
• od 1,5 do 3 kW – rovná sa 24 alebo 48 V,
• do 1,5 kW – 12, 24, 48V.

Pri výbere medzi spoľahlivosťou elektroinštalácie a nepohodlnou výmenou batérií sa v našom príklade zameriame na spoľahlivosť. Následne začneme z prevádzkového napätia vypočítanej sústavy, 24 voltov.

Vybavenie batérie solárnymi modulmi

Vzorec na výpočet energie potrebnej zo solárnej batérie vyzerá takto:

Рcm = (1000 * Esut) / (k * Sin),

Kde:

• Rcm = výkon solárnej batérie = celkový výkon solárnych modulov (panelov, W),
• 1000 = akceptovaná fotovoltaická citlivosť (kW/m²)
• Esut = denná potreba spotreby energie (kWh, v našom príklade = 18),
• k = sezónny koeficient zohľadňujúci všetky straty (leto = 0,7; zima = 0,5),
• Syn = tabuľková hodnota slnečného žiarenia (toku slnečného žiarenia) pri optimálnom sklone panelov (kW*h/m²).

Hodnotu slnečného žiarenia si môžete zistiť u svojej regionálnej meteorologickej služby.

Optimálny uhol sklonu solárnych panelov sa rovná zemepisnej šírke oblasti:

• na jar a na jeseň,
• plus 15 stupňov - v zime,
• mínus 15 stupňov – v lete.

Región Ryazan uvažovaný v našom príklade sa nachádza na 55. zemepisnej šírke.

Najvyšší výkon solárnych panelov sa dosahuje použitím sledovacích systémov, sezónnymi zmenami uhla sklonu panelov a použitím zmiešaných trim modulov

Pre čas od marca do septembra je najlepší neregulovaný sklon solárneho panelu rovný letnému uhlu 40° k povrchu zeme. S touto inštaláciou modulov je priemerné denné slnečné žiarenie v Ryazan počas tohto obdobia 4,73. Všetky čísla sú tam, urobme výpočet:

Rcm = 1000 * 12 / (0,7 * 4,73) ≈ 3 600 wattov.

Ak zoberieme ako základ solárnej batérie 100-wattové moduly, tak ich budeme potrebovať 36. Budú vážiť 300 kilogramov a zaberú plochu s rozmermi asi 5 x 5 m.

Schémy zapojenia overené v praxi a možnosti pripojenia solárnych panelov sú uvedené tu.

Usporiadanie batériovej napájacej jednotky

Pri výbere batérií sa musíte riadiť nasledujúcimi zásadami:

1. Bežné autobatérie NIE sú na tento účel vhodné. Batérie solárnych elektrární sú označené nápisom „SOLAR“.
2. Mali by ste kupovať iba batérie, ktoré sú vo všetkých ohľadoch identické, najlepšie z rovnakej výrobnej šarže.
3. Miestnosť, kde sa akumulátor nachádza, musí byť teplá. Optimálna teplota, keď batérie produkujú plný výkon = 25⁰C. Keď klesne na -5 °C, kapacita batérie sa zníži o 50 %.

Ak si na výpočet zoberiete reprezentatívnu 12-voltovú batériu s kapacitou 100 ampérov/hodinu, dá sa ľahko spočítať, že dokáže poskytnúť energiu spotrebiteľom s celkovým výkonom 1200 wattov na celú hodinu. Ale to je s úplným vybitím, čo je mimoriadne nežiaduce.

Pre dlhodobú životnosť batérie sa NEODPORÚČA znížiť ich nabitie pod 70 %. Limitná hodnota = 50 %. Ak vezmeme číslo 60 % za „zlatý priemer“, pri nasledujúcich výpočtoch vychádzame z energetickej rezervy 720 Wh na každých 100 Ah kapacitnej zložky batérie (1 200 Wh x 60 %).

Možno bude nákup jednej batérie s kapacitou 200 Ah stáť menej ako nákup dvoch batérií 100 Ah a počet kontaktov batérie sa zníži

Na začiatku musia byť batérie nainštalované na 100 % nabité zo stacionárneho zdroja energie. Nabíjateľné batérie musia úplne pokryť záťaž v tme. Ak nemáte šťastie na počasie, udržujte požadované parametre systému aj počas dňa.

Je dôležité vziať do úvahy, že prebytok batérií povedie k ich neustálemu podbíjaniu. Tým sa výrazne zníži životnosť. Ako najracionálnejšie riešenie sa javí vybavenie jednotky batériami s energetickou rezervou dostatočnou na pokrytie jednej dennej spotreby energie.

Ak chcete zistiť požadovanú celkovú kapacitu batérie, vydeľte celkovú dennú spotrebu energie 12 000 Wh číslom 720 Wh a vynásobte číslom 100 A*h:

12 000 / 720 * 100 = 2 500 A*h ≈ 1600 A*h

Celkovo budeme pre náš príklad potrebovať 16 batérií s kapacitou 100 alebo 8 200 Ah, zapojených sériovo-paralelne.

Výber dobrého ovládača

Kompetentný výber regulátor nabíjania batérie (AKB) je veľmi špecifická úloha. Jeho vstupné parametre musia zodpovedať zvoleným solárnym modulom a výstupné napätie musí zodpovedať rozdielu vnútorného potenciálu solárneho systému (v našom príklade 24 voltov).

Dobrý ovládač musí poskytnúť:

1. Viacstupňové nabíjanie batérií, ktoré znásobuje ich efektívnu životnosť.
2. Automatické vzájomné, batériové a solárne prepojenie-odpojenie batérie v korelácii s nabíjaním-vybíjaním.
3. Opätovné pripojenie záťaže z batérie k solárnej batérii a naopak.

Táto malá jednotka je veľmi dôležitým komponentom.

Ak sa niektorí spotrebitelia (napríklad osvetlenie) prepnú na priame napájanie 12 voltov z regulátora, bude potrebný menej výkonný menič, čo znamená lacnejšie

Správny výber ovládača rozhoduje o bezproblémovej prevádzke drahého akumulátora a vyváženosti celého systému.

Výber najlepšieho meniča

Menič je vybraný s takým výkonom, aby mohol poskytnúť dlhodobé špičkové zaťaženie. Jeho vstupné napätie musí zodpovedať rozdielu vnútorného potenciálu solárneho systému.

Pre najlepšiu možnosť výberu sa odporúča venovať pozornosť nasledujúcim parametrom:

1. Tvar a frekvencia dodávaného striedavého prúdu. Čím bližšie k sínusoide 50 hertzov, tým lepšie.
2. Účinnosť zariadenia. Čím viac 90%, tým úžasnejšie.
3. Vlastná spotreba zariadenia. Musí byť úmerné celkovej spotrebe energie systému. V ideálnom prípade do 1 %.
4. Schopnosť uzla vydržať krátkodobé dvojité preťaženie.

Najdokonalejším dizajnom je menič so zabudovanou funkciou regulátora.

Montáž solárneho systému pre domácnosť

Urobili sme pre vás výber fotografií, ktorý jasne demonštruje proces montáže solárneho systému pre domácnosť z modulov vyrobených vo výrobe:

Závery a užitočné video na túto tému

Video #1. Urob si svojpomocne ukážku inštalácie solárnych panelov na strechu domu:

Video č. 2. Výber batérií pre solárny systém, typy, rozdiely:

Video č. 3. Vidiecka solárna elektráreň pre tých, ktorí si všetko robia sami:

Uvažované praktické metódy výpočtu krok za krokom, základný princíp efektívnej prevádzky modernej batérie solárnych panelov ako súčasti domácej autonómnej solárnej stanice pomôže majiteľom veľkého domu v husto obývanej oblasti a vidieckeho domu. v divočine, aby získali energetickú suverenitu.

Chceli by ste sa podeliť o svoje osobné skúsenosti, ktoré ste získali pri stavbe mini solárneho systému alebo len batérií? Máte nejaké otázky, na ktoré by ste chceli odpovedať, alebo ste v texte našli nejaké nedostatky? Zanechajte komentáre v bloku nižšie.