Строим солнечную электростанцию

Солнечная установка с аккумуляторами может питать много приборов при условии, что их энергопотребление не превышает количество энергии, произведенной генератором. Поэтому необходимо правильно определить мощность системы. Первый шаг в этом направлении - составление спецификации, т.е. технического описания системы.

Компоненты домашней фотоэлектрической системы.

Расчет энергопотребления.

При проектировании домашней фотоэлектрической системы сначала нужно составить список всех электроприборов в доме, выяснить их потребляемую мощность и внести в список.

В таблице внизу даны для справки данные о средней потребляемой мощности некоторых приборов. Однако необходимо помнить, что это всего лишь приблизительные оценки. Чтобы рассчитать потребляемую мощность (E) системы с инвертором (для приборов переменного тока), нужно внести поправку (умножить среднее потребление на поправочный коэффициент, чтобы получить общую мощность). Так же для того, чтобы учесть потери  в инверторенеобходимо полученную мощность потребителей умножить на 1,2. Такие приборы, как холодильник, компрессор в момент пуска потребляют мощность в 5-6 раз больше паспортной, поэтому инвертор должен  кратковременно выдерживать мощность в 2-3 раза выше номинальной мощности. Если потребителей с высокой мощностью достаточно много, но работают они очень редко, это может привести к тому, что у нас получится система с огромной выходной мощностью инвертора, как результат, очень дорогого. Тогда необходимо предусмотреть, чтоб не происходило одновременного включения таких приборов, это удешевит систему.

Пример:

Во-вторых, нужно оценить, сколько времени в течение дня используются те или другие электроприборы. К примеру, лампочка в гостиной горит 10 часов в сутки, а в кладовой - только 10 минут. Запишите эти данные во вторую колонку в следующей таблице. Потом составьте третью колонку, в которую впишите ежедневную потребность в энергии. Чтобы ее определить, нужно умножить мощность прибора на время его работы, например: 20 Вт x 4 часа = 80 Вт·ч. Запишите полученное число в третью колонку - это и есть ваше общее энергопотребление в день.

Далее необходимо определить количество солнечной энергии, на которое можно рассчитывать в данной местности. Обычно эти данные можно получить у местного поставщика солнечных батарей или на гидрометеостанции. Важно учитывать два фактора: среднегодовую солнечную радиацию, а также ее среднемесячные значения при наихудших погодных условиях (см. общие сведения в главе "Солнечная радиация").

С помощью первого значения фотоэлектрическую систему можно рассчитать в соответствии со среднегодовой солнечной радиацией, то есть в некоторые месяцы будет больше энергии, чем требуется, а в другие - меньше. Если вы руководствуетесь второй цифрой, у вас всегда будет как минимум достаточно энергии для удовлетворения ваших потребностей, кроме разве что чрезвычайно продолжительных периодов плохой погоды.

Расчет номинальной мощности фотоэлектрического модуля.

Взяв из таблиц значение солнечной радиации за интересующий нас период и разделив его на 1000, получим так называемое количество пикочасов, т.е., условное время, в течении которого солнце светит как бы с интенсивностью 1000 Вт/м2.

 Модуль мощностью Рw в течении выбранного периода выработает следующее количество энергии :

 W = k Pw E / 1000,

 где Е - значение инсоляции за выбранный период,k- коэффициент равный 0,5 летом и 0,7 в зимний период.

Он делает поправку на потерю мощности солнечных элементов при нагреве на солнце, а также учитывает наклонное падение лучей на поверхность фотомодулей в течении дня. Разница в его значении зимой и летом обусловлена меньшим нагревом элементов в зимний период.

Исходя из суммарной мощности потребляемой энергии и приведенной выше формулы - легко рассчитать суммарную мощность модулей. А зная ее, простым делением ее на мощность одного модуля, получим количество модулей.

Используя фотомодули разной мощности - 50 Вт, 70 Вт, 80 Вт, 100 Вт, 150 Вт и т.д,, можно построить генератор с необходимой нам установленной мощностью. Если потребность в энергии составляет, например, 84 Вт, лучше всего ей соответствует система из двух фотомодулей по 50 Вт. Если же общая мощность модулей сильно отличается от вашей расчетной величины, придется пользоваться либо недостаточно мощным, либо слишком мощным генератором. В первом случае солнечная батарея не сможет удовлетворить общую потребность в энергии. Вам решать, устроит ли вас частичное обеспечение ваших потребностей. Во втором случае у вас будет избыток электроэнергии.

Определение емкости аккумуляторной батареи зависит от потребности в энергии и от количества фотоэлектрических модулей – от зарядного тока. Так как в подавляющем большинстве случаев используются свинцовые батареи, изготовленные по разным технологиям – AGM, gel, то для них оптимальным является 10% зарядный ток. В примере с ФМ 90 Вт минимальная емкость батареи составит 60 ампер-час (А·ч), а оптимальная - 100 А·ч. Такая батарея сможет сохранять 1200 Вт·ч при 12 В. Этого достаточно для электроснабжения, когда дневное потребление энергии составляет 280 Вт·ч.

Выбор постоянного напряжения фотоэлектрической системы.

В прошлом почти во всех фотоэлектрических системах использовалось постоянное напряжение 12 В. Широко применялись приборы на 12 В, питавшиеся прямо от батареи. Теперь, с появлением эффективных и надежных инверторов, все чаще в аккумуляторах используется напряжение 24 и 48 В. В настоящее время напряжение электрической системы определяется дневным поступлением энергии в течение дня. Системы, производящие и потребляющие менее 1000…1500 Вт·ч в день, лучше всего сочетаются с напряжением в 12 В. Системы, производящие 1000--3000 Вт·ч в день, обычно используют напряжение 24 В. Системы, производящие более 3000 Вт·ч в день, используют 48 В.

Напряжение в системе - это очень важный фактор, который влияет на параметры инвертора, средств управления, зарядного устройства и электропроводки. Однажды купив все эти компоненты для солнечной установки, их трудно заменить. Некоторые компоненты системы, например, фотомодули, можно переключить с 12 В на более высокое напряжение, другие - инвертор, проводка и средства контроля - предназначены для определенного напряжения и могут работать только в его рамках.

Компоненты: аккумуляторныя батарея.

В аккумуляторе накапливается энергия, выработанная солнечным модулем. В качестве компонента домашней солнечной установки, аккумулятор выполняет три задачи:

• Покрывает пиковую нагрузку, которую не могут покрыть сами фотоэлектрические модули (резервный запас).
• Дает энергию в ночное время (кратковременное хранение).
• Компенсирует периоды плохой погоды или слишком высокого энергопотребления (среднесрочное хранение).

Наиболее доступные по цене и имеющиеся во всем мире, автомобильные аккумуляторы. Однако они предназначены для передачи большого тока в течение короткого промежутка времени. Они плохо выдерживают продолжительные циклы зарядки-разрядки, типичные для солнечных систем, а так же имеют достаточно высокий саморазряд. Промышленность выпускает разнообразные аккумуляторные батареи для систем резервного питания, в том числе т.н. солнечные аккумуляторы, которые отвечают данным требованиям. Их главная особенность - низкая чувствительность к работе в циклическом режиме и низкий саморазряд.

Для большой фотоэлектрической системы емкости одного аккумулятора может оказаться недостаточно. Тогда можно параллельно подключить несколько аккумуляторов, соединив все положительные и все отрицательные полюса между собой. При зарядке аккумулятор выделяет потенциально взрывоопасные газы. Поэтому нужно остерегаться открытого огня. Однако выделение газов незначительное, особенно если используется регулятор заряда; так что риск не превышает обычного, связанного с использованием аккумулятора в автомашине. И все же аккумуляторы нуждаются в хорошей вентиляции. Поэтому не стоит накрывать их и прятать в ящики.

Емкость аккумулятора указывается в ампер-часах. К примеру, аккумулятор на 100 А·ч и 12 В может сохранять 1200 Вт·ч (12 В x 100 А·ч). Однако емкость зависит от продолжительности процесса зарядки или разрядки. Период подзарядки указывают как индекс емкости C, например, "C10" для 10 часов. Отметим, что производители могут изготавливать аккумуляторы для разных базовых периодов разряда.

При хранении энергии в аккумуляторе определенное ее количество в процессе преобразования и хранения теряется. Эффективность автомобильных батарей составляет около 75%, тогда как специализированные аккумуляторы имеют несколько лучшие показатели – 80…85%. Так же со временем теряется часть емкости аккумулятора при каждом цикле заряд-разряд, пока не снижается настолько, что его приходится заменять. Специализированные аккумуляторы для систем резервного питания служат значительно дольше, чем мощные автомобильные, срок службы которых составляет всего 2-3 года против 8-10.

Определение емкости аккумуляторной батареи.

Важно, чтобы размер батареи позволял хранить энергию как минимум в течение 4 дней. Представим себе систему, которая потребляет 2400 Вт·ч в день. Разделив эту цифру на напряжение 12 вольт, получим дневное потребление 200 А·ч. Значит, 4 дня хранения равняются: 4 дня x 200 А·ч в день, равно 800 А·ч. Если используется свинцовая батарея, к этой цифре нужно прибавить 20%, а лучше 30…50%, чтобы аккумулятор никогда не разряжался полностью. Значит, емкость нашего идеального свинцового аккумулятора составляет минимально 1000 А·ч. Если же используется кадмиево-никелевая или железо-никелевая батарея, дополнительные 20…50% емкости не требуются, т.к. щелочным аккумуляторам не вредит регулярная полная разрядка. Также при выборе АКБ мы не рассматривали влияние температуры внешней среды (особенно отрицательных температур) на емкость аккумуляторов, что немного бы усложнило расчеты, но как показывает практика обычно АКБ размещают в отапливаемом помещении и соответственно поправка на температуру не существенна.

Внимание:

Аккумуляторные батареи должны быть одного производителя,  одной емкости, с одинаковым сроком изготовления – с одной партии поставки.

Компоненты: контроллер заряда.

Аккумулятор прослужит весь свой заявленный срок только в том случае, если он используется вместе с качественнымконтроллером заряда, который защищает батарею от чрезмерной зарядки и глубокой разрядки. Если батарея полностью заряжена, регулятор снижает уровень тока, 

вырабатываемого солнечным модулем до величины, компенсирующей саморазряд. И наоборот, регулятор прерывает поставку энергии на потребляющие приборы, когда аккумулятор разряжается до критического уровня. Таким образом, внезапное прекращение 
энергоснабжения может быть вызвано не поломкой в системе, а результатом действия этого защитного механизма.

Контроллеры заряда - электронные устройства, которые оборудованы предохранителями для предотвращения повреждения регулятора и других компонентов системы. Среди них - предохранители против короткого замыкания и изменения полярности (когда перепутаны полюса «+» и «-»), блокировочный диод, который препятствует разрядке батареи в ночное время. Так же они оборудованы разнообразными индикаторами - светодиодами, более продвинутые модели - LCD-дисплеями, которые отмечают состояние работы, режимы и поломки системы. В некоторых моделях контроллеров заряда отмечается  уровень зарядки батареи, хотя его весьма трудно определить с точностью.

Компоненты: инвертор.

Инвертор превращает постоянный ток низкого напряжения в стандартный переменный (220 В, 50 Гц). Инверторы бывают от 250 Вт до свыше 8000 Вт. Инверторы мощностью 3000 Вт и выше зачастую способны работать до нескольких шт. в параллельном подключении, увеличивая общую выходную мощность в соответствующее количество раз. Так же их можно объединять для построения  3-фазной сети. Электричество, вырабатываемое современными синусоидальными инверторами, отличается лучшим качеством, чем то, которое поступает к вам домой из местной энергосистемы. Существуют также "модифицированные" синусоидальные инверторы - они не так дороги, но при этом пригодны для большинства домашних задач. Они могут создавать небольшие помехи, "шум" в электронном оборудовании и телефонах. Инвертор также может служить "буфером" между домом и коммунальной энергосистемой, позволяя продавать избыток электроэнергии в общую электросеть.

Фотоэлектрические системы с резервными генераторами.

При совместной работе фотоэлектрические системы и другие генераторы электроэнергии могут удовлетворять более разнообразный спрос на электричество с большим удобством и при меньших затратах, чем по отдельности. Когда электричество нужно непрерывно или возникают периоды, когда его нужно больше, чем может выработать одна только фотобатарея, ее может эффективно дополнить генератор. В дневные часы фотоэлектрические модули удовлетворяют дневную потребность в энергии и заряжают аккумулятор. Когда аккумулятор разряжается, дизель-генератор (либо бензиновый, или газовый) включается и работает до тех пор, пока батареи не подзарядятся. В некоторых системах генератор восполняет недостаток энергии, когда потребление электричества превышает общую мощность фотомодулей и аккумуляторов. Системы, в которых используются разнотипные электрогенераторы, объединяют в себе преимущества каждого из них. Двигатель-генератор вырабатывает электричество в любое время суток. Таким образом, он представляет собой резервный источник питания для дублирования фотоэлектрических модулей, зависящих от погоды. С другой стороны, фотоэлектрический модуль работает бесшумно, не требует ухода и не выбрасывает в атмосферу загрязняющие вещества. Комбинированное использование фотоэлементов и генераторов способно снизить первоначальную стоимость системы. Если резервной установки нет, фотоэлектрические модули и аккумуляторы должны быть достаточно большими, чтобы обеспечивать питание ночью.

Однако, использование двигателя-генератора в качестве резерва означает, что для обеспечения потребности в электричестве требуется меньшее количество фотоэлектрических модулей и батарей. Присутствие генератора делает проект системы более сложным, но управлять ею все равно достаточно легко. На самом деле современное электронное управление инверторов позволяет этим системам работать в автоматическом режиме. Инверторы можно запрограммировать на автоматическое переключение либо на генератор, либо на подзарядку батарей, либо комбинацию этих функций. Кроме двигателя-генератора, можно использовать электричество от ветроустановки, малой ГЭС или от другого источника, формируя, таким образом, гибридную электростанцию необходимого размера.

Компоненты: кабели.

Лучший способ избежать ненужных потерь - использование соответствующих электрических кабелей и правильное их подключение к приборам. Кабель должен быть максимально коротким. Провода, соединяющие различные приборы, должны иметь площадь поперечного сечения не менее 4…6 мм2. Чтобы падение напряжения не превышало 3%, кабель между солнечным модулем и аккумулятором должен иметь поперечное сечение 0,35 мм2 (12-вольтная система) или 0,17 мм2 (24 В) на 1 метр на один модуль. То есть, кабель длиной 10 м для двух модулей должен быть не тоньше: 10 x 2 x 0,35 мм2 = 7 мм2. Поскольку с кабелем больше 10 мм2 в сечении трудно обращаться, иногда приходится смириться с более высокими потерями. Если часть кабеля пролегает под открытым небом, он должен быть устойчивым к плохим погодным условиям. Очень важна также его устойчивость к ультрафиолетовому излучению.

Компоненты: устройства слежения за солнцем.

Фотоэлектрические модули работают лучше всего тогда, когда фотоэлементы расположены перпендикулярно солнечным лучам. Слежение за Солнцем может привести к увеличению ежегодного производства энергии на 10% зимой и на 40% летом по сравнению с неподвижно закрепленным фотоэлектрическим модулем. "Слежение" реализуется с помощью монтажа солнечного модуля на подвижной платформе, поворачивающейся за Солнцем. Прежде всего, нужно сопоставить преимущество лишней энергии, полученной благодаря слежению за Солнцем, со стоимостью монтажа и техобслуживания системы слежения.
Устройства слежения недешевы. Во многих странах не имеет экономического смысла устанавливать слежение за Солнцем для менее чем восьми солнечных панелей (например, в США). При использовании восьми фотоэлектрических модулей мы получим больше энергии, если потратим деньги на увеличение числа панелей, а не на установку слежения. Только при восьми и более панелях устройство слежения окупится. У этого правила есть и исключения: к примеру, когда фотоэлектрические панели напрямую питают водяной насос, без аккумулятора, - тогда слежение за Солнцем выгодно для двух и более модулей. Это связано с техническими характеристиками, например, с максимальным напряжением, необходимым для питания двигателя насоса.

Срок эксплуатацию компонентов солнечной установки и их стоимость.

Очень важным фактором экономического анализа является срок эксплуатации фотоэлектрической системы. Сроки службы разных компонентов солнечного энергоснабжения подсчитаны на основе опыта, накопленного за последние годы.

• Срок службы фотоэлектрических панелей без заметного снижения  КПД оценивается в 20…25 лет.
• Каркасы и крепления из алюминия и нержавеющей стали (используются в большинстве фотоэлектрических систем) - срок службы не ниже фотоэлектрических модулей.
• Аккумулятор. В зависимости от характера цикла заряд/разряд, либо буферный режим работы (разряд не более, чем на 30%), средний срок службы составляет от 4 до 10..12 лет.
• Контроллеры заряда аккумуляторов рассчитаны по меньшей мере на 10 - 15 лет безремонтной эксплуатации.
• Инверторы обычно служат не менее 10 - 15 лет. Многие производители дают гарантийный срок эксплуатации 5 лет

Примерные данные для калькуляции цен на фотоэлектрические системы:

Стоимость 1 Вт. мощности системы примерно составляет 2,5…3 €, в зависимости от используемых комплектующих – фотомодулей, аккумуляторных батарей, инверторов.