Солнечная электростанция своими руками. Подбор компонентов. Солнечные электростанции для дома

За все время своего существования, человечество изобрело много способов получения электричества. Но если промышленное производство электроэнергии – обычное дело, то для дома – это дорогое удовольствие, до сих пор не получившее массового распространения, особенно на территории России. С чем это связано, что мешает людям пользоваться бесплатной энергией и может ли такая технология заменить традиционную?

• Сфера применения
• Принцип работы системы
• Особенности расчета
• Цена вопроса

Что такое солнечная электростанция

Прежде всего – это бесплатное электричество, а по сути – совокупность устройств, преобразующих энергию солнца в переменный ток. Они используются в качестве альтернативного источника питания зданий, сооружений, бытовых приборов и т. п.

При знакомстве с технологией использования солнечного излучения, создается впечатление, что это очень сложная система. Но после наглядного рассмотрения устройства и принципа работы станции, все становится на свои места. Итак, перечислим основные компоненты:

• солнечные панели;
• контроллер заряда;
• накопительные аккумуляторы;
• инвертор.

Помимо главных составляющих, требуются еще некоторые расходные материалы (разъемы, перемычки, крепления, стеллажи для АКБ и др.). Полный расчет всех составляющих сделает компания, занимающаяся продажей подобного оборудования.

Сфера применения

Если не брать в расчет промышленные установки, то основное применение такие системы находят на личных подсобных хозяйствах:

Принцип работы системы

Солнечные панели поглощают лучи и преобразуют их в постоянный ток, основная часть которого поступает в аккумуляторы. Напрямую от панелей могут быть запитаны лишь небольшие электроприборы (часы, калькуляторы и т. п.).

Контроллер регулирует процесс заряда АКБ, то есть не допускает перезаряда и полного разряда аккумуляторов. Иногда его заменяют на силовой диод, для удешевления конструкции, но тогда будет необходимо постоянно контролировать состояние батарей вручную.

Накопительные аккумуляторы служат основным источником питания всего здания и бытовых приборов. Но напрямую от них могут работать только те устройства, которые имеют блоки питания на 12/24 вольт (компьютерная и радиоэлектронная техника, зарядные устройства и др.).

Следует учитывать, что максимальный срок службы аккумуляторов до 10 лет.

Инверторы преобразуют постоянный ток аккумуляторов в переменный,напряжением 220 вольт. Они необходимы для подключения более мощных устройств (холодильников, стиральных машин, пылесосов).

Плюсы и минусы использования энергии солнца

Принцип работы cолнечных электростанций для дома

Солнечные электростанции имеют определенные преимущества:

• применение панелей возможно в любой местности;
• бесплатный и экологически чистый способ получения электричества;
• система окупается уже через несколько лет;
• достаточно большой срок службы электростанции;
• автономное электроснабжение жилища;
• отсутствие скачков напряжения.

Ну и несколько слов о недостатках:

• отсутствие источника энергии ночью и в пасмурную погоду;
• высокая стоимость станции;
• необходимость периодической очистки панелей от пыли.

Учитывая постоянное подорожание энергоресурсов, преимущества собственной электростанции очевидны. А если установить дополнительные источники получения энергии, например, ветряк, то можно полностью отказаться от централизованной сети.

Особенности расчета

Чтобы сделать расчет полной стоимости солнечной электростанции, прежде всего нужно узнать:

• суточную потребность семьи в электричестве;
• максимальную мощность всех потребителей, включенных одновременно;
• рассчитать, на какое время нужен запас энергии.

Для примера возьмем семью из трех человек, проживающую в частном доме:

Теперь давайте произведем расчет количества компонентов:

• Солнечные панели. Необходимо разделить суточное количество потребляемой энергии в ваттах, на среднее время работы всех приборов за день. То есть 10 000 Вт делим на 8 часов, получаем 1250 Вт/час. В зависимости от производительности панелей (от 150 до 300 Вт) рассчитываем их количество. Если покупаете 250 ватные, тогда 1250 Вт/250 Вт = 5 панелей. Если получается не целое число, то округляем результат в большую сторону.

Чем больше площадь панелей, тем выше их производительность.

• Аккумуляторы. Рассмотрим систему, построенную на 12 вольтовых батареях, емкостью 200Ач. Делим суточное потребление энергии на напряжение, т. е. 10 000 Вт/12В = 833Ач. Теперь для подсчета количества АКБ делим полученный результат на емкость батарей, 833 Ач/200 Ач = 4,1 шт. Как и с панелями округляем значение, получается 5 аккумуляторов.
• Контроллер. Он должен быть соответствующего вольтажа и выдерживать определенную силу тока. Берем мощность всех панелей и делим ее напряжение наших аккумуляторов. То есть, есливыбрали АКБ на 24 вольта, получаем 1250 Вт/24 В = 52 А – такую минимальную силу тока должен выдерживать наш контроллер. Ну и, конечно, нужно брать с запасом, на 60 А.
• Инвертор. Ранее мы уже высчитали общую мощность всех потребителей тока – 2800 Вт или 2,8 кВт. Соответственно минимальная пиковая нагрузка будущего инвертора должна быть не менее 3 кВт, можно больше.
• Если вы же сомневаетесь, что сможете самостоятельно произвести все расчеты, обратитесь за помощью к специалистам.

Цена вопроса

После того как произведен расчет количества составляющих, можно узнать конечную стоимость вашей электростанции. Но в большинстве случаев, компании предлагают покупателям уже готовые комплекты. Стартовая цена солнечных электростанций эконом класса – от 70 т. р., а верхний предел стоимости 300–600 т. р.

Особенности монтажа солнечных систем

С установкой самой простой электростанции может справиться практически любой взрослый человек. Обычно все устройства идут в полном комплекте и снабжаются подробной инструкцией.

Но если речь идет о большом загородном доме, то лучше будет доверить работу опытным мастерам. Чаще всего, для выполнения монтажа на крыше, требуется альпинистское снаряжение. А также помощь электрика, для соединения остальных компонентов.

Как правило, компании, занимающиеся продажей этого оборудования, оказывают услуги по монтажу и дальнейшему обслуживанию систем.

Использование электростанций в мире

В настоящее время самым активным пользователем солнечной энергии является Америка. Например, на территории Канады построен крупнейший промышленный комплекс, мощностью 80 мВт. А 10–15% населения США, уже используют автономные солнечные электростанции в своих частных домах.

В России, солнечная энергетика находится пока в зачаточном состоянии, суммарная мощность всех используемых станций составляет всего 5 мВт. Но постепенно, доля альтернативной энергии в нашей стране все же увеличивается. Начинают развиваться производства солнечных технологий, а население, задумываясь об экономии, приобретает небольшие домашние электростанции. И судя по еще редким отзывам пользователей солнечных решений, альтернативную энергию ждет светлое будущее.

Купить гелиоустановку для дома или же для дачи не составляет труда. Но цена подобных систем нередко оказывается чрезмерно завышенной. А между тем их изготовление своими руками – вовсе не такой невозможный процесс, как кажется на первый взгляд. Достаточно подобрать нужные компоненты и произвести соответствующие расчеты. Разумеется, также необходимы определенные навыки работы с электрооборудованием (для подключения аккумуляторов, инверторов и т.д.).

Что для этого нужно?

Самодельная солнечная электростанция должна состоять из нескольких главных частей. Все они вполне доступны по цене и продаются в специализированных магазинах.

Фотомодули

Прежде всего необходимы сами фотоэлементы. Их количество и площадь определяются на основе норм энергопотребления и среднесолнечной географической активности. Каждый модуль можно собрать и самостоятельно, купив только кремниевые фотоячейки. Также можно приобрести уже готовые гелиоблоки, если их параметры удовлетворяют всем требованиям.

Аккумуляторные батареи

Их наличие необходимо для предотвращения перебоев энергоснабжения. Если солнечная электростанция не объединена с другими энергоисточниками, то именно данные аккумуляторы будут поддерживать жизнеобеспечение дома в пасмурные дни.

Контроллеры заряда

Представляют собой электронные устройства, предназначенные для предохранения аккумуляторов от чрезмерной зарядки/разрядки. При полной зарядке батареи они снижают вырабатываемый солнечным модулем ток до величины, позволяющей компенсировать саморазряд. В случае же критической разрядки эти контроллеры прерывают подачу электроэнергии на бытовые устройства. Если собрать солнечную электростанцию самостоятельно и оснастить ее подобными приборами, то срок службы установки значительно увеличится.

Инверторы

Это устройства, преобразующие постоянный ток от гелиоячеек в переменный, от которого «запитано» все бытовое оборудование. Кром того, инверторы производят электричество лучшего качества, чем то, которое поступает из местных энергосетей. Как правило, изготовление солнечной электростанции своими руками подразумевает использование синусоидальных моделей. Дело в том, что такие инверторы менее дороги и идеально подходят именно для домашних сетей. Еще одно назначение этих приборов – роль своеобразного «буфера» между домашней энергосистемой и коммунальной, что позволяет передавать избыток сгенерированного электричества в общую сеть.

Кабели

Ни одна солнечная электростанция не обходится без специальных коммутационных кабелей. Для минимизации энергопотерь кабели между элементами системы должны пролегать по наиболее коротким путям и иметь соответствующее сечение (не менее 4-6мм2). Внешние кабели должны быть устойчивы ко всем погодным явлениям.

Особенности компоновки

Чтобы созданная вами солнечная электростанция работала максимально эффективно, она должна быть спроектирована по определенной схеме. Вкратце эту схему можно изобразить таким образом. Постоянный ток от фотоэлементов подается на контроллер заряда. Как правило, при этом он проходит через специальную соединительную коробку. После контроллера ток попадает на аккумуляторную батарею, и часть его используется для накопления энергии. За аккумуляторной батареей располагается инвертор, который преобразует этот постоянный ток в переменный. Далее энергопоток распределяется на бытовые нагрузки. Причем лучше всего использовать для каждой группы нагрузок свой инвертор.

Монтаж домашней солнечной станции

В первую очередь необходимо расположить на крыше дома солнечные модули. Нужно помнить, что они должны располагаться под прямым углом к падающим лучам, а отклонение не должно превышать 15°. Причем если солнечная электростанция будет функционировать круглый год, то батареи надо поместить под углом +15° относительно географической широты. Для летней эксплуатации лучше придерживаться угла -15°.

Как правило, гелиомодули устанавливаются рядами на наклонных крышах, один ряд над другим. Такой монтаж подразумевает необходимость выдерживания расстояния между рядами. Это необходимо, чтобы модули не затеняли друг друга. Данное расстояние должно составлять минимум 1,7 высоты самих фотобатарей.

Все дополнительное оборудование (инверторы, аккумуляторы, зарядные контроллеры и т.д.) лучше располагать в отдельном техническом помещении. В этом случае уменьшится длина коммутационных кабелей (а значит, и энергопотери), и собранная система будет работать эффективнее.

Попытаемся понять подход к выбору автономной солнечной системы, какие факторы имеют большее, а какие меньшее значение.

Прежде всего, надо определить, сколько энергии вам понадобится в месяц, и, чтобы стоимость солнечной электростанции не стала фантастически высокой, по мере возможности уменьшить потребности. Затем необходимо определить, сколько солнечной энергии можно получить в той местности, где будет работать солнечная установка. Примерные данные приводятся в метеорологических справочниках, кое-какую информацию по солнечной инсоляции можно найти в Интернете. Обычно уровень солнечной инсоляции выражается в Ваттах/м2 с разбивкой по месяцам. Причём сезонные колебания могут быть очень значительными.

Как выбирать солнечную батарею?

Если предполагается использовать солнечную электростанцию круглогодично, расчёт надо производить по месяцам с наихудшими параметрами по инсоляции (конечно, если предполагается использовать только солнечную энергию). КПД солнечных батарей для расчётов надо принимать не выше 14% (а лучше 12%) , т.к., несмотря на КПД элементов 16 или даже 17 % (а чаще используются элементы с КПД 14-15%), часть излучения отразится от поверхности стекла закрывающего элементы (даже если используется антибликовое стекло), часть излучения погасится в толщине стекла, т.к. не вся поверхность солнечной батареи закрыта кремниевыми пластинами (между ними есть зазоры 2-3 мм). Кроме этого некоторые элементы имеют обрезанные углы, что также уменьшает полезную площадь. Некоторые изготовители приводят примерную выработку энергии в месяц при разных уровнях солнечного излучения.

Теперь, чтобы определить количество солнечных батарей , необходимо разделить желаемую потребность в энергии на возможную выработку энергии одной батареей в те месяцы, когда будет использоваться солнечная электростанция. Естественно, расчёт ведется по самым наихудшим параметрам по инсоляции.

Например, установка будет эксплуатироваться круглогодично, потребность в энергии 100 кВт час/месяц, одна батарея из выбранных вами произведёт в декабре не более 2 кВт-час энергии, 100: 2 = 50 батарей. При тех же условиях, но неизвестной производительности батареи, а известной её площади 0,7 м², определяем, что за месяц будет произведено примерно 20 х 0,7 х 0,12(КПД) = 1,68 кВт-час энергии (инсоляция в декабре составляет примерно 20 кВт-час/м²). Для определения количества солнечных батарей необходимо разделить желаемое количество энергии на выработку одной батареи: 100: 1,68 =59,5 шт., округляем в большую сторону 60 шт.

Следует отметить, что все эти расчёты носят приблизительный, ориентировочный характер, т.к. количество солнечных дней может сильно отличаться в разные годы. Всегда надо учитывать, что запас только улучшает параметры системы.

Увеличение производительности солнечных батарей – это отдельная большая тема. Можно отметить только несколько способов увеличения производительности:

Выбор оптимального угла установки . Желательно, чтобы поверхность солнечной батареи располагалась перпендикулярно к лучам солнца, с максимальным отклонением в ту или иную сторону на не более, чем 15°. В связи с тем, что солнце в течении года постоянно меняет высоту над горизонтом, желательно устанавливать солнечные батареи под тем углом, который обеспечивает максимальный выигрыш по производительности в нужное время. Например, если предполагается использовать солнечную электростанцию круглогодично, то батареи устанавливают под углом + 15° к широте местности, а если только в летние месяцы, то под углом – 15° от широты местности.

Поворот солнечной батареи вслед за солнцем в течение дня (применим только для небольших систем), таким образом можно увеличить выработку энергии вплоть до 50% от выработки в стационарном положении.

Как работают солнечные электростанции для дома. Советы по выбору схемы и комплектующих элементов

Альтернативные источники электроэнергии все больше интересуют владельцев домов. Их привлекает дешевизна использования солнечной энергии. Но массовое внедрение устройств, работающих от световых потоков Солнца, сдерживается дороговизной оборудования и сложностью его подбора и монтажа.

На самом деле собрать своими руками и эксплуатировать солнечную электростанцию по силам домашнему мастеру, даже ученику старших классов. Для этого надо:

ознакомиться с принципами работы схемы,

определиться с задачами оборудования,

подобрать наиболее подходящую комплектацию станции,

провести механический монтаж всех элементов,

собрать электрическую схему,

проверить работоспособность и грамотно эксплуатировать.

Многочисленные практические эксперименты позволяют рекомендовать универсальную схему решения задач солнечной электростанции для дома.

Типовая схема домашней электростанции с солнечной батареей (для увеличения нажмите на рисунок):

В ее состав входят:

модуль солнечных батарей на основе отдельных фотоячеек,

контроллер,

накопительные аккумуляторы электрической энергии,

инвертор.

Следует хорошо представлять, что в солнечной электростанции роль солнечных батарей заключается не в прямом питании электрических потребителей (хотя в определенных ситуациях это вполне оправдано: часы, калькуляторы и подобные приборы), а в обеспечении заряда рабочих аккумуляторов схемы, которые:

получают электроэнергию от солнечных модулей,

накапливают ее и передают потребителям.

Вопрос создания домашней станции следует начинать с определения ее нагрузки. Для этого надо проанализировать все потребители, которые будут работать от энергии Солнца. Их разделяют на два основных класса:

устройства, работающие от сети переменного тока 220 В,

радиоэлектронная и компьютерная техника, функционирующая от постоянного тока напряжением 12/24В.

Электродвигатели холодильников, стиральных машин, пылесосов и других устройств работают только от сети ~220В/50Гц. Их придется подключать через устройство, которое из постоянной электроэнергии аккумуляторов формирует синусоидальные гармоники с необходимыми характеристиками. Этот прибор называют инвертором.

Как он работает и способы его подбора под определенные нагрузки — тема отдельной статьи. А сейчас важно понять, что выходная мощность подбираемого инвертора должна обеспечивать надежную работу всех подключенных к нему потребителей и даже иметь небольшой запас.

В целях экономии вполне допустим вариант поочередной эксплуатации потребителей переменного тока. Согласитесь, что иногда необязательно включать моющий пылесос на нагрев воды при работающей стиральной машине. Вполне разумно дождаться окончания стирки, а потом заняться пылесосом. Это значительно снизит нагрузку на инвертор.

Переход на использование солнечной электростанции в доме следует совместить с заменой приборов осветительной сети. Нет смысла тратить энергию инвертора на нагрев нитей ламп накаливания. От них следует сразу отказаться, или в крайнем случае перейти на энергосберегающие лампы, работающие от напряжения =24/12В.

Это избавит от лишних трат энергии потому, что их, как и остальное радиоэлектронное и компьютерное оборудование можно запитать напрямую от постоянного напряжения накопительных аккумуляторов.

Смотрите, что происходит: электронная схема, например, ноутбука работает от электроэнергии батареи =12В.

Для ее подзаряда используется блок питания, который преобразует переменное напряжение ~220В/50Гц в величину =19В.

12 вольт вполне достаточно для работы этого ноутбука. Причем из него вообще можно изъять аккумулятор и питать напрямую от накопительных аккумуляторных батарей (АКБ). При таком способе создается порядка 40% экономии энергии по сравнению со способом ее двойного преобразования инвертором, а затем блоком питания.

Зачем дополнительно нагружать создаваемую конструкцию ненужными устройствами, бессмысленно грея окружающий воздух сложными электронными приборами? Схему питания каждого бытового помощника надо хорошо продумать и подобным образом упростить его электропитание. Для этого потребуется совсем немного затрат:

отрезки провода,

стандартные переходники.

В заключение такой работы будет не сложно рассчитать требуемую выходную мощность инвертора, а по ней уже подобрать подходящую модель для покупки.

Теперь пришло время определиться с накопительными аккумуляторными батареями для домашней солнечной электростанции. Правила их выбора и основные характеристики здесь не рассматриваем - это объемная отдельная тема, которая будет подробно рассмотрена в другой статье.

А сейчас заострим свое внимание на том, что эти аккумуляторные батареи должны надежно питать обе группы потребителей, которые мы кратко рассмотрели. Здесь тоже следует соблюдать очередность работы приборов и иметь какой-то запас.

Определившись с задачей аккумуляторов (их емкостью и суммарным выходным напряжением) можно подбирать модули солнечных батарей. Их современное производство выпускает большим ассортиментом с разными способами изготовления. Они обладают отличающимися друг от друга характеристиками и возможностями.

Обратите внимание на то, что модули солнечных батарей:

по выходному напряжению должны соответствовать накопительныаккумумляторным батареям,

обладать мощностью, способной при средних условиях освещения выдавать номинальный зарядный ток на рабочие аккумуляторы.

Есть еще одно устройство в этой схеме: . Он работает посредником между солнечными батареями и накопительными аккумуляторным батареям, регулируя процесс заряда.

Рассмотрим упрощенную электросхему для солнечной электростанции, работающей без контроллеров. Это сделано для того, чтобы у вас было четкое понимание его назначения.

Упрощенная схема домашней электростанции с солнечной батареей (для увеличения нажмите на рисунок):

В этой схеме контроллер убран, а вместо него работает обыкновенный диод. Почему так поступили?

Единственная задача контроллера: подзаряд накопительных аккумуляторных батарей до 14÷14,5 В. Делает это он разными способами и работает периодически:

при повышенной солнечной активности,

отсутствии потребления электроэнергии (аккумуляторы ничего не питают — не нужна зарядка),

заниженной емкости аккумуляторных батарей, когда они не справляются с нагрузкой и часть энергии потребителям идет от модулей солнечных батарей.

Полный заряд батареи выполняет МРРТ контроллер, занимающийся сканированием точки с максимальной мощностью отдачи у солнечной батареи (см. ). Это самая надежная, но дорогая конструкция. Остальные модели, особенно разработки On/Off вполне можно заменить силовым диодом.

Он не даст в темное время суток перетекать току от аккумуляторных батарей к солнечной батарее, предотвратит их разряд. При этом способе не рекомендуется оставлять на длительное время солнечную электростанцию без нагрузки: аккумуляторы будут подзаряжаться без какого-либо ограничения, а нам необходимо обеспечить баланс между зарядом и расходом энергии. В этом случае можно исключить часть солнечной батареи из работы или скоммутировать дополнительно постоянную нагрузку: вентиляцию, обогрев, светильники…

Использование диода с отказом от контроллера удешевляет схему, но требует более тщательного наблюдения за ней и внесения ручных корректировок в работу.

В заключение обратите внимание на самое главное при создании конструкции: все элементы схемы домашней солнечной электростанции работают в комплексе, а поэтому должны быть хорошо подобраны и сбалансированы между собой и потребителями.

В следующих статьях будут рассмотрены устройство и принцип действия контроллеров, инверторов и аккумуляторных батарей для домашних солнечных электростанций.