Солнечные панели для выработки электроэнергии

Расчет мощности солнечных батарей на квадратный метр

Солнечные батареи получают энергию солнца и преобразуют ее в электроэнергию. Использование дармового ресурса обходится не совсем даром — стоимость оборудования достаточно велика, к тому же комплекс требует обслуживания, замены отработанных элементов, обновления состава. Для того, чтобы не тратить лишних денег, следует заранее определить мощность солнечных батарей, необходимых для обеспечения дома. Для этого надо знать параметры оборудования, какое количество энергии вырабатывает солнечная батарея в течение светового дня, сколько приходится на одну панель и на весь комплекс в целом. Вопрос сложный и емкий, поэтому рассмотрим его по порядку.

Что такое солнечная батарея

Если принято решение установить дома солнечную электростанцию, необходимо иметь точное представление о ее устройстве. В первую очередь, надо знать, что представляют собой солнечные панели и как они работают.

Прежде всего, надо уточнить терминологию. Под названием «солнечные батареи» принято понимать весь комплекс по принятию, преобразованию и накоплению солнечной энергии. Видимые элементы, расположенные на открытых участках (крышах, специальных опорных сооружениях или просто на земной поверхности) — это солнечные панели. Она представляют собой плоскость, составленную из отдельных солнечных элементов. Каждый из них является самостоятельным приемником солнечной энергии, преобразующим ее в электричество. Для этого использован фотоэлектрический эффект, возникающий при освещении полупроводников:

Эффективность солнечных батарей напрямую зависит от размера, типа и количества отдельных элементов, составляющих данный комплект. Один элемент способен выдать определенное, довольно небольшое количество энергии. Однако, объединенные в батарею (подключенные параллельно) и выполненные в виде сплошной принимающей поверхности (панели), они могут обеспечивать энергией определенное количество потребителей. Для пользователя остается лишь выполнить расчет солнечных батарей и определить, сколько нужно приобрести панелей и дополнительного оборудования.

Разновидности

Эффективность и производительность солнечных панелей зависят от конструкции отдельных элементов. Существует несколько разновидностей:

1. Монокристаллические. Изготавливаются из одного монокристалла, выращенного из кремния в определенных условиях. Представляют собой тонкий поперечный срез. КПД составляет 17–22 %. Это самые дорогие и качественные элементы. Внешне выглядят как черные прямоугольники со скошенными краями.
2. Поликристаллические. Разработаны для того, чтобы снизить себестоимость и конечную цену элементов. Изготавливаются из расплава кремния, состоящего из множества кристаллических образований. КПД составляет 12–18 %. Характеристики этих элементов несколько снижены, но и цена более доступная для массового покупателя. Внешне они представляют собой синие прямоугольники.
3. Аморфные элементы. Эти элементы имеют более слабые характеристики, чем моно- или поликристаллические конструкции. Однако, они намного дешевле, что позволяет получить общую мощность аморфных солнечных панелей, не уступающую более производительным конструкциям. Разница только в количестве элементов. Аморфные солнечные батареи изготавливаются из разных материалов, могут быть жесткими или гибкими. Особенностью таких панелей является способность работать в пасмурную погоду, когда освещенность низкая.

Самыми производительными панелями считаются арсенид-галлиевые, но их обычно не учитывают в общей классификации. Они слишком дорогие, поэтому для частных пользователей не доступны.

Кроме этого, существуют одно- и двухсторонние солнечные батареи, способные поглощать свет одной или обеими сторонами. Однако, пока применения двусторонним панелям не найдено, так как для использования одновременно обеих сторон требуется отражающая система. Она сложна в изготовлении и настройке, дешевле использовать большее количество обычных панелей.

Состав комплекта солнечных батарей

Комплект солнечных батарей для дома представляет собой набор оборудования, где сами панели играют роль только приемника и источника энергии. Сами панели, принимая и перерабатывая свет в электрический сигнал, отдают его через контроллер заряда на аккумуляторные батареи. Они соединены с сетевым инвертором — устройством, преобразующим постоянный ток в стабильные переменные 230 В. Инвертор выдает это напряжение на потребителей, а излишки (если они есть) он может отдавать в централизованную сеть. Некоторые комплекты малой мощности работают только на снабжение собственного потребления и в сеть ничего отдать не способны. В европейских странах уже достаточно давно используется схема выдачи в сеть излишков энергии, за что владельцы частной солнечной электростанции получают определенные льготы, скидки или доплаты.

Все оборудование размещается в доме, снаружи только солнечные панели. Для частного дома этого комплекта может хватить даже без дополнительной подпитки из централизованной сети, если расчет количества солнечных батарей и дополнительного оборудования выполнен правильно. Особенностью любого комплекта является возможность увеличения его параметров путем установки дополнительных панелей и увеличения емкости аккумулятора. Поскольку производительность напрямую завязана на площадь освещенной поверхности, суммарный размер панелей определяет возможности всего комплекта.

Вычисляя параметры комплекса, необходимо делать поправку на непостоянство солнечного освещения. Например, в летнее время комплекс выдает в 10 раз меньше энергии, чем летом. Кроме того, погодные условия также вносят свои поправки. Поэтому, определить показатели солнечной электростанции можно только приблизительно, а при расчетах приходится делать большой запас. Максимальной эффективностью обладают крупные солнечные электростанции промышленного назначения, способные питать большие населенные пункты.

Где купить

Приобрести солнечные панели можно как в специализированном магазине, так и онлайн в Интернет-магазине. Во втором случае, особого внимания заслуживает бюджетный вариант приобретения изделий на сайте Алиэкспресс. Для некоторых панелей есть вариант отгрузки со склада в РФ, их можно получить максимально быстро, для этого при заказе выберите «Доставка из Российской Федерации»:

От чего зависит мощность солнечный батарей

Конструкция гелиобатареи — не единственный фактор, определяющий эксплуатационные показатели комплекса. В процесс вмешиваются внешние факторы, которые уменьшают возможности комплекса. Они воздействуют на работу оборудования поодиночке и сообща, снижая эффективность и уменьшая показатели гелиостанции.

Мощность солнечной батареи — это количество электроэнергии, которое она способна выдать в единицу времени. Это величина конечная, то есть рассчитанная по максимальному значению и имеющая определенный предел. Известно, что солнечная постоянная — 1 кВт на 1 м². Эта величина измерена в определенных условиях, обозначает количество энергии, падающее на земную поверхность в солнечный день при температуре 25° и постоянно вертикальном падении на поверхность. На практике получение полного расчетного объема энергии невозможно.

Характеристики самой качественной солнечной панели ограничены. Ее КПД не превышает 24 %, поэтому максимальной мощностью, полученной от 1 м² принимающей поверхности может быть 0.24 кВт. Это в идеальных условиях и с постоянной коррекцией положения поверхности относительно Солнца. На практике таких условий не бывает. В ситуацию вмешиваются погодные, климатические и сезонные условия. Возможны целые пасмурные недели, длительность светового дня в летний и зимний период существенно отличается.

Кроме этого, температура также влияет на способность солнечных элементов производить энергию — ее выработка значительно падает, как только температура поднимается выше +25°. Это означает, что в ясный летний день, когда мощность солнечных батарей на каждый квадратный метр должна быть максимальной, получить ожидаемый результат не удастся из-за сильного нагрева фотоэлементов. Поэтому, производя расчет солнечной электростанции, надо делать поправки на сезонные условия, длительность дня и прочие природные факторы.

Следующий фактор, который необходимо учесть при выполнении расчета — деградация гелиопанелей. Этот показатель у разных моделей отличается, есть образцы, сохраняющие до 90 % рабочих качеств даже через 20–25 лет эксплуатации. однако, у большинства панелей деградация происходит равномерно и пропорциональна длительности использования.

Кроме этого, расчет количества солнечных панелей необходимо делать с учетом потерь на дополнительном оборудовании — инвертор имеет КПД около 92–96 (и это одна из лучших моделей). Кроме этого, неизбежны потери на АКБ и контроллере, которые достигают 40 % и также снижают общие параметры комплекса. Сами приборы расходуют энергию на питание собственных плат. Поэтому, полный и точный расчет солнечных панелей — задача крайне сложная, требующая экспериментального подтверждения.

Расчет мощности

Рассмотрим подробно, как рассчитать мощность гелиопанелей. Прежде всего, необходимо вычислить свое потребление. Для этого надо сложить потребляемую мощность всех электроприборов, нагревателей, освещения и прочих потребителей. Сделать это непросто, так как придется вспомнить все мелочи, которых оказывается довольно много.

Для простоты рассмотрим пример расчета по готовой сумме потребления. Например, есть частный дом, который потребляет в месяц 300 кВт/час. Это означает, что в день потребление составляет 10 кВт/час. Здесь необходимо определить, сколько солнечных панелей, способных вырабатывать в сутки не менее 10 кВт, нужно для дома.

Прежде всего, надо определиться с временем работы системы. Даже самые мощные элементы способны принимать энергию только в определенное время суток. Рабочий период называется пиковыми солнечными часами. Их не следует путать с длительностью светового дня, которая гораздо больше. Однако, утренние и вечерние часы в расчет не берутся, так как для оборудования они непродуктивны.

Как правило, учитывается время с 9 до 16 часов. Этот период можно еще сократить, чтобы скорректировать потери от деградации панелей, изношенного оборудования или АКБ. Допустим, рабочее время панелей в сутки составит 5 часов. При потребности в 10 кВт, необходимо, чтобы на 1 час приходилась выработка не менее 2 кВт энергии. Руководствуясь этим значением, можно подсчитать, сколько солнечных батарей нужно для обеспечения дома, если часовая выработка составляет 2 кВт. Для этого надо изучить технические характеристики разных моделей и выбрать наиболее удачные варианты.

Существуют и другие методы. Можно рассчитать мощность по формуле:

где Рсп — мощность панелей, кВт;

Еп — суточное потребление, кВт;

К — коэффициент потерь (1.2–1.4);

Ринс — мощность инсоляции на земной поверхности;

Еинс — среднемесячное значение инсоляции (берется в таблицах).

Эта формула дает достаточно корректный результат, но неподготовленному человеку пользоваться ей трудно. Придется искать величины инсоляции, которые различаются по регионам. Для неопытных людей проще всего использовать онлайн-калькулятор, которых в сети довольно много.

Одна панель в сутки вырабатывает около 100 Вт энергии. Есть маломощные модели, по 50 Вт, пригодные для питания осветительных приборов с низким потреблением. Выбирать устройства необходимо с некоторым запасом, учитывая возможность появления дополнительных потребителей и деградацию оборудования. На практике приходится учитывать также стоимость панелей и условия их работы. Например, если солнечных дней в году мало, оптимальным вариантом станут гибкие модели, хорошо работающие даже в сумерках.

В заключение необходимо напомнить, что самостоятельный расчет мощности — задача трудная даже для профессионалов. Приходится учитывать большое количество факторов, о которых неподготовленный человек даже не имеет представления. Поэтому, лучшим вариантом будет обращение к специалисту, или расчет с помощью онлайн калькуляторе (что несколько хуже).

Видео по теме

Источник

Солнечные панели (батареи): виды свойства и принцип действия

Солнечные батареи (солнечные панели) относятся к альтернативным источникам энергии. Они состоят из солнечных элементов, которые преобразуют солнечный ( и не только) свет в электричество. А полный комплект состоящий из солнечных панелей, инверторов, аккумуляторов, контроллеров называется солнечной электростанцией. Может показаться, что у таких устройств нет недостатков, но перед покупкой и установкой следует изучить основные характеристики. Это позволит ответить на вопрос, как подобрать солнечные батареи для дома с учетом Ваших нужд, ведь стоимость одного комплекта достаточно высокая.

Область применения

Сегодня отсутствуют ограничения на использование солнечных батарей. Это обусловлено их преимуществами, в частности, выработкой достаточного количества электроэнергии для энергообеспечения всего объекта или решения локальных проблем (применения в качестве элемента питания и пр.). Освещение – это пока основное направление применения таких модулей. Реже их используют для обогрева, причем в большинстве случаев солнечные батареи обсуживают малогабаритные объекты. Их применяют:

• в частных и многоквартирных домах;

Применение солнечных батарей в многоквартирных домах

• коммерческих зданиях;

Использование солнечных панелей на промышленных зданиях

• теплицах;

Солнечная энергетика в аграрном секторе

• на придомовой территории.

Крытый навес из солнечных панелей

Условия, при которых предпочтительно устанавливать такие модули:

• для обогрева/освещения местности, где отсутствуют ЛЭП, в данном случае применение преобразователей солнечной энергии позволит сократить затраты на энергообеспечение объекта, это более выгодный метод, если сравнивать с применением дизельных генераторов;
• в некоторых многоквартирных домах, построенных за последние годы, использовался альтернативный источник энергии (в системах водоснабжения) или в качестве резервного;
• в местности (селах, деревнях) время от времени случается отключение электричества, такие модули позволяют обеспечить бесперебойную работу техники.

Сколько служат солнечные батареи?

Производители часто указывают срок эксплуатации – 20-30 лет (в среднем -25 лет). На протяжении указанного периода устройство может работать без потери мощности, сбоев. Однако это не значит, что по окончании данного срока модули перестанут функционировать. Это заблуждение, т. к. солнечные батареи могут служить намного дольше (до 60 и более лет, как первая из запущенных в эксплуатацию конструкций). Только в данном случае будет постепенно снижаться производительность. Но скорость развития этого процесса низкая. Так, за 10 лет батареи могут потерять не более 10% мощности.

При регулярной эксплуатации, максимальной нагрузке модули быстрее теряют свойства. Чтобы остановить этот процесс, а также увеличить срок службы устройства, рекомендуется придерживаться рекомендаций:

• обеспечение защиты фотоэлементов: необходимо снизить вероятность механического повреждения, солнечные батареи нужно устанавливать на участках, где риск падения деревьев нулевой, а также уровень воздействия ветровой нагрузки умеренный (что позволит исключить срыв ветром);
• установка на открытой местности ветрозаградительных конструкций;
• выполнение обслуживания, своевременная очистка модуля от сора.

В продаже есть также готовые комплекты – устанавливаются преимущественно для энергообеспечения частного жилья. Они состоят из батарей, силовой электроники. Длительность эксплуатации каждого из элементов, узлов разная. Так, батареи могут прослужить 2-15 лет, силовая электроника – до 20 лет.

Виды солнечных панелей

Солнечные батареи функционируют долго, могут вырабатывать постоянный ток, даже если погода пасмурная. Вместе с тем появляется возможность предупредить возникновение скачков напряжения. Как результат, техника на объекте, подключенная к такому источнику электроэнергии, служит дольше, т. к. созданы более щадящие условия эксплуатации (исключается риск повышения, падения напряжения, отключение питания).

Модуль представляет собой панель, состоящую из нескольких преобразователей, объединенных между собой. Чтобы изменить характеристики солнечной батареи, добавляют такие конструкции. Но эффективность работы подобных устройств зависит не только от количества модулей, а еще и от того, насколько правильно была выполнена установка (учитывают углы наклона панелей, интенсивность солнечного освещения на участке). Модули представлены видами:

• Монокристаллические. Производятся из чистого материала – монокристаллического кремния. Его отличает высокие показатели эффективности. Причем КПД солнечных элементов – около 22%, а панелей на их основе – не более 18%. Такие модули рекомендуется применять в местности, где уровень освещенности часто низкий.

Монокристаллическая солнечная панель

• Поликристаллические. По стоимости они предпочтительнее, т. к. производятся из мультикристаллических пластин. Еще одна причина низкой цены – недостаточно высокая производительность. Рекомендуется применять такие модули, если в местности сравнительно одинаковый уровень освещенности в разное время, отсутствуют резкие перепады.

Поликристаллические солнечные панели

• Аморфные. Другое название – тонкопленочные солнечные батареи. Они отличаются универсальным действием (применяются на разных объектах, в различных целях). Могут устанавливаться там, где жаркое солнце внезапно сменяется облачной погодой. Теоретически аморфные панели в будущем будут использоваться не только на крышах, но и на сумках, других бытовых изделиях. Минусом таких панелей является более низкая производительность, если сравнивать с поли-, монокристаллическими.

Тонкопленочные (аморфные) солнечные панели

• Гетероструктурные. Считаются наиболее эффективными, их КПД достигает 25%. Панели вырабатывают электроэнергию при солнечной и пасмурной погоде. В России такую продукцию представляет марка «Хевел». Компания-производитель разрабатывает и внедряет собственную технологию производства гетероструктурных панелей.

Гетероструктурные солнечные панели

Основные элементы конструкции:

• аккумулятор, позволяющая устранить перепады напряжения, вызванные изменением освещенности панели, а еще одна накапливает энергию;
• инвертор – преобразователь тока (из постоянного в переменный);
• контроллер: обеспечивает стабильную работу модуля, т. к. контролирует все параметры (температуру, зарядное напряжение аккумулятора и др.).

В продаже встречаются готовые системы, а также отдельные элементы для сбора с учетом собственных потребностей.

Как работают солнечные батареи

Солнечный свет попадая на элементы солнечных панелей, преобразуется в постоянный электрический ток. Инвертор преобразовывает постоянный ток в переменный ( в привычные нам 220в), а он, попадая в контроллер, отправляется к потребителям (бытовой технике, осветительных устройств). Аккумулятор же выполняет роль буфера между солнечными батареями и инвертером. Мощность инверторов может быть разной: 250-8000 Вт. Главные параметры, на которые следует обращать внимание: напряжение, мощность. Причем нужно не просто изучить характеристики, а соотнести эти параметры друг с другом. Отмечают наиболее подходящие варианты, исходя из напряжения (В) и мощности (Вт):

• 12 В, 600 Вт;
• 24 В, 600-1500 Вт;
• 48 В, от 1500 Вт и выше.

Существующие разновидности преобразователей:

1. Автономные. Функционируют без подключения к основной энергосети. При выборе автономных преобразователей учитывают мощность всей подключаемой техники. Дополнительно делают запас, т. к. некоторые устройства при включении создают повышенную нагрузку из-за существенных значений пусковых токов.
2. Синхронные. Модуль подключен к основной энергосети. Он также оснащен аккумуляторной батареей, имеет свойство накапливать энергию. Излишки «сбрасываются» обратно в сеть. При возникновении перебоев (отмечается недостаток электроэнергии), модуль снова получает требуемое количество от основного источника.

Существуют также многофункциональные устройства. Они объединяют возможности первого и второго варианта. Кроме того, различают преобразователи по форме сигнала напряжения:

• синусоида: модули с таким элементами стоят дороже, т. к. обеспечивают более высокое качество тока, появляется возможность подключить крупногабаритную технику;
• прямоугольный: недорогие преобразователи, чаще всего используются для обеспечения питания осветительных приборов, многие виды техники несовместимы с источниками напряжения данной формы;
• псевдосинусоидальный: представители низкой ценовой категории, т. к. качество сигнала ниже, чем в первом случае, они подключаются к любым приборам.

Стоимость комплекта, обзор технических характеристик

Цена устройства формируется с учетом комплектующих:

• модуль;
• аккумуляторная батарея;
• контроллер;
• инвертор;
• кабель;
• клеммы;
• стеллаж.

Цена солнечных батарей разная. В зависимости от комплектующих стоимость меняется в пределах диапазона: от 300 тыс. руб. до 2 млн руб. Малогабаритные изделия для локального применения можно приобрести и за 10 тыс. руб., однако их допустимо применять для простейших нужд (в качестве элемента питания и др.). При выборе устройства обращают внимание на параметры:

• энергоэффективность;
• габариты панелей (могут составить несколько метров по одной стороне);
• мощность;
• температурный коэффициент (оказывает влияние на мощность и другие электрические параметры).

Несмотря на высокую стоимость, солнечные батареи приобретают достаточно часто. Это обусловлено сравнительно быстрой их окупаемостью. Срок возврата затраченных средств зависит от количества потребителей. Для сравнения, панели, обслуживающие дом, где проживает семья из 4 человек, окупятся уже через 4 года (средний показатель).

Для удовлетворения простых нужд может быть достаточно панелей «Хевел» сетевой солнечной электростанции мощностью не выше 5 кВт. Их допустимо устанавливать на крыше частного дома, объектах малого и среднего бизнеса (кафе, небольшие магазины, павильоны, гостевые дома). Такой способ позволяет снизить затраты на электроэнергию от основного источника.

Однако самостоятельно сложно понять, какой комплект следует приобрести. Не всегда просто рассчитать и достаточную мощность солнечных батарей. Если выбор пал на панели «Хевел», консультант поможет подобрать модель. От компании приходит специалист, ориентируется на месте: делает замеры, расчеты. Дома останется выполнить пусконаладочные работы. Производитель «Хевел» предоставляет гарантию (до 25 лет) на все комплектующие, а также модули.

Коллекторы: получение тепла из солнечной энергии

Солнечные батареи могут применяться для обогрева объектов, нагрева жидкости. Возможность получения тепла обусловлена способностью батареи накапливать энергию. Это позволяет повышать температуру теплоносителя в трубах, за счет чего обеспечивается не только нагрев жидкости, но и обогрев всего объекта. Солнечные коллекторы функционируют по определенной схеме. Их основные элементы конструкции:

• насосная станция;
• бак-аккумулятор;
• контроллер;
• трубы и фитинги.

• плоские: состоят из плоского абсорбера, покрытия, теплоизолирующего слоя;
• вакуумные (трубчатые): состоят из стеклянной колбы, теплоизоляционный материал заменен на вакуум, который заполняет емкость (в ней также находится абсорбер).

У второго варианта есть существенное преимущество – низкие теплопотери. По этой причине вакуумные коллекторы применяются повсеместно там, где не могут быть установлены плоские аналоги.

Обзор производителей

Лидером продаж является продукция китайских марок. Это обусловлено их доступностью. Для сравнения, цена китайских солнечных батарей в 2 раза ниже, чем немецких со сходными характеристиками. Популярные марки:

• Suntech Power Ко;
• Yingli Green Energy;
• HiminSolar.

Распространены также отечественные панели марок:

• «Sun Shines» (ООО «Автономные Системы Освещения»);
• ООО «Хевел»;
• ОАО «Рязанский завод металлокерамических приборов»;
• «Телеком-СТВ»;
• ЗАО «Термотрон-завод» и др.

Как выполнятся монтаж

Выбирают место, где будут фиксироваться панели. Оценивают факторы:

• тень: следует найти наиболее ярко освещаемый на протяжении всего дня участок;
• ориентация по сторонам света: если объект расположен на севере, модуль располагают лицевой панелью к югу и, наоборот;
• угол наклона: он должен соответствовать широте, в которой находится объект (в зависимости от положения относительно экватора осуществляется коррекция 12°).

Крепить панели можно на крыше дома или при помощи специальных ферм. В первом случае достаточно зафиксировать профили. К ним уже крепят модули при помощи болтового соединения. Когда же солнечные батареи монтируются на специальных конструкциях (фермах), этапы работ будут отличаться:

1. Выполняется сборка профилей, уголков.
2. Подготавливают болты нужного размера, инструмент.
3. Фиксируют панели так, чтобы не было люфта между ними и опорной конструкцией.

Подключение электроники предполагает необходимость присоединения батареи посредством проводов. Соединяют контроллер, инвертор согласно схеме. На последнем этапе вся конструкция подключается к потребителю (обслуживаемому объекту).

Итоги: есть ли перспективы развития альтернативного источника энергии

Сегодня многие страны ведут разработку различных проектов: подключение панелей в космическом пространстве, монтаж дорожных покрытий. К слову, уже сейчас создана и функционирует велодорожка, которая за год производит 9800 кВт/ч. Такой проект реализован в Голландии. Его эффективность уже подтверждена практическим путем. Чтобы батарея не повредилась, предусмотрено покрытие толщиной 1 см (прозрачным). Кроме того, в планах разработчиков – создание альтернативного источника питания малых габаритов, характеризующегося высокой производительностью.

Источник