Расчет мощности солнечных батарей для дома формулы и погрешности

Купить комплект автономной системы освещения 20Вт Sun Shines SL-20-10065 Sun Shines — Солнечная эне

Система уличного освещения на солнечных батареях со светодиодным светильником мощностью 20 Вт.

  • В наличии на складе в Москве
  • Доставка по всей России
  • Российское производство. Гарантия
  • Описание
  • Детали

Описание

Система создана для работы в российском климате и предназначена для замены традиционных уличных светильников с питанием от сети.

Солнечный уличный фонарь SL-20-50/40 отлично подходит для освещения участков и обьектов, на которых затруднен или невозможен подвод электрической энергии. Наша автономная система комплектуется светодиодным светильником мощностью 20 Вт и устанавливается на опоры с диаметром 89-108 мм (возможно изготовление кронштейнов с другими посадочными размерами).

Российское производство

Есть в наличии
на складе

Быстрая доставка
по всей России

Автономная система SL-20-50/40 на солнечных батареях незаменима для освещения:

  • дорог и остановок общественного транспорта вне населенных пунктов
  • отдаленных объектов, где отсутствует электрическая сеть
  • улиц и дворовых зон
  • автомобильных парковок
  • пешеходных переходов

Комплектация системы

  • Солнечная электростанция Sun Shines
  • Кронштейн для установки электростанции на опоре
  • Светильник светодиодный низковольтовый DIO SLV 20 Вт.
  • Кронштейн светильника — приставной, диам. 50 мм, длина 830 мм, угол 15°
  • Комплект крепежей, кабелей MC4, UF2
  • Датчик движения (опционально)

Солнечная электростанция «Sun Shines» выпускается в соответствии с требованиями ТУ 3487-001-44420140-2016. По желанию Заказчика система может комплектоваться солнечной батареей увеличенной мощности (до 600 Вт — 2 панели по 300 Вт) для использования в северных регионах, а также светодиодными светильниками различной мощности.

Как работают солнечные батареи: принцип, устройство, материалы

Солнечные батареи считаются очень эффективным и экологически чистым источником электроэнергии. В последние десятилетия данная технология набирает популярность по всему миру, мотивируя многих людей переходить на дешевую возобновляемую энергию. Задача этого устройства заключается в преобразовании энергии световых лучей в электрический ток, который может использоваться для питания разнообразных бытовых и промышленных устройств.

Правительства многих стран выделяют колоссальные суммы бюджетных средств, спонсируя проекты, которые направлены на разработку солнечных электростанций. Некоторые города полностью используют электроэнергию, полученную от солнца. В России эти устройства часто используются для обеспечения электроэнергией загородных и частных домов в качестве отличной альтернативы услугам централизованного энергоснабжения. Стоит отметить, что принцип работы солнечных батарей для дома достаточно сложный. Далее рассмотрим подробнее, как работают солнечные батареи для дома подробно.

Немного истории

Первые попытки использования энергии солнца для получения электричества были предприняты еще в середине двадцатого века. Тогда ведущие страны мира предпринимали попытки строительства эффективных термальных электростанций. Концепция термальной электростанции подразумевает использование концентрированных солнечных лучей для нагревания воды до состояния пара, который, в свою очередь, вращал турбины электрического генератора.

Поскольку, в такой электростанции использовалось понятие трансформации энергии, их эффективность была минимальной. Современные устройства напрямую преобразуют солнечные лучи в ток благодаря понятию фотоэлектрический эффект.

Современный принцип работы солнечной батареи был открыт еще в 1839 году физиком по имени Александр Беккерель. В 1873 году был изобретен первый полупроводник, который сделал возможным реализовать принцип работы солнечной батареи на практике.

Принцип работы

Как было сказано раньше, принцип работы заключается в эффекте полупроводников. Кремний является одним из самых эффективных полупроводников, из известных человечеству на данный момент.

При нагревании фотоэлемента (верхней кремниевой пластины блока преобразователя) электроны из атомов кремния высвобождаются, после чего их захватывают атомы нижней пластины. Согласно законам физики, электроны стремятся вернуться в свое первоначальное положение. Соответственно, с нижней пластины электроны двигаются по проводникам (соединительным проводам), отдавая свою энергию на зарядку аккумуляторов и возвращаясь в верхнюю пластину.

Эффективность фотоэлементов, созданных при помощи монокристаллического метода нанесения кремния, является существенно выше, поскольку в такой ситуации кристаллы кремния имеют меньше граней, что позволяет электронам двигаться прямолинейно.

Устройство

Конструкция солнечной батареи очень проста.

Основу конструкции устройства составляют:

  • корпус панели;
  • блоки преобразования;
  • аккумуляторы;
  • дополнительные устройства.

Корпус выполняет исключительно функцию скрепления конструкции, не имея больше никакой практической пользы.

Основными элементами являются блоки преобразователей. Это и есть фотоэлемент, состоящий из материала-полупроводника, которым является кремний. Можно сказать, что состоят солнечные батареи, устройство и принцип работы которых всегда одинаковый, из каркаса и двух тонких слоев кремния, который может быть нанесен на поверхность, как монокристаллическим, так и поликристаллическим методом.

От метода нанесения кремния зависит стоимость батареи, а также ее эффективность. Если кремний наносится монокристаллическим способом, то эффективность батареи будет максимально высокой, как и стоимость.

Если говорить о том, как работает солнечная батарея, то не нужно забывать об аккумуляторах. Как правило, используется два аккумулятора. Один является основным, второй — резервным. Основной накапливает электроэнергию, сразу же направляя ее в электрическую сеть. Второй накапливает избыточную электроэнергию, после чего направляет ее в сеть, когда напряжение падает.

Среди дополнительных устройств можно выделить контроллеры, которые отвечают за распределение электроэнергии в сети и между аккумуляторами. Как правило, они работают по принципу простого реостата.

Очень важными элементами солнечной назвать диоды. Данный элемент устанавливается на каждую четвертую часть блока преобразователей, защищая конструкцию от перегрева из-за избыточного напряжения. Если диоды не установлены, то есть большая вероятность, что после первого дождя система выйдет из строя.

Читайте также:  Расположение и проверка реле зарядки ВАЗ 2107

Как подключается

Как было сказано раньше, устройство солнечной батареи достаточно сложное. Правильная схема солнечной батареи поможет добиться максимальной эффективности. Подключать блоки преобразователей необходимо при помощи параллельно-последовательного способа, что позволит получить оптимальную мощность и максимально эффективное напряжение в электрической сети.

Разновидности солнечных батарей

Существует несколько разновидностей фотоэлементов для солнечных батарей, которые отличаются между собой строением кристаллов кремния.

Выделяют три вида фотоэлементов:

  • поликристаллические;
  • монокристаллические;
  • аморфные.

Первый вид панелей является более дешевым, но менее эффективным, поскольку, если кремний нанесен поликристаллическим способом, то электроны не могут двигаться прямолинейно.

Монокристаллические фотоэлементы отличаются максимальным КПД, который достигает 25 %. Стоимость таких батарей выше, но для получения 1 киловатта нужна существенно меньшая площадь фотоэлементов, чем при использовании поликристаллических панелей.

Из аморфного кремния изготавливают гибкие фотоэлементы, но их КПД самый низкий и составляет 4-6 %.

Преимущества и недостатки

Основные преимущества солнечных батарей:

  • солнечная энергия абсолютно бесплатная;
  • позволяют получать экологически чистую электроэнергию;
  • быстро окупаются;
  • простая установка и принцип работы.

  • большая стоимость;
  • для удовлетворения потребностей небольшой семьи в электроэнергии нужна достаточно большая площадь фотоэлементов;
  • эффективность существенно падает в облачную погоду.

Как добиться максимальной эффективности

При покупке солнечных батарей для дома очень важно подобрать конструкцию, которая сможет обеспечить жилище электроэнергией достаточной мощности. Считается, что эффективность солнечных батарей в пасмурную погоду составляет приблизительно 40 Вт на 1 квадратный метр за час. В действительности, в облачную погоду мощность света на уровне земли составляет приблизительно 200 Вт на квадратный метр, но 40 % солнечного света – это инфракрасное излучение, к которому солнечные батареи не восприимчивы. Также стоит учитывать, что КПД батареи редко превышает 25 %.

Иногда энергия от интенсивного солнечного света может достигать 500 Вт на квадратный метр, но при расчетах стоит учитывать минимальные показатели, что позволит сделать систему автономного электроснабжения бесперебойной.

Каждый день солнце светит в среднем по 9 часов, если брать среднегодовой показатель. За один день квадратный метр поверхности преобразователя способен выработать 1 киловатт электроэнергии. Если за сутки жильцами дома израсходуется приблизительно 20 киловатт электроэнергии, то минимальная площадь солнечных панелей должна составлять приблизительно 40 квадратных метров.

Однако, такой показатель потребления электроэнергии на практике встречается редко. Как правило, жильцы израсходуют до 10 кВТ в сутки.

Если говорить о том, работают ли солнечные батареи зимой, то стоит помнить, что в данную пору года сильно снижается длительность светового дня, но, если обеспечить систему мощными аккумуляторами, то получаемой за день энергии должно быть достаточно с учетом наличия резервного аккумулятора.

При подборе солнечной батареи очень важно обращать внимание на емкость аккумуляторов. Если нужны солнечные батареи работающие ночью, то емкость резервного аккумулятора играет ключевую роль. Также устройство должно отличаться стойкостью к частой перезарядке.

Несмотря на тот факт, что стоимость установки солнечных батарей может превысить 1 миллион рублей, затраты окупятся уже в течении нескольких лет, поскольку энергия солнца абсолютно бесплатна.

Видео

Как устроена солнечная батарея, расскажет наше видео.

Как правильно рассчитать инвертор для солнечных батарей

Выбор инвертора должен начинаться с определения типа солнечной фотоэлектрической установки: сетевая, автономная, гибридная. Каждая из перечисленных систем имеет свои особенности, под которые подходит только специальный инвертор.

Следующий этап — это определение мощности солнечных батарей, место и способ их установки. Очень важным фактором при выборе инвертора является несоответствие тока солнечных панелей связанное с:

  • установкой части солнечных батарей под другим углом;
  • установкой солнечных батарей на различных площадках с разной ориентацией на юг;
  • проблемой периодического (дневного) затенения панелей;

Все эти факторы влияют на выбор конкретной модели инвертора, например, инвертора с двумя контроллерами MPPT или несколько отдельных инверторов в установке.

Мощность инвертора и солнечных батарей

Номинальная мощность на стороне переменного тока AC определяет максимальную мощность потребителей, которые могут быть подключены к инвертору, или максимальный объем энергии, который может быть подключен к сети. Этот параметр всегда указывается в техническом паспорте. Инвертор для оптимальной эффективности должен работать как можно ближе к номинальной мощности. Эффективность преобразования может составлять до 98% в зависимости от модели. Если мощность генерируемого тока от солнечных батарей падает, например, в пасмурный день, когда солнечная интенсивность не превышает 200 Вт/м², эффективность инвертора резко падает.

Мощность по постоянному току DC, как правило не фиксированная и определяется на основании выходной мощности. Оптимальный диапазон мощности солнечных батарей составляет от 80 до 120% от номинальной выходной мощности инвертора. Производители инверторов обычно рекомендуют немного «перегружать» инвертор по стороне постоянного тока, поскольку мощность солнечных батарей всегда задается для условий STC, которые редко достигаются на практике. Энергия порядка 1000 Вт/м² в течение всего года составляет всего от нескольких дней до нескольких часов, что составляет всего 1-2% от общего времени солнечного излучения. В оставшееся время мощность солнечного излучения не превышает 800-900 Вт/м². Это означает, что 98% времени солнечные батареи работают максимум на 80-90% от их мощности.

Читайте также:  Объем масла в двигателе форд транзит 2

Кроме того, мощность солнечных батарей падает со временем эксплуатации, это связано с эффектом деградации кремниевых фотоэлементов. Этот процесс идет довольно медленно, но уже в первый год работы производительность падает в среднем на 1-2 процента. Из этого следует, что солнечные батареи никогда не достигают номинальной мощности для условий STC, предоставляемой заводом-изготовителем.

Технические характеристики инвертора — общие данные Технические характеристики инвертора — выходные данные Технические характеристики инвертора — входные данные ( для примера расчетов выбираем инвертор Fronius SYMO 10.0-3-M)

Технические характеристики инвертора

Рабочий диапазон инвертора расположен между значениями напряжения старта Udc start и максимальным напряжением Udc max. Как только напряжение постоянного тока со стороны солнечных батарей достигает значения Udc start, преобразователь активируется и начинает поиск точки максимальной мощности MPP. Если эта точка находится между Udc min и Udc start, инвертор запустится и начнет работать. Пока напряжение не превышает минимальное значение диапазона MPPT Umpp min – Umpp max, инвертор работает с неполной мощностью. Наивысшая эффективность преобразователя достигается с напряжением Vnom, так что конфигурация цепей солнечных батарей должна выдавать напряжение, близкое к Unom инвертора.

График работы инвертора солнечной электростанции

Соответствие мощности солнечных батарей

Каждый инвертор имеет диапазон напряжения MPPT, указанный в техническом паспорте. Это параметр определяет, при каком напряжении на входе постоянного тока инвертора будет обнаружена максимальная точка мощности алгоритмом MPP. Другим важным параметром, является минимальное напряжение переключения инвертора. Это значение напряжения PV-модулей, при которых инвертор запускается и начинает генерировать энергию. В нашем случае (таблица выше) диапазон MPPT составляет 200-800 В, а минимальное напряжение — 200 В.

Оба указанных значения определяют структуру подключения солнечных батарей в стринг (цепь), их количество и способ соединения (последовательный, параллельный, параллельный-последовательный). Каждая панель в стринге генерирует определенное напряжение и ток в зависимости от мгновенного освещения и соответствует вольт-амперной характеристике. Солнечные батареи, подключенные друг к другу, в зависимости от схемы (последовательно, параллельно), добавляют напряжение или ток. В любом случае эта сумма не может превышать допустимых значений для выбранной модели инвертора на стороне постоянного тока.

Для примера рассмотрим, как рассчитывается количество панелей в стинг в соответствии с техническими параметрами инвертора. Для расчетов выбираем панели с мощностью 270 Вт, от компании LG с характеристиками ниже.

Технические характеристики солнечной батареи

Среди этих параметров наиболее важным для нас будет:

  • максимальная мощность — Pmpp [Вт];
  • допуск мощности — ± DPmpp [%] (Power tolerance);
  • напряжение холостого хода — Uос [В];
  • ток короткого замыкания — Isc [A];
  • напряжение при максимальной мощности — Umpp [В];
  • ток при максимальной мощности — Impp [A];
  • рабочая температура модуля в номинальных условиях — NOCT [° C] (обычно около 43 ÷ 48 ° C);
  • температурные коэффициенты для: Isc, Uoc, Pmpp, — αT, βT, γT [%/°C].

Температурные коэффициенты позволяют рассчитать напряжение и мощность, генерируемые солнечной панелью в граничных условиях, с постоянным значением солнечной радиации. В Украине панели могут работать в температурном диапазоне от -25 до + 70 °C поэтому для таких граничных условий проводятся расчеты.

Максимальный ток в цепи

Ток, генерируемый солнечными батареями, зависит от типа соединения. В последовательном соединении сила тока равна значению самого слабого звена в стринге, например, частично затенённой панели. При параллельном соединении ток равен сумме токов от отдельных панелей. Значение тока также зависит от температуры, чем она выше, тем выше генерируемый ток. Изменение интенсивности тока в зависимости от температуры определяется коэффициентом Isc панели (в нашем случае 0,04 %/K).

Максимальный ток, который может генерировать одна панель, можно рассчитать по формуле:

  • Isc (Tr) — значение тока солнечной батареи при 70 ° C;
  • Isc — значение тока в условиях STC, указанное в характеристике модуля (9,17 А);
  • Tr — максимальная температура (70 °C);
  • αT — температурный коэффициент Isc (0,04 %/K).

Isc (Tr) = 9,17 · (1 + (70-25) · 0,04 / 100) = 9,33 [A]

Из расчетов видно, что для инвертора SYMO 10.0-3-M мощностью 10 кВт на первый вход трекера MPP не рекомендуется устанавливать боле 2-х параллельно соединённых солнечных батарей, а на второй возможно только последовательное соединение. Поскольку при параллельной обвязке токи суммируются. Сумма токов от трёх панелей (3 · 9,33 = 27,99 А) будет превышать максимальное значение в 27А (I dc max1) для первого входа, а сумма токов от двух панелей в параллель (2 · 9,33 = 18,66) выше 16,5 А (I dc max2) для второго входа MPPT.

Максимальное напряжение в цепи

В отличии от тока напряжение, выдаваемое солнечной батареей, увеличивается при падении температуры панели. Расчеты проводят для граничной температуры батареи равной -25 ° C. Теоретически более высокие напряжения будут иметь место при дальнейшем падении температуры, однако на практике зимой практически невозможно получить температуру на солнечном модуле менее чем -25 ° C в условиях необходимой освещенности для начала генерации энергии. При расчете максимального напряжения учитываются напряжение холостого хода температурный коэффициент βT.

Читайте также:  Тормозные диски на Хендай Акцент выбор и замена

Значение максимального напряжения рассчитывается по формуле:

  • Uoc (Tr) — значение напряжения при температуре — 25 °C;
  • Uoc — напряжение холостого хода (38,5 В);
  • Tr — минимальная рабочая температура (-25 °C);
  • βT — температурный коэффициент модуля (-0,31%/K).

Uoc (Tr) = 38,5 · (1 + (-25 — 25) · (-0,31 / 100) ) = 44,46 [В]

Основываясь на этом значении, мы можем подсчитать количество модулей в стринге, соединенные последовательно.

где: UDC max — максимально допустимое значение напряжения на входе преобразователя.

Nmax ≤ 1000 / 44,46 = 22,49

Округляя до целого числа в меньшую сторону, получаем, что в один стринг можно установить до 22 солнечных батарей.

Расчет минимального количества модулей в цепи с учётом допустимого пускового напряжения инвертора

Каждый инвертор имеет минимальное напряжение на входе, в нашем случае это 200 В.

Минимальное входное напряжение инвертора Fronius SYMO 10 кВт

В свою очередь, модули достигают минимального рабочего напряжения при граничной температуре 70 ° C. Поэтому минимальное количество панелей в стринге рассчитывается для этой температуры, округляя значение вверх. В этом случае используются формулы:

  • Uoc (Tmax) — напряжение при максимальной температуре 70 ° C;
  • Uoc — напряжение холостого хода (38,5 В);
  • Tmax — максимальная рабочая температура (70 ° C);
  • βT — температурный коэффициент модуля (-0,31 %/K);
  • Nmin — минимальное количество солнечных батарей;
  • Udcstart — Подаваемое начальное напряжение (200 В).

Uoc (Tmax) = 38,5· (1 + (70 — 25) · (-0,31 / 100)) =33,13 [Вт]

Nmin ≥ 200 / 33,13 = 6,04

Принимаем ближайшее целое значение в большую сторону, таким образом рекомендуется устанавливать последовательно не менее 7 модулей в один стринг.

Определение допустимого количества модулей в цепи с учётом MPP трекера инвертора

Инвертор имеет оптимальный диапазон напряжения для работы MPP трекера. В нашем случае этот диапазон в пределах: 200-800 В.

Диапазон напряжения для работы MPP трекера инвертора Fronius SYMO 10 кВт

При определении количества модулей, подключенных к одному входу MPP, необходимо определить количество панелей, при котором вся цепь будет генерировать напряжение в рабочем диапазоне MPPT при определенных условиях. В этом случае подсчитывается максимальное и минимальное напряжение солнечной батареи для условий MPPT, при этом максимальное значение напряжения подсчитывается при -25 ° C и минимальное значение при +70 ° C. На основе этих значений рассчитывается оптимальное количество панелей по формуле:

  • Umpp (Tmax) — напряжение солнечной батареи при 70 ° C;
  • Umpp (stc) — оптимальное напряжение MPPT (31,5 В);
  • Tmax — максимальная рабочая температура (70 ° C);
  • βT — индекс температуры модуля (-0,31%/K);
  • Nmin — минимальное количество модулей в стринге;
  • Udc min — минимальное значение MPPT инвертора (200 В);

UMPP (Tmax) = 31,5 · (1 + (70 — 25) · (-0,31 / 100)) = 27,1 [В]

Nmin · UMPP(Tmax) ≥ 200

Nmin ≥ 200 / 27,1 = 7,38

Полученный результат округляем до ближайшего большего значения. Таком образом рекомендуется устанавливать не менее 8 модулей в стринг для оптимальной работы MPPT инвертора.

Проверка суммарного количества солнечных модулей с учетом номинальной мощности инвертора

Обычно производители рекомендуют подключать к инвертору солнечные батареи суммарной мощности в соотношении 0,8-1,2 к номинальной выходной мощности инвертора для оптимальной работы преобразователя. В нашем случае инвертор имеет номинальную выходную мощность P ac,r = 10 000 Вт. Таким образом оптимальное значение суммарной мощности солнечных батарей находится в диапазоне 8 000 – 12 000 Вт.

Иногда производители допускают и большее количество солнечных панелей с соотношением до 1,6. Такое подключение может быть оправдано в случае подключения цепей панелей с разным ориентированием относительно юга, наличием участков с затенением и/или в регионах с низкой солнечной интенсивностью. Проектируя систему с таким перегрузом, следует убедится, что производитель допускает такой вариант и что инвертор не потеряет гарантию при таком виде монтажа.

Рассчитаем количество модулей согласно рекомендуемому диапазону:

где: P ac,r — номинальная мощность инвертора (10 000 Вт).

Полученные значения округляем до ближайшего целого числа в большую сторону для минимального значения, и в меньшую сторону для максимального значения:

10 000 · 0,8 / 270 ≤ N sum gen ≤ 10 000 · 1,2 / 270

30 ≤ N sum gen ≤ 44

Таким образом оптимальное количество солнечных батарей должно быть в диапазоне от 30 до 44 шт.

Согласно расчетам, к инвертору 10 кВт SYMO 10.0-3-M рекомендуется подключать от 30 до 44 солнечных батарей LG 270S1C-B3. При этом в одном стринге должно быть от 8 до 22 панелей подключенных последовательно. На один из входов MPP возможно параллельное подключение панелей не более чем в 2 ряда.

Сергей Маринец

Автор — инженер по возобновляемым источникам энергии

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector