Солнечная электростанция своими руками

Стоимость солнечных панелей ежедневно снижается. Приобретение или самостоятельная сборка и установка автономных солнечных систем стали доступными для простых потребителей. Мы решили создать это руководство, чтобы потребители разобрались с нужными компонентами, и смогли собрать солнечную электростанцию для дома своими руками.

С чего начнем?

Для самостоятельного проектирования автономной системы нужны знания основ электротехники и определенные познания в математике. Для сборки самой простой солнечной электростанции потребуется 4 компонента:

1. Солнечная батарея (PV панель);
2. Контроллер заряда;
3. Инвертор;
4. Аккумулятор.

Кроме вышеуказанных компонентов, потребуется медный кабель, коннекторы, устройства защиты и кое-какая мелочевка. Дальше мы пошагово объясним, как можно выбрать компоненты именно под ваши потребности.

Шаг 1: Расчет нагрузки

Прежде, чем выбрать компоненты, необходимо рассчитать нагрузку приборов, которые будут подключаться к вашей солнечной электростанции и сколько времени они будут работать. Для этого нужно сделать следующее:

1. Определите, какую технику (освещение, вентилятор, телевизор, насос и т.д.) вы будете подключать, и сколько времени (часов) она будет работать;
2. Ознакомьтесь со спецификациями ваших приборов для определения их мощности;
3. Рассчитайте величину потребляемого электричества в Ватт-часах (Вт*ч), которая равна произведению номинальной мощности ваших приборов (Вт) на время работы (ч).

Например Вы хотите включить какой-то прибор мощностью 10 ватт на 5 часов от солнечной панели. Количество потребленной электроэнергии будет: 10Вт х 5ч = 50Вт*ч. Таким же образом необходимо рассчитать общую величину потребляемой энергии, а именно рассчитать для каждого прибора и сложить полученные величины.

Пример: настольная лампа = 10Вт х 5ч = 50 Вт*ч + вентилятор = 50Вт х 2ч = 100Вт*ч, телевизор = 50Вт х 2ч = 100 Вт*ч, всего = 50 + 100 + 100 = 250 Вт*ч.

Когда закончите расчет нагрузки, пора приступать к выбору компонентов в соответствии с вашим требованием нагрузки.

Шаг 2: Выбор аккумуляторов

Все солнечные панели являются источниками постоянного тока. Электроэнергию они генерируют только днем. Если есть желание подключить нагрузку постоянного тока днем, то с этим нет никаких проблем, можно подключиться непосредственно от панелей. Но сделать это – не самое хорошее решение, потому что:

• Большинству приборов необходимо постоянное номинальное напряжение для эффективной работы. Передаваемое солнечными панелями напряжение и ток непостоянны. Они меняются в зависимости от интенсивности солнечного света, пасмурная погода – «не есть хорошо».
• Если вы хотите включить что-то ночью, то это что-то попросту не включится.

Указанная проблема решается использованием аккумуляторов, для накопления энергии в дневное время, и использования её в ночное. Существует много видов аккумуляторов. Аккумуляторы «открытого типа» с жидким электролитом, к которым относятся автомобильные аккумуляторы - предназначены для выдачи высокого тока в течение небольшого промежутка времени. Они не предназначены для глубокого разряда, у них задачи другие. Аккумуляторы для солнечных батарей являются аккумуляторами глубокого цикла, они легко переносят частичные разряды и предназначены для глубокого медленного разряда. Для солнечных электростанций хорошо подходят гелевые и литиевые аккумуляторные батареи (о том какие аккумуляторы лучше для солнечных электростанций мы писали тут).

Примечание: Перед тем как выбирать компоненты, определите, какую систему по напряжению вы хотите иметь: 12/24 или 48В. Чем выше напряжение, тем меньший ток будет в медных проводниках и тем меньше будут потери. Кроме того, чем выше рабочее напряжение, тем меньше потребуется сечение проводников. Чаще всего в качестве домашней электростанции используют системы с рабочим напряжением 12В или 24В. Это связано с тем, что часть домашних приборов можно питать напрямую от вашей электростанции, без двойного преобразования напряжения (вверх-вниз), которое приводит к потере мощности. В этом проекте рассмотрим систему 12В.

Параметры аккумулятора:

• Емкость аккумулятора рассчитывается в ампер-часах (Aч).
• Мощность (Вт)= Напряжение (В) х Ток (А). • Вт*час = Напряжение (В) х Ток (А) х Время (ч) = Вт*ч.
• Напряжение батареи = 12В (для нашей системы).

Емкость аккумулятора (Ач) = Мощность нагрузки (Вт)*Время работы (ч)/напряжение(В) = 250/12 = 20,83Ач.

Нужно понимать, что КПД аккумуляторов не может быть 100%, чаще всего КПД равен 80%. Учитывая это, имеем емкость аккумулятора (Ач) = 20,83/0,8 = 26Ач. Поскольку мы используем преобразователь напряжения, который имеет свой КПД, обычно его также принимают равным 80%, добавим его: 26/0,8 = 32,5Ач. Но и это еще не все - даже не смотря на использование аккумуляторов глубокого цикла, для продолжительного срока службы, их не рекомендуется разряжать до полной разрядки, и по-хорошему нужно оставлять хотя бы 30% заряда - чем больше оставим, тем дольше он прослужит, получается: 32,5*1,3 = 42,25Ач Округляем вверх, для того что бы получить целое число и выбираем аккумуляторы глубокого разряда емкостью от 45 ампер-часов (Ач).

Шаг 3: Выбор панелей

О том как правильно выбирать солнечных батарей в блоге магазина MyWatt есть отдельная статья, поэтому останавливаться на этом долго не будем. Рассматривать будем только  монокристаллические или поликристаллические, а аморфные и прочие тонкопленочные панели рассматривать не будем, в виду их быстрой деградации – потери мощности.

Основные отличия моно и поли:

Монокристаллические панели дороже и эффективнее, чем поликристаллические панели. Но в целом эффективность отличается незначительно, она зависит не только от типа ячейки, но и от качества самих ячеек и добросовестности производителя.

Характеристики солнечных панелей, как правило, приводятся к стандартным условиям испытаний (STC):

• освещенность = 1 кВт/м2;
• воздушная масса (AM) – 1,5;
• температура – 25°C.

Как самостоятельно рассчитать мощность солнечных батарей?

Мощность солнечных батарей должна выбираться таким образом, чтобы потребляемая мощность нашими электроприборами, была восполнена обратно. Иными словами – сколько взяли, столько и нужно отдать + потери на преобразование, а также собственное потребления инвертора с контроллером заряда.

В связи с тем, что солнечный свет в течение дня поступает непостоянно и с разной интенсивностью, нельзя знать сколько выработает та или иная панель сегодня, но исходя их статистических данных это можно предположить достаточно точно.

Например, для средней полосы России в летнее время хорошим показателем считается если каждый 1 Ватт солнечной батареи выработал 6Вт*ч за световой день, но если рассматривать пасмурный, дождливый день этот показатель может быть в несколько раз меньше, поэтому при расчетах учтем этот факт и вместо 6Вт*ч, подставим 3Вт*ч.

Итак, наше потребление в Ватт-часах, с учетом КПД составило 32,5Ач * 12В = 390Вт*ч, разделим на 3Вт*ч и получим мощность солнечной батареи 130Вт, если у Вас получается не целое число – округляйте вверх.

Зимой и в весенне - осенний период запас по мощности требуется делать значительно больше, поскольку световой день короче - солнце находится над горизонтом меньше времени.

Шаг 4: Выбор контроллера заряда для солнечных батарей

Контроллер представляет собой устройство, которое помещается между солнечной панелью и аккумулятором. Он регулирует напряжение и ток, приходящий от солнечных панелей для поддержания надлежащего качества зарядки аккумуляторных батарей.

Чаще всего используют 12-вольтовые аккумуляторы, однако солнечные панели могут вырабатывать гораздо большее напряжение, чем требуется для зарядки аккумуляторов. Контроллер заряда фактически преобразует лишнее напряжение в ток, тем самым уменьшая время, необходимое для полной зарядки аккумуляторных батарей. Это позволяет солнечным батареям быть достаточно эффективными в любой момент дня.

Типы контроллеров заряда:

1. Вкл./Выкл. (ON/OFF);
2. ШИМ — широтно - импульсная модуляция (PWM — pulse-width modulation);
3. ТММ — слежение за точкой максимальной мощности (MPPT — Maximum power point tracker).

Рекомендуем Вам отказаться от контроллера заряда Вкл./Выкл. (ON/OFF), так как это наименее эффективный контроллер. ТММ (MPPT) контроллеры имеют самую высокую эффективность, но цена на них выше. Таким образом, мы рекомендуем Вам использовать либо ШИМ (PWM), либо ТММ (MPPT) контроллеры, в зависимости от того, какими финансами вы оперируете.

Параметры контроллера заряда для солнечных батарей:

• Так как наша система рассчитана на 12В, контроллер заряда также должен поддерживать 12В;
• Контроллер заряда выбирается по мощности солнечных батарей, для каждого контроллера в паспорте указывается максимальная мощность, которую к нему можно подключить. Для данной системы 12В на 130Вт прекрасно подойдет контроллер на 10А;
• Если Вы хотите получать максимум энергии - выбирайте MPPT контроллер заряда, а если Вы хотите снизить стоимость системы, выбирайте ШИМ (PWM) контроллер заряда, но желательно проверенного производителя.

Шаг 5: Выбор инвертора

Солнечные батареи получают солнечные лучи и конвертируют их в электричество, они являются источниками постоянного тока (DC), также как аккумуляторная батарея, а нам для подключения розеток требуется переменный ток с напряжением 220В. Постоянный ток (DC) преобразуется в переменный ток (AC) через устройство под названием инвертор.

Виды волн переменного тока на выходе инвертора:

1. Прямоугольная волна – меандр;
2. Модифицированная синусоида;
3. Чистая синусоида.

Инвертор прямоугольной волны дешевле всех, но подходит не для всех приборов. Инвертор модифицированной синусоиды тоже не предназначен для обеспечения электричеством приборов с электромагнитными или ёмкостными компонентами, типа: микроволновых печей; холодильников; различных типов электродвигателей. Инверторы с модифицированной синусоидой работают с меньшей эффективностью, чем инверторы с чистой синусоидой.

Мы рекомендуем выбирать инверторы с чистой синусоидой.

Параметры инвертора:

• Мощность инвертора должна быть равной или больше, чем мощность всех приборов нагрузки, включенных одновременно;
• Если есть приборы с пусковыми токами (электродвигатели), нельзя чтобы она превышала максимальную мощность инвертора с учетом других электропотребителей;
• Предположим, что у нас будет: телевизор (50Вт) + вентилятор (50Вт) + настольная лампа (10Вт) = 110Вт;
• Чтобы иметь запас по мощности, выбираем инвертор от 150Вт. Так как наша система 12В, мы должны выбрать инвертор постоянного тока 12В в 220В/50Гц переменного тока с чистой синусоидой.

Примечание: Такая техника как стиральная машина, холодильник, фен, пылесос и т.д. имеют начальную потребляемую мощность во много раз больше, чем их нормальная рабочая мощность. Как правило, это вызвано наличием электрических двигателей или конденсаторов в таких приборах. Это должно быть принято во внимание при выборе мощности преобразователя (инвертора). 

Шаг 6: Монтаж солнечных модулей

После того как все рассчитано и куплены все комплектующие приходит время монтажа солнечной электростанции своими руками. Сначала выберите подходящее место на крыше, где нет никаких препятствий для солнечного света – никакой тени от деревьев и других построек.

Угол наклона солнечных батарей

Чтобы получить максимум от солнечной электростанции для дома или дачи, необходимо установить их в направлении, которое позволит захватить максимум солнечного света. Чем дольше панель будет находиться перпендикулярно солнцу, тем больше она выработает электроэнергии. Для средней полосы России оптимальный угол наклона 30° - 40° для лета и 70° - 80° для зимы.

С углом наклона разобрались, ориентация же панелей должна быть на юг, если нет такой возможности, то Юго-восток или юго-запад, но стоит понимать, что в таком случае выработки будет меньше. Существуют системы с изменяемым положением панелей (солнечный трекер), но его в этой статье рассматривать не будем в силу дороговизны реализации и наличием трущихся деталей.

Если у вас нет компаса, можете скачать приложение на свой смартфон и по нему определить, где у вас находится юг. Если нет возможности найти компас или установить приложение – запомните положение солнца в 12-00 часов – это и будет юг.

Стойку или крепеж для крыши солнечных батарей можно купить или смастерить своими руками хоть из дерева, хоть из металла. Главное, чтобы она была надежна, ведь панель имеет большую парусность, плюс нужно учесть расстояние между панелью и крышей – плотное прилегание недопустимо. Мы используем и рекомендуем Вам воспользоваться специальными крепежными элементами, именно для солнечных батарей.

На обратной стороне панели есть небольшая по размеру распаячная коробка, в ней находятся диоды Шоттки. Из распределительной коробки выводятся провода с уже установленными разъемами стандарта MC4. Всегда старайтесь использовать промаркированные провода, например красный и черный для подключения положительного и отрицательного разъемов. Если есть возможность подключить заземление, то используйте для этого желтый провод с зеленой полоской.

Шаг 7: Выбор последовательного или параллельного подключения

После расчета мощности аккумулятора и выбора солнечной панели вы должны подключить их. Во многих случаях довольно тяжело получить одной панелью или одним аккумулятором расчетные мощности, поэтому приходится объединять несколько панелей или объединять несколько аккумуляторов. Если у нас отдельно взятый аккумулятор или отдельно взятая панель соответствуют требованиям по напряжению, то соединяем их параллельно, через контроллер заряда, но бывают ситуации, когда нам понадобится последовательное соединение, например, для увеличения напряжения.

Рассмотрим подробнее.

• Последовательное соединение. Для подключения любого устройства к цепи последовательно необходимо подключить положительный полюс одного к отрицательному полюсу другого устройства. В нашем случае такими устройствами будут панели солнечных батарей или аккумуляторы. При таком подключении напряжения всех устройств складываются. Пример: Имеем 4 аккумулятора 12В. Соединяем их последовательно и в результате получаем 12 + 12 + 12 + 12 = 48 вольт. При таком подключении напряжения складываются, а ток остается неизменным. Таким образом, если каждый аккумулятор имел емкость 100Ач, то при последовательном мы получим связку 48В и емкостью 100Ач, запас электроэнергии в таком банке аккумуляторов составит 48В * 100Ач = 4800 Вт*ч – именно на этот параметр нужно обращать внимание, поскольку аккумулятор 100Ач на 12В имеет запас электроэнергии в 1200 Вт*ч, хотя «емкость» у них якобы одинаковая. Если бы это были не аккумуляторы, а солнечные панели, к примеру, по 17В и 5А (мощность в таком случае: 17В * 5А = 85Вт), то серия последовательно соединенных панелей имела бы напряжение = 17+17+17+17=68В, ток 5А и мощность бы составила 68В * 5А = 340Вт.
• Параллельное подключение. При параллельном подключении необходимо подключить положительный полюс первого устройства к положительному полюсу следующего устройства и отрицательный полюс первого устройства к отрицательному полюсу следующего устройства. При параллельном подключении напряжение остается неизменным, а номинальный ток цепи является суммой токов каждого устройства в цепи. Пример: имеем два аккумулятора 12В, 100Aч соединенных параллельно, напряжение сети остается 12 вольт, но ток 100 + 100 = 200Aч. Аналогично, если 2 солнечные панели по 17В и 5А соединены параллельно, то имеем цепь с напряжением 17В и током 10А.

Шаг 8: Размещение оборудования

На этом моменте не будем долго задерживаться, тут нужно отталкиваться в от места установки. Главный момент - расположить оборудование недалеко друг от друга, чтобы использовать перемычки небольшой длины, для уменьшения потерь напряжения. Оборудование имеет активное или пассивное охлаждение и необходимо оставлять воздушный зазор согласно документации.

Шаг 9: Схема подключения солнечной электростанции

Сначала подсоединяем контроллер заряда. Обычно в нижней части контроллера заряда есть 3 пары контактов. Первый слева — подключение солнечной панели с отметками (+) и (-). Второй — выход для подключения аккумуляторов с отметками (+) и (-), и третий — выход для прямого подключения нагрузки постоянного тока, например, лампочки на 12В – инвертор туда подключать нельзя!

Нужно подсоединить контроллер заряда к аккумуляторам: черный (-) и красный (+). В этом случае контроллер сможет определить необходимое рабочее напряжение (12В, 24В или 48В), можно сразу настроить контролер заряда на нужный тип аккумулятора.

Примечание: Сначала подсоедините черный/отрицательный провод от батареи к отрицательному выводу контроллера, а затем подключите положительный провод. После подключения батареи к контроллеру вы увидите, как светится светодиод индикации уровня заряда.

Теперь нужно подключить панели к контроллеру. На тыльной стороне панели установлена распределительная коробка с 2 проводами (+) и (-) и коннекторами MC4, как правило, они небольшие по длине. Чтобы подсоединить панель к контроллеру заряда, необходимы провода со ответной частью разъемов MC4. После подключения солнечных панелей к контроллеру заряда загорится светодиодный индикатор, если солнечный свет присутствует.

Примечание: Если Вы не используете автомат защиты между солнечными батареями и контроллером заряда, всегда подключайте солнечную панель, когда на нее не попадают солнечные лучи, например вечером, если нет такой возможности, то обязательно укройте панель светонепроницаемой тканью, потому что ток от «работающей панели» может создать, опасную для здоровья, электродугу и повредить оборудование. 

Затем устанавливаем инвертор на место и подключаем его к АКБ. В подключении инвертора, тоже ничего сложно нет, главное соблюдать полярность подключения.

Безопасность

Важно отметить, что мы имеем дело с постоянным током. Так положительный контакт панели (+) должен быть подключен к положительному контакту контроллера заряда (+) и отрицательный контакт панели (-) должен быть подключен к отрицательному контакту контроллера заряда (-). Если вы перепутаете контакты произойдет неполадка, которая может привести к пожару. Рекомендуется использовать провода разного цвета, красный (+) и черный (-). Если у вас нет возможности использовать провода разного цвета, то можно обернуть красной и черной изолентой провода рядом с клеммами.

Последними должны подключаться: нагрузка постоянного тока и инвертор.

Дополнительная защита

Хотя контроллер заряда и инвертор имеют встроенные предохранители для защиты, вы можете поставить выключатели и предохранители в следующих местах для обеспечения защиты:

• В разрыве между солнечной панелью и контроллером заряда;
• В разрыве между контроллером заряда и аккумуляторами;
• В разрыве между аккумуляторами и инвертором.

Измерение и регистрация данных

Если вы заинтересованы в том, чтобы знать, сколько энергии вырабатывается Вашей солнечной электростанцией, то стоит сделать выбор контроллера заряда, который способен регистрировать данные по выработке электроэнергии и другие показатели.

После подключения всего вышеописанного система готова к использованию.

Глубокие технические подробности компонентов мы сознательно затрагивать не стали. Дело в том, что принцип построения солнечных электростанций небольшой мощности, остается почти неизменным.