Panouri solare pentru cabană și casă: tipuri, principiu de funcționare și mod de calcul al sistemelor solare

Știința ne-a oferit o perioadă în care tehnologia de utilizare a energiei solare a devenit accesibilă publicului. Orice proprietar are posibilitatea de a obține panouri solare pentru locuință. Deținătorii de cabane nu rămân în urmă în această privință. Aceștia se află adesea departe de sursele centralizate de alimentare stabilă cu energie electrică.

Vă propunem să vă familiarizați cu informațiile care prezintă structura, principiile de funcționare și calculul componentelor unui sistem heliosolar. Familiarizarea cu datele oferite de noi va apropria realitatea asigurării proprietății dumneavoastră cu energie electrică naturală.

Pentru o percepere vizuală, sunt anexate scheme detaliate, ilustrații, instrucțiuni foto și video.

Structura și principiul de funcționare a panoului solar

Cândva, mințile iscoditoare au descoperit pentru noi substanțe naturale care produc sub influența particulelor de lumină solară, fotonilor, energie electrică. Procesul a fost numit efect fotoelectric. Oamenii de știință au învățat să controleze acest fenomen micoscopic.

Pe baza materialelor semiconductoare au creat dispozitive electronice compacte – fotocelule.

Producătorii au stăpânit tehnologia de combinare a convertoarelor miniaturale în panouri helio eficiente. Eficiența modulelor solare din siliciu, produse pe scară largă industrial, este de 18-22%.

Din descrierea schemei se vede clar: toate componentele centralei electrice sunt la fel de importante – funcționarea coordonată a sistemului depinde de alegerea corectă a acestora

Din module se asamblează un panou solar. Acesta este punctul final al călătoriei fotonilor de la Soare la Pământ. De aici, aceste componente ale radiației luminoase își continuă drumul deja în interiorul circuitului electric sub formă de particule de curent continuu.

Ele sunt distribuite către acumulatori sau sunt transformate în sarcini de curent alternativ cu tensiunea de 220 volți, alimentând diverse dispozitive tehnice casnice.

Panoul solar reprezintă un complex de dispozitive semiconductoare conectate în serie – fotocelule, care transformă energia solară în energie electrică.

Mai multe detalii despre specificul dispozitivului și principiul de funcționare al panoului solar veți găsi într-un alt articol popular al site-ului nostru.

Tipuri de module-panouri solare

Modulele heliopanouri sunt asamblate din elemente solare, altfel spus – convertoare fotoelectrice. Aplicația de masă a găsit FEP de două tipuri.

Ele se deosebesc prin varietățile de semiconductor din siliciu utilizate la fabricarea lor, acestea sunt:

• Policristaline. Acestea sunt elemente solare fabricate din topitură de siliciu prin răcire îndelungată. Metoda simplă de producție determină accesibilitatea prețului, dar randamentul variantei policristaline nu depășește 12%.
• Monocristaline. Acestea sunt elemente obținute prin tăierea în plăci subțiri a unui cristal de siliciu crescut artificial. Cea mai productivă și mai scumpă variantă. Randamentul mediu este în jur de 17%, se pot găsi fotocelule monocristaline cu o performanță mai mare.

Elementele solare policristaline sunt de formă pătrată plată, cu suprafață neomogenă. Varietățile monocristaline arată ca niște pătrate subțiri cu structură omogenă de suprafață, cu colțuri tăiate (pseudopătrate).

Așa arată FEP – convertoare fotoelectrice: caracteristicile modulului solar nu depind de varietatea elementelor utilizate – aceasta influențează doar dimensiunile și prețul.

Panourile primei variante, la aceeași putere, sunt mai mari ca dimensiuni decât cele din a doua, din cauza eficienței mai scăzute (18% față de 22%). Dar sunt, în medie, cu zece procente mai ieftine și se bucură de o cerere predominantă.

Despre regulile și nuanțele alegerii bateriilor solare pentru alimentarea cu energie a încălzirii autonome, puteți citi aici.

Schema de funcționare a alimentării solare cu energie electrică

Când treceți cu privirea peste denumirile misterioase ale componentelor care fac parte din sistemul de alimentare cu lumină solară, vă vine gândul la complexitatea super-tehnică a dispozitivului.

La nivel micro al vieții fotonului, așa este. În schimb, schema generală a circuitului electric și principiul său de funcționare arată foarte simplu. De la corpul ceresc până la „becul lui Ilici” sunt doar patru pași.

Modulele solare – prima componentă a centralei electrice. Sunt panouri dreptunghiulare subțiri, asamblate dintr-un anumit număr de plăci standard de fotocelule. Producătorii realizează panourile fotovoltaice diferite ca putere electrică și tensiune, multiplu de 12 volți.

Dispozitivele cu formă plată se amplasează convenabil pe suprafețele expuse razelor directe. Blocurile modulare se combină prin conexiuni reciproce într-o baterie heliotehnică. Sarcina bateriei este de a transforma energia solară primită, furnizând curent continuu de o valoare prestabilită.

Dispozitivele de acumulare a sarcinii electrice – acumulatorii pentru baterii solare sunt cunoscute tuturor. Rolul lor în cadrul sistemului de alimentare cu energie de la soare este tradițional. Atunci când consumatorii casnici sunt conectați la rețeaua centralizată, acumulatorii se încarcă cu energie electrică.

Ele acumulează, de asemenea, surplusurile sale, dacă pentru asigurarea puterii consumate de aparatele electrice este suficient curentul modulului solar.

Blocul de baterii furnizează circuitului cantitatea necesară de energie și menține o tensiune stabilă, de îndată ce consumul în acesta crește la o valoare mai ridicată. Același lucru se întâmplă, de exemplu, noaptea când panourile fotovoltaice nu funcționează sau pe vreme cu puțin soare.

Schema de alimentare cu energie a casei cu ajutorul panourilor solare se deosebește de variantele cu colectoare prin posibilitatea de a acumula energia într-un acumulator.

Controlerul este un intermediar electronic între modulul solar și acumulatoare. Rolul său este de a regla nivelul de încărcare al bateriilor acumulatoare. Dispozitivul nu permite fierberea acestora din cauza supraîncărcării sau scăderea potențialului electric sub o anumită normă, necesară pentru funcționarea stabilă a întregului sistem solar.

Inversor – așa se explică literal termenul invertor pentru panouri solare. Da, de fapt, acest component îndeplinește o funcție care cândva părea fantastică inginerilor electrotehniști.

Acesta transformă curentul continuu al modulului solar și al acumulatoarelor în curent alternativ cu o diferență de potențial de 220 de volți. Exact această tensiune este tensiunea de lucru pentru marea majoritate a aparatelor electrice de uz casnic.

Fluxul de energie solară este proporțional cu poziția soarelui: la instalarea modulelor, ar fi bine să se prevadă reglarea unghiului de înclinare în funcție de anotimp.

Sarcina de vârf și consumul mediu zilnic de energie

Plăcerea de a avea o centrală solară proprie costă încă destul de mult. Prima treaptă pe calea spre posesia puterii energiei solare este determinarea sarcinii optime de vârf în kilowați și a consumului mediu zilnic rațional de energie în kilowați-oră pentru gospodăria casnică sau de vacanță.

Sarcina de vârf este creată de necesitatea de a porni simultan mai multe aparate electrice și se determină prin puterea lor maximă totală, ținând cont de caracteristicile de pornire exagerate ale unora dintre ele.

Calculul puterii maxime consumate permite identificarea căror aparate electrice le este absolut necesară funcționarea simultană și cărora nu. De acest indicator depind caracteristicile de putere ale componentelor centralei electrice, adică costul final al dispozitivului.

Consumul zilnic de energie al unui aparat electric se măsoară prin produsul dintre puterea sa individuală și timpul cât a funcționat de la rețea (a consumat energie electrică) în decursul unei zile. Consumul total mediu zilnic de energie se calculează ca suma energiei electrice consumate de fiecare consumator pe perioadă zilnică.

Analiza și optimizarea ulterioară a datelor obținute privind sarcinile și consumul de energie vor asigura configurația necesară și funcționarea ulterioară a sistemului solar cu costuri minime

Rezultatul consumului de energie ajută la o abordare rațională a cheltuirii energiei solare. Rezultatul calculelor este important pentru calcularea ulterioară a capacității bateriilor. De acest parametru depinde și mai mult prețul blocului de baterii, o componentă destul de costisitoare a sistemului.

Procedura de calcul al indicatorilor energetici

Procesul de calcul începe, la propriu, cu o foaie de caiet orizontală, cu pătrățele, desfăcută. Cu linii ușoare de creion, din foaie se obține un formular cu treizeci de coloane și rânduri corespunzând numărului de aparate electrocasnice.

Pregătirea penturu calcule aritmetice

Prima coloană se trasează tradițional – numărul de ordine. A doua coloană – denumirea aparatului electric. A treia – puterea sa individuală consumată.

Coloanele de la a patra până la a douăzeci și șaptea reprezintă orele zilei de la 00 la 24. În ele, printr-o linie de fracție orizontală, se înscriu:

• la numărător – timpul de funcționare a aparatului în perioada unei ore specifice, în formă zecimală (0,0);
• la numitor – din nou puterea sa individuală consumată (această repetiție este necesară pentru calcularea sarcinilor orare).

A douăzeci și opta coloană – timpul total de funcționare a dispozitivului casnic pe parcursul zilei. În a douăzeci și noua – se înscrie consumul personal de energie al aparatului ca rezultat al înmulțirii puterii individuale consumate cu timpul de funcționare pe perioada zilnică.

Întocmirea unei specificații detaliate a consumatorilor ținând cont de sarcinile orare va ajuta să păstrați mai multe aparate obișnuite, datorită utilizării lor raționale

A treizecea coloană este, de asemenea, standard – observații. Aceasta va fi utilă pentru calcule intermediare.

Întocmirea specificației consumatorilor

Următoarea etapă a calculelor – transformarea formularului de caiet într-o specificație a consumatorilor casnici de energie electrică. Cu prima coloană este clar. Aici se trec numerele de ordine ale rândurilor.

În a doua coloană se înscriu denumirile consumatorilor de energie. Se recomandă să începeți completarea cu aparatele electrice din hol. Apoi se descriu celelalte încăperi în sens invers sau în sensul acelor de ceas (după cum este convenabil).

Dacă există un etaj al doilea (ș.a.m.d.), procedura este aceeași: de la scară – în cerc. În același timp, nu trebuie să uitați de aparatele de pe palierele scării și de iluminatul exterior.

A treia coloană cu indicarea puterii în dreptul denumirii fiecărui aparat electric este mai bine să fie completată concomitent cu a doua.

Coloanele de la a patra până la a douăzeci și șaptea corespund fiecare unei ore a zilei. Pentru comoditate, ele pot fi trasate imediat cu linii orizontale la mijlocul rândurilor. Jumătățile superioare ale rândurilor obținute sunt ca niște numeratori, iar cele inferioare – numitori.

Aceste coloane se completează rând cu rând. Numeratorii se formatează selectiv ca intervale de timp în format zecimal (0,0), reflectând timpul de funcționare al acestui aparat electric într-o anumită perioadă orară. În paralel, acolo unde se trec numeratorii, se înscriu numitorii cu indicatorul puterii aparatului, luat din a treia coloană.

După ce toate coloanele orare sunt completate, se trece la calcularea timpului de lucru zilnic individual al aparatelor electrice, deplasându-se pe rânduri. Rezultatele se înregistrează în celulele corespunzătoare ale coloanei a douăzeci și opta.

În cazul în care centrala solară joacă un rol auxiliar, pentru ca sistemul să nu funcționeze în gol, o parte a sarcinii poate fi conectată la ea pentru alimentare permanentă.

Pe baza puterii și a timpului de lucru, se calculează succesiv consumul zilnic de energie al tuturor consumatorilor. Acesta se notează în celulele coloanei a douăzeci și noua.

Când toate rândurile și coloanele specificației sunt completate, se efectuează calculele finale. Adunând pe coloane puterile din numitorii coloanelor orare, se obțin sarcinile fiecărei ore. Însumând de sus în jos consumurile zilnice individuale de energie ale coloanei a douăzeci și noua, se găsește consumul mediu zilnic total.

Calculul nu include consumul propriu al viitorului sistem. Acest factor este luat în considerare printr-un coeficient auxiliar la calculele finale ulterioare.

Analiza și optimizarea datelor obținute

Dacă alimentarea de la centrala helioelectrică este planificată ca rezervă, datele privind puterile consumate pe oră și consumul total mediu zilnic de energie ajută la minimizarea cheltuielilor cu electricitatea solară costisitoare.

Acest lucru se realizează prin excluderea din utilizare a consumatorilor cu consum mare de energie până la momentul restabilirii alimentării centralizate cu energie electrică, în special în orele de sarcină maximă.

Dacă sistemul energetic solar este proiectat ca sursă permanentă de alimentare cu energie electrică, atunci rezultatele sarcinilor orare sunt prioritare. Este important să se distribuie consumul de energie electrică pe parcursul zilei în așa fel încât să se elimine maximele mult prea dominante și minimele puternic descendente.

Excluderea vârfurilor, uniformizarea sarcinilor maxime, eliminarea căderilor bruște ale consumului de energie în timp permit alegerea celor mai economice variante ale componentelor sistemului solar și asigură o funcționare stabilă și, mai ales, fără defecțiuni pe termen lung a heliocentralei.

Graficul va dezvălui neuniformitatea consumului de energie: sarcina noastră este să mutăm vârfurile în perioada de activitate maximă a soarelui și să reducem consumul total zilnic, în special cel nocturn.

Desenul prezentat arată transformarea graficului irațional obținut pe baza specificației întocmite într-unul optim. Indicatorul consumului zilnic a fost redus de la 18 la 12 kWh, iar sarcina medie orară zilnică de la 750 la 500 W.

Același principiu de optimizare va fi util atunci când se utilizează varianta de alimentare solară ca rezervă. Poate că nu merită să cheltuiți în plus pentru creșterea puterii modulelor solare și a bateriilor acumulatoare de dragul unui inconvenient temporar.

Selectarea componntelor centralei helioelectrice

Pentru simplificarea calculelor, se va lua în considerare varianta de utilizare a bateriei solare ca sursă principală de energie electrică pentru o cabană. Consumatorul va fi o căsuță de vacanță ipotetică din regiunea Reazan, unde se locuiește permanent din martie până în septembrie.

Calculele practice bazate pe datele graficului rațional al consumului orar de energie publicat mai sus vor da claritate raționamentelor:

• Consumul total mediu zilnic de energie = 12 000 wați/oră.
• Sarcina medie de consum = 500 wați.
• Sarcina maximă 1200 wați.
• Sarcina de vârf 1200 x 1,25 = 1500 wați (+25%).

Valorile vor fi necesare în calculele capacității totale a dispozitivelor solare și a altor parametri de lucru.

Determinarea tensiunii de lucru a sistemului heliosolar

Tensiunea internă de lucru a oricărui sistem solar se bazează pe multiplii de 12 volți, fiind cea mai răspândită tensiune nominală a bateriilor acumulatoare. Cele mai larg răspândite componente ale centralelor solare: modulele solare, controlerele, invertoarele – sunt fabricate pentru tensiunile populare de 12, 24, 48 volți.

O tensiune mai mare permite utilizarea firelor de alimentare cu secțiune mai mică – ceea ce înseamnă o fiabilitate sporită a contactelor. Pe de altă parte, bateriile defecte ale rețelei de 12V pot fi înlocuite una câte una.

În rețeaua de 24 de volți, având în vedere specificul exploatării bateriilor acumulatoare, înlocuirea va trebui făcută doar în perechi. Rețeaua de 48V va necesita înlocuirea tuturor celor patru baterii ale unei ramuri. În plus, la 48 de volți există deja pericolul de electrocutare.

La aceeași capacitate și preț aproximativ egal, ar trebui să achiziționați baterii cu cea mai mare adâncime de descărcare admisă și cu curent maxim mai mare

Alegerea principală a valorii nominale a diferenței de potențial interne a sistemului este legată de caracteristicile de putere ale invertoarelor produse de industria modernă și trebuie să țină cont de valoarea sarcinii de vârf:

• de la 3 la 6 kW – 48 volți,
• de la 1,5 la 3 kW – egal cu 24 sau 48V,
• până la 1,5 kW – 12, 24, 48V.

Alegând între fiabilitatea cablajului și inconvenientul înlocuirii bateriilor, pentru exemplul nostru ne vom opri asupra fiabilității. În continuare, vom pleca de la tensiunea de lucru a sistemului calculat de 24 volți.

Echiparea bateriei cu module solare

Formula de calcul a puterii necesare de la bateria solară arată astfel:

Rsm = ( 1000 * Esut ) / ( k * Sin ),

unde:

• Rsm = puterea bateriei solare = puterea totală a modulelor solare (panouri, W),
• 1000 = sensibilitatea luminoasă adoptată a convertoarelor fotovoltaice (kW/m²)
• Esut = necesarul zilnic de consum energetic (kWh, în exemplul nostru = 18),
• k = coeficientul sezonier care ia în considerare toate pierderile (vară = 0,7; iarnă = 0,5),
• Sin = valoarea tabulară a insolației (fluxul radiației solare) la înclinarea optimă a panourilor (kWh/m²).

Valoarea insolației poate fi obținută de la serviciul meteorologic regional.

Unghiul optim de înclinare a panourilor solare este egal cu valoarea latitudinii locului:

• primăvara și toamna,
• plus 15 grade – iarna,
• minus 15 grade – vara.

Regiunea Reazan, analizată în exemplul nostru, se află la latitudinea 55.

Cea mai mare putere a bateriilor solare se obține prin utilizarea sistemelor de urmărire, modificarea sezonieră a unghiului de înclinare a panourilor, aplicarea unei înclinări mixte a modulelor.

Pentru perioada aleasă din martie până în septembrie, cea mai bună înclinare nereglementată a bateriei solare este egală cu unghiul de vară de 40⁰ față de suprafața solului. Cu această instalare a modulelor, insolația zilnică medie a Reazanului în această perioadă este de 4,73. Toate cifrele sunt disponibile, să efectuăm calculul:

Rsm = 1000 * 12 / ( 0,7 * 4,73 ) ≈ 3 600 de wați.

Dacă se iau ca bază a bateriei solare module de 100 de wați, atunci vor fi necesare 36 de bucăți. Ele vor cântări aproximativ 300 de kilograme și vor ocupa o suprafață de aproximativ 5 x 5 m.

Schemele de montaj și opțiunile de conectare a bateriilor solare verificate în practică sunt prezentate aici.

Aranjarea blocului de acumulați

Atunci când alegem bateriile acumulatoare, trebuie să ne ghidăm după următoarele postulate:

1. NU sunt potrivite pentru acest scop bateriile obișnuite de mașină. Bateriile centralelor solare se marchează cu inscripția «SOLAR».
2. Bateriile trebuie achiziționate doar identice ca toți parametrii, de preferință din același lot de fabrică.
3. Încăperea în care se amplasează blocul de acumulatori trebuie să fie caldă. Temperatura optimă, atunci când bateriile furnizează puterea maximă, este de 25⁰C. La scăderea acesteia la -5⁰C, capacitatea bateriilor se reduce cu 50%.

Dacă se ia pentru calcul un acumulator reprezentativ cu tensiunea de 12 volți și capacitatea de 100 amperi/oră, nu este greu de calculat că timp de o oră acesta va putea alimenta consumatori cu o putere totală de 1200 de wați. Dar aceasta la descărcare completă, ceea ce este extrem de nedorit.

Pentru funcționarea pe termen lung a acumulatoarelor, NU se recomandă reducerea încărcării lor sub 70%. Cifra limită = 50%. Luând ca „mijloc de aur” numărul 60%, punem la baza calculelor ulterioare o rezervă de energie de 720 Wh la fiecare 100 Ah de capacitate a acumulatorului (1200 Wh x 60%).

Probabil, achiziționarea unui acumulator cu capacitatea de 200 Ah va fi mai ieftină decât cumpărarea a două de 100, iar numărul conexiunilor de contact ale bateriilor se va reduce.

Inițial, acumulatoarele trebuie instalate încărcate 100% de la o sursă de curent staționară. Acumulatoarele trebuie să acopere complet consumul pe timpul nopții. Dacă vremea nu este favorabilă, ele trebuie să mențină parametrii necesari ai sistemului și pe timpul zilei.

Este important de reținut că un exces de acumulatoare va duce la subîncărcarea lor constantă. Aceasta va reduce semnificativ durata de viață. Soluția cea mai rațională pare a fi dotarea blocului cu baterii având o rezervă de energie suficientă pentru a acoperi consumul zilnic de energie.

Pentru a afla capacitatea totală necesară a bateriilor, împărțim consumul total zilnic de energie de 12000 Wh la 720 Wh și înmulțim cu 100 Ah:

12 000 / 720 * 100 = 2500 Ah ≈ 1600 Ah

În total, pentru exemplul nostru, vor fi necesare 16 acumulatoare de 100 Ah sau 8 de 200 Ah, conectate în serie-paralel.

Alegerea unui controler de calitate

Selectarea corectă a controlerului de încărcare a acumulatoarelor – o sarcină destul de specifică. Parametrii săi de intrare trebuie să corespundă modulelor solare alese, iar tensiunea de ieșire – diferenței de potențial internă a sistemului solar (în exemplul nostru – 24 de volți).

Un controler bun trebuie să asigure în mod obligatoriu:

1. Încărcarea în mai multe etape a acumulatoarelor, care extinde semnificativ durata lor de funcționare eficientă.
2. Conectarea și deconectarea automată reciprocă a acumulatoarelor și a panoului solar, în corelație cu încărcarea și descărcarea.
3. Reconectarea sarcinii de la acumulator la panoul solar și invers.

Acest nod mic ca dimensiune – un component foarte important.

Dacă o parte dintre consumatori (de exemplu, iluminatul) sunt trecuți la alimentarea directă de 12 volți de la controler, invertorul va fi necesar de putere mai mică, deci mai ieftin.

De alegerea corectă a controlerului depinde funcționarea fără avarii a costisitorului bloc de acumulatoare și echilibrul întregului sistem.

Selectarea celui mai bun invertor

Invertorul se alege de o putere care să poată asigura sarcina de vârf pe termen lung. Tensiunea sa de intrare trebuie să corespundă diferenței de potențial interne a sistemului solar.

Pentru cea mai bună alegere, se recomandă să se acorde atenție parametrilor:

1. Forma și frecvența curentului alternativ emis. Cu cât sunt mai aproape de sinusoida de 50 Hz, cu atât mai bine.
2. Randamentul dispozitivului. Cu cât depășește 90%, cu atât mai remarcabil.
3. Consumul propriu al aparatului. Trebuie să fie proporțional cu consumul total de energie al sistemului. Ideal, sub 1%.
4. Capacitatea componentei de a suporta suprasarcini de două ori mai mari pe termen scurt.

Cea mai bună variantă – invertorul cu funcție de controler încorporată.

Asamblarea sistemului heliosolar domestic

V-am pregătit o selecție foto care demonstrează clar procesul de asamblare a unui sistem heliotehnic casnic din module fabricate la uzină:

Concluzii și material video util pe această temă

Videoclipul #1. Prezentarea instalării panourilor solare pe acoperișul casei de către dvs. înșivă:

Videoclipul #2. Alegerea bateriilor acumulatoare pentru sistemul heliotehnic, tipuri, diferențe:

Videoclipul #3. Centrala solară de cabană pentru cei care fac totul singuri:

Metodele practice pas cu pas examinate, principiul de bază al funcționării eficiente a unui panou solar modern în cadrul unei centrale heliotehnice autonome casnice îi vor ajuta pe proprietarii atât ai unei case mari dintr-o zonă dens populată, cât și pe cei ai unei căsuțe de vacanță din mediul rural să obțină suveranitate energetică.

Doriți să împărtășiți experiența personală pe care ați acumulat-o în timpul construirii unui mini-sistem heliotehnic sau doar a unui panou? Aveți întrebări la care ați dori să primiți răspuns, ați găsit neajunsuri în text? Vă rugăm să lăsați comentarii în blocul de mai jos.