Солнечные батареи для дома, как выбрать и что нужно обязательно учитывать

Подбор узлов гелиоэлектростанции

Для изучения проекта независимого источника питания можно рассмотреть электростанцию на дачу из фотоэлектрических панелей.

Исходные параметры:

• потребление (Е), кВт/ сутки — 14;
• мощность нагрузки (среднее, максимальное, пиковое значение), Вт — 700, 1500, 1850;
• место расположения объекта недвижимости — г. Казань.

Подразумевается сезонная генерация (март — сентябрь).

Определение рабочего напряжения системы

Напряжение сети постоянного тока, V	Особенности	Рекомендованная мощность, кВт
12	Параллельное включение АКБ увеличивает силу тока на выходе, поэтому применяют провода с большим поперечным сечением	До 1,5
24	Замена аккумуляторных батарей выполняется парами	1,5-3
48	Этот уровень напряжения увеличивает опасность поражения пользователей электрическим током	6 и более

Комплектование батареи солнечными модулями

Формула расчета мощности панели преобразователя — P = (Е*1000)/ (К*И), где:

• Е — среднесуточное потребление электроэнергии;
• 1000 — относительная светочувствительность фотоэлементов;
• К — коэффициент потерь;
• И — инсоляция при оптимальном положении панелей относительно падающих лучей.

Если рабочая зона блока установлена горизонтально, среднее значение солнечной радиации для Казани летом составляет 4,49 кВт*ч/м кв. Подставив исходные параметры, вычисляют мощность электрического источника автономного питания: P = (14*1000)/ (4,49*0,7) ≈ 4450 Вт.

Обустройство аккумуляторного энергоблока

При выборе АКБ учитывают следующие факторы:

• для системы с фотоэлектрическими преобразователями подходят АКБ с маркировкой Solar;
• необходимо покупать комплект батарей из одной товарной партии (подразумеваются одинаковые технические параметры АКБ);
• полная разрядка уменьшает срок службы аккумуляторов, поэтому значение поддерживают от 50 до 70%;
• достаточный энергетический запас — сутки.

Для установки АКБ применяют отапливаемое помещение. Рекомендуемая температура воздуха: +25°C.

Аккумулятор для солнечных батарей.

Выбор хорошего контроллера

Хорошее оснащение блока управления обеспечивает поэтапный процесс зарядки, продлевающий ресурс АКБ. Сложный контроллер обеспечивает коммутацию автономного и сетевого источников питания по установленному алгоритму.

Подбор инвертора лучшего исполнения

Эффективное преобразование выполняется без больших потерь (КПД>90%). Важный параметр генерации — форма выходного сигнала. Чем точнее синусоида блока питания, тем лучше.

Контроллер для солнечных панелей.

Итак, мы разобрали роль солнечных панелей и инвертора для домашней гелиоэлектростанции.

Но в схеме есть еще одно незнакомое устройство — контроллер.

Сначала скажем, что контроллеры есть двух видов модуляции электросигнала:

1. ШИМ — широко-импульсная модуляция (или PWM).
2. MPPT (maximum power point tracking) или ТММ.

Первые — в состоянии задавать многоуровневую зарядку аккумулятора куда входит:

• Наполнение аккумулятора;
• Поглощение излишков;
• Выравнивание тока заряда;
• Поддержание уровня заряда.

У вторых — функция отслеживания точки максимальной мощности. В принципе, функции остаются те же, но этот прибор в состоянии увеличить выработку электричества тем же комплектом солнечных панелей без установки дополнительных.

Устройства разные и цена на них также сильно отличается.

Если у вас есть пара панелей и вас интересует просто резервное питание для просмотра телевизора и света в комнате, то для этого достаточно ШИМ-контроллера. Бюджетные модели от 1000 до 1300 рублей поддержат напряжение 12/24 V с максимальным током на выходе в 10 А.

Если у вас более мощная солнечная электростанция, то уж точно без MPPT контроллера не обойтись. Выбор устройств такого типа очень велик и нижняя ценовая планка на них в районе 7000 рублей.

Примеры многоэтажных домов в городах с солнечными панелями на крыше

Из наиболее старых примеров хорошо известен вариант установки СЭС прямо в столице, на кровле одной их многоэтажек Чертаново в 2016 году. В этой типовой московской многоэтажке панели установили сами муниципальные власти. 

Результатом, даже при сравнительно небольшой мощности и КПД модулей того времени, стало сокращение трат на электроэнергию для ламп в подъезде и фонарей на улице в 150 раз!

Сегодня во многих городах России, особенно южных регионов, реализовано множество подобных проектов. Так, в Краснодаре 21 фотоэлектрическая панель полностью обеспечивает энергией 8 подъездов 12-этажного здания и 5 уличных светодиодных светильников. 

Подключение панелей своими руками

Перед тем, как подключить солнечную батарею, необходимо ознакомиться с ее схемой и параметрами, а также учесть:

• окружающую обстановку. Место расположения панелей не должно затеняться рядомстоящими деревьями и другими строениями;
• угол наклона. Оптимальная энергоэффективность достигается при углах наклона панелей в пределах 30–45⁰. Если скаты крыши не соответствуют данным параметрам, используются каркасы или часть кровли подвергается демонтажу;
• ориентацию. Для максимальной эффективности, панели должны находиться под прямыми солнечными лучами большую часть светового дня, что соответствует южному направлению;
• инсоляцию. Параметр представлен уровнем солнечного излучения на конкретную зону земной поверхности. Зависит от времени года. Позволяет определить на что хватит энергии батарей в тот или иной сезон. Показатель инсоляции прямо пропорционален размеру и количеству необходимых для дома панелей;
• вес. Собранные в батарею солнечные панели обладают довольно большой массой, что может негативно отразиться на состоянии кровли и стропильной системы;
• свободный доступ. При правильном и надежном монтаже уход за солнечными панелями сводится к очистке поверхностей от загрязнений и снега.

Как рассчитать сколько кВт нужно

Для расчета мощности солнечных батарей необходимо обладать информацией о потребляемой электроэнергии. Средний показатель, измеряемый в кВт*ч, можно вычислить по ежемесячным коммунальным платежкам.

Паспортная мощность панелей соответствует идеальным условиям (чистое небо и прямое падение солнечных лучей). Небольшая облачность и дымка уменьшает эффективность в 2–3 раза. При пасмурной погоде, производимая энергия снижается в 15–20 раз. При этом на 100% батареи работают не более 7 часов в день, а утром и вечером этот показатель падает до 20–30%.

Для киловаттного массива месячная выработка электроэнергии вычисляется по формуле: 1х7х30=210 кВт. Энергией утренних и вечерних часов можно пренебречь за счет возможной облачности.

Чтобы определиться с мощностью солнечных батарей:

• подсчитывается среднесуточное потребление электроэнергии;
• делится на 7;
• суммируется с 40%, которые относятся к потерям в аккумуляторах и инверторе;
• при PWM контроллере увеличивается еще на 20%.

В реальности формула выглядит следующим образом: Х:30:7+Х:30:7х0,4+Х:30:7х0,2. Где Х – потребляемая электроэнергия за месяц. Полученный результат соответствует летнему сезону. Поскольку в осенне-весенний периоды эффективность солнечных батарей снижается, данный показатель необходимо увеличить еще на 50%. В зимнее время в помощь солнечным батареям необходимо использовать бензо- или ветрогенератор такой же мощности.

Правильно установленные солнечные панели и оптимально подобранное оборудование способны обеспечить частное домовладение электроэнергией не менее, чем на 25 лет. При этом затраченные на солнечную батарею средства окупаются в течение 3–4 лет.

Оборудование батареи солнечными модулями

Мощность солнечной батареи определяется по такой формуле:

Рсм = (1000×Есут)/(к×Син), где

• Рсм – мощность солнечной батареи – общая мощность солнечных модулей, Вт;
• 1000 – постоянная светочувствительности фотоэлектрических преобразователей, кВт/м²;
• Есут – требуемая суточная норма энергопотребления, кВт·ч, в данном случае – 18;
• к – сезонный коэффициент, с учетом всех затрат – летом: 0,7; зимой: 0,5;
• Син – величина инсоляции из таблицы (потока солнечной радиации), с учетом оптимального угла панелей, кВт·ч/м².

Величину инсоляции можно уточнить у местной метеорологической службы.

Требуемый уклон солнечных панелей определяется широтой местности:

• в весеннее и осеннее время года;
• в зимнее время года – плюс 15 градусов;
• в летнее время года – минус 15 градусов.

В нашем случае, Рязанская область, располагается на 55-й широте.

С учетом того, что время выбрано с марта по сентябрь, оптимальным постоянным углом установки солнечных батарей будет 40 градусов относительно земли. При этом средняя суточная инсоляция Рязани в указанный период равняется 4,73.

С учетом имеющихся данных произведем расчет:

Рсм = 1000×12/(0,7×4,73) ≈ 3600 ватт.

При использовании 100 ваттных солнечных батарей нам понадобится 36 штук. Такое количество будет иметь массу приблизительно в 300 кг, а площадь они будут занимать в пределах 5×5 м.

Сколько стоят солнечные батареи для частного дома

Ценовая политика батарей солнечного типа разная, даже одна и та же модель может отличаться стоимостью в разных торговых точках, поэтому прежде чем приобрести определенный товар, посмотрите все. Цена на солнечный массив в 1 кВт будет составлять примерно от 70 т. Рублей. Соответственно чем больше партия будет приобретена, тем большую скидку вы получите.

Качественная и специализированная установка обойдется вам приблизительно до 20т. Рублей за 12 в 200 Ач.

Следует знать, что такие АКБ ставить в доме не желательно, так как они не обладают герметичностью. Остальные разновидности можно выбрать исходя из своих предпочтений. Они отличаются мощностью, формой и ценой.

Виды кремниевых солнечных батарей

Поликристаллические

Главным элементом таких панелей являются полупроводниковые элементы поликристаллической структуры. Они гораздо дешевле монокристаллических, так как по сути изготавливаются из обрезков, оставшихся от монокристаллических элементов. В процессе изготовления кремниевый сплав просто охлаждается без последующей обработки.

КПД поликристаллических солнечных батарей составляет в среднем 12 — 18%, в то время, как у монокристаллических КПД достигает 22%. Однако учитывая меньшую цену, можно приобрести чуть больше панелей и получить тот же «выхлоп» за те же деньги, что и у монокристаллов. Такое возможно только в случае, когда есть много места на крыше. Также поликристаллы отличаются от монокристаллов неоднородностью цветовой гаммы.

Сколько стоят поликристаллические солнечные батареи? В среднем 3500 рублей за 100 Вт (многое зависит от производителя). Одной из самых недорогих поликристаллических батарей является Восток Pro ФСМ 150 П мощностью 150 Вт.

Монокристаллические

Для монокристаллических солнечных панелей специально выращивается монокристалл по методу Чохральского. Затем из нескольких кремниевых ячеек собирается целая панель определенной мощности. Чаще всего панель состоит из 36 или 72 модулей. Эффективность работы монокристаллических панелей гораздо выше, чем у поликристаллических, и составляет порядка 18 – 22%. 

Благодаря такой особенности при одинаковых размерах монокристаллические преобразуют больше солнечной энергии, чем поликристаллические. Какие лучше солнечные батареи: поликристаллические или монокристаллические? Все упирается в бюджет. Если есть возможность потратить чуть больше, тогда стоит купить монокристаллы, у которых окупаемость быстрее. Также монокристаллические батареи будут предпочтительнее, если площадь крыши относительно невелика. Средний срок «жизни» составляет 25 лет.

Если же хотите сэкономить и солнечная батарея вам нужна только, чтобы запитать холодильник или насосную станцию на даче, тогда можно взять поликристаллическую модель.

Аморфные

Аморфные батареи состоят из кремниеводорода (SiH4), который получают путем действия электрического тока на кремний. В результате этого кремний испаряется, а затем тонким слоем оседает на подложку.

КПД у аморфных панелей примерно такой же, как у поликристаллических. Однако у аморфных моделей есть некоторые преимущества. Например, они могут вырабатывать электроэнергию даже в пасмурную погоду, дождь, когда в воздухе высокая концентрация пыли или во время заката/рассвета.

Чистый доход от солнечных батарей

Во многих зарубежных странах вы можете продавать излишки электроэнергии. В России с помощью солнечных батарей вы пока можете только экономить электроэнергию.

Более того, подавляющее большинство счётчиков электроэнергии, устанавливаемых в России, не учитывают направление передачи энергии

То есть эти счетчики плюсуют отданное количество электроэнергии к потребленному и вам придётся за него заплатить! Поэтому очень важно в настоящий момент не допустить отдачи электроэнергии в сеть. Для этих целей применяются специальные солнечные фотоэлектрические инверторы, которые уменьшают выработку солнечных батарей при появлении излишков

Более универсальным решением является установка специального контроллера отдачи излишков электроэнергии в сеть WATTrouter. Более подробно про эти устройства вы можете почитать по ссылкам на их названиях.

Более радикальным методом будет замена счётчика на специальный двунаправленный, который раздельно считает потребление и генерацию. К сожалению, такие счётчики намного дороже и в основном трехфазные. Однофазные двунаправленные счётчики в России практически не продаются.

Кстати, в большинстве штатов США владельцы солнечных батарей также не могут продавать излишки электроэнергии в сеть. Тем не менее, это не мешает им получать выгоду от своих солнечных электростанций на крыше домов.

В большинстве штатов США действует так называемая система Net Metering, которая позволяет вычесть отданную в сеть электроэнергию из потреблённой. Разница не может быть отрицательной. Обычно при такой системе потребители платят абонентскую плату (около 100 долларов в год), которая требуется электросетям для поддержания линий электропередачи и другого распределительного оборудования в рабочем состоянии.

Оборудование для получения электроэнергии

В минимальный комплект входят: сама панель, АКБ, инвертор и контроллер.

Солнечная панель дает нам постоянный ток – 12 или 24 В. Этого достаточно для работы многих бытовых приборов, вроде радиоприемников, настенных электронных часов и прочего оборудования. Но в большинстве случаев техника нуждается в электросети с напряжением 220 В. Следовательно, нужно как-то преобразовать постоянный ток напряжением 12-24 В в переменный ток напряжением 220 В – для этого потребуется дополнительное оборудование.

Для преобразования электроэнергии применяются инверторные преобразователи, отличающиеся высоким КПД. Но есть еще одна проблема – ночью батареи не работают, поэтому нам потребуются еще и аккумуляторы. К ним прибавляем зарядные устройства (или приобретаем автоматические преобразователи/контроллеры, которые самостоятельно выбирают источники питания и заряжают аккумуляторы).

Далее необходимо определиться с видом панелей. Солнечные батареи для дома представлены следующими разновидностями:

• Пленочные (гибкие) – характеризуются легкостью монтажа и небольшим весом, но не могут похвастаться высокой эффективностью;
• Монокристаллические – для их работы необходимо яркое солнце, в облачную погоду их эффективность падает практически до нуля;
• Поликристаллические – самые современные солнечные батареи, которые могут работать в облачную погоду.

Гибкие солнечные панели не самый лучший вариант для постоянного использования.

Гибкие солнечные панели не подходят для длительного применения

Поэтому мы рекомендуем обратить свое внимание на последнюю категорию батарей – они представлены самым широким ассортиментом

Далее нам нужно определиться с мощностью оборудования. Если солнечные батареи будут использоваться только для осветительных целей, можно обойтись панелями небольшой площади и малой мощности. Если к местной сети будут подключаться мощные потребители – пылесосы, микроволновые печи, чайники и многое другое – придется приобрести большое количество батарей, мощные преобразователи и аккумуляторы с высокой суммарной емкостью.

Некоторые люди приобретают в свои загородные дома низковольтное оборудование – это лампы на 12 или 24 В, а также аналогичная бытовая техника (мониторы, телевизоры, мультимедийные плееры и многое другое). Что касается микроволновых печей и электрочайников, то они заменяются обычной газовой печкой с баллоном.

В продаже представлены даже низковольтные холодильники вполне приличного объема. Минус у них один – стоят они в 4-5 дороже своих аналогов с питанием от сети 220 В.

Принцип работы солнечной электростанции в домашних условиях

Солнечная электростанция – это система состоящая из панелей, инвертора, аккумулятора и контроллера. Солнечная панель трансформирует лучистую энергию в электричество (как было сказано выше). Постоянный ток попадает в контроллер, который распределяет ток по потребителям (например, компьютер или освещение). Инвертор преобразовывает постоянный ток в переменный и обеспечивает работу большинства электрических бытовых приборов. В аккумуляторе накапливается энергия, которая можно расходовать в темное время суток.

Видео описание

Наглядный пример расчетов, показывающий, сколько панелей нужно для обеспечения автономного энергоснабжения, смотрите в этом видеоролике:

Как солнечная энергия используется для получения тепла

 Гелиосистемы применяются для нагревания воды и отопления жилища. Они могут давать тепло (по желанию владельца) даже тогда, когда отопительный сезон закончится, и обеспечивать дом горячей водой бесплатно. Простейшее устройство представляет собой металлические панели, которые устанавливают на крыше дома. Они аккумулируют энергию и согревают воду, которая циркулирует по скрытым под ними трубам. Функционирование всех гелиосистем основано на этом принципе, несмотря на то, что конструктивно они могут отличаться друг от друга.

Солнечные коллекторы состоят из:

• бака-аккумулятора;
• насосной станции;
• контроллера;
• трубопроводы;
• фиттингов.

По типу конструкции различают плоские и вакуумные коллекторы. У первых дно покрыто теплоизоляционным материалом, а жидкость циркулирует по стеклянным трубам. Вакуумные коллекторы отличаются большой эффективностью, потому что теплопотери в них сведены к минимуму. Этот тип коллектора обеспечивает не только отопление солнечными батареями частного дома – его удобно использовать для систем горячего водоснабжения и подогрева бассейнов.

Принцип действия солнечного коллектораИсточник 21ek.ru

Популярные производители солнечных батарей

Чаще всего на прилавках встречается продукция компаний Yingli Green Energy и Suntech Power Ко. Также популярностью пользуются панели HiminSolar (Китай). Их солнечные батареи производят электроэнергию даже в дождливую погоду.

Производство солнечных батарей налажено и у отечественного производителя. Этим занимаются такие компании:

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

По стоимости всегда можно найти подходящий вариант. Например в Москве на солнечные батареи для дома стоимость будет варьироваться от 21 000 до 2 000 000 руб. Стоимость зависит от комплектации и мощности устройств.

Солнечные батареи не всегда плоские – есть ряд моделей, которые фокусируют свет в одной точкеИсточник pinterest.com

Этапы монтажа батарей

1. Для установки панелей выбирается самое освещенное место – чаще всего это крыши и стены зданий. Чтобы устройство функционировало максимально эффективно, панели монтируются под определенным углом к горизонту. Учитывается также уровень затемненности территории: окружающие предметы, которые могут создавать тень (постройки, деревья и т. п.)
2. Устанавливаются панели при помощи специальных крепежных систем.
3. Затем модули соединяются с аккумулятором, контроллером и инвертором, и производится наладка всей системы.

Для монтажа системы всегда разрабатывается персональный проект, который учитывает все особенности ситуации: как будет выполняться установка солнечных батарей на крыше дома, цена и сроки. В зависимости от вида и объема работ, все проекты рассчитываются в индивидуальном порядке. Клиент принимает работу и получает на нее гарантию.

Установка солнечных батарей должна производиться профессионалами и с соблюдением мер безопасностиИсточник pinterest.ca

Как итог – перспективы развития солнечных технологий

Если на Земле максимально эффективной работе солнечных батарей мешает воздух, который в известной мере рассеивает излучение Солнца, то в космосе такой проблемы не существует. Учеными ведется разработка проектов гигантских орбитальных спутников с солнечными батареями, которые будут работать 24 часа в сутки. От них энергия будет передаваться на наземные приемные устройства. Но это дело будущего, а для уже существующих батарей усилия направлены на повышение энергоэффективности и уменьшение размеров устройств.

Виды солнечных батарей

Из школьного курса физики нам знаком фотоэлектрический эффект. Он возникает в полупроводниках под действием света. На этом принципе работают все солнечные батареи.

Не будем углубляться в теорию процесса, а отметим лишь самые важные практические моменты:

• Существует три вида солнечных батарей: монокристаллические и поликристаллические и панели из аморфного кремния (гибкие).
• Все они вырабатывают постоянный ток (напряжением 12 или 24 В).
• Срок службы данных устройств превышает 20 лет.
• Мощная батарея не может эффективно работать без дополнительного оборудования (контроллера, аккумулятора, инвертора).

Теперь пройдем подробно по каждому пункту. Монокристаллическая панель по сравнению с поликристаллической выдает более высокую мощность с единицы поверхности. При этом цена у нее существенно выше.

Производительность поликристаллической ячейки на 15-20% меньше, но зато при облачной погоде она снижается незначительно. У монокристалла, напротив, при рассеянном освещении резко уменьшается выработка электричества. Солнечная батарея из аморфного кремния дешевле поликристаллической, но срок ее службы в 2-3 раза меньше. Исходя из перечисленных фактов, выгоднее покупать поликристаллические панели.

Уход за солнечными батареями

В зимний период, когда выпадает снег, выработка электроэнергии панелями сводится к нулю. Логично, что их необходимо очищать от осадков. Для очистки снега на батареях, которые установлены на опорах, Вам понадобится щетка с длинной ручкой или воздуходувка. Если же они размещены на здании, то еще на моменте монтажа стоит позаботиться о беспроблемном доступе к ним. Часто к стенам батареи крепятся под углом 90°. В таком случае, возможно, и вовсе не придется чистить снег – он будет пролетать мимо.

Выработке солнечной энергии мешает не только снег, а и птичий помет, чрезмерное количество пыли, грязи. Поэтому модули нуждаются в уходе не только зимой, а и в теплое время года. Чтобы избавиться от всего этого, поливайте панели водой из шланга приблизительно до четырех раз в год в зависимости от степени загрязнения.

Кроме того, время от времени нужно проверять, должным ли образом работают все источники альтернативной энергии на Вашем участке. Также всего лишь раз в 10 лет понадобится замена батареек.

Итак, самостоятельно установить систему солнечных батарей вполне возможно. К тому же, делая все своими руками, Вы заметно сэкономите

Но самое важное – правильно подобранные и установленные источники альтернативной энергии окупят себя уже за 3-4 года

Выбор солнечного коллектора и его монтаж

Перед домовладельцем, решившим создать солнечное отопление частного дома своими руками, встает задача выбрать наиболее подходящий тип коллектора. Этот вопрос достаточно сложен, но разобраться в нем необходимо.

Открытые коллекторы не подойдут из-за низких возможностей, поэтому о них нет смысла говорить. Обычно выбор производится между трубчатыми и плоскими видами. Первым и самым значимым критерием выбора обычно становится соотношение цены и качества изделий.

Такой подход оправдан, но нельзя не учитывать ремонтопригодность. Так, вакуумные трубки можно менять далеко не во всех видах коллекторов, что делает выбор рискованным. При выходе из строя одной из них у некоторых видов коллекторов придется менять всю панель, что потребует расходов. Вообще, все вакуумные устройства — довольно рискованное приобретение, так как любое механическое воздействие грозит потерей источника тепловой энергии.

Выбрав оптимальный вариант, приступают к монтажу. Для него надо выбрать подходящую площадку, расположенную неподалеку от дома

Это важно, поскольку транспортировка теплоносителя на большие расстояния потребует качественного утепления и установки циркуляционного насоса. Обычно коллекторы устанавливают на крышу, чтобы получить возможность циркуляции самотеком

Единственной проблемой становится расположение скатов относительно положения солнца на небе — иногда приходится устанавливать трекинг-систему для поворота панелей. Это дорого и требует использования гибких трубок, но эффект в результате получается значительно выше.