Перед монтажом любого объекта требуется составление проекта и выполнение предварительных расчетов. Только таким образом возможно добиться максимальных результатов от запланированного мероприятия, установить объем предстоящих материальных затрат. Поэтому при проектировании альтернативных энергетических систем, большое значение имеет точный расчет солнечных батарей, без которого возможны значительные отклонения от нормативов и значительное снижение эффективности данных устройств.
Во время составления проекта даже самый неинформированный человек начнет разбираться и представлять себе порядок эксплуатации будущего комплекса. Его нормальная работа зависит не только от самих солнечных панелей, но и от всех остальных компонентов и составных частей.
Комплектация солнечной батареи
Для того, чтобы максимально точно рассчитать солнечную энергетическую систему, необходимо знать, какие элементы входят в ее состав. Все они используются в комплексе и позволяют наиболее эффективно преобразовывать энергию солнца в электрический ток.
Стандартный комплект включает в себя:
- Основной элемент солнечные батареи для дома. Главная функция заключается в приеме солнечного излучения и его последующем преобразовании в электроэнергию. Основой конструкции являются фотоэлектрические элементы, способные удерживать излучение в течение длительного времени, требующегося для преобразования. Поэтому большое значение имеет точный расчет мощности солнечных батарей.
- Инвертор. Преобразует постоянный ток солнечной панели в переменный, пригодный для работы потребителей. Полученное напряжение составляет 220 вольт.
- Аккумуляторная батарея. Накапливает электроэнергию, а потом отдает ее в ночное время, при плохой погоде или внезапном отключении основной сети. Электричество из аккумулятора поступает в инвертор и превращается в переменный ток.
- Контроллер. Управляет процессом зарядки аккумулятора, контролирует уровень заряда и разряда батареи. Подключается последовательно между солнечной батареей и аккумулятором, помогает поддерживать стабильность напряжения, поступающего в инвертор.
Для соединения компонентов системы между собой используются провода и специальные коннекторы. Обычно они входят в общий комплект.
Исходные данные для расчетов
Теперь рассмотрим как рассчитать солнечные батареи? Основной цифрой, необходимой для расчетов, является общее энергопотребление за определенный период. Если панели устанавливаются в электрифицированном загородном доме, то расход электроэнергии можно определить по счетчику. Однако, если электроснабжение подключается впервые, необходимо составить список всех имеющихся потребителей с указанием мощности каждого из них.
Например, холодильник потребляет 350 Вт/ч. В сутки он потребит около 1 кВт/ч, а в течение месяца около 30 кВт/ч. Точно так же нужно подсчитать расход электроэнергии у осветительных и других приборов.
Полученные цифры складываются и вначале определяется общее суточное энергопотребление. Далее результат умножается на количество дней в месяце, что даст предварительное значение. К примеру, расход электроэнергии составляет 100 кВт/ч. Эта цифра будет относительной, поскольку к ней следует добавить еще 40% на потери в аккумуляторе и при работе инвертора.
Таким образом, общий расход электроэнергии в месяц составит 140 кВт/ч. В сутки получается 140:30:7 = 0,67 кВт/ч. Следовательно, необходимы панели с минимальной мощностью 0,7 кВт. Однако их будет достаточно лишь при хорошей погоде в летнее время и частично весной и осенью. Необходимо учесть и пасмурные дни, которые нередко наблюдаются и в летние месяцы. В связи с этим, требуется увеличить количество панелей не менее чем в два раза, в противном случае электроэнергия будет поступать с перебоями.
Максимальный эффект от солнечной системы получается лишь при условии согласованной работы всех составляющих частей и компонентов. В первую очередь нужно правильно рассчитать батареи на основе исходных данных, потому что именно от этих расчетов будет зависеть эффективность работы всей энергетической установки.
Расчет солнечных панелей
Необходимая мощность солнечных панелей рассчитывается в соответствии с погодой в данной местности и интенсивностью излучения в разное время года. Большое значение при расчетах имеют углы наклона по горизонтали и вертикали. Этот показатель особенно важен, если солнечная система будет эксплуатироваться круглый год. От этого будет зависеть и место размещения оборудования. Если угол наклона не требует регулировок, то панели могут размещаться непосредственно на крыше здания.
Наиболее ответственным мероприятием является расчет солнечных батарей, количества модулей и их эффективности. Данные берутся по самому лучшему и самому худшему месяцу с точки зрения энергоэффективности. Для расчетов стандартной инсоляции выбирается площадь в 1 м2, а для определения номинальной мощности требуется температура 250С, при стандартном световом потоке 1 кВт/м2.
Определение производительности солнечной батареи в течение месяца осуществляется по следующей формуле: Есб = Еинс х Рсб х &eta,/Ринс. Ее переменные соответствуют таким показателям:
- Есб количество энергии, вырабатываемое батареей.
- Еинс результат месячной инсоляции 1 м2.
- &eta, величина общего КПД при передаче тока по проводникам.
- Рсб номинальная мощность солнечной панели.
- Ринс наибольшая мощность инсоляции 1 м2 поверхности Земли.
При расчетах необходимо использовать единицы, одинаковые для всех показателей. Как правило, это джоули или киловатт-часы. Вычислив месячную инсоляцию, можно легко определить номинальную мощность солнечной панели, необходимую для выработки месячного объема электроэнергии: Рсб = Ринс х Есб / (Еинс х &eta,).
Следует учесть, что напряжение на выходе солнечной панели будет на 15-40% выше напряжения аккумулятора. При использовании дешевых контроллеров эта разница неизменно уходит в потери. Более дорогие современные модели позволяют снизить этот показатель до 2-5%.
Солнечное излучение имеет разные показатели мощности, в зависимости от времени года и конкретного месяца. Номинальная мощность самой панели остается неизменной, поэтому большое значение приобретает правильный выбор места ее установки. Используя формулы, приведенные выше, можно определить лишь приблизительное количество модулей. Чтобы получить точное значение с необходимым запасом, берется двойное количество панелей с поправкой на ночное время, пасмурные дни, снегопады и другие факторы, снижающие эффективность системы.
Мощность солнечных батарей для частного дома и их производительность, во многом зависит от правильного выбора аккумуляторной батареи и инвертора.
Как рассчитать параметры аккумулятора
Аккумуляторные батареи составляют значительную часть стоимости всей солнечной системы. Прежде всего это связано с их регулярными заменами в процессе эксплуатации. Данные устройства обладают различной емкостью и сроками службы, поэтому и цена существенно отличается. Существует определенный порядок определяющий расчет солнечной батареи для дома, на основании которого каждый принимает решение о покупке той или иной модели аккумулятора.
Основными параметрами любой батареи являются емкость и количество циклов зарядки и разрядки. Показательные расчеты можно выполнить на примере обычного кислотного аккумулятора, напряжение которого составляет 12 В, а емкость 100 А*ч. Требуется вычислить возможный объем энергии, накопленной за 1 раз и количество той же энергии, отдаваемой за 1000 циклов, составляющих срок службы батареи. Все расчеты проводятся с учетом соблюдения правил и эксплуатационных норм. Например, повышение температуры сокращает срок службы устройства, а понижение приводит к уменьшению емкости.
Итак, сколько же энергии способен выдать аккумулятор полностью заряженный, а затем полностью разряженный. Для получения результата емкость в 100 А*ч умножается на среднее значение напряжения в 12 В. Итоговой цифрой будет 1200 Вт*ч или 1,2 кВт*ч. Однако на практике полная выработка аккумулятора считается при 40-процентном остатке от начальной емкости. В этом случае показатель средней емкости за весь период эксплуатации будет не 100 А*ч, а только 70. Поэтому реальный запас электроэнергии получается: 70 А*ч х 12 В = 840 Вт*ч или 0,84 кВт*ч.
В инструкции к батарее указано, что ее нежелательно разряжать больше чем на 20% от общей емкости. То есть, в темное время суток из аккумулятора можно без последствий взять только 0,164 кВт*ч. Нормальная разрядка батареи должна происходит в течение 20 часов. Если этот процесс происходит под влиянием высокого тока, то емкость снизится еще больше. Таким образом, наиболее оптимальный ток разрядки будет 5 А, а мощность на выходе батареи 60 Вт. Если требуется решить задачу, как рассчитать мощность с повышенным значением, в этом случае количество аккумуляторов увеличивается или изменяется режим работы имеющихся устройств.
Большое значение в обеспечении рабочего режима придается правильным настройкам контроллера зарядки и разрядки. При достижении определенного напряжения заряда производится отключение, в противном случае начнется закипание электролита и его интенсивное испарение. Точно так же отключаются потребители, при разряде батареи до 80%. Соблюдение рабочего режима и рекомендаций производителя существенно увеличивает срок службы аккумуляторных батарей.
Расчет и выбор инвертора
При выборе преобразователя энергии учитывается его мощность и конфигурация выходного сигнала. Специалисты рекомендуют выбирать инверторы с номинальной мощностью, превышающей суммарную мощность потребителей на 25-30%. Также должна учитываться резко возрастающая нагрузка, когда одновременно включаются приборы с высокой пусковой мощностью.
Одним из основных показателей инвертора является его коэффициент полезного действия. Он зависит от потерь электроэнергии при выполнении сопутствующих процессов. В разных моделях он составляет 85-95%. Наиболее оптимальным вариантом считаются устройства с КПД не менее 90%.
Различные модификации инверторов могут использоваться в однофазных или трехфазных сетях. В первом случае стоимость устройств намного ниже, но они хорошо зарекомендовали себя при работе с потребителями общей мощностью до 10 кВт. Работа происходит с напряжением 220 в и частотой 50 Гц. Трехфазные приборы могут работать в более широком диапазоне напряжений 315, 400 и 690 В. Наиболее качественные изделия комплектуются выходными трансформаторами для выравнивания параметров напряжения.
Необходимо учитывать зависимость технических характеристик инвертора и его массы. При наличии трансформатора на 1 кг приходится мощность в размере 100 Вт. В солнечных системах может использоваться разное количество преобразователей. В системах мощностью до 5 кВт с работой вполне справляется 1 инвертор. При более высокой мощности панелей на каждые дополнительные 5 кВт к общему рассчитанному количеству рекомендуется устанавливать еще один преобразователь. Некоторые модели инверторов укомплектованы собственными зарядными устройствами. Если один из них выйдет из строя, то система будет и дальше нормально работать.
Производительность системы во многом зависит от правильного подключения инвертора. Кабель, используемый для соединений, должен обладать минимально допустимой длиной и максимально возможным сечением. При значительном удалении потребителей длину кабеля придется наращивать. Его длина от солнечной батареи до инвертора должна быть не более 3 метров.
Все соединения выполняются максимально плотно. В противном случае может возникнуть искрение и вызвать пожар. Если устанавливается автономный инвертор в качестве бесперебойного источника питания, то в его цепи вместе с другими устройствами устанавливаются автоматические выключатели.