Солнечная электростанция: устройство, компоненты Комментировать

Вы уже наверное неоднократно слышали про солнечную энергетику, что эта отрасль развивается с каждым годом всё быстрее и быстрее, что с каждым годом устанавливается всё больше и больше солнечных панелей. Некоторые думаю, что если уставить на крышу просто солнечную панель, то уже можно получать электроэнергию для питания бытовых приборов. Однако это не так. Солнечная электростанция устроена чуточку сложнее и состоит из нескольких компонентов.

В этой статье мы расскажем что же такое солнечная электростанция (СЭ), из чего она состоит, какие бывают варианты и сколько приблизительно стоят.
Для примера рассмотрим солнечную электростанцию для частного дома, т.к. это наиболее частное ее применение среди жителей России.

Из чего состоит солнечная электростанция

Наиболее типичная солнечная электростанция состоит из 4-х основных компонентов:

1. Солнечная панель
2. Контроллер заряда
3. Аккумулятор
4. Инвертор

Ниже приведён схематический рисунок солнечной электростанции с указанием того, как соединяются между собой все компоненты системы.

Соединительное и защитное оборудование пока во внимание не принимаем, они них мы расскажем в отдельной статье.
Теперь подробнее рассмотрим каждый из компонентов солнечной электростанции.

1. Солнечные панели

Солнечные панели или еще их называют солнечными батареями – это, наверное, самый ключевой компонент солнечной электростанции. Основная задача солнечных панелей – это преобразование солнечной энергии в электрическую.

Номинальная мощность

Сама солнечная панель состоит из ячеек кристаллического  кремния, ещё эти ячейки называют солнечными элементами.  Количеством таких солнечных элементов определяется номинальная мощность солнечной панели. Количество солнечных элементов в солнечной панели иногда бывает указано в названии, например,  Delta BST 450-72HC – это солнечная панель мощностью 450Вт, которая состоит из 72 ячеек HalfCut

Так, солнечные панели бывают мощность 100Вт, 150Вт, 200Вт, 250Вт, 300Вт. Есть и другие номиналы, но это самые популярные.  Так вот, солнечная панель мощностью 300Вт, здесь 300Вт – это максимальная мощность, которую может выдать солнечная панель.  В идеальном случае, за один час выработка такой солнечной панели составит 300Вт*ч.

Ниже показаны несколько вариантов солнечных панелей, кликнув на каждый из них, можно детально посмотреть на характеристики и на фотографии в высоком разрешении:

Выработка электроэнергии

Выработка электроэнергии солнечной панелью сильно зависит от внешних факторов. По факту, заявленную номинальную мощность панель может обеспечить только в идеальных условиях, летом, когда солнце в зените и когда солнечные лучи падают на поверхность солнечной панели под прямым углом. Также выработка электроэнергии зависит от интенсивности самого солнечного излучения. В России пик интенсивности солнечного излучения приходится на июнь-июль. При неблагоприятных погодных условия, например, облачность, дождь или просто пасмурная погода, выработка электроэнергии снижается. Меньше солнца – меньше выработка.

Для примера, ниже показан график выработки электроэнергии четырьмя поликристаллическими солнечными панелями мощностью по 250Вт. Видно, что пик выработки приходится на период май-июль, в эти месяцы в сутки будет сгенерировано до 5кВт*час энергии. Минимум приходится на период ноябрь-январь. В зимние месяцы выработка вообще может снижаться в 10-15 раз по сравнению с летним периодом. Если на солнечные панели ляжет слой снега, то выработка будет вообще нулевой.

Помимо мощности, солнечные панели еще отличаются номинальным рабочим напряжением. Бывает только 2 варианта номинального напряжения, 12 вольт и 24 вольта. Понять какое номинальное напряжение можно опять же по названию: Восток ФСМ 150-12 M10 – это монокристаллическая солнечная панель мощностью 150Вт с номинальный напряжением 12В выполненная по технологии M10, а Delta BST 360-24M PERC– это монокристаллическая панель мощностью 360Вт с номинальный напряжением 24В выполненная по технологии PERC. Либо можно воспользоваться правилом мощности:

• до 200Вт – 12 вольт
• от 200Вт (включительно) – 24 вольта

Номинальное напряжение солнечных панелей необходимо знать для правильного подбора остальных компонентов системы.

Монокристалл, поликристалл

Как было написано выше, ячейки солнечной панели изготовлены из кристаллического кремния, только сам кремний тоже бывает разного типа:

• Монокристаллический кремний. Наивысшая эффективность (КПД), стоят немного дороже.
• Поликристаллический поликристаллический.  Эффективность меньше (обычно на 1-2%) чем у монокристалла, но стоят дешевле.

Есть мнение, что поликристаллические солнечные панели лучше подходят для климата с частной пасмурно или облачной погодой, якобы они лучше поглощаю рассеянный свет, но явно это не замечено. Если такой эффект есть, то он совсем незначительный.

Соединение солнечных панелей

Для увеличения мощности солнечные панели соединяют в массив, например, 4 солнечные панели номинальной мощностью 250Вт могут выдать суммарную мощность 1кВт. При этом, солнечные панели можно соединить между собой 3 различными способами:

• Параллельное соединение. При этом типе соединения номинальное напряжение 4-х соединённых солнечных панелей останется 24 вольта, ток увеличится в 4 раза.
• Последовательное соединение. Здесь наоборот, номинальное напряжение увеличится в 4 раза и составит 96 вольт, а значение тока останется на уровне, соответствующей одной панели.
• Параллельно-последовательное соединение. Если параллельно соединить две пары последовательное соединённых солнечных панелей до номинальное напряжение составит 48 вольт, а ток увеличится в 2 раза.

Какой тип соединения нужно использовать в том или ином случае, главным образом зависит от периферийного оборудования, а именно контроллера заряда, инвертора и планируемого количества аккумуляторов.

На этом про солнечные панели пока всё, далее переходим к контроллерам заряда.

2. Контроллер заряда

Контроллера заряда – это промежуточное, но очень важное звено между солнечными панелями и аккумуляторами, он по своей сути управляет потоком энергии от первого ко второму, т.е. управляет процессом заряда аккумулятора, защищает от его перезаряда и закипания.

Чтобы лучше понять для чего необходим контроллер заряда, давайте рассмотрим очень простую солнечную электростанцию состоящую из одной монокристаллической солнечной панели мощностью 150Вт, одного контроллера заряда и одного аккумулятора.

Панель мощностью 150Вт, как было написано выше, её номинальное напряжение составляет 12 вольт, но у неё есть еще такой важный параметр как рабочее напряжение и оно составляет  Vmp~17.6В, а также напряжение холостого хода Voc=21.7В, такое напряжение выдаёт солнечная батарея без подключенной нагрузки, т.е. без какого-либо потребителя. Если вы попробуете подключиться вольтметром к клеммам + и – солнечной панели, то как раз получите напряжение ~21.7В. Все эти параметры указываются на специальной наклейке на обратной стороне солнечной панели.

Можно ли обойтись без контроллера заряда?

Что произойдёт, если солнечную панель подключить напрямую к аккумулятору? Это просто в очень короткий срок  выведет аккумулятор полностью из строя, т.к. допустимое напряжение на клеммах аккумулятора не должно превышать ~14В, а солнечная панель, как вы уже знаете, выдаст большее на несколько вольт значение.

Если аккумулятор был разряжен, то он конечно же зарядится, но далее пойдет процесс перезаряда (не путать с повторным зарядом, здесь речь идёт заряде сверх нормы) с последующим его закипанием. Контроллер заряда как раз всё это предотвращает, поддерживает требуемый уровень напряжения на клеммах аккумулятора, отключает заряд, если аккумулятор уже заряжен, предотвращает разряд аккумулятора в тёмное время суток, т.к. если нет выработки, от солнечные панели сами могут стать потребителем. Всё это в купе продлевает срок службы аккумулятора.

Типы контроллеров

Контроллеры заряда бывают двух типов, MPPT и ШИМ.

•  MPPT ( сокр. от англ. Maximum Power Point Tracking)  (эМППТ) слежение за точкой максимальной мощности.
• ШИМ (Широтно-импульсная модуляция, на анл.  PWM Puls Width Modulation).

Первые эффективнее, но стоят дороже. ШИМ контроллеры обычно устанавливаются на маломощных солнечных электростанциях, с небольшим количеством солнечных панелей.

3. Аккумуляторы

Аккумуляторы позволяют накапливать электрическую энергию, вырабатываемую солнечными панелями и использовать её после захода солнца.

Стартерные или автомобильные

Часто встречаются варианты, когда владельцы солнечных электростанций в своих системах используют обычные автомобильные стартерные свинцово-кислотные аккумуляторы. Мы не советуем это делать, поскольку такие аккумуляторы не предназначены для использования в системах резервного или автономного электроснабжения. Основная задача таких аккумуляторов – это выдать большой пусковой ток для запуска двигателя, затем восполнить потраченный заряд от генератора. Такие аккумуляторы не предназначены для эксплуатации в режиме полного разряда. Буквально через несколько таких циклов они могут полностью выйти из строя и единственно что с ними можно будет сделать – это сдать на утилизацию.

Глубокого разряда

Наиболее оптимальные аккумуляторы для использования в солнечной энергетике – аккумуляторы глубокого разряда. Почти у каждого брендового производителя есть специальная серия таких аккумуляторов, чаще всего они изготовлены по технологии
AGM и/или GEL.

На что способны такие аккумуляторы:

• Цикличная работа в режиме глубокого разряда/разряда
• Малый ток саморазряда
• Широкий рабочий диапазон температур
• Полностью герметичные, нет выделений паров кислоты
• Срок службы до 12 лет в буферном режиме

Ёмкость аккумуляторов

Кроме технологии изготовления, аккумуляторы также отличаются ёмкостью, чем больше ёмкостью, тем больше количество энергии в нём запасено. Например, если рассмотреть аккумулятор ёмкостью 100А*ч, то запасенная полезная мощность в нём составляет ~800Вт, это означает, есть к системе подключена нагрузка, например, с потреблением 150Вт*ч, то аккумулятор сможет проработать около 5 часов.

Наиболее часто используемый аккумулятор в солнечных электростанциях для дома – это аккумулятор ёмкостью 200А*ч. Запасённая мощность в нем ~1.5кВт. Кстати, весит такой аккумулятор около 60 килограмм.

Соединение аккумуляторов

Для создания системы с большим резервом автономности необходимо увеличивать количество аккумуляторов. Соединение аккумуляторов можно реализовать по тому же принципу, что и солнечные панели. Какой именно тип соединения использоваться зависит от номинального напряжения контролера заряда и инвертора. Так, если контроллер на 24В, то аккумуляторы (2 шт.) нужно соединять последовательно, чтобы также получить 24В. Если контроллер на 12В, а имеется два аккумулятора, то их нужно соединять параллельно.

С соединением и эксплуатацией аккумуляторов много нюансов, нам часто задают такие вопросы как, можно увеличить ёмкость системы просто докупив еще один аккумулятор, можно ли соединять аккумуляторы разной ёмкости, для чего нужно использовать балансиры заряда и пр. Об всём этом мы расскажем в отдельных статьях.

4. Инвертор

Инвертор – это устройство, которое преобразует постоянное (DC, сокр. от англ. Direct Current) напряжение аккумуляторных батарей в привычное нам переменное (AC, сокр. от англ. Alternating Current ) напряжение ~220В с частотой 50Гц. Без инвертора можно будет пользоваться только постоянным напряжением 12В, у контроллера заряда есть специальные клеммы для этого, но если нужно подключать бытовые электро-приборы, то без инвертора не обойтись.

Инверторы, применяемые в солнечной энергетике, можно разделить на 3 вида:

• Автономные инверторы. Такой тип инверторов клеммами подключается к аккумулятору. На одной из сторон корпуса имеется разъем под вилку, для подключения нагрузка. Такой тип инвертор можно использовать вовсе без солнечных панелей, т.к. они оснащены входом ~220В, т.е. они умеют делать не только DC/AC преобразование, но работать в обратном направлении, а именно заряжать аккумулятор от сети 220В. Такой тип инверторов должен работать в паре с контроллером заряда.
• Гибридные инверторы. Это по сути 2 прибора в 1 корпусе: контроллера заряда и инвертор. т.е. нет необходимости в отдельном контроллере заряда к в случае с автономным инвертором. Солнечные панели подключаются напрямую к инвертору, а именно к встроенному контроллеру. У данного типа солнечных инверторов также есть возможность работы с входящим напряжением 220В.
• Сетевые инверторы.  Похожи на гибридный инвертор, также есть встроенный контроллер заряда, только работает такой инвертор без аккумуляторов, вся вырабатываемая солнечными панелями электроэнергия преобразуется в 220В и подаётся на нагрузку, т.е. потребители. Неизрасходованная электрическая энергия через двунаправленный счётчик электроэнергии подаётся во внешнюю (магистральную) электрическую сеть по зелёному тарифу (прим., в России зелёный тариф не действует). Такой тип инверторов наиболее популярен в Европе и США.

Ниже, как раз, приведены карточки товара автономного инвертора СибВольт, гибридного инвертор SILA и сетевого инвертора Sofar. Каждый из них с номинальной мощность 3000Вт. Кликнув на фотографию можно посмотреть детальные технические характеристики, описание и фотографии.

Теперь у вас есть некоторые представление о солнечной электростанции, из каких компонентов состоит, какие характеристики бываю и на что нужно обращать внимание.

Примеры солнечных электростанций

Чтобы вы могли прикинуть сколько может стоить солнечная электростанция, ниже представлены готовые комплекты для дачи, для дома, а также сетевая электростанция. Кликнув на фотографию, откроется карточка товара с подробными описанием.

Подбор индивидуального комплекта

Если вы хотите подобрать для себя солнечную электростанцию, но не знаете с чего начать или не знаете какое оборудование подобрать по вы можете пройне небольшой опрос, по результатом которого мы подберём для вас оптимальный комплект оборудования

А если вы из Казани и хотите купить солнечную электростанцию, то для вас всё еще проще – можете приехать к нам в офис, посмотреть “в живую” на оборудование и подобрать оптимальный для себя комплект. Как до нас добрать вы можете посмотреть на нашей странице контактов.