Подбор и расчёт системы на солнечных батареях

Система энергоснабжения на основе солнечных батарей кажется крайне простой. Как и ряд других систем электроснабжения, она состоит всего из 4 основных компонентов: фотоэлектрических панелей, аккумуляторов, контроллера заряда и инвертора, который преобразует низковольтный постоянный ток в бытовой, 220 В. Несмотря на такую простоту, установка системы предполагает расчет солнечных батарей для дома с учетом многих факторов.

Схема соединения солнечной батареи с сетью.

Эффективную работу конструкции можно получить только при согласованности элементов между собой. Основной вопрос, требующий рассмотрения, – выбор мощности солнечных батарей, что в реальной жизни выражается в финансовой эффективности внедрения конструкции.

Определение возможностей солнца

Расчет мощности ожидаемой выработки энергии проводится на основе данных мощности солнечного излучения с учетом погодных особенностей в различные времена года. Получая результат, необходимо также учитывать разные углы наклона панели, как вертикальной, так и горизонтальной ориентации.

Важный вопрос – выбор угла наклона панели. Имея возможность круглый год эксплуатировать систему, следует отдать предпочтение углу на 15° больше географической широты расположения дома. Кроме того, при большем наклоне на поверхности панели будут меньше задерживаться пыль и снег. Для Москвы этот угол будет равен 70° с ориентацией панели на юг. Если расчет для дома проводится исключительно для теплого времени года, они могут размещаться на стене или скате крыши с ориентацией на запад или на восток, в данном случае лучше увеличить наклон панелей в сравнении с оптимальным для лета наклоном.

Методика расчета

Схема солнечной энергосберегающей системы.

После выбора наклона солнечных батарей можно проводить расчет потенциальной производительности, количества солнечных модулей, требуемых для работы системы в выбранном режиме. Расчет и оценка проводится для худшего месяца (январь – для Москвы), летнего максимума (в Москве это июль) и для большей части года (февраль-ноябрь). Стандартную инсоляцию рассчитывают для площади в 1 м², номинальная мощность определяется при 25°С для стандартного потока света в 1 кВт/м².

Принимая максимальную инсоляцию (мощность солнечного излучения на поверхности Земли), расчет показывает, что выработка батареи относится к инсоляции 1м² так же, как мощность батареи относится к показателю мощности солнечного излучения на земной поверхности в ясную погоду, приходящейся на 1 м², то есть к 1000 Вт.

Умножая месячную инсоляцию на соотношение мощности батареи и максимальной инсоляции, можно полноценно оценить выработку солнечной батареи за отдельный месяц.

Расчет выработки фотоэлектрической панели проводится с помощью следующей формулы:

Eсб = Eинс . Pсб . η / Pинс,

где Eинс – месячная инсоляция квадратного метра, Eсб – выработка энергии солнечной батареей, η – общий КПД передачи тока по проводам, Pсб – номинальная мощность солнечной батареи, Pинс – максимальная мощность инсоляции м² земной поверхности. Важно инсоляцию и желаемую выработку использовать в одних и тех же единицах (джоулях или киловатт-часах). Имея показатели месячной инсоляции, можно оценить результаты полученной номинальной мощности солнечной батареи дома, нужной для обеспечения необходимой выработки в течение месяца.

Pсб = Pинс . Eсб / (Eинс . η)

Схема устройства солнечного коллектора.

Максимальная мощность солнечной батареи, указанная производителем, достигается в случае напряжения на ее выходе, которое превышает напряжение аккумуляторных батарей на 15-40%. Ряд моделей недорогих контроллеров заряда подключаются напрямую, «просаживая» выходное напряжение батареи ниже оптимального. Поэтому данную категорию потерь также необходимо заложить в КПД, уменьшив его на 15-25%. Однако представлены и модели контроллеров, удерживающие данные потери в пределах 2-5%.

Мощность солнечного излучения изменяется от месяца к месяцу, притом что номинальная мощность солнечной батареи остается неизменной, именно она должна стать основой определения места для установки. Благодаря формуле (2) удается оценить номинальную мощность батарей для определенных условий инсоляции, однако она малоэффективна для оценки возможностей в течение всего года. Для подробного рассмотрения режимов энергоснабжения таблица строится на основе формулы (1).

Анализ полученных результатов для 400-, 500- и 600-ваттной батареи

Специфика расчета мощности и анализа эффективности солнечных батарей:

1. В связи с тем что для Москвы нет данных для угла наклона в 70°, но есть имеются данные для 40° и 90°, будет использоваться среднее значение.
2. Значения месячной выработки округляем до 1 кВт/ч в меньшую сторону.
3. В процессе расчета учитывается суммарный КПД контроллера и инвертора, равный 91%.
4. «Режим дефицита» предполагает, что суммарной месячной выработки не будет хватать для внутренних потребностей самой системы (работы контроллера и инвертора).

Рассмотрение результатов стоит начать с 400-ваттной номинальной мощности батареи, для Москвы такого показателя будет недостаточно даже для поддержания аварийного режима в летние месяцы.

Схема работы солнечных батарей.

Однако в период с мая по начало августа выработка превышает аварийный минимум на 80%, с учетом тепла и длинных дней в данный период указанную номинальную мощность можно считать допустимым аварийным вариантом, если работа инвертора будет осуществляться не постоянно, а только в ситуации, когда электричество действительно нужно.

Приобретение солнечных батарей с меньшей мощностью можно рассматривать лишь для специальных целей, приемлемое круглосуточное бытовое электроснабжение они будут не способны обеспечить даже летом. Для маломощной системы критически важным является собственное потребление контроллера и инвертора и заряда. Оно кажется незначительным, однако при непрерывной работе за сутки набегает 0,6 кВт/ч, что в пересчете за месяц составляет 17-19 кВт/ч – треть от выработки, которая необходима для реализации аварийного режима.

В «темные» месяцы суммарная выработка системы с малой мощностью меньше этой величины. Конструкцией современных контроллеров и инверторов заряда предусмотрена защита от переразряда аккумуляторов, поэтому при фатальном повреждении системы непрерывная подача напряжения в автономной маломощной системе не гарантируется зимой даже в случае отсутствия нагрузки. В таблице данное время выделено серым цветом. Такая солнечная батарея в пасмурные зимние дни не сможет круглосуточно поддерживать напряжение, хотя в солнечную погоду даже в эти месяцы она способна обеспечить питание электроприборов необходимой мощности.

500-ваттной батарее в подмосковных условиях уже под силу дать аварийный минимум в период с мая до конца августа и производить 80% минимума в апреле и марте. 600-ваттные системы расширяют период аварийного использования со второй половины марта до сентября.

Анализ эффективности использования солнечных систем мощностью от 800 до 31,5 кВт

Схема трубчатого солнечного коллектора.

800-ваттные солнечные батареи летом позволяют использовать базовый режим электропотребления. Помимо этого, такие установки в силах обеспечить напряжение почти круглогодично – только в декабре и январе будет наблюдаться небольшой дефицит выработки.

Система в 1 кВт обещает удовлетворение базовых потребностей на протяжении почти всего периода длинных дней и с трудом берет «барьер» круглогодичного поддержания напряжения. Однако не гарантирует этого при пасмурном декабре-январе.

Следующий рубеж – батареи с номинальной мощностью в 1,2 кВт. В середине лета она обеспечивает умеренный режим, март-сентябрь – только базовый. На протяжении года выработка превышает внутренние потребности, поэтому при малой внешней нагрузке она способна круглогодично поддерживать напряжение, что позволяет ее эксплуатировать при обеспечении питания маломощных систем контроля. Аварийный минимум гарантируется большую часть года, исключение составляют самые темные месяцы – ноябрь-январь.

Солнечная батарея в 2 кВт поддерживает комфортный режим с начала мая до середины августа, а также базовые потребности в течение февраля-октября. Однако для ноября ее мощности хватит только для аварийного режима, а в декабре-январе она не сможет обеспечить даже эти скромные требования. Только номинальной мощности в 3,2 кВт под силу обеспечить аварийный минимум в течение года, расширив период комфортного использования на период длинных дней, март-сентябрь.

5.3 кВт номинальной мощности дает возможность использовать электричество от батарей в мае-августе практически без ограничений и гарантирует круглый год обеспечение базовых потребностей. 8 кВт – круглогодичное использование автономного электричества на уровне умеренного режима, 13.5 кВт – комфортного.

Максимальная мощность, которую могут иметь солнечные батареи, составляет 31.5 кВт. Ей под силу гарантировать бесперебойную эксплуатацию круглый год, зависимость от внешней электросети. Установка такой масштабной системы требует площади не менее 2 соток на стене или крыше, что позволить себе сможет не каждый владелец дома. Однако стоит учесть, что анализ проводился для Москвы. Исходя из таблицы, не сложно определить, что для получения аналогичных режимов в Астрахани или Сочи затраты уменьшаются втрое, в Петропавловске-Камчатском и во Владивостоке – в четыре раза, а в Южно-Курильске – аж впятеро.