Общий принцип подбора оборудования для автономных систем

13.06.2015

Cистема энергоснабжения на солнечных батареях кажется очень простой. Ведь в ней всего 4 основных компонента - сами фотоэлектрические панели, аккумуляторы, контроллер заряда и инвертор, преобразующий низковольтный постоянный ток к бытовому стандарту ~220В. Однако эта простота обманчива, - здесь, как и в любой системе, все элементы должны быть сбалансированы между собой. Несбалансированность в лучшем случае обернётся неоправданными затратами на неиспользуемый потенциал, а в худшем - выходом из строя самого слабого элемента и, как следствие, неработоспособностью всей системы.

Прежде всего следует выяснить, какое количество энергии потребуется от системы. Для этого придётся определить пиковую мгновенную мощность, а также рассчитать две величины ожидаемого суточного энергопотребления - его максимальное и среднее значения.

Пиковая мгновенная мощность определяется суммарной мощностью всех энергопотребителей, которые могут быть включены одновременно, то есть наихудшим случаем с точки зрения нагрузки на сеть.

Ожидаемое суточное энергопотребление сложнее. Оно зависит от того, в каком режиме планируется использовать создаваемую систему электроснабжения.

Режимы автономного электроснабжения

1.Полное электроснабжение

Полное электроснабжение от солнечных батарей подразумевает полную замену сетевого электроснабжения на автономное без какого-либо ограничения привычного стиля жизни. Чтобы определить необходимое количество энергии, достаточно понаблюдать за электросчётчиком или просто посмотреть на свои ежемесячные платежи за электричество. Чтобы полностью отключиться от электросети но ни в чём не менять образ жизни необходима система, способная за месяц выдать не менее 600 кВт·ч электроэнергии при мощности в длительном режиме не менее 5 кВт, а потребление энергии за сутки может достигать 50 кВт·ч при среднем значении от 10 до 20 кВт·ч в сутки.

2. Комфортное электроснабжение

Комфортное электроснабжение отличается от полного лишь исключением самых прожорливых потребителей-например электронагревателей, у которых мощность превышает 2 кВт или среднее энергопотребление за сутки превышает 4 .. 5 кВт·ч. Таким образом, стиральные машины, электроутюги, хлебопечки, электрочайники и даже электроподогрев полов в санузлах вместе с электробойлерами горячего водоснабжения продолжают оставаться в системе, а вот электроплиты, электродуховки, конвекторы и электроподогрев обширных площадей исключаются. Что, конечно, не мешает подключить их к внешней сети отдельной линией.

Обычно комфортный режим потребует в среднем от 100 до 250 кВт·ч в месяц (среднесуточное потребление от 3 до 8 кВт·ч) при пиковом потреблении до 15 кВт·ч в сутки, а мгновенная потребляемая мощность в длительном режиме не превышает 5 кВт.

3. Умеренное электроснабжение

Этот режим предполагает заметные изменения в образе жизни при сохранении высокого уровня комфорта. Впрочем, список потребителей мало отличается от режима комфортного энергоснабжения, за исключением таких необязательных элементов, как электрочайники и электроподогрев полов. Использование электроподогрева горячей воды тоже может быть ограничено. Помимо этого, изменения касаются и времени выполнения не очень регулярных, но энергоёмких работ. Чтобы сэкономить на ёмкости аккумуляторов, такие работы надо выполнять не ночью и не в пасмурную погоду, а в солнечные ясные дни, когда поток солнечной энергии максимален и частично компенсирует разряд аккумуляторов, а то, что разрядилось, будет восполнено до наступления темноты. К этим работам, например, относится большая стирка (особенно в машине-автомате с подогревом воды), глажка большого количества белья, активная работа с мощным электроинструментом и садовой электротехникой и т.п. Если исключить регулярных потребителей второй очереди (чайник и водонагреватели), то следует ориентироваться на ежемесячное потребление порядка 150 кВт·ч при мгновенной потребляемой мощности в длительном режиме до 3 .. 3.5 кВт и пиковой мощности до 5 кВт, а ожидаемое среднесуточное потребление составляет 4 .. 6 кВт·ч с возможным максимумом до 11 кВт·ч в сутки.

4.Базовое электроснабжение

В этом режиме особенности энергопотребления очень существенно влияют на стиль жизни. Это влияние прежде всего заключается в постоянном учёте текущей нагрузки на автономное энергоснабжение и в необходимости поочерёдного включения более-менее мощных потребителей. Кроме того, в этом режиме следует постоянно помнить об экономии, в частности включать свет только там, тогда и столько, где, когда и сколько он действительно нужен. То же касается и всех остальных электроприборов. Тем не менее, невзирая на все оговорки, в этом режиме всё же можно поддерживать достаточный уровень комфорта и использовать практически всю домашнюю электротехнику, однако время включения энергоёмких потребителей в значительной степени определяется погодой, - все энергоёмкие работы следует проводить только в солнечные дни и, желательно, до обеда, чтобы к вечеру заряд аккумуляторов восстановился до максимума. В этом случае ежемесячное потребление примерно100 кВт·ч при мгновенной потребляемой мощности в длительном режиме около 1 кВт с пиковым потреблением до 2.5 кВт, а в моменты использования электроинструмента - до 4 кВт, при ожидаемом среднесуточном потреблении 3 .. 4 кВт·ч с максимумом до 7 кВт·ч в сутки.

5. Аварийное электроснабжение

Аварийный режим подразумевает жёсткое ограничение потребностей, однако в отличие от предыдущих случаев, предполагается, что автономная работа в таком режиме продлится не более нескольких дней подряд, поэтому многие энергоёмкие электроприборы можно вообще не использовать до восстановления обычного энергоснабжения. Задача аварийного энергоснабжения - обеспечить минимальные удобства и функционирование важнейших систем жизнеобеспечения дома.

Итак, в данном варианте всё, что не жизненно важно, выключено и не включается, в том числе не используется телевизор, а зимой - и холодильник (летом использование холодильника также предполагается более осторожным и редким, что способствует экономии электричества). В этом случае ежемесячное потребление составит 50 .. 60 кВт·ч при мгновенной потребляемой мощности в длительном режиме примерно 600 Вт с пиковым потреблением до 1.5 кВт (в моменты использования электроинструмента - до 2.5 .. 3 кВт), а ожидаемое среднесуточное потребление составляет 1.5 .. 2 кВт·ч и не превышает 6 кВт·ч, хотя за счёт разнесения энергоёмких работ на разные дни вполне реально ограничить дневной максимум до 3 .. 4 кВт·ч.

В каждом конкретном случае данные надо считать индивидуально, исходя из имеющейся техники, собственных подходов к её использованию и сложившихся привычек. Однако методика расчёта та же самая.

Определение возможностей Солнца

Итак, потребности в энергии мы только что определили. Теперь надо посмотреть, что же можно получить от Солнца? Основа такого расчёта - это данные по мощности солнечного излучения с учётом погодных условий. Желательно, чтобы данные были для разных углов наклона панели, хотя бы для вертикальной и горизонтальной ориентации.

Важнейшим вопросом является выбор угла наклона панели. Имея в виду возможность круглогодичного использования, следует предпочесть угол на 15° больше географической широты (к тому же, чем больше наклон, тем меньше на панели будут задерживаться пыль и снег).

Наклон выбран. Теперь можно приступать к оценке потенциальной производительности солнечных батарей, или, что то же самое, к оценке количества солнечных модулей, необходимых для работы системы в желаемом режиме. Оценку следует провести как минимум для худшего месяца (для Москвы это январь), для большей части года (февраль - ноябрь) и для летнего максимума (в Москве это июль).

Стандартная инсоляция рассчитывается для площади в 1 квадратный метр. Однако точная площадь элементов солнечной панели нам не известна. Зато известна её номинальная мощность, которая определяется для засветки мощностью 1 кВт / м2 при 25°С. Этого вполне достаточно. Приняв мощность солнечного излучения у поверхности Земли (максимальную инсоляцию) той же самой - что, в общем, соответствует действительности, - мы получим, что выработка батареи относится к инсоляции квадратного метра также, как мощность батареи относится к мощности солнечного излучения у земной поверхности в ясную погоду, приходящейся на 1 квадратный метр, то есть к 1000 Вт. Умножив месячную инсоляцию из таблицы на соотношение мощностей батареи и максимальной инсоляции, можно оценить выработку солнечной батареи за этот месяц.

Таким образом, выработку панели будем рассчитывать по следующей формуле

Eсб = Eинс · Pсб · ? / Pинс (1),

где Eсб - выработка энергии солнечной батареей; Eинс - месячная инсоляция квадратного метра (из таблицы инсоляции); Pсб - номинальная мощность солнечной батареи; ? - КПД инвертора при преобразовании низковольтного постоянного напряжения в стандартное (если предполагается использовать низковольтное напряжение напрямую, ? можно приравнять к 1, т.е. не учитывать); Pинс - максимальная мощность инсоляции квадратного метра земной поверхности (1000 Вт). Инсоляция и желаемая выработка должны быть в одних и тех же единицах (либо киловатт-часах, либо джоулях).

Соответственно, зная месячную инсоляцию, можно оценить номинальную мощность солнечной батареи, требуемую для обеспечения необходимой месячной выработки.

Pсб = Pинс · Eсб / (Eинс · ?) (2).

Следует отметить, что, как правило, максимальная мощность солнечной батареи, о которой, собственно, и заявляет производитель, соответствует напряжению на её выходе, на 15 .. 40% превышающему напряжение аккумуляторных батарей. Большинство недорогих контроллеров заряда могут либо подключать нагрузку напрямую, «просаживая» выходное напряжение батарей намного ниже оптимального, либо просто отсекать этот «излишек». Поэтому эти потери также можно заложить в КПД, уменьшив его на 10 .. 25% (потери мощности меньше потерь напряжения, поскольку при повышенной нагрузке «проседание» напряжения компенсируется некоторым увеличением тока, хотя и не полностью; более точно значение можно определить, лишь зная зависимость напряжения от тока нагрузки для конкретной батареи). Однако существуют модели контроллеров, которые удерживают эти потери в пределах 2 .. 5%.

Выбор оборудования

Как уже говорилось, в состав систем электроснабжения на солнечных батареях входят следующие типы устройств.

1.Панели с фотоэлектрическими элементами.

2. Контроллер солнечной батареи, обеспечивающий нормирование выходного напряжения батареи, зарядку аккумуляторов и (опционно) подачу низковольтного постоянного тока в нагрузку.

3. Электрохимические аккумуляторы, запасающие энергию в период её избытка и подающие её в систему в период нехватки при недостаточном освещении фотоэлементов или при временном возрастании потребления.

4. Инвертор, обеспечивающий преобразование постоянного низковольтного тока от аккумуляторов и фотоэлементов к бытовому или промышленному стандарту.

Определяющими критериями выбора являются две мощности - номинальная мощность солнечной батареи и максимальная мощность нагрузки, причём в общем случае эти величины могут мало коррелировать друг с другом. Скажем, можно весь летний день заряжать аккумуляторы от 200-ваттной солнечной батареи, поворачивая её вслед за Солнцем и накопив 2.5 кВт·ч энергии, а вечером за полчаса потратить их на сварку, используя инвертор мощностью 5 кВт.

Но прежде чем выбирать конкретные модели, следует определиться с низковольтным напряжением постоянного тока, которое будет использоваться в системе.

Выбор напряжения системы

Если с выбором выходного напряжения системы всё ясно - в Украине это 220 В переменного тока с частотой 50 Гц, то выбор низковольтного напряжения постоянного тока, - т.е. напряжения на входе инвертора, оно же номинальное напряжение блока аккумуляторов и фотоэлектрических панелей - гораздо шире. Стандартные мощные аккумуляторы имеют напряжение 12 В, часто встречаются и 6-вольтовые «мотоциклетные» варианты. Наконец, можно найти модули напряжением 2 В и собрать из них батарею на любое напряжение, кратное этому шагу. Номинальное выходное напряжение фотоэлектрических панелей мощностью от 50 Вт и выше обычно либо 12, либо 24 В, но его также можно наращивать с соответствующим шагом, соединяя батареи последовательно.

Большинство инверторов рассчитаны на напряжение входного постоянного тока 12, 24, 48 или 96 В, в зависимости от мощности. Дело в том, что уже для обеспечения мощности в 1 кВт при напряжении 12 В необходим ток в 83 с лишним ампера! Если же учесть потери инвертора, которые могут достигать 15%, то ток вплотную приближается к 100 А. Подобные и даже в 2-3 раза бoльшие токи характерны для автомобильного стартёра, но там они протекают редко и недолго. Здесь же они должны течь в длительном, практически постоянном режиме. В результате сечение провода должно быть очень большим - для медного провода не менее 25 мм2 (диаметр около 6 мм), - а сами провода должны быть как можно более короткими - не более метра, а лучше постараться уложиться в 20 .. 30 см. В противном случае в них будут слишком большие потери энергии, тратящейся на их нагрев, который не просто бесполезен, а откровенно вреден и даже опасен. При мощности 10 кВт ток, соответственно, возрастёт до 1000 А, а сечение провода увеличится уже не в 10, а более чем в 20 раз из-за проблем с отводом тепла из середины жилы - это будет медный пруток диаметром почти полтора сантиметра. Даже просто обеспечить компактное и надёжное соединение, позволяющее пропускать через него столь мощные токи в течении многих лет, весьма сложно. По этим причинам производители инверторов ограничивают входной ток, потребляемый инвертором в режиме номинальной мощности, одной-двумя сотнями ампер, и при повышении мощности вынуждены поднимать входное напряжение.

В отличии от фотоэлектрических панелей и аккумуляторов, инверторы и контроллеры нельзя каскадировать последовательно, поэтому их необходимо выбирать, исходя из напряжения постоянного тока по необходимой выходной мощности инвертора в вышеприведённой таблице.

В пределах 24 В это напряжение безопасно и подходит для номинальной выходной мощности инвертора в кВт и даже до кВт-а кВт вполне достаточно практически для всех потребителей встречающихся в обычном домашнем хозяйстве. .Если же требуется запитать одновременно несколько мощных потребителей то может быть оправдано их подключение к двум или более инверторам одновременно-каждого к своему-при том что номинальная мощность каждого инвертора не превышает кВт а входное напряжение остаётся в пределах. Кстати это позволит системе продолжать работу и в случае внезапного выхода из строя одного из инверторов оставшийся обеспечит необходимое напряжение хотя за мощностью нагрузки конечно нужно будет следить более тщательно. И лишь тогда когда мощность одного потребителя превышает выходную мощность одного инвертора придётся взять более мощный инвертор и следовательно перейти на более высокое напряжение постоянного тока. Соединять таким образом инвертора можно с некоторыми ограничениями при монтаже, иначе возможен выход инвертора из строя.

Выбор инвертора

Прежде всего, выбранный инвертор должен обеспечить необходимую выходную мощность. Входное (низковольтное) напряжение связано с этой мощностью довольно тесно. Но помимо этого у инверторов есть и другие характеристики, на которые следует обратить внимание.

Во-первых, это форма вырабатываемого тока. Простейшие модели вырабатывают переменный ток треугольной или даже прямоугольной формы (меандр). Такой ток успешно «едят» лишь нагревательные приборы, не содержащие электронных блоков, и лампы накаливания. Вся остальная электротехника (любые электромоторы, трансформаторы, люминесцентные и энергосберегающие лампы и пр.) от тока подобной формы могут либо выйти из строя, либо не запуститься, либо работать, но очень плохо - при том, что тестер честно показывает 220 В. Несколько более приемлем ток трапецеидальной формы. К счастью, в настоящее время инверторы, вырабатывающие на выходе переменный ток таких форм, встречаются редко. Наиболее часто современные инверторы выдают так называемый «модифицированный синус», представляющий собою ступенчатое приближение к синусоидальной форме. Такая форма тока вполне успешно «переваривается» практически всеми современными бытовыми устройствами и электроинструментами, но звук работы некоторых из них заметно меняется и становится громче, а блоки питания могут начать заметно «звенеть». Чтобы устранить эту проблему, можно попытаться использовать различные фильтры, сглаживающие неровности тока. Наконец, инверторы, вырабатывающие «чистый синус», выдают ток, форма которого очень близка к идеальному синусу и обычно намного лучше, чем форма тока в общественной электросети. Единственный недостаток этого класса инверторов - они немного крупнее и в полтора-два раза дороже аналогичных инверторов с «модифицированным синусом».

Во-вторых, это КПД инвертора. Чем он выше, тем меньше непроизводительные потери энергии. Большинство современных инверторов имеет КПД более 90%.

В-третьих, это способность инвертора работать в режиме зарядки аккумуляторов. По сути, такой инвертор в комплекте с аккумуляторами интересен уже сам по себе, - даже без солнечных батарей он представляет собой источник бесперебойного питания (UPS) - примерно такой, какие используются для компьютеров, но мощностью в несколько киловатт и ёмкостью в несколько киловатт-часов. При работе с солнечными батареями эта особенность также очень полезна - она позволяет уменьшить запас мощности солнечных батарей и ёмкости аккумуляторов для наиболее неблагоприятной ситуации, поскольку при недостатке солнечной энергии аккумуляторы можно подзарядить от внешней сети или от аварийного генератора.

В четвёртых чем подробнее индикация тем лучше. Весьма желательна возможность контроля как входного напряжения на аккумуляторах так и выходного в розетке. Кроме того необходимо наличие защиты от перегрузки и от короткого замыкания в нагрузке.

В-пятых, очень хорошо, если инвертор допускает кратковременное превышение номинальной нагрузки хотя бы в полтора-два раза. Это позволяет использовать электромоторы и нагревательные приборы, мощность которых равна номинальной мощности инвертора. Дело в том, что при их включении ток на секунду-другую существенно превышает соответствующий номинальному режиму. Если защита инвертора настроена строго на его номинальную мощность, то в этот момент она может сработать и не даст использовать электроприбор, потребление которого на самом деле вполне укладывается в рамки номинальной мощности за исключением краткого момента включения.

В-шестых, полезна функция, которая при полном заряде аккумулятора подключает к отдельной линии дополнительную нагрузку, скажем водонагреватели. В солнечные дни это позволяет с пользой автоматически утилизировать избыток энергии и не допускать траты энергии на второстепенные цели тогда, когда её мало.

И последнее. За сключением каких-то особых случаев, при мощности потребления до 10 кВт гораздо удобнее использовать не трёхфазное, а однофазное напряжение. Это упрощает разводку по дому и устраняет проблемы, связанные с распределением фаз по потребителям. К тому же трёхфазные инверторы труднее найти, и они сложнее и дороже, чем однофазные той же мощности.

Выбор аккумуляторов

Наиболее широко распространены аккумуляторы на 12 В, и именно из них обычно собираются аккумуляторные батареи на любое напряжение, кратное этой величине, в том числе 24, 48 и 96 В. Аккумуляторный блок системы автономного электроснабжения характеризуется такими основными параметрами, как рабочая ёмкость, ток заряда и ток разряда.

При рабочем напряжении, превышающем 12 В, несколько аккумуляторов соединяются последовательно таким образом, чтобы сумма их номинальных напряжений соответствовала необходимому номинальному напряжению блока. Если силы тока или запаса энергии одной такой сборки не хватает, то несколько сборок соединяются параллельно, пока их суммарные возможности не достигнут требуемого порога.

Выбор типа

В настоящее время экономически оправданной альтернативы мощным свинцово кислотным аккумуляторам нет. Однако и этот класс аккумуляторов имеет несколько разновидностей.

Какой аккумулятор выбрать гелевый или AGM? Преимущества и недостатки

Предварительный выбор ёмкости. Рабочий и буферный энергозапас

Прежде всего необходимо определиться с общей энергоёмкостью блока аккумуляторов. В большинстве случаев можно сказать, что рабочий энергетический запас такого блока следует выбирать примерно равным расчётному среднесуточному потреблению в минимально приемлемом режиме. Например, для аварийного режима это будет 2 кВт·ч, для базового - 4 кВт·ч, для умеренного - 5 кВт·ч и т.д.

Расчет емкости аккумуляторной батареи

Как выбрать ёмкость отдельного аккумулятора? Скажем, 24-вольтовый блок на 2 кВт·ч можно собрать из восьми 12-вольтовых аккумуляторов по 50 А·ч, четырёх по 100 А·ч или двух по 200 А·ч. В данном случае я предпочитаю 100-амперные аккумуляторы. 200-амперные весьма громоздки и весят 65 .. 75 кг, так что даже передвинуть их в одиночку совсем непросто, особенно в тесных неудобных местах. В то же время 50-амперные аккумуляторы потребуют слишком большого числа соединений, а это увеличивает трудоёмкость монтажа и снижает надёжность. 100-амперные аккумуляторы весят менее 40 кг, и их не так сложно поднять, поставить или передвинуть одному человеку, при этом число коммутаций вдвое меньше, чем при использовании 50-амперных, а суммарная цена блока аккумуляторов будет немного ниже.

Следует подчеркнуть, что это лишь предварительный выбор ёмкости, и её обязательно следует проверить на соответствие параметрам заряда и разряда, заявленным производителем аккумуляторов. Именно они имеют приоритетное значение.

Токи заряда и разряда. Окончательный выбор ёмкости

Суммарный ток зарядки, равный максимальному току солнечной батареи, не должен превышать указанный производителем максимально допустимый ток заряда аккумулятора, умноженный на число параллельных сборок (именно сборок, а не отдельных аккумуляторов). Это условие может быть нарушено, если солнечная батарея мощная, а блок аккумуляторов слишком слабый. И тогда возможен не только быстрый выход аккумуляторов из строя, но даже их взрыв и возгорание!

С другой стороны, слишком малый ток заряда не сможет полностью зарядить аккумуляторы. Это происходит тогда, когда ёмкость блока аккумуляторов слишком высока, а солнечная батарея имеет небольшую мощность. При недолгой эксплуатации это приведёт лишь к сокращению запаса энергии в аккумуляторах, однако постоянный недозаряд снижает ёмкость аккумуляторов и сокращает срок их службы.

Наконец, ток, потребляемый инвертором в режиме максимальной мощности, не должен превышать предельно допустимый ток разряда аккумуляторов, умноженный на число их параллельных сборок. Для обеспечения более комфортных условий работы и хорошей энергоотдачи аккумуляторов желательно, чтобы ток разряда в длительном режиме не превышал половину, а лучше - пятую часть максимально допустимого значения.

Точные значения токов следует смотреть в документации на конкретную модель аккумулятора, однако для предварительных прикидок можно принять следующие величины этих токов в амперах относительно ёмкости в ампер-часах:

максимальный ток разряда численно равен ёмкости и допустим только в кратковременном режиме - меньше минуты;

оптимальный ток разряда не превышает 20% ёмкости (для длительной непрерывной нагрузки лучше уложиться в 5 .. 10%, - cкажем, нагрузка от освещения составляет менее 10%, а при включении холодильника остаётся в пределах 20%);

оптимальный ток заряда составляет 5 .. 10% от ёмкости;

максимальный ток заряда не превышает 20% от ёмкости (иногда - до 30%).

Основным критерием выбора ёмкости аккумуляторов является ток заряда, так как именно он оказывает главное влияние на долговечность и безопаснсть их эксплуатации. Исходя из вышеприведённых цифр, суммарная ёмкость сборок аккумуляторов в ампер-часах должна в 5 .. 10 раз превышать максимальный суммарный ток сборок фотоэлектрических панелей в амперах (не отдельных аккумуляторов и панелей, а именно их сборок на номинальное низковольтное напряжение системы). А уже в этих пределах можно ориентироваться на необходимый запас энергии. Некоторые модели аккумуляторов позволяют расширить границы допустимого диапазона емкостей блока до 3 .. 20 раз от максимального вырабатываемого тока панелей.

Выбор панелей фотоэлементов

При выборе панелей следует учитывать три фактора - их геометрию, номинальное выходное напряжение и тип фотоэлементов.

Геометрия определяется конкретными условиями установки, и здесь трудно дать общие рекомендации кроме одной - если есть возможность выбора между одной большой панелью и несколькими маленькими, лучше взять большую - более эффективно используется общая площадь и будет меньше внешних соединений, а значит, выше надёжность. Размеры панелей обычно не слишком велики и не превышают полтора-два квадратных метра при мощности до 200-250 Вт. Для достижения нужных значений номинального напряжения и номинальной мощности панели можно объединять в последовательные сборки, которые затем коммутируются параллельно - аналогично тому, как выше это показано для аккумуляторов. Как и в случае аккумуляторов, в одной сборке следует использовать только однотипные панели.

С напряжением тоже всё просто - лучше выбирать 24-вольтовые панели, поскольку рабочие токи у них вдвое меньше, чем у 12-вольтовых той же мощности. Панели одинаковой мощности одного и того же производителя, рассчитанные на разное напряжение, обычно различаются лишь внутренней коммутацией фотоэлементов. Панели с номинальным напряжением выше 24 вольт встречаются редко и обычно собираются из более низковольтных. 12-вольтовые панели, на мой взгляд, оправданы лишь в двух случаях - для маломощных систем, где 12 вольт являются рабочим напряжением инвертора, а также если по архитектурным или конструктивным соображениям необходимо использовать панели малого размера, для которых не существует вариантов на 24 В.

При самостоятельной сборке панелей из отдельных фотоэлементов не следует забывать о включении в цепочки защитных диодов, которые предупреждают протекание обратного тока при неравномерной засветке. В противном случае мощность, выработанная освещёнными секциями панели, вместо полезной нагрузки будет выделяться на временно затенённом фотоэлементе, а это чревато его перегревом и полным выходом из строя (неосвещённый фотоэлемент в этой ситуации окажется открытым диодом). Допустимый ток защитных диодов должен быть больше, чем ток короткого замыкания защищаемой цепочки фотоэлементов при максимальной освещённости.

Наконец, надо выбрать тип фотоэлементов. В настоящее время наиболее часто предлагаются фотоэлементы на монокристаллическом или поликристаллическом кремнии. Монокристаллический кремний обычно имеет КПД в районе 16-18%, а поликристаллический - 12-14%, зато он несколько дешевле. Однако в готовых панелях цена за ватт (т.е. в пересчёте на вырабатываемую мощность) получается почти одинаковой, и монокристаллический кремний может оказаться даже выгодней. По такому параметру, как степень и скорость деградации, разницы между ними практически нет. В связи с этим выбор в пользу монокристаллического кремния очевиден. Кроме того, зачастую при снижении освещённости монокристаллический кремний обеспечивает номинальное напряжение дольше, чем поликристаллический, а это позволяет получать хоть какую-то энергию даже в весьма пасмурную погоду и в лёгких сумерках. Зато у поликристаллического кремния обычно ниже напряжение холостого хода (у монокристаллического оно может превышать номинал вдвое). Но если подключать панель к инвертору и аккумулятору не напрямую, а через контроллер, повышенное напряжение не имеет существенного значения.

И последнее. Обычно нет смысла выбирать суммарную мощность панелей фотопреобразователей больше мощности инвертора. Тем не менее, такое превышение может быть оправдано при наличии мощной постоянной нагрузки и мощного блока аккумуляторов или в расчёте на длительные периоды пасмурной погоды.

Выбор контроллера

В современных системах контроллер заряда стоит между солнечной батареей и аккумуляторами. Его главная задача - это нормировать напряжение, вырабатываемое панелями фотоэлементов, к напряжению, необходимому для заряда аккумуляторов с учётом их текущего состояния, в том числе отключая их от фотоэлементов при полной зарядке во избежание перезаряда (перезаряд предотвращается по напряжению, но не по току). Простейшие варианты просто подключают и отключают батареи, а самые продвинутые способны даже «подтянуть» слишком низкое напряжение, вырабатываемое панелями фотоэлементов при слабом освещении, к необходимому уровню за счёт уменьшения тока.

Типы контроллеров заряда

При правильном выборе панелей большой необходимости в повышении напряжения нет. Гораздо важнее возможность снизить относительно высокое «оптимальное» напряжение фотоэлектрической батареи, соответствующее максимальной вырабатываемой мощности, до более низкого уровня, необходимого для зарядки аккумуляторов, преобразовав излишек напряжения в дополнительный ток и обеспечив полное использование номинальной мощности батареи. Как уже говорилось выше, при прямой коммутации выхода панели фотоэлементов на аккумуляторы из-за неоптимальной нагрузки напряжение может «проседать» ниже оптимума на 15 .. 40%, из-за чего потери мощности могут достигать 25%.

Технологию, предотвращающую такие потери, некоторые производители контроллеров называют MPPT (Maximum Power Point Tracking - отслеживание точки максимальной мощности). Она заключается в постоянном измерении вырабатываемого панелями тока и напряжения и обеспечении их оптимального соотношения, которое зависит, в частности, и от времени суток, и от текущей ситуации на небе (выглянуло солнце или набежало облако). Это позволяет достичь оптимального использования мощности батарей практически во всех режимах работы и уменьшить потери до 3%. Однако стоимость таких контроллеров превышает стоимость простейших моделей в несколько раз. Поэтому в маломощных системах может оказаться выгоднее приобрести лишнюю панель на 100 .. 200 Вт и ограничиться простым контроллером заряда, но не переплачивать за MPPT.

В качестве дополнительной опции некоторые контроллеры могут отключать низковольтную нагрузку при слишком большом разряде аккумуляторов. Однако эта функция также не очень актуальна, поскольку многие современные инверторы делают то же самое, но для всей подключённой к ним мощности, а мощность контроллеров заряда весьма ограничена.

Выбор мощности контроллера

Наиболее распространены контроллеры, рассчитанные на ток в 10 .. 20 А, иногда на 30 А. Более мощные контроллеры встречаются реже и стоят значительно дороже. Тем не менее, вполне возможно объединить несколько не очень мощных контроллеров параллельно, подключив каждый из них к своей группе фотоэлектрических панелей. Такая схема имеет некоторые неудобства, но в большинстве случаев вполне приемлема. Впрочем, консультация у продавца (а лучше - у производителя) не помешает, поскольку конкретные модели контроллеров могут иметь особенности, не позволяющие подобное подключение (это особенно актуально для контроллеров с MPPT и интеллектуальных контроллеров, меняющих режим заряда по мере зарядки аккумулятора).

При подключении панелей к контроллеру надо следить, чтобы их суммарный максимальный ток не превышал 75% .. 85% от номинального тока контроллера. Например, для 20-амперного контроллера суммарный ток должен составлять не более 15 .. 17 А. Этот запас необходим для того, чтобы контроллер мог выдержать избыточную выработку, например, в ясный зимний день, когда белый снег, отлично отражающий свет, способствует перезасветке фотоэлементов по сравнению с расчётной, а умеренный мороз немного повышает их КПД. Таким образом, к одному 20-амперному контроллеру можно подключить панели на 24 В суммарной мощностью 600 Вт, а на 12 В - всего 300 Вт.

Просмотров (426)