Самостоятельный расчёт системы электроснабжения на солнечных панелях.

 

1.     Проведение энергоаудита.

Прежде чем рассчитывать систему электроснабжения на солнечных панелях необходимо провести энергоаудит.

Для начала необходимо составить список приборов, которые вы будете использовать. При этом желательно заменить все приборы на энергосберегающие. Использовать LED мониторы, освещение рекомендуется ставить светодиодное,  холодильник класса А, и максимально снизить количество электронагревательных приборов, по возможности заменить их на более экономичные, а лучше на альтернативные (газовая плита, твердотопливный котёл, солнечный водонагреватель), т.к. электронагревательные приборы требуют больше всего мощности, что значительно удорожит вашу систему электроснабжения.

После того, как вы составили список приборов, которые требуют электроснабжения, необходимо рассчитать их потребляемую мощность, сколько кВт они потребляют в сутки. Для этого необходимо номинальную мощность прибора умножить на количество часов их непрерывной работы в день. Номинальную мощность можно узнать из паспорта прибора, в интернете или в таблице 1, в ней написана примерная мощность распространенных приборов.

Давайте разберем наиболее распространенный пример, вот список приборов, которые чаще всего используются на дачных участках:

Прибор Мощность, Вт Время работы, ч Суммарная мощность, Вт/сутки
светодиодное освещение 100 5 500
LED телевизор 150 5 750
ноутбук 100 5 500
Пылесос 1000 0,5 500
Чайник 1500 0,3 450
Холодильник класса А 150 24 3600
Электронасос 150 1 150
Электроинструменты 1000 0,5 500
Стиральная машинка 800 1 800
 4950 Вт 7750 Вт

 

Исходя из этого, вы можете видеть ваше среднесуточное потребление электроэнергии. В нашем примере получилось 7750 Вт/сутки.

Весь дальнейший расчет системы электроснабжения будет строится на основе этого проведенного энергоаудита.

 

2.     Подбор инвертора.

Большинство электроприборов работают от переменного тока с напряжением 220В и частотой 50 Гц.  Для того, чтобы обеспечить наши приборы переменным током, необходим инвертор – прибор который преобразует постоянный ток от солнечных панелей и аккумуляторов в переменный ток.

Для того чтобы выбрать инвертор, нужно понимать две вещи: во-первых, есть ли среди используемых приборов приборы чувствительные к частоте? В основном это приборы с электродвигателями (холодильник, стиральная машинка, пылесос, электроинструменты, насос).

Исходя из этого, выбирается тип выходного сигнала инвертора и тут есть два варианта:  инвертор с чистым синусом и инвертор с модифицированным синусом.

Для приборов, чувствительных к частоте подойдет только инвертор с чистым синусом, он намного дороже инвертора с модифицированным синусом, но при этом данные приборы не будут выходить из строя из-за перегрева электродвигателя и смогут работать на максимальной мощности. Остальные приборы тоже будут отлично работать от инвертора с чистым синусом, хотя для них вполне подойдет и инвертор с модифицированным синусом.

Во-вторых, при выборе инвертора, важна мощность одновременно работающих приборов. Именно исходя из этого параметра подбирается мощность инвертора. При этом, чем мощнее инвертор, тем он дороже.

Если включить одновременно все приборы, которые указаны в таблице энергоаудита, то их суммарная мощность получится 4950 Вт, исходя из этого потребуется инвертор на 5 кВт.

Если же среди всех этих приборов выбрать самые основные приборы, которые работают дольше всего в сутках, то это будет: холодильник, освещение, телевизор и ноутбук, суммарная мощность этих приборов при их одновременной работе будет всего 500Вт. Остальные же приборы в этой таблице включаются изредка по необходимости и фактически все вмести, одновременно практически никогда не работают. При этом, например, самый мощный из приборов — чайник (1500 Вт), вообще кипит 5 минут и на время кипения чайника можно отключить электроинструменты или пылесос, а если работает стиральная машинка, то можно подождать немного и включить чайник позже, после того, как стиральная машинка закончит свою работу.

Выбор номинального напряжение инвертора.

У инверторов есть еще один немаловажный параметр – это номинальное напряжение инвертора. В основном, инверторы бывают с номинальным напряжением 12, 24 или 48 вольт.

Инверторы до 1000 Вт, в основном, идут с номинальным напряжением 12В, инверторы от 1000 до 3000 Вт с номинальным напряжением 24В, а инверторы от 3000 до 6000 ватт бывают с напряжением 48 В. Хотя есть различные модели инверторов и на 600 Вт инверторы могут быть с напряжением 48В, но это скорее особенность.

Чем выше номинальное напряжение инвертора, тем выше КПД инвертора, следовательно, тем меньше на нем потерь при преобразовании постоянного тока в переменный.

При этом надо учитывать тот факт, что к инвертору всегда необходимы аккумуляторные батареи (АКБ), в основном все АКБ идут с номинальным напряжением 12 В, поэтому инвертору с номинальным напряжением 24 В потребуется уже не один аккумулятор, а два, соединенных последовательно, чтобы они дали 24 В, а инвертору с номинальным напряжением необходимо уже 4 аккумулятора. Ёмкость аккумуляторов при этом не изменяется.

Надо отметить, что номинальное напряжение не влияет на цену инвертора, и поэтому инверторы одной модели с одинаковой мощности, но с разным номинальным напряжением стоят одинокого.

Исходя из этого, для нашего конкретного случая подойдет инвертор с чистым синусом, мощностью 2 кВт с номинальным напряжением 24В. Пятьсот ватт мощности инверторы уйдет на приборы, которые работают практически постоянно (холодильник, телевизор, освещение) и 1500Вт на один любой прибор, включаемый по необходимости.

 

3.     Подбор аккумуляторных батарей (АКБ).

Как известно солнечная панель генерирует электроэнергию только при попадании на неё света, поэтому, для того, чтобы приборы продолжали работать в вечернее время необходимы аккумуляторы, которые в течении дня будут заряжаться электроэнергией, а вечером отдавать этот запас электроэнергии работающим приборам. Время работы приборов только лишь от аккумуляторов называется временем автономной работы.

Выбор типа аккумуляторов.

Для системы электроснабжения в принципе подходят аккумуляторы все типов: как обслуживаемые, так  и не обслуживаемые, как стартерные, так и специализированные для источников бесперебойного питания. Конечно же, лучше всего для систем бесперебойного и автономного электроснабжения подходят герметичные свинцово-кислотные AGM аккумуляторы или гелевые аккумуляторы. Гелевые аккумуляторы будут подороже AGM, но при этом они обладают большей устойчивостью к глубоким разрядам (их можно разряжать до 90%, в отличие от AGM, которые рекомендуется разряжать максимум на 70%). Гелевые аккумуляторы не так чувствительны к температуре окружающей среды и могут работать даже при отрицательной температуре (в отличии от AGM аккумуляторов, которые выходят из строя при отрицательной температуре). И, наконец, гелевые аккумуляторы имеют больше циклов заряда/разряда, благодаря чему их срок службы намного выше.

Более подробно про аккумуляторные батареи вы можете прочитать в статье «Аккумуляторные батареи, их эксплуатация и обслуживание»

Расчёт необходимой ёмкости аккумуляторов.

Для того чтобы рассчитать ёмкость аккумуляторов необходимо знать мощность приборов, работающих во время автономной работы и знать необходимое время автономной работы.

Чтобы рассчитать необходимое время автономной работы, нужно понимать в какой сезон будет использоваться ваша система электроснабжения. Если это лето, то времени автономной работы от аккумуляторов необходимо значительно меньше, чем зимой, т.к. световой день длиннее, а ночь короче.

В среднем необходимое время автономной работы от аккумуляторов в период с мая по октябрь — 5 часов, в период с марта по ноябрь – 6-8 часов. А если вы планируете использовать вашу систему электроснабжение круглый год, то рекомендуется потратить деньги не на дополнительные аккумуляторы ради увеличения времени автономной работы, а на приобретение дополнительного источника электропитания, например, на дизельный генератор.

 

Итак, выбираем период использование нашей системы электроснабжения с апреля по октябрь, а время автономной работы приборов от аккумуляторов 6 часов.

 

Теперь выберем приборы, которыми будем пользоваться вечером:

Прибор Мощность, Вт Время работы, ч Суммарная мощность, Вт/за вечер
светодиодное освещение 100 5 часов 500
LED телевизор 150 5 часов 750
ноутбук 100 5 часов 500
Чайник 1500 0,1 (6 минут) 150
Холодильник класса А 150 16 часов (весь вечер и всю ночь) 2400
2000 4300

 

Если в этот список включить стиральную машинку, пылесос, электроинструменты, то это значительно увеличит необходимую ёмкость аккумуляторов, но это сильно удорожит систему, поэтому рекомендуется эти приборы использовать в дневное время, когда солнечные панели генерируют достаточно электроэнергии.

 

Теперь мы можем рассчитать необходимую для автономной работы ёмкость аккумуляторов.

Ёмкость аккумуляторов измеряется в Ампер*часах, для того, чтобы её узнать, необходимо [суммарную потребляемую во время автономной работы мощность приборов] разделить на  [номинальное напряжение инвертора].

Получается: 4300Вт/24В=180Ач. Это означает, что для нашей системы потребуются аккумуляторы ёмкостью 180Ач с напряжением 24В.

 

Как мы выяснили выше, аккумуляторы нельзя разряжать полностью на 100%, иначе они быстро выйдут из строя, поэтому полученную ёмкость для гелевый аккумуляторов, необходимо умножить на коэффициент 1,11 (100%/90%~1,11), а для AGM аккумуляторов – умножить на  1,43 (100%/70%~1,43), и полученный результат округлить в большую сторону.

В нашем случае получается, если мы выбираем AGM аккумулятор, то нам необходим аккумулятор ёмкостью 180Ач*1,43~260Ач, а если мы выбираем гелевый аккумулятор, то нам необходим аккумулятор ёмкостью 180Ач*1,11~200Ач.

Выбираем гелевый аккумулятор на 200 Ач 24В (он хоть и дороже, но зато его характеристики превышают AGM).

В основном все аккумуляторы всегда идут с номинальным напряжением 12В, поэтому, для того, чтобы получить нужный аккумулятор на 200Ач 24В, нам необходимо взять два аккумулятора по 200Ач 12В и соединить их последовательно, т.е. плюс одного аккумулятора соединить с минусом другого, а оставшийся минус от одного и плюс от другого аккумуляторы соединить с инвертором. Так мы получим из двух аккумуляторов 200Ач 12В, один с общей ёмкостью 200Ач и номинальным напряжением 24 В, как мы и хотели.

4.     Выбор солнечных панелей.

Наконец мы подошли к выбору солнечных панелей, основной составляющей нашей системы электроснабжения. Ведь солнечные панели – это практически вечный генератор электрического тока, который прослужит более тридцати лет точно без сильных потерь своих электрофизических свойств.

Выбор типа панелей.

Есть три типа солнечных панелей: аморфные, поликристаллические и монокристаллические. Они отличаются технологией изготовления, своим КПД и ценой. Самые распространённые солнечные панели – это поликристаллические и монокристаллические. Ниже приведена сравнительная таблица этих панелей.

Монокристаллическая солнечная панель Поликристаллическая солнечная панель
КПД% выше (17%) ниже (15%)
Площадь панели меньше больше
Работа при рассеянном солнечном свете хуже лучше
Работа при прямом солнечно свете лучше хуже
Работа при отрицательной температуре лучше хуже
Работа при температуре выше 25 градусов лучше хуже
Снижение характеристик за 25 лет 20% 30%

 

Не смотря на то, что КПД монокристаллической солнечной панели не на много выше КПД поликристаллической панели, площадь поликристаллической панели больше, поэтому две панели разного типа, но с одинаковой мощностью, дают примерно одни и те же показатели по генерации тока, все зависит от условий окружающей среды (см. таблицу выше).

Расчёт необходимой мощности солнечных панелей.

Т.к. мы выбрали период с апреля по октябрь, то средняя продолжительность светового дня в этот период примерно 12 часов. За это время необходимо, чтобы солнечные панели успели зарядить аккумуляторы, для использования их вечером, когда солнечные панели перестанут генерировать электричество, а так же необходимо чтобы их мощности хватило для энергообеспечения электроприборов, работающих днём.

Сразу стоит отметить, что расчет мощности солнечных панелей можно сделать только приблизительный, потому что невозможно предугадать, когда на небе тучка закроет солнечную панель, поэтому лучше рассчитывать мощность с запасом и округления при расчётах делать в большую сторону.

Для того, чтобы рассчитать мощность солнечных панелей, необходимую для зарядки аккумулятора в течении светового дня, нужно [ёмкость аккумулятора] умножить на его [номинальное напряжение]  и разделить на [количество световых часов].

Рассчитываем: (200Ач*24В)/12ч=400Вт

Итак, для того, чтобы зарядить аккумулятор на 200 Ач с номинальным напряжением 24 В, понадобятся панели общей мощностью 400 Вт и номинальным напряжением не меньше номинального напряжение аккумуляторов, то есть в нашем случае не меньше 24 вольт.

Далее рассчитываем мощность панелей, необходимых для обеспечения работы приборов в течении дня. Эту мощность достаточно тяжело рассчитать, т.к. всё сильно зависит от внешних факторов, погодных условий и от того, как используются электроприборы. Из практики можно вывести следующую формулу: 1,3*[мощность панелей, необходимых для заряда аккумуляторов] + [мощность панелей, необходимых для заряда аккумуляторов]. Для нашего случая это будет: 1,3*400+400=920Вт.

То есть минимальная мощность солнечных панелей в нашей системе электроснабжения должна быть 920 Вт 24 В. Это четыре солнечных панели мощностью 230 Вт каждая и номинальным напряжением 24 В.

5.     Выбор контроллера заряда.

Для того чтобы нормально зарядить аккумулятор до 100% от солнечной панели, при этом не испортить его, а наоборот продлить срок службы необходим контроллер заряда. Бывает, что контроллер заряда встроен в инвертор, специально предназначенный для использования совместно с солнечными панелями, но чаще всего контроллер заряда идет отдельно.

Сейчас существует два типа технологии контроллеров заряда аккумуляторов от солнечных панелей: это PWM-контроллер или по другому ШИМ-контроллер (pulse-width modulationширотно-импульсная модуляция), и MPPT-контроллер (maximum power point tracking – слежение за точкой максимальной мощности). Более подробно о контроллерах заряда вы можете прочитать в статье «Контроллеры заряда аккумуляторов от солнечных панелей». Отмечу только то, что MPPT-контроллер за счёт более продвинутой технологии заряжает аккумулятор на 30% эффективнее, чем ШИМ-контроллер, но он, естественно, и дороже.

А так же MPPT-контроллер может преобразовывать более высокое напряжение от солнечных панелей в номинальное напряжение всей системы с пропорциональным увеличением тока. Это означает, что, MPPT-контроллер с подключенными четырьмя последовательно соединенными солнечными панелями мощностью 230Вт и напряжением 96 вольт, на выходе может дать ток равный четырем солнечным панелям 230Вт 24 В, соединенных последовательно. Закономерный вопрос: зачем это нужно? Ответ прост: чем выше напряжение солнечных панелей, тем меньше потерь в кабеле, идущем от солнечных панелей к контроллеру, соответственно, тем эффективнее работа солнечных панелей.

Немаловажный показатель, по которому выбирается контроллер – это пропускная способность по току. Чем выше эта пропускная способность контроллера, тем он дороже.

Необходимая пропускная способность по току рассчитывается очень просто: необходимо [суммарную мощность солнечных панелей] разделить на [номинальное напряжение системы].

В нашем случае пропускная способность контроллер должна быть не ниже чем: 38,3 ампер (920Вт/24В=38,3А).

Стоит отметить, что часто солнечные панели имеют положительный толеранс, то есть их мощность может быть выше заявленной на 1-6%, поэтому, при выборе контроллера следует учитывать эту тонкость.

Из всего вышеописанного относительно контроллеров, мы можем сделать выбор. И выбираем мы контроллер с технологией MPPT (чтобы соединить наши солнечные панели последовательно и получить на них напряжение 96В),  и пропускной способностью по току 40А.

6.     Выбор кабеля и коннекторов.

Для систем электроснабжения, где источник электроэнергии находятся на улице, необходим кабель со специальной изоляцией, для того, чтобы такие силы окружающей среды, как ультрафиолет,  влага и грызуны, по-минимому воздействовали на него.

Сечение кабеля рассчитывается таким образом, чтобы потери напряжение на кабеле не превышали 2%. И оно высчитывается по таблице, исходя из необходимого удельного сопротивления кабеля. Удельное сопротивление кабеля рассчитывается по формуле: [максимально возможное падение напряжения] разделить на ([проходящий по кабелю ток] умноженный на [общую длину кабеля]).

Для того, чтобы выбрать сечение кабеля, соединяющего солнечные панели с контроллером, необходимо знать три характеристики: напряжение солнечных панелей, суммарная мощность солнечных панелей и длину кабеля.

Первое что необходимо рассчитать – это ток, которые будет протекать по этому кабелю, для этого [мощность солнечных панелей] делим на их напряжение.

В нашем случае этот ток равен 920Вт/96В=9,58 А.

Максимальное возможное падение напряжение не должно превышать 96В*0,02=1,92В

Допустим, что от солнечных панелей до контроллер заряда необходимо проложить 30 м кабеля.

Исходя из этого удельное сопротивление кабеля должно быть не более, чем 1.92В/(9,58А*30м)=0,00668 Ом/м или 6,68 мОм/м

Теперь посмотрим в таблицу удельного сопротивления кабелей и подберем кабель необходимого сечения:

Сечение, мм медный
1,5 12,5
2,5 7,4
4 4,63
6 3,09
10 1,84

Для нашего случая вполне подойдет кабель с сечением 4 мм.

Для соединения солнечных панелей друг с другом используются специальные коннекторы, стандарта MC4 «мама» и «папа» для плюса и минуса солнечной панели соответственно. Также существуют специальные Y-коннекторы для параллельного соединения солнечных панелей.

В нашем случае потребуется четыре обыкновенных коннектора, чтобы последовательно соединить солнечные панели.

7.     ИТОГ.

В данной статье мы рассмотрели то, как рассчитываются системы автономного электроснабжение на солнечных панелях, и, как пример, рассчитали такую систему для периода с апреля по октябрь обеспечивающую электроэнергией основные бытовые приборы:

  • светодиодное освещение
  • LED телевизор
  • ноутбук
  • Пылесос
  • Чайник
  • Холодильник
  • Электронасос
  • Электроинструменты

 

Наша система получилась со следующими характеристиками:

  • Номинальное напряжение: 24 В
  • Суммарная мощность солнечных панелей: 920 Вт
  • Напряжение на солнечных панелях 96 В
  • Ёмкость аккумуляторов: 200 Ач
  • Напряжение на аккумуляторах: 24В
  • Суммарная мощность одновременно работающих приборов: 2 кВт
  • Время автономной работы при максимальной мощности: 1 час 45 минут
  • Время автономной работы при мощности 500 Вт: 8 часов 45 минут

 

А комплектация систем получилась такая:

  • Солнечные панели, мощностью 230 Вт: 4 штуки
  • Контроллер заряда с технологией MPPT с пропускной способностью по току 40А
  • Гелевые аккумуляторы, ёмкостью 200Ач: 2 штукм
  • Инвертор с чистым синусом, мощностью 2000 Вт
  • Набор коннекторов MC4: 4 шт.
  • Медный кабель с сечением 4 мм: 30 м

 

Если вы посмотрите готовые решения, представленные в нашем Интернет-магазине, то увидите именно этот комплект под названием «Солнечная у-дача». Кроме этого комплекта представлены и другие системы электроснабжения на солнечных панелях с наиболее оптимально подобранными комплектующими.

Если вы приобретаете комплект целиком, то, во-первых, он обойдется где-то на 10-15% дешевле, чем если бы вы приобретали бы комплектующие по-отдельности, во-вторых, вы получаете скидку 10% на установку и подключение комплекта, в-третьих, вы получаете гарантию на комплект 5 лет, в-четвертых, если вы в будущем будете делать покупки в нашем Интернет-магазине ещё, то вы получите скидку 10% на любой товар, в-пятых, при приобретении комплекта, вы получаете светодиодную лампочку отличного качества в подарок!