Выбор инвертора и расчет аккумуляторной батареи для домашней солнечной электростанции

Что это такое

Процесс генерирования электричества из частиц солнечного света – фотонов – в перечне природных компонентов называется фотоэлектрическим эффектом. После открытия данного физического явления встал вопрос о том, как его можно контролировать. С этой целью были созданы специальные компактные электронные приспособления – фотоэлементы, в основе которых содержатся полупроводниковые материалы.

На промышленном производстве нашли способ объединить микроскопические преобразователи в достаточно большие и эффективные панели. В частности, КПД кремниевых модульных гелиопанелей, которые в больших объемах выпускаются современными предприятиями, составляет 18-22 %.

Солнечная батарея состоит из нескольких таких модулей. Через нее солнечные фотоны подаются в электрическую цепь в качестве частиц постоянного тока. Далее они распределяются по аккумулирующим устройствам или трансформируются в заряды переменного тока с напряжением в 220 вольт. Полученная энергия позволяет питать домашние электроприборы.

Критерии, влияющие на выбор

При выборе аккумулятора для электрических станций, занимающихся преобразованием солнечной энергии необходимо принимать во внимание следующие критерии:

1. Значение емкости аккумулятора, которое является одним из наиболее важных параметров устройства. Дело в том, что аккумулятор должен держать энергию около четырех суток. Данный параметр определяется из требуемого энергопотребления.
2. Продолжительность зарядки и последующей разрядки. Производители устанавливают номинальные значения емкости и скорости зарядки и разрядки аккумулятора, однако далеко не всегда эти значения соответствуют реальным.
3. Габаритные размеры и вес аккумулятора. При этом стоит отметить, что аккумуляторы одного типа могут иметь разный вес. Значение емкости, как правило, выше у того устройства, которое весит больше.
4. Условия эксплуатации. Под условиями подразумевается температура, при которой устройство может работать без нарушений, периодичность проведения мероприятий по обслуживанию аккумуляторов и необходимость вентиляции помещения.
5. Срок эксплуатации и количеством циклов полной зарядки и разрядки. При этом стоит помнить, что чем меньше глубина разрядки при работе аккумулятора, тем больше циклов разрядки и зарядки он способен выдержать.

Выбирая аккумулятор для солнечных батарей и рассчитывая параметры данного устройства, обязательно нужно помнить, что при аккумулировании и в процессе преобразования, устройства теряют часть электрической энергии. Как правило, эффективность современных моделей для солнечных электрических станций составляет восемьдесят пять процентов.

Расчёт и выбор лучшего АКБ

Зная общую емкость, можно вычислить количество аккумуляторов. Для этого следует разделить полученное значение на емкость одного устройства. Если целое число не получается, округлять результат необходимо только в сторону увеличения.

Упрощенная формула определения времени работы (длительность цикла) выглядит так: время = суммарная ёмкость АКБ × напряжение АКБ × (КПД инвертора/мощность нагрузки).

Необходимо ознакомиться с технической документацией и паспортом устройства, в случае появления сомнений надо попросить показать сертификаты. Если товар качественный, сертификат на него всегда имеется у продавца. Если с этим возникают проблемы, нужный аккумулятор следует поискать в другом магазине.

Расчет основных показателей – сколько нужно батарей и какой мощности

Прежде чем начинать выполнение расчетов, следует подготовить специальную таблицу, в которую будут заноситься полученные данные. Вертикальных граф должно быть 30 штук, а горизонтальных – по количеству бытовых приборов, используемых хозяевами.

Предварительный этап

В первом столбце будет указываться номер по порядку бытового прибора. Его название проставляем во второй колонке. Третьей графой проставляем мощность каждого из приспособлений. В следующих 24 столбиках необходимо проставить часы от 01 до 24.

В этих клеточках в виде десятичных дробей будем вносить такие данные:

• числитель представляет собой период каждого прибора в течение конкретного часа (в десятичном выражении);
• знаменателем проставляют индивидуальную мощность электроприбора (такой повтор облегчает процесс дальнейших расчетов).

Графа 28 предназначена для суммирования общего времени работы электроприбора в пределах суток. Следующая колонка содержит данные об энергопотреблении отдельного прибора за прошедшие сутки – эту цифру получают умножением периода работы на потребляемую мощность. В последней вертикальной графе записывают примечания, например результаты промежуточных расчетов.

Критерии выбора аккумулятора для солнечных батарей

Производители постоянно совершенствуют технологии для аккумуляторов солнечных батарей, а одинаковые цифровые показатели характеристик в действии могут проявить себя совершенно по-разному

Но следует обязательно обратить внимание на такие показатели:

• рабочий уровень емкости;
• ток заряда;
• ток разряда.

При подборе АКБ следует учитывать количество самих зеленых систем, от этого будет зависеть необходимая емкость батареи. Чаще всего встречаются батареи с напряжением 12 В, исходя из этого потребуется рассчитать, какое количество АКБ потребуется соединить последовательно.

Если рабочее напряжение солнечной батареи превышает напряжение одного аккумулятора, нужно подсчитать, сколько потребуется их соединить, как правило цифра получается кратна 12. Также стоит учитывать, что при последовательном соединении аккумуляторов меняется напряжение, а емкость остается прежней, при параллельно наоборот.

Разновидности солнечных модулей для дома

Модульные гелиопанели состоят из фотоэлектрических преобразователей. На производстве выпускают два вида таких устройств.

Различие между преобразователями состоит в разновидности кремниевых полупроводников:

• Поликристаллические. Получают такие фотоэлементы путем длительного охлаждения кремниевого расплава. Хотя данная технология существенно удешевляет процесс производства и делает изделия более доступными для покупателей, их эффективность не превышает 12 %.
• Монокристаллические. В данном случае речь идет об искусственном выращивании кристаллов кремния, которые затем нарезают на тонкие пластины. Этот способ считается наиболее затратным, однако он обеспечивает более высокий коэффициент полезного действия. Среднее значение его колеблется в пределах 17 %, однако встречаются фотоэлементы на монокристаллах и с более высокими показателями.

Фотоэлементы на поликристаллах имеют плоскую квадратную форму и поверхность с неоднородной структурой. В то же время, монокристаллические солнечные элементы обладают однородной структурой поверхности и формой в виде квадрата со срезанными углами.

Расчет необходимой емкости батарей

Емкость аккумуляторных батарей рассчитывают, исходя из предполагаемого периода автономной работы без подзарядки и суммарной мощности потребления электроприборов.

Среднюю по временному интервалу мощность электроприбора можно рассчитать следующим образом:

P = P1 * (T1 / T2),

Где:

• P1 – паспортная мощность прибора;
• T1 – время работы прибора;
• T2 – общее расчетное время.

Практически на всей территории России существуют длительные периоды, когда солнечные батареи не будут работать по причине плохой погоды.

Устанавливать большие массивы аккумуляторов для их полной загруженности всего несколько раз в год нерентабельно. Поэтому к выбору интервала времени в течение которого устройства будут работать только на разряд необходимо подойти исходя из среднестатистического значения.

Количество генерируемой солнечными панелями энергии зависит от плотности облаков. Если пасмурная погода в регионе не редкость, то недостаток входящей мощности необходимо учитывать при расчете объема аккумуляторного блока

В случае длительного периода, когда нет возможности использовать солнечные батареи, необходимо применить другую систему получения электроэнергии, основанную, например, на дизель- или газогенераторе.

Заряженный на 100% аккумулятор может до своей полной разрядки выдать мощность, которую можно рассчитать по формуле:

P = U x I

Где:

• U – напряжение;
• I – сила тока.

Так, один аккумулятор с параметрами напряжения 12 вольт и силы тока 200 ампер, может сгенерировать 2400 ватт (2,4 кВт). Для расчета суммарной мощности нескольких аккумуляторов, необходимо сложить значения, полученные для каждого из них.

В продаже есть аккумуляторы с большим показателем мощности, но они стоят дорого. Иногда намного дешевле приобрести несколько обыкновенных устройств в комплекте с соединительными кабелями

Полученный результат необходимо умножить на несколько понижающих коэффициентов:

• КПД инвертора. При правильном согласовании напряжения и мощности на входе в инвертор будет достигнуто максимальное значение от 0,92 до 0,96.
• КПД силовых кабелей. Минимизация длины проводов, соединяющих аккумуляторы и расстояния до инвертора необходима для снижения электрического сопротивления. На практике значение показателя составляет от 0,98 до 0,99.
• Минимально допустимое разряжение батарей. Для любого аккумулятора существует нижний предел зарядки, при преодолении которого срок службы устройства значительно снижается. Обычно, контроллеры выставляют на минимальное значение зарядки 15%, поэтому коэффициент равен около 0,85.
• Максимально допустимая потеря емкости до смены аккумуляторов. Со временем происходит старение устройств, повышение их внутреннего сопротивления, что приводит к безвозвратному уменьшению их емкости. Использовать устройства, остаточная емкость которых менее 70% нерентабельно, поэтому значение показателя нужно взять за 0,7.

В итоге значение интегрального коэффициента при расчете необходимой емкости для новых аккумуляторов будет приблизительно равно 0,8, а для старых, перед их списанием – 0,55.

Для обеспечения дома электроэнергией при протяженности цикла заряда – разряда равной 1 суткам потребуется 12 аккумуляторов. Когда один блок из 6 устройств будет работать на разряд, второй блок будет заряжаться

Расчёт и выбор аккумулятора

Для начала необходимо рассчитать мощность ожидаемой выработки энергии. Расчеты производятся на основе мощности излучения солнца, составленных с учетом погоды в разное время года.

Помимо этого при получении результата необходимо в обязательном порядке учесть углы наклона панели солнечной батареи, причем неважно — горизонтально или вертикально она сориентирована. Угол наклона крайне важен, поэтому его нужно выбирать правильно

Угол наклона крайне важен, поэтому его нужно выбирать правильно.

Если планируется эксплуатировать систему в течение всего года, то лучше всего сориентировать панель под угол на пятнадцать градусов больше, чем значение географической широты расположения объекта, где находится система.

Помимо всего этого необходимо учитывать, что в процессе эксплуатации на панели солнечной батареи будет скапливаться пыль, наледь и снег. Для московского региона угол наклона панели составляет семьдесят процентов с ориентацией на южную сторону. Если планируется использовать фотоэлектрическую батарею, то её можно установить на фасаде дома или на крыше, при этом угол наклона должен быть сориентированным в восточном или западном направлении.

После выбора угла наклона панели солнечной батареи нужно провести расчет возможной производительности солнечной электростанции, требуемого числа солнечных модулей, необходимых для функционирования системы в определенном режиме. Все расчеты осуществляются на примере самого худшего месяца, чаще всего этим месяцем является январь, и самого лучшего для солнечной электростанции — июль, а также для большей части года, периода с последнего месяца зимы, февраля, по последний месяц осени, ноябрь.

Именно в этот период солнце наиболее активно. Стандартный показатель инсоляции рассчитывается для площади в один квадратный метр, при этом номинальное значение мощности определяется при температуре в двадцать пять градусов стандартного потока света в один киловатт на один квадратный метр.

Принимая максимальное значение инсоляции (мощность излучения солнца, падающего на поверхность), расчет показывает, что значение вырабатываемой батареей электрической энергии относится к значению показателя инсоляции одного квадратного метра, точно также, как и вырабатываемая энергия к значению мощности солнечного излучения на поверхности земли при ясной погоде, которая приходится на один квадратный метр, то есть тысячи ватт.

Умножая значение месячной инсоляции на значение вырабатываемой мощности солнечной батареи, поделенное на максимальное значение инсоляции, можно более точно узнать возможную месячную выработку энергии солнечной батарей.

Расчет выработки солнечной панели проводится при помощи перемножения значения месячной инсоляции, выработки электрической энергии и соотношения КПД солнечной батареи и номинального значения мощности батареи.

В свою очередь, значение номинальной мощности устройства рассчитывается при помощи перемножения максимального значения мощности инсоляции и выработки электрической энергии, получаемой от солнечной электростанции, поделенных на произведение месячной инсоляции и КПД.

[su_youtube url=»https://www.youtube.com/embed/NTbKOjVwxQQ»]

Почему не автомобильные

Мощности сборки таких аккумуляторов действительно должно хватать на питание дома, да и стоимость одной такой батареи начинается с 65$ (за тюменскую батарею), однако авто аккумуляторы рассчитаны на применение в совершенно других условиях и разряд даже на 30% для них – экстремальные условия. В то же время они могут выдавать высокие пусковые токи (для запуска двигателя авто), которые в условиях жилого дома вряд ли пригодятся.

Режим использования в автомобиле отличается от применения аккумуляторов в системе солнечных электростанций. В светлое время суток контроллер в основном только заряжает батарею, а в темное – батарея «кормит» все токоприемники. В этом режиме авто аккумулятор сможет прослужить не больше года, после чего емкость будет очень быстро падать, повышается риск закипания и внезапного выхода из строя.

Виды аккумуляторов и их характеристики

Стартерные аккумуляторы

Выбирать эту разновидность стоит только в том случае, если место, где будет установлен аккумулятор, будет иметь хорошую вентиляцию. Подобная разновидность аккумуляторов, предназначенных для работы в составе солнечной электрической станции, отличается довольно высоким показателем саморазряда. Их используют в тех случаях, когда солнечная батарея вынуждена функционировать в тяжелых условиях.

Аккумуляторы с намазными пластинами

Подобные устройства можно назвать наилучшим вариантом в таких случаях, когда осуществлять постоянное обслуживание системы невозможно. Помимо этого гелевые аккумуляторы незаменимы в случае установки в плохо вентилируемом помещении. Однако подобные накопители электрической энергии нельзя назвать бюджетным вариантом. К тому же продолжительность эксплуатации подобных аккумуляторов относительно невелика. Положительными качествами подобных элементов можно назвать малые потери электрической энергии, что значительно продлит работу станции в ночные часы и пасмурную погоду.

AGM-аккумуляторы

Строение AGM-батареи

Основой работы данных накопителей электрической энергии являются абсорбирующие стекломаты. Между стекломатами располагается электролит в связанном состоянии. Использовать по назначению аккумулятор можно в абсолютно любом положении. Стоимость подобных аккумуляторов относительно невелика, а уровень заряда достаточно высокий.

Срок продолжительности эксплуатации данного аккумулятора составляет около пяти лет. Помимо этого отличительными особенностями аккумулятора AGM-типа, являются: возможность перемещения в полностью заряженном состоянии, способность выдерживать до восьми сотен циклов полного заряда и разряда, относительно небольшие размеры, быстрая зарядка (около семи с половиной часов).

Данный аккумулятор работает в диапазоне температур от пятнадцати до двадцати пяти градусов. Однако подобные аккумуляторы плохо переносят неполный заряд.

Гелевые аккумуляторы

Электролит в данном аккумуляторе имеет консистенцию желе. Конструкция подобных аккумуляторов отличается высокой устойчивостью к заряду и разряду. Они не нуждаются в многочисленных мероприятиях по их обслуживанию. Стоимость подобного элемента относительно невысокая. Потери энергии также не существенны.

Заливные (OPzS) аккумуляторы

Электролит в данных аккумуляторах находится в жидком состоянии. Они не нуждаются в постоянном обслуживании. В большинстве случаев необходимо контролировать уровень электролита примерно раз в год. Подобные устройства, предназначенные для аккумулирования электрической энергии, разработаны для разрядки небольшими токами, а также могут выдерживать большое количество циклов полной зарядки и разрядки.

Однако стоимость подобных устройств довольно высокая, так что их целесообразно использовать в мощных электростанциях, занимающихся преобразованием солнечной энергии в электрическую.

Емкость

Емкость аккумулятора в зависимости от температуры

В нижней части таблицы указывается коэффициент, на который необходимо умножить емкость в зависимости от температурных условий. Становится понятным, что аккумуляторы выгоднее хранить в отапливаемом помещении.

Уровень допустимого разряда. Батареи нельзя разряжать на все 100% – так они очень быстро выходят из строя, поэтому остаточный ток должен составлять не менее 60-70% и чем больше этот %, тем дольше служит аккумулятор в солнечной электростанции.

КПД инвертора. Современные преобразователи постоянного тока в переменный весьма производительны, но не превышают 96%,т.е. 4% вы будете терять гарантированно. Подключение светодиодного освещения напрямую к сети в 12В значительно снижает потери.

При различных подходах к экономии электричества, ваши показатели в таблице могут значительно отличаться.

Токоприемники, способные кормиться от аккумуляторов

• Переводим потребляемую мощность в амперы 6000 Вт / 12 вольт = 500 А
• 500 А /1,03 = 515 А (делим на коэффициент, при использовании аккумулятора при t = 25°С
• 515 А / 0,3 = 1716 А (делим на % допустимого разряда батареи)
• 585,73 А/ 0,96 = 1787 А (делим на КПД инвертора).

Как видим, для обеспечения 6 кВт в сутки понадобится аккумуляторы, общей емкостью не менее 1787 А/ч

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.

Подключение батарей и работа солнечной системы

Суммарная мощность нагрузок, подключаемых к источнику питания, значительно превышает возможности отдельной аккумуляторной батареи. При наличии большого количества электрических приборов, потребуется несколько аккумуляторов, соединенных между собой.

Соединить батареи в общий массив можно последовательно, параллельно или смешанным способом. Все зависит от того, какие параметры напряжения и мощности требуется получить на выходе.

Аккумуляторы размещаются непосредственно в доме или в отдельном строении, предусмотренном для этих целей. Основным условием является соблюдение температурного режима в 10-25 градусов и отсутствие влаги. Конструкция современных батарей отличается повышенной экологической безопасностью, поэтому устройство специальной вентиляции помещения не требуется. Тем не менее, не рекомендуется использовать под аккумуляторы жилые помещения.

Все АКБ этого типа обладают значительной массой и устанавливаются на полу или стеллажах с прочной конструкцией. Следует сразу же принять меры и предотвратить их падение с высоты. В противном случае, они выйдут из строя, а растекшийся электролит может нанести вред здоровью людей. Все аккумуляторы следует размещать вплотную друг с другом, поскольку длинный соединительный кабель приводит к увеличению электрического сопротивления и падению КПД всей системы.

В случае соединения АКБ параллельным или комбинированным способом, устройства могут разбалансироваться по уровням зарядки. Это приведет к неполному циклу функционирования, и ускоренному расходованию накопленных ресурсов. Предотвратить подобную ситуацию можно с помощью контроллера, управляющего процессами заряда. Следует дополнительно установить специальные перемычки, выравнивающие заряд.

Чтобы исключить неравномерную зарядку и разрядку, рекомендуется соединять одинаковые устройства. Идеально, когда они одной модели и из одной партии. Для снижения потерь от сопротивления кабеля и стабилизации напряжения, совместно с аккумуляторами устанавливается инвертор.

Критерии выбора

Чтобы сделать грамотный и обоснованный выбор, нужно обратить внимание на ряд его важнейших характеристик

1. Емкость аккумулятора. Именно она определяет, как долго будет работать устройство без подзарядки. Емкость аккумуляторной батареи для каждой электростанции рассчитывается отдельно, исходя из того, какой объем электроэнергии от нее требуется.

   Номинальная емкость будет указана в характеристиках аккумулятора, а реальная будет колебаться +- 10-15% и зависит это, в первую очередь от условий, в которых работает аккумулятор.

   Например, при понижении температуры, при которой содержится устройство, емкость становится меньше. При более высокой температуре воздуха емкость становится больше, но срок работы аккумулятора уменьшается.

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

Обратите внимание: зимой аккумуляторы рекомендуется хранить в помещении с температурой не ниже 0 и не выше 20 градусов.

Саморазряд. Это постепенная и непроизвольная потеря энергии в аккумуляторе

Чем он меньше, тем лучше (средний уровень будет составлять около 3-5% в месяц). Для уменьшения саморазряда оптимальная температура для работы устройства не должна быть больше 20 градусов. Если температура повышается больше, чем на 10 градусов, саморазряд может стать больше почти вдвое.

Срок службы аккумулятора. Оценивается по количеству циклов заряда/разряда, которое он может выдержать без потери качества. Если емкость прибора доходит до 60% — 70% от номинального значения — он становится фактически непригоден для работы.

Опубликовано 02.06.2020 Обновлено 13.06.2020 Пользователем admin