Схемы сборки и подключения солнечных батарей

Что такое солнечная батарея?

Солнечная батарея – это полупроводниковое устройство, которое преобразовывает солнечное излучение в электрическую энергию. Главной задачей такой системы является надежное, экономное и бесперебойное электроснабжение дома. Такие устройства целесообразно устанавливать в районах, где существуют перебои с подачей от основного источника электроэнергии.

Солнечная электростанция не эффективно работает ночью и в пасмурные дня, в то время как пик электропотребления приходится именно на вечерние часы

Главными преимуществами солнечной батареи являются:

• простая установка устройства, которая не требует прокладывания кабелей к опорам;
• система не требует больших временных затрат на свое обслуживание;
• выработка электроэнергии не оказывает пагубного влияния на окружающую среду;
• конструкция не имеет подвижных частей;
• бесшумный режим работы;
• поставка электроэнергии не зависит от распределительной сети;
• длительный период эксплуатации системы при минимальных затратах.

Недостатки солнечной батареи:

• процесс изготовления системы весьма трудоемкий;
• солнечная панель занимает много места;
• устройство очень чувствительно к загрязнению;
• ночью батарея не работает;
• эффективность работы устройства напрямую зависит от погодных условий, а именно от солнечных и пасмурных дней.

В зимнее время стоит позаботиться о возможности очистки солнечных панелей от изморози и снега

Как избежать распространенных ошибок

При сборке и монтаже обратите внимание на следующие нюансы:

1. Не нужно осуществлять сборку на каркасе с задней стенкой из брусьев, так как дерево может разбухнуть и конструкция деформируется. Кроме того, брус очень утяжеляет её.
2. Нельзя использовать в качестве крышки оргстекло, так как оно перегревается и за счёт этого контакты между панелями приходят в негодность, а сама система может разгерметизироваться.
3. Соединительные клеммы – не лучший вариант объединения панелей друг с другом, так как в случае ремонта их невозможно будет разъединить — лучше пользоваться специально предназначенными для этого коннекторами.

Принцип работы солнечной батареи

Система работает посредством фотоэлектрических преобразователей, которые соединяются в определенной последовательности. Каждый фотопреобразователь состоит из двух кремниевых пластин, которые отличаются типом проводности. Одна покрыта фосфором, в результате чего здесь происходит образование избытка отрицательно заряженных электронов. Другая пластина покрыта бором, что приводит к образованию, отсутствующих в слое отрицательных зарядов, частиц, так называемых «дырок».

Принцип работы неисчерпаемого источника альтернативной энергии заключается в следующем: солнечный свет попадает на отрицательно заряженную панель, что приводит к активному образованию дополнительных «дырок» и электронов. На панели, покрытой фосфором, присутствует электрическое поле, благодаря которому появляется разность потенциалов. Положительно заряженные частицы устремляются в верхний слой, а отрицательно заряженные направляются в нижний. Создается постоянное напряжение. Получается, что один преобразователь работает как батарейка. В цепи возникает постоянный ток, когда к нему присоединяется нагрузка. Каждая батарея покрыта тонкими медными жилками, отводящими ток и направляющими его по назначению.

Сила тока зависит от определенных параметров:

• размера фотопреобразователя;
• уровня инсоляции;
• типа фотоэлемента;
• общего сопротивления приборов, которые подключены к солнечной панели.

Схема подключения и работы солнечной станции

Технические характеристики

Основным элементом каждой солнечной батареи является фотоэлектрический преобразователь.

В массовом производстве используется три типа элементов из кремния.

• Монокристаллические – искусственно выращенные кремниевые кристаллы нарезаются на тонкие пластины. В основу модуля входит очищенный чистый кремний. Поверхность больше похожа на пчелиные соты или небольшие ячейки, которые соединяются между собой в единую структуру. Готовые маленькие пластинки соединяются между собой сеткой из электроводов. В данном случае процесс производства более трудоемкий и энергозатратный, что отражается на конечной стоимости солнечной батареи. Но монокристаллические элементы обладают большей производительностью, а средний КПД составляет около 24%. Срок службы монокристаллических батарей больше, они прослужат в среднем около 30 лет.
• Поликристаллические – в основе кремниевый расплав. Такие модули считаются оптимальным решением для жилого частного дачного дома. Несколько кристаллов из кремния объединяются в один фотоэлемент. Поверхность поликристаллической солнечной батареи имеет неоднородную поверхность, из-за чего хуже поглощает свет. И КПД, соответственно, ниже, находится в пределах 20%. Срок службы поликристаллической панели составляет 20-25 лет. Они имеют характерное отличие – темно-синий цвет покрытия. Такие модули дешевле аналогов, что позволяет окупить всю систему примерно за 3 года.
• Тонкопленочные – имеют гибкую подложку, что позволяет монтировать батарею на любую поверхность с углами и изгибами. Тонкий слой полупроводников наносится методом напыления на поверхность батареи. Такие системы имеют очевидный недостаток – маленький КПД. Производительность в среднем составляет около 10%. То есть для обеспечения энергией дома потребуется в два раза больше тонкопленочных батарей, чем поликристаллических. И срок службы таких панелей меньше других аналогов – в среднем ресурс работы составляет около 20 лет.

Идеально, если солнечные батареи могут полностью обеспечить дом электроэнергией. Но довольно часто энергия Солнца используется для горячего водоснабжения или же для отопления. Но чтобы выполнить любую из этих целей, необходимо высчитать реальную мощность на квадратный метр и необходимое количество модулей. Мощность солнечного модуля зависит от количества солнечных лучей, которые попадают на поверхность батареи. Чтобы правильно сделать выбор, также следует изучить принцип действия домашней мини-электростанции.

Дополнительные устройства для эксплуатации

Важной особенностью солнечной батареи является сильная зависимость ее выходного напряжения и максимального тока от освещенности. Сделав своими руками батарею с расчетным напряжением в 12В, можно будет обнаружить, что ее реальное напряжение будет колебаться от 9В при слабом и косо падающем свете до 18-19В при ярком прямом освещении

Напрямую подключать солнечную батарею к аккумулятору нельзя – это может привести к перезаряду и выкипанию электролита, если используется свинцово-кислотный аккумулятор. Для герметичных гелевых аккумуляторов перезаряд еще более страшен и приводит к необратимому повреждению.

Во избежание перезаряда аккумуляторных батарей используются специальные контроллеры заряда. Наиболее простые схемы просто отключают аккумулятор по мере набора заряда, а сама зарядка идет лишь тогда, когда напряжение на солнечной батарее выше, чем на аккумуляторе (так называемая схема On-Off). По соображениям безопасности отключение зарядки происходит заведомо раньше полного набора емкости, в среднем на 70 процентах. Более совершенные зарядные устройства на основе ШИМ (широтно-импульсной модуляции, также PWM от Pulse Width Modulation) поддерживают заряд аккумулятора практически на 100%, переходя по мере набора емкости в импульсный режим. Самые сложные и дорогие контроллеры MPPT (Maximum Power Point Tracking, отслеживание точки максимальной мощности) также отслеживают и состояние самой батареи, включая ее температуру, для обеспечения максимального КПД.

Китайские контроллеры заряда производства фирм наподобие EP Solar обойдутся недорого по сравнению с самой солнечной батареей: блок 12В/5А стоит около 1100 р., более мощные и совершенные американские блоки Morningstar имеют цену от 8 тысяч рублей.

Но подобное устройство можно собрать и самостоятельно при наличии соответствующих навыков в радиоэлектронике. Ниже приведена простая схема повышающего контроллера, способного обеспечивать заряд аккумулятора от шестивольтовой солнечной батареи:

Для подстройки максимального напряжения на выходе служит подстроечный резистор R2.

Для солнечных батарей, рассчитанных на 12В, можно использовать следующую схему:

Здесь MainLoad– разъем для подключения аккумулятора, AuxLoad– для дополнительной нагрузки, требующей ограничения напряжения (например, зарядное устройство телефона). Достоинство этой схемы – возможность ее использования с различными типами аккумуляторов, определяемыми положением переключателя:

• 1.Обслуживаемый свинцово-кислотный аккумулятор
• 2.Необслуживаемый аккумулятор
• 3.Батарея литиевых аккумуляторов (3 аккумулятора по 4,1 В)

На что обратить внимание при установке

Расчет для подключения солнечных батарей (Нажмите для увеличения) Солнечные батареи не сильно привередливы, а потому их можно установить практически в любом месте вашей крыши, балкона или же прямо на участке загородного дома. Главное в подключении, это соблюдение двух правил, без которых потребление электроэнергии будет практически невозможным:

• угол наклона от горизонта;
• ориентация расположения.

Так, поверхность должна стоять лицом на юг, так как чем больше лучей попадет на батарею под 90 градусов, тем лучше будет работать устройства. Нельзя назвать точные координаты и принцип размещения ведь все это зависит от вашей местности, климата, продолжительности времени года и является абсолютно уникальным. Если вы житель Московского региона, то ваш угол наклона будет составлять 15-20 градусов летом, и от 60 до 70 градусов зимой. Для того, чтобы батареи приносили максимальный эффект, необходимо менять их расположение каждое лето и зиму.Имейте ввиду: солнечные установки не должны контактировать с холодными температурами, а потому если вы хотите установить их прямо на участке, поднимите фотоэлементы на 50 сантиметров от уровня земли, это убережет их от снега и переохлаждения.

Расчет и проект

Перед тем, как удастся подключить солнечную панель в своем доме, придется проделать немало работы. И прежде всего нужно взяться за расчеты. Желание отказаться от проводного электричества и обзавестись собственной электростанцией есть у каждого. Но нужно хорошо проанализировать возможность реализации такой затеи.

Солнечная электростанция для домаИсточник portal-kolomna.ru

Сначала изучаем счет на оплату от поставщика электроэнергии. В нем указано, за сколько киловатт требуется погасить задолженность. Это число нужно делить на 30 (количество дней в месяце). Так можно узнать среднюю суточную потребность в электричестве. И предположим, что у нас получилось 10 кВт в сутки.

В идеальных условиях понадобится батарея мощностью 1,5 кВт, чтобы закрыть нашу потребность. Но придется учесть все враждебные обстоятельства. А их немало. Во-первых, батарея будет вырабатывать электричество только днем. Причем наибольшая эффективность приходится на время от девяти утра до четырех пополудни. А это только 70 % генерации от суточной нормы.

Во-вторых, даже легкая дымка в атмосфере снизит токоотдачу в 2-3 раза. А сплошная облачность заставит производительность упасть сразу в 15-20 раз. Поэтому мощность батареи уже нужно увеличивать, как минимум на 40 %. Но это еще не все.

Зависимость от погодных условийИсточник kosmossolar.com

Для накопления электричества понадобится объемный аккумулятор и не менее мощный преобразователь напряжения. Без последнего никак не обойтись, поскольку все бытовые приборы запитываются от тока напряжением 220 В. Но накопление и трасформация неизбежно сопровождаются потерями. Эксперты утверждают, что они доходят до 30 %. Поэтому к ранее прибавленным 40 % плюсуем и это число. И в итоге уже понадобится солнечная батарея от 2,5 до 3 кВт мощностью.

Далее вычисляем количество аккумуляторов. Причем нужны низковольтные, рассчитанные на напряжение в 12, 24 и 48 Вольт

Если использовать обычный автомобильный вариант (12 В), то принимая во внимание суточную норму и неизбежные потери, их понадобится 6 штук. Конечно можно взять лучшие, на 48 В, но это только увеличит общую стоимость всей установки

Сразу нужно развеять миф, об использовании солнечной батареи для обогрева дома в зимний период. Если к произведенным расчетам добавить вычисления на установку электрических ТЭНов, то в итоге понадобится очень серьезная гелиоэлектрическая станция. И ее самоокупаемости, а тем более экономии, придется ждать долгие годы.

Коттеджный городок на солнечной энергииИсточник panasonic.com

Что касается размеров батареи, то они опять же зависят от ее мощности, а также от вида фотоэлемента. Если брать элементы с поликристаллическими ячейками, которые выдают напряжение 0,5 В, а силу тока 3 А, то такая мини панель будет со сторонами 3 на 6 дюймов. Как правило, для зарядки аккумулятора их понадобится соединять в блоки по 30 штук. Поскольку мощность одного такого модуля составляет 45 Вт, то уже нетрудно подсчитать необходимое количество блоков для создания необходимой мощности, чтобы закрыть суточные потребности.

Сроки службы

Желающих приобрести этот экологически чистый альтернативный источник энергии прежде всего интересует вопрос о том, сколько лет он будет исправно работать и не возникнет ли с ним серьезных проблем в ближайшее время.

Производителями указывается, что сроки службы у таких АКБ — от 20 до 30 лет. Однако многие из них могут исправно работать и далее. Известно, что до сих пор сохранилась солнечная батарея, которая была изготовлена одной из первых в мире. Она прекрасно работает и сейчас, хотя уже давно появились панели, технические характеристики которых значительно обогнали первые разработки.

При постоянном использовании любого агрегата снижается как его мощность, так и количество энергии, которое он вырабатывает в течение определенного времени. Однако показатель этот не является фатальным: он составляет около 1% в год. Следовательно, за 10 лет постоянной эксплуатации произойдет снижение мощности на 10%.

Продлить срок службы любой панели можно, приобретя дополнительно специальную защитную пленку и заламинировав с ее помощью модули со стороны солнца. Пленка обеспечивает надежную герметизацию и защиту от механического воздействия и может прослужить от 5 до 15 лет. Для защиты батареи с внутренней стороны (от пыли, воды и т.д.) также имеются разные виды пленочных покрытий.

Производственный процесс создания

В специализированных магазинах можно приобрести наборы, в которых есть уже всё необходимое для создания солнечной панели

Доведенные ежемесячными счетами до кондиции, люди, могут собрать солнечные панели самостоятельно.

И для создания такой панели им нужно:

1. Определиться с количеством ячеек в будущей солнечной панели.
2. Припаять солнечные элементы по монтажной схеме группами.
3. Нанести защитный материал, если его нет, то приклеить силиконом стекло к каждой панели.
4. Дождаться пока высохнет силикон.
5. Также можно застеклить и вторую часть, заключив тем самым солнечный элемент с обеих сторон.
6. Дать этой конструкции хорошо высохнуть как минимум за сутки.
7. Произвести работы по монтажу рамки. Для этого необходимо герметизировать края рамки и закрепить рамку из алюминия.
8. Соединительную коробку с тыльной части конструкции нужно закрепить с помощью герметика. Клей герметик соединит с поверхности модуля соединительную коробку.
9. Установить инвертер. Для этого на задней части панели соединительную коробку необходимо сделать с колодкой. Блок с одной стороны необходимо сделать плюсовым, со второй стороны необходимо провести провод к инвертеру. При небольшом инвертере и тока будет мало.
10. Последним этапом является тестирование солнечной панели. На этом этапе необходимо измерить электрические параметры модуля, когда на него воздействует мощный световой поток, который имитирует солнечную энергию.

Перечень параметров, которые необходимо измерить:

• ток короткого замыкания;
• напряжение холостого ход;
• электроэнергия максимальной мощности;
• напряжение максимальной мощности;

Какой угол наклона сделать у солнечной панели?

Угол наклона полностью зависит от времени года (высоты подъема солнца)

При установке солнечной панели очень важно обратить внимание на ее расположение и угол наклона. Именно поэтому при выборе месторасположения батареи, выберите то место, где лучи будут падать перпендикулярно и будет небольшой наклон

Очень важно при размещении солнечной панели иметь возможность в дальнейшем контролировать ее уклон

Идеальное месторасположение солнечной панели – это крыша дома

Очень важно при размещении солнечной панели иметь возможность в дальнейшем контролировать ее уклон. Идеальное месторасположение солнечной панели – это крыша дома. Проблема установки может заключать только в том, что не каждая крыша выдержит вес солнечной батареи

Если такие случаи возникают, рекомендуется использовать специальные подставки, которые минимизируют нагрузку на поверхность крыши

Проблема установки может заключать только в том, что не каждая крыша выдержит вес солнечной батареи. Если такие случаи возникают, рекомендуется использовать специальные подставки, которые минимизируют нагрузку на поверхность крыши

Идеальное месторасположение солнечной панели – это крыша дома. Проблема установки может заключать только в том, что не каждая крыша выдержит вес солнечной батареи. Если такие случаи возникают, рекомендуется использовать специальные подставки, которые минимизируют нагрузку на поверхность крыши.

Рабочие показатели

При изготовлении солнечной панели точно по вышеуказанной схеме, солнечная батарея будет давать 500 Вт электричества в неделю.

Для многих такое количество электроэнергии покажется слишком маленьким. Но заметим, что солнечная батарея в нашем случае маленькая, всего 28 солнечных ячеек, и месторасположение играет немаловажную роль. В связи с этим, если необходима мини-электростанция, как говорится и затрат нужно будет значительно больше.

Солнечная батарея и ветрогенератор

Схемы, в которых соседствуют различные источники энергии, должны строиться на общей характеристике — одинаковое напряжение источников, т.к. иначе потребуются разные контроллеры зарядки и, возможно, инверторы (если разброс по мощности источников большой), а схема блока АКБ позволяет подстраиваться под напряжение источников.

Подключение источника с генератором переменного тока с параметрами сети несколько изменяет схему подключения. На рисунке представлен самый общий вариант без блока подзарядки АКБ (контроллер и трансформатор с выпрямителем, которые отбирают энергию от внешнего источника переменного тока).

Схема подключения усложняется в случае, если автономная система подключена к централизованной сети. В России не отрегулированы ситуации, когда частный потребитель может отдавать излишки энергии в сеть. Кроме этого, переключение не бывает «гладким», т.е. происходит перепад напряжения длительностью 0,3-1 секунды в зависимости от сложности переключателя.

Сложность схемы подключения возрастает с подключением других источников. Вот некоторые вопросы, которые приходится рассматривать при сложной комплектации:

• Согласование характеристик источников, устройств управления и преобразования энергии,
• Надежность системы, в сочетании с проблемами утилизации избыточной энергии.

В целом ряде ситуаций могут оказать помощь наши специалисты. Для этого можно использовать сервисы сайта: онлайн-консультант и форму обратной связи.

Альтернативный источник энергии на базе солнечных батарей – отличный вариант для организации независимого энергоснабжения. Он обеспечит высокую энергетическую эффективность не только в знойные деньки, но и в пасмурную погоду. Было бы неплохо иметь такое устройство у себя дома, не так ли?

Для этого нужно лишь грамотно подобрать технические компоненты и произвести монтаж. Сделать это может каждый, зная схемы и способы подключения солнечных батарей. Мы расскажем, как сооружается производительная система, перерабатывающая «зеленую энергию» в электричество, необходимое для питания бытового оборудования.

Кроме того, вы узнаете, как выбрать место для установки гелиопанелей и как совместить их со стационарной электросетью. Полезные советы и важные рекомендации окажут действенную помощь домашним мастерам. Для упрощения восприятия приведены тематические фотографии, схемы и видеоролики.

Планируя выполнить подключение солнечных панелей собственноручно, необходимо иметь представление, из каких элементов состоит система.

Солнечные панели состоят из комплекта , основное предназначение которых – преобразовывать солнечную энергию в электрическую. Сила тока системы зависит от интенсивности света: чем ярче излучения, тем больший ток генерируется.

Помимо солнечного модуля в устройство такой электростанции входят фотоэлектрические преобразователи — контроллер и инвертор, а также подключенные к ним аккумуляторы

Основными конструктивными элементами системы выступают:

• Солнечная батарея – преобразует солнечный свет в электрическую энергию.
• Аккумулятор – химический источник тока, который накапливает сгенерированную электроэнергию.
• Контроллер заряда – следит за напряжением аккумуляторов.
• Инвертор, преобразующий постоянное электрическое напряжение аккумуляторной батареи в переменное 220В, которое необходимо для функционирования системы освещения и работы бытовой техники.
• Предохранители, устанавливаемые между всеми элементами системы и защищающие систему от короткого замыкания.
• Комплект коннекторов стандарта МС4.

Помимо основного предназначения контроллера – следить за напряжением аккумуляторов, устройство по мере необходимости отключает те или иные элементы. Если показатель на клеммах аккумулятора в дневное время достигает отметки в 14 Вольт, что указывает на их перезарядку, контроллер прерывает зарядку.

В ночной период, когда показатель напряжения аккумуляторов достигает предельно низкой отметки в 11 Вольт, контроллер останавливает работу электростанции.

Защита солнечной батареи

Теперь, когда батарея собрана, необходимо предохранить ее от механических повреждений и воздействия погодных условий.

Лучше всего поместить элементы лицевой поверхностью на чистый лист стекла или оргстекла. Предпочтительнее использовать защитное стекло, затем, в порядке убывания защитных свойств, идут упрочненное оконное стекло, акриловый пластик и обычное оконное стекло.

Прозрачное покрытие предохраняет батарею от механических повреждений при ударах и скручивании, изгибах. Но оно плохо защищает от влаги.

Как известно, кремний слегка гигроскопичен; это означает, что он впитывает совсем немного воды. Однако после длительного периода времени наблюдается постепенное снижение выходных характеристик элемента, обусловленное влиянием влажности. Таким образом, срок службы батареи непосредственно зависит от качества влагоизоляции.

Влагоизоляцию можно обеспечить многими способами. В соответствии с одним из них тыльную сторону можно залить жидкой резиной. Для этого необходимо сделать рамку по периметру защитного стекла, чтобы жидкий полимер не перелился через край. Кроме того, прочная рамка хорошо предохраняет защитное стекло от бокового удара.

Согласно другому методу, тыльную сторону батареи покрывают толстым листом майларового пластика и нагревают всю батарею, например с помощью лампы накаливания, до расплавления майлара и его сцепления с передней защитной крышкой.

Эта операция требует определенного навыка, особенно в случае больших батарей. Заднюю майларовую крышку можно просто приклеить. Часто упомянутая операция проще нагрева, но при этом ухудшаются изоляционные свойства.

Наконец, тыльную сторону элементов батареи можно покрыть несколькими слоями латекса. Это выглядит не так эстетично, но обеспечивает достаточно хорошие влагоизоляционные свойства.

Последним способом по порядку, но не по значимости является изготовление влагонепроницаемой герметично изолированной коробки для элементов. Это дорого, но обеспечивает необходимую влагоизоляцию.

Использовать солнечные элементы можно так же, как любой другой источник питания. Каждый из них предназначен для поддержания определенной силы тока при заданном напряжении.

Тем не менее в отличие от обычных источников питания выходные характеристики солнечного элемента зависят от количества падающего света. Например, набежавшее облако может снизить выходную мощность более чем на 50 %.

Более того, не все элементы выдают одинаковую мощность при одинаковых условиях освещенности, даже если элементы идентичны по размерам и конструкции.

Отклонения в технологических режимах могут повлечь за собой заметный разброс выходных токов элементов одной партии. Эти факторы необходимо учитывать при разработке и изготовлении конструкций с солнечными элементами.

Следовательно, если желают обеспечить максимальную отдачу от фотоэлектрических преобразователей, необходимо проверить все элементы.

Литература: Байерс Т. 20 конструкций с солнечными элементами: Пер. с англ.— М.: Мир, 1988 год.

Преимущества и недостатки

Можно выделить следующие положительные аспекты установки солнечных батарей для дома:

1. Достаточно продолжительный период службы. При этом эксплуатационные показатели оборудования не ухудшаются.
2. Данные технологии редко выходят из строя и соответственно практически не требуют сервисного обслуживания.
3. Оборудование дома или квартиры таким альтернативным источником электроэнергии даст возможность в значительной мере сэкономить затраты на газ и электричество.
4. Солнечные панели отличаются простотой в эксплуатации.

В качестве недостатков солнечных панелей следует выделить:

• высокую стоимость изделия;
• батареи уступают по эффективности традиционным источникам энергии;
• также для синхронизации энергии, получаемой от батарей и традиционной энергии, потребуется установка дополнительного оборудования, что повлечет за собой расходы;
• панели для получения солнечной энергии нельзя применять для тех приборов, которые нуждаются в большей мощности.