Солнечная батарея для автодома. Эффективно или нет?
Солнечная батарея. Что это?
Солнечная батарея — это объединение ячеек с полупроводниками (чаще всего кристаллы кремния), преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток. Солнечная панель — готовый продукт. А именно — определенное количество этих ячеек, соединенных между собой, базирующихся на твердой или гибкой основе заданного размера. Чем больше ячеек в панели, тем большего она размера, тем мощнее ее характеристики.
Эффективно ли это в наших широтах
Да. Эффективность солнечной батареи зависит от интенсивности солнечных лучшей и от правильного угла падения этих лучей на панель (в идеале угол должен быть прямым). Но даже в условиях облачности, а так же при горизонтальном плоскостном базировании, ячейки все равно вырабатывают зарядный ток, пусть и с меньшей эффективностью.
Типы солнечной батареи
По структуре кристаллов в ячейках солнечные панели разделяются на поликристаллические и монокристаллические. Различия в разной технологии производства. На практике существует множество споров, что лучше. Самое распространенное мнение — монокристалл работает лучше в ясную погоду, но почти полностью бездействует в пасмурную. Поликристалл работает хуже, чем монокристалл в ясную погоду, но выдают пусть и слабый, но зарядный ток даже в пасмурную погоду.
По строению солнечные панели разделяются на гибкие и твердые. В первом случае кристаллы кремния в ячейках сделаны более гибкими, что позволяет размещать панель на кривых формах. Гибкость такой панели все же значительно уступает листу бумаги, поэтому позиционировать ее можно только на изгибах с плавным, не большим углом или закруглением. Такие панели заметно легче, по сравнению с твердыми.
Твердые панели выполнены в раме из анодированного алюминия, сверху закрытые закаленным стеклом и полимерной пленкой. Такие панели имеют куда большую прочность и долговечность, лучше охлаждаются и стоят дешевле.
Позиционирование солнечной батареи
В идеале угол наклона панели к солнечным лучам должен примерно соответствовать широте места базирования. Для Москвы — 53°. Более эффективным будет менять угол 2 раза в год на 15° (в большую сторону для зимы, это позволит панели самоочищаться от снега, в меньшую для лета).
В реальности, крыша на автодомах и караванах плоская, поднимать и опускать панели каждый раз во время стоянки не каждому захочется. Горизонтальная позиция допустима, но при этом пропадает полезное рабочее время утром и вечером, когда солнечные лучи «соскальзывают» с панели и не преобразуется в достаточном количестве в электричество. Устранить этот недостаток можно либо большим числом панелей либо меньшим числом потреблением электроэнергии.
Контроллер. Это зачем?
Напряжение и зарядный ток на солнечной панели меняются в зависимости от интенсивности солнечного освещения. Контроллер выравнивает напряжение на выходе до «зарядного», прерывает заряд, избегая «перезаряд» аккумулятора, заново подключает «заряд» при «разряде» аккумулятора, отключает потребителей при критическом «разряде» аккумулятора. Существует 2 типа контроллеров: ШИМ (PWM) и MPPT. Отличаются они разными технологиями заряда. Если у вас одна или две солнечные панели, нужно использовать PWM контроллер, панели подключаем параллельно. Если число панелей более трех, эффективнее будет использовать MPPT контроллер, подключение панелей последовательное.
Монтаж на крышу
Гибкую панель можно сразу монтировать на клей-герметик. Для монтажа твердой панели используют специальный аэродинамичный крепеж, обеспечивающий просвет (около 10 мм) между рамой панели и крышей автодома для лучшего охлаждения (солнечная панель в процессе работы сильно нагревается и для поддержания рабочих показателей нуждается в вентиляции). Алюминиевый уголок из ближайшего строительного магазина так же станет отличным крепежом, пусть и не столь эстетичным. Рама панели с крепежом соединяются винтами через сверления, крепеж с крышей — через клей-герметик. Обычно это Sikaflex 252i, Sikaflex 552 или Decalin Decaseal 8936. При демонтаже герметик срезается струной. Соединение панелей между собой, а так же проводкой, идущей на контроллер, происходит с помощью специальных клемм. Для герметичной прокладки кабеля сквозь крышу используется пластиковый «проход», который так же монтируется к крыше на клей-герметик.
Аккумулятор
Любая солнечная панель призвана заряжать аккумулятор, а он в свою очередь раздавать электричество потребителям (12В на прямую, 220В через инвертор). Предпочтения следует отдать тяговым свинцово-кислотным аккумуляторам по AGM или GEL технологиям. Такие аккумуляторы выдерживают большое количество циклов заряда-разряда, герметичны и безопасны. При ограниченном бюджете так же подойдут жидко-кислотные свинцовые аккумуляторы. Для их безопасного использования необходимо обеспечить отвод на улицу вредных кислотных паров, выделяющихся при заряде.
Сколько панелей и аккумуляторов мне нужно в мой автодом?
Главный вопрос, задаваемый каждым караванером. Для ответа на него, необходимо сначала посчитать мощность всех потенциальных потребителей и периодичность их использования за одни сутки. Исходя из этого подобрать количество и емкость аккумуляторов, а так же мощность инвертора (если потребители будут на 220В), после — количество и мощность солнечных панелей (учитывая полезную площадь и рельеф крыши, а так же люки, грибки и антенны, мешающие позиционированию больших панелей). Если этот вопрос вызывает затруднения, можно начать с классического комплекта начинающего караванера: поликристаллическая солнечная панель на 150 Вт, гелиевый аккумулятор 100 А/ч.
Этот набор позволит вам:
- Пользоваться 12 вольтовым освещение;
- Использовать насос для воды;
- Заряжать телефоны, планшеты, ноутбуки;
- Смотреть небольшой ЖК-телевизор;
- Пользоваться системой раздува от 12В в вашем газовом отопителе.
В течении светового дня солнечная панель будет заряжать аккумулятор, вечером и ночью вы будите его использовать. Поняв, что мощности панели не хватает, что бы зарядить аккумулятор полностью в течении дня, вы всегда можете добавить еще одну или две панели на 100 Вт/150 Вт, подсоединив их параллельно первой.
Источник
Солнечная крыша для кемпера
С самого начала, когда проектировался жилой модуль встал вопрос, как в последствии будет использоваться крыша кемпера. Определиться нужно было для того, чтобы знать нужно ли закладывать на крышу усиленный каркас из более толстого профиля.
Внимательно поразмыслив, я отказался от идеи возить там какой-либо груз, по той причине, что ни к чему излишне задирать центр тяжести, увеличивать сопротивление воздуха, да и доступ туда не очень то удобный, при условии, что автомобиль почти 2.5 метра высотой.
Но совершенно пустая крыша — это как-то странно, а при условии, что энергопотребление нашего домика постепенно растёт, то совершенно логично было бы использовать пустующие поверхности под выработку электроэнергии посредством солнечных панелей.
Так я начал вникать в теорию солнечной энергетики применительно к своему автодому. По началу у меня было ощущение, что я забрел в темный и дремучий лес — настолько я запутался и в терминах и типах оборудования. Собственно, разобраться до конца я так и не сумел — пришлось обращаться к тем, кто в этом понимает.
Так я представляю вам нового партнера проекта #УАЗCargoCamperEdition — это MicroArt — разработчик и производитель с большим стажем.
Крыша у меня на самом деле довольно большая — ее общая площадь 4,875 м2 при размерах 2.5 метра на 1.95 метра. На всякий случай, я решил не занимать ее полностью и ограничиться площадью в задней части люк и по бокам от него.
Для начала разберемся с терминологией. Солнечные панели бывают разных типов:
1. Кремниевые. Батареи, в основе которых кремний, на сегодняшний день являются самыми популярными, в первую очередь из-за самой высокой эффективности. Они в свою очередь делятся на моно и поликристаллические.
Данные панели представляют собой силиконовые ячейки, объединенные между собой. Для их изготовления используют максимально чистый кремний, который после затвердевания разрезают на тонкие пластины толщиной 250-300 мкм, которые уже пронизывают сеткой из металлических электродов. Используемая технология является довольно дорогостоящей, поэтому и себестоимость и — как следствие — конечная цена на монокристаллические батареи выше, чем поликристаллические или аморфные. Главным преимуществом их является самый высокий показатель КПД (порядка 17-22%).
При изготовлении поликристаллических панелей кремниевый расплав подвергается медленному охлаждению. Такой способ менее энергозатратный и цена получается ниже монокристаллов, но у них более низкий КПД (12-18%).
2. Пленочные. Появление пленочных батарей обусловлено в первую очередь желанием снизить себестоимость производства солнечных батарей. Они также бывают нескольких типов:
Значение КПД таких панелей составляет всего около 11%, однако в пересчете на стоимость, получение ватта мощности от таких батарей обходится на 20-30% дешевле, чем у кремниевых, за счет своей более низкой цены.
Для производства этого типа панелей в качестве полупроводников используются медь, индий и селен. Пленочные солнечные батареи на основе селенида меди-индия имеют КПД равный 15-20%
Разработали данный тип панелей началась относительно недавно. В качестве светопоглощающих материалов используются органические полупроводники. Толщина пленок составляет 100 нм. Полимерные солнечные батареи имеют на сегодняшний день КПД самый низкий КПД всего 5-6%. Но их при этом у них очень низкая стоимость производства и как следствие доступность, а также они очень легкие.
Аморфный. Есть еще один тип панелей — аморфный. По типу используемого материала аморфные батареи относятся к кремниевым, а по технологии технологии производства — к пленочным. Используемый материал тонким слоем (меньше 1 мкм) наносится на материал подложки. КПД таких батарей крайне не высокий (всего 5-6%), однако они очень неплохо работают при пасмурной погоде, а также обладают повышенной гибкостью. Однако, есть еще один интересный эффект — через 2 года эксплуатации их производительность падает на 50-80% — это связано с химическими процессами пленки при воздействии на них солнечных лучей.
В моем случае, так как площадь крыши автомобиля относительно невысока в сравнении с крышей обычного дома, то наиболее важным фактором будет являться производительность панелей и поэтому выбор останавливается на монокристаллических панелях.
Таким образом у меня будут установлены три панели размером: 1200х553х35, каждая по 100 Вт мощностью соответственно.
- UazCargo CamperEdition
Более подробно с техническими характеристиками можно ознакомиться из спецификации:
Мощность: 100 Вт±1Вт
Номинальное напряжение: 12 В
Напряжение в точке максимальной мощности — 19,04 В
Оптимальный рабочий ток 5,16 А
Напряжение холостого хода: 22,8 В
Ток короткого замыкания: около 5,55 А
Размеры: 1200×553×35 мм Вес: 8,3 кг
Параметры измерены при стандартных условиях (освещенности 1000 Вт/м2 и температуре 25 °С)
В свою очередь монокристаллические панели делятся на классы:
- Grade A. Это высший класс, самый высокий КПД, отсутствие сколов, трещин и царапин, которые приводят к снижению эффективности преобразования света в электроэнергию. Идеальный внешний вид, однородность кристаллов, цвета и т. п
- Grade B. Второй сорт, частичный брак Эти элементы быстрее стареют и даже изначально производительность их меньше.
- Grade C. Это низкий сорт с самым невысоким КПД. К визуальным дефектам добавляются микротрещины, сколы отломанные кусочки элементов,
- Grade D — самый низкий сорт, сплошная отбраковка, самый низкий КПД. Это поломанные элементы, иногда из них делают маломощные модули из обрезков, но в основном эта отбраковка поступает в переработку на новый кремний.
Таким образом, даже формально одного типа панели могут сильно отличаться по цене. Это стоит учитывать, если вдруг вы видите какое-то уж очень выгодное предложение на китайских торговых площадках.
Согласно рекомендациям солнечные панели нужно устанавливать с зазором от крыши в 5см. Это нужно для их охлаждения, так как при работе они довольно сильно нагреваются, а перегрев приводит к снижению их эффективности. В моем случае я думаю сделать каркас из алюминиевой рамы, на котором разместятся панели, а спереди бока закрыть небольшим козырьком, который защитит их от удара в торец. Сами же панели довольно стойкие к механическим воздействиям и, как заявлено, гарантировано выдерживают падение на них 800 граммового стального шара с высоты 1 метр.
Панели будут соединяться последовательно и далее, просуммировав три раза свои 12 вольт они в виде 36 вольт, через специальные разъемы по проводам сечением не менее 4мм попадут на контроллер солнечной энергии.
Итак, следующий и, пожалуй, наиболее важный элемент этой системы это солнечный контроллер.
Говоря по-простому — задача контроллера состоит в преобразовании солнечного света в энергию. Контроллеры бывают двух типов: MPPT и PWM.
Maximum Power Point Tracking (MPPT) — это автоматический поиск точки максимальной мощности солнечных панелей в реальном времени. Примитивные MPPT контроллеры появились на рынке ещё в конце 1980-х годов. Сейчас в продаже уже MPPT контроллеры с современной схемотехникой, надежными и долговечными электронными компонентами и с управлением микропроцессором. Технология MPPT представляет собой наиболее эффективную технологию современных контроллеров заряда. Однако MPPT солнечные контроллеры существенно дороже обычных PWM (ШИМ).
В солнечную погоду напряжение солнечной панели всегда выше напряжения на аккумуляторе, а в пасмурную — ниже. Использование МРРТ контроллера позволяет нам заведомо увеличить напряжение от солнечных панелей по сравнению с АКБ, соединив их последовательно. Тогда, даже в пасмурную погоду напряжение солнечных панелей будет всё ещё выше АКБ, а в солнечную — намного выше. Задачу преобразования меняющегося в широком диапазоне входного напряжения и тока в подходящие для АКБ величины и выполняет МРРТ контроллер.
PWM (ШИМ). Простые солнечные контроллеры (без технологии MPPT) подключают солнечные панели к аккумулятору практически напрямую, и поэтому напряжение их сравнивается. КПД использования солнечной энергии ниже на 20-30% по сравнению МРРТ.
Основные преимущества контролеров MPPT по сравнению с PWM (ШИМ) контроллерами:
- ✔ высокий КПД/эффективность;
- ✔ оптимальная работа при затенении части площади солнечных панелей;
- ✔повышенная отдача при слабой освещенности и при облачной погоде;
- ✔ повышенная отдача при повышении температуры солнечного модуля (что ведет к снижению его мощности), и при отрицательных температурах воздуха (что, соответственно, ведёт к увеличению мощности);
- ✔ использование более высокого входного напряжения, позволяет уменьшить сечение кабелей;
- ✔ позволяет увеличить дистанцию от панелей до контроллера.
МРРТ контроллеры очень эффективны, КПД преобразования обычно 97 — 98%.
Контроллер рассчитан для работы в фотоэлектрических системах малой мощности при токе заряда до 20 А и напряжении аккумуляторов 12 или 24 В (со стороны солнечных панелей суммарное напряжение может быть до 100 В). Контроллер обеспечивает функцию слежения за точкой максимальной мощности солнечных панелей.
Ключевые преимущества:
Защита:
При монтаже контроллера рекомендуется размещать его как можно ближе к аккумуляторной батарее, чтобы длина проводов от него до клемм АКБ была минимальна. Также большим бонусом для меня является то, что можно использовать любые типы аккумуляторов, путем настройки контроллера. Сегодня у меня стоит простой щелочной АКБ, а завтра я возможно разорюсь на специализированную AGM батарею, простая перенастройка и контроллер выдает правильный тип заряда для этого типа батарей.
Ну и последний элемент этой системы это инвертор (МАП)
Инвертор МАП представляет собой многофункциональный преобразователь постоянного напряжения (инвертор напряжения) аккумуляторной батареи 12 В в переменное напряжение 220 В с частотой 50Гц, с функцией мощного заряда АКБ, и предназначен для питания различных потребителей электроэнергии (электроинструмент, бытовые электроприборы, радиоаппаратура ).
Инверторы бывают разные — с модифицированным синусом и с чистым синусом; сделанные по высокочастотной или по низкочастотной технологии; с возможностью заряда аккумуляторов и без встроенного зарядного устройства;
Модифицированный синус и чистый синус
Инверторы с модифицированным синусом значительно дешевле инверторов с чистым синусом, а при условии, что есть нагрузки, которым не важна форма (электронные гаджеты, компьютеры, сотовые телефоны) питающего напряжения 220 В то данный тип инверторов вполне себе востребован.
Однако некоторые приборы (двигатели, насосы, светодиодные лампы, холодильники и СВЧ-печи) от модифицированного синуса, будут работать менее эффективно, эти приборы будут больше греться, сильнее гудеть и работать с меньшей мощностью. Бывают даже устройства, которые не смогут работать от модифицированного синуса, например отопительные котлы.
Высокочастотные и низкочастотные инверторы
Обычный автомобильный инвертор это, как правило, маломощный инвертор, расчитанный для мало потребляющих устройств, таких как ноутбук, маленький пылесос, дрель небольшой мощности и другие.
Преимущество высокочастотных инверторов — это малый размер и вес (обычно от 1 до 5 килограммов), и низкая цена. Преобразование напряжения от аккумуляторов они производят на высокой частоте (обычно 20000 — 30000 Гц), поэтому требуется маленький трансформатор, маленькие конденсаторы. Но, как говорится, «у каждой медали, есть и оборотная сторона». Высокочастотные инверторы больше «фонят», излучают больше электромагнитных помех. У них редко встречается встроенное зарядное устройство, потому что в сети низкая частота, а низкочастотного трансформатора в них нет. В некоторых таких инверторах можно встретить зарядное устройство, однако его мощность обычно мала. Высокочастотные инверторы становятся ненадёжны, при больших мощностях нагрузки. Их стандартный модельный ряд находится в диапазоне мощностей 100-1500 Вт.
Низкочастотные инверторы
В низкочастотных инверторах используется, низкая частота (50 Гц) преобразования энергии от аккумуляторов. Эта частота соответствует частоте промышленной сети, в которой тоже 50 Гц. На такой частоте работают относительно большие и тяжёлые трансформаторы. Подобный трансформатор как бы является промежуточным буфером между электроникой инвертора и нагрузкой, что увеличивает надёжность устройства. Конструктивной особенностью низкочастотного инвертора является огромный трансформатор, занимающий почти половину корпуса прибора.
Главным недостатком низкочастотных инверторов является большой вес и высокая цена. Из плюсов есть возможность работать «в обратную сторону». То есть возможность подсоединить провод от стационарной сети 220 В обеспечить быстрый и мощный заряд автомобильного АКБ при необходимости.
Пусковая мощность
Существует понятие пусковой мощности. Для некоторых электроприборов, например электрообогревателей, пусковая мощность не отличается от номинальной рабочей мощности. При их включении нет скачка тока и они сразу начинают потреблять ровно свои заявленные цифры. Есть устройства, у которых пусковая мощность не значительно превышает рабочую, это, например, электроинструмент. А есть такие, у которых пуск в разы превышает рабочую мощность. Это, например, бытовые холодильники (превышение в 10 раз), кондиционеры, глубинные насосы, асинхронные двигатели, компрессоры, СВЧ-печи и др.
Итак, в мою систему добавляется инвертор с чистым (не модифицированным) синусом с максимальной мощностью в 2 кВт и пиковой пусковой в 3 кВт. При необходимости, через него можно будет подсоединить мой кемпер к бытовой сети в 220 В, чтобы быстро зарядить полностью высаженные АКБ при долгой стоянке или наоборот интенсивной эксплуатации внутренних потребителей. Не факт, что такая потребность у меня будет, но тем не менее функция эта полезная. Также появляется возможность подключения мощных электроприборов, таких как болгарка, сварочный аппарат и тому подобные. А еще можно запитать электрический тен, для нагрева водяного бака, — тот, что идет на раковину.
Вот, собственно, и все, что хотелось сказать в этот раз. Компоненты и их классификация подробно озвучены, в следующий раз покажу как всё это будет подключено и продемонстрирую как это функционирует.
Напоминаю, что Проект «Я строю внедорожный дом» строится и развивается при многочисленной и очень дружной поддержке:
- Жилой модуль полностью сварен из алюминия специалистами Triffid Trucks
- Строительство, обслуживание, тюнинг и дороботки лежат на плечах команды PickupService
- Лебедки, синтетические троса, шноркель, тент-маркиза и многое другое полезное оборудование установленное на автомобиле носит марку СТОКРАТ
- Силовой обвес, багажник, хабы,подвеска и многое другое фирмы РИФ предоставлено Автовентури
- Весь дополнительный свет которым оснащен наш кемпер тщательно подобран и настоен профессионалами команды Off-Road-Light
- Тепло в нашем внедорожном кемпере вырабатывается при помощи отопителя Webasto, грамотно установленного в техцентре Termo-PRO
- Великолепные зимние шины от Nokian Tyres Россия
- Кастомный задний бампер для автомобиля спроектирован и полностью реализован замечательным коллективом BigBender
- Раздвижные окна жилого отсека специально для меня сделаны силами «Внедорожные Оконные Решения»
- Поворотные кулаки с бронзовыми вкладышами и кастором +8 от барнаульского СТО Ваксойл-Сервис
- Потолочная консоль от roof-console.ru
- Расширители колесных арок, которые совсем скоро будут установлены, от Lapter
- GPS/GSM трекер отвечающий за запись трека и онлайн слежение за автомобилем от Locme
- Великолепная мебель от Александра Зодчего
Огромное вам всем спасибо за помощь и поддержку!
Источник