Сетевые grid-tie инверторы для солнечных батарей

В тех районах, где осуществить подключение к централизованной электросети проблематично или нецелесообразно, особенно в солнечных регионах, — люди нередко прибегают к использованию в своих частных хозяйствах солнечных батарей. Они преобразуют энергию солнечного излучения в электричество, и таким образом позволяют потребителю получать электроснабжение для собственных нужд независимо от государственной электросети.

Но в силу того, что выработка электричества происходит на солнечных батареях неравномерно (в разное время суток, а также в зависимости от облачности и от текущих климатических условий), получаемую энергию человеку приходится все время накапливать в аккумуляторных батареях большой емкости. Такие батареи стоят дорого, к тому же срок их службы ограничен.

Свинцовые аккумуляторы проработают в такой системе лет 5, а литиевые — лет 10, но и стоят они в 5 раз дороже свинцовых. Таким образом, в конечном итоге именно аккумуляторы повышают реальную стоимость электроэнергии, вырабатываемой на солнечных батареях.

На практике оказывается, что срок окупаемости системы солнечных батарей с аккумуляторами и инвертором не оправдывает ее применение, и куда выгоднее было бы все же провести обычную сеть, подключиться как все, и получать электричество от обычной электростанции.

А возможно ли свою систему солнечных панелей вообще избавить от аккумуляторов, но при этом пользоваться всеми благами, какие она может дать? В принципе возможно. Для этого необходимо будет просто все время подавать генерируемую солнечными батареями электроэнергию в общую сеть, где вообще-то она всегда и нужна.

Когда на дворе ночь, владелец солнечных панелей по мере необходимости получал бы электричество от общей энергосети, а днем — подавал бы избыток выработанной у себя на солнечных батареях электроэнергии в сеть, и таким образом его солнечные батареи всегда оставались бы при деле, а он и его хозяйство — при электричестве. Достаточно установить сетевой Grid-tie инвертор.

Допустим, частная система солнечных батарей ее владельца за месяц подала в сеть 360 кВт-ч электроэнергии, но за этот же месяц из общей энергосети данным хозяйством было взято 300 кВт-ч. Это значит, что баланс в пользу нашего человека составил 60 кВт-ч, которые он отдал сверх того, что потребил.

Значит в принципе, в следующем месяце электроснабжающая компания может вернуть ему эти 60 кВт-ч без взимания за них какой-то платы, либо компания сама может заплатить за них данному человеку. В США так и делают: заключается договор между хозяином солнечных батарей и распределительной компанией, к системе устанавливается соответствующий всем требованиям Grid-tie инвертор, и всем хорошо.

Что же представляет собой Grid-tie инвертор? Grid – сеть, tie – связанный. Связанный с сетью инвертор. Вообще инвертор, в обычном понимании, — это устройство, преобразующее постоянный электрический ток в переменный ток стандартного для сети напряжения и частоты — 240 вольт 50 Гц или 120 вольт 60 Гц.

Но Grid-tie инвертор, в отличие от обычного инвертора, включается не между аккумуляторной батареей и потребителем, а между местным источником электроэнергии, которым может выступать небольшая солнечная электростанция, и электросетью.

Данный инвертор во время своей работы чутко следит за частотой и фазой синусоидального сетевого напряжения, чтобы адекватно и с высокой точностью во времени подавать электричество в данную сеть. Для этого инвертор обязан поддерживать свое выходное напряжение чуть-чуть выше текущей величины напряжения в сети, а опережение по фазе не должно превышать 1 градус по отношению к сетевому.

Управление Grid-tie инвертором осуществляет микропроцессор, который в режиме реального времени отслеживает частоту, форму и фазу сетевого напряжения, и тут же, в режиме реального времени, обеспечивает подачу переменного синусоидального напряжения соответствующей частоты и главное — фазы, при этом обеспечивая адекватный баланс реактивной мощности, в зависимости от характера нагрузки, создаваемой подключенными в данный момент потребителями.

Так в сети не возникает ни перенапряжений, ни перегрузок. Если же в централизованной сети по какой-то причине пропадет напряжение, то микропроцессор инвертора мгновенно инициирует отключение от сети (это требование Национального электрического стандарта США), чтобы электросеть по крайней мере точно оставалась обесточенной на время проведения ремонтных работ обслуживающим персоналом.

Практически такой инвертор, будучи однажды правильно установлен, не требует в будущем никакого обслуживания, и, что более важно, — не требует накопительной батареи.

Grid-tie инверторы бывают трансформаторными (с НЧ-трансформаторами) и высокочастотными (используются трансформаторы и дроссели меньших габаритов).

Низкочастотные трансформаторные инверторы сразу генерируют электроэнергию подходящую для подачи в электросеть. Высокочастотные сначала преобразуют низковольтное постоянное напряжение в высокочастотное импульсное напряжение, затем импульсный ток выпрямляют, и только после — подают в сеть с соответствующей низкой частотой и фазой. Бестрансформаторные инверторы (без гальванической развязки) небезопасны.

Источник

Дешёвая энергия: солнечная батарея своими руками

Главная страница » Дешёвая энергия: солнечная батарея своими руками

Солнечная энергетика быстро набирает популярность в обществе. Процент интереса к солнечным панелям стремительно увеличивается за счёт владельцев загородных домов, коттеджей, вилл. Не остаются в стороне и владельцы дачных хозяйств, для кого дешёвая энергия солнца также необходима. Вариант — солнечная батарея, обещает существенное снижение расходов на содержание любой недвижимости. Счета на оплату за потребление электрической энергии традиционно входят в книгу рекордов Гиннеса. А тут — электрический ток практически даром. Так ли это в действительности? Рассмотрим тему.

Определение солнечной батареи

Конструктивно солнечная батарея представляет собой схему преобразователя одного вида энергии в другой. В частности, энергия света преобразуется в электрическую энергию. Причём результатом преобразования становится электрический ток постоянной величины.

Активными элементами конструкции солнечной панели выступают полупроводники, обладающие свойствами фотохимического синтеза. Например, кремний (Si), применением которого были отмечены самые первые исследования в области получения электричества солнца.

Простейший набор из солнечной панели и автомобильного аккумулятора уже составляет конструкцию настоящей домашней энергетической установки

На текущий момент кремний уже не рассматривается безальтернативным химическим элементом, опираясь на который есть смысл сооружать солнечные батареи из панелей, в том числе своими руками.

Более перспективными и эффективными теперь видятся другие представители таблицы Менделеева (в скобках цифры энергетической отдачи):

1. Арсенид галлия GaAs (кристаллический 25,1).
2. Фосфит индия InP ( 21,9).
3. Фосфат индия с галлием + Арсенид галлия + Германий GaInP + GaAs + Ge (32).

Рассматривать солнечную панель глазами обывателя следует как пластину полупроводника (кремния и т.п.), каждая из сторон которой является положительным и отрицательным электродом.

Под влиянием света солнца, в результате химического фотосинтеза, на электродах панели образуются электрические потенциалы. Казалось бы, всё просто. Остаётся только подключить провода к нагрузке и пользоваться электричеством. Но на деле всё несколько иначе.

Эффективность солнечных батарей

Достичь высокой степени эффективности от использования солнечной батареи крайне проблематично. Тем более, когда солнечная батарея изготавливается своими руками, и делаются попытки получить энергию под бытовые нужды целого дома или хозяйственные нужды дачного участки.

Такая промышленная бытовая установка генерирует 150 ватт мощности при напряжении сети 12 вольт. Правда, заявленная мощность гарантируется при полностью открытом солнечном небосводе

Чтобы получать максимальную эффективность от солнечного генератора энергии, необходимо постоянно определять и точно согласовывать сопротивление нагрузки.

Здесь без привлечения технологичных электронных устройств – контроллеров управления, не обойтись никак. А сделать подобный контроллер своими руками – задача сложная.

Фотоэлементам, на основе которых выстраивается структура солнечных панелей, присуща температурная нестабильность. Практика применения указывает на значительное падение производительности фотоэлементов в результате повышения температуры их поверхности.

Так появляется ещё одна, не менее трудная задача. Её решение требует использования солнечного света, лишённого тепла. Сделать нечто подобное в кустарных условиях видится бесперспективной идеей.

И ещё недостатки альтернативной энергетики:

• потребность в значительных площадях под размещение панелей батареи;
• бездействие установки в тёмное время суток;
• наличие в составе компонентов батареи ядовитых веществ (свинца, галлия, мышьяка и т.п.);
• значительные эксплуатационные издержки.

Тем не менее, профессиональное изготовление солнечных генераторов энергии стабильно наращивается. Существует уже как минимум пять компаний, готовых предложить к установке современные конструкции, в том числе предназначенные для объектов жилой недвижимости:

• Canadian Solar
• Jinko Solar
• Hanwha Qcells
• JA Solar
• Trina Solar

Солнечная энергия в доме своими руками

Самостоятельное изготовление батареи на базе солнечных панелей, пригодной для нужд частного хозяйства, видится реальным делом только в рамках скромных проектов.

Батарея солнечная, собранная самостоятельно из кремниевых пластин, разложенная под прямыми лучами солнца, готова к тестированию на присутствие напряжения

К примеру, изготовление солнечной батареи своими руками для подзарядки небольшого аккумулятора, энергия которого используется для питания двух-трёх маломощных (6 – 12 вольтовых) фонарей.

По таким проектам делаются установки, вырабатывающие напряжение не выше 20 вольт при токе не более 1 А. Рассмотрим один из возможных вариантов создания солнечной батареи с похожими рабочими характеристиками.

Для реализации проекта потребуются:

1. Пластины кремниевых фотоэлементов.
2. Паяльник электрический.
3. Олово паяльное.
4. Этиловый спирт.
5. Канифоль сосновая для пайки.
6. Инструмент электро-монтажника.
7. Вспомогательные электронные компоненты и модули.

Подготовленные детали под сборку домашней (дачной) солнечной панели. Каждый из элементов является индивидуальным источником энергии. Их нужно объединить

Пластины фотоэлементов (кремниевых) проще всего приобрести уже готовые. Вполне пригодные конструкции разных размеров продаются по доступной цене. Также доступны предложения на отечественном Маркете:

Инструмент электро-монтажника, у человека знакомого с электроникой, как правило, имеется по умолчанию. Из вспомогательной аппаратуры потребуется регулятор заряда аккумулятора, инвертор.

Сборка солнечной батареи: пошаговая инструкция

Пошаговая сборка генератора на солнечных панелях выглядит примерно следующим образом:

1. Пайка отдельных пластин с фотоэлементами в единую солнечную батарею.
2. Проверка работы собранной батареи измерительным прибором.
3. Укладка панелей внутрь защитной конструкции.
4. Подключение собранной батареи через контроллер заряда к АКБ.
5. Преобразование энергии АКБ в требуемое напряжение.

Спайка отдельных панелей в единую батарею – работа кропотливая, требующая навыков пайки и внимания. Сложность действий для сборщика обусловлена здесь хрупкой конструкцией кремниевых пластин.

Пайку на пластинах выполняют аккуратно паяльником подходящей мощности, предварительно заточив жало под угол 45 градусов, используя качественный припой

Соединять пластины одну с другой рекомендуется плоскими ленточными проводниками. Цель – минимизировать, насколько это возможно, сопротивление проводников. Места пайки следует предварительно обрабатывать этиловым спиртом. Паять рекомендуется с минимальным использованием канифоли и олова.

Завершив спайку, нужно проверить конструкцию на работоспособность. Делается эта процедура обычным образом, с помощью измерительного прибора – тестера (стрелочного, электронного).

Проверка работоспособности солнечной батареи, сделанной своими руками с помощью обычного цифрового прибора для измерения напряжения, тока, сопротивления

На выходных проводниках замеряют выходное напряжение и ток в условиях максимальной и минимальной освещённости полотна. При качественной спайке всех пластин и без наличия дефектов, результат получается, как правило, положительный.

Контроллер заряда аккумулятора

Энергетическая солнечная установка станет надёжнее и безопаснее, если в состав её схемы включить контроллер заряда (разряда) аккумулятора. Этот прибор можно купить уже в готовом виде.

Но если имеются способности в области электроники и желания к совершенству, контроллер заряда нетрудно сделать своими руками. Для справки можно уточнить: разработаны два вида таких приборов:

1. PWM (Pulse Width Modulation).
2. MPPT (Maximum Power Point Tracking).

Если перевести на русский язык, первый вид устройств действует на принципах широтно-импульсной модуляции. Второй вид приборов создан под вычисление так называемой максимальной точки мощности.

В любом случае, обе схемы собраны на классической элементной базе, с той лишь разницей, что вторые устройства отличаются более сложными схемными решениями. В систему контроллеры заряда включаются так:

Классическая структурная схема включения контроллера заряда: 1 — солнечная панель; 2 — контроллер заряда/разряда АКБ; 3 — аккумулятор; 4 — инвертор напряжения 12/220В; 5 — нагрузочная лампа

Главная задача контроллера заряда АКБ энергетической солнечной установки – отслеживание уровня напряжения на клеммах аккумуляторной батареи. Недопущение выхода напряжения за границы, когда нарушаются условия эксплуатации АКБ.

Благодаря присутствию контроллера, остаётся стабильным срок службы аккумуляторной батареи. Конечно же, помимо этого прибор контролирует температурные и другие параметры, обеспечивая безопасность работы АКБ и всей системы.

Для сборки контроллера MPPT своими руками можно взять массу схемных решений. В поиске схемотехники проблем нет, стоит только сделать соответствующий запрос в поисковой системе. Например, собрать контроллер можно на основе такой вот, несложной на первый взгляд, структурной схемы:

На основе этой структурной схемы собирается достаточно эффективное и надёжное устройство контроля заряда АКБ по типу MPPT технологии

Однако для бытовых целей вполне достаточно простейшего ШИМ-контроллера, так как в составе бытовых энергоустановок, как правило, не используются массивные солнечные панели. Для контроллеров же типа MPPT, характерной особенностью является именно работа с панелями большой мощности.

На малых мощностях они не оправдывают их схемной сложности. Для пользователя приобретение таких приборов оборачивается лишними расходами. Поэтому логично рекомендовать для дома простой PWM аппарат, собранный своими руками, к примеру, по этой схеме:

Принципиальная схема простого ШИМ-контроллера для домашней солнечной установки. Работает с выходным напряжением панели 17 вольт и обычным автомобильным аккумулятором

Солнечная батарея: схема инвертора

Полученную от солнца энергию аккумулируют. В домашних условиях для накопления энергии обычно используется стандартная автомобильная батарея (или несколько батарей).

Напряжения и силы тока аккумулятора вполне достаточно для питания маломощных бытовых приборов, рассчитанных под напряжение 12 (24) вольт. Однако этот вариант устраивает далеко не всегда.

Поэтому дополнительно к собранной конструкции подключают инвертор – устройство, преобразующее напряжение аккумулятора в переменное напряжение 127/220 вольт, пригодное для питания бытовых приборов или хозяйственной техники.

Найти подходящую схему инвертора несложно. Есть множество идей на этот счёт. Традиционно схема инвертора включает следующие компоненты:

• полупроводниковую солнечную панель,
• интегральную микросхему типа SG3524 (регулятор заряда),
• аккумуляторную батарею,
• интегральную микросхему управления МОП-транзисторами,
• силовые МОП-транзисторы,
• трансформатор.

Структурная схема регулятора в паре с инвертором выглядит примерно так:

Структурная схема регулятора напряжения аккумуляторной батареи в ассоциации с инвертором-преобразователем напряжения для солнечной энергетической установки

Защитная конструкция солнечной панели

Собранную из хрупких кремниевых пластин солнечную батарею необходимо дополнительно защитить от внешнего воздействия. Защитный корпус делают на основе прозрачного материала, который легко поддаётся чистке.

Полиуретановые или алюминиевые уголки каркаса и прозрачное органическое стекло подойдут в самый раз. Разъяснять тонкости сборки защитного корпуса не имеет смысла. Это простейшая сборка, собранная своими руками при помощи набора бытовых инструментов.

Пример реализации домашней энергоустановки на видео

Представленное ниже виде демонстрирует существующие возможности сборки и эксплуатации домашнего энергетического источника от природы. Однако, как показывает практика, достичь с помощью самодельных устройств реально высоких мощностей в условиях бытовых — задача крайне затруднительная:

Источник