Характеристики солнечных батарей
Солнечные батареи, которые также называют солнечными панелями или солнечными модулями, строятся из отдельных фотоэлектрических преобразователей (так называемых солнечных элементов), которые соединяются друг с другом в последовательные и параллельные цепи, в совокупности работающие как единый источник тока.
Собственно одна панель может рассматриваться как источник тока. Несколько солнечных панелей образуют автономную солнечную электростанцию, которая может быть малой (если речь идет например о частном доме) или большой (если речь идет о промышленной солнечной электростанции) мощности. Размер солнечной станции зависит от ее назначения и от нужд ее потребителя.
Одна солнечная панель обычно содержит количество элементов кратно 12, а именно: 12, 24, 36, 48, 60 или 72 солнечных элемента. Номинальная мощность одной такой панели обычно лежит в диапазоне от 30 до 350 ватт. Соответственно размер и вес панели тем больше, чем больше ее номинальная мощность.
На сегодняшний день реальный КПД солнечных батарей, доступных широкому потребителю, лежит в пределах от 17 до 23%. Есть отдельные экземпляры, декларирующие КПД до 24%, но это скорее исключения и преувеличения. Лаборатории по всему миру стремятся разработать солнечные элементы, КПД которых хотя бы приблизился к 30% — это было бы очень хорошим результатом для источника энергии данного типа, если смотреть на вещи реально.
Солнечные батареи на базе кремния, как альтернативный источник электрической энергии, проверены временем, они отличаются надежностью и безопасностью, компактностью и относительной доступностью. Срок их нормальной эксплуатации доходит до 30 лет и даже превышает. Хотя, справедливости ради стоит отметить, что кремниевые фотоэлектрические элементы со временем деградируют, это выражается в снижении получаемой при полном освещении мощности примерно на 10% от первоначального номинала за каждые 10 лет активной эксплуатации.
То есть если в 2019 году приобреталась новая солнечная панель на 300 Вт, то к 2039 году она будет способна выработать максимум 240 Вт. По этой причине следует вычислять установленную мощность системы с определенным запасом по току. Что касается тонкопленочных элементов, то они временем не проверены, но специалисты утверждают, что скорость деградации в первые же годы у них многократно выше чем у монокристаллических и поликристаллических кремниевых элементов.
При нормальной эксплуатации ни замена элементов, ни какое бы то ни было иное специальное обслуживание монокристаллическим и поликристаллическим солнечным панелям не требуется. Они просты в установке, не содержат движущихся частей, их поверхность обращенная к солнцу всегда имеет защитное механически прочное покрытие.
Вольт-амперная характеристика солнечных батарей снимается в лабораторных условиях при производстве и приводится в спецификации. Стандартный тест проводится при радиации 1000 Вт/кв.м при температуре окружающего воздуха 25°С, как на широте 45°.
Здесь можно видеть крайние точки ВАХ, в которых снимаемая с батареи мощность обращается в ноль. Напряжение холостого хода — Voc — это максимально доступное напряжение на выходе батареи при разомкнутой цепи нагрузки. Ток при коротко замкнутой цепи нагрузки — Isc – это, соответственно, ток при нулевом выходном напряжении.
Практически батарея всегда работает в неком оптимальном режиме где-то посередине между этими двумя точками. В оптимальной точке MPP — максимальная мощность нагрузки. Номинальное напряжение для точки максимальной мощности обозначается Vp, а номинальный ток для данной точки — Ip. В этой точке определяется и КПД солнечной панели.
В принципе солнечная батарея способна работать в любой точке ВАХ, однако для получения максимальной эффективности полезно использовать точку наивысшей мощности, поэтому солнечные панели никогда не питают нагрузку напрямую. Для достижения лучшей эффективности, между солнечной батареей и аккумуляторами (инвертором) следует подключить контроллер заряда с технологией MPPT, который всегда будет работать в точке максимума доступной мощности при любой текущей интенсивности солнечного освещения.
Источник
Технические характеристики солнечных модулей
Основной составляющей солнечного модуля является солнечный элемент (ФЭП). состоят из солнечных элементов. Как правило – это 36, 48, 60 или 72 элемента. объединяют в автономные солнечные энергосистемы для того, чтобы генерировать больше электричества и обеспечивать нужды потребителей.
Солнечные модули их также называют солнечные батареи, и солнечные панели имеют массу типов и размеров. Чаще всего встречаются модули от 30 до 370 Ватт.
На сегодняшний день КПД солнечных модулей варьируется в пределах 17-23%. Американская компания «SunPower» в 2010 году достигла КПД солнечного элемента в 24,2%, что является рекордным показателем КПД на 2010 год. Ведущие лаборатории во всем мире разрабатывают новые материалы для солнечной энергетики с более высоким КПД (до 30%).
Солнечные батареи это проверенный временем, безопасный и надежный источник электрической энергии. Испытания показали, что срок эксплуатации солнечных батарей превышает 25-30 лет. Солнечные батареи теряют в мощности ; в среднем на 10% в 10 лет. То есть через 20 лет солнечная батареябудет генерировать энергию на 80% от своего номинала, т.е. 100 Ваттная солнечная панель будет генерировать до 80 Ватт в час при полном освещении. В остальном, никаких изменений не происходит. Дополнительное обслуживание и замена деталей также не требуется. Солнечные батареи из аморфного кремния (тонкопленочные) имеют срок службы от 5 до 20 лет. Однако данные цифры пока не проверены временем, поэтому тонкопленочные солнечные модули пока являются весьма сомнительным вложением денег. Более того, тонкопленочные модули обычно теряют от 10 до 40% мощности в первые 2 года эксплуатации. Поэтому, более 80% рынка фотоэлектрических модулей в настоящее время составляют кристаллические кремниевые модули. Остальные же компоненты системы имеют различные сроки службы: аккумуляторные батареи имеют срок службы от 3 до 15 лет, а силовая электроника — от 5 до 20 лет.
Солнечные модули надежны, долговечны и просты в установке, так как не содержат подвижных частей. В зависимости от области применения фотоэлектрические модули могут иметь разные конструктивные решения и разные выходные мощности. Наша компания изготавливает солнечные модули различных типоразмеров мощностью от 30 до 300 Ватт. Солнечные батареи имеют свою ВАХ (вольт-амперную характеристику), измеряемую в стандартных тестовых условиях (STC -Standart Test Conditions, солнечная радиация 1000 Вт/м2, температура — 25°С и солнечный спектр на широте 45° (АМ1,5). На рисунке можно наглядно увидеть зависимость между током и напряжением на выводах солнечного модуля.
Напряжение, при котором ток равен 0, называется напряжением холостого хода (Voc). С другой стороны, ток, при котором напряжение равно 0, называется током короткого замыкания (Isc). В этих крайних точках ВАХ мощность солнечного модуля равна 0. На практике, система работает при комбинации тока и напряжения, когда вырабатывается достаточная мощность. Оптимальным значением является точка максимальной мощности (MPP). Соответствующие напряжение и ток обозначаются как Vp (номинальное напряжение) и Ip (номинальный ток). Именно для этой точки определяются номинальная мощность и КПД солнечного модуля
Солнечный модульможет работать при любом параметре напряжения и тока, расположенным на его вольт-амперной характеристике (ВАХ), но в реальности модуль работает в одной точке в данное время. Эта точка выбирается не модулем, а электрическими характеристиками цепи, к которой данный модуль подключен. В настоящее время используются наиболее продвинутые и высокоэффективные контроллеры заряда с технологией MPPT (Maximum Power Point Tracking). Вычисление максимальной точки эффективности заряда от солнечного модуля, позволяет повысить эффективность генерации солнечной энергии до 25-30% по сравнению с контроллерами on/off и PWM. Установка контроллера с технологией MPPT во многих случаях эквивалентна установке дополнительного количества солнечных модулей на объекте.
Источник
Расчет мощности солнечных батарей на квадратный метр
Солнечные батареи получают энергию солнца и преобразуют ее в электроэнергию. Использование дармового ресурса обходится не совсем даром — стоимость оборудования достаточно велика, к тому же комплекс требует обслуживания, замены отработанных элементов, обновления состава. Для того, чтобы не тратить лишних денег, следует заранее определить мощность солнечных батарей, необходимых для обеспечения дома. Для этого надо знать параметры оборудования, какое количество энергии вырабатывает солнечная батарея в течение светового дня, сколько приходится на одну панель и на весь комплекс в целом. Вопрос сложный и емкий, поэтому рассмотрим его по порядку.
Что такое солнечная батарея
Если принято решение установить дома солнечную электростанцию, необходимо иметь точное представление о ее устройстве. В первую очередь, надо знать, что представляют собой солнечные панели и как они работают.
Прежде всего, надо уточнить терминологию. Под названием «солнечные батареи» принято понимать весь комплекс по принятию, преобразованию и накоплению солнечной энергии. Видимые элементы, расположенные на открытых участках (крышах, специальных опорных сооружениях или просто на земной поверхности) — это солнечные панели. Она представляют собой плоскость, составленную из отдельных солнечных элементов. Каждый из них является самостоятельным приемником солнечной энергии, преобразующим ее в электричество. Для этого использован фотоэлектрический эффект, возникающий при освещении полупроводников:
Эффективность солнечных батарей напрямую зависит от размера, типа и количества отдельных элементов, составляющих данный комплект. Один элемент способен выдать определенное, довольно небольшое количество энергии. Однако, объединенные в батарею (подключенные параллельно) и выполненные в виде сплошной принимающей поверхности (панели), они могут обеспечивать энергией определенное количество потребителей. Для пользователя остается лишь выполнить расчет солнечных батарей и определить, сколько нужно приобрести панелей и дополнительного оборудования.
Разновидности
Эффективность и производительность солнечных панелей зависят от конструкции отдельных элементов. Существует несколько разновидностей:
- Монокристаллические. Изготавливаются из одного монокристалла, выращенного из кремния в определенных условиях. Представляют собой тонкий поперечный срез. КПД составляет 17–22 %. Это самые дорогие и качественные элементы. Внешне выглядят как черные прямоугольники со скошенными краями.
- Поликристаллические. Разработаны для того, чтобы снизить себестоимость и конечную цену элементов. Изготавливаются из расплава кремния, состоящего из множества кристаллических образований. КПД составляет 12–18 %. Характеристики этих элементов несколько снижены, но и цена более доступная для массового покупателя. Внешне они представляют собой синие прямоугольники.
- Аморфные элементы. Эти элементы имеют более слабые характеристики, чем моно- или поликристаллические конструкции. Однако, они намного дешевле, что позволяет получить общую мощность аморфных солнечных панелей, не уступающую более производительным конструкциям. Разница только в количестве элементов. Аморфные солнечные батареи изготавливаются из разных материалов, могут быть жесткими или гибкими. Особенностью таких панелей является способность работать в пасмурную погоду, когда освещенность низкая.
Самыми производительными панелями считаются арсенид-галлиевые, но их обычно не учитывают в общей классификации. Они слишком дорогие, поэтому для частных пользователей не доступны.
Кроме этого, существуют одно- и двухсторонние солнечные батареи, способные поглощать свет одной или обеими сторонами. Однако, пока применения двусторонним панелям не найдено, так как для использования одновременно обеих сторон требуется отражающая система. Она сложна в изготовлении и настройке, дешевле использовать большее количество обычных панелей.
Состав комплекта солнечных батарей
Комплект солнечных батарей для дома представляет собой набор оборудования, где сами панели играют роль только приемника и источника энергии. Сами панели, принимая и перерабатывая свет в электрический сигнал, отдают его через контроллер заряда на аккумуляторные батареи. Они соединены с сетевым инвертором — устройством, преобразующим постоянный ток в стабильные переменные 230 В. Инвертор выдает это напряжение на потребителей, а излишки (если они есть) он может отдавать в централизованную сеть. Некоторые комплекты малой мощности работают только на снабжение собственного потребления и в сеть ничего отдать не способны. В европейских странах уже достаточно давно используется схема выдачи в сеть излишков энергии, за что владельцы частной солнечной электростанции получают определенные льготы, скидки или доплаты.
Все оборудование размещается в доме, снаружи только солнечные панели. Для частного дома этого комплекта может хватить даже без дополнительной подпитки из централизованной сети, если расчет количества солнечных батарей и дополнительного оборудования выполнен правильно. Особенностью любого комплекта является возможность увеличения его параметров путем установки дополнительных панелей и увеличения емкости аккумулятора. Поскольку производительность напрямую завязана на площадь освещенной поверхности, суммарный размер панелей определяет возможности всего комплекта.
Вычисляя параметры комплекса, необходимо делать поправку на непостоянство солнечного освещения. Например, в летнее время комплекс выдает в 10 раз меньше энергии, чем летом. Кроме того, погодные условия также вносят свои поправки. Поэтому, определить показатели солнечной электростанции можно только приблизительно, а при расчетах приходится делать большой запас. Максимальной эффективностью обладают крупные солнечные электростанции промышленного назначения, способные питать большие населенные пункты.
Где купить
Приобрести солнечные панели можно как в специализированном магазине, так и онлайн в Интернет-магазине. Во втором случае, особого внимания заслуживает бюджетный вариант приобретения изделий на сайте Алиэкспресс. Для некоторых панелей есть вариант отгрузки со склада в РФ, их можно получить максимально быстро, для этого при заказе выберите «Доставка из Российской Федерации»:
От чего зависит мощность солнечный батарей
Конструкция гелиобатареи — не единственный фактор, определяющий эксплуатационные показатели комплекса. В процесс вмешиваются внешние факторы, которые уменьшают возможности комплекса. Они воздействуют на работу оборудования поодиночке и сообща, снижая эффективность и уменьшая показатели гелиостанции.
Мощность солнечной батареи — это количество электроэнергии, которое она способна выдать в единицу времени. Это величина конечная, то есть рассчитанная по максимальному значению и имеющая определенный предел. Известно, что солнечная постоянная — 1 кВт на 1 м². Эта величина измерена в определенных условиях, обозначает количество энергии, падающее на земную поверхность в солнечный день при температуре 25° и постоянно вертикальном падении на поверхность. На практике получение полного расчетного объема энергии невозможно.
Характеристики самой качественной солнечной панели ограничены. Ее КПД не превышает 24 %, поэтому максимальной мощностью, полученной от 1 м² принимающей поверхности может быть 0.24 кВт. Это в идеальных условиях и с постоянной коррекцией положения поверхности относительно Солнца. На практике таких условий не бывает. В ситуацию вмешиваются погодные, климатические и сезонные условия. Возможны целые пасмурные недели, длительность светового дня в летний и зимний период существенно отличается.
Кроме этого, температура также влияет на способность солнечных элементов производить энергию — ее выработка значительно падает, как только температура поднимается выше +25°. Это означает, что в ясный летний день, когда мощность солнечных батарей на каждый квадратный метр должна быть максимальной, получить ожидаемый результат не удастся из-за сильного нагрева фотоэлементов. Поэтому, производя расчет солнечной электростанции, надо делать поправки на сезонные условия, длительность дня и прочие природные факторы.
Следующий фактор, который необходимо учесть при выполнении расчета — деградация гелиопанелей. Этот показатель у разных моделей отличается, есть образцы, сохраняющие до 90 % рабочих качеств даже через 20–25 лет эксплуатации. однако, у большинства панелей деградация происходит равномерно и пропорциональна длительности использования.
Кроме этого, расчет количества солнечных панелей необходимо делать с учетом потерь на дополнительном оборудовании — инвертор имеет КПД около 92–96 (и это одна из лучших моделей). Кроме этого, неизбежны потери на АКБ и контроллере, которые достигают 40 % и также снижают общие параметры комплекса. Сами приборы расходуют энергию на питание собственных плат. Поэтому, полный и точный расчет солнечных панелей — задача крайне сложная, требующая экспериментального подтверждения.
Расчет мощности
Рассмотрим подробно, как рассчитать мощность гелиопанелей. Прежде всего, необходимо вычислить свое потребление. Для этого надо сложить потребляемую мощность всех электроприборов, нагревателей, освещения и прочих потребителей. Сделать это непросто, так как придется вспомнить все мелочи, которых оказывается довольно много.
Для простоты рассмотрим пример расчета по готовой сумме потребления. Например, есть частный дом, который потребляет в месяц 300 кВт/час. Это означает, что в день потребление составляет 10 кВт/час. Здесь необходимо определить, сколько солнечных панелей, способных вырабатывать в сутки не менее 10 кВт, нужно для дома.
Прежде всего, надо определиться с временем работы системы. Даже самые мощные элементы способны принимать энергию только в определенное время суток. Рабочий период называется пиковыми солнечными часами. Их не следует путать с длительностью светового дня, которая гораздо больше. Однако, утренние и вечерние часы в расчет не берутся, так как для оборудования они непродуктивны.
Как правило, учитывается время с 9 до 16 часов. Этот период можно еще сократить, чтобы скорректировать потери от деградации панелей, изношенного оборудования или АКБ. Допустим, рабочее время панелей в сутки составит 5 часов. При потребности в 10 кВт, необходимо, чтобы на 1 час приходилась выработка не менее 2 кВт энергии. Руководствуясь этим значением, можно подсчитать, сколько солнечных батарей нужно для обеспечения дома, если часовая выработка составляет 2 кВт. Для этого надо изучить технические характеристики разных моделей и выбрать наиболее удачные варианты.
Существуют и другие методы. Можно рассчитать мощность по формуле:
где Рсп — мощность панелей, кВт;
Еп — суточное потребление, кВт;
К — коэффициент потерь (1.2–1.4);
Ринс — мощность инсоляции на земной поверхности;
Еинс — среднемесячное значение инсоляции (берется в таблицах).
Эта формула дает достаточно корректный результат, но неподготовленному человеку пользоваться ей трудно. Придется искать величины инсоляции, которые различаются по регионам. Для неопытных людей проще всего использовать онлайн-калькулятор, которых в сети довольно много.
Одна панель в сутки вырабатывает около 100 Вт энергии. Есть маломощные модели, по 50 Вт, пригодные для питания осветительных приборов с низким потреблением. Выбирать устройства необходимо с некоторым запасом, учитывая возможность появления дополнительных потребителей и деградацию оборудования. На практике приходится учитывать также стоимость панелей и условия их работы. Например, если солнечных дней в году мало, оптимальным вариантом станут гибкие модели, хорошо работающие даже в сумерках.
В заключение необходимо напомнить, что самостоятельный расчет мощности — задача трудная даже для профессионалов. Приходится учитывать большое количество факторов, о которых неподготовленный человек даже не имеет представления. Поэтому, лучшим вариантом будет обращение к специалисту, или расчет с помощью онлайн калькуляторе (что несколько хуже).
Видео по теме
Источник