Солнечные батареи для питания частного дома

Окупаются ли солнечные батареи для частного дома

Одним из преимуществ собственного дома является возможность его модификации. В том числе и источниками альтернативной энергии. Солнечные батареи для частного дома – наилучший на данный момент способ обеспечить себя экологичным электричеством.

С чего начать

Подсчет затрат электроэнергии. Для установления необходимой мощности системы солнечных панелей, нужно подсчитать, сколько электричества вы расходуете. Очень многое в этом вопросе зависит от того, используется ли частный дом постоянно или только как дача в определенные сезоны года. Для подсчета возьмите квитанции по оплате за электроэнергию за год и установите общее количество киловатт, затраченных за этот период, затем разделите на 12 (количество месяцев) – вы получите среднемесячный расход электроэнергии.

Расчет среднемесячного расхода потребляемого электричества

Как показывает опыт и отзывы реальных потребителей, в средней полосе России полученный результат необходимо умножить на коэффициент 16, чтобы получить необходимую мощность батарей в Ваттах.

Рассмотрим пример. За год вы потратили 1625 кВт, делим эту цифру на 12 месяцев и умножаем на коэффициент 16 – получается, 2166 Ватт. Т.е. система солнечных батарей будет обеспечивать такой дом, если ее мощность будет не менее 2200 Ватт/час

Где крепить?

Крыша. Закрепление солнечных батарей на крыше – очевидное, но не всегда лучшее решение для частного дома. Направленный на юг скат крыши действительно обеспечивает наилучший результат из стационарных способов крепления солнечных батарей, но на этом варианты не ограничиваются.

При таком закреплении скат крыши должен быть на ЮГ

Стены. Если стена «смотрит» на юг – она отлично подходит для размещения на ней солнечных батарей. Понаблюдайте, не падает ли на стену тень от деревьев, хозяйственных построек, забора, иных объектов. Не размещайте солнечные панели в этих местах.

Желательно также использовать южную стену

Не стоит ставить панели на восточной или западной стенах. Таким образом, в самый интенсивный период светового дня вы будете получать на свои панели только косые лучи, что значительно снижает эффективность системы

Свободное размещение. Самый эффективный вариант размещения солнечных батарей, но требует свободной площади во дворе. При свободном размещении солнечных батарей в частном доме их можно закреплять на шарнирах и таким образом, направляя их поверхность к солнцу под 90°.

Такое расположение батарей позволяет получить от них максимум мощности

Что входит в систему

Солнечные панели. О том, как их собрать, мы писали в этой статье (откроется в новом окне). Вы можете купить готовый комплект солнечных батарей для дома, но для экономии средств можно приобрести поликристаллические фотоэлементы и собрать солнечные батареи для своего дома своими руками.

Инвертор. Солнечные батареи вырабатывают постоянный ток, близкий к 12 или 24 вольтам (в зависимости от подключения), инвертор преобразует его в переменный 220 В и 50 Гц, от которого можно питать все бытовые приборы.

Аккумулятор. Даже их система. Солнечная энергия вырабатывается не постоянно. В пиковые часы её может быть переизбыток, а с наступлением сумерек её выработка прекращается вовсе. Аккумуляторы накапливают электричество в течении светового дня и отдают его вечером/ночью. Как выбирать аккумулятор для солнечной электростанции написано в этой статье (откроется в новом окне).

Важно знать. Не рекомендуется использовать для этих целей обычные автомобильные аккумуляторы – они приходят в негодность за 2-3 года эксплуатации (на такой срок службы они и рассчитаны)

Контроллер. Обеспечивает полный заряд аккумуляторной батареи и защищает её от перезарядки и закипания. О том, какой контроллер выбрать мы писали в этой статье (откроется в новом окне).

Выгодны ли солнечные батареи для частного дома

В западных странах мода на солнечную энергетику продиктована больше заботой об экологии, чем поиском экономической выгоды. У нас реалии несколько иные.

При сохранении нынешних цен на поставляемое электричество, система из солнечных батарей, собранная своими руками для одного частного дома и семьи из 4 х человек, полностью окупается за 4-5 лет. При этом срок службы фотоэлементов – составляет 20-25 лет, а вот аккумуляторы придется менять через 5-7 лет в зависимости от качества батарей.

Пока нигде в мире (и Россия не исключение) не наблюдается снижения цен на поставляемое электричество, поэтому за срок службы фотоэлементов в солнечной панели, система успеет окупиться как минимум 4-5 раз.

Видео. Как рассчитать необходимое количество солнечных батарей для дома

В ролике наглядно показан порядок расчета площади солнечных батарей для частного дома. Полезно для тех, кто хочет учесть все расходы на сооружение системы автономного солнечного электроснабжения уже на этапе планирования.

Источник

Как выбрать солнечные батареи для частного дома

Использование энергии лучей Солнца для получения электричества – это актуальное направление в альтернативной энергетике. По всему миру растет число, как больших солнечных электростанций, так и домашних СЭС. Есть города, энергоснабжение которых осуществляется полностью за счет Солнца. Использование данной технологии позволяет создавать независимое от централизованной системы электроснабжение жилья.

Солнечные батареи являются основным звеном в цепочке преобразования энергии света в электричество. Знание особенностей их работы, конструкции, характеристик заводских моделей, умение рассчитать требуемую мощность изделий и собрать схему – позволяют выбрать и обслуживать оборудование собственной небольшой электростанции.

Устройство солнечных батарей

Солнечная батарея – это набор фотоэлементов. Эти полупроводниковые (фотоэлектрические) устройства, объединенные в панели, преобразуют энергию солнечных лучей непосредственно в постоянный ток.

Конструктивно гелиопанель (она представлена схематически ниже на фото) в общем виде состоит из следующих частей:

• рамки;
• стеклянного покрытия;
• фотоэлементов;
• токопроводящих металлических контактов;
• основы (обратной стенки);
• пленки из полимерного материала.

Корпус (рамка, основа, стеклянное покрытие) предназначены для фиксации фотоэлементов, защиты их от разрушительного воздействия внешней среды. Каркасные детали изготавливают из диэлектрических материалов. Фотоэлементы к корпусу крепятся таким способом, чтобы их замена была возможной.

Фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) на сегодняшний день изготавливают из различных химических элементов. Но широкое промышленное распространение получили кремниевые фотоэлементы. Эти пластины состоят из двух, отличающихся физическими свойствами, слоев кремния.

Кремний – это полупроводник. Каждый слой батареи имеет свои особенности:

• внешний слой фотоэлектрического преобразователя содержит избыточное количество электронов (n-слой) – выступает в роли катода (отрицательного полюса);
• во внутреннем слое электронов не хватает (p-слой) – является анодом (положительным полюсом).

В результате неоднородности (разного типа проводимости) кремниевых полупроводниковых слоев ФЭП между ними устанавливается р-n переход. Возникает электронно-дырочная проводимость.

Неоднородность слоев фотоэлемента достигается несколькими способами:

• добавлением в один и тот же полупроводниковый материал разнообразных примесей (легирование);
• соединением разных по свойствам полупроводников;
• изменением состава;
• комбинированием нескольких способов.

Разновидности фотоэлементов

Солнечные батареи классифицируются по нескольким признакам:

• мощности;
• конструкции и структуре;
• материалу фотоэлектрического преобразователя.

Мощность солнечных элементов зависит от их площади и конструктивных особенностей. Промышленностью выпускается большое количество моделей: от миниатюрных (например, для портативной электроники) до крупногабаритных вариантов (для зданий, электростанций).

Конструктивно модули могут быть:

Использование тонкопленочных гибких моделей позволяет нивелировать некоторые неровности монтажной поверхности. В этом плане они универсальнее. Но гибкие панели дороже жестких аналогов.

По структуре панели бывают двухслойными и многослойными. КПД последних достигает 32 %, что на сегодняшний день делает их наиболее эффективным вариантом.

ФЭП по материалу фотоэлектрического слоя могут быть:

• кремниевыми;
• органическими;
• теллурий-кадмиевыми;
• арсенид-галлиевыми;
• полимерными.

Это далеко не полный перечень. Постоянно появляются новые материалы.

Виды кремниевых ФЭП

Есть несколько видов фотоэлементов на базе кремния:

• монокристаллические;
• поликристаллические;
• аморфные.

Монокристаллические панели (края у них округлые) среди трех разновидностей кремниевых ФЭП наиболее эффективны: КПД достигает почти 25 %. Такие модели при одинаковой мощности стоят дороже своих поликристаллических и аморфных аналогов. Но для производства 1 кВт электроэнергии понадобится меньше фотоэлементов, чем при использовании кремниевых аналогов с другой структурой.

По цене поликристаллические панели дешевле, но их КПД составляет до 18 %. Более низкая стоимость делает их гораздо доступнее для населения.

Аморфные ФЭП по структуре – это слой полупроводника (на базе кремния), который нанесен на гибкую основу. Такая особенность позволяет устанавливать их на неровные поверхности. КПД установок с аморфными фотоэлементами доходит только до 10 %. Но высокий уровень поглощающей способности в несолнечную погоду со слабым уровнем освещенности делает их более эффективными.

Принцип действия фотоэлектрических преобразователей

Работа фотоэлементов базируется на фотоэлектрическом эффекте: при действии электромагнитных волн на вещество его электронам передается энергия фотонов. Весь рабочий процесс схематически в батареях проходит следующим образом:

1. Солнечное излучение воздействует на внешний (n) и на внутренний (р) слои.
2. В области р-n перехода создаются некомпенсированные электронно-дырочные пары.
3. Возникшие свободные электроны переходят из р-слоя в n-слой. Дырки поступают в обратном направлении.
4. В результате в первой пластине возникает переизбыток электронов. Она получает отрицательный заряд.
5. Вторая пластина становится положительно заряженной.
6. Создается источник постоянного тока.

Принцип действия ФЭП

Через металлические контакты электроны поступают в нагрузку. После нее они попадают обратно в n-слой. Цепь замыкается.

Использование многослойных фотоэлементов позволяет свести к минимуму данное ограничение. Такие приборы поглощают солнечную энергию в большем спектре излучения за счет послойного изменения ширины запрещенной зоны (изменяется от большей к меньшей).

Мощности отдельных ФЭП достаточно только для питания портативных устройств, например, наручных электронных часов. Для получения мощностей, достаточных для запитывания бытовых потребителей, отдельные фотоэлементы соединяют в солнечные модули.

Схема и принцип работы домашней электростанции

Имея только солнечную батарею, не получится использовать производимую ей электроэнергию для питания электрических приборов. Чтобы создать домашнюю электростанцию по стандартной схеме (с напряжением на выходе 220 В), кроме гелиопанели понадобится приобрести (или самостоятельно собрать) еще ряд устройств:

• аккумуляторную батарею (АКБ);
• контроллер;
• инвертор.

Устройства должны соответствовать по своим рабочим характеристикам друг другу. Все подсоединения на участке цепи с постоянным током должны выполняться строго с соблюдением указанной полярности.

Работает схема так:

1. Вырабатываемое фотоэлементами солнечной панели напряжение подается на соответствующие клеммы контроллера. Прибор распределяет электроэнергию между потребителями и аккумулятором. Он контролирует величину заряда АКБ, защищая ее (от перезарядки или полной разрядки) и панель (от обратных токов).
2. Так как гелиопанель вырабатывает постоянный ток, то после контроллера (или аккумулятора) питание поступает на инвертор. Данный прибор предназначен для преобразования постоянного напряжения (величиной 12, 24 или 48 В) в переменное (220 В частотой 50 Гц).
3. После инвертора уже осуществляется подключение домашнего электрооборудования.

Аккумуляторы выполняют свою стандартную функцию – являются накопителями энергии. Заряжаются они в светлое время суток, а разрядка происходит ночью.

Для повышения уровня надежности электроснабжения устанавливают две аккумуляторные батареи: основную и резервную. Избыточная электроэнергия будет сохраняться в «резерве». Соединяют аккумуляторы последовательно или параллельно в зависимости от вольтажа АКБ и необходимой величины напряжения на их общем выходе. Пример представлен на иллюстрации:

Бывают случаи, когда используются для освещения лампочки на 12 В постоянного напряжения. Тогда инвертор не нужен.

Для защиты участков цепей переменного и постоянного тока используют предохранители с соответствующим номиналом по силе тока. Гелиопанели от перегрева и перегрузок по напряжению спасают с помощью диодов. Их число рассчитывается по количеству фотоэлементов в схеме.

Чтобы повысить эффективность работы гелиопанелей, их можно оснастить поворотными механизмами. Последние разворачивают панели максимальной площадью к Солнцу, используя специальные датчики слежения за светилом.

Эффективность солнечных батарей

В зависимости от действия различных факторов КПД солнечной электростанции способен изменяется как в сторону увеличения, так и уменьшения. На эффективность работы гелиопанелей оказывают влияние:

• температурный режим работы;
• уровень освещенности;
• угол, под которым панель освещается солнечными лучами;
• сопротивление потребителей (нагрузки);
• затемнение участков панели;
• загрязнение поверхности батарей.

Идеальным считается угол падения лучей на панель 90 градусов. Если он отклонится от прямого, например, в пределах 30 градусов, то КПД солнечной батареи упадет примерно на 5 %. Дальнейшее изменение угла приводит к значительному снижению производительности за счет увеличения количества отраженного света.

ФЭП должно быть равномерно освещено. Затемненные участки не только не генерируют электричество, но и становятся источниками дополнительной нагрузки. Перед батареями не должно быть объектов, закрывающих их частично или полностью от солнечных лучей. Поверхность панелей необходимо регулярно очищать от грязи и пыли.

Производители солнечных батарей

Иностранными лидерами в производстве солнечных батарей являются:

1. Японские компании Sanyo и Sharp. Sanyo созданы гелиопанели HIT-N230, которые при производительности почти 23 % тоньше вдвое, чем стандартные аналоги. Фирма Sharp известна выпуском мощных трехслойных модулей с КПД от 37 до 44,4 %.
2. Китайская фирма Jinko Solar. Она относится к крупнейшим в мире производителем с полным циклом: выпускает ФЭП в год примерно суммарной мощностью 10 ГВт. Гелиопанели Jinko Solar Eagle PERC с КПД 18 % стоят около 14000 рублей.
3. Южно-корейская Hanwha QCELLS (производит в год панелей на общую мощность до 8 ГВт).
4. Китайские компании: JA Solar (9 ГВт), Trina Solar, RISEN ENERGY (6,6 ГВт), GCL-Poly Energy Holdings (5,4 ГВт), Talesun (4,5 ГВт), Suntech (3,3 ГВт), ZNSHINE Solar (3,2 ГВт).
5. Канадская Canadian Solar.
6. Испанская IES.
7. Американская Sun Power.

Изготовлением и сборкой гелиопанелей в России занимается ряд фирм, среди которых можно выделить следующих:

• SOLBAT;
• Телеком-СТВ;
• РЗМПК (Рязанский завод металлокерамических приборов);
• Хевел;
• Автономные системы освещения (Sun Shines);
• Термотрон-завод.

В России очень распространены солнечные модули и полные комплекты для электростанций китайского производства. Связано это с их меньшей ценой, по сравнению с аналогами от производителей из других стран.

Характеристики и примеры моделей солнечных панелей

Технические характеристики солнечных панелей производители указывают в паспорте к оборудованию. Основными параметрами гелиопанелей являются:

• мощность и генерируемое напряжение;
• энергетическая эффективность (КПД);
• габариты;
• температурный коэффициент (показывает зависимость мощности, тока и напряжения на выходе от значения температуры).

Среди моделей гелиопанелей, отмеченных потребителями, значатся следующие:

1. Поликристаллическая AS–6P30 280W (производитель Amerisolar). Ее габариты 1640х992 мм, мощность 280 Вт, КПД 17, 4 %, цена примерно 7000 руб. (бюджетный вариант), гарантийное обслуживание – 2 года.
2. RS 280 POLY (производства Runda). Мощность 280 Вт, но цена около 6000 руб.
3. LP72–375M PERC (от компании LEAPTON SOLAR). При параметрах 1960х992 мм выдает 375 Вт. КПД составляет 19, 1 %. Цена находится в области 10000 руб.
4. NeOn 340 W (от LG) – это панель уменьшенного размера 1686х1016 мм. КПД модели 19,8 %. Ее мощность 340 Вт. Но цена составляет около 16000 руб.
5. SunForte PM096B00 333W (выпускается тайваньской BenQ) – монокристаллическая панель. Выдает 333 Вт при КПД 20,4 % и габаритах 1559х1046 мм. Стоимость модуля примерно 35000 руб.
6. Для покрытия потребностей дома в электроэнергии (5 кВт) подойдет, например, готовая электростанция от «Хевел» С3.

Цены на солнечные батареи и готовые комплекты (с аккумулятором, инвертором, контроллером и прочими комплектующими) варьируются в широком диапазоне. Стоимость комплектов лежит в примерном диапазоне 30000÷2000000 рублей. Если отдельно, то батареи обойдутся приблизительно от 5000 до 30000 руб.

Как самостоятельно выбрать солнечные батареи для дома

При выборе солнечных панелей необходимо ориентироваться (в общем) на следующие критерии:

• мощность (рассчитывается для каждого индивидуально) и КПД;
• категорию качества;
• нужный вариант энергообеспечения дома (режим работы электростанции);
• число солнечных дней по региону (позволяет определиться с периодом окупаемости и эффективностью гелиопанели);
• срок эксплуатации и гарантийного обслуживания;
• размер имеющейся площади под монтаж батарей.

Гелиопанели по качеству делятся на 4 уровня, которые отличаются долговечностью:

1. Grade A – высококачественные. Они теряют не больше 5 % от мощности с течением времени .
2. Grade В – среднего качества. Теряют до 30 % первоначальной мощности.
3. Grade В – низкокачественные. Мощность снижается на 30 и более процентов.
4. Grade D – это поломанные фотоэлементы. Идут (главным образом )на переплавку.

Предпочтение желательно отдавать классу Grade А. Но стоят такие модули дорого.

Солнечная электростанция может понадобиться для работы в таких режимах:

1. Аварийном (на время сбоев в сетевом электроснабжении). Для выбора панели нужно будет подсчитать потребление электроприборов, необходимых при отключении подачи энергии.
2. Базовом (полная замена питания от сети). Понадобится провести расчет суточного потребления.
3. Дневном.
4. В режиме обеспечения работы только некоторых электроприборов.

В зависимости от необходимого режима работы находится комплектация электростанции по требуемому оборудованию и его характеристикам. Что значительным образом отображается на затратах.

Число солнечных дней можно узнать из карты освещенности. Их может оказаться недостаточно для выработки системой необходимого количества энергии, ее окупаемости.

Как рассчитать необходимую мощность солнечных батарей

При выборе гелиопанелей мощность выступает одним из основных параметров данного оборудования, сказывающемся на его стоимости. Подобрать для домашнего использования по данному критерию модуль (соответственно прочие комплектующие) можно несколькими способами:

• определив суточное (почасовое) электропотребление всех имеющихся дома потребителей электроэнергии;
• по величине потребляемой электроэнергии (определяется по электросчетчику).

Чтобы определить суточное потребление электроэнергии домашними электроприборами, необходимо составить их перечень с указанием потребляемой мощности. После следует записать часы (период) и время работы каждого устройства в течение дня.

Умножением времени использования прибора на его мощность удастся рассчитать электропотребление в сутки. Суточное потребление электроэнергии получится сложением потребления всех единиц электрооборудования.

Солнечные панели за световой день по производительности должны покрывать рассчитанную суточную величину электропотребления. Желательно создать запас по мощности примерно 20 %.

Для проведения расчетов удобно все данные занести в таблицу. Её пример:

Пример таблицы для расчета электропотребления

По показателям счетчика требуемая мощность панелей рассчитывается упрощенным способом (например, потребление 210 кВт за 30 дней) в следующей последовательности:

• 210 кВт/30 дней = 7 кВт – средний дневной расход, а 7000 Вт/24 часов = 292 Вт (округленно) – это среднечасовое потребление;
• затем величину среднего потребления за день (7 кВт) необходимо разделить на усредненную продолжительность светового дня по региону (определяется широтой местности) – это даст требуемую производительность электростанции в час.

Изложенные выше способы позволяют получить усредненные данные. Более точную информацию даст учет в расчетах среднего числа солнечных дней в каждом месяце, средней продолжительности светового дня по месяцам года, потерь в цепи.

Дом с потребителями электроэнергии

Рассчитав величину электропотребления жилья удобным способом, можно приобрести готовые солнечные электростанции заводского производства либо самостоятельно собрать схему. В последнем случае понадобится правильно подобрать по мощности, рабочему напряжению и способу функционирования аккумулятор, инвертор, контроллер. Цены на устройства варьируются в широком диапазоне. Они зависят от эксплуатационных характеристик и вида оборудования, производителя. Поэтому в вопросе выбора большая роль принадлежит личным финансовым возможностям.

В нижеследующем видеоролике на примере с расчетами показан выбор солнечных панелей и других устройств, необходимых для создания домашней электростанции:

Источник