Расчет мощности солнечных батарей: сколько нужно для частного дома, подробная методика подсчета

Лучшие линейные лазерные уровни

Типы солнечных панелей

Гелиоустройства, как еще называют солнечные батареи, можно разделить на 2 основных группы. Все зависит от технологии, по которой они произведены:

1. Фотоэлектрический тип, может быть пленочным или кремниевым. Это полимерные фотоэлементы, которые последовательно соединены между собой контактами. Отдельный модуль – солнечная батарея.
2. Солнечный коллектор, бывает трубчатым и плоским. Лучшее решение, которое может накапливать электричество или подогревать теплоноситель.

Гибкие панели проще в установке и удобнее, но служат меньше.

Как устроены фотоэлектрические преобразователи

Название элементов подсказывает, что они конвертируют солнечную энергию в электрическую. Их производят в двух исполнениях – на алюминиевой раме и на полимерном полотне.

В первом варианте лицевая часть защищена стеклом, а задняя стенка закрыта изоляционной пленкой. Во втором обе защитные части сделаны из полимерных материалов.

Все фотоэлементы соединены друг с другом токопроводящими шинами, которые соединяются, чтобы получить единую систему. В зависимости от особенностей используемого кремния выделяют такие типы солнечных панелей:

1. Монокристаллические. Для них используется чистый кремний, который выращивают в виде монокристалла, а затем нарезается на пластинки толщиной от 0,4 до 0,4 мм. Эти заготовки служат основой будущих солнечных батарей. На одну панель требуется 36 таких пластинок.
2. Поликристаллические варианты на порядок проще в изготовлении, поэтому гелиоустройства этого типа стоят дешевле. Суть технологии в том, что кремний расплавляют, а потом медленно остужают, после нарезают поликристаллы на тонкие пластинки. Отличить разновидность несложно по характерному ярко-синему цвету.
3. На основе аморфного кремния. Этот вариант отличается от предыдущих тем, что используется технология, по которой испаряющийся кремний оседает на несущем элементе, потом этот тоненький слой покрывается защитным составом. Обычно устройства ставят на стенах домов и других строений.

Особенности конструкции панелей.

По эффективности лучше всего показывают себя монокристаллические батареи, их средний КПД обычно составляет от 14 до 20%. У поликристаллических этот показатель на порядок ниже – от 10 до 12%. Варианты с аморфным кремнием самые малопроизводительные, они рассчитаны на рассеянный свет и используются как вспомогательный источник энергии, их КПД – от 5 до 6%.

Пленочные варианты сейчас изготавливают на основе кадмия, индия и галлия. Это полимерный вариант, он хорош своей гибкостью, при этом показатели сопоставимы с классическими жесткими панелями. За счет безопасности (все вещества в составе в стабильном состоянии) и низкой цены это решение становится все популярнее.

Виды солнечных батарей

Устройства подразделяются на классы по степени мощности:

• маломощная;
• универсальная;
• панель солнечных элементов.

Кроме того, имеется три типа батарей с разным назначением:

1. Фотоэлектрические преобразователи (ФЭП). Осуществляют превращение солнечной энергии в электрическую.
2. Гелиоэлектрические станции (ГЕЭС). Используются для обеспечения функционирования различных промышленных установок — турбин, паровых машин и т.д.
3. Солнечные коллекторы (СК). Служат для теплоснабжения помещений.

Выбор и расчет солнечных батарей для частного дома требует от владельца знания конструктивных особенностей оборудования. Существует разделение по физико-химическому состоянию материала батарей. Этот вопрос следует рассмотреть подробнее.

Кремниевые батареи

Элементы из кремния — наиболее распространенные виды фотоэлектрических преобразователей.

Причиной этого является распространенность и доступность этого материала. При этом технология производства весьма сложная, изготовление элементов обходится в значительные суммы, что вынуждает производителей искать варианты снижения себестоимости.

Пока это получается только за счет снижения эффективности, но разработчики непрерывно ищут пути повышения качества и производительности своей продукции. Рассмотрим виды кремниевых батарей.

Монокристаллические

Самые эффективные и дорогие элементы. Используется кремний высокой очистки, технология получения которого отработана при изготовлении полупроводников. Элементы представляют собой тонкие срезы (300 мкм) с одного монокристалла, выращенного специально под такую задачу. Кристаллическая структура имеет правильную форму, зерна направлены в одну сторону. Себестоимость материала высока, КПД составляет 18-22%. Срок службы очень велик, минимум 30 лет.

Поликристаллические

Эти элементы получают путем постепенного охлаждения расплавленного кремния, при котором образуются поликристаллы. Структура такого материала не имеет правильной формы, зерна не параллельны и направлены в разные стороны. Производство обходится намного дешевле, поскольку для такой технологии требуется меньше электроэнергии, но КПД продукта получается более низким – 12-18%.

Аморфные

Аморфные батареи производятся не из кристаллического кремния, а из кремневодорода (силана), который наносится тонким слоем на материал основы. КПД этих батарей невысок – всего 5–6 %, но и цена самая низкая. При этом, есть и свои плюсы – высокий коэффициент оптического поглощения, способность работать при пасмурной погоде, устойчивость к деформации панели.

Гибридные

Гибридные панели представляют собой сочетание фотоэлектрических элементов и солнечных коллекторов. Дело в том, что при выработке энергии панели нагреваются и теряют производительность.

Для снижения нагрева применили водяное охлаждение. Оказалось, что количество тепла, полученное водой от фотоэлементов, может использоваться для бытовых нужд или для отопления помещений.

Такие солнечные батареи хороши как для генерации энергии, так и для отопления дома. Производители утверждают, что КПД таких панелей чрезвычайно высок (некоторые заявляют 80%), но это обычный маркетинговый ход, учитывающий стабильность показателей как возрастание эффективности.

Это еще один вид фотоэлектрических преобразователей, которые изготовлены не на кремниевой основе, а из нескольких полимерных пленок, сложенных в плотную пачку и выполняющих разные функции. КПД таких батарей ниже, чем у кремниевых, примерно в четыре раза, однако они легки, относительно дешевы в производстве и, как следствие, дешевле в продаже. Считается, что полимерные устройства имеют высокий потенциал и будут активно развиваться, поскольку дешевизна и скорость производства являются важнейшими преимуществами материала.

Определение стоимости системы

Назвать точно, во сколько вам обойдутся солнечные батареи вместе с необходимым техническим оборудованием и установкой, невозможно. Так как сегодня на рынке представлено огромное количество фирм, которые предлагают различные панели как по качеству, так и по мощности, срокам гарантии, дополнительным характеристикам. Есть даже схожие варианты по своим параметрам, но цена будет разной. Поэтому оценивайте все факторы в совокупности и выбирайте проверенных поставщиков. В среднем стоимость батареи мощностью 1кВт где-то в пределах 70 000 рублей. Но если вам нужно купить не одну панель, а несколько, то вы можете смело рассчитывать на скидку либо на бесплатную доставку.

Помимо расходов, связных с покупкой солнечных батарей, вам в обязательном порядке нужно будет приобрести и другие элементы системы, а именно: специализированный аккумулятор, инвертор и качественный контроллер. Например, мощный аккумулятор 12В и 200А/ч обойдется около 20 000 рублей. Есть и дороже, которые отличаются длительным сроком службы более 10 лет. В качестве альтернативы вы можете купить автомобильный аккумулятор, его цена будет на порядок ниже, однако его нельзя будет использовать в жилых домах, к тому же они не отличаются долгой работой, не более 5 лет обычно.

Ну и, конечно же, не обойтись без инвертора. С помощью инвертора постоянный ток от солнечной батареи перерабатывается в переменный с напряжением 220В, который мы используем для своих бытовых нужд. Инверторы также отличаются устройством, техническими характеристиками, производителями и сроком гарантии. Лучшими считаются синусоидные. Цена их находится в пределах от 13 000 до 20 000 рублей. Поэтому рассчитать общую сумму расходов на установку солнечной системы можно только исходя из своих потребностей, финансовых возможностей и качества оборудования.

Схема электропроводки от гелиопанелей

Чтобы понять, каким образом солнечная электроэнергия для дома попадает в электросеть и питает бытовые приборы, стоит рассмотреть схему работы солнечного оборудования. Несмотря на кажущуюся сложность, принцип действия схемы является достаточно простым и состоит из четырех этапов.

Солнечные панели являются первым компонентом электрической схемы. Они собираются из заданного количества пластин фотоэлементов в прямоугольные тонкие модули. Мощность фотопанелей может быть разной, однако она всегда делится на 12 вольт.

Для улавливания фотонов плоские панели размещают на открытых для солнечного света пространствах. Мощные солнечные батареи для дома получаются после объединения модульных блоков между собой. Такая батарея предназначена для преобразования солнечной энергии в постоянный ток.

Аккумуляторы служат для накопления электроэнергии, полученной от солнца. В данном случае, если бытовые приборы в доме были подключены к центральной электросети, то генерируемая солнечная энергия накапливается в аккумулирующих устройствах. Кроме того, они запасают излишнее количество электроэнергии, поступающей с гелиопанелей, которая не расходуется в полном объеме.

Задачей аккумулятора является подача необходимого количества электроэнергии и обеспечение стабильности напряжения, когда возрастает ее потребление. Ту же функцию аккумуляторные блоки выполняют в ночное время суток либо при недостатке солнечного света, когда фотопанели не работают.

Последний важный узел схемы электроснабжения от солнечных батарей – это инвертор. Он необходим для преобразования постоянного тока, который подается от солнечных модулей к аккумуляторам, в переменный с напряжением в 220 вольт. Как известно, такой уровень напряжения необходим для работы большинства современных бытовых приборов.

Суть устройства

Широта и долгота глубина проблемы

Представьте, что Вы – учёный. Вам попадается интересная статья, но результаты/эксперименты не могут быть воспроизведены в лаборатории. Логично написать об этом авторам оригинальной статьи, спросить совета и задать уточняющие вопросы. Согласно опросу, менее 20% делали это когда-либо в своей научной карьере!

Авторы исследования отмечают, что, возможно, такие контакты и разговоры слишком сложны для самих учёных, потому что вскрывают их некомпетентность и несостоятельность в тех или иных вопросах или раскрывают слишком много деталей текущего проекта.

Более того, абсолютное меньшинство учёных попыталось опубликовать опровержение невоспроизводимых результатов, сталкиваясь при этом с противодействием со стороны редакторов и рецензентов, которые требовали преуменьшить сравнение с оригинальным исследованием. Стоит ли удивляться, что шанс сообщить о невоспроизводимости научных результатов составляет порядка 50%.

Первый вопрос: Пытались ли Вы воспроизвести результаты эксперимента?

Второй вопрос: Пытались ли Вы опубликовать свою попытку воспроизвести результаты?

Может быть стоит тогда внутри лаборатории хотя бы проводить проверку на воспроизводимость? Самое печальное, что треть респондентов даже НИКОГДА и не задумывалось о создании методик проверки данных на воспроизводимость. Только 40% указало, что они регулярно пользуются такими методиками.

Вопрос: Разрабатывали Вы когда-либо специальные методики/тех.процессы для улучшения воспроизводимости результатов?

Другой пример, биохимик из Соединённого Королевства, которая не пожелала раскрывать своё имя, говорит, что попытки повторить, воспроизвести работу для её лабораторного проекта просто удваивают временные и материальные затраты, ничего не давая и не привнося нового в работу. Дополнительные проверки проводятся лишь для инновационных проектов и необычных результатов.

И конечно же, извечные русские вопросы, которые стали пытать зарубежных коллег: кто виноват и что делать?

Как рассчитать

Ее несложно создать, если под рукой иметь правильный расчет. Он создается по определенной методике, состоящий из следующего алгоритма:

• подсчет предполагаемой нагрузки токоприемников для определения суммарной мощности;
• установление параметров инверторного прибора и аккумуляторной батареи;
• подсчет количества необходимых солнечных накопителей (определение данного параметра проводится на основании данных о месте монтажа и уровня солнечного излучения, а так же на основании размера самой солнечной батареи);
• определение стоимости всей солнечной энергосистемы, подключенной к дому (здесь требуется рассматривать разные варианты от нескольких изготовителей).

Важный момент: в расчет накопителей необходимо закладывать примерно 15 – 30% запаса мощности. Это необходимо на аварийный случай, когда выйдет из строя хоть один модуль. Еще запас потребуется на основании увеличения бытовых устройств в доме. Здесь нужно помнить, что при подсчете среди приборов домашнего пользования не должно быть приборов с характеристикой низкого энергопотребления, а также ламп накаливания.

Гидроизоляция фундамента: оптимальный выбор технологии

Какую выгоду получает владелец дома после установки солнечных батарей

Установка фотоэлектрических преобразователей дает возможность получать электроэнергию независимо от поставщиков ресурсов. Если комплект солнечных батарей используется как дополнительный источник энергии, то появляется возможность значительно сократить расходы на электричество.

Еще один момент, который вскоре может стать важным для владельцев автономных электростанций. Правительство планирует ввести новый порядок расчетов за электроэнергию с владельцами автономных комплексов, подключенных к сети.

За энергию, которую частная энергосистема отдает в сеть, владелец будет получать определенную плату. Пока это только проект, но в скором времени он вступит в силу, стимулируя развитие возобновляемых источников энергии. Таким образом, установка солнечных батарей может позволить немного заработать, что никогда не бывает лишним.

Обработка данных и их оптимизация

При расчете солнечных батарей на дом стоит определить, каким образом они будут использоваться – в качестве основного источника питания или же резервного. В случае применения солнечных электростанций в качестве дополнительного питания, информация о почасовых нагрузках и среднесуточном потреблении энергии позволит использовать эти мощности более эффективно. Например, при перебоях с основным электричеством, энергоемкие бытовые приборы будут применяться минимальное количество времени, либо вовсе не будут включаться.

А вот в тех домах, где используется только электроэнергия от солнечных батарей, стоит обратить особое внимание на уровень почасовых нагрузок. При этом желательно применять электроприборы таким образом, чтобы предотвратить скачки энергопотребления в сторону минимальных или максимальных значений.

Например, при рациональном распределении нагрузки и эффективном использовании солнечной электроподстанции, можно сократить ежесуточное энергопотребление с 18 до 12 кВт/ч, а потребляемую мощность – с 750 до 500 Вт.

Аналогичным образом производится оптимизация потребления энергии от резервных солнечных батарей. Таким образом, можно будет избежать дополнительных расходов на приобретение аккумуляторов повышенной мощности.

Пример расчета мощности солнечной панели

Он будет проводиться для вышеупомянутой батареи. Она будет монтироваться в регионе, расположенном на 50° северной широты. Угол наклона панели равен 50°, отклонение от южного направления нулевое. Потери электроэнергии в системе составляют 20%.

Значения используемых показателей являются такими:

• I = 1 000 кВт*ч/(м²*год);
• V = 0,32 кВт;
• U = 1 кВт/м²;
• Ко = 1,11;
• Кпот. = 0,8.

Тогда Е = 1 000 * 0,32 / 1 * 1,11 * 0,8 = 284,16 *ч/год. Это означает, что одна панель может выработать 284,16 кВт*ч за один год.

Мощность за месяц июнь составит 5,25 * 30 * 0,32 / 1 * 1,11 * 0,8 = 44,75 кВт*ч/мес., а за месяц декабрь – 0,86 * 31 * 0,32 / 1 * 1,11 * 0,8 = 7,57 кВт*ч/мес.

Формула расчета электрической мощности солнечной батареи

В интернете существует довольно много информации о солнечных батареях, поэтому я лучше сосредоточусь на конкретных цифрах, позволяющих подсчитать среднее количество энергии, вырабатываемое солнечными панелями. Конечно, важным фактором, который необходимо учитывать при установке таких панелей – количество солнечной радиации, попадающей на них. К примеру, вы приобрели солнечные батареи, на которых указана мощность в 250 Вт. Это означает, что она будет выдавать вам 250 Вт солнечной энергии при радиации 1000 Вт/м². Естественно, что такие идеальные показатели можно достичь только при чистом небе и ярком солнечном свете. Для расчета электрической мощности нужно воспользоваться следующей формулой:

площадь батареи * эффективность преобразования * солнечная радиация.

Например,

1.6 м² * 15 % * 1000 Вт/м² = 240 Вт.

Расчет мощности солнечных батарей

Мощность солнечных панелей для автономных систем выбирается исходя из необходимой вырабатываемой мощности, времени года и географического положения.

Необходимая вырабатываемая мощность определяется мощностью, требуемой потребителям электроэнергии, которые планируется использовать. При расчете стоит учитывать потери на преобразование постоянного напряжения в переменное, заряд-разряд аккумуляторов и потери в проводниках.

Солнечное излучение величина не постоянная и зависит от многих факторов – от времени года, времени суток, погодных условий и географического положения. Эти факторы также должны учитываться при расчете количества необходимой мощности солнечных панелей. Если планируется использование системы круглогодично, то расчет должен производиться с учетом самых неблагоприятных месяцев с точки зрения солнечного излучения.

При расчете для каждого конкретного региона необходимо проанализировать статистические данные о солнечной активности за несколько лет. На основании этих данных, определить усредненную действительную мощность солнечного потока на квадратный метр земной поверхности. Эти данные можно получить у местных или международных метеослужб. Статистические данные позволят с минимальной погрешностью спрогнозировать количество солнечной энергии для вашей системы, которая будет преобразована солнечными панелями в электроэнергию.

Для примера рассмотрим усредненную дневную инсоляцию по месяцам с одного из серверов метеослужб для г. Москвы. Данные указаны с учетом атмосферных явлений и являются усредненными за несколько лет.

Единица измерения инсоляции в таблице кВт*ч/м2/сутки.

Угол наклона плоскости, градусы по отношению к земле (0°- инсоляция на горизонтальную плоскость, 90 – инсоляция на вертикальную плоскость и т. п.), при этом плоскость ориентирована на Юг.

Как видно, самым неблагоприятным месяцем для данного региона является декабрь, дневная усредненная инсоляция на горизонтальную поверхность земли составляет 0,5 кВтч/м2/сутки, на вертикальную – 1,22 кВт*ч/м2/сутки. При угле наклона плоскости относительно земли 70 градусов инсоляция будет составлять 1,26 кВтч/м2/день, оптимальным углом для декабря является 74 градуса. Самым благоприятным месяцем является июнь и инсоляция на горизонтальную поверхность составит 5,27 кВтч/м2/сутки, оптимальный угол наклона для июня 11 градусов.

Угол наклона солнечной панели, при круглогодичном использовании в системе, которая потребляет в среднем одну и ту же мощность независимо от времени года, должен совпадать с оптимальным углом наклона самого неблагоприятного месяца по количеству солнечной радиации. Оптимальным углом наклона для декабря в г. Москва является 74 градус, таким образом и стоит устанавливать солнечную панель, так как в другие месяцы инсоляция заметно больше, и как следствие выработки электроэнергии будет более чем достаточно. Более того, в зимнее время при углах наклона 70-90 градусов, на солнечной панели не будут скапливаться осадки в виде снега. Если задачей является получение максимальной мощности от солнечных панелей, в течение всего года, то требуется постоянно ориентировать солнечную панель максимально перпендикулярно солнцу.

Формула расчета мощности солнечных панелей

Pсп=Eп*k* Pинс / Eинс, где:

Pсп — мощность солнечных панелей, Вт;

Еп — потребляемая энергия, Втч в сутки;

Eинс — среднемесячная инсоляция (из таблицы) кВтч/м2/день;

Pинс – мощность инсоляции на земной поверхности на одном квадратном метре (1000Вт/м2);

k – коэффициент потерь на заряд – разряд аккумуляторов, преобразование постоянного напряжения в переменное, обычно принимают равным 1,2-1,4.

Формула расчета вырабатываемой энергии солнечными батареями

Eв=Eинс*Pсп/Pинс*k, где:

Pсп — мощность солнечных панелей, Вт;

Ев — вырабатываемая энергия солнечными панелями, Втч в сутки;

Eинс — среднемесячная инсоляция (из таблицы) кВтч/м2/день;

Pинс – мощность инсоляции на земной поверхности на одном квадратном метре (1000Вт/м2);

k – коэффициент потерь на заряд – разряд аккумуляторов, преобразование постоянного напряжения в переменное, обычно принимают равным 1,2.

Стоимость комплекта и срок окупаемости

Нельзя назвать точные сроки, за которые расходы на систему обеспечения электричеством окупятся. Есть много факторов, которые влияют на это. Но можно выделить несколько важных моментов и рассчитать ориентировочные показатели, которые подойдут в большинстве случаев и помогут оценить выгоду и решить, стоит делать подобную систему или нет:

Если дом не присоединен к централизованным коммуникациям, следует уточнить, в какую сумму обойдется подключение и оформление всей нужной документации. Расходы различаются по регионам и работам, которые надо провести энергоснабжающей организации, они могут составить от 50 до 500 тысяч рублей. По сути, система может окупить себя с первого дня или же на это потребуется пара лет.
Для бесперебойного обеспечения энергией, если подключения к сети нет, проще всего использовать генератор. С ним дом всегда будет с электричеством, даже если неделями стоит пасмурная погода

Он включается только при необходимости, что тоже важно. В таких случаях затраты окупаются в среднем за 5 лет.
Если есть центральная сеть, можно не ставить генератор и питаться от нее, когда вырабатываемой солнечными батареями энергии не хватает

Простое решение, которое позволяет уменьшить расходы на электричество, особенно летом, когда система может обеспечить полную автономность. В таких случаях средний срок окупаемости – 15 лет.

Включение в систему генератора делает ее сложнее, но предотвращает любые проблемы.

Что касается цены комплекта, средний набор из 4 модулей на 300 Вт и всего необходимого к ним стоит от 120 до 200 тысяч или больше, все зависит от производителя комплектующих. Этого достаточно для обеспечения электричеством дома площадью примерно 100 кв.м. Если строение больше или меньше, стоимость меняется, но сроки окупаемости обычно остаются примерно теми же.

Логическое заключение