Солнечная батарея – вещь полезная. Можно, к примеру, взять ее с собой на рыбалку и при первых лучах солнца зарядить от нее телефон. Или установить на крышу несколько солнечных панелей и забыть о счете за электроэнергию.
Но у солнечной батареи есть существенный недостаток, обусловленный ее базовым принципом действия – она может вырабатывать электроэнергию только при наличии солнца. Ночью, к сожалению, она «засыпает» и оставляет ваши электроприборы на произвол судьбы. Как же выйти из этой ситуации, чтобы можно было пользоваться благами технического прогресса круглосуточно? Конечно же, тут на помощь приходят аккумуляторы, которые при дневном свете заряжаются от солнечных панелей, а после наступления темноты отдают энергию электроприборам. Однако аккумуляторы – вещь капризная. Они не любят зарядки сверх паспортных данных, а также многие из них не любят полностью разряжаться. При нарушении режимов зарядки-разрядки они выходят из строя раньше положенного срока. Для того, чтобы снять и эту проблему, разработали специальные приборы, которые контролируют работу аккумуляторов и солнечных батарей. Они так и называются – контроллеры.
Как известно, солнечная батарея вырабатывает постоянное напряжение. Аккумулятор также работает с постоянным напряжением. А как же быть в случае, если нужно подключить к электричеству телевизор или холодильник? Они же работают от переменного напряжения, да еще и намного большей величины, чем вырабатывает солнечная батарея. К примеру, ваша солнечная батарея и аккумулятор рассчитаны на работу с 24 Вольтами постоянного напряжения, а вы хотите включить стационарный компьютер, который рассчитан на подключение к обычному сетевому напряжению! Для выхода из этого положения существуют преобразователи напряжения, именуемые инверторами. Аналогичные инверторы применяются в автомобилях. В автомобилях они превращают 12 вольт постоянного напряжения в 220 Вольт переменного.
Таким образом, для полноценного функционирования вашей солнечной электростанции необходимо иметь четыре компонента – солнечные панели, аккумуляторы, контроллер и инвертор. Ну и коммуникационные кабели, которые это все соединят воедино.
- Основы
- Варианты соединения
- Выбор контроллера
- Выбор аккумулятора
- Выбор кабеля и его соединение
- Выбор предохранителя
Основы
Солнечные панели следует установить таким образом, чтобы максимально взять свет от движущегося солнца. Следует учесть, что зимой солнце проходит почти над самым горизонтом, а летом поднимается практически к зениту. Например, если смонтировать солнечные панели на пологой крыше типа «шале», распространённой в Скандинавии, то их зимой просто заметет снегом, а если и не заметет, то, лучи солнца будут проходить по касательной и батарея будет развивать незначительную мощность. Если расположить их на крутой кровле, то панель будет малоэффективна в полдень. Из чего следует, что если направить солнечные панели на юг и наклонить под углом 45 градусов, то она в течение года суммарно поглотит наибольшее количество света, поскольку будут захватывать и горизонтальные лучи при восходе и заходе солнца и дневные вертикальные. Из этих рассуждений можно сделать вывод, что в течение года и суток, солнце располагается в зените гораздо реже, нежели над горизонтом, из чего следует, что солнечные панели оптимально располагать под углом 45-60 градусов к поверхности земли. Тогда они захватят свет и от зимнего низкого солнца, и от летнего восходяще-заходящего. По касательной будут проходить только лучи летнего полуденного солнца, но это именно то жаркое и светлое время, время, когда потребность в энергии минимальна. Эти выводы относится к средним широтам, ибо если вы обитаете на экваторе, то там нет сезонных изменений положения солнца, на экваторе они проходит по зениту, строго по линии север-юг и там совсем другие ориентации.
Если солнечные панели устанавливаются не на крыше, а в местах с легким доступом, например, на площадке возле дома, то можно их смонтировать таким образом, чтобы получить возможность изменять угол наклона с зимнего на летний режим. Следует позаботиться о надежности крепежа, поскольку солнечные батареи имеют высокую парусность и могут быть повреждены сильным ветром. Кроме того, должна быть обеспечена возможность очистки панелей от пыли, так как пыль резко снижает производительность системы.
Для установки солнечных панелей на пологих кровлях используют крепежные системы, называемые балластными. Они позволяют устанавливать требуемый угол наклона и изготовлены из специального нержавеющего профиля.
Если есть возможность применить достаточно большое количество солнечных панелей, их устанавливают с разной ориентацией по сторонам света и по углу наклона – часть из них следует направить на восток и запад, близко к вертикальному положению, а часть на их на юг, но более полого. Тогда в первую треть светового дня максимальную нагрузку несут панели, ориентированные на юго-восток и с наклоном 45 градусов, во вторую треть работают панели, направленные на юг и смотрящие почти в зенит, и остаток дня дорабатывают панели, направленные на заходящее солнце.
Варианты соединения
Если используется несколько солнечных батарей, то их нужно соединить в общую батарею. Солнечные панели можно соединять по-разному, в зависимости от того, какое выходное напряжение и мощность вам нужны.
Если соединить их параллельно, то есть все минусы соединить в одну точку, а все плюсы в другую, то напряжение на клеммах останется таким же, как и у одной солнечной батареи, но ток увеличится ровно во столько раз, сколько штук панелей вы соединили. Соответственно, во столько же раз увеличится мощность системы, поскольку мощность рассчитывается по формуле P= U ⋅ I, где P – мощность в Ваттах, U – напряжение в Вольтах, а I – ток в Амперах.
Если соединить их последовательно, то есть, плюс к минусу последующей, то напряжение системы вырастет во столько же раз, сколько солнечных батарей в системе. Мощность также вырастет за счет увеличения напряжения, по той же формуле P= U ⋅ I.
При последовательно-параллельном включении также возникают различные комбинации напряжений и мощностей. Например, 4 солнечных панели, соединенные последовательно-параллельно, выдают в 4 раза большую мощность, чем одна панель, в 2 раза большее напряжение и в 2 раза больший ток.
Если в системе используется аккумуляторы на 12 Вольт, и солнечные батареи на 12 Вольт, то они, конечно же соединяются параллельно, чтобы напряжение осталось неизменным, а именно 12 Вольт, а ток увеличился. В случае, если вольтаж солнечных батарей и аккумулятора не совпадают, то может быть использованы последовательные, параллельные, а также последовательно-параллельные соединения солнечных панелей или аккумуляторов. Например, солнечную панель на 48 Вольт можно нагрузить на четыре 12-Вольтных аккумулятора, соединенных последовательно.
Итак, вывод: параллельное соединение поднимает мощность за счет увеличения тока, последовательное – за счет увеличения напряжения, а последовательно-параллельное за счет одновременного увеличения и тока, и напряжения. Это все справедливое, если солнечные батареи смотрят в одну точку. Если они ориентированы в разные стороны света, напряжения и токи на каждой из них будут различные.
Выбор контроллера
При комбинировании солнечных панелей и аккумуляторов следует не забывать о соответствии их напряжений напряжению контроллера.
Контроллеры непрерывно совершенствуются, многие современные контроллеры снабжены дисплеем, делающим его работу наглядным, контроллеры стали настолько «умные», что не только следят за зарядкой-разрядкой, а еще и оптимизируют функционирование системы «солнечная батарея-аккумулятор» с тем, чтобы их взаимодействие происходило с максимальным коэффициентом полезного действия и в зонах наиболее комфортных режимов работы конкретного оборудования.
Несмотря на то, что многие контроллеры могут автоматически определять напряжение солнечной батареи и включаться именно в этом режиме, следует иметь ввиду, что большинство контроллеров работают с напряжениями 12 и 24 Вольта.
Контроллер следит сразу за несколькими процессами.
В первую очередь он определяет уровень заряда аккумуляторов. Аккумуляторы не должны продолжать заряжаться при стопроцентном заряде. Это может вывести их из строя. Поэтому контроллер размыкает цепь между солнечными батареями и аккумуляторами, как только их заряд достигнет паспортного уровня. Кроме того, аккумуляторы не должны полностью разряжаться. Во-первых, это некомфортно – система электроснабжения остается без резерва электричества, а во-вторых, многие типы аккумуляторов быстрее теряют работоспособность при полном разряде. В этом случае контроллер, определив, что аккумулятор разряжен ниже критического значения, замыкает цепь и подключает их к солнечной панели.
Кроме контроля состояния аккумуляторов, контроллер блокирует появление обратного тока. Что это за явление? Когда солнце светит на солнечную панель, ток от нее идет к аккумулятору. Но если солнечное излучение отсутствует (ночью или при ненастной погоде) то напряжение на аккумуляторах может превысить напряжение на солнечных панелях и ток потечет в обратную сторону – от аккумуляторных батарей к солнечным панелям. В этом случае контроллер среагирует и отключит аккумуляторы от солнечных панелей
Кроме того, контроллеры могут оптимизировать работу гелиосистемы. Они создают такие режимы зарядки, при которых аккумуляторы будут служить дольше, при этом накапливая больший заряд. Поскольку солнечная батарея – это полупроводниковый прибор, значит она имеет вольтамперную характеристику (ВАХ).
У каждой солнечной батареи она сугубо индивидуальная. Аккумуляторы также имеют свои особенности работы, в зависимости от конструкции. Контроллер изучает вольтамперную характеристику конкретной солнечной панели и вырабатывает режимы работы идеально подходящие для аккумуляторов. Отслеживание наилучшей энергетический точки, а именно сочетание напряжения, тока и сопротивления нагрузки позволяет выдавать максимальную мощность при минимальных перегрузках системы.
Модели контроллеров
Фирмы, разрабатывающие контроллеры, непрерывно совершенствуют их конструкцию, и на данный момент самые продвинутые модели – типа MPPT. MPPT – это сокращение от Maximum Power Point Tracking, что означает отслеживание точки максимальной мощности солнечной батареи для повышения эффективности работы системы.
Немного проще устроены контроллеры системы PWM (pulse-width modulation) – контроллеры, работающие по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ).
Это известные устройства, они применяются в компьютерах, мобильных телефонах, люминесцентных осветителях, в зарядных устройствах, и во многих других приборах. ШИМ-контроллеры уступают MPPT по тщательности оптимизации процесса зарядки, однако они существенно дешевле.
У контроллеров предусмотрен порт RJ-45. Такой тип разъема вы встречали в модемах и роутерах.
Он предназначен для пульта дистанционного управления.
К контроллеру тем же разъемом RJ-45 можно подключить WI-FI преобразователь, который позволит контролировать работу гелиосистемы с помощью мобильного телефона.
Выбор аккумулятора
Теперь рассмотрим аккумуляторы – энергетическую кладовую гелиосистемы. Можно, конечно, не вникать в подробности, а просто подключить аккумулятор от КРАЗа. Или от танка. Но, увы, такой аккумулятор очень быстро «сдохнет». Почему? Дело в том, что каждый тип аккумулятора предназначен для своих режимов работы. Автомобильный аккумулятор практически никогда не бывает разряжен. Это свинцово-кислотный тип, его нежелательно разряжать даже наполовину от номинального значения. Он любит мощно стартануть с высоким током, а потом постепенно подзаряжаться в процессе езды. Если его поставить накопителем энергии к солнечной батарее, он днем зарядится, вечером разрядится и тут наступит проблема. Ночью подзарядки нет.
Аккумулятор полностью разряжен в течение продолжительного времени, что является нарушением его рабочих режимов. Он долго не прослужит в таких условиях.
Для солнечных батарей рекомендуются аккумуляторы следующих типов:
Никель-солевые. Выдерживают глубокие разряды и до трех тысяч циклов. Очень долговечные. Срок службы до сотни лет.
Тяговые панцирные. Также выдерживают глубокий разряд. Цикличность порядка тысячи раз.
Гелевые. Устойчивы к глубокому разряду. Цикличность до 600.
Свинцово-кислотные AGM. Количество циклов до четырехсот. Здесь возникает вопрос – ведь выше было сказано, что свинцово кислотные для солнечных систем не годятся. Дело в том, что это не обычные свинцово-кислотные аккумуляторы, куда кислота просто заливается, путем отвинчивания пробки. По технологии AGM кислота находится в абсорбированном виде, что обеспечивает микропористая структура сепараторов и заполнение стекловолокном. Благодаря такой конструкции аккумулятор устойчив к глубоким разрядам.
Ну и широко распространенные сейчас литий-ионные аккумуляторы. Они также устойчивы к глубоким разрядам. Количество циклов 3000-6000, в зависимости от производителя. Некоторые изготовители заявляют цикличность до 20 тысяч раз. Срок службы – 10-20 лет.
Выбор кабеля и его соединение
Кабели для солнечных батарей тоже следует применять не первые попавшиеся. Дело в том, что они подвергаются круглосуточному атмосферному воздействию, поэтому должны быть устойчивы к жаре и морозу, дождю и снегу, к кислотам, щелочам и маслам, которые содержатся в атмосфере больших городов. Кроме этого, они должны соответствовать мощности солнечных батарей. Обычно используют кабели сечением 4-6 квадратных миллиметра, но если гелиосистема мощная, то следует произвести расчёт выходных кабелей, чтобы они выдерживали суммарный ток и напряжение всей системы. Изоляция на кабеле должна быть двойная, а провод многожильный. Если используется несколько солнечных панелей, то общие кабели должны выдерживать суммарный ток всей системы. Медный провод должен быть многожильный и луженый.
Кабели соединяются при помощи специальных разъемов-коннекторов. Для солнечных систем разработан стандарт коннекторов МС-4. Он рассчитан на кабели диаметром 4-6 мм, и выпускается, как многие электротехнические соединители, в двух вариантах – «папа» и «мама».
Коннекторы стандарта МС-4 имеют герметичный корпус внутренний силиконовый сальник и медные луженые контакты. Они рассчитаны на напряжение 1 килоВольт, ток порядка 25 Ампер и выдерживают атмосферные воздействия. Для параллельного подключения разработаны готовые специальные коннекторы.
Выбор предохранителя
Кроме вышеперечисленных элементов в солнечных системах обязательно используются предохранители, как во многих электроприборах.
Защита предусмотрена как по постоянному току (DC), так и по переменному (AC).
Рассматривать подробные электрические схемы соединения не имеет особого смысла, поскольку для каждой гелиосистемы потребуется подобрать индивидуальный набор элементов и оптимизировать электросхему. А поскольку все элементы рекомендуется приобретать у одного изготовителя для их лучшей совместимости, то это вообще излишне, поскольку специалисты на фирме подберут комплект оборудования и коммутационные элементы в соответствии с вашими условиями и возможностями, а также дадут подробную схему подключения и рекомендации.
