Пример расчета системы на солнечных батареях

Cистема энергоснабжения на солнечных батареях кажется очень простой. Как и в большинстве других систем электроснабжения от автономных источников, в ней всего 4 основных компонента — сами фотоэлектрические панели, аккумуляторы, контроллер заряда и инвертор, преобразующий низковольтный постоянный ток к бытовому стандарту ~220В. Однако все элементы должны быть согласованы между собой. И если компоненты, общие для всех подобных систем (инвертор, аккумуляторы, провода) рассмотрены на отдельной странице, то здесь я хочу рассмотреть компоненты, специфичные именно для фотоэлектрических систем — панели фотоэлементов (солнечные батареи) и контроллеры для них. Но, конечно, рассматривается самый главный вопрос — выбор мощности солнечных батарей или, что в реальной жизни с её неизбежными ограничениями в финансовых и материальных ресурсах гораздо актуальнее, — какой результат можно ожидать от солнечных батарей той или иной номинальной мощности, то есть стоит ли игра свеч?


Определение возможностей Солнца
   Методика расчёта
   Пример расчёта
   Анализ результатов расчёта
Выбор оборудования
   Выбор панелей фотоэлементов
      Выбор размеров панели
      Выбор напряжения солнечной батареи
      Типы фотоэлементов
      Выбор размещения и суммарной мощности панелей
   Выбор контроллера
      Типы контроллеров заряда
      Выбор мощности контроллера


Определение возможностей Солнца

Расчёт потребностей в электроэнергии для того или иного режима её использования рассмотрен на отдельной странице. Теперь надо определить возможности Солнца и, прежде чем начинать вкладывать в создание системы свои деньги и своё время, сравнить эти возмождности со своими потребностями. Основа расчёта ожидаемой выработки энергии — это данные по мощности солнечного излучения с учётом погодных условий. Желательно, чтобы данные были для разных углов наклона панели, хотя бы для вертикальной и горизонтальной ориентации.

Важнейшим вопросом является выбор угла наклона панели. Имея в виду возможность круглогодичного использования, следует предпочесть угол на 15° больше географической широты (к тому же, чем больше наклон, тем меньше на панели будут задерживаться пыль и снег). Для Москвы это 70°, благо возможность установить панель с ориентацией на юг под таким наклоном у меня имеется (отклонение от южного направления примерно на 10° к востоку непринципиально). Кстати, если не предполагается зимнее использование солнечных батарей, они вполне могут быть размещены на стене или скате крыши, ориентированном не на юг, а на запад или на восток, причём в этом случае лучше увеличить наклон панелей по сравнению с оптимальным для лета или вообще установить панели вертикально, так как в утренние и вечерние Солнце стоит близко к горизонту.

Методика расчёта

Наклон выбран. Теперь можно приступать к оценке потенциальной производительности солнечных батарей, или, что то же самое, к оценке количества солнечных модулей, необходимых для работы системы в желаемом режиме. Оценку следует провести как минимум для худшего месяца (для Москвы это январь), для большей части года (февраль - ноябрь) и для летнего максимума (в Москве это июль).

Стандартная инсоляция рассчитывается для площади в 1 квадратный метр. Однако точная площадь элементов солнечной панели нам не известна. Зато известна её номинальная мощность, которая определяется для стандартного потока света в 1 кВт/м2 при 25°С. Этого вполне достаточно. Приняв мощность солнечного излучения у поверхности Земли (максимальную инсоляцию) той же самой — что, в общем, соответствует действительности, — мы получим, что выработка батареи относится к инсоляции квадратного метра также, как мощность батареи относится к мощности солнечного излучения у земной поверхности в ясную погоду, приходящейся на 1 квадратный метр, то есть к 1000 Вт. Умножив месячную инсоляцию из таблицы на соотношение мощностей батареи и максимальной инсоляции, можно оценить выработку солнечной батареи за этот месяц.

Таким образом, выработку фотоэлектрической панели будем рассчитывать по следующей формуле:

Eсб  =  Eинс · Pсб · η / Pинс     (1),
где  Eсб — выработка энергии солнечной батареей;  Eинс — месячная инсоляция квадратного метра (из таблицы инсоляции);  Pсб — номинальная мощность солнечной батареи;  η — общий КПД передачи электрического тока по проводам, контроллера солнечной батареи и инвертора при преобразовании низковольтного постоянного напряжения в стандартное (если предполагается использовать низковольтное напряжение напрямую, то при достаточно толстых проводах η можно приравнять к 1, т.е. не учитывать);  Pинс — максимальная мощность инсоляции квадратного метра земной поверхности (1000 Вт). Инсоляция и желаемая выработка должны быть в одних и тех же единицах (либо киловатт-часах, либо джоулях).

Соответственно, зная месячную инсоляцию, можно оценить номинальную мощность солнечной батареи, требуемую для обеспечения необходимой месячной выработки.

Pсб  =  Pинс · Eсб / (Eинс · η)     (2).

Как правило, максимальная мощность солнечной батареи, заявленная производителем, достигается при напряжении на её выходе, превышающем напряжение аккумуляторных батарей на 15 .. 40%. Большинство недорогих контроллеров заряда могут либо подключать нагрузку напрямую, «просаживая» выходное напряжение батарей намного ниже оптимального, либо просто отсекать этот «излишек». Поэтому эти потери также можно заложить в КПД, уменьшив его на 10 .. 25% (потери мощности меньше потерь напряжения, поскольку при повышенной нагрузке «проседание» напряжения компенсируется некоторым увеличением тока, хотя и не полностью; более точно значение можно определить, лишь зная зависимость напряжения от тока нагрузки для конкретной батареи). Однако существуют модели контроллеров, которые удерживают эти потери в пределах 2 .. 5%.

Мощность солнечного излучения меняется от месяца к месяцу, а номинальная мощность солнечной батареи неизменна, и именно на неё следует ориентироваться при выборе места для установки и определении затрат. Формула (2) удобна, чтобы оценить номинальную мощность батареи для конкретных условий инсоляции, но мало подходит для оценки её возможностей в течении всего года. Поэтому построим таблицу на основании формулы (1), чтобы посмотреть, когда и какие режимы энергоснабжения могут позволить солнечные батареи различной номинальной мощности.

Пример расчёта

Поскольку для Москвы нет данных для наклона 70°, но есть данные для наклонов 40° и 90°, то в первом приближении можно использовать среднее значение между этими данными. Полученные значения месячной выработки округлялись до 1 кВт·ч в меньшую сторону. При оценке выработки учтён суммарный КПД инвертора и контроллера, равный 91% (это верхняя оценка реально достижимых значений на данный момент). «Режим дефицита» означает, что суммарной месячной выработки не хватит даже для внутренних потребностей самой системы (постоянной работы инвертора и контроллера). Для наглядности цветом выделены возможности батарей по обеспечению того или иного режима функционирования.

Номинальная мощность январь февраль март апрель май июнь июль август сентябрь октябрь ноябрь декабрь
Суммарная инсоляция, кВт·ч / м2 21.0 55.5 106.7 110.6 137.3 131.9 138.3 124.3 95.6 59.4 36.8 23.9
400 Вт 7 кВт·ч
дефицит
20 кВт·ч
мало
38 кВт·ч
мало
40 кВт·ч
мало
49 кВт·ч
мало
48 кВт·ч
мало
50 кВт·ч
мало
45 кВт·ч
мало
34 кВт·ч
мало
21 кВт·ч
мало
13 кВт·ч
дефицит
8 кВт·ч
дефицит
500 Вт 9 кВт·ч
дефицит
25 кВт·ч
мало
48 кВт·ч
мало
50 кВт·ч
мало
62 кВт·ч
аварийный
60 кВт·ч
аварийный
62 кВт·ч
аварийный
56 кВт·ч
мало
43 кВт·ч
мало
27 кВт·ч
мало
16 кВт·ч
дефицит
10 кВт·ч
дефицит
600 Вт 11 кВт·ч
дефицит
30 кВт·ч
мало
58 кВт·ч
мало
60 кВт·ч
аварийный
74 кВт·ч
аварийный
72 кВт·ч
аварийный
75 кВт·ч
аварийный
67 кВт·ч
аварийный
52 кВт·ч
мало
32 кВт·ч
мало
20 кВт·ч
мало
13 кВт·ч
дефицит
800 Вт 15 кВт·ч
дефицит
40 кВт·ч
мало
77 кВт·ч
аварийный
80 кВт·ч
аварийный
99 кВт·ч
аварийный
96 кВт·ч
аварийный
100 кВт·ч
базовый
90 кВт·ч
аварийный
69 кВт·ч
аварийный
43 кВт·ч
мало
26 кВт·ч
мало
17 кВт·ч
дефицит
1 кВт 19 кВт·ч
мало
50 кВт·ч
мало
97 кВт·ч
базовый
100 кВт·ч
базовый
124 кВт·ч
базовый
120 кВт·ч
базовый
125 кВт·ч
базовый
113 кВт·ч
базовый
86 кВт·ч
аварийный
54 кВт·ч
мало
33 кВт·ч
мало
21 кВт·ч
мало
1.2 кВт 22 кВт·ч
мало
60 кВт·ч
аварийный
116 кВт·ч
базовый
120 кВт·ч
базовый
149 кВт·ч
базовый
144 кВт·ч
базовый
151 кВт·ч
умеренный
135 кВт·ч
базовый
104 кВт·ч
базовый
64 кВт·ч
аварийный
40 кВт·ч
мало
26 кВт·ч
мало
1.4 кВт 26 кВт·ч
мало
70 кВт·ч
аварийный
135 кВт·ч
базовый
140 кВт·ч
базовый
174 кВт·ч
умеренный
168 кВт·ч
умеренный
176 кВт·ч
умеренный
158 кВт·ч
умеренный
121 кВт·ч
базовый
75 кВт·ч
аварийный
46 кВт·ч
мало
30 кВт·ч
мало
1.6 кВт 30 кВт·ч
мало
80 кВт·ч
аварийный
155 кВт·ч
умеренный
161 кВт·ч
умеренный
199 кВт·ч
умеренный
192 кВт·ч
умеренный
201 кВт·ч
умеренный
180 кВт·ч
умеренный
139 кВт·ч
умеренный
86 кВт·ч
аварийный
53 кВт·ч
мало
34 кВт·ч
мало
1.8 кВт 34 кВт·ч
мало
90 кВт·ч
аварийный
174 кВт·ч
умеренный
181 кВт·ч
умеренный
224 кВт·ч
умеренный
216 кВт·ч
умеренный
226 кВт·ч
умеренный
203 кВт·ч
умеренный
156 кВт·ч
умеренный
97 кВт·ч
аварийный
60 кВт·ч
аварийный
39 кВт·ч
мало
2.0 кВт 38 кВт·ч
мало
101 кВт·ч
базовый
194 кВт·ч
умеренный
201 кВт·ч
умеренный
249 кВт·ч
умеренный
240 кВт·ч
умеренный
251 кВт·ч
комфорт
226 кВт·ч
умеренный
173 кВт·ч
умеренный
108 кВт·ч
базовый
66 кВт·ч
аварийный
43 кВт·ч
мало
2.5 кВт 47 кВт·ч
мало
126 кВт·ч
базовый
242 кВт·ч
умеренный
251 кВт·ч
комфорт
312 кВт·ч
комфорт
300 кВт·ч
комфорт
314 кВт·ч
комфорт
282 кВт·ч
комфорт
217 кВт·ч
умеренный
135 кВт·ч
базовый
83 кВт·ч
аварийный
54 кВт·ч
мало
3.2 кВт 61 кВт·ч
аварийный
161 кВт·ч
умеренный
310 кВт·ч
комфорт
322 кВт·ч
комфорт
399 кВт·ч
комфорт
384 кВт·ч
комфорт
402 кВт·ч
комфорт
361 кВт·ч
комфорт
278 кВт·ч
комфорт
172 кВт·ч
умеренный
107 кВт·ч
базовый
69 кВт·ч
аварийный
5.3 кВт 101 кВт·ч
базовый
267 кВт·ч
комфорт
514 кВт·ч
комфорт
533 кВт·ч
комфорт
662 кВт·ч
полный
636 кВт·ч
полный
667 кВт·ч
полный
599 кВт·ч
комфорт
461 кВт·ч
комфорт
286 кВт·ч
комфорт
177 кВт·ч
умеренный
115 кВт·ч
базовый
8.0 кВт 152 кВт·ч
умеренный
404 кВт·ч
комфорт
776 кВт·ч
полный
805 кВт·ч
полный
999 кВт·ч
полный
960 кВт·ч
полный
1006 кВт·ч
полный
904 кВт·ч
полный
695 кВт·ч
полный
432 кВт·ч
комфорт
267 кВт·ч
комфорт
173 кВт·ч
умеренный
13.5 кВт 257 кВт·ч
комфорт
681 кВт·ч
полный
1310 кВт·ч
полный
1358 кВт·ч
полный
1686 кВт·ч
полный
1620 кВт·ч
полный
1699 кВт·ч
полный
1527 кВт·ч
полный
1174 кВт·ч
полный
729 кВт·ч
полный
452 кВт·ч
комфорт
293 кВт·ч
комфорт
31.5 кВт 601 кВт·ч
полный
1590 кВт·ч
полный
3058 кВт·ч
полный
3170 кВт·ч
полный
3935 кВт·ч
полный
3780 кВт·ч
полный
3964 кВт·ч
полный
3563 кВт·ч
полный
2740 кВт·ч
полный
1702 кВт·ч
полный
1054 кВт·ч
полный
685 кВт·ч
полный

Анализ результатов расчёта

Проанализируем полученную таблицу.

Прежде всего надо сказать то, что 400-ватной номинальной мощности батареи в Москве не хватит на поддержку аварийного режима даже в летние месяцы. Тем не менее, в период с мая по начало августа её выработка превышает 80% аварийного минимума, а потому с учётом тепла и длинных дней в этот период такую номинальную мощность можно считать допустимым аварийным вариантом для дачи, особенно если инвертор будет работать не постоянно, а только тогда, когда электричество действительно нужно. Однако приобретение солнечных батарей меньшей мощности можно рассматривать лишь для каких-то специальных целей — хоть сколько-нибудь приемлемое круглосуточное бытовое электроснабжение они не обеспечат даже летом! Для маломощных систем критически важным является собственное потребление инвертора и контроллера заряда. Оно кажется незначительным (в расчёт заложено всего 25 Вт, что соответствует современным моделям этих устройств), однако из-за непрерывной работы за сутки набегает 0.6 кВт·ч, а за месяц — 17 .. 19 кВт·ч в зависимости от длительности месяца. То есть почти треть от выработки, необходимой для аварийного режима! Поэтому в тёмные месяцы суммарная выработка маломощной солнечной батареи становится меньше этой величины. Современные инверторы и контроллеры заряда предусматривают защиту от переразряда аккумуляторов (они просто отключают нагрузку), поэтому фатальное повреждение системы маловероятно, но непрерывное наличие напряжения в маломощной автономной системе не гарантируется зимой даже при отсутствии нагрузки — слишком велики затраты энергии на поддержание собственной работы! В таблице это время выделено серым цветом — в пасмурные зимние дни такая солнечная батарея не сможет круглосуточно поддерживать напряжение в розетках, хотя в солнечную погоду и в эти месяцы она вполне обеспечит питание электроприборов соответствующей мощности.

500-ваттная батарея в подмосковных условиях уже способна дать аварийный минимум в период с мая почти до конца августа и выдавать 80% этого минимума в апреле и даже в марте. 600-ваттная система расширяет период возможного аварийного использования «солнечного электричества» со второй половины марта до начала сентября.

800-ватная солнечная батарея летом позволяет базовый режим электропотребления, да и с марта по сентябрь выработка уверенно превышает аварийный минимум. Кроме того, такая установка уже в силах обеспечить напряжение в розетке почти круглогодично — лишь в декабре и январе наблюдается небольшой дефицит выработки.

Следующий рубеж берёт батарея с номинальной мощностью 1.2 кВт. В июле она может обеспечить умеренный режим электропотребления, а с марта по сентябрь — базовый. Кроме того, в течении всего года выработка превышает внутренние потребности системы, а потому при малой внешней нагрузке (порядка 5 .. 10 Вт) она способна круглогодично поддерживать напряжение в розетках. Это позволяет использовать её для обеспечения гарантированного питания маломощных систем контроля, таких как пожарные и охранные сигнализации. Аварийный же минимум обеспечивается бóльшую часть года, за исключением самых тёмных месяцев (ноябрь-январь).

Двухкиловаттная солнечная батарея может поддерживать комфортный или близкий к нему режим с мая до середины августа и базовые потребности с февраля по октябрь. Правда, в ноябре её мощности хватит лишь для аварийного режима, а в декабре и январе даже эти скромные требования она не обеспечит. Лишь номинальная мощность в 3.2 кВт даёт гарантию аварийного минимума в течении всего года, а период комфортного использования «солнечного электричества» расширяется на весь период длинных дней — с марта по сентябрь включительно.

5.3 кВт номинальной мощности позволяют в мае-августе использовать электричество от батарей практически без ограничений и круглый год гарантируют базовые потребности. 8 кВт делают возможным круглогодичное использование автономного электричества в умеренном режиме, 13.5 кВт — в комфортном.

Наконец, солнечная батарея с номинальной мощностью 31.5 кВт позволила бы мне круглый год не зависеть от внешней электросети и при этом не испытывать никаких ограничений в использовании электричества в условиях Подмосковья! Однако стоимость одних только фотоэлектрических панелей для 30-киловаттной системы по оптовой цене 100 тысяч рублей за киловатт составит 3 миллиона, а площадь их поверхности при КПД 17-18% будет около 200 квадратных метров...

Впрочем, эти огромные цифры относятся к пасмурной зимней Москве. Судя по таблице инсоляции, для тех же режимов в Сочи и Астрахани затраты уменьшатся примерно втрое, во Владивостоке и Петропавловске-Камчатском — вчетверо, а в Южно-Курильске — аж впятеро. От 700 тысяч до миллиона рублей за безшумное и безтопливное автономное электроснабжение — это уже интересная цена, вполне сопоставимая со стоимостью нового автомобиля среднего класса.

И последнее замечание. Расчёт таблицы проводился по средним величинам за годы наблюдений. В годы с аномальной погодой месячная выработка может отличаться от этих значений на десяток-другой процентов, а то и больше.

Выбор оборудования

Как уже говорилось, общие для всех автономных систем электроснабжения — инверторы, аккумуляторы, провода — рассмотрены на отдельной странице. Там же обсуждается самый первый вопрос при построении любой системы автономного электроснабжения — выбор рабочего низковольтного напряжения, под которое и подбирается всё оборудование.

Выбор панелей фотоэлементов

При выборе панелей следует учитывать три фактора — их геометрию, номинальное выходное напряжение и тип фотоэлементов.

Выбор размеров панели

Геометрия определяется конкретными условиями установки, и здесь трудно дать общие рекомендации кроме одной — если есть возможность выбора между одной большой панелью и несколькими маленькими, лучше взять большую — более эффективно используется общая площадь и будет меньше внешних соединений, а значит, выше надёжность. Размеры готовых панелей обычно не слишком велики и не превышают полтора-два квадратных метра при мощности до 200-250 Вт. Панели небольших размеров (возможно, на меньшее номинальное напряжение) следует использовать только там, где невозможно установить более крупные панели.

Для достижения нужных значений номинального напряжения и номинальной мощности панели можно объединять в последовательные сборки, которые затем коммутируются параллельно — аналогично тому, как коммутируется банк аккумуляторов. Как и в случае аккумуляторов, в одной сборке следует использовать только однотипные панели.

Обычно панели заводского изготовления имеют прямоугольную форму с соотношением сторон 1:2 или близким к нему. Поэтому если надо монтировать их вплотную в несколько рядов, то их можно размещать «стоя» (длинной стороной вертикально) или «лёжа на боку» (длинной стороной горизонтально). Возникает вопрос — какую ориентацию предпочесть? Ответ — ту, при которой во время движения Солнца минимум панелей будут испытывать полутень, так как даже один затенённый элемент резко снижает выработку всей панели. Например, если в предполагаемом месте установки наиболее вероятно вертикальное затенение (снизу вверх — от конька соседской крыши, высокого глухого длинного забора, полосы кустарника, верхушек близкого леса и пр.), то панели лучше располагать «лёжа на боку». Если же тень в основном будет перемещаться из одной стороны в другую (от угла высокого дома, толстого столба, высокого дерева), то панели лучше располагать «стоя». Дополнительно можно заметить, что при вертикальном расположении панелей меньше число горизонтальных стыков, что способствует лучшему смыванию пыли и сходу снега с панелей, поэтому панели, которые ничто не будет затенять, лучше монтировать «стоя». Но если возможно затенение панелей, то приоритетно преимущественное направление затенения и выхода из тени.

Выбор напряжения солнечной батареи

С напряжением тоже всё просто — лучше выбирать 24-вольтовые панели, поскольку рабочие токи у них вдвое меньше, чем у 12-вольтовых той же мощности. Панели одинаковой мощности одного и того же производителя, рассчитанные на разное напряжение, обычно различаются лишь внутренней коммутацией фотоэлементов. Панели с номинальным напряжением выше 24 В встречаются редко и обычно собираются из более низковольтных. 12-вольтовые панели, на мой взгляд, оправданы лишь в двух случаях — для маломощных систем, где 12 вольт являются рабочим напряжением инвертора, а также если по архитектурным или конструктивным соображениям необходимо использовать панели малого размера, для которых не существует вариантов на 24 В.

При самостоятельной сборке панелей из отдельных фотоэлементов не следует забывать о защитных диодах в каждой цепочке для предотвращения протекания обратного тока при неравномерной засветке. В противном случае мощность, выработанная освещёнными секциями панели, вместо полезной нагрузки будет выделяться на затенённом фотоэлементе, а это чревато его перегревом и полным выходом из строя (неосвещённый фотоэлемент в этой ситуации окажется открытым диодом). Допустимый прямой ток защитных диодов должен быть больше, чем ток короткого замыкания защищаемой цепочки фотоэлементов при максимальной освещённости.

Типы фотоэлементов

Наконец, надо выбрать тип фотоэлементов. В настоящее время наиболее часто предлагаются фотоэлементы на монокристаллическом или поликристаллическом кремнии. Монокристаллический кремний обычно имеет КПД в районе 16-18%, а поликристаллический — 12-14%, зато он несколько дешевле. Однако в готовых панелях цена за ватт (т.е. в пересчёте на вырабатываемую мощность) получается почти одинаковой, и монокристаллический кремний может оказаться даже выгодней. По такому параметру, как степень и скорость деградации, разницы между ними практически нет. В связи с этим выбор в пользу монокристаллического кремния очевиден — при равной мощности панели из него компактнее. Кроме того, зачастую при снижении освещённости монокристаллический кремний обеспечивает номинальное напряжение дольше, чем поликристаллический, а это позволяет получать хоть какую-то энергию даже в весьма пасмурную погоду и в лёгких сумерках. Зато у поликристаллического кремния обычно ниже напряжение холостого хода (у монокристаллического оно может превышать номинал вдвое), ниже и напряжение максимальной мощности. Но если подключать панель к инвертору и аккумулятору не напрямую, а через современный контроллер, то это не имеет существенного значения.

Выбор размещения и суммарной мощности панелей

Очевидно, что обычно нет смысла выбирать суммарную мощность панелей фотопреобразователей больше мощности инвертора. Тем не менее, такое превышение может быть оправдано при наличии мощной постоянной нагрузки и мощного блока аккумуляторов или в расчёте на длительные периоды пасмурной погоды.

Ещё одним интересным вариантом, когда суммарная мощность панелей может существенно превосходить как мощность инвертора, так и мощность, необходимую для зарядки аккумуляторов, является их размещение на противоположных стенах дома или скатах крыши, если они ориентированы на запад и восток — тогда мощность каждого поля солнечных батарей (восточного и западного) может достигать 80% от полной требуемой мощности системы, а мощность фотопанелей, подключённых к одному контроллеру, может превышать его номинальную мощность почти в полтора раза! Дело в том, что прямые солнечные лучи не могут одновременно освещать две противоположные стены или ската крыши, а мощность, вырабатываемая батареей при отсутствии прямой засветки, падает раз в 10 (во избежание перегрузки контроллера берём её с двухкратным запасом, отсюда и получается цифра 80%, а не 90%). Да, такая система будет дороже, чем «моноблочная» система с той же рабочей мощностью но с единым полем фотопанелей, ориентированным на юг, — ведь панелей надо больше! В чём же преимущество такой «сплит-системы» над «моноблочной»?

В период длинных дней, когда Солнце всходит на востоке или даже северо-востоке, а заходит на западе или северо-западе, одно из полей «сплит-системы» всегда будет освещено Солнцем и потому сможет выдавать хорошую мощность. Лишь в полдень солнечные лучи будут скользить по обоим полям панелей, но в это время солнечный свет максимален, и воспринимаемое обоими панелями рассеянное излучение весьма существенно. В то же время ориентированный на юг «моноблок» даёт мощный максимум выработки в середине дня, но утром и вечером его выработка обусловлена лишь рассеяным светом и потому минимальна. Между тем именно в это время хорошо бы зарядить аккумуляторы на ночь или после ночи! В пасмурную погоду облака рассеивают свет, и его одинаково успешно воспринимают оба поля фотопанелей, так что общая выработка «сплит-системы» превосходит «моноблок» прямо пропорционально суммарной мощности их панелей (но сама выработка достаточно мала, что исключает опасность перегрузки контроллера заряда). Лишь в короткие солнечные зимние дни ориентированный на юг «моноблок» по дневной выработке будет превосходить эту «сплит-систему». Но на большей части территории России зима пасмурная, а в пасмурные дни важна суммарная мощность всех фотопанелей, так что и здесь «моноблок» проигрывает. Если же ориентировать поля фотопанелей не на противоположные стороны (восток и запад), а на смежные юго-восток и юго-запад, то и зимой эта система будет вне конкуренции.

Таким образом, предлагаемый вариант обеспечивает по сравнению с традиционной ориентацией батарей только на юг гораздо бóльшую и более равномерную суточную выработку, причём возможности всех панелей используются по максимуму в наиболее энергодефицитные пасмурные дни. К тому же всё оборудование помимо панелей рассчитано на существенно меньшую пиковую мощность, нежели суммарная мощность солнечных батарей, а значит, оно дешевле и компактней. Проигрыш «лобовому» увеличению мощности системы наблюдается лишь в солнечные зимние дни, коих в средней полосе России весьма немного.

Выбор контроллера

В современных системах контроллер заряда стоит между солнечной батареей и аккумуляторами. Его главная задача — это нормировать напряжение, вырабатываемое панелями фотоэлементов, к напряжению, необходимому для заряда аккумуляторов с учётом их текущего состояния, в том числе отключая их от фотоэлементов при полной зарядке во избежание перезаряда (обычно перезаряд предотвращается по напряжению, но не по току).

Типы контроллеров заряда

Дешёвые модели контроллеров заряда для регулирования напряжения на нагрузке обычно используют широтно-импульсную модуляцию (ШИМ), — по сути они просто то подключают солнечные батареи к аккумуляторам, то отключают, поддерживая на аккумуляторах нужное напряжение. Но самые продвинутые модели способны даже «подтянуть» к необходимому уровню слишком низкое напряжение, вырабатываемое панелями фотоэлементов при слабом освещении — конечно, не просто так, а за счёт уменьшения тока.

При правильном выборе панелей большой необходимости в повышении напряжения нет. Гораздо важнее возможность снизить относительно высокое «оптимальное» напряжение фотоэлектрической батареи, соответствующее максимальной вырабатываемой мощности, до более низкого уровня, необходимого для зарядки аккумуляторов, преобразовав излишек напряжения в дополнительный ток и обеспечив полное использование номинальной мощности батареи. Как уже говорилось выше, при прямой коммутации выхода панели фотоэлементов на аккумуляторы из-за неоптимальной нагрузки напряжение может «проседать» ниже оптимума на 15 .. 40%, а потери мощности в этом случае могут превысить 25%.

Технологию, предотвращающую такие потери, некоторые производители контроллеров называют MPPT (Maximum Power Point Tracking — отслеживание точки максимальной мощности). Она заключается в постоянном измерении вырабатываемого панелями тока и напряжения и обеспечении их оптимального соотношения, которое зависит, в частности, и от времени суток, и от текущей ситуации на небе (выглянуло солнце или набежало облако). Это позволяет достичь оптимального использования мощности батарей практически во всех режимах работы и уменьшить потери до 3%. Однако стоимость таких контроллеров существенно превышает стоимость простейших моделей, расчитанных на тот же ток нагрузки. Кроме того, при одинаковом номинальном токе нагрузки суммарная номинальная мощность панелей, подключаемых к контроллеру с MPPT, обычно заметно меньше суммарной мощности панелей, подключаемых к дешёвым контроллерам с ШИМ-регуляцией — как раз на величину потерь, компенсируемых MPPT, т.е. до 25% и более. В результате в солнечный день контроллер с MPPT полностью использует мощность своих солнечных батарей, в отличии от ШИМ-контроллера, использующего лишь часть энергетического потенциала подключённых к нему панелей. Зато в условиях плотной облачности контроллер с ШИМ-модуляцией может выдавать в нагрузку больший ток по сравнению с MPPT благодаря более полному использованию большей полной мощности подключённых к нему панелей; в сумерках же MPPT опять может быть оптимальнее, если в контроллере предусмотрена возможность «подтягивания» слишком низкого напряжения, но такие периоды обычно весьма кратковременны. Поэтому, если ориентироваться на облачную погоду и учитывать тот факт, что рабочий ток контроллеров весьма ограничен, может оказаться выгоднее приобрести пару лишних панелей и использовать ШИМ-контроллеры заряда, сэкономив на MPPT, — отдаваемый в нагрузку ток будет относительно стабилен в более широком диапазоне освещённостей за счёт повышенных потерь при ярком солнце. С другой стороны, когда каждый ватт на счету, а токи относительно невелики (особенно при небольшом числе панелей), использование MPPT безусловно более предпочтительно.

В качестве дополнительной опции многие контроллеры имеют специальный выход для низковольтной нагрузки, автоматически отключаемый при слишком большом разряде аккумуляторов. Однако, если не предполагается прямое подключение низковольтных потребителей, это не нужно, поскольку практически все современные инверторы делают то же самое для всей подключённой к ним мощности, в то время как мощность контроллеров заряда весьма ограничена.

Выбор мощности контроллера

Наиболее распространены контроллеры, рассчитанные на ток в 10 .. 20 А, иногда на 30 А. Более мощные контроллеры встречаются реже и стоят значительно дороже. Тем не менее, вполне возможно объединить несколько не очень мощных контроллеров параллельно, подключив каждый из них к своей группе фотоэлектрических панелей. Такая схема имеет некоторые неудобства, но иногда вполне приемлема. Впрочем, консультация у продавца (а лучше — у производителя) не помешает, поскольку конкретные модели контроллеров могут иметь особенности, не позволяющие такое подключение. Подобное объединение может свести на нет все преимущества контроллеров с MPPT и интеллектуальных контроллеров, меняющих режим заряда по мере зарядки аккумулятора.


Схема одновременного подключения нескольких контроллеров заряда.

При подключении панелей к контроллеру надо следить, чтобы их суммарный максимальный ток не превышал 80% .. 90% от номинального тока контроллера. Например, для 10-амперного ШИМ-контроллера суммарный ток должен составлять не более 8 .. 9 А. Этот запас необходим для того, чтобы контроллер мог выдержать избыточную выработку, например, в ясный зимний день, когда белый снег, отлично отражающий свет, способствует перезасветке фотоэлементов по сравнению с расчётной, а умеренный мороз немного повышает их КПД. Таким образом, к одному 10-амперному контроллеру с ШИМ можно подключить панели на 24 В суммарной мощностью 300 Вт, а на 12 В — всего 150 Вт. Для контроллеров с MPPT, превращающих «излишек» напряжения в дополнительный ток, необходимый запас по номинальному току может быть ещё больше и суммарный ток батарей может быть ограничен вплоть до 60% .. 75% от тока, отдаваемого контроллером в нагрузку, то есть мощность панелей, подключаемых к 10-амперному контроллеру с MPPT, не должна превышать 220 .. 240 Вт при 24 В и быть вдвое меньше при 12 В. Обычно производители контроллеров указывают допустимую суммарную мощность или номинальный суммарный ток подключаемых к ним панелей фотоэлементов.



Приходько Валентин Иванович , Copyright © 2010 - 2018 г. E-mail: adm-site-val@rambler.ru , Украина .
Перепечатка материалов с обязательной ссылкой на авторство и сайт - ПРИВЕТСТВУЕТСЯ !.
Все материалы на сайте предоставлены исключительно в ознакомительных и образовательных целях,
администрация сайта не претендует на их авторство и не несёт ответственности за их содержание.