Сонячні батареї для дачі і будинки: принцип роботи і пристрій

Наука подарувала нам час, коли технологія використання енергії сонця стала загальнодоступною. Дістати сонячні батареї для дому має можливість всякий власник. Дачники не відстають в цьому питанні. Вони частіше виявляються далеко від централізованих джерел стійкого електропостачання. Пізнання пристрої, принципів роботи та розрахунку робочих вузлів геліосистеми наближає реальність забезпечення своєї ділянки природним електрикою.

Що таке сонячна батарея

Колись допитливі відкрили для нас природні речовини, що виробляють під впливом частинок світла сонця, фотонів, електричну енергію. Процес назвали фотоелектричним ефектом. Вчені навчилися управляти мікрофізичної явищем. На основі напівпровідникових матеріалів вони створили компактні електронні прилади – фотоелементи.

Виробники освоїли технологію об’єднання мініатюрних перетворювачів в ефективні геліопанелі. ККД панельних сонячних модулів з кремнію широко вироблених промисловістю 18-22%.


З опису схеми наочно видно: всі комплектуючі елементи електростанції однаково важливі – від їх грамотного підбору залежить злагоджена робота системи (+)

З модулів збирається сонячна батарея. Вона є кінцевим пунктом подорожі фотонів від Сонця до Землі. Звідси ці складові світлового випромінювання продовжують свій шлях вже всередині електричного кола як частки постійного струму, які розподіляються по акумуляторів, або піддаються трансформації в заряди змінного електроструму напругою 220 вольт, яке живить різноманітні домашні технічні пристрої.


Сонячна батарея являє собою комплекс послідовно з’єднаних напівпровідникових пристроїв – фотоелементів, що перетворюють сонячну енергію в електричну

Види сонячних модулів-панелей

Геліопанелі-модулі збираються з сонячних елементів, інакше – фотоелектричних перетворювачів. Масове застосування знайшли ФЕП двох видів. Вони відрізняються використовуваними для їх виготовлення різновидами напівпровідника з кремнію, це:

  • Полікристалічні. Це сонячні елементи, виготовлені з кремнієвого розплаву шляхом тривалого охолодження. Нескладний метод виробництва обумовлює доступність ціни, але продуктивність полікристалічного варіанту не перевищує 12%.
  • Монокристалічні. Це елементи, отримані в результаті нарізки на тонкі пластини штучно вирощеного кремнієвого кристала. Найбільш продуктивний і дорогий варіант. Середній ККД в районі 17%, можна знайти монокристалічні фотоелементи з більш високою продуктивністю.

Полікристалічні сонячні елементи плоскої квадратної форми з неоднорідною поверхнею. Монокристалічні виглядають як тонкі однорідної поверхневої структури квадрати зі зрізаними кутами (псевдоквадрати).


Так виглядають ФЕП – фотоелектричні перетворювачі: характеристики сонячного модуля не залежать від різновиду застосовуваних елементів – це впливає лише на розміри і ціну

Панелі першого виконання при однаковій потужності більше розміром, ніж другі через меншу ефективність (18% проти 22%). Але відсотків, в середньому, на десять дешевше і користуються переважним попитом.

Галерея зображень
фото з

Монокристалічні кремнієві пластини в рази продуктивніше полікристалічних аналогів, але значно дорожче
Монокристалічний елемент сонячної батареї

На тильній стороні кремнієвих пластин прокладені мінусові струмопровідні лінії, на лицьовій – плюсові
Мінусові струмопровідні лінії на пластині

Полікрісталіческіе кремнієві пластини дешевше, тому популярнішим в середовищі самостійних майстрів. Пайка елементів проводиться аналогічним чином
Полікристалічні елементи для збірки сонячної батареї

Полікристалічні пластини з’єднуються в модулі, в яких повинно бути по 36 або 72 штуки. З модульних батарей збираються панелі
Сторони полікристалічного елемента геліосистеми

Монокристалічний елемент сонячної батареї

Мінусові струмопровідні лінії на пластині

Полікристалічні елементи для збірки сонячної батареї

Сторони полікристалічного елемента геліосистеми

Схема роботи сонячного електропостачання

Коли проводиш поглядом по загадково звучить назвами вузлів, що входять до складу системи харчування сонячним світлом, приходить думка про супертехніческой складності пристрою. На мікрорівні життя фотона це так. А наочно загальна схема електричного кола і принцип її дії виглядають дуже навіть просто. Від світила небесного до «лампочки Ілліча» всього чотири кроки.

Сонячні модулі – перша складова електростанції. Це тонкі прямокутні панелі, зібрані з певного числа стандартних пластин-фотоелементів. Виробники роблять фотопанелі різними по електричної потужності і напрузі, кратному 12 вольт.

Галерея зображень
фото з

Сонячні батареї використовуються в регіонах з низькою кількістю похмурих днів, експлуатують їх в якості основного або додаткового постачальника енергії
Установка сонячних панелей на схилах даху

Є сенс в спорудженні системи сонячних батарей в районах з відсталою інфраструктурою, які ще не підключені до централізованих електромереж
Використання в неелектрифікованих областях країни

У літню пору на дачній ділянці сонячні прилади зможуть забезпечити енергією електроприлади і систему опалення
Застосування сонячної енергії на дачній ділянці

Апаратура для контролю роботи і регулювання сонячних панелей не займає багато місця, зазвичай включає інвертор, контролер і АКБ
Внутрішній блок сонячної міні електростанції

Якщо на ділянці є вільна, добре освітлена майданчик, сонячну електростанцію можна розташувати на ній
Розташування на вільному майданчику ділянки

При гарній захисту від атмосферного негативу пристрою управління і контролю роботи сонячної батареї можна розташовувати на вулиці
Розташований на вулиці блок апаратури для батареї

Сонячну електростанцію для приватного будинку можна зібрати з батарей заводського виробництва
Збірка сонячної панелі з готових батарей

Значно більш дешевої і практично рівною по продуктивності буде сонячна батарея, зібрана своїми руками з кремнієвих пластин
Виготовлення сонячної батареї своїми руками

Установка сонячних панелей на схилах даху

Використання в неелектрифікованих областях країни

Застосування сонячної енергії на дачній ділянці

Внутрішній блок сонячної міні електростанції

Розташування на вільному майданчику ділянки

Розташований на вулиці блок апаратури для батареї

Збірка сонячної панелі з готових батарей

Виготовлення сонячної батареї своїми руками

Пристрої плоскої форми зручно розташовуються на відкритих для прямих променів поверхнях. Модульні блоки об’єднуються за допомогою взаємних підключень в геліобатареї. Завдання батареї перетворювати отримувану енергію сонця, видаючи постійний струм заданої величини.

Акумулятори – відомі всім пристрої накопичення електричного заряду. Їх роль всередині системи енергопостачання від сонця традиційна. Коли домашні споживачі підключені до централізованої мережі, еноргонакопичувачів запасаються електрикою. Вони також акумулюють його надлишки, якщо для забезпечення витрачається електроприладами потужності достатньо струму сонячного модуля.

Акумуляторний блок віддає ланцюга необхідну кількість енергії і підтримує стабільну напругу, як тільки споживання в ній зростає до підвищеного значення. Те ж відбувається, наприклад, вночі при непрацюючих фотопанелі або під час малосонячних погоди.


Схема енергозабезпечення будинку за допомогою сонячних батарей відрізняється від варіантів з колекторами можливістю накопичувати енергію в акумуляторі (+)

Контролер – електронний посередник між сонячним модулем і акумуляторами. Його роль регулювати рівень заряду акумуляторних батарей. Прилад не допускає їх закипання від перезарядки або падіння електричного потенціалу нижче певної норми, необхідної для сталої роботи всієї геліосистеми.

Інвертор – перевертає, так дослівно пояснюється звучання цього слова. Так, адже насправді, цей вузол виконує функцію, колись здавалася електротехнікам фантастикою. Він перетворює постійний струм сонячного модуля і акумуляторів в змінний з різницею потенціалів 220 вольт. Саме таку напругу є робочим для переважної маси побутових електропристроїв.


Потік сонячної енергії пропорційний положенню світила: встановлюючи модулі, добре б передбачити регулювання кута нахилу в залежності від пори року

Пікове навантаження і середньодобове споживання енергії

Задоволення мати власну геліостанцію варто поки чимало. Перший ступінь на шляху до володіння могутністю енергії сонця – визначення оптимальної пікового навантаження в кіловатах і раціонального середньодобового енергоспоживання в кіловат-годинах домашнього або дачного господарства.

Пікове навантаження створюється необхідністю включення відразу декількох електричних приладів і визначається їх максимальної сумарною потужністю з урахуванням підвищених пускових характеристик деяких з них.

Підрахунок максимуму споживаної потужності дозволяє виявити, життєво необхідна одночасна робота яких електроприладів, а яких не дуже. Таким показником підкоряються потужності характеристики вузлів електростанції, тобто підсумкова вартість пристрою.

Добове енергоспоживання електроприладу вимірюється твором його індивідуальної потужності на час, що він пропрацював від мережі (споживав електроенергію) протягом доби.

Загальна середньодобове споживання енергії розраховується як сума витраченої енергії електрики кожним споживачем за добовий період.


Подальший аналіз і оптимізація отриманих даних про навантаження і енергоспоживанні забезпечать потрібну комплектацію і подальшу роботу сонячної енергосистеми з мінімальними витратами (+)

Результат споживання енергії допомагає раціонально підійти до витрати сонячної електрики. Підсумок обчислень важливий для подальшого розрахунку ємності акумуляторів. Від цього параметра ціна акумуляторну батарею, чимало стоїть компонента системи, залежить ще більше.

Порядок розрахунку енергетичних показників

Процес обчислень в буквальному сенсі починається з горизонтально розташованого, в клітинку, розгорнутого зошитового листа. Легкими олівцевими лініями з листка виходить бланк з тридцятьма графами, а рядками за кількістю домашніх електроприладів.

Підготовка до арифметичним розрахунками

Перша колонка чертится традиційна – порядковий номер. Другий стовпчик – найменування електроприладу. Третій – його індивідуальна споживана потужність.

Стовпці з четвертого по двадцять сьомий – години доби від 00 до 24. У них через горизонтальну дробову риску заносяться:
– в чисельник – час роботи приладу в період конкретного години в десятковому вигляді (0,0),
– в знаменник – знову його індивідуальна споживана потужність (це повторення потрібно для підрахунку часових навантажень).

Двадцять восьма колоночки – сумарний час, який працює побутовий пристрій протягом доби. У двадцять дев’яту – записується персональне енергоспоживання приладу як результат множення індивідуальної споживаної потужності на час роботи за добовий період.


Складання розгорнутої специфікації споживачів з урахуванням погодинних навантажень допоможе залишити більше звичних приладів, завдяки їх раціональному використанню

Тридцята колонка теж стандартна – примітка. Вона стане в нагоді для проміжних підрахунків.

Складання специфікації споживачів

Наступний етап розрахунків – перетворення зошитового бланка в специфікацію побутових споживачів електроенергії. З першої колонкою зрозуміло. Тут проставляються порядкові номери рядків.

У другому стовпчику вписуються найменування споживачів енергії. Рекомендується починати заповнення електроприладами передпокої. Далі описуються інші приміщення проти або за годинниковою стрілкою (кому як зручно). Якщо є другий (і т.д.) поверх, процедура та ж: від сходів – вкруговую. При цьому не треба забувати про прилади на сходових прольотах і вуличне освітлення.

Третю графу із зазначенням потужності навпроти назви кожного електричного приладу краще наповнювати попутно з другої.

Стовпці з четвертого по двадцять сьомий відповідають всякий своєму годині доби. Для зручності їх відразу можна прокреслити горизонтальними лініями посередині рядків. Отримані верхні половини рядків – як би числители, нижні – знаменники.

Ці стовпці заповнюються через підрядник. Чисельники вибірково оформляються як тимчасові інтервали десяткового формату (0,0), що відображають час роботи даного електроприладу в той чи інший конкретний часовий період. Паралельно там, де проставляються числители, вписуються знаменники з показником потужності приладу, взятої з третьої графи.

Після того, як всі часові стовпці заповнені, переходять до підрахунками індивідуального добового робочого часу електроприладів, рухаючись по рядках. Результати фіксуються у відповідних осередках двадцять восьмий колоночки.


У разі, коли сонячна електростанція відіграє допоміжну роль, щоб система не працювала вхолосту, частина навантаження можна підключити до неї на постійне харчування (+)

На основі потужності і робочого часу послідовно обчислюється добове енергоспоживання всіх споживачів. Воно відзначається в комірках двадцять дев’ятого стовпчика.

Коли всі рядки і стовпчики специфікації заповнені, проводять розрахунки підсумків. Складаючи пографно потужності з знаменників часових стовпців, отримують навантаження кожної години. Підсумувавши зверху вниз індивідуальні добові енергоспоживання двадцять дев’ятого колоночки, знаходять загальне середньодобове.

Розрахунок не включає власне споживання майбутньої системи. Цей фактор враховується допоміжним коефіцієнтом при наступних підсумкових обчисленнях.

Аналіз і оптимізація отриманих даних

Якщо харчування від геліоелектростанції планується як резервне, дані про погодинних споживаних потужностях і про загальний середньодобовому енергоспоживанні допомагають мінімізувати витрату дорогого сонячної електрики. Цього домагаються, виключаючи з користування енергоємні споживачі до моменту відновлення централізованого електропостачання, особливо в години максимальних навантажень.

Якщо сонячна енергосистема проектується як джерело постійного електрозабезпечення, тоді результати часових навантажень висуваються вперед. Важливо так розподілити споживання електрики протягом доби, щоб прибрати набагато переважаючі максимуми і сильно западають мінімуми.

Виняток пікової, вирівнювання максимальних навантажень, усунення різких провалів енергоспоживання в часі дозволяють підібрати найбільш економічні варіанти вузлів сонячної системи і забезпечують стабільну, головне, безаварійну довготривалу роботу геліостанції.


Графік розкриє нерівномірність енергоспоживання: наше завдання – зрушити максимуми на час найбільшої активності сонця і зменшити загальний добовий витрата, особливо нічний.

Представлений проект показує перетворення отриманого на основі складеної специфікації нераціонального графіка в оптимальний. Показник добового споживання знижений з 18 до 12 кВт / год, середньодобова погодинна навантаження з 750 до 500 Вт.

Такий же принцип оптимальності стане в нагоді при використанні варіанту харчування від сонця в якості резервного. Зайве витрачатися на збільшення потужності сонячних модулів і акумуляторних батарей заради деякого тимчасового незручності, можливо не варто.

Підбір вузлів геліоелектростанції

Для спрощення розрахунків буде розглядатися версія застосування сонячної батареї як основного для дачі джерела електричної енергії. Споживачем виступить умовний дачний будиночок в Рязанській області, де постійно проживають з березня по вересень.

Наочності міркувань додадуть практичні обчислення, що грунтуються на даних опублікованого вище раціонального графіка погодинного енергоспоживання:

  • Загальна середньодобове споживання енергії = 12 000 ват / година.
  • Середнє навантаження споживання = 500 ват.
  • Максимальне навантаження 1200 ват.
  • Пікове навантаження 1200 х 1,25 = 1500 ват (+ 25%).

Значення будуть потрібні в розрахунках сумарної ємності сонячних приладів та інших робочих параметрів.

Галерея зображень
фото з

Перед будівництвом міні електростанції необхідно розрахувати необхідну потужність групи приладів і визначити їх кількість
Підготовка до спорудження міні електростанції

У магазині перед покупкою слід ретельно перевірити комплектацію кожного приладу і переглянути їх на предмет пошкоджень
Стандартна комплектація сонячної батареї

Перевезення сонячних батарей проводиться в заводській упаковці. Приладів потрібно коректна транспортування, після якої потрібно знову перевірити цілісність екрану і корпусу
Транспортування елементів геліосистеми

Збірку сонячних батарей бажано проводити на відкритій вільному майданчику або в досить просторому приміщенні
Збірка батарей згідно з інструкцією виробника

Кут нахилу для кріплення на що входить в комплект підставці повинен враховувати пору року і напрямок сонячних променів
Кут нахилу елемента сонячної електростанції

Місце для розташування сонячних приладів треба підібрати так, щоб поруч не було створюють тінь високих будівель і дерев
Специфіка розташування сонячної панелі

Контролер, інвертор і АБК сонячної міні електростанції встановлюються в опалювальних приміщеннях, які не мають загрози підтоплення
Місце для установки апаратури управління геліостанцію

При необхідності доповнити потужність сонячної електростанції експлуатовані модулі доповнюються аналогічними приладами в необхідній кількості
Модульний принцип споруди геліосистем

Підготовка до спорудження міні електростанції

Стандартна комплектація сонячної батареї

Транспортування елементів геліосистеми

Збірка батарей згідно з інструкцією виробника

Кут нахилу елемента сонячної електростанції

Специфіка розташування сонячної панелі

Місце для установки апаратури управління геліостанцію

Модульний принцип споруди геліосистем

Визначення робочої напруги геліосистеми

Внутрішня робоча напруги будь-якої геліосистеми грунтується на кратності 12 вольт, як найпоширенішого номіналу акумуляторних батарей. Найбільш широко вузли геліостанцій: сонячні модулі, контролери, інвертори – випускаються під популярні напруги 12, 24, 48 вольт.

Більш висока напруга дозволяє використовувати живлять дроти меншого перетину – а це підвищена надійність контактів. З іншого боку, що вийшли з ладу акумулятори мережі 12В, можна буде замінювати по одному.

У 24-вольтової мережі, розглядаючи специфіку експлуатації акумуляторних батарей, доведеться робити заміну тільки парами. Мережа 48V потребують зміни всіх чотирьох батарей однієї гілки. До того ж, при 48 вольтах вже існує небезпека ураження електричним струмом.


При однаковій ємності і приблизно дорівнює ціні слід купувати акумулятори з найбільшою допустимою глибиною розряду і більш максимальним струмом

Головний вибір номіналу внутрішньої різниці потенціалів системи пов’язаний з характеристиками потужності випускаються сучасною промисловістю інверторів і повинен враховувати величину пікового навантаження:

  • від 3 до 6 кВт – 48 вольт,
  • від 1,5 до 3 кВт – дорівнює 24 або 48V,
  • до 1,5 кВт – 12, 24, 48В.

Вибираючи між надійністю проводки і незручністю заміни акумуляторів, для нашого прикладу зупинимося на надійності. В подальшому будемо відштовхуватися від робочої напруги системи, що розраховується 24 вольта.

Комплектування батареї сонячними модулями

Формула розрахунку необхідної від сонячної батареї потужності виглядає так:

Рсм = (1000 * Есут) / (к * Син), де

  • Рсм = потужність сонячної батареї = сумарна потужність сонячних модулів (панелей, Вт),
  • 1000 = прийнята світлочутливість фотоелектричних перетворювачів (кВт / м?)
  • Есут = потреба в добовому енергоспоживанні (кВт * год, в нашому прикладі = 18),
  • к = сезонний коефіцієнт, що враховує всі втрати (літо = 0,7; зима = 0,5),
  • Син = табличне значення інсоляції (потоку сонячної радіації) при оптимальному нахилі панелей (кВт * год / м?).

Дізнатися значення інсоляції можна у регіональній метеорологічної служби. Оптимальний кут нахилу сонячних панелей дорівнює значенню широти місцевості:

  • навесні і восени,
  • плюс 15 градусів – взимку,
  • мінус 15 градусів – влітку.

Вже згадана в нашому прикладі Рязанська область знаходиться на 55-й широті.


Найбільша потужність сонячних батарей досягається використанням систем спостереження, сезонною зміною кута нахилу панелей, застосуванням змішаного дифферента модулів

Для взятого часу з березня по вересень кращий нерегульований нахил сонячної батареї дорівнює річному кутку 40? до поверхні землі. При такій установці модулів усереднена добова інсоляція Рязані в цей період 4,73. Всі цифри є, виконаємо розрахунок:

  • Рсм = 1000 * 12 / (0,7 * 4,73)? 3 600 ватів.

Якщо брати за основу сонячної батареї 100-ватні модулі, то потрібно їх 36 штук. Важитимуть вони кілограм 300 і займуть площу розміром десь 5 х 5 м.

Облаштування акумуляторного енергоблоку

Підбираючи акумуляторні батареї потрібно керуватися постулатами:

  1. НЕ підходять для цієї мети звичайні автомобільні акумулятори. Батареї сонячних електростанцій маркуються написом «SOLAR».
  2. Купувати акумулятори слід тільки однакові за всіма параметрами, бажано, з однієї заводської партії.
  3. Приміщення, де розміщується акумуляторний блок, має бути теплим. Оптимальна температура, коли батареї видають повну потужність = 25? C. При її зниженні до -5? C ємність акумуляторів зменшується на 50%.

Якщо взяти для розрахунку показовий акумулятор напругою 12 вольт ємністю 100 ампер / год, нескладно підрахувати, цілу годину він зможе забезпечити енергією споживачів сумарною потужністю 1200 ват. Але це при повній розрядці, що вкрай небажано.

Для тривалої роботи акумуляторних батарей НЕ рекомендується знижувати їх заряд нижче 70%. Гранична цифра = 50%. Беручи за «золоту середину» число 60%, кладемо в основу подальших обчислень енергозапас 720 Вт / год на кожні 100 А * год ємнісної складової акумулятора (1200 Вт / год х 60%).


Можливо, покупка одного акумулятора ємністю 200 А * год обійдеться дешевше придбання двох по 100, та й кількість контактних з’єднань батарей зменшиться

Спочатку встановлювати акумулятори необхідно 100% зарядженими від стаціонарного джерела струму. Акумуляторні батареї повинні повністю перекривати навантаження темного часу доби. Якщо не пощастить з погодою, підтримувати необхідні параметри системи і вдень.

Важливо врахувати, що надлишок акумуляторів призведе до їх постійного недозаряду. Це значно зменшить термін служби. Найбільш раціональним рішенням бачиться укомплектування блоку батареями з енергозапаси, достатнім для покриття одного добового енергоспоживання.

Щоб дізнатися потрібну сумарну ємність батарей, розділимо загальне добове енергоспоживання 12000 Вт / год на 720 Вт / год і помножимо на 100 А * год:

  • 12 000/720 * 100 = 2500 А * год? 1600 А * ч

Разом для нашого прикладу потрібно 16 акумуляторів ємністю 100 або 8 по 200 А * год, підключених послідовно-паралельно.

Вибір хорошого контролера

Грамотний підбір контролера заряду акумуляторних батарей (АКБ) – завдання досить специфічна. Його вхідні параметри повинні відповідати обраним сонячним модулям, а вихідна напруга – внутрішньої різниці потенціалів геліосистеми (в нашому прикладі – 24 вольта). Хорошому контролера обов’язково слід забезпечувати:

  1. !!!Багатоступінчастий заряд АКБ, кратно розширює їх термін ефективної служби !!!
  2. Автоматичне взаємне, АКБ і сонячної батареї, підключення-відключення в кореляції з зарядом-розрядом.
  3. Перепідключення навантаження з АКБ на сонячну батарею і навпаки.

Цей невеликий за розмірами вузол – дуже важливий компонент.


Якщо частина споживачів (наприклад, освітлення) перевести на пряме харчування 12 вольт від контролера, інвертор знадобиться менш потужний, значить більш дешевий

Від правильного вибору контролера залежить безаварійна робота дорогого акумуляторної батареї, а збалансованість всієї системи.

Підбір інвертора кращого виконання

Інвертор вибирається такої потужності, щоб зміг забезпечувати довготривалу пікове навантаження. Його вхідна напруга має відповідати внутрішньої різниці потенціалів геліосистеми.

Для кращого варіанту підбору рекомендується увагу звертати на параметри:

  1. Форма і частота його видають змінного струму. Чим більше близькі до синусоїді в 50 герц – тим краще.
  2. ККД пристрою. Чим вище 90% – тим більший ефект.
  3. Власне споживання приладу. Повинно порівнюватися з загальним енергоспоживанням системи. Ідеально – до 1%.
  4. Здатність вузла витримувати короткочасні дворазовий перевантаження.

Наіотлічнейшее виконання – інвертор з вбудованою функцією контролера.

Цікаві відео по темі публікації

Відеофільми наочно розкриють тему статті.

Показ установки сонячних батарей на дах будинку своїми руками:

Вибір акумуляторних батарей для геліосистеми, види, відмінності:

Дачна сонячна електростанція для тих, хто все робить сам:

Розглянуті покрокові практичні прийоми розрахунків, основний принцип ефективної роботи сучасної сонячної панельної батареї в складі домашньої автономної геліоелектростанції допоможуть господарям і великого будинку густонаселеного району, і дачного будиночка в глушині знайти енергетичну суверенність.