Solárne panely pre chatu a dom: druhy, princíp činnosti a spôsob výpočtu solárnych systémov

Veda nám darovala čas, keď sa technológia využívania slnečnej energie stala široko dostupnou. Získať solárne panely pre dom môže každý vlastník. Chatári v tomto nezaostávajú. Častejšie sa ocitajú ďaleko od centralizovaných zdrojov stabilného zásobovania elektrinou.

Ponúkame vám oboznámiť sa s informáciami, ktoré predstavujú konštrukciu, princípy fungovania a výpočet pracovných uzlov heliosystémy. Oboznámenie sa s nami poskytnutými informáciami priblíži realitu zásobovania vášho pozemku prírodnou elektrinou.

Pre názorné vnímanie poskytnutých údajov sú priložené podrobné schémy, ilustrácie, foto- a videoinštrukcie.

Konštrukcia a princíp fungovania solárneho panelu

Kedysi zvedavé mysle objavili pre nás prírodné látky, ktoré pod vplyvom častíc slnečného svetla, fotonov, elektrickú energiu. Proces nazvali fotoelektrickým javom. Vedci sa naučili riadiť mikrofyzikálny jav.

Na základe polovodičových materiálov vytvorili kompaktné elektronické zariadenia – fotočlánky.

Výrobcovia si osvojili technológiu spájania miniatúrnych prevodníkov do efektívnych heliopanelov. Účinnosť panelových solárnych modulov z kremíka široko vyrábaných priemyslom je 18 – 22 %.

Z popisu schémy je jasne vidieť: všetky komponenty elektrárne sú rovnako dôležité – od ich správneho výberu závisí súladná prevádzka systému

Z modulov sa zostavuje solárna batéria. Je konečným bodom púte fotonov od Slnka po Zem. Odtiaľ tieto zložky svetelného žiarenia pokračujú vo svojej ceste už vnútri elektrického obvodu ako častice jednosmerného prúdu.

Rozdeľujú sa medzi akumulátory, alebo sa transformujú na náboje striedavého prúdu s napätím 220 voltov, ktoré napájajú rôzne domáce technické zariadenia.

Solárna batéria predstavuje komplex sériovo zapojených polovodičových zariadení – fotovoltaických článkov, ktoré premieňajú slnečnú energiu na elektrickú.

Viac podrobností o špecifikách zariadenia a princípe činnosti solárnej batérie nájdete v ďalšom populárnom článku našej stránky.

Typy solárnych modulov-panelov

Heliopanely-moduly sa skladajú zo solárnych článkov, inak – fotovoltaických článkov. Masové uplatnenie našli FVČ dvoch druhov.

Líšia sa druhmi polovodiča z kremíka použitými na ich výrobu, a to:

• Polykryštalické. Sú to solárne články vyrobené z kremíkového taveniny dlhým chladením. Jednoduchá metóda výroby spôsobuje cenovú dostupnosť, ale výkon polykryštalického variantu nepresahuje 12%.
• Monokryštalické. Sú to články získané narezaním na tenké platne umelo vypestovaného kremíkového kryštálu. Najproduktívnejší a najdrahší variant. Priemerná účinnosť okolo 17%, možno nájsť monokryštalické fotovoltaické články s vyšším výkonom.

Polykryštalické solárne články plochého štvorcového tvaru s nerovnomerným povrchom. Monokryštalické varianty vyzerajú ako tenké štvorce s homogénnou povrchovou štruktúrou so zrezanými rohmi (pseudoštvorce).

Takto vyzerajú FVČ – fotovoltaické články: charakteristiky solárneho modulu nezávisia od druhu použitých článkov – to ovplyvňuje len veľkosť a cenu.

Panely prvého prevedenia pri rovnakom výkone sú väčšie ako druhé kvôli nižšej účinnosti (18% oproti 22%). Ale sú v priemere o desať percent lacnejšie a majú prevažujúci dopyt.

O pravidlách a nuansách výberu solárnych panelov na napájanie autonómneho kúrenia si môžete prečítať tu.

Schéma fungovania solárneho zásobovania elektrinou

Pri pohľade na záhadne znejúce názvy uzlov, ktoré tvoria systém napájania slnečným svetlom, prichádza na myseľ supertechnická zložitosť zariadenia.

Na mikroúrovni života fotónu je to tak. Ale názorne je všeobecná schéma elektrického obvodu a princíp jeho fungovania veľmi jednoduchá. Od nebeského svietidla po „Iljičovu žiarovku“ len štyri kroky.

Solárne moduly – prvá zložka elektrárne. Sú to tenké obdĺžnikové panely, zložené z určitého počtu štandardných dosiek-fotovoltaických článkov. Výrobcovia robia fotopanely rôzne z hľadiska elektrického výkonu a napätia, ktoré je násobkom 12 voltov.

Zariadenia plochého tvaru sa pohodlne umiestňujú na plochy otvorené priamym slnečným lúčom. Modulárne bloky sa spájajú pomocou vzájomných pripojení do solárneho panelu. Úlohou panelu je premieňať prijímanú energiu slnka a dodávať jednosmerný prúd danej veľkosti.

Zariadenia na akumuláciu elektrického náboja – akumulátory pre solárne panely sú známe každému. Ich úloha v rámci systému napájania zo slnka je tradičná. Keď sú domáci spotrebiče pripojené k centralizovanej sieti, energetické akumulátory sa zásobujú elektrinou.

Tiež akumulujú jeho prebytky, ak je na zabezpečenie výkonu spotrebovávaného elektrospotrebičmi dostatočný prúd solárneho modulu.

Akumulátorová jednotka dodáva obvodu požadované množstvo energie a udržiava stabilné napätie, akonáhle spotreba v ňom stúpne na zvýšenú hodnotu. To isté sa deje napríklad v noci pri nefunkčných fotopanely alebo počas málo slnečného počasia.

Schéma energetického zabezpečenia domu pomocou solárnych batérií sa líši od variantov s kolektormi možnosťou akumulovať energiu v akumulátore.

Regulátor – elektronický sprostredkovateľ medzi solárnym modulom a akumulátormi. Jeho úlohou je regulovať úroveň nabitia akumulátorových batérií. Prístroj nedovoľuje ich vrenie z prebíjania alebo pokles elektrického potenciálu pod určitú normu potrebnú na stabilnú prevádzku celého solárneho systému.

Prevracajúci, tak sa doslovne vysvetľuje znenie termínu invertor pre solárne batérie. Áno, veď v skutočnosti tento uzol vykonáva funkciu, ktorá sa kedysi elektrotechnikom zdala fantastická.

Premieňa jednosmerný prúd solárneho modulu a akumulátorov na striedavý s potenciálovým rozdielom 220 voltov. Práve takéto napätie je prevádzkové pre drvivú väčšinu domácich elektrospotrebičov.

Tok slnečnej energie je úmerný polohe slnka: pri inštalácii modulov by bolo dobré zabezpečiť nastavenie uhla sklonu v závislosti od ročného obdobia.

Špičkové zaťaženie a priemerná denná spotreba energie

Potešenie mať vlastnú solárnu elektráreň stojí zatiaľ nemálo. Prvým krokom na ceste k získaniu moci slnečnej energie je určenie optimálneho špičkového zaťaženia v kilowattoch a racionálnej priemernej dennej spotreby energie v kilowatthodinách domácnosti alebo chaty.

Špičkové zaťaženie vzniká potrebou zapnutia niekoľkých elektrických spotrebičov naraz a určuje sa ich maximálnym celkovým výkonom s prihliadnutím na nadhodnotené štartovacie charakteristiky niektorých z nich.

Výpočet maximálneho príkonu umožňuje zistiť, ktoré elektrospotrebiče sú životne dôležité pre súbežnú prevádzku a ktoré nie až tak. Tomuto ukazovateľu podliehajú výkonové charakteristiky komponentov elektrárne, teda výsledná cena zariadenia.

Denná spotreba energie elektrospotrebiča sa meria súčinom jeho individuálneho výkonu a času, ktorý pracoval zo siete (spotrebúval elektrickú energiu) počas dňa. Celková priemerná denná spotreba energie sa vypočíta ako súčet spotrebovanej elektrickej energie každým spotrebiteľom za denné obdobie.

Následná analýza a optimalizácia získaných údajov o zaťažení a spotrebe energie zabezpečí potrebnú kompletnosť a následnú prevádzku solárneho energetického systému s minimálnymi nákladmi.

Výsledok spotreby energie pomáha racionálne pristupovať k spotrebe solárnej elektriny. Výsledok výpočtov je dôležitý pre ďalší výpočet kapacity batérií. Od tohto parametra cena batériového bloku, významnej zložky systému, závisí ešte viac.

Postup výpočtu energetických ukazovateľov

Proces výpočtov v doslovnom zmysle začína vodorovne položeným, štvorčekovaným, rozloženým listom zošita. Ľahkými ceruzkovými čiarami z listu vznikne formulár s tridsiatimi stĺpcami a riadkami podľa počtu domácich elektrospotrebičov.

Príprava na aritmetické výpočty

Prvý stĺpec sa kreslí tradične – poradové číslo. Druhý stĺpik – názov elektrospotrebiča. Tretí – jeho individuálny príkon.

Stĺpce od štvrtého do dvadsiateho siedmeho – hodiny dňa od 00 do 24. Do nich cez vodorovnú zlomkovú čiaru sa vpisuje:

• v čitateľ – čas prevádzky spotrebiča počas konkrétnej hodiny v desatinnom tvare (0,0);
• v menovateľ – opäť jeho individuálny príkon (toto opakovanie je potrebné na výpočet hodinového zaťaženia).

Dvadsiaty ôsmy stĺpček – celkový čas, počas ktorého domáce zariadenie pracuje počas dňa. Do dvadsiateho deviateho – zapisuje sa osobná spotreba energie spotrebiča ako výsledok násobenia individuálneho príkonu a doby prevádzky za denné obdobie.

Zostavenie rozšírenej špecifikácie spotrebiteľov s ohľadom na hodinové zaťaženie pomôže ponechať viac bežných spotrebičov vďaka ich racionálnemu využitiu.

Tridsiaty stĺpec je tiež štandardný – poznámka. Bude sa hodiť na medzivýpočty.

Zostavenie špecifikácie spotrebičov

Ďalšia etapa výpočtov – premena zošitového formulára na špecifikáciu domácich spotrebiteľov elektriny. S prvým stĺpcom je to jasné. Tu sa uvádzajú poradové čísla riadkov.

Do druhého stĺpika sa vpisujú názvy spotrebiteľov energie. Odporúča sa začať vypĺňanie elektrospotrebičmi z chodby. Ďalej sa opisujú ostatné miestnosti proti alebo v smere hodinových ručičiek (podľa toho, čo je pohodlné).

Ak existuje druhé (atď.) poschodie, postup je rovnaký: od schodiska – dokola. Pritom netreba zabúdať na spotrebiče na schodiskových podestách a vonkajšie osvetlenie.

Tretí stĺpec s uvedením výkonu oproti názvu každého elektrického spotrebiča je lepšie vypĺňať súbežne s druhým.

Stĺpce od štvrtého po dvadsiateho siedmeho zodpovedajú každý svojej hodine dňa. Pre pohodlie ich možno rovno prečiarknuť vodorovnými čiarami v strede riadkov. Získané horné polovice riadkov sú akoby čitatelia, dolné menovatelia.

Tieto stĺpce sa vypĺňajú po riadkoch. Čitatelia sa výberovo formátujú ako časové intervaly v desiatkovom formáte (0,0), odrážajúce čas prevádzky daného elektrospotrebiča v tom alebo onom konkrétnom hodinovom období. Paralelne tam, kde sa uvádzajú čitatelia, sa vpisujú menovatelia s ukazovateľom výkonu spotrebiča, prevzatým z tretieho stĺpca.

Potom, čo sú všetky hodinové stĺpce vyplnené, prechádza sa k výpočtom individuálneho denného pracovného času elektrospotrebičov, pohybujúc sa po riadkoch. Výsledky sa zaznamenávajú v príslušných bunkách dvadsiateho ôsmeho stĺpčeka.

V prípade, keď solárna elektráreň hrá pomocnú úlohu, aby systém nepracoval naprázdno, časť záťaže je možné pripojiť k nej na trvalé napájanie.

Na základe výkonu a pracovného času sa postupne vypočíta denná spotreba energie všetkých spotrebiteľov. Zaznačí sa v bunkách dvadsiateho deviateho stĺpčeka.

Keď sú všetky riadky a stĺpčeky špecifikácie vyplnené, vykonajú sa výpočty súčtov. Sčítaním výkonov z menovateľov hodinových stĺpcov po stĺpcoch sa získajú zaťaženia každej hodiny. Sčítaním zhora nadol individuálnych denných spotrieb energie dvadsiateho deviateho stĺpčeka sa nájde celková priemerná denná spotreba.

Výpočet nezahŕňa vlastnú spotrebu budúceho systému. Tento faktor sa zohľadňuje pomocným koeficientom pri následných konečných výpočtoch.

Analýza a optimalizácia získánych údajov

Ak je napájanie z helioelektrárne plánované ako záložné, údaje o hodinových spotrebovaných výkonoch a o celkovej priemernej dennej spotrebe energie pomáhajú minimalizovať výdavky na drahú solárnu elektrinu.

To sa dosahuje vylúčením energeticky náročných spotrebičov z používania až do okamihu obnovenia centralizovaného elektrického napájania, najmä v hodinách maximálnych zaťažení.

Ak je solárny energetický systém navrhovaný ako zdroj trvalého elektrického napájania, potom sa výsledky hodinových zaťažení dostávajú do popredia. Dôležité je rozložiť spotrebu elektriny počas dňa tak, aby sa odstránili výrazne prevládajúce maximá a výrazne prepadávajúce minimá.

Vylúčenie špičkových, vyrovnanie maximálnych zaťažení, odstránenie prudkých prepadov spotreby energie v čase umožňujú vybrať najhospodárnejšie varianty uzlov solárneho systému a zabezpečujú stabilnú, hlavne bezporuchovú dlhodobú prevádzku helioelektrárne.

Graf odhalí nerovnomernosť spotreby energie: našou úlohou je posunúť maximá na čas najväčšej aktivity slnka a znížiť celkovú dennú spotrebu, najmä nočnú.

Predložený výkres ukazuje premenu iracionálneho grafu získaného na základe zostavenej špecifikácie na optimálny. Ukazovateľ dennej spotreby je znížený z 18 na 12 kWh, priemerné denné hodinové zaťaženie z 750 na 500 W.

Rovnaký princíp optimálnosti sa uplatní pri použití variantu napájania zo slnka ako záložného. Zbytočne míňať na zvýšenie výkonu solárnych modulov a akumulátorových batérií kvôli určitému dočasnému nepohodliu sa možno neoplatí.

Výber uzlov helioelektrárne

Pre zjednodušenie výpočtov sa bude uvažovať verzia použitia solárnej batérie ako hlavného zdroja elektrickej energie pre chatu. Spotrebiteľom bude fiktívny chatový domček v Riazanskej oblasti, kde nepretržite bývajú od marca do septembra.

Názornosti úvahám dodajú praktické výpočty založené na údajoch racionálneho grafu hodinovej spotreby energie uverejneného vyššie:

• Celková priemerná denná spotreba energie = 12 000 watthodín.
• Priemerné zaťaženie spotreby = 500 wattov.
• Maximálne zaťaženie 1 200 wattov.
• Špičkové zaťaženie 1 200 x 1,25 = 1 500 wattov (+25 %).

Hodnoty budú potrebné pri výpočtoch celkovej kapacity solárnych zariadení a ďalších pracovných parametrov.

Určenie prevádzkového napätia heliosystémy

Vnútorné pracovné napätie každého solárneho systému je založené na násobkoch 12 voltov, ako najbežnejšieho menovitého napätia akumulátorových batérií. Najrozšírenejšie komponenty solárnych elektrární: solárne moduly, regulátory, invertory – sa vyrábajú pre populárne napätia 12, 24, 48 voltov.

Vyššie napätie umožňuje použiť napájacie vodiče menšieho prierezu – čo zvyšuje spoľahlivosť kontaktov. Na druhej strane, zlyhané akumulátory siete 12 V bude možné vymieňať po jednom.

V 24-voltovej sieti, vzhľadom na špecifiká prevádzky akumulátorových batérií, bude potrebné vykonávať výmenu len po pároch. Sieť 48 V bude vyžadovať výmenu všetkých štyroch batérií jednej vetvy. Okrem toho, pri 48 voltoch už existuje nebezpečenstvo úrazu elektrickým prúdom.

Pri rovnakej kapacite a približne rovnakej cene by ste mali kupovať akumulátory s najväčšou povolenou hĺbkou vybitia a vyšším maximálnym prúdom

Hlavný výber menovitej hodnoty vnútorného rozdielu potenciálov systému súvisí s výkonovými charakteristikami invertorov vyrábaných moderným priemyslom a musí zohľadňovať veľkosť špičkového zaťaženia:

• od 3 do 6 kW – 48 voltov,
• od 1,5 do 3 kW – rovné 24 alebo 48 V,
• do 1,5 kW – 12, 24, 48 V.

Pri výbere medzi spoľahlivosťou elektroinštalácie a nepohodlnosťou výmeny batérií sa v našom príklade zameriame na spoľahlivosť. Následne budeme vychádzať z pracovného napätia vypočítaného systému 24 voltov.

Zostavenie batérie solárnymi modulmi

Vzorec na výpočet požadovaného výkonu solárnej batérie vyzerá takto:

Rsm = ( 1000 * Esut ) / ( k * Sin ),

kde:

• Rsm = výkon solárnej batérie = celkový výkon solárnych modulov (panelov, W),
• 1000 = prijatá citlivosť fotoelektrických meničov (kW/m²)
• Esut = potreba dennej spotreby energie (kWh, v našom príklade = 18),
• k = sezónny koeficient zohľadňujúci všetky straty (leto = 0,7; zima = 0,5),
• Sin = tabuľková hodnota insolácie (slnečného žiarenia) pri optimálnom sklone panelov (kWh/m²).

Hodnotu insolácie je možné získať od regionálnej meteorologickej služby.

Optimálny uhol sklonu solárnych panelov sa rovná hodnote zemepisnej šírky lokality:

• na jar a na jeseň,
• plus 15 stupňov – v zime,
• mínus 15 stupňov – v lete.

Riazanská oblasť, ktorú uvažujeme v našom príklade, sa nachádza na 55. rovnobežke.

Najvyšší výkon solárnych batérií sa dosahuje použitím sledovacích systémov, sezónnou zmenou uhla sklonu panelov, použitím zmiešaného diferencovania modulov

Pre obdobie od marca do septembra je najlepší neregulovaný sklon solárnej batérie rovný letnému uhlu 40⁰ k povrchu zeme. Pri takejto inštalácii modulov je priemerná denná insolácia v Riazani v tomto období 4,73. Všetky čísla máme, vykonáme výpočet:

Rsm = 1000 * 12 / ( 0,7 * 4,73 ) ≈ 3 600 wattov.

Ak vezmeme za základ solárnej batérie 100-wattové moduly, bude ich potrebných 36 kusov. Budú vážiť približne 300 kilogramov a zaberú plochu asi 5 x 5 m.

Overené montážne schémy a možnosti pripojenia solárnych batérií sú uvedené tu.

Vybudovanie akumulátorového energetického bloku

Pri výbere akumulátorových batérií sa treba riadiť týmito postulátmi:

1. Na tento účel NIE sú vhodné bežné autobatérie. Batérie solárnych elektrární sú označené nápisom «SOLAR».
2. Akumulátory by sa mali kupovať len rovnaké vo všetkých parametroch, najlepšie z rovnakej výrobnej šarže.
3. Miestnosť, kde je umiestnený akumulátorový blok, musí byť teplá. Optimálna teplota, pri ktorej batérie poskytujú plný výkon, je 25⁰C. Pri jej poklese na -5⁰C sa kapacita akumulátorov zníži o 50%.

Ak vezmeme na výpočet exemplárny akumulátor s napätím 12 voltov a kapacitou 100 ampérhodín, nie je ťažké vypočítať, že počas celej hodiny dokáže zásobovať energiu spotrebičov s celkovým výkonom 1200 wattov. To je však pri úplnom vybití, čo je veľmi nežiaduce.

Pre dlhodobú prácu akumulátorových batérií NEODPORÚČAME znižovať ich nabitie pod 70%. Hraničná hodnota = 50%. Berúc za „zlatú strednú cestu“ číslo 60%, kladieme do základu následných výpočtov energetickú rezervu 720 Wh na každých 100 Ah kapacitnej zložky akumulátora (1200 Wh x 60%).

Je možné, že nákup jedného akumulátora s kapacitou 200 Ah vyjde lacnejšie ako kúpa dvoch po 100, a tiež sa zníži počet kontaktných spojení batérií.

Spočiatku je potrebné inštalovať akumulátory 100% nabité zo stacionárneho zdroja prúdu. Akumulátorové batérie musia úplne pokrývať zaťaženie v tmavú dennú dobu. Ak nebudete mať šťastie na počasie, udržiavať potrebné parametre systému aj cez deň.

Je dôležité si uvedomiť, že nadbytok akumulátorov povedie k ich trvalému nedostatočnému nabitiu. To výrazne skráti životnosť. Najracionálnejším riešením sa javí vybavenie bloku batériami s energetickou rezervou dostatočnou na pokrytie jednodňovej spotreby energie.

Aby sme zistili požadovanú celkovú kapacitu batérií, vydelíme celkovú dennú spotrebu energie 12000 Wh číslom 720 Wh a vynásobíme 100 Ah:

12 000 / 720 * 100 = 2500 Ah ≈ 1600 Ah

Celkovo bude pre náš príklad potrebných 16 akumulátorov s kapacitou 100 alebo 8 po 200 Ah, zapojených sériovo-paralelne.

Výber kvalitného regulátora

Kvalifikovaný výber regulátora nabíjania akumulátorových batérií (AKB) – je veľmi špecifická úloha. Jeho vstupné parametre musia zodpovedať zvoleným solárnym modulom, a výstupné napätie – vnútornému rozdielu potenciálov solárneho systému (v našom príklade – 24 voltov).

Dobrý regulátor musí nevyhnutne zabezpečovať:

1. Viacstupňové nabíjanie AKB, ktoré viacnásobne predlžuje ich efektívnu životnosť.
2. Automatické vzájomné pripájanie-odpájanie AKB a solárneho panela v korelácii s nabíjaním-vybíjaním.
3. Prepojenie záťaže z AKB na solárny panel a naopak.

Tento malý rozmerový uzol – je veľmi dôležitý komponent.

Ak časť spotrebičov (napríklad osvetlenie) presunieme na priame napájanie 12 voltov z regulátora, bude potrebný menej výkonný, a teda lacnejší invertor.

Od správneho výberu regulátora závisí bezporuchová práca drahého akumulátorového bloku a vyváženosť celého systému.

Výber meniča s najlepším vyhotovením

Invertor sa vyberá s takým výkonom, aby dokázal zabezpečiť dlhodobú špičkovú záťaž. Jeho vstupné napätie musí zodpovedať vnútornému rozdielu potenciálov solárneho systému.

Pre najlepšiu možnosť výberu sa odporúča venovať pozornosť parametrom:

1. Tvar a frekvencia vydávaného striedavého prúdu. Čím viac sa blížia k sínusovke 50 Hz, tým lepšie.
2. Účinnosť zariadenia. Čím vyššia ako 90 % – tým lepšie.
3. Vlastná spotreba zariadenia. Mala by byť úmerná celkovej spotrebe energie systému. Ideálne do 1 %.
4. Schopnosť uzla odolávať krátkodobým dvojnásobným preťaženiam.

Najvynikajúcejšie prevedenie – invertor so vstavanou funkciou regulátora.

Montáž domácej heliosystémy

Pripravili sme pre vás fotografickú zostavu, ktorá názorne demonštruje postup montáže domácej solárnej sústavy z továrensky vyrobených modulov:

Závery a užitočné video k téme

Video #1. Ukážka inštalácie solárnych panelov na strechu domu svojpomocne:

Video #2. Výber akumulátorových batérií pre solárnu sústavu, druhy, rozdiely:

Video #3. Chatová solárna elektráreň pre tých, čo všetko robia sami:

Uvedené praktické metódy výpočtov krok za krokom, základný princíp efektívnej prevádzky modernej solárnej panelovej batérie v rámci domácej autonómnej solárnej stanice pomôžu majiteľom veľkého domu v husto obývanej oblasti aj chaty v odľahlej lokalite dosiahnuť energetickú suverenitu.

Chcete sa podeliť o osobnú skúsenosť, ktorú ste získali pri stavbe mini solárnej sústavy alebo len batérie? Vznikli otázky, na ktoré by ste chceli dostať odpoveď, našli ste nedostatky v texte? Zanechajte, prosím, komentáre v nižšie umiestnenom bloku.