Солнечные батареи своими руками. Подбор оборудования для солнечных электростанций

Контроллеры, аккумуляторы и инверторы для солнечных электростанций: особенности выбора и рекомендации от пользователей

О том, что такое солнечные батареи, как рассчитывать количество фотоэлектрических элементов и какие разновидности полупроводниковых ячеек можно использовать при строительстве солнечных электростанций, мы рассказывали в первой части данной статьи. Сегодня же мы поговорим о том, какое еще оборудование должно входить в комплект домашней автономной системы электроснабжения и как его выбирать.

Выбор контроллера

Солнечный контроллер, подключенный к солнечным батареям и аккумулятору, обеспечивает своевременную подзарядку аккумуляторной батареи (АКБ), защищает ее от преждевременной деградации и выполняет следующие функции:

• Автоматическое подключение АКБ к фотоэлектрическим модулям для подзарядки.
• Автоматическое отключение аккумулятора от фотоэлектрических панелей (ФЭП) при достижении максимального уровня зарядки (защита аккумулятора от перезаряда).
• Автоматическое отсоединение АКБ от потребителей электроэнергии при достижении недопустимого уровня разряда (защита аккумулятора от глубокого разряда).
• Повторное подключение нагрузки к аккумулятору при восполнении уровня его заряда.

Контроллер способен автоматически отключать нагрузку, подключаемую на выход «Load» устройства. К этому выходу подключаются маломощные потребители постоянного тока (например, светодиодные лампы).

Все потребители переменного тока (бытовые электроприборы, электроинструмент и т. д.) не имеют прямого подключения ни контроллеру, ни к солнечным панелям. Они через инвертор подключаются к аккумуляторной батарее.

При такой схеме подключения от глубокого разряда аккумулятор защищается не контроллером, а инвертором. К вопросам переразряда АКБ и способов защиты от него с помощью инвертора мы вернемся чуть позже.

Разновидности контроллеров

Основная задача солнечного контроллера состоит в том, чтобы обеспечивать режимы зарядки аккумуляторной батареи (силу тока и уровень напряжения), соответствующие типу АКБ и ее состоянию. Простейший контроллер типа «on-off» способен выполнять лишь 2 операции: автоматически включать или отключать аккумулятор от фотоэлектрических панелей. Но простейшие устройства в наше время активно вытесняются с рынка более продвинутыми контроллерами. Наиболее популярны сегодня контроллеры двух типов: ШИМ (PWM) – устройства широтно-импульсной модуляции, и МРРТ – устройства отслеживания точки максимальной мощности. Рассмотрим особенности перечисленных контроллеров.

Контроллеры типа «on-off»

Рассмотрим рабочий цикл простейшего контроллера типа «on-off», который подключен к автомобильному аккумулятору – 12 В. Когда напряжение аккумулятора упадет ниже номинала, а напряжение СБ достигнет зарядных значений, контроллер подключит аккумулятор к солнечной батарее. В этот момент начнется процесс зарядки АКБ (накопления), который будет продолжаться, пока напряжение на аккумуляторе не вырастет до 14,4 В. Определив, что напряжение на клеммах АКБ достигло указанного значения, контроллер отключит аккумулятор от солнечных батарей. Затем цикл повторится. Контроллер типа «on-off» не позволяет полностью зарядить аккумуляторную батарею, ведь для полного заряда на ее клеммы необходимо подавать напряжение – 14,4 В, в течение нескольких часов (этот период называется стадией абсорбции). Максимальный уровень зарядки при таком цикле не превысит 60–70%, а регулярный недозаряд приведет к значительному сокращению срока службы АКБ. Как видим, недостатки контроллеров типа «on-off» – налицо.

Контроллеры ШИМ

Контроллеры ШИМ позволяют заряжать АКБ на 100% благодаря оптимизированному рабочему циклу, который подразделяется на 4 стадии.

1. На начальной стадии зарядки аккумулятор получает всю мощность, генерируемую фотоэлектрическими панелями.
2. Стадия накопления характеризуется постепенным ростом напряжения на клеммах АКБ. Накопление заряда осуществляется при постоянной силе тока.
3. Когда напряжение на клеммах АКБ достигнет своего максимального значения, контроллер переведет зарядные параметры в режим абсорбции. Подаваемое напряжение на этой стадии остается постоянным, а зарядный ток постепенно уменьшается. Это позволяет аккумулятору накопить максимальное количество энергии, избежав перегрева и закипания.
4. Уравновешивающий заряд (режим float). На этой стадии аккумулятор поддерживается в заряженном состоянии.

Параметры зарядного тока и напряжения устанавливаются контроллером автоматически.

ШИМ контроллеры рекомендуется использовать в системах с небольшой мощностью солнечных батарей (ориентировочно: от 100 Вт до 500 Вт). Это условие вполне соответствует параметрам домашних фотоэлектрических панелей. Тем не менее, контроллеры ШИМ в настоящее время постепенно вытесняются с рынка более совершенными устройствами МРРТ, изначально создаваемыми для мощных солнечных батарей.

Контроллеры МРРТ

Алгоритм работы контроллеров МРРТ следующий: устройство в реальном времени отслеживает параметры электрического тока на выходе из солнечной батареи, определяя значения в паре ток-напряжение, при которых мощность, получаемая от фотоэлектрических панелей, будет максимальна. Одновременно контроллер отслеживает стадию зарядки аккумулятора и подает на его клеммы ток с необходимыми параметрами.

Автоматическое определение точки максимальной эффективности заряда помогает увеличить коэффициент использования солнечной энергии на 20-30%. При этом контроллеры МРРТ позволяют подключать к системе солнечные батареи, номинальное напряжение которых значительно выше напряжения АКБ. Это гарантирует, что даже в пасмурную погоду напряжение СБ будет превышать зарядное напряжение аккумулятора. То есть в солнечный день контроллер будет автоматически понижать высокое входное напряжение, а при недостатке солнечного света АКБ будет заряжаться за счет запаса по напряжению СБ.

Для того чтобы правильно выбрать контроллер для той или иной солнечной электростанции, необходимо знать характеристики источника тока и аккумулятора. Но есть по этому поводу и общие рекомендации, разработанные производителями:

• Контроллеры МРРТ, учитывая их сравнительно высокую стоимость, следует использовать при мощности солнечных батарей – от 500 Вт и выше (это будет экономически целесообразно).
• Контроллер ШИМ подойдет для солнечных батарей небольшой мощности, у которых номинальное напряжение соответствует номиналу АКБ (например, для 12-ти вольтовых АКБ подходят панели с номиналом 17-22 В, а для 24-ти вольтовых АКБ – панели номиналом 34-45 В).
• Контроллер МРРТ разработан для СБ, напряжение которых гораздо выше напряжения АКБ (это позволяет создавать запас напряжения и обеспечивать заряд аккумулятора даже в пасмурную погоду).

Недостаток мощности в системах, работающих на контроллерах ШИМ, можно компенсировать установкой дополнительной солнечной панели. Это может быть дешевле, чем установка более производительного контроллера МРРТ.

Выбор аккумулятора

Выбирая аккумуляторы для солнечных батарей, пользователи  руководствуются разными соображениями:

• Те, у кого есть средства и возможности, приобретают долговечные и, в то же время, дорогостоящие щелочные аккумуляторы – никелево-кадмиевые (НК) или никелево-железные (НЖ).
• Кто-то приобретает специализированные гелевые батареи, изготовленные по технологии GEL, которые в сравнении с привычными стартерными АКБ служат гораздо дольше, но и стоят дороже.
• Те же, кто предпочитает наиболее доступный вариант, используют стартерные автомобильные АКБ.

Учитывая, что выбор АКБ во многом зависит от реальных возможностей владельца СБ, то давать какие-либо рекомендации в этом плане очень трудно. Тем не менее, перечислить преимущества и недостатки различных батарей следует.

Кислотные (автомобильные) АКБ

Стартерные АКБ – самые дешевые и доступные для большинства покупателей батареи. Несмотря на довольно внушительную емкость, эти АКБ являются буферными: они изначально рассчитаны на кратковременный неглубокий разряд и быструю подзарядку до полной емкости. При этом они совершенно не предназначены для работы в условиях циклического режима и глубокой разрядки. Отсюда вытекают недостатки представленных аккумуляторов.

В таблице представлена зависимость напряжения холостого хода от степени разряда свинцово-кислотной батареи.

Таблица дает примерное понимание величины напряжения, при котором следует отключать нагрузку от АКБ (напряжение отсечки). Примерным оно считается потому, что напряжение аккумулятора, подключенного к нагрузке, всегда ниже напряжения холостого хода батареи. Параметры холостого хода замеряются, спустя несколько часов после отключения нагрузки. Устанавливая напряжение отсечки, лучше руководствоваться рекомендациями производителей АКБ и показаниями контроллера (большинство устройств показывает процент заряженности батареи).

Щелочные аккумуляторы

Щелочные АКБ рассчитаны на циклический режим работы (что оптимально для автономных систем электроснабжения): они способны постепенно отдавать свою энергию, пока не наступит их полный разряд.

И чем глубже будет разряжена такая батарея, тем большую емкость она наберет во время подзарядки (это называется эффектом памяти).

Существенный недостаток щелочных аккумуляторов состоит в том, что при малых токах они плохо заряжаются или не заряжаются вовсе. Решить подобную проблему можно, правильно рассчитав мощность солнечных панелей и установив подходящий контроллер.

Вывод: если есть такая возможность, то для солнечных панелей лучше приобретать щелочные аккумуляторы.

Гелевые аккумуляторы

Если недостатки автомобильных аккумуляторов для потребителя неприемлемы, а приобрести подходящий щелочной аккумулятор sonnenschein у него нет возможности, то выбор делается в пользу свинцово-кислотных гелевых батарей. По своим характеристикам они оптимально подходят для автономных систем солнечной и ветровой энергетики, не требуют обслуживания, а срок их службы составляет 10 лет. Недостатком гелевых батарей считается их высокая стоимость.

Существуют еще литий-железо-фосфатные АКБ sonnenschein a512 (литий-ионные). Они, кстати, признаны самыми лучшими батареями для автономных систем.

Беря во внимание «заоблачную стоимость этих устройств, в самодельных системах их используют лишь единицы.

Расчет емкости аккумуляторов

Рассчитать требуемую емкость аккумуляторных батарей для автономной системы электроснабжения довольно просто. Для этого нам понадобятся следующие исходные параметры:

1. Емкость аккумуляторов (А*ч), которые планируется использовать в системе.
2. Напряжение на рабочих клеммах АКБ (В).
3. Суммарная нагрузка на аккумуляторы (Вт).

Чтобы вычислить параметры АКБ, которая понадобится для вашей системы, емкость аккумулятора и нагрузку на батарею целесообразно перевести в одну систему измерений. То есть Ампер*час нам нужно перевести в кВт*час.

Переводить емкость АКБ в количество энергии принято следующим образом: нужно умножить номинальное напряжение батареи (например, 12 В) на ее паспортную емкость (например, 190А*ч).

12(В) * 190(А*ч) = 2280 Вт*ч = 2,28 кВт*ч.

Расчеты показывают, что одна свинцово-кислотная автомобильная батарея емкостью 190А*ч при разряде сможет отдать примерно 1,14 кВт*ч электроэнергии, разрядившись при этом на 50% (с учетом потерь электроэнергии это значение можно округлить до 1 кВт*ч). При этом щелочной аккумулятор с аналогичной емкостью (который не боится полного разряда) за один цикл сможет отдать в 2 раза больше электроэнергии.

Много это или мало – все зависит от нагрузки на батарею. Например, если нагрузка на 12-ти вольтовый аккумулятор емкостью 190 А*ч будет равна 100 Вт, то все потребители, подключенные к батарее, смогут непрерывно работать в течение 10-ти часов. После чего аккумулятору потребуется обязательная подзарядка.

Рассчитывая параметры АКБ, следует соотносить их с техническими характеристиками солнечных панелей. При этом всегда необходимо учитывать неизбежные потери электричества и природные факторы:

• Ток, потребляемый инвертором без нагрузки – зависит от КПД устройства (например, если инвертор, подключаемый к 12-ти вольтной АКБ, без нагрузки потребляет 2А, то за 10 часов работы он потребит 20А*ч, или 0,24 кВт).
• Сопротивление проводников.
• Естественное снижение паспортной емкости АКБ в процессе эксплуатации (когда показатель емкости снижается до 60% от первоначальной величины, ресурс батареи считается исчерпанным).
• Потери, отражающие КПД аккумулятора (например, свинцово-кислотные АКБ в процессе зарядки потребляют примерно на 20% больше электроэнергии, чем потом отдают) – эти потери должны быть учтены при расчете мощности фотоэлектрических панелей.
• Неравномерное количество солнечных дней в разное время года и т. д.

Внимательного расчета требуют аккумуляторы, к которым подключаются приборы с большими пусковыми токами.

На практике для расчета емкости АКБ целесообразно использовать онлайн калькуляторы солнечной энергии, учитывающие совокупность перечисленных параметров.

Увеличить емкость можно, используя несколько аккумуляторных батарей, соединенных параллельно.

Если батарей много, то следует использовать последовательно-параллельное соединение.

Выбирая тип соединения АКБ, нельзя выпускать из вида два немаловажных параметра: выходное напряжение контроллера и входное напряжение инвертора. Они должны соответствовать суммарному напряжению аккумуляторных батарей.

Объединяя несколько аккумуляторов в одну батарею, следует придерживаться еще одного правила.

Раз в месяц желательно тестером проверять емкость всех аккумуляторов. Это поможет вовремя обнаружить испорченный аккумулятор и принять меры для того, чтобы избежать угрозы разбаланса.

Температура в помещении, где установлены аккумуляторы, должна соответствовать определенным значениям. Если, к примеру, щелочные никель-кадмиевые АКБ менее прихотливы (их можно использовать при температурах от -20ºС до +45ºС без потери емкости), то для эксплуатации свинцово-кислотных (СК) аккумуляторов оптимальная температура окружающей среды равна +20ºС. А вот что касается герметичных свинцово-кислотных батарей: повышение их эксплуатационной температуры на каждые 10ºС сокращает срок службы АКБ в 2 раза (инструкция по эксплуатации свинцово-кислотных батарей п. 10.10).

Для того чтобы уберечь аккумуляторы от глубокого разряда в облачные дни, батареи можно периодически подзаряжать от другого источника (например, от дизельного генератора или ветрогенератора).

Системы автономного электроснабжения, работающие от солнечных панелей и генератора, принято называть гибридными. Гибридные электростанции являются самым оптимальным решением для организации автономного электроснабжения.

Выбор инвертора

Основная функция инвертора заключается в преобразовании стандартного напряжения и постоянного тока аккумуляторных батарей в бытовой переменный ток напряжением 220В. График напряжения на выходе из инвертора имеет синусоидальную форму. И в зависимости от того, какие потребители будут подключены к питанию от СБ, инвертор должен выдавать напряжение либо с правильной синусоидальной формой графика (чистый синус), либо с модифицированным синусом (меандр). Как именно ведет себя график напряжения на выходе из инвертора? Это зависит от особенностей устройства.

Некоторые электроприборы стабильно работают и на «модифицированном синусе»: электронагреватели, компьютеры, устройства с импульсными источниками питания (например, определенные модели телевизоров). Тем не менее, опытные пользователи нашего портала рекомендуют приобретать инверторы, дающие на выходе «чистый синус». Форма выходного сигнала, как правило, указывается в характеристиках устройства.

Выбирая инвертор, следует обращать внимание не только на форму выходного сигнала, но и на мощность устройства. Рабочая (номинальная) мощность должна быть на 25-30% выше суммарной мощности постоянно задействованных в работу потребителей. При этом пиковая мощность инвертора должна превышать мощность возможной кратковременной нагрузки на прибор. Речь идет о нагрузке, которая возникнет в случае одновременного включения нескольких потребителей, обладающих большой пусковой мощностью (холодильник, электродвигатель насоса и т. д.).

В характеристиках инвертора, как правило, указывается еще и максимальная мощность. Она меньше пиковой, но больше номинальной. Этот параметр обозначает допускаемую кратковременную нагрузку, при которой устройство проработает в течение нескольких минут (5-10 мин) и при этом не выйдет из строя.

КПД инвертора также имеет большое значение при выборе устройства. Он определяет потери электроэнергии во время работы устройства и может варьироваться в следующих пределах: 85-95% (в зависимости от модели). Рекомендуется выбирать устройство с КПД – от 90% и выше. Ведь за инвертор мы заплатим один раз, а за его низкий КПД платить придется постоянно.

Инверторы, подключаемые напрямую к свинцово-кислотным аккумуляторам, должны защищать АКБ от глубокого разряда. В большинство современных инверторов подобная функция встроена. При этом порог отсечки нагрузки может быть установлен заводом-изготовителем, а может регулироваться пользователем.

Помимо обычных преобразователей, в системах автономного питания часто используются гибридные и комбинированные инверторы. Комбинированные – способны совмещать функции контроллера и инвертора. Гибридные – позволяют осуществлять питание потребителей как от сети, так и от аккумуляторов.

О сечениях проводников, которые соединяют различные элементы автономной системы электроснабжения, о параметрах защитных устройств и о способах монтажа используемого оборудования вы узнаете в заключительной часте настоящей статьи.

Какими соображениями руководствуются пользователи , выбирая кислотные или щелочные аккумуляторы для автономных систем, вы можете прочитать в соответствующем разделе. О том, как правильно выбрать подходящий контроллер или инвертор для систем, работающих от солнечных батарей, можно узнать, посетив темы нашего сайта, открытые для обсуждений. А о самых популярных способах, позволяющих решить проблему отсутствия электричества, вы узнаете из статьи, основанной на опыте пользователей нашего портала.