Päikesepatareid suvilale ja kodule: tüübid, tööpõhimõte ja päikesesüsteemi arvutamise kord

Teadus on meile andnud aja, mil päikeseenergia kasutamise tehnoloogia muutus üldkättesaadavaks. Päikesepaneelide hankimine koju on võimalik igal omanikul. Suvitajad ei jää selles küsimuses maha. Nad satuvad sageli tsentraliseeritud stabiilse elektrivarustuse allikatest eemale.

Pakume tutvuda teabega, mis tutvustab päikesesüsteemi töösõlmede ehitust, tööpõhimõtteid ja arvutamist. Meie esitatud andmetega tutvumine toob lähemale oma krundi loodusliku elektriga varustamise tegelikkuse.

Andmete paremaks mõistmiseks on lisatud üksikasjalikud skeemid, illustratsioonid, foto- ja videojuhised.

Päikesepaneeli ehitus ja tööpõhimõte

Kunagi avastasid uudishimulikud mõistused meile looduslikud ained, mis toodavad päikesevalguse osakeste, footonite, mõjul elektrienergiat. Seda protsessi nimetati fotoelektriliseks efektiks. Teadlased õppisid seda mikrofüüsikalist nähtust juhtima.

Pooljuhtmaterjalide põhjal lõid nad kompaktsed elektroonikaseadmed – fotoelemendid.

Tootjad valdasid tehnoloogiat, kuidas ühendada miniatuursed muundurid tõhusateks päikesepaneelideks. Tööstuslikult laialdaselt toodetud ränist päikesemoodulite kasutegur on 18–22%.

Skeemi kirjeldusest on selgelt näha: kõik elektrijaama komponendid on võrdselt olulised – nende asjatundlikust valikust sõltub süsteemi kooskõlastatud töö.

Moodulitest pannakse kokku päikesepaneel. See on footonite teekonna Päikeselt Maale lõpp-punkt. Siit jätkavad need valguskiirguse osakesed oma teed juba elektriahelas alalisvoolu osakestena.

Nad jaotatakse akudele või muundatakse vahelduvvoolulaenguteks pingega 220 volti, mis toidavad kõikvõimalikke koduseid tehnilisi seadmeid.

Päikesepaneel kujutab endast kompleksi järjestikku ühendatud pooljuhtseadmeid – fotoelemente, mis muundavad päikeseenergia elektrienergiaks.

Rohkem üksikasju päikesepatarei seadme spetsiifikast ja tööpõhimõttest leiate meie saidi teisest populaarsest artiklist.

Päikesepaneelide liigid

Päikesepaneelid-moodulid monteeritakse päikeseelementidest, teisisõnu – fotogalvaanilistest muunduritest. Laialdast kasutust on leidnud kahte tüüpi fotogalvaanilised muundurid.

Need erinevad nende valmistamisel kasutatavate ränipooljuhi sortide poolest, nimelt:

• Polükristallilised. Need on päikeseelemendid, mis on valmistatud ränisulamist pikaajalise jahutamise teel. Lihtne tootmismeetod tagab hinna taskukohasuse, kuid polükristallilise variandi tootlikkus ei ületa 12%.
• Monokristallilised. Need on elemendid, mis on saadud tehislikult kasvatatud ränikristalli õhukesteks plaatideks lõikamise teel. Kõige tootlikum ja kallim variant. Keskmine kasutegur on umbes 17%, on võimalik leida monokristallilisi fotoelemente kõrgema tootlikkusega.

Polükristallilised päikeseelemendid on lameda ruudukujulise kujuga, ebaühtlase pinnaga. Monokristallilised variandid näevad välja nagu õhukesed ühtlase pinnastruktuuriga ruudud, mille nurgad on lõigatud (pseudoruudud).

Sellised näevad välja fotogalvaanilised muundurid: päikesemooduli omadused ei sõltu kasutatavate elementide tüübist – see mõjutab ainult mõõtmeid ja hinda.

Esimese teostuse paneelid on sama võimsuse juures suuremad kui teised, kuna nende efektiivsus on madalam (18% versus 22%). Kuid need on keskmiselt umbes kümme protsenti odavamad ja on valdavalt nõutuimad.

Päikesepaneelide valiku reeglitest ja nüanssidest iseseisva kütte energiavarustuseks saate lugeda siit.

Päikese elektrivarustuse tööskeem

Kui pilk libiseb üle müstiliselt kõlavate sõlmede nimede, mis on osa päikesevalgusega toitesüsteemist, tuleb mõte seadme ülitehnilisest keerukusest.

Fotoni elu mikrotasandil see nii on. Kuid visuaalselt näeb elektriahela üldskeem ja selle toimimispõhimõte välja väga lihtne. Taevasest valgusallikast kuni "Iljitši lambini" on vaid neli sammu.

Päikesemoodulid – esimene elektrijaama koostisosa. Need on õhukesed ristkülikukujulised paneelid, mis on kokku pandud teatud arvust standardplaatidest-fotoelementidest. Tootjad valmistavad fotopaneelid erineva elektrivõimsuse ja pingega, mis on 12 voldi kordsed.

Lameda kujuga seadmed paigutuvad mugavalt otsekiirtele avatud pindadele. Moodulplokid ühendatakse omavaheliste ühenduste abil päikesepatareiks. Patarei ülesanne on muundada saadud päikeseenergiat, andes välja etteantud suurusega alalisvoolu.

Elektrilaengu salvestusseadmed – päikesepatareide akud on kõigile teada. Nende roll päikeseenergiaga toituvas energiavarustussüsteemis on traditsiooniline. Kui kodutarbijad on ühendatud tsentraliseeritud võrku, laevad energiaakud end elektriga täis.

Nad akumuleerivad ka selle ülejääke, kui päikesemooduli vool on piisav elektriseadmete tarbitava võimsuse tagamiseks.

Akumulaatoriplokk annab vooluahelale vajaliku koguse energiat ja hoiab stabiilset pinget, niipea kui tarbimine selles kasvab suurenenud väärtuseni. Sama juhtub näiteks öösel, kui fotopaneelid ei tööta, või vähese päikesepaistega ilmaga.

Päikesepatareide abil maja energiavarustuse skeem erineb kollektoritega variantidest selle poolest, et see võimaldab akumulaatorisse energiat salvestada.

Kontroller on elektrooniline vahendaja päikesemooduli ja akumulaatorite vahel. Selle roll on reguleerida akumulaatorite laetuse taset. Seade ei lase neil ülelaadimise tõttu keeda ega lase elektrilise potentsiaali langeda alla teatud normi, mis on vajalik kogu päikeseenergiasüsteemi stabiilseks tööks.

Ümberpöörav – nii seletatakse sõna-sõnalt termini päikesepatareide inverter kõla. Jah, tegelikult täidab see sõlm funktsiooni, mis kunagi tundus elektrotehnikutele fantastilisena.

Ta muundab päikesemooduli ja akumulaatorite alalisvoolu vahelduvvooluks potentsiaalide vahega 220 volti. Just selline pinge on tööpinge valdavale enamikule kodumasinatele.

Päikeseenergia voog on võrdeline valgusti asendiga: mooduleid paigaldades oleks hea ette näha kaldenurga reguleerimine sõltuvalt aastaajast.

Tippkoormus ja keskmine ööpäevane energiatarve

Rõõm oma päikeseelektrijaama omamisest maksab veel üsna palju. Esimene samm teel päikeseenergia jõu valdamise poole on optimaalse tippkoormuse määramine kilovattides ja mõistliku keskmise ööpäevase energiatarbimise määramine kilovatt-tundides kodu- või suvilamajapidamises.

Tippkoormus tekib vajadusest lülitada korraga sisse mitu elektriseadet ning see määratakse nende maksimaalse koguvõimsuse järgi, arvestades mõnede nende kõrgendatud käivitusomadusi.

Maksimaalse tarbitava võimsuse arvutamine võimaldab välja selgitada, milliste elektriseadmete samaaegne töö on hädavajalik ja milliste puhul pole see nii oluline. Sellest näitajast sõltuvad elektrijaama sõlmede võimsusomadused, see tähendab seadme lõplik maksumus.

Elektriseadme ööpäevane energiatarbimine mõõdetakse selle individuaalse võimsuse ja aja korrutisena, mille jooksul seade ööpäeva vältel võrgust töötas (tarbis elektrienergiat). Kogu keskmine ööpäevane energiatarbimine arvutatakse iga tarbija poolt ööpäevase perioodi jooksul tarbitud elektrienergia summana.

Järgnev analüüs ja saadud andmete optimeerimine koormuste ja energiatarbimise kohta tagab vajaliku komplekteerimise ning päikeseenergiasüsteemi edasise töö minimaalsete kuludega

Energiatarbimise tulemus aitab ratsionaalselt suhtuda päikeseelektri tarbimisse. Arvutuste tulemus on oluline akude mahutavuse edasiseks arvutamiseks. Sellest parameetrist sõltub akuploki, mis on süsteemi kallis komponent, hind veelgi enam.

Energianäitajate arvutamise kord

Arvutuste protsess algab otseses mõttes horisontaalselt paiknevast, ruudulise ja lahtivolditud vihikulehest. Kergete pliiatsijoontega saadakse lehest blankett, millel on kolmkümmend veergu ja read vastavalt kodumasinate arvule.

Ettevalmistus aritmeetilisteks arvutusteks

Esimene veerg on traditsiooniline – järjekorranumber. Teine veerg – elektriseadme nimetus. Kolmas – selle individuaalne tarbitav võimsus.

Veerud neljandast kuni kahekümne seitsmendani – kellaajad 00–24. Nendesse kirjutatakse horisontaalse murrujoonega:

• lugejasse – seadme tööaeg konkreetse tunni jooksul kümnendkujul (0,0);
• nimetajasse – uuesti selle individuaalne tarbitav võimsus (see kordus on vajalik tunnikoormuste arvutamiseks).

Kahekümne kaheksas veerg – kogu aeg, mil kodumasin ööpäeva jooksul töötab. Kahekümne üheksandasse – kirjutatakse seadme isiklik energiatarve, mis on individuaalse tarbitava võimsuse ja ööpäevase tööaja korrutise tulemus.

Tarbijate üksikasjaliku spetsifikatsiooni koostamine tunnikoormuste arvesse võtmisega aitab jätta alles rohkem harjumuspäraseid seadmeid tänu nende ratsionaalsele kasutamisele

Kolmkümmend veerg on samuti standardne – märkus. See tuleb kasuks vahearvutusteks.

Tarbijate spetsifikatsiooni koostamine

Järgmine arvutuste etapp – vihiku blanketi muutmine elektritarbijate spetsifikatsiooniks. Esimese veeruga on selge. Siia märgitakse ridade järjekorranumbrid.

Teise veergu kirjutatakse energiatarbijate nimetused. Soovitatav on alustada täitmist esiku elektriseadmetega. Seejärel kirjeldatakse teisi ruume kas vastupäeva või päripäeva (kellele kuidas mugavam).

Kui on teine (jne) korrus, on protseduur sama: trepist – ringi. Samas ei tohi unustada trepikodade seadmeid ja välisvalgustust.

Kolmandat veergu võimsuse märkimisega iga elektriseadme nimetuse kõrvale on parem täita samaaegselt teisega.

Veerud neljandast kahekümne seitsmendani vastavad igaüks oma kellaajale. Mugavuse huvides võib need kohe horisontaalsete joontega ridade keskelt läbi tõmmata. Saadud ridade ülemised pooled on nagu lugejad, alumised – nimetajad.

Need veerud täidetakse rea kaupa. Lugejad vormindatakse valikuliselt kümnendformaadi ajavahemikena (0,0), mis kajastavad selle elektriseadme tööaega ühes või teises konkreetses tunniajavahemikus. Paralleelselt, kus lugejad märgitakse, kirjutatakse nimetajad seadme võimsuse näitajaga, mis on võetud kolmandast veerust.

Pärast kõigi tunniveergude täitmist hakatakse arvutama elektriseadmete individuaalset ööpäevast tööaega, liikudes mööda ridu. Tulemused fikseeritakse kahekümne kaheksanda veeru vastavatesse lahtritesse.

Juhul kui päikeseenergia jaam täidab abistavat rolli, et süsteem ei töötaks tühikäigul, võib osa koormusest ühendada sellega püsivaks toiteks.

Võimsuse ja tööaja põhjal arvutatakse järjestikku kõigi tarbijate ööpäevane energiatarve. See märgitakse kahekümne üheksanda veeru lahtritesse.

Kui kõik spetsifikatsiooni read ja veerud on täidetud, tehakse lõplikud arvutused. Liites veeru kaupa tunniveergude nimetajatest võimsused, saadakse iga tunni koormused. Summeerides ülalt alla kahekümne üheksanda veeru individuaalsed ööpäevased energiatarbed, leitakse keskmine ööpäevane kogutarbimine.

Arvutus ei hõlma tulevase süsteemi omatarvet. Seda tegurit võetakse arvesse abikoefitsiendiga järgnevatel lõplikel arvutustel.

Saadud andmete analüüs ja optimeerimine

Kui toide päikeseelektrijaamast on kavandatud tagavarana, aitavad andmed tunnipõhiste tarbitavate võimsuste ja keskmise ööpäevase energiatarbe kohta minimeerida kalli päikeseelektri kulutamist.

Seda saavutatakse, jättes energiamahukad tarbijad kasutusest välja kuni tsentraliseeritud elektrivarustuse taastamiseni, eriti maksimaalse koormuse tundidel.

Kui päikeseenergiasüsteem projekteeritakse püsiva elektrivarustuse allikana, siis tulevad tunnikoormuste tulemused esiplaanile. Oluline on jaotada elektritarbimine ööpäeva jooksul nii, et eemaldada tugevalt domineerivad maksimumid ja järsult langevad miinimumid.

Tippkoormuse välistamine, maksimaalsete koormuste ühtlustamine, energia tarbimise järskude languste kõrvaldamine ajas võimaldavad valida päikesesüsteemi sõlmede kõige ökonoomsemad variandid ja tagavad stabiilse, eelkõige avariivaba pikaajalise päikesejaama töö.

Graafik toob esile energiatarbimise ebaühtluse: meie ülesanne on nihutada maksimumid päikese suurima aktiivsuse ajale ja vähendada üldist ööpäevast tarbimist, eriti öist.

Esitatud joonis näitab koostatud spetsifikatsiooni alusel saadud ebaratsionaalse graafiku muutmist optimaalseks. Ööpäevase tarbimise näitaja on vähendatud 18-lt 12-le kWh-ni, keskmine ööpäevane tunnikoormus 750-lt 500-le W-le.

Sama optimeerimise põhimõte tuleb kasuks, kui kasutatakse päikese toitevarianti varutoiteallikana. Ei pruugi olla mõtet kulutada lisaraha päikesemoodulite ja akupatareide võimsuse suurendamisele mõne ajutise ebamugavuse tõttu.

Päikeseelektrijaama sõlmede valik

Arvutuste lihtsustamiseks vaadeldakse versiooni, kus päikesepatarei on suvila peamine elektrienergia allikas. Tarbijaks on tinglik suvilamaja Rjazani oblastis, kus elatakse püsivalt märtsist septembrini.

Arutluste selgusele aitavad kaasa praktilised arvutused, mis põhinevad eespool avaldatud ratsionaalse tunnise energiatarbimise graafiku andmetel:

• Ööpäevane keskmine energiatarbimine = 12 000 vatt/tunnis.
• Keskmine tarbimiskoormus = 500 vatti.
• Maksimaalne koormus 1200 vatti.
• Tippkoormus 1200 x 1,25 = 1500 vatti (+25%).

Väärtusi läheb vaja päikeseseadmete kogumahu ja muude tööparameetrite arvutustes.

Päikesesüsteemi tööpinge määramine

Iga päikesesüsteemi sisemine tööpinge põhineb 12-voldise kordsusel kui levinumal akupatarei nimipingel. Kõige laiemalt toodetakse päikeseelektrijaamade sõlmed: päikesemoodulid, kontrollerid, inverterid – populaarsete pingete 12, 24, 48 volti jaoks.

Kõrgem pinge võimaldab kasutada väiksema ristlõikega toitejuhtmeid – see tagab kontaktide suurema töökindluse. Teisalt saab rikkis 12 V võrgu akusid vahetada ükshaaval.

24-voldises võrgus, arvestades akupatareide kasutuse eripära, tuleb asendada ainult paarikaupa. 48 V võrk nõuab kõigi nelja ühe haru aku vahetust. Lisaks on 48 volti juures juba olemas elektrilöögi oht.

Sama mahutavuse ja umbes võrdse hinna korral tuleks soetada akud, millel on suurim lubatud tühjenemissügavus ja suurem maksimaalne vool

Süsteemi sisemise potentsiaalide erinevuse nimiväärtuse peamine valik on seotud kaasaegse tööstuse toodetud inverterite võimsusomadustega ja peab arvestama tippkoormuse suurust:

• 3 kuni 6 kW – 48 volti,
• 1,5 kuni 3 kW – võrdne 24 või 48 V-ga,
• kuni 1,5 kW – 12, 24, 48 V.

Valides juhtmestiku töökindluse ja akude vahetamise ebamugavuse vahel, peatume meie näite puhul töökindlusel. Edaspidi lähtume projekteeritava süsteemi tööpingest 24 volti.

Päikesepaneelide koostamine moodulitest

Päikesepatareilt nõutava võimsuse arvutamise valem on järgmine:

Psm = ( 1000 * Epäev ) / ( k * Sin ),

kus:

• Psm = päikesepatarei võimsus = päikesemoodulite (paneelide) koguvõimsus (W),
• 1000 = fotoelektriliste muundurite aktsepteeritud valgustundlikkus (kW/m²)
• Epäev = ööpäevane energiatarbimise vajadus (kWh, meie näites = 18),
• k = hooajaline koefitsient, arvestades kõiki kadusid (suvi = 0,7; talv = 0,5),
• Sin = tabeliinsolatsiooni väärtus (päikesekiirguse voog) paneelide optimaalse kalde korral (kWh/m²).

Insolatsiooni väärtust saab teada regionaalselt meteoroloogiateenistuselt.

Päikesepaneelide optimaalne kaldenurk on võrdne piirkonna laiuskraadiga:

• kevadel ja sügisel,
• pluss 15 kraadi – talvel,
• miinus 15 kraadi – suvel.

Meie näites käsitletav Rjazani oblast asub 55. laiuskraadil.

Päikesepatareide suurim võimsus saavutatakse jälgimissüsteemide kasutamise, paneelide kaldenurga hooajalise muutmise ja moodulite segadiferentsi rakendamisega

Valitud ajaperioodil märtsist septembrini on parim reguleerimata päikesepatarei kalle võrdne suvise nurgaga 40⁰ maapinna suhtes. Sellise moodulite paigalduse korral on Rjazani keskmine ööpäevane insolatsioon sellel perioodil 4,73. Kõik arvud on olemas, teeme arvutuse:

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

Kui võtta päikesepatarei aluseks 100-vatised moodulid, siis neid on vaja 36 tükki. Need kaaluvad umbes 300 kilogrammi ja võtavad enda alla umbes 5 x 5 m suuruse ala.

Praktikas kontrollitud paigaldusskeemid ja päikesepatareide ühendamise võimalused on toodud siin.

Akupatarei energiaploki seadistamine

Akusid valides tuleb juhinduda järgmistest põhimõtetest:

1. Tavalised autoakud EI sobi selleks otstarbeks. Päikeseelektrijaamade akud on märgistatud kirjaga «SOLAR».
2. Akud tuleks soetada ainult kõigis parameetrites identsed, eelistatavalt samast tehasepartiist.
3. Ruum, kus asub akude plokk, peab olema soe. Optimaalne temperatuur, mille juures akud annavad täisvõimsust, on 25⁰C. Selle langemisel -5⁰C-ni väheneb akude mahtuvus 50%.

Kui võtta arvutuseks näidisaku pingega 12 volti ja mahutavusega 100 ampertundi, on lihtne arvutada, et terve tunni jooksul suudab see varustada energiaga tarbijaid koguvõimsusega 1200 vatti. Kuid see on täieliku tühjenemise korral, mis on äärmiselt ebasoovitav.

Pikaajaliseks akupatareide tööks EI ole soovitatav nende laetust alla 70% langetada. Piirväärtus = 50%. Võttes "kuldse keskteena" arvu 60%, paneme edasiste arvutuste aluseks energiavaru 720 Wh iga 100 Ah mahutavusega aku kohta (1200 Wh x 60%).

Võib-olla on ühe 200 Ah mahutavusega aku ostmine odavam kui kahe 100 Ah aku ostmine ning ka akude kontaktühenduste arv väheneb.

Esialgu tuleb akud paigaldada 100% laetuna statsionaarsest vooluallikast. Akupatareid peavad täielikult katma öise aja koormusi. Kui ilm ei soosi, tuleb süsteemi vajalikke parameetreid toetada ka päeval.

Oluline on arvestada, et akude üleküllus põhjustab nende pidevat alalaadimist. See vähendab oluliselt kasutusiga. Kõige ratsionaalsem lahendus on varustada plokk akudega, mille energiavaru on piisav ühe päevase energiatarbimise katmiseks.

Et teada saada vajalikku akude kogumahutavust, jagame ööpäevase energiatarbimise 12000 Wh 720 Wh-ga ja korrutame 100 Ah-ga:

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

Kokku on meie näite jaoks vaja 16 akut mahutavusega 100 Ah või 8 akut mahutavusega 200 Ah, ühendatud jada-rööpühenduses.

Hea kontrolleri valimine

Asjatundlik akupatareide laadimiskontrolleri (AKB) valimine on väga spetsiifiline ülesanne. Selle sisendparameetrid peavad vastama valitud päikesemoodulitele ja väljundpinge – päikeseenergiasüsteemi sisemisele potentsiaalide erinevusele (meie näites – 24 volti).

Hea kontroller peab kindlasti tagama:

1. Akude (AKB) mitmeastmeline laadimine, mis mitmekordistab nende efektiivset tööiga.
2. Akupatarei (AKB) ja päikesepatarei automaatne vastastikune ühendamine-lahtiühendamine kooskõlas laadimise-tühjenemisega.
3. Koormuse ümberühendamine akupatareilt (AKB) päikesepatareile ja vastupidi.

See väikese mõõtmega sõlm on väga oluline komponent.

Kui osa tarbijaid (näiteks valgustus) viia üle 12-voldisele otse toitele kontrollerist, on vaja vähem võimsat, seega odavamat inverterit.

Kontrolleri õigest valikust sõltub kallihinnalise akuploki avariivaba töö ja kogu süsteemi tasakaalustatus.

Parima teostusega inverteri valik

Inverter valitakse sellise võimsusega, et see suudaks tagada pikaajalise tippkoormuse. Selle sisendpinge peab vastama päikeseenergiasüsteemi sisemisele potentsiaalide erinevusele.

Parima valiku tegemiseks on soovitatav tähelepanu pöörata järgmistele parameetritele:

1. Väljastatava vahelduvvoolu kuju ja sagedus. Mida lähemal see on 50 hertsi siinusele, seda parem.
2. Seadme kasutegur. Mida kõrgem see on 90% – seda suurepärasem.
3. Seadme oma tarbimine. Peab olema kooskõlas süsteemi üldise energiatarbimisega. Ideaalis kuni 1%.
4. Sõlme võime taluda lühiajalisi kahekordseid ülekoormusi.

Parim teostus on inverter, millel on sisseehitatud kontrolleri funktsioon.

Koduse päikesesüsteemi kokkupanek

Oleme Teile koostanud fotovaliku, mis illustreerib selgelt tehases valmistatud moodulitest koduse päikesesüsteemi kokkupaneku protsessi:

Järeldused ja kasulik video teemal

Video #1. Päikesepaneelide paigaldamine maja katusele oma kätega:

Video #2. Päikesesüsteemi akude valik, liigid, erinevused:

Video #3. Suvila päikeseelektrijaam neile, kes teevad kõike ise:

Läbivaadatud samm-sammult praktilised arvutusvõtted, kaasaegse päikesepaneeli efektiivse töö põhiprintsiip koduautonoomse päikesesüsteemi koosseisus aitavad nii tihedalt asustatud piirkonna suure maja omanikel kui ka üksiku suvilamaja omanikel saavutada energiasõltumatust.

Kas soovite jagada isiklikke kogemusi, mille olete saanud mini päikesesüsteemi või pelgalt paneeli ehitamise käigus? Kas tekkisid küsimused, millele sooviksite vastust, leidsite tekstis vigu? Palun jätke kommentaarid allpool asuvasse lahtrisse.