Сонячна електростанція своїми руками — як зробити самому

Вартість сонячних панелей щодня знижується. Придбання або самостійне збирання та встановлення автономних сонячних систем стали доступними для простих споживачів. Ми вирішили створити це керівництво, щоб споживачі розібралися з потрібними компонентами та змогли зібрати сонячну електростанцію для будинку своїми руками.

З чого почнемо?

Для самостійного проектування автономної системи потрібні знання основ електротехніки та певні знання з математики. Для складання найпростішої сонячної електростанції потрібно 4 компоненти:

1. Сонячна батарея (PV-панель);
2. Контролер заряду;
3. Інвертор;
4. Акумулятор.

Крім вищевказаних компонентів, знадобиться мідний кабель, конектори, пристрої захисту та деяка дрібниця. Далі ми крок за кроком пояснимо, як можна вибрати компоненти саме під ваші потреби.

Крок 1: Розрахунок навантаження

Перш ніж вибрати компоненти, необхідно розрахувати навантаження приладів, які підключатимуться до вашої сонячної електростанції і скільки часу вони працюватимуть. Для цього потрібно зробити таке:

1. Визначте, яку техніку (освітлення, вентилятор, телевізор, насос тощо) ви підключатимете, і скільки годин вона працюватиме;
2. Ознайомтеся зі специфікаціями ваших приладів для визначення їхньої потужності;
3. Розрахуйте величину споживаної електроенергії у ват-годинах (Вт·год), яка дорівнює добутку номінальної потужності ваших приладів (Вт) на час роботи (год).

Наприклад, ви хочете включити якийсь пристрій потужністю 10 ватів на 5 годин від сонячної панелі. Кількість спожитої електроенергії буде: 10 Вт × 5 год = 50 Вт·год. Також необхідно розрахувати загальну величину споживаної енергії, саме розрахувати для кожного приладу і скласти отримані величини.

Приклад: настільна лампа = 10 Вт × 5 год = 50 Вт·год + вентилятор = 50 Вт × 2 год = 100 Вт·год, телевізор = 50 Вт × 2 год = 100 Вт·год, всього = 50 + 100 + 100 = 250 Вт·год.

Коли закінчите розрахунок навантаження, настав час приступати до вибору компонентів відповідно до ваших вимог до навантаження.

Крок 2: Вибір акумуляторів

Усі сонячні панелі є джерелом постійного струму. Електроенергію вони генерують лише вдень. Якщо є бажання підключити навантаження постійного струму вдень, то з цим немає проблем, можна підключитися безпосередньо від панелей. Але зробити це — не найкраще рішення, бо:

• Більшості приладів потрібна постійна номінальна напруга для ефективної роботи. Напруга та струм, що передаються сонячними панелями, непостійні. Вони змінюються залежно від інтенсивності сонячного світла, похмура погода — не добре.
• Якщо ви хочете включити щось уночі, воно просто не включиться.

Зазначена проблема вирішується використанням акумуляторів для накопичення енергії в денний час та використання її вночі. Існує багато видів акумуляторів. Акумулятори «відкритого типу» з рідким електролітом, до яких належать автомобільні акумулятори, призначені для видачі високого струму протягом невеликого проміжку часу. Вони не призначені для глибокого розряду, у них інше завдання. Акумулятори для сонячних батарей є акумуляторами глибокого циклу, які легко переносять часткові розряди і призначені для глибокого повільного розряду. Для сонячних електростанцій добре підходять гелеві та літієві акумуляторні батареї.

Примітка: Перед тим як вибирати компоненти, визначте, яку систему напруги ви хочете мати: 12/24 або 48 В. Чим вища напруга, тим менший струм буде в мідних провідниках і тим меншими будуть втрати. Крім того, чим вища робоча напруга, тим менше буде потрібно переріз провідників. Найчастіше як домашня електростанція використовують системи з робочою напругою 12 В або 24 В. Це пов'язано з тим, що частину домашніх приладів можна живити безпосередньо від вашої електростанції, без подвійного перетворення напруги (вгору-вниз), що призводить до втрати потужності. У цьому проекті розглянемо систему 12 В.

Параметри акумулятора:

• Місткість акумулятора розраховується в ампер-годинах (А·год).
• Потужність (Вт) = Напруга (В) × Струм (А). • Вт·год = Напруга (В) × Струм (А) × Час (год) = Вт·год.
• Напруга батареї = 12 В (для системи).

Місткість акумулятора (А·год) = Потужність навантаження (Вт) × Час роботи (год) / напруга (В) = 250/12 = 20,83 А·год.

Потрібно розуміти, що ККД акумуляторів не може бути 100%, найчастіше ККД дорівнює 80%. З огляду на це маємо ємність акумулятора (А·год) = 20,83/0,8 = 26 А·год. Оскільки ми використовуємо перетворювач напруги, який має свій ККД, зазвичай його також приймають рівним 80%, додамо: 26/0,8 = 32,5 А·год. Але і це ще не все — навіть незважаючи на використання акумуляторів глибокого циклу, для тривалого терміну служби їх не рекомендується розряджати до повної розрядки, і по-хорошому потрібно залишати хоча б 30% заряду — чим більше залишимо, тим довше він прослужить, виходить: 32,5 × 1,3 = 42,25 А·год. Округляємо вгору, для того щоб отримати ціле число, і вибираємо акумулятори глибокого розряду ємністю від 45 ампер-годин (А·год).

Крок 3: Вибір панелей

Розглядатимемо лише монокристалічні чи полікристалічні, а аморфні та інші тонкоплівкові панелі розглядати не будемо через їх швидку деградацію — втрати потужності.

Основні відмінності моно та полі:

Монокристалічні панелі дорожчі та ефективніші, ніж полікристалічні панелі. Але в цілому ефективність відрізняється незначною мірою, вона залежить не тільки від типу осередку, але й від якості самих осередків та сумлінності виробника.

Характеристики сонячних панелей зазвичай наводяться до стандартних умов випробувань (STC):

• освітленість = 1 кВт/м2;
• повітряна маса (AM) — 1,5;
• температура — 25°C.

Як самостійно розрахувати потужність сонячних батарей?

Потужність сонячних батарей повинна вибиратися таким чином, щоби споживана потужність нашими електроприладами була заповнена назад. Іншими словами — скільки взяли, стільки і потрібно віддати втрати на перетворення, а також власне споживання інвертора з контролером заряду.

У зв'язку з тим, що сонце протягом дня надходить постійно і з різною інтенсивністю, не можна знати, скільки виробить та чи інша панель сьогодні, але виходячи з їх статистичних даних, це можна припустити досить точно.

Наприклад, для середньої смуги Росії в літню годину хорошим показником вважається якщо кожен 1 Ватт сонячної батареї виробив 6 Вт·год за світловий день, але якщо розглядати похмурий, то дощовий день цей показник може бути в кілька разів менше, тому при розрахунках врахуємо цей факт і замість 6 Вт·год підставимо 3 Вт·год.

Отже, наше споживання у ват-годинах, з урахуванням ККД склало 32,5 А·год × 12 В = 390 Вт·год, розділимо на 3 Вт·год та отримаємо потужність сонячної батареї 130 Вт, якщо у Вас виходить не ціле число — округляйте вгору.

Зимою і у весняно-осінній період запас за потужністю потрібно робити значно більше, оскільки світловий день коротший — сонце знаходиться над горизонтом менше годин.

Крок 4: Вибір контролера заряду для сонячних батарей

Контролер є пристроєм, що поміщається між сонячною панеллю та акумулятором. Він регулює напругу та струм, що надходить від сонячних панелей для підтримки належної якості зарядки акумуляторних батарей.

Найчастіше використовують 12-вольтові акумулятори, проте сонячні панелі можуть виробляти набагато більше напруги, ніж потрібно для заряджання акумуляторів. Контролер заряду фактично перетворює лишню напругу в струм, тим самим зменшуючи час, потрібний для повної зарядки акумуляторних батарей. Це дозволяє сонячним батареям бути досить ефективними будь-якої миті дня.

Типи контролерів заряду:

1. ВКЛ/ВИКЛ (ON/OFF);
2. ШІМ — широтно-імпульсна модуляція (PWM — pulse-width modulation);
3. ТММ — стеження за точкою максимальної потужності (MPPT — Maximum power point tracker).

Рекомендуємо Вам відмовитися від контролера заряду Увімк./Вимк. (ON/OFF), оскільки це найменш ефективний контролер. ТММ (MPPT) контролери мають найвищу ефективність, але ціна на них вища. Таким чином, ми рекомендуємо Вам використовувати ШІМ (PWM) або ТММ (MPPT) контролери, залежно від того, якими фінансами ви оперуєте.

Параметри контролера заряду для сонячних батарей:

• Оскільки наша система розрахована на 12 В, контролер заряду також має підтримувати 12 В;
• Контролер заряду вибирається за потужністю сонячних батарей, для кожного контролера у паспорті вказується максимальна потужність, яку можна підключити до нього. Для цієї системи 12 В на 130 Вт чудово підійде контролер на 10 А;
• Якщо Ви хочете отримувати максимум енергії — вибирайте MPPT контролер заряду, а якщо Ви хочете зменшити вартість системи, вибирайте ШІМ (PWM) контролер заряду, але бажано перевіреного виробника.

Крок 5: Вибір інвертора

Сонячні батареї отримують сонячні промені і конвертують їх в електрику, вони є джерелами постійного струму (DC), так само як акумуляторна батарея, а для підключення розеток потрібний змінний струм з напругою 220 В. Постійний струм (DC) перетворюється на змінний струм (AC) через пристрій під назвою інвертор.

Види хвиль змінного струму на виході інвертора:

1. Прямокутна хвиля — меандр;
2. Модифікована синусоїда;
3. Чиста синусоїда.

Інвертор прямокутної хвилі найдешевший, але підходить не для всіх приладів. Інвертор модифікованої синусоїди теж не призначений для забезпечення електрикою приладів з електромагнітними або ємнісними компонентами типу: мікрохвильових печей; холодильників; різних типів електродвигунів. Інвертори із модифікованою синусоїдою працюють із меншою ефективністю, ніж інвертори із чистою синусоїдою.

Ми рекомендуємо вибирати інвертори з чистою синусоїдою.

Параметри інвертора:

• Потужність інвертора повинна бути рівною або більшою, ніж потужність усіх приладів навантаження, включених одночасно;
• Якщо є прилади з пусковими струмами (електродвигуни), не можна, щоб вона перевищувала максимальну потужність інвертора з урахуванням інших споживачів;
• Допустимо, що ми будемо: телевізор (50 Вт) + вентилятор (50 Вт) + настільна лампа (10 Вт) = 110 Вт;
• Щоб мати запас потужності, вибираємо інвертор від 150 Вт. Оскільки наша система 12 В, ми повинні вибрати інвертор постійного струму 12 В 220 В/50 Гц змінного струму з чистою синусоїдою.

Примітка: Така техніка, як пральна машина, холодильник, фен, пилосос і т.д., мають початкову споживану потужність набагато більше, ніж їх нормальна робоча потужність. Як правило, це викликано наявністю електричних двигунів чи конденсаторів у таких приладах. Це має бути взято до уваги при виборі потужності перетворювача (інвертора).

Крок 6: Монтаж сонячних модулів

Після того як всі розраховані та куплені всі комплектуючі, настає час монтажу сонячної електростанції своїми руками. Спочатку оберіть відповідне місце на даху, де немає жодних перешкод для сонячного світла — жодної тіні від дерев та інших будівель.

Кут нахилу сонячних батарей

Щоб отримати максимум від сонячної електростанції для будинку або дачі, необхідно встановити їх у напрямку, який дозволить захопити максимум сонячного світла. Чим довше панель буде перпендикулярно сонцю, тим більше вона виробить електроенергії. Для середньої смуги Росії оптимальний кут нахилу 30 — 40 для літа та 70 — 80 для зими.

З кутом нахилу розібралися, орієнтація ж панелей має бути на південь, якщо немає такої можливості, то Південний Схід чи Південний Захід, але варто розуміти, що у такому разі вироблення буде менше. Існують системи зі змінним положенням панелей (сонячний трекер), але його в цій статті розглядати не будемо в силу дорожнечі реалізації та наявності деталей, що труться.

Якщо у вас немає компаса, можете завантажити програму на свій смартфон і визначити, де у вас знаходиться південь. Якщо немає можливості знайти компас або встановити програму — запам'ятайте положення сонця о 12-00 годині — це буде південь.

Стійку або кріплення для даху сонячних батарей можна купити чи змайструвати своїми руками хоч із дерева, хоч із металу. Головне, щоб вона була надійна, адже панель має велику парусність, плюс потрібно врахувати відстань між панеллю та дахом — щільне прилягання неприпустимо. Ми використовуємо та рекомендуємо Вам скористатися спеціальними елементами кріплення саме для сонячних батарей.

На звороті панелі є невелика за розміром розпаювальна коробка, в ній знаходяться діоди Шоттки. З розподільної коробки виводяться дроти з установленими роз'ємами стандарту MC4. Завжди намагайтеся використовувати промарковані дроти, наприклад червоний та чорний для підключення позитивних та негативних роз'ємів. Якщо є можливість підключити заземлення, використовуйте для цього жовтий провід із зеленою смужкою.

Крок 7: Вибір послідовного або паралельного підключення

Після розрахунку потужності акумулятора та вибору сонячної панелі ви повинні підключити їх. У багатьох випадках досить важко отримати однією панеллю чи одним акумулятором розрахункові потужності, тому доводиться об'єднувати кілька панелей чи об'єднувати кілька акумуляторів. Якщо у нас окремо взятий акумулятор або окремо взята панель відповідають вимогам напруги, то з'єднуємо їх паралельно, через контролер заряду, але бувають ситуації, коли нам знадобиться послідовне з'єднання, наприклад, для збільшення напруги.

Розглянемо докладніше.

• Послідовне з'єднання. Для підключення будь-якого пристрою до ланцюга необхідно підключити позитивний полюс одного до негативного полюса іншого пристрою. У нашому випадку такими пристроями будуть сонячні панелі або акумулятори. При такому підключенні напруги всіх пристроїв складаються. Приклад: Маємо 4 акумулятори 12 В. З'єднуємо їх послідовно і в результаті одержуємо 12 + 12 + 12 + 12 = 48 вольт. При такому підключенні напруги складаються, а струм залишається постійним. Таким чином, якщо кожен акумулятор мав ємність 100 А·год, то при послідовному ми отримаємо зв'язку 48 В і ємністю 100 А·год, запас електроенергії в такому банку акумуляторів складе 48 В × 100 А·год = 4800 Вт·год електроенергії в 1200 Вт·год, хоча “ємність” у них нібито однакова.
• Паралельне підключення. При паралельному підключенні необхідно підключити позитивний полюс першого пристрою до позитивного полюса наступного пристрою та негативний полюс першого пристрою до негативного полюса наступного пристрою. При паралельному підключенні напруга залишається незмінною, а номінальний струм ланцюга є сумою струмів кожного пристрою. Приклад: маємо два акумулятори 12 В, 100 А·год з'єднаних паралельно, напруга мережі залишається 12 вольт, але струм 100 + 100 = 200 А·год. Аналогічно, якщо 2 сонячні панелі по 17 В і 5 А з'єднані паралельно, маємо ланцюг з напругою 17 В і струмом 10 А.

Крок 8: Розміщення обладнання

На цьому моменті не будемо довго затримуватися, тут потрібно відштовхуватися від місця встановлення. Головний момент — розташувати обладнання неподалік один від одного, щоб використовувати перемички невеликої довжини для зменшення втрат напруги. Обладнання має активне або пасивне охолодження та необхідно залишати повітряний зазор згідно з документацією.

Крок 9: Схема підключення сонячної електростанції

Спочатку приєднуємо контролер заряду. Зазвичай у нижній частині контролера заряду є 3 пари контактів. Перший зліва — підключення сонячної панелі з відмітками (+) та (-). Інший вихід для підключення акумуляторів з відмітками (+) і (-), і третій вихід для прямого підключення навантаження постійного струму, наприклад, лампочки на 12 В — інвертор туди підключати не можна!

Потрібно підключити контролер заряду до акумуляторів: чорний (-) та червоний (+). У цьому випадку контролер зможе визначити необхідну робочу напругу (12 В, 24 В або 48 В), можна відразу налаштувати контролер заряду на потрібний тип акумулятора.

Примітка: Спершу підключіть чорний/негативний провід від батареї до негативного виводу контролера, а потім підключіть позитивний провід. Після підключення батареї до контролера ви побачите, як світиться світлодіод індикації рівня заряду.

Тепер потрібно підключити панелі до контролера. На тильній стороні панелі встановлена ​​розподільна коробка з двома проводами (+) і (-) та конекторами MC4, як правило, вони невеликі за довжиною. Щоб приєднати панель до контролера заряду, потрібні дроти з відповідною частиною роз'ємів MC4. Після підключення сонячних панелей до контролера заряду світиться світлодіодний індикатор, якщо сонячне світло є.

Примітка: Якщо Ви не використовуєте автомат захисту між сонячними батареями та контролером заряду, завжди підключайте сонячну панель, коли на неї не потрапляють сонячні промені, наприклад, увечері, якщо немає такої можливості, то обов'язково вкрийте панель світлонепроникною тканиною, тому що струм від «працюючої панелі» може створити небезпечну для здоров'я електродугу та пошкодити обладнання.

Потім встановлюємо інвертор на місце та підключаємо його до АКБ. У підключенні інвертора теж нічого складного немає, головне дотримуватися полярності підключення.

Безпека

Важливо відзначити, що ми маємо справу з постійним струмом. Так, позитивний контакт панелі (+) повинен бути підключений до позитивного контакту контролера заряду (+) та негативний контакт панелі (-) повинен бути підключений до негативного контакту контролера заряду (-). Якщо ви переплутаєте контакти, виникне проблема, яка може призвести до пожежі. Рекомендується використовувати дроти різного кольору, червоний (+) та чорний (-). Якщо у вас немає можливості використовувати дроти різного кольору, то можна обернути червоною та чорною ізолентою дроти поряд з клемами.

Останні повинні підключатися: навантаження постійного струму та інвертор.

Додатковий захист

Хоча контролер заряду та інвертор мають вбудовані запобіжники для захисту, ви можете поставити вимикачі та запобіжники у наступних місцях для забезпечення захисту:

• У розриві між сонячною панеллю та контролером заряду;
• У розриві між контролером заряду та акумуляторами;
• У розриві між акумуляторами та інвертором.

Вимірювання та реєстрація даних

Якщо ви зацікавлені в тому, щоб знати, скільки енергії виробляється Вашою сонячною електростанцією, варто зробити вибір контролера заряду, який здатний реєструвати дані з вироблення електроенергії та інші показники.

Після під'єднання всього вищеописаного система готова до використання.

Глибокі технічні деталі компонентів ми свідомо торкатися не стали. Справа в тому, що принцип побудови сонячних електростанцій невеликої потужності залишається майже незмінним.