В частном секторе нередко используются бензиновые или дизельные генераторы, но они требуют большое количество дорогостоящего топлива. Поэтому для многих хозяев загородных коттеджей и дач наилучшим выходом из положения становится солнечная электростанция для дома на 5 кВт и 10 кВт. При условии правильного выбора, эти установки способны обеспечить питание всех имеющихся приборов и оборудования. Срок окупаемости этих систем составляет от 5 до 10 лет.
Устройство и принцип работы
Работа электростанций, использующих солнечные панели, основана на фотоэлектрическом эффекте полупроводниковых материалов. Среди них наиболее эффективным и производительным считается кремний.
Образование электрического тока происходит следующим образом. Поскольку фотоэлемент состоит из разных слоев, в его верхней части создается избыток электронов, а в нижней – их недостаток, называемый дырками. Когда верхняя часть кремниевой пластины под влиянием солнечного света нагревается, происходит высвобождение электронов из атомов кремния и их последующий захват атомами нижней части фотоэлемента.
В соответствии с законами физики, электроны устремляются к своему изначальному положению. Со стороны нижней части они перемещаются по соединительным проводникам, отдают часть своей энергии аккумуляторной батарее, после чего возвращаются на свое место в верхней пластине.
Если планируется делать солнечную электростанцию своими руками, необходимо знать, из каких деталей и компонентов она состоит.
Стандартная схема солнечной электростанции включает в себя следующий комплект оборудования:
- Солнечные панели различных типов и конструкций. Они могут быть моно- и поликристаллическими, аморфными или гибридными. Каждая разновидность обладает собственным коэффициентом полезного действия. Панели с высоким КПД стоят значительно дороже.
- Аккумуляторы. Накапливают заряд электричества, поступающего от солнечных панелей. Рекомендуется выбирать батареи с повышенной емкостью, способные питать электроприборы в течение длительного времени. Чаще всего используются модели AGM со сроком службы 4-5 лет или гелевые, которые служат 8-10 лет. Благодаря этим устройствам, получается автономная солнечная электростанция, работающая независимо от основных электрических сетей.
- Контроллер. Прибор для управления процессами зарядки и разрядки АКБ. Когда заряд достигает максимума, аккумулятор отключается от солнечной панели. Наиболее качественные устройства используют специальные алгоритмы, что делает процесс зарядки более эффективным и продлевает сроки эксплуатации АКБ.
- Инвертор. Преобразует постоянное напряжение в переменный ток 220 вольт, пригодный для питания электроприборов и бытовой техники. Мощность инвертора выбирается в соответствии с количеством имеющегося электрооборудования.
В комплект входят также соединительные провода и различные крепежные системы. В собранной конструкции отсутствуют какие-либо движущиеся детали, поэтому домашняя электростанция имеет достаточно продолжительный срок службы. В процессе эксплуатации требуется лишь периодическая замена аккумуляторных батарей.
Сетевая солнечная электростанция
В целях экономии электроэнергии, совместно с централизованным электроснабжением используется сетевая солнечная электростанция. В ясную солнечную погоду она полностью или частично обеспечивает питанием все имеющиеся электроприборы. С наступлением темноты или при росте нагрузки, в работу включается общественная электрическая сеть.
При использовании данной схемы солнечные батареи соединяются с инвертором, который одновременно соединен с обычной электрической сетью. То есть, при достаточной солнечной энергии питание производится от панелей, а нагрузка на центральную сеть снижается, что дает определенную экономию электроэнергии. Подобное оборудование окупается довольно быстро, по сравнению с общим сроком эксплуатации.
Однако сетевая электростанция имеет ряд серьезных недостатков. Прежде всего, она не будет работать при отсутствии напряжения в центральной сети. Вырабатываемая мощность нередко превышает потребности, особенно в летнее время днем. Избежать подобных ситуаций позволяет так называемая гибридная система, совмещающая элементы автономных и сетевых электростанций. В них используются специальные гибридные инверторы, способные работать не только с солнечной электроэнергией, но и с обычным сетевым током. Такие установки отличаются не слишком высоким КПД, поскольку на всех стадиях преобразований теряется определенное количество энергии.
Солнечные станции на 5 и 10 кВт
Установки с фотоэлектрическими элементами классифицируются еще и по выдаваемой мощности. Так солнечная электростанция для дома на 5 квт относится к маломощному оборудованию. Она может обеспечить питание небольшого количества электроприборов, используемых в дачном домике.
В комплект оборудования входят солнечные панели в количестве 6 штук, общей мощностью 1,5 кВт. В ясные солнечные дни они могут вырабатывать примерно 8-9 кВт*ч. С учетом общего количества солнечных дней, такая солнечная электростанция для дачи в среднем как раз и выдает заявленные 5 кВт. Цена таких установок составляет 2-6 тыс. долларов, а окупаются они в течение 6-8 лет. Существуют более дорогие варианты с повышенным КПД и дополнительными опциями.
Более серьезным вариантом считается солнечная электростанция для дома на 10 квт, способная полностью обеспечить электроэнергией стандартный загородный дом в течение всего календарного года. Избыточное электричество не пропадает зря, а расходуется в системе горячей воды и отопления. Мощность этих установок позволяет обеспечивать питанием все электроприборы, необходимые для нормальной жизнедеятельности частного дома. Стоимость их значительно выше, а сроки окупаемости зависят от модификации системы, погодных условий и других факторов.
Существуют и более мощные комплекты солнечных батарей, превышающие 10 кВт и редко применяемые в частном секторе. Как правило, в таких устройствах просто нет необходимости, а их использование нецелесообразно. Мощные установки стоят очень дорого и производят большое количество электроэнергии, значительная часть которой остается невостребованной. Они используются на небольших производствах при отсутствии возможности подключения к общим электрическим сетям.
Выбор и установка компонентов
Перед тем как собрать солнечную электростанцию, необходимо предварительно рассчитать ее параметры, с целью правильного выбора деталей.
В первую очередь определяется количество солнечных панелей. Для этого нужно точно установить степень инсоляции для данной местности. Ее показатель представляет собой количество солнечной энергии, попадающей на поверхность земли, измеряемой в ваттах на 1 м2. Инсоляцию рекомендуется указывать помесячно, так как в разное время года она будет совершенно разной. При расчетах следует ориентироваться на самые низкие показатели.
Далее расчет солнечной электростанции состоит в определении ежемесячной потребности в электроэнергии. При использовании автономной системы следует учитывать, насколько эффективно накапливается электроэнергия и насколько экономно она используется. Низкое энергопотребление позволит обойтись меньшим количеством гелиопанелей и сэкономить при этом значительные средства.
Любая домашняя солнечная электростанция будет работать намного эффективнее, если солнечные панели установлены в наиболее оптимальное положение. Максимальный КПД достигается за счет угла в 90 градусов, под которым солнечные лучи падают на панель. Решение этой задачи достаточно сложное, поскольку солнце постоянно изменяет свое местоположение.
Проблема может быть решена за счет динамичной установки, когда панели поворачиваются за солнцем при помощи сервопривода. При таком варианте удается получить электроэнергии на 50% больше, чем в стационарном положении. Однако и неподвижная установка приносит положительные результаты, если выбран наиболее оптимальный угол, обеспечивающий максимальный сбор солнечных лучей. Также мощность установки можно повысить путем совместного использования ветрогенератора.
Выбор других деталей системы
Важным компонентом электростанции является аккумулятор, накапливающий полученную энергию. В дальнейшем, она используется в ночное время, когда отсутствует солнечный свет. Помимо основной функции, АКБ осуществляют сглаживание электроэнергии, поступающей неравномерно.
При покупке следует учитывать, что электрический ток, который выдает солнечная электростанция для дома, не должен превышать более чем на 10% номинальную емкость кислотных батарей. Для щелочных аккумуляторов этот показатель составляет 30%. Кроме того, нужно учитывать саморазряд батареи. Чтобы АКБ находилась в исправном состоянии, ей требуется периодическая подзарядка.
На работу аккумулятора оказывает влияние правильный выбор контроллера, управляющего процессами зарядки-разрядки. Современные приборы типа МРРТ проводят слежение за точками максимальной мощности, что позволяет создавать запасы энергии даже при слабом освещении.
Выбирая инвертор, перед тем как собрать всю схему, нужно обращать внимание на то, чтобы искажения синусоидального сигнала не превышали 3%. Изменения амплитуды напряжения при включении нагрузки должны быть не более 10%. Качественный прибор выполняет преобразование постоянного и переменного тока. Он обеспечивается защитой от коротких замыканий и запасом по перегрузке. Схема электроснабжения обычно предусматривает питание разных групп потребителей от собственных инверторов.
Плюсы и минусы
Солнечные электростанции, как и другие альтернативные источники энергии, обладают собственными достоинствами и недостатками.
К несомненным преимуществам можно отнести:
- Возможность поглощения света даже в пасмурную погоду. Как правило, это невидимые лучи, оказывающие нужное воздействие на фотоэлементы.
- Солнечные панели могут комбинироваться с другими установками. Чаще всего используется ветросолнечная электростанция, сочетающая в себе возможности и положительные качества обоих устройств. При такой связке производство электроэнергии становится практически непрерывным, не зависящим от внешних факторов.
- Переносная электростанция на солнечных батареях отличается небольшими размерами и может использоваться в разное время в наиболее удобных местах.
- Большинство СЭС имеют продолжительный срок эксплуатации, составляющий в среднем 30-50 лет. Использование аккумуляторов дает возможность создавать запасы энергии, которая расходуется в ночное время.
- Энергия солнца достается потребителям бесплатно, а сами станции, отличаются надежностью, простотой и недорогим обслуживанием. Их легко и быстро собирать.
Недостатков у солнечных станций не слишком много, но все-таки они есть и их нужно учитывать при выборе и эксплуатации:
- Фотоэлементы солнечной электростанции для дома не работают в ночное время. В связи с этим требуются дорогостоящие аккумуляторы, требующие периодической замены.
- Солнечные установки эффективны не во всех климатических зонах.
- Низкий КПД, составляющий около 20%. Остальная энергия солнца теряется. Поэтому производители рекомендуют использовать ветро-солнечные электростанции и другие типы гибридных систем.
