Sončne baterije za vikend in hišo: vrste, princip delovanja in način izračuna solarnih sistemov

Znanost nam je podarila čas, ko je tehnologija izrabe sončne energije postala splošno dostopna. Vsak lastnik lahko dobi sončne baterije za dom. Lastniki vikendov ne zaostajajo. Pogosto so oddaljeni od centraliziranih virov stabilne oskrbe z električno energijo.

Ponujamo vam informacije o zgradbi, načelih delovanja in izračunu delovnih sklopov heliosistema. Seznanjenje s predstavljenimi podatki bo približalo resničnost oskrbe vaše parcele z naravno električno energijo.

Za nazorno razumevanje priloženih podatkov so na voljo podrobne sheme, ilustracije, foto- in video-navodila.

Zgradba in načelo delovanja sončne baterije

Nekoč so radovedni umi odkrili naravne snovi, ki pod vplivom svetlobnih delcev sonca, fotonov, proizvajajo električno energijo. Proces so poimenovali fotoelektrični učinek. Znanstveniki so se naučili obvladovati mikrofizikalni pojav.

Na osnovi polprevodniških materialov so izdelali kompaktne elektronske naprave – fotočlene.

Proizvajalci so obvladali tehnologijo združevanja miniaturnih pretvornikov v učinkovite heliopanele. Izkoristek panelnih sončnih modulov iz silicija, ki jih industrija množično proizvaja, je 18-22 %.

Iz opisa sheme je jasno razvidno: vsi sestavni deli elektrarne so enako pomembni – od njihove strokovne izbire je odvisno usklajeno delovanje sistema

Iz modulov se sestavi sončna baterija. Ta je končna točka potovanja fotonov od Sonca do Zemlje. Od tu te sestavine svetlobnega sevanja nadaljujejo svojo pot znotraj električnega tokokroga kot delci enosmernega toka.

Razporedijo se v akumulatorje ali pa se pretvorijo v naboje izmeničnega električnega toka z napetostjo 220 voltov, ki napaja najrazličnejše domače tehnične naprave.

Sončna baterija predstavlja sklop zaporedno povezanih polprevodniških naprav – fotocelic, ki pretvarjajo sončno energijo v električno

Več podrobnosti o specifikah naprave in principu delovanja sončne baterije boste našli v drugem priljubljenem članku našega spletnega mesta.

Vrste sončnih modulov-panelov

Sončni paneli-moduli so sestavljeni iz sončnih elementov, oziroma – fotovoltaičnih pretvornikov. Množično uporabo so našli FEP dveh vrst.

Razlikujeta se po vrstah polprevodnika iz silicija, ki se uporabljajo za njihovo izdelavo, in sicer:

• Polikristalni. To so sončni elementi, izdelani iz silicijeve taline s počasnim ohlajanjem. Preprosta metoda proizvodnje omogoča dostopnost cene, vendar učinkovitost polikristalne različice ne presega 12%.
• Monokristalni. To so elementi, pridobljeni z rezanjem na tanke ploščice umetno gojenega silicijevega kristala. Najbolj produktivna in draga možnost. Povprečni izkoristek je okoli 17 %, najdemo pa tudi monokristalne fotocelice z višjo zmogljivostjo.

Polikristalni sončni elementi so ravne kvadratne oblike z nehomogeno površino. Monokristalne različice izgledajo kot tanki kvadrati s homogeno površinsko strukturo in obrezanimi vogali (psevdo-kvadrati).

Tako izgledajo FEP – fotovoltaični pretvorniki: značilnosti sončnega modula niso odvisne od vrste uporabljenih elementov – to vpliva le na velikost in ceno

Paneli prve izvedbe so pri enaki moči večji od drugih zaradi manjše učinkovitosti (18% proti 22%). Vendar so v povprečju za deset odstotkov cenejši in so bolj povpraševani.

O pravilih in niansah izbire sončnih baterij za oskrbo z energijo avtonomnega ogrevanja boste lahko prebrali tukaj.

Shema delovanja sončne oskrbe z električno energijo

Ko s pogledom preletite skrivnostno zveneča imena komponent, ki sestavljajo sistem napajanja s sončno svetlobo, pomislite na supertehnično zahtevnost naprave.

To drži na mikro ravni življenja fotona. Toda na splošno shema električnega tokokroga in načelo njenega delovanja sta videti precej preprosta. Od nebesnega svetila do 'Iljičeve žarnice' so le štirje koraki.

Sončni moduli – prva sestavina elektrarne. To so tanke pravokotne plošče, sestavljene iz določenega števila standardnih ploščic-fotoelementov. Proizvajalci izdelujejo fotoplošče z različno električno močjo in napetostjo, ki je večkratnik 12 voltov.

Naprave ploščate oblike so priročno nameščene na površinah, izpostavljenih neposrednim sončnim žarkom. Modularni bloki se z medsebojnimi povezavami združijo v sončno baterijo. Naloga baterije je pretvoriti pridobljeno sončno energijo in oddajati enosmerni tok predvidene jakosti.

Naprave za shranjevanje električnega naboja – akumulatorji za sončne baterije so vsem znani. Njihova vloga v sistemu oskrbe z energijo s soncem je tradicionalna. Ko so gospodinjski porabniki priključeni na centralizirano omrežje, shranjevalci energije shranjujejo elektriko.

Prav tako akumulirajo njegove presežke, če za zagotavljanje moči, ki jo porabljajo električne naprave, zadostuje tok sončnega modula.

Akumulatorski blok oddaja vezju potrebno količino energije in vzdržuje stabilno napetost, takoj ko poraba v njem naraste do povišane vrednosti. Enako se zgodi, na primer, ponoči, ko fotopanele ne delujejo, ali v času manj sončnega vremena.

Shema oskrbe hiše z energijo s pomočjo sončnih baterij se razlikuje od možnosti s kolektorji po možnosti shranjevanja energije v akumulatorju.

Kontroler je elektronski posrednik med sončnim modulom in akumulatorji. Njegova vloga je uravnavanje stopnje napolnjenosti akumulatorskih baterij. Naprava preprečuje njihovo pregrevanje zaradi prenapolnjenosti ali padec električnega potenciala pod določeno normo, potrebno za stabilno delovanje celotnega sončnega sistema.

Preobračalni, tako dobesedno pojasnjuje pomen izraza inverter za sončne baterije. Da, saj v resnici ta sklop opravlja funkcijo, ki se je elektrotehnikom nekoč zdela fantastična.

Ta pretvarja enosmerni tok sončnega modula in akumulatorjev v izmeničnega s potencialno razliko 220 voltov. Prav takšna napetost je delovna za veliko večino gospodinjskih električnih naprav.

Tok sončne energije je sorazmeren z lego svetila: pri nameščanju modulov bi bilo dobro predvideti nastavitev kota nagiba glede na letni čas.

Konica obremenitve in povprečna dnevna poraba energije

Užitek imeti lastno sončno elektrarno za zdaj stane precej. Prvi korak na poti do obvladovanja moči sončne energije je določitev optimalne konične obremenitve v kilovatih in racionalne povprečne dnevne porabe energije v kilovatnih urah za gospodinjstvo ali počitniško hišo.

Konična obremenitev nastane zaradi potrebe po vklopu več električnih naprav hkrati in se določi z njihovo največjo skupno močjo ob upoštevanju povišanih zagonskih značilnosti nekaterih izmed njih.

Izračun maksimalne porabljene moči omogoča ugotoviti, katerih električnih naprav je sočasno delovanje nujno potrebno in katerih ne toliko. Temu kazalniku so podrejene močnostne značilnosti sestavnih delov elektrarne, to je končna cena naprave.

Dnevna poraba energije električne naprave se meri kot produkt njene individualne moči in časa, ko je delovala iz omrežja (porabljala električno energijo) v teku dneva. Skupna povprečna dnevna poraba energije se izračuna kot vsota porabljene električne energije vsakega porabnika v dnevnem obdobju.

Naknadna analiza in optimizacija pridobljenih podatkov o obremenitvah in porabi energije bosta zagotovili ustrezno opremo in nadaljnje delovanje sončnega energetskega sistema z minimalnimi stroški.

Rezultat porabe energije pomaga racionalno pristopiti k porabi sončne elektrike. Rezultat izračunov je pomemben za nadaljnji izračun zmogljivosti baterij. Od tega parametra je cena baterijskega bloka, precej drage komponente sistema, še bolj odvisna.

Postopek izračuna energetskih kazalnikov

Postopek izračunov se dobesedno začne z vodoravno razprostrtim listom v kvadratke. S svetlimi črtami svinčnika iz lista nastane obrazec s tridesetimi stolpci in vrsticami po številu gospodinjskih aparatov.

Priprava na aritmetične izračune

Prvi stolpec se tradicionalno nariše – zaporedna številka. Drugi stolpec – ime električne naprave. Tretji – njena posamezna poraba moči.

Stolpci od četrtega do sedemindvajsetega – ure dneva od 00 do 24. V njih se skozi vodoravno ulomkovo črto vnesejo:

• v števec – čas delovanja naprave v obdobju določene ure v decimalni obliki (0,0);
• v imenovalec – spet njena posamezna poraba moči (ta ponovitev je potrebna za izračun urnih obremenitev).

Osemindvajseti stolpiček – skupni čas delovanja gospodinjske naprave v dnevu. V devetindvajsetega – zapiše se osebna poraba energije naprave kot rezultat množenja posamezne porabe moči s časom delovanja v dnevnem obdobju.

Sestava podrobne specifikacije porabnikov z upoštevanjem urnih obremenitev bo pomagala obdržati več običajnih naprav, zahvaljujoč njihovi racionalni uporabi.

Trideseti stolpec je prav tako standarden – opomba. Uporaben bo za vmesne izračune.

Sestava specifikacije porabnikov

Naslednja faza izračunov – pretvorba zvezkovnega obrazca v specifikacijo gospodinjskih porabnikov električne energije. S prvim stolpcem je jasno. Tukaj se vpišejo zaporedne številke vrstic.

V drugem stolpcu se vpišejo imena porabnikov energije. Priporočljivo je začeti polniti z električnimi napravami v veži. Nato se opišejo drugi prostori v nasprotni ali v smeri urinega kazalca (vsak po svoje).

Če obstaja drugo (itd.) nadstropje, je postopek enak: od stopnišča – v krogu. Pri tem ne smemo pozabiti na naprave na stopniščnih podestih in zunanjo razsvetljavo.

Tretji stolpec z navedbo moči poleg imena vsake električne naprave je bolje polniti sproti z drugim.

Stolpci od četrtega do sedemindvajsetega ustrezajo vsak svoji uri dneva. Zaradi udobja jih lahko takoj prečrtate z vodoravnimi črtami na sredini vrstic. Dobljene zgornje polovice vrstic so nekako števci, spodnje pa imenovalci.

Ti stolpci se polnijo po vrsticah. Števci se izbirno oblikujejo kot časovni intervali v decimalnem formatu (0,0), ki odražajo čas delovanja določene električne naprave v tistem ali drugem določenem urnem obdobju. Vzporedno se tam, kjer so vpisani števci, vnesejo imenovalci z indikatorjem moči naprave, vzetim iz tretjega stolpca.

Ko so vsi urni stolpci zapolnjeni, se premaknejo k izračunom individualnega dnevnega delovnega časa električnih naprav, pri čemer se premikajo po vrsticah. Rezultati se zabeležijo v ustrezne celice osemindvajsetega stolpca.

V primeru, ko sončna elektrarna igra pomožno vlogo, da sistem ne deluje v prazno, lahko del obremenitve nanjo priključite za stalno napajanje.

Na podlagi moči in delovnega časa se zaporedno izračuna dnevna poraba energije vseh porabnikov. Ta se zabeleži v celicah devetindvajsetega stolpca.

Ko so vse vrstice in stolpci specifikacije zapolnjeni, se izvedejo izračuni seštevkov. S seštevanjem moči iz imenovalcev urnih stolpcev po stolpcih se dobijo obremenitve vsake ure. S seštevanjem od zgoraj navzdol individualnih dnevnih porab energije devetindvajsetega stolpca se najde skupno povprečno dnevno porabo.

Izračun ne vključuje lastne porabe bodočega sistema. Ta dejavnik se upošteva s pomožnim koeficientom pri kasnejših končnih izračunih.

Analiza in optimizacija dobljenih podatkov

Če je napajanje iz sončne elektrarne načrtovano kot rezervno, podatki o urnih porabljenih močeh in o skupni povprečni dnevni porabi energije pomagajo minimizirati porabo drage sončne elektrike.

To dosežejo tako, da iz uporabe izključijo energetsko potratne porabnike do trenutka obnove centralizirane oskrbe z elektriko, zlasti v urah največjih obremenitev.

Če je sončni energetski sistem načrtovan kot vir stalne oskrbe z elektriko, potem so rezultati urnih obremenitev v ospredju. Pomembno je porabo elektrike porazdeliti čez dan tako, da se odstranijo močno prevladujoči maksimumi in močno padajoči minimumi.

Izključitev konic, izravnavanje največjih obremenitev, odprava ostrih padcev porabe energije v času omogočajo izbiro najbolj ekonomičnih variant vozlišč sončnega sistema in zagotavljajo stabilno, predvsem pa brezhibno dolgoročno delovanje sončne elektrarne.

Grafikon bo razkril neenakomernost porabe energije: naša naloga je premakniti maksimume na čas največje aktivnosti sonca in zmanjšati skupno dnevno porabo, zlasti nočno.

Predstavljena risba prikazuje pretvorbo neracionalnega grafikona, pridobljenega na podlagi sestavljene specifikacije, v optimalnega. Kazalnik dnevne porabe je znižan z 18 na 12 kWh, povprečna dnevna urna obremenitev s 750 na 500 W.

Enak princip optimalnosti bo uporaben pri uporabi možnosti napajanja s soncem kot rezervnega. Pretirano zapravljanje za povečanje moči sončnih modulov in akumulatorskih baterij zaradi nekaterih začasnih nevšečnosti verjetno ni vredno.

Izbira sklopov heliosončne elektrarne

Za poenostavitev izračunov bomo obravnavali različico uporabe sončne baterije kot glavnega vira električne energije za počitniško hišo. Porabnik bo pogojna počitniška hišica v Rjazanski oblasti, kjer stalno prebivajo od marca do septembra.

Praktični izračuni, ki temeljijo na podatkih zgoraj objavljenega racionalnega grafikona urne porabe energije, bodo dali nazornost razmišljanjem:

• Skupna povprečna dnevna poraba energije = 12.000 Wh.
• Povprečna obremenitev porabe = 500 W.
• Maksimalna obremenitev 1200 W.
• Konična obremenitev 1200 × 1,25 = 1500 W (+25 %).

Vrednosti bodo potrebne pri izračunih skupne zmogljivosti sončnih naprav in drugih delovnih parametrov.

Določitev delovne napetosti heliosistema

Notranja delovna napetost vsakega sončnega sistema temelji na večkratniku 12 voltov, kot najbolj razširjene nazivne napetosti akumulatorskih baterij. Najbolj pogosto so sestavni deli sončnih elektrarn: sončni moduli, krmilniki, pretvorniki – izdelani za priljubljene napetosti 12, 24, 48 voltov.

Višja napetost omogoča uporabo napajalnih kablov manjšega preseka – to pa povečuje zanesljivost stikov. Po drugi strani pa je okvarjene akumulatorje v omrežju 12 V mogoče zamenjati posamično.

V 24-voltnem omrežju bo treba, upoštevajoč specifiko delovanja akumulatorskih baterij, zamenjavo opraviti samo v parih. Omrežje 48 V bo zahtevalo zamenjavo vseh štirih baterij ene veje. Poleg tega pri 48 voltih že obstaja nevarnost električnega udara.

Pri enaki zmogljivosti in približno enaki ceni je treba kupiti akumulatorje z največjo dovoljeno globino praznjenja in čim višjim največjim tokom.

Glavna izbira nazivne notranje potencialne razlike sistema je povezana z močnostnimi značilnostmi pretvornikov, ki jih proizvaja sodobna industrija, in mora upoštevati vrednost konične obremenitve:

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

Ko izbirate med zanesljivostjo napeljave in neprijetnostjo menjave baterij, se za naš primer ustavimo pri zanesljivosti. V nadaljevanju bomo izhajali iz delovne napetosti izračunanega sistema 24 voltov.

Opremljanje baterije s sončnimi moduli

Formula za izračun potrebne moči sončne baterije je naslednja:

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

kjer:

• Rsm = moč sončne baterije = skupna moč sončnih modulov (panelov, W),
• 1000 = sprejeta občutljivost na svetlobo fotovoltaičnih pretvornikov (kW/m²)
• Esut = potreba po dnevni porabi energije (kWh, v našem primeru = 18),
• k = sezonski koeficient, ki upošteva vse izgube (poletje = 0,7; zima = 0,5),
• Sin = tabelarična vrednost sončnega obsevanja (sončnega sevanja) pri optimalnem nagibu panelov (kWh/m²).

Vrednost sončnega obsevanja lahko izveste pri regionalni meteorološki službi.

Optimalni kot nagiba sončnih panelov je enak vrednosti geografske širine kraja:

• spomladi in jeseni,
• plus 15 stopinj – pozimi,
• minus 15 stopinj – poleti.

Rjazanska oblast, obravnavana v našem primeru, leži na 55. vzporedniku.

Največjo moč sončnih baterij dosežemo z uporabo sistemov za sledenje, sezonskim spreminjanjem kota nagiba panelov in uporabo mešanega nagiba modulov.

Za izbrano obdobje od marca do septembra je najboljši nereguliran nagib sončne baterije enak poletnemu kotu 40⁰ glede na zemeljsko površje. Pri takšni namestitvi modulov je povprečno dnevno sončno obsevanje Rjazani v tem obdobju 4,73. Vse številke imamo, izvedimo izračun:

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

Če za osnovo sončne baterije vzamemo 100-vatne module, jih bo potrebnih 36. Tehtale bodo približno 300 kilogramov in zasedle površino približno 5 x 5 m.

V praksi preverjene montažne sheme in možnosti priključitve sončnih baterij so navedene tukaj.

Ureditev akumulatorskega energijskega bloka

Pri izbiri akumulatorskih baterij se je treba ravnati po naslednjih načelih:

1. Običajni avtomobilski akumulatorji niso primerni za ta namen. Baterije sončnih elektrarn so označene z napisom »SOLAR«.
2. Akumulatorje je treba kupiti le enake po vseh parametrih, po možnosti iz iste tovarniške serije.
3. Prostor, kjer je nameščen akumulatorski blok, mora biti topel. Optimalna temperatura, pri kateri baterije oddajo polno moč, je 25⁰C. Ko se ta zniža na -5⁰C, se kapaciteta akumulatorjev zmanjša za 50 %.

Če za izračun vzamemo primer akumulatorja napetosti 12 voltov in kapacitete 100 amper ur, ni težko izračunati, da lahko eno uro oskrbuje porabnike s skupno močjo 1200 vatov. Vendar to velja ob popolni izpraznitvi, kar je skrajno nezaželeno.

Za dolgotrajno delovanje akumulatorskih baterij NI priporočljivo zmanjšati njihovega napolnjenja pod 70 %. Mejna vrednost je 50 %. Če za »zlato sredino« vzamemo 60 %, za osnovo nadaljnjih izračunov postavimo energijsko zalogo 720 Wh na vsakih 100 Ah kapacitivne komponente akumulatorja (1200 Wh x 60 %).

Morda bo nakup enega akumulatorja s kapaciteto 200 Ah cenejši od nakupa dveh po 100, in tudi število kontaktnih povezav baterij se bo zmanjšalo.

Na začetku je treba akumulatorje namestiti 100-odstotno napolnjene iz stacionarnega vira toka. Akumulatorske baterije morajo v celoti pokrivati obremenitve v temnem delu dneva. Če vreme ni naklonjeno, je treba podpirati potrebne parametre sistema tudi podnevi.

Pomembno je upoštevati, da bo presežek akumulatorjev povzročil njihovo stalno nedopolnjenost. To bo znatno skrajšalo življenjsko dobo. Najbolj racionalna rešitev je opremljanje bloka z baterijami z zadostno zalogo energije za pokrivanje dnevne porabe energije.

Da ugotovimo potrebno skupno kapaciteto baterij, delimo skupno dnevno porabo energije 12000 Wh s 720 Wh in pomnožimo s 100 Ah:

12.000 / 720 * 100 = 2500 Ah ≈ 1600 Ah

Skupno bo za naš primer potrebnih 16 akumulatorjev s kapaciteto 100 ali 8 po 200 Ah, povezanih zaporedno-vzporedno.

Izbira dobrega krmilnika

Pravilna izbira krmilnika polnjenja akumulatorskih baterij (AKB) je zelo specifična naloga. Njegovi vhodni parametri morajo ustrezati izbranim sončnim modulom, izhodna napetost pa notranji potencialni razliki sončnega sistema (v našem primeru – 24 voltov).

Dober krmilnik mora nujno zagotavljati:

1. Večstopenjsko polnjenje AKB, ki znatno podaljšuje njihovo učinkovito življenjsko dobo.
2. Samodejno medsebojno vklapljanje in izklapljanje AKB in sončne baterije v korelaciji s polnjenjem in praznjenjem.
3. Preklop bremena z AKB na sončno baterijo in obratno.

Ta majhen vozel je zelo pomembna komponenta.

Če del porabnikov (npr. razsvetljavo) prenesemo na neposredno napajanje 12 voltov iz krmilnika, bo potreben manj zmogljiv in s tem cenejši razsmernik.

Od pravilne izbire krmilnika je odvisno brezhibno delovanje dragocenega akumulatorskega bloka in uravnoteženost celotnega sistema.

Izbira inverterja najboljše izvedbe

Razsmernik se izbere s tako močjo, da lahko zagotavlja dolgotrajno konično obremenitev. Njegova vhodna napetost mora ustrezati notranji potencialni razliki sončnega sistema.

Za najboljšo izbiro je priporočljivo biti pozoren na parametre:

1. Oblika in frekvenca izhodnega izmeničnega toka. Bolj kot sta blizu sinusoidi pri 50 Hz, tem bolje.
2. Izkoristek naprave. Višji kot je od 90 % – tem bolj izjemen.
3. Lastna poraba naprave. Mora biti sorazmerna s skupno porabo energije sistema. Idealno – do 1 %.
4. Sposobnost sklopa, da prenese kratkotrajne dvakratne preobremenitve.

Najboljša izvedba – inverter z vgrajeno funkcijo krmilnika.

Sestava hišnega heliosistema

Pripravili smo vam fotoizbor, ki nazorno prikazuje postopek sestavljanja gospodinjskega sončnega sistema iz tovarniško izdelanih modulov:

Zaključki in koristen video na to temo

Video #1. Prikaz namestitve sončnih panelov na streho hiše z lastnimi rokami:

Video #2. Izbira akumulatorskih baterij za sončni sistem, vrste, razlike:

Video #3. Počitniška sončna elektrarna za tiste, ki vse naredijo sami:

Obravnavane postopne praktične metode izračunov, osnovno načelo učinkovitega delovanja sodobne sončne panelne baterije v sklopu domače avtonomne sončne postaje bodo lastnikom tako velike hiše v gosto naseljenem območju kot tudi počitniške hišice v odmaknjenem kraju pomagale pridobiti energetsko suverenost.

Želite deliti svoje osebne izkušnje, ki ste jih pridobili med gradnjo mini sončnega sistema ali samo sončnega panela? Imate vprašanja, na katera bi želeli dobiti odgovor, ste našli pomanjkljivosti v besedilu? Prosimo, pustite komentarje v spodnjem bloku.