Подключение солнечных панелей, схемы соединения с инвертором и контроллером

Схемы подключения солнечных панелей При монтаже солнечных электростанций неизбежно возникает вопрос — как соединять солнечные панели и в каком порядке подключать их в систему энергоснабжения дома. Сейчас все подробно разберем.

Схема устройства солнечной электростанции

Рассмотрим, как устроена и работает гелиосистема для загородного дома. Главное ее назначение – преобразовать энергию солнца в электричество 220 В, которое является основным источником питания для домашних электроприборов.

Основные части, из которых состоит СЭС:

1. Батареи (панели), преобразующие солнечное излучение в ток постоянного напряжения.
2. Контроллер, регулирующий заряд АКБ.
3. Блок аккумуляторных батарей.
4. Инвертор, преобразующий напряжение АКБ в 220 В.

Конструкция батареи продумана таким образом, что позволяет оборудованию функционировать в различных погодных условиях, при температуре от -35ºС до +80ºС.

Выходит, что правильно установленные солнечные батареи будут работать с одинаковой производительностью и зимой, и летом, но при одном условии – в ясную погоду, когда солнце отдает максимальное количество тепла. В пасмурную эффективность работы резко снижается.

Вес одной батареи на 300 Вт равен 20 кг. Чаще всего панели монтируют на крышу, фасад или специальные стойки, установленные рядом с домом. Необходимые условия: разворот плоскости в сторону солнца и оптимальный наклон (в среднем 45° к поверхности земли), обеспечивающий перпендикулярное падение солнечных лучей.

При возможности устанавливают трекер, отслеживающий движение солнца и регулирующий положение панелей.

Контроллер выполняет насколько функций. Кроме основной – автоматической регулировки заряда АКБ, контроллер регулирует подачу энергии от солнечных батарей, предохраняя тем самым аккумулятор от полной разрядки.

При полном заряде контроллер автоматически отключает АКБ от системы. Современные устройства оборудованы панелью управления с дисплеем, показывающим напряжение батарей.

Для самодельных гелиосистем лучшим выбором являются гелевые аккумуляторы, отличающиеся сроком бесперебойного функционирования 10-12 лет. После 10-летней работы их емкость уменьшается примерно на 15-25 %. Это необслуживаемые и абсолютно безопасные устройства, не выделяющие вредных веществ.

Задача инвертеров – преобразовывать постоянное напряжение от АКБ в переменное напряжение 220 В. Они отличаются такими техническими характеристиками, как мощность и качество получаемого напряжения. Синусовое оборудование способно обслуживать наиболее «капризные» к качеству тока приборы – компрессоры, бытовую электронику.

Обзор бытовой СЭС:

Стоит знать, что бытовые электростанции способны обслуживать постоянно работающий холодильник, периодически запускаемый погружной насос, телевизор, систему освещения. Чтобы обеспечить энергией функционирование котла или даже микроволновки, потребуется более мощное и очень дорогое оборудование.

Существуют и другие, более сложные схемы сборки солнечных электростанций, однако данное решение является универсальным и наиболее востребованным в быту.

Что представляет собой бытовая солнечная батарея

Гелиоэнергетика – это настоящая находка для получения дешевой электроэнергии. Однако даже одна солнечная батарея стоит достаточно дорого, а для того чтобы организовать эффективную систему их нужно немалое количество. Поэтому многие решаются собрать солнечную батарею своими руками. Для этого нужно уметь немного паять, так как все элементы системы собираются в дорожки, а потом крепятся на основание.

Чтобы понять, подходит ли гелиостанция для ваших нужд, надо понимать, что такое бытовая солнечная батарея. Само устройство состоит из:

• солнечных панелей
• контроллера
• аккумулятора
• инвертора

Если устройство предназначено для отопления дома, в комплект будут также включены:

• бак
• насос
• комплект автоматики

Солнечные панели — прямоугольники 1х2 м либо 1,8х1,9 м. Для обеспечения электричеством частного дома с 4-мя жильцами надо 8 панелей (1х2 м) либо 5 панелей (1,8х1,9 м). Устанавливают модули на крышу с солнечной стороны. Угол наклона крыши 45° с горизонтом. Существуют вращающиеся солнечные модули. Принцип работы солнечной батареи с поворотным механизмом аналогичен стационарной, но панели поворачиваются вслед за солнцем благодаря фоточувствительным датчикам. Стоимость их выше, но КПД достигает 40%.

Конструкция стандартных солнечных батарей следующая. Фотоэлектропреобразователь состоит из 2 слоев n и p типа. n-слой изготавливают на основе кремния и фосфора, что приводит к избытку электронов. p-слой делают из кремния и бора, в результате чего образуется избыток положительных зарядов («дыр»). Слои помещают между электродов в таком порядке:

• покрытие против бликов
• катод (электрод с отрицательным зарядом)
• n-слой
• тонкий разделительный слой, препятствующий свободному переходу заряженных частиц между слоями
• p-слой
• анод (электрод с положительным зарядом)

Фотоэлектрические модули производят с поликристаллической и монокристаллической структурами. Первые отличаются большим КПД и высокой стоимостью. Вторые – дешевле, но менее эффективны. Мощности поликристаллических достаточно для освещения/отопления дома. Монокристаллические используются для генерации малых порций электричества (в качестве резервного источника энергии). Существуют гибкие солнечные батареи на основе аморфного кремния. Технология находится в процессе модернизации, т.к. КПД аморфной батареи не превышает 5%.

Процесс изготовления

На любом фото самодельной солнечной батареи можно увидеть, что элементы крепятся к общему корпусу, который является необходимой и надежной защитой для всей конструкции.

Сначала из дерева или алюминия делается рамка нужных размеров, а затем с помощью силикона к ней клеится прозрачное стекло, на которое выкладываются пластинки, соблюдая расстояние между каждой около 5 мм. Это делается для того, чтобы избежать повреждений вследствие температурного расширения материала.

При пайке контактов необходимо учитывать, что параллельное соединение отдельных элементов повышает выходной ток батареи, а последовательное – ее напряжение.

Так можно добиться необходимых выходных параметров. В электрическую цепь необходимо равномерно включить 4 диода для исключения перегрева элементов и выхода их из строя.

Схема простой солнечной батареи должна обеспечивать выходное напряжение до 19 вольт потому, что аккумулятор (12 вольт) заряжается, когда к нему подключен источник с большим напряжением, чем он сам имеет. Как минимум, надо иметь батарею из 36 пластин.

Схема подключения оборудования гелиостанции

Сборка схемы солнечной электростанции достаточно проста. Ниже будет приведена последовательность подключений, проиллюстрированная фотографиями. Для сборки простой системы используется солнечная панель с поликристаллическими элементами, контроллер заряда и аккумулятор. Сборку начинаем с подключения кабеля к солнечной батарее.

Для батарей, которые идут в комплекте с кабелем, этот шаг не требуется. К выходным клеммам контроллера подключаем АКБ. Далее провода, идущие от панели, необходимо присоединить к входным клеммам контроллера заряда.

Все присоединения производятся по принципу «+» к «+», а «-» к «-». На входные клеммы инвертора подаем питание от аккумулятора. После включения контроллера заряда и инвертора мы видим, что генерируемое солнечной панелью электричество начинает зарядку аккумулятора.

Для того чтобы определить полярность выводов солнечной батареи, достаточно замерить напряжение на клеммах с помощью мультиметра. Если возле показаний величины напряжения стоит знак «минус», то положение черного щупа соответствует плюсовой клемме (проверьте правильность подключения щупов перед измерением). Если знак «минус» отсутствует, то положение черного щупа соответствует отрицательной клемме батареи.

Виды фотоэлементов

Основная и довольно сложная задача – найти и купить фотоэлектрические преобразователи. Они представляют собой кремниевые пластины, которые преобразовывают солнечную энергию в электричество. Фотоэлементы делятся на два типа: монокристаллические и поликристаллические. Первые более эффективны и отличаются высоким КПД – 20-25%, а вторые всего до 20%. Поликристаллические фотоэлементы ярко синие и менее дорогостоящие. А моно- можно отличить по форме – она не квадратная, а восьмиугольная, и цена на них выше.

Если паять получается не очень хорошо, то для подключения солнечной батареи своими руками рекомендуется приобретать готовые фотоэлементы с проводниками. Если же присутствует уверенность, что припаять элементы получится самостоятельно, не повредив преобразователь, можно приобрести набор, в котором проводники приложены отдельно.

Самостоятельно вырастить кристаллы для фотоэлементов — довольно специфическая работа, и сделать её практически нереально в домашних условиях. Поэтому фотоэлементы лучше покупать готовые.

Мощность и выработка сетевых солнечных электростанций

Сетевая солнечная электростанция предназначена исключительно для питания объектов, подключенных к централизованной сети, так как в ее составе нет аккумуляторных батарей. В состав комплекта входит

• Фотоэлектрические модули (ФЭМ) Хевел
• Инвертор
• Сопутствующее оборудование (MC4 коннекторы, распределительный щит, силовой и солнечный кабель, опорные конструкции)

Сетевые комплектыСетевая СЭС комплект «Минимальный»Сетевая СЭС комплект «Базовый»Сетевая СЭС комплект «Стандарт»Сетевая СЭС комплект «Расширенный»

Номинальная мощность СЭС, кВт	3,5	5,2	9,9	15
Стоимость сетевой электростанции (с учетом доставки и монтажа на объекте), руб. *	326 580	477 846	892 234	1 266 346
Вырабатываемая энергия сетевой СЭС (расчетные данные для Москвы и МО) в год, кВт*ч	3 590	5 330	10 150	15 300
Расчетная экономия владельца сетевой СЭС в год, руб. **	20 570	30 540	58 160	87 670
Расчетная экономия владельца сетевой СЭС в руб. за 25 лет **	720 000	1 100 000	2 150 000	3 300 000

* Не является офертой. Актуальную цену уточняйте на сайте mes-elektrik.ru ** Исходные расчетные данные: Московская область, тариф на электроэнергию для физических лиц – 5,73 руб. за кВт*ч

Литература и ссылки

1. habr.com/ru/news/t/370459
2. habr.com/ru/company/beeline/blog/154423
3. habr.com/ru/post/158875
4. В.Мейлицев Фукусима навеяла. Журнал «Техника –молодежи» №8 2011
5. В. Полякова «Солнечная энергетика – своими руками» Юный техник, №4 за 2011 год, с. 73-77
6. habr.com/ru/post/251359
7. habr.com/ru/post/455154

Автор материала — Denev.

   Форум

   Форум по обсуждению материала ПОДКЛЮЧЕНИЕ СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИ

МОДУЛЬ ДРАЙВЕРА МОТОРА BLDC Модуль драйвера BLDC двигателя жесткого диска — принципиальные электрические схемы включения и обзор готовых блоков.

Варианты подключения

Не возникает вопросов при подключении одной панели: к соответствующим разъемам контроллера подсоединяют минус и плюс. Если же панелей много, их можно подсоединить:

• параллельно, т.е. соединим между собой одноименные клеммы и, получив на выходе напряжение 12В;

• последовательно, т.е. плюс первой соединить с минусом второй, а оставшиеся минус первой и плюс второй – к контроллеру. На выходе будет 24 В.

• последовательно-параллельно, т.е. использовать смешанное подключение. Подразумевает такая схема, что несколько групп батарей соединены между собой. Внутри каждой из них панели соединены параллельно, а группы – последовательно. Эта схема на выходе дает самые оптимальные характеристики.

Разобраться детальнее с подключением альтернативных источников в доме поможет видео:

То есть, работают две схемы, одна из которых обслуживает оборудование низковольтное, питающееся от 12 В, другая схема – отвечает за бесперебойное снабжение энергией высоковольтного оборудования, работающего от 230 В.

Примерные цены

Цена на разные виды солнечных панелей может разниться от 30 000 до 2 000 000 рублей. Все зависит от количества модулей, качества их исполнения, фирмы-производителя и количества комплектующих частей. Есть самые «бюджетные» варианты, которые могут стоить от 10 500 рублей. Целесообразность их приобретения стоит рассматривать в индивидуальном порядке.

Солнечные батареи — альтернативный источник энергии, который можно использовать в качестве эффективного резерва. Главное — учитывать климатические условия региона проживания. Ведь производительность работы такой системы, большей частью, зависит от количество солнечных дней в году.

Как избежать распространенных ошибок?

Основными ошибками, встречающимися при соединении солнечных батарей, являются неправильные соединения и перепутанная полярность. Избежать их можно только одним способом — не спешить, внимательно следить за ходом работ, при возникновении сомнений не лениться проверять и уточнять назначение контактов, или их полярность.

Если используется подключение солнечных батарей к сети, схема усложняется, возникает опасность короткого замыкания или выхода приборов из строя. В таких ситуациях рекомендуется обратиться к специалистам, которые смогут правильно подключить приборы и соединить солнечные модули. Для пользователя будет полезным составить для себя схему соединений и отметить на ней полярность. Это поможет впоследствии повторить сборку и исключить ошибки.

Подключение к аккумулятору

Как уже писалось выше, аккумуляторные батареи подключаются к контроллеру, который будет контролировать их заряд. С другой стороны они подключаются к инвертору, который преобразует  12В, 24В, 48В  в 220В для использования потребителями. Важно так же соблюдать полярность всей схемы и использовать большее сечение провода, рекомендовано в этой части системы сечение 3 мм.

Подключать аккумуляторы можно и напрямую к панелям, без использования контроллера. Однако это делать не желательно по нескольким причинам, самой важной из которых является “перегрев батарей”, то есть избыточная бесконтрольная зарядка, которая снизит их срок эксплуатации.

Как соединить солнечные батареи максимально используя возможности всех элементов

Смешанная схема резервного подключения. Они будут зависеть от габаритов самих панелей и их количества.

Теперь остается дело за малым.

При одинаковых характеристиках, следующий вид панелей — тонкопленочный, потребует для установки в доме большей площади. Конечно же на свой страх и риск, можно подключить панель напрямую, и аккумулятор будет заряжаться, но такая система должна быть под присмотром.

Если дом находится в тени других построек, то установка солнечных панелей целесообразна разве что только поликристаллических, и то эффективность будет снижена. Во всех случаях должны отсутствовать затемнения. Решить эту проблему поможет естественный обдув аккумуляторной батареи. Все эти факторы нужно учитывать при выборе места установки и ставить панели по наиболее удобному варианту.

Конечно же на свой страх и риск, можно подключить панель напрямую, и аккумулятор будет заряжаться, но такая система должна быть под присмотром. Это интересно: Многие из стандартных радиокомпонентов также могут вырабатывать электроэнергию при воздействии яркого света.

На этом этапе важно не перепутать тыльную сторону панели с лицевой. Это важнейший момент, так как от того будут ли панели в тени других зданий, деревьев будет зависеть их продуктивность, а значит, и количество вырабатываемой электроэнергии.

При последовательном соединении нескольких панелей, напряжение всех панелей будет складываться. Собирается каркас с помощью болтов диаметром 6 и 8 мм. Изменения напряжения в данном случае не будет.

Нередко используется и смешанная схема подключения. Выходит, что правильно установленные солнечные батареи будут работать с одинаковой производительностью и зимой, и летом, но при одном условии — в ясную погоду, когда солнце отдает максимальное количество тепла. Крепить фотоэлементы во избежание повреждения рекомендуется на длинной стороне, индивидуально выбрав способ: болты крепятся через отверстия рамки , фиксаторы и пр. Закрепить его можно тонким слоем силиконового герметика, а вот эпоксидную смолу для этих целей лучше не использовать, так как снять стекло в случае необходимости проведения ремонтных работ и не повредить панели будет крайне сложно.

Солнечные панели. Как сделать дешёвую и эффективную солнечную электростанцию.

Где лучше установить панели?

Первое, что необходимо сделать перед тем, как установить и подключить солнечную батарею – определиться с местом размещения агрегата.

Для установки фотоэлектрических модулей удобно использовать стационарные конструкции, выполненные из металлических профилей, либо же более модернизированные поворотные аналоги

Солнечные батареи можно размещать практически в любой хорошо освещаемой точке:

• на крыше загородного коттеджа;
• на балконе многоквартирного дома;
• на прилегающей к дому территории.

Главное – обеспечить необходимые условия для получения максимальной выработки электроэнергии. Одним из таковых является ориентация и угол наклона относительно горизонта. Так светопоглощающая поверхность агрегата должна быть направлена в южную сторону.

В идеале солнечные лучи должны падать на нее под 90°. Чтобы добиться этого эффекта, необходимо подобрать оптимальный угол уклона в зависимости от климатических условий региона. Для каждого региона этот показатель свой.

Чтобы обеспечить максимальную производительность солнечных батарей, угол наклона устройств рекомендуется менять 2-4 раза в год: 18 апреля, 24 августа, 7 октября и 5 марта

К примеру, в московском регионе угол наклона размещения поверхности солнечных батарей для летних месяцев составляет 15-20°, а в зимние месяцы изменяется до отметки в 60-70°.

Галерея изображений

Фото из

Самое популярное место для установки солнечных батарей

Расположение на вращающихся подставках

Крепление солнечных батарей на фасаде

Солнечные батареи на ограждении мансарды

При размещении солнечных батарей на прилегающей к дому территории, панели лучше приподнять над поверхностью почвы как минимум на полметра – на случай выпадения большого количества снега. Такое решение правильно и в том плане, что обеспечивает достаточное расстояние для циркуляции воздуха.

Стоит помнить, что даже небольшая тень пагубно влияет на выработку электричества агрегатом. Панели нужно размещать лишь в местах, которые не подвержены даже малейшему затенению.

Некоторые «умельцы» с целью защиты батарей устанавливают сверху панелей дополнительное стекло, но даже при видимой прозрачности стеклянная прослойка способна снизить КПД панелей на 30%

Существует несколько способов фиксации панелей:

• посредством задействования прижимных фиксаторов;
• путем болтового соединения через сквозные отверстия, расположенные в нижней части рамки.

Опорная конструкция должна быть выполнена из корозионностойких материалов. Независимо от способа монтажа в конструкцию панелей нельзя самостоятельно вносить изменения и просверливать дополнительные отверстии.

Задача домовладельца – поддерживать панели в чистом виде. Скопления на экране пыли, снега и птичьего помета как минимум на 10% уменьшает количество электроэнергии, произведенной системой.

Выбор предохранителя

Кроме вышеперечисленных элементов в солнечных системах обязательно используются предохранители, как во многих электроприборах.

Защита предусмотрена как по постоянному току (DC), так и по переменному (AC).

Рассматривать подробные электрические схемы соединения не имеет особого смысла, поскольку для каждой гелиосистемы потребуется подобрать индивидуальный набор элементов и оптимизировать электросхему. А поскольку все элементы рекомендуется приобретать у одного изготовителя для их лучшей совместимости, то это вообще излишне, поскольку специалисты на фирме подберут комплект оборудования и коммутационные элементы в соответствии с вашими условиями и возможностями, а также дадут подробную схему подключения и рекомендации.

Экономическая обоснованность

Сроки окупаемости солнечных панелей посчитать несложно. Умножьте суточное количество производимой энергии в сутки на количество суток в году и на срок эксплуатации панелей без снижения мощности — 30 лет. Рассмотренная выше электроустановка способна генерировать в среднем от 52 до 100 кВт·ч в сутки в зависимости от продолжительности светового дня. Среднее значение составляет около 64 кВт·ч. Таким образом, за 30 лет электростанция в теории должна выработать 700 тыс. кВт·ч. При одноставочном тарифе в 3,87 руб. и стоимости одной панели около 15 000 руб, затраты окупятся за 4–5 лет. Но реальность более прозаична.

Дело в том, что декабрьские значения солнечной радиации меньше среднегодовых примерно на порядок. Поэтому для полностью автономной работы электростанции зимой требуется в 7–8 раз больше панелей, чем летом. Это существенно увеличивает вложения, но уменьшает срок окупаемости. Перспектива введения «зеленого тарифа» выглядит вполне ободряюще, но даже на сегодняшний день можно заключить договор на поставку электроэнергии в сеть по оптовой цене, которая втрое ниже розничного тарифа. И даже этого достаточно, чтобы выгодно продавать 7–8 кратный излишек выработанной электроэнергии в летний период.

Видео

Смотрите в нашем видео подробную инструкцию по сборке солнечной батареи.

Устройство и принцип работы

Рисунок 1 – Общий вид солнечной батареи.

Основными составляющими солнечной батареи являются фотогальванические ячейки, сделанные из пластин кремния. Панель состоит из алюминиевой рамы, в которую вставлено закаленное, ударопрочное сверхпрозрачное стекло. На стекло в виде матрицы укладываются ячейки, которые соединяются последовательно методом пайки. Общий вид солнечной батареи приведен на рисунке 1, а типичная схема соединения ее ячеек – на рисунке 2. Количество ячеек может быть разное в зависимости от требуемой мощности. В результате этого у собранной батареи получаются два вывода – “+” и “-“. Далее этот набор ячеек подвергается инкапсуляции, то есть тщательно герметизируется специальной пленкой или заливается двухкомпонентным компаундом – веществом, похожим на эпоксидную смолу.

Под воздействием света на кремниевых элементах возникает разность потенциалов, которая в итоге суммируется, так как ячейки соединены последовательно. Напряжение солнечной батареи будет меняться, в зависимости от интенсивности освещения. Чтобы эффективно использовать полученную электроэнергию, солнечную батарею нужно правильно подключать в схему взаимодействия с другими устройствами.