Солнечные электростанции редко используются как основной источник энергии. Однако правильно выбранные и смонтированные панели в ясный день способны обеспечить электричеством все бытовые электроприборы.
Количество вырабатываемой энергии зависит от того, сколько частиц света попадает на фотоэлемент. Также существует ряд других факторов, не зависящих от мощности батареи или площади панелей.
Расчет мощности солнечных батарей
Производительность панелей зависит от материала и технологии, по которой она произведена. Батареи можно разделить на 2 класса: пленочные и на основе кремния.
Коэффициент полезного действия кремниевых батарей:
- Монокристаллические – 22%. Выгодно ставить в ограниченном пространстве;
- Гибкие (аморфные) панели – 5%;
- Поликристаллические – до 18%.
КПД модулей из пленки:
- Пленочные из селенида индия-галлия – 20 %;
- Кадмиево-теллуридные – до 12%;
- Полимерные – не более 5 %.
Есть и смешанные типы панелей, КПД которых выше.
Первое, что надо учесть – суммарная мощность потребителей энергии в кВт*ч. Производитель указывает мощность исходя из того, что на 1 кв.м. батареи поступает 1000 Вт энергии.
Один из способов расчета реальной мощности: E = I x V x Kо x Kпот.
Е – реальная мощность; I – объем энергии, попадающий на место установки панели (кВт*ч/м2); V – мощность одной панели по номиналу; Кпот – коэффициент общих потерь в системе; Ко – коэффициент поправочный, в зависимости от положения (угла наклона) панели относительно южного направления; U – величина солнечной радиации, всегда постоянная1 кВт*ч.
Стоит отметить, что радиация рассчитывается на дневную, месячную и годовую. Например, если показатель 7 кВт*ч/м2 день означает, что за день на 1 кв.м. поступает 7 кВт энергии солнца.
Пример другого расчета
Если взять за расчет модуль площадью 2м2. Общее количество энергии за солнечный день1000 Вт на м2. Формула будет следующая: 1000 Вт умножается на производительность (20%) и умножается на площадь панели (2м) = 400 Вт.
От чего зависит мощность батареи
В панелях используется стекло высокой прозрачности, с пониженным содержанием железа и, тем не менее, оно снижает кпд на несколько процентов.
Оптимальное время работы панелей с 9 утра до 4-х вечера – на этот период приходится 70 % выработанной энергии. Комплекс батарей в 1 кВт за это время выдает 7 кВт*ч электричества, то есть в месяц получается 210 кВт*ч. Можно прибавить еще 3 кВт за утро и вечер. Это в идеале. Но в реальности на эта цифра получается меньше:
- Не все дни в месяце солнечные. Если учесть дождливые и облачные дни, скажем таких дней было 5 – уже получится около 180 кВт*ч.
- Продолжительность светового дня зимой меньше, требуется больший массив батарей или установка ветрогенератора.
- Энергия теряется в инверторе и акб. Аккумуляторы нельзя разряжать на 100%, а кпд у них не выше 80%.
Количество вырабатываемой энергии зависит от числа ясных дней в году. Установка батареи будет нецелесообразной, если солнечных дней в году менее двухсот. Кроме того, лучи солнца должны попадать на панель под прямым углом – для этого рекомендуется установить системы слежения за солнцем. Эти устройства дорогостоящие.
Также на качество работы батареи влияет уровень нагрева модулей. Выработка энергии падает на 0,5 процента, если модуль нагреется на 1 градус. Постоянная работа с повышенной на 100 C температурой снизит эффективность работы устройства на 30%. Поэтому СЭС требуется качественная вентиляция и охлаждение.
Потери энергии могут быть: в проводах 1%; шунтирующем диоде 0,5%; инверторе – от 3 до 7 %.
Еще один фактор, влияющий на выработку тока – суммарное число установленных модулей, т.к. каждый может принять ограниченное количество энергии.
Выработка энергии в пасмурную погоду
| Условие | % от "полного" солнца |
Яркое солнце — панели расположены перпендикулярно солнечным лучам | 100 % |
| Легкая облачность | |
| Пасмурная погода | 20-30% |
За оконным стеклом, один слой, стекло и модуль перпендикулярны солнечным лучам | 91 % |
За оконным стеклом, 2 слоя, стекло и модуль перпендикулярны солнечным лучам | 84 % |
За оконным стеклом, один слой, стекло и модуль под углом 45° солнечным лучам | 64 % |
| Искусственный свет в офисе, на поверхности письменного стола | 0,4 % |
| Искусственный свет внутри яркого помещения (например, магазин) | 1,3 % |
| Искусственный свет внутри жилого помещения | 0,2 % |
Батареи вырабатывают энергию только в светлое время суток и выдают заявленную мощность только в ясный день при попадании лучей под прямым углом.
В непогоду расчет такой: 1000 Вт умножается на синус угла лучей солнца и панели умножается на процент энергии в день без солнца. Например, угол падения лучей равен 40%, получается следующее: 1000 Вт/м2 x sin 40% x 60% = 240 Вт/м2
В некоторых странах, зачастую, солнечные панели работают при освещенности ниже 1000 Вт/м2. Дешевые модули производятся без антибликового покрытия. Как итог – значительная часть солнечных лучей отражается некачественным стеклом. Также они некачественно работают на рассеянном свете.
В разные месяцы интенсивность освещения различна, следовательно на выработку одного и того же количества энергии надо разное число панелей и аккумуляторов.
Некоторые владельцы домов устанавливают панели за стеклами дома. Это тоже ошибка. Одинарное стекло снижает кпд панели на 9%, а двойное уже на 16% - при условии, что стекла идеально чистые. Грязь на стеклах снижает прозрачность, возникают обратное отражение света – батарея работает неэффективно.
Вырабатываемая энергия зависит от количества поступающего света – напряжение растет до определенного предела. У кремниевых элементов это цифра равна 0,6. Повышение напряжения достигается за счет последовательного соединения модулей. СЭС нужен запас напряжения. Он обеспечивает заряд аккумулятора во время работы в пасмурную погоду. Максимальная мощность при нагрузке вырабатывается батареей с просадкой до 0,47 – 0,5 В. Батарея из 36 элементов при оптимальной нагрузке дает напряжение в 17 В.
Нижний предел чувствительности по освещенности есть у каждой панели. Меньше этой границы панель перестанет вырабатывать энергию. В плохую погоду мощность модулей падает в 10-20 раз. Так, у кристаллических панелей из кремния этот предел равен 150-200 Вт/м2. У тонкопленочных этот параметр ниже – 100-200 Вт/м2. Пленочные панели в пасмурную погоду работают лучше кремниевых. Однако, пороговая разница освещенности 50 Вт/м2 практически не повлияет на выработку энергии.
Чтобы мощность была достаточной – необходимо рассчитать требуемое количество батарей. Для этого потребляемая мощность делится на мощность панели. Общее потребление производится путем суммирования продолжительности работы (часов в день) всех электроприборов в доме – мощность складывается с количеством часов. Также потребление можно вычислить из квитанции за электричество: берется максимальная цифра потребления (кВт*ч) за последние месяцы и умножается на 1,5 (запас).
Увеличить экспозицию солнечных лучей можно установив панели на двухосный трекер – платформа, которая вращается за солнцем в 2-х плоскостях. Кроме того, зимой панели должны располагаться горизонтальней, чем в летний период. Летом угол наклона модулей меньше. Для каждой географической широты есть оптимальный угол наклона.
Осенью и весной выбирают угол равный широте местности. Зимой к искомому значению прибавляют 10-15 градусов, а летом вычитают 10-15 градусов. Если модули устанавливаются неподвижно– выбирают угол по широте региона проживания.
Всегда необходимо иметь запас по мощности – со временем характеристики батареи снижаются. Каждый год мощность снижается на 0,6 – 0,7 %. После 25 лет использования потеря мощности составить 20%. Впрочем, недостающую мощность можно без проблем восполнить, подключив дополнительные модули.
