Солнечные системы автономного электроснабжения

Одним из самых интересных способов выработки электроэнергии являются солнечные батареи. На сегодняшний день стало актуально использование систем солнечных батарей для электроснабжения небольших объектов, таких например как частный дом.

Простейшая система состоит из следующих элементов: солнечных батарей, контроллера заряда, аккумуляторов и инвертора.

Солнечные батареи

Солнечная батарея состоит из фотоэлементов, соединенных последовательно и параллельно. Все фотоэлементы располагаются на каркасе из непроводящих материалов.

Фотоэлемент состоит из двух слоев полупроводников с «n» и «p» проводимостью. К слоям с разных сторон припаяны контакты. При попадании света на «n» слой за счет фотоэффекта образуются свободные электроны, которые пересекают p-n переход и образуется разность потенциалов ЭДС, величина которой зависит от многих факторов, таких как интенсивность солнечного излучения, площади фотоэлемента, конструкции, температуры поверхности. Основной материал для изготовления фотоэлементов – кремний.

Разность потенциалов одного фотоэлемента составляет порядка 0,45-0,47В, что слишком мало, чтобы получить достаточную мощность, поэтому фотоэлементы соединяют последовательно, повышая тем самым разность потенциалов, и параллельно, увеличивая ток.

Солнечные батареи состоят из солнечных модулей, которые в свою очередь складываются из фотоэлементов.

Для примера рассмотрим характеристики солнечного модуля на 12Вт:

-количество элементов – 36шт;

-номинальная мощность – 12Вт;

-номинальное напряжение – 12В;

-напряжение максимальной мощности – 17В;

-напряжение холостого хода – 21,8В;

-ток короткого замыкания – 0,88А;

-ток максимальной мощности – 0,71А;

-габаритные размеры – 285х425х27;

-площадь – 0,12м2;

-масса – 1,8кг;

- рабочая температура –  от -50 до +75С.

 Солнечные батареи с номинальным напряжением 12В выпускаются с диапазоном мощностей 12-140Вт, панели на более высокое напряжение соответственно будут иметь более высокие показатели мощности.

Для чего же нужно повышенное напряжение 17В, если номинальное напряжение аккумулятора составляет 12В?

Согласно данным руководства по эксплуатации широко применяемых свинцово-кислотных аккумуляторных батарей(АБ) технологии AGM, напряжение подзаряда АБ составляет 2,27В/эл.

Батарея 12В содержит 6 элементов с номинальным напряжением 2В, следовательно в режиме эксплуатации необходимо поддерживать на батарее напряжение не ниже 6х2,27=13,62В.

В режиме ускоренного заряда напряжение на элементе может достигать  2,4В/эл, следовательно на батарее 6х2,4=14,4В.

Таким образом напряжение на АБ для обеспечения режимов ее работы может находится в диапазоне 13,62-14,4 В/эл.

Небольшой запас по напряжению 17-14,4=2,6В необходим для компенсации падения напряжения при нагреве поверхности фотоэлементов и падения напряжения, обусловленном сопротивлением проводников и контактных соединений.

В случае затенения модулей в солнечной батарее в цепочке из последовательно соединенных элементов они перестают генерировать электрическую энергию, становяться потребителями, т.е рассеивают электрическую энергию, нагреваются и выходят со строя.

Для предотвращения данной проблемы параллельно с каждым модулем или его частью устанавливают шунтирующие диоды. Таким образом если хотя бы одна ячейка затенена, то весь ряд выходит из цепи электропитания.

Аккумуляторные батареи

Аккумуляторные батареи(АБ) служат для накопления электроэнергии, производимой фотоэлементами, и отдачи ее в темное время суток или при недостаче солнечной энергии.
Наиболее распространенными типами АБ для применения в фотоэлектрических системах являются герметичные свинцово-кислотные АБ, выполненные по технологии Absorptive Glass Mat(AGM), а также гелевые АБ Gelled Electrolite(GEL).
AGM – используются сепараторы из стекловолокна, которые служат резервуаром для электролита и разделяют пластины противоположного знака. Жидкий электролит в пористом сепараторе удерживается за счет капиллярного эффекта. Весь находящийся а аккумуляторе электролит впитан в сепаратор и отсутствует в свободном пространстве внутри бака.
GEL – электролит имеет гелеобразное состояние благодаря добавлению соединений кремния. Гель обеспечивает герметичность АБ, удерживая в порах неизбежно выделяющиеся при эксплуатации газы и надежно фиксируя материал пластин.
Теперь остановимся на основных преимуществах и недостатках батарей вышеуказанных типов.

Преимущества GEL батарей – циклический ресурс(количество циклов заряд-разряд) в 2-3 раза выше чем у AGM батарей, несколько ниже ток саморазряда.
Недостатки GEL батарей – ограничение зарядного тока до 0,2С10, меньшая эффективность рекомбинации газов, чем у AGM батарей, требовательны к качеству зарядных устройств, более высокая стоимость, боле низкий уровень токов короткого замыкания.
Преимущества свинцово-кислотных AGM батарей – более высокий уровень(порядка 30%), толчковых токов, менее требовательны к качеству зарядного напряжения, более высокий уровень токов короткого замыкания.
Недостатки AGM батарей – более низкий циклический ресурс, несколько выше ток саморазряда, чувствительны к перезаряду и глубоким разрядам.
В системах автономного электроснабжения очень важным показателем является цикличность, которая у гелиевых батарей несколько выше, хотя на сегодняшний день выпускаются некоторые типы AGM батарей, циклический ресурс которых сопоставим с гелиевыми АБ.
Устанавливаются аккумуляторные батареи на специальных стеллажах либо в шкафах.

Контроллеры заряда-разряда

Контроллер заряда-разряда предназначен для управления режимами работы аккумуляторной батареи и имеет следующие основные функции:
-автоматическое подключение АКБ к солнечной батарее;
-автоматическое отключение АКБ при полном заряде;
-автоматическое отключение нагрузки при установленном уровне разряда АКБ;
-различные режимы заряда АКБ.
Данные функции необходимы для обеспечения стабильной работы аккумуляторной батареи на протяжении всего срока службы.
Наиболее распространенными типами для работы в системах небольшой мощности являются ШИМ-контроллеры, алгоритм заряда в которых запрограммирован в четыре стадии:
1. Основной заряд - при постоянном уровне напряжения без ограничения по току;
2. Накопительный заряд – поддерживание постоянного напряжения при уменьшении тока по мере заряда;
3. Поддерживающий заряд – при полностью заряженной АКБ для компенсации саморазряда.
4. Уравнивающий заряд – применяется для некоторых типов АБ(не герметизированных с жидким электролитом), для выравнивания напряжения на отстающих элементах.

При выборе контроллера необходимо отдавать предпочтение типам с настраиваемыми параметрами, позволяющими настроить емкость и тип подключаемой АБ, напряжений заряда и др. параметров.

Для примера рассмотрим характеристики ШИМ контроллера типа EPHC-10-EC на 12В:

-рабочее напряжение – 12В;

-максимальный входной ток от солнечной батареи – 10А;

-максимальный ток нагрузки – 10А;

-напряжение поддерживающего заряда – 13,7В;

-напряжение ускоренного заряда – 14,4В;

-напряжение отключения нагрузки – 11,1В;

-напряжение включения нагрузки после отключения(автоматически) – 13,1В;

-напряжение включения нагрузки после отключения(вручную) – 12,5В;

-напряжение предупредительной сигнализации о низком заряде – 12В;

-степень защиты – IP22;

Функции: регулирование напряжения заряда, четыре режима заряда, температурная компенсация

Электронная защита: отключение СБ после достижения конечного напряжения заряда АБ(2,4В), отключении нагрузки при недопустимо низком напряжении на АБ(11,1В), защита от неправильной полярности подключения СБ, АБ и нагрузки, защита от короткого замыкания на входе и выходе устройства, защита от перегрева, защита от перенапряжения на входе, защита от молнии(варистор), защита от обрыва цепи АБ, защита от разряда АБ через СБ.

Напряжение поддерживающего заряда

Напряжение постоянного подзаряда прикладывается к выводам батареи и при температуре 25°С должно поддерживаться на уровне (2,275 Вольт х количество последовательно соединенных элементов) с точностью ±1%, то есть в диапазоне 2,25-2,30 В/эл.

Если напряжение больше верхнего допустимого значения, имеет место перезаряд, при котором уменьшается количество электролита и ускоряется коррозия решеток положительных пластин, что в результате уменьшает срок службы аккумуляторов.
В случае, если напряжение меньше указанного нижнего предела, имеет место недозаряд. Это приводит к ускоренной коррозии решеток положительных пластин и деградации активного материала отрицательных пластин. Срок службы также сокращается.

Напряжение ускоренного заряда

Напряжение ускоренного заряда прикладывается к выводам батареи и при температуре 25°С и должно поддерживаться на уровне 2,4 В/эл. Данный метод используется для сокращения времени заряда с ограничением по току 0,25С10 для AGM и 0,2C10 для GEL и не рекомендуется для частого применения,чтобы не сократить время службы АБ. Метод может быть использован для выравнивания напряжения на отстающих элементах по напряжению.

Напряжение отключения и включения нагрузки

Аккумуляторная батарея должна быть защищена от переразряда, иначе она выйдет из строя. Поэтому контроллер защищает АБ от переразряда путем отключения нагрузки при падении напряжения на АБ ниже определенного уровня. После того как АБ зарядится от СБ до напряжения повторного включения, нагрузка снова подключается.

Контроллеры заряда рекомендуется размещать в защищенном месте по возможности ближе к АБ.

Инверторы

Инвертор предназначен для преобразования постоянного напряжения 12,24,48В в переменное 220В, поскольку вся нагрузка в нашем доме рассчитана на переменное напряжения 220В.

Для примера рассмотрим характеристики инвертора PS200-12:

-номинальная выходная мощность, Вт: 175;

-максимальная выходная мощность (10 минут), Вт: 210;

-пиковая выходная мощность, Вт: 400;

-выходное напряжение переменного тока (50 Гц), В: 230;

-форма выходного напряжения: чистая синусоида;

-искажения формы выходного напряжения <5% при номинальной мощности;

-допустимый cos (phi) нагрузки: 0.2 — 1.0;

-номинальное входное напряжение, В: 12;

-рабочий диапазон входных напряжений, В: 10.5 — 16.0;

-максимальная эффективность: 90%;

-собственное потребление без нагрузки, Вт: 2.8;

-потребление без нагрузки в режиме ожидания, Вт: 0.6;

-порог включения из режима ожидания, Вт: 10;

-вентилятор охлаждения: с регулируемой скоростью в зависимости от температуры и нагрузки (не работает при нагрузке до 50 Вт);

-защита от короткого замыкания по выходу: есть, электронная;

-защита от перегрузки по выходу: есть, электронная;

-защита от перегрева: есть, электронная;

-защита от низкого напряжения на входе: есть, электронная.

Номинальная и пиковая мощности

Выбор инвертора осуществляется с учетом пиковой мощности.

Это значит, что некоторые нагрузки электрической энергии имеют пусковой ток, который в несколько раз может превышать номинальный ток.

Умножив пусковой ток на напряжение сети 220В получим пиковую мощность.

Мощность инвертора должна быть не меньше суммы номинальных мощностей нагрузок электроприемников с учетом одновременности их работы плюс мощность электроприемника с самым большим пусковым током.

Форма выходного напряжения

При создании проекта по электроснабжению объектов на базе солнечных систем необходимо также учитывать форму выходного напряжения.

Инверторы могут иметь чистую синусоидальную, квазисинусоидальную и прямоугольную форму напряжения.
Если форма напряжения синусоидальная, то от таких инверторов можно питать любую нагрузку переменного тока.
Инверторы с прямоугольной и квазисинусоидальной формой напряжения могут не подходить для некоторых видов нагрузки, например асинхронных двигателей, кроме того могут вызывать потери в мощности, перегрев оборудования и помехи.

Солнечные системы электроснабжения  с каждым днем набирают все большую популярность и по мере совершенствования технологий и техники их привлекательность  увеличиваеться, возможно скоро и вы захотите приобрести себе для дома подобную систему.

P.S. Копирование материалов статьи возможно только при наличии активной ссылки на источник !!!