Solpaneler för sommarstugor och hem: typer, funktionsprincip och beräkningsordning för solsystem

Vetenskapen har gett oss en tid då tekniken för att använda solenergi har blivit allmänt tillgänglig. Varje fastighetsägare har möjlighet att skaffa solpaneler för hemmet. Fritidshusägare ligger inte efter i denna fråga. De befinner sig oftare långt från centraliserade källor för stabil elförsörjning.

Vi erbjuder att ta del av information som visar uppbyggnad, funktionsprinciper och beräkning av arbetsenheter i solcellsystemet. Att ta del av den information vi tillhandahåller kommer att föra dig närmare verkligheten att förse din fastighet med naturlig el.

För att underlätta förståelsen av den presenterade datan bifogas detaljerade scheman, illustrationer, foto- och videoinstruktioner.

Uppbyggnad och funktionsprincip för solpanelen

En gång i tiden upptäckte nyfikna hjärnor för oss naturliga ämnen som, under påverkan av solens ljuspartiklar, fotoner, genererar elektrisk energi. Processen kallades för den fotoelektriska effekten. Vetenskapsmän lärde sig att kontrollera det mikrofysikaliska fenomenet.

Baserat på halvledarmaterial skapade de kompakta elektroniska enheter – fotoceller.

Tillverkarna har bemästrat tekniken att kombinera miniatyromvandlare till effektiva solpaneler. Verkningsgraden för kiselbaserade solpaneler som produceras i stor skala ligger på 18–22%.

Av schemabeskrivningen framgår tydligt: alla komponenter i kraftverket är lika viktiga – systemets samordnade funktion beror på ett kompetent urval av dem

En solpanel sätts samman av moduler. Den är slutpunkten för fotonernas resa från solen till jorden. Härifrån fortsätter dessa beståndsdelar av ljusstrålningen sin väg inne i den elektriska kretsen som likströmsbärare.

De fördelas till batterier eller omvandlas till växelström med 220 volt som driver alla möjliga hushållsapparater.

En solpanel består av en serie seriekopplade halvledarenheter – fotoceller som omvandlar solenergi till elektricitet.

Mer detaljer om solpanelens konstruktion och funktion finns i en annan populär artikel på vår webbplats.

Typer av solmoduler/paneler

Solpanelmoduler består av solceller, även kallade fotovoltaiska omvandlare. Två typer av fotovoltaiska omvandlare har fått massiv användning.

De skiljer sig åt genom de olika typerna av kiselhalvledare som används för tillverkning, nämligen:

• Polykristallina. Dessa solceller tillverkas av smält kisel genom långsam kylning. Den enkla tillverkningsmetoden gör priset överkomligt, men effektiviteten för polykristallina varianter överstiger inte 12%.
• Monokristallina. Dessa element erhålls genom att skära konstgjorda kiselkristaller i tunna skivor. Det mest effektiva och dyra alternativet. Genomsnittlig verkningsgrad runt 17%, men det finns monokristallina fotoceller med högre prestanda.

Polykristallina solceller är platta kvadratiska med en ojämn yta. Monokristallina varianter ser ut som tunna kvadrater med en enhetlig ytstruktur och beskurna hörn (pseudokvadrater).

Så här ser fotovoltaiska omvandlare ut: solpanelens egenskaper beror inte på vilken typ av element som används – det påverkar bara storlek och pris.

Paneler av den första typen är större i storlek vid samma effekt på grund av lägre effektivitet (18% mot 22%). Men de är i genomsnitt cirka tio procent billigare och har därför större efterfrågan.

Om regler och nyanser vid val av solpaneler för energiförsörjning av autonom uppvärmning kan du läsa här.

Schema för solenergiförsörjning

När du låter blicken glida över de mystiskt klingande namnen på komponenterna i ett solenergisystem, får du en känsla av en superteknisk komplexitet.

På mikronivå, ur en fotons perspektiv, är det så. Men en översiktlig bild av den elektriska kretsen och dess funktion ser mycket enkel ut. Från himlakroppen till ”Iljitj-glödlampan” är det bara fyra steg.

Solpaneler – den första komponenten i ett kraftverk. Det är tunna rektangulära paneler sammansatta av ett visst antal standardiserade fotocellplattor. Tillverkare gör fotopaneler med olika elektrisk effekt och spänning, i multiplar av 12 volt.

Platta enheter placeras bekvämt på ytor som är öppna för direkta solstrålar. Modulära block kopplas samman med anslutningar till en solpanel. Panelens uppgift är att omvandla den mottagna solenergin och leverera en likström av en given storlek.

Anordningar för lagring av elektrisk laddning – batterier för solpaneler är välkända. Deras roll i ett solenergisystem är traditionell. När hushållsförbrukare är anslutna till ett centraliserat nät, lagrar energilagringsenheterna elektricitet.

De ackumulerar även överskottet om solmodulens ström är tillräcklig för att täcka den ström som förbrukas av elektriska apparater.

Batteriblocket levererar den nödvändiga mängden energi till kretsen och upprätthåller en stabil spänning så snart förbrukningen ökar till en högre nivå. Samma sak händer till exempel på natten när solpanelerna inte fungerar eller vid dåligt solväder.

Systemet för energiförsörjning av hemmet med solpaneler skiljer sig från alternativ med solfångare genom möjligheten att lagra energi i ett batteri.

Regulatorn är en elektronisk mellanhand mellan solmodulen och batterierna. Dess roll är att reglera laddningsnivån på batterierna. Enheten förhindrar att de kokar över på grund av överladdning eller att den elektriska potentialen sjunker under en viss nivå som krävs för en stabil drift av hela solsystemet.

Vändande, så beskrivs termen växelriktare för solpaneler ordagrant. Ja, i själva verket utför denna komponent en funktion som en gång i tiden verkade fantastisk för elektriker.

Den omvandlar likström från solmodulen och batterierna till växelström med en potentialskillnad på 220 volt. Det är just denna spänning som är standard för de flesta hushållsapparater.

Solenergiflödet är proportionellt mot solens position: när man installerar moduler är det bra att överväga justering av lutningsvinkeln beroende på årstid.

Högsta belastning och genomsnittlig daglig energiförbrukning

Det är fortfarande ganska dyrt att ha en egen solstation. Det första steget mot att utnyttja solens energi är att bestämma den optimala toppbelastningen i kilowatt och en rimlig genomsnittlig daglig energiförbrukning i kilowattimmar för hemmet eller sommarhuset.

Toppbelastningen uppstår när flera elektriska apparater slås på samtidigt och bestäms av deras maximala totala effekt, med hänsyn till de höga startströmsegenskaperna hos vissa av dem.

Beräkningen av maximal effektförbrukning gör det möjligt att avgöra vilka elektriska apparater som är absolut nödvändiga att använda samtidigt och vilka som inte är det. Denna indikator styr effektegenskaperna för kraftverkets komponenter, det vill säga den slutliga kostnaden för enheten.

En elektrisk apparats dagliga energiförbrukning mäts som produkten av dess individuella effekt och den tid den har varit igång (förbrukat elektricitet) under ett dygn. Den totala genomsnittliga dagliga energiförbrukningen beräknas som summan av den elektricitet som varje enhet har förbrukat under en dygnsperiod.

Efterföljande analys och optimering av insamlade data om laster och energiförbrukning säkerställer rätt konfiguration och fortsatt drift av solenergisystemet med minimala kostnader

Resultatet av energiförbrukningen hjälper till att hantera solenergin rationellt. Beräkningsresultatet är viktigt för den fortsatta beräkningen av batterikapaciteten. Batteriets pris, en dyr komponent i systemet, beror ännu mer på denna parameter.

Beräkningsordning för energiparametrar

Beräkningsprocessen börjar bokstavligen med ett horisontellt liggande, rutigt, uppvikt anteckningsblad. Med lätta blyertslinjer på bladet skapas en blankett med trettio kolumner och rader motsvarande antalet hushållsapparater.

Förberedelse för aritmetiska beräkningar

Första kolumnen ritas traditionellt – löpnummer. Andra kolumnen – apparatens namn. Tredje – dess individuella effektförbrukning.

Kolumnerna fyra till tjugosju – timmar på dygnet från 00 till 24. I dem, med ett horisontellt bråkstreck, förs följande in:

• i täljaren – apparatens drifttid under den specifika timmen i decimalform (0,0);
• i nämnaren – återigen dess individuella effektförbrukning (denna upprepning behövs för att beräkna timlaster).

Tjugoåttonde kolumnen – total tid som hushållsapparaten är igång under dygnet. I den tjugonionde – noteras apparatens personliga energiförbrukning som resultatet av att multiplicera individuell effektförbrukning med drifttiden under dygnet.

Att upprätta en detaljerad specifikation över förbrukare med hänsyn till timlaster hjälper till att behålla fler vanliga apparater tack vare rationell användning

Trettionde kolumnen är också standard – anteckning. Den är användbar för mellanberäkningar.

Sammanställning av specifikation för förbrukare

Nästa steg i beräkningarna är att omvandla anteckningsblanketten till en specifikation över hushållens elförbrukare. Första kolumnen är klar. Här sätts löpnummer för raderna.

I andra kolumnen skrivs namnen på energiförbrukarna. Det rekommenderas att börja fylla i med apparater i hallen. Därefter beskrivs andra rum moturs eller medurs (beroende på vad som är bekvämt).

Om det finns en andra (etc.) våning är proceduren densamma: från trappan – i en cirkel. Glöm inte apparater på trappavsatserna och utomhusbelysning.

Den tredje kolumnen med effektangivelse bredvid namnet på varje elektrisk apparat fylls bäst i samtidigt med den andra.

Kolumnerna fyra till tjugosju motsvarar var och en sin timme på dygnet. För enkelhetens skull kan man direkt dra horisontella linjer mitt i raderna. De resulterande övre halvorna av raderna är ungefär täljare, de nedre nämnare.

Dessa kolumner fylls i rad för rad. Täljarna utformas selektivt som tidsintervall i decimalformat (0,0), som återspeglar drifttiden för den aktuella elektriska apparaten under en viss specifik timperiod. Samtidigt, där täljarna sätts in, skrivs nämnarna in med apparatens effekt, hämtad från den tredje kolumnen.

Efter att alla timkolumner är ifyllda går man vidare till beräkningar av individuell daglig drifttid för elektriska apparater, genom att gå igenom raderna. Resultaten noteras i motsvarande celler i den tjugoåttonde kolumnen.

I det fall där solkraftverket spelar en kompletterande roll, för att systemet inte ska gå på tomgång, kan en del av belastningen kopplas till det för kontinuerlig matning.

Baserat på effekt och drifttid beräknas sekventiellt den dagliga energiförbrukningen för alla förbrukare. Den noteras i cellerna i den tjugonionde kolumnen.

När alla rader och kolumner i specifikationen är ifyllda, görs slutberäkningar. Genom att kolumnvis summera effekterna från nämnarna i timkolumnerna erhålls belastningen för varje timme. Genom att summera de individuella dygnsenergiförbrukningarna i den tjugonionde kolumnen uppifrån och ner finner man den totala genomsnittliga dygnsförbrukningen.

Beräkningen inkluderar inte den framtida systemets egenförbrukning. Denna faktor beaktas med en hjälpkoefficient vid efterföljande slutberäkningar.

Analys och optimering av erhållen data

Om strömförsörjning från solkraftverket planeras som reserv, hjälper data om timvis effektförbrukning och total genomsnittlig dygnsförbrukning att minimera användningen av dyr solenergi.

Detta uppnås genom att utesluta energikrävande förbrukare tills det centraliserade elförsörjningen återställs, särskilt under timmar med maximal belastning.

Om solenergisystemet designas som en källa för kontinuerlig elförsörjning, blir resultaten av timbelastningarna framträdande. Det är viktigt att fördela elförbrukningen under dygnet så att man eliminerar kraftigt dominerande maxvärden och kraftigt sjunkande minimivärden.

Att eliminera toppar, utjämna maximala belastningar, eliminera skarpa dalar i energiförbrukningen över tid gör det möjligt att välja de mest ekonomiska alternativen för solsystemets komponenter och säkerställer en stabil, och framför allt, driftsäker långsiktig drift av solkraftverket.

Grafen visar ojämnheten i energiförbrukningen: vår uppgift är att flytta topparna till den tid då solen är mest aktiv och minska den totala dagliga förbrukningen, särskilt under natten.

Den presenterade ritningen visar hur den irrationella grafen, som baseras på den sammanställda specifikationen, omvandlas till en optimal. Den dagliga förbrukningen minskades från 18 till 12 kWh, den genomsnittliga timbelastningen från 750 till 500 W.

Samma optimalitetsprincip kommer väl till pass när man använder solalternativet som reserv. Det är kanske inte värt att lägga extra pengar på att öka kapaciteten hos solmoduler och batterier för ett tillfälligt besvär.

Val av komponenter till solkraftverket

För att förenkla beräkningarna kommer vi att överväga en version där solpanelen används som den primära elkällan för en sommarstuga. Konsumenten är en tänkt sommarstuga i Rjazan-regionen, där man bor permanent från mars till september.

För att göra resonemanget tydligare kommer vi att göra praktiska beräkningar baserade på data från den tidigare publicerade rationella grafen för timenergiförbrukning.

• Total genomsnittlig daglig energiförbrukning = 12 000 wattimmar.
• Genomsnittlig belastning = 500 watt.
• Maximal belastning 1 200 watt.
• Toppbelastning 1 200 x 1,25 = 1 500 watt (+25 %).

Värdena kommer att behövas vid beräkningar av solanordningarnas totala kapacitet och andra driftsparametrar.

Bestämning av arbetsspänningen för solcellsystemet

Den interna driftsspänningen för varje solsystem baseras på en multipel av 12 volt, eftersom det är den vanligaste nominella spänningen för batterier. De flesta solsystems komponenter – solmoduler, regulatorer, växelriktare – tillverkas för de populära spänningarna 12, 24 och 48 volt.

Högre spänning gör det möjligt att använda matningsledningar med mindre tvärsnitt – vilket ger ökad kontakttillförlitlighet. Å andra sidan kan uttjänta batterier i ett 12 V-system bytas ut ett i taget.

I ett 24-voltsnät, med hänsyn till batteriernas driftsegenskaper, måste byte ske endast parvis. Ett 48 V-nät kräver byte av alla fyra batterier i en gren. Dessutom, vid 48 volt finns det redan risk för elektriska stötar.

Vid samma kapacitet och ungefär samma pris bör man välja batterier med största tillåtna urladdningsdjup och högsta maximala ström.

Det huvudsakliga valet av systemets interna spänningsnivå är kopplat till effektegenskaperna hos de växelriktare som tillverkas av modern industri och måste ta hänsyn till toppbelastningens storlek:

• från 3 till 6 kW – 48 volt,
• från 1,5 till 3 kW – är 24 eller 48 V,
• upp till 1,5 kW – 12, 24, 48 V.

När vi väljer mellan ledningarnas tillförlitlighet och besväret med att byta batterier, stannar vi för tillförlitligheten i vårt exempel. I fortsättningen utgår vi från driftspänningen för det beräknade systemet, 24 volt.

Sammanställning av batteriet med solmoduler

Formeln för att beräkna den effekt som krävs från solpanelen ser ut så här:

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

där:

• Rsm = solpanelens effekt = total effekt av solcellsmoduler (paneler, W),
• 1000 = antagen ljuskänslighet för fotoelektriska omvandlare (kW/m²)
• Esut = behov av daglig energiförbrukning (kWh, i vårt exempel = 18)
• k = säsongsfaktor som tar hänsyn till alla förluster (sommar = 0,7; vinter = 0,5),
• Sin = tabellvärde för solinstrålning (solstrålningsflöde) vid optimal panelvinkel (kWh/m²).

Du kan få reda på insolationens värde från den regionala meteorologiska tjänsten.

Optimal lutningsvinkel för solpaneler motsvarar platsens latitud:

• på våren och hösten,
• plus 15 grader – vintertid,
• minus 15 grader – på sommaren.

Rjazan oblast, som vi använder som exempel, ligger på den 55:e breddgraden.

Den högsta effekten från solpaneler uppnås med spårningssystem, säsongsanpassad lutning av panelerna och användning av moduler med blandad lutning.

För tiden från mars till september är den bästa oreglerade lutningen för solpanelen lika med sommarvinkeln 40° mot markytan. Vid en sådan installation av modulerna är den genomsnittliga dagliga solinstrålningen i Rjazan under denna period 4,73. Alla siffror finns, låt oss göra beräkningen:

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

Om man utgår från 100-watts solpaneler, så kommer det att behövas 36 stycken. De kommer att väga cirka 300 kg och uppta en yta på ungefär 5 x 5 meter.

Testade i praktiken monteringsscheman och anslutningsalternativ för solpaneler finns här.

Installation av ackumulatorenhet

När du väljer batterier bör du följa dessa riktlinjer:

1. Vanliga bilbatterier passar inte för detta ändamål. Batterier för solkraftverk är märkta med texten 'SOLAR'.
2. Du bör endast köpa batterier som är identiska i alla avseenden, helst från samma fabriksparti.
3. Se till att rummet där du placerar batterienheten är varmt. Optimal temperatur för full effekt från batterierna är 25°C. När den sjunker till -5°C minskas batterikapaciteten med 50%.

Om man tar ett exempel på ett batteri med 12 volts spänning och 100 amperetimmar kapacitet, är det enkelt att räkna ut att det under en hel timme kan förse förbrukare med total effekt på 1200 watt. Men det är vid full urladdning, vilket är högst oönskat.

För långvarig drift av batterier rekommenderas inte att ladda ur dem under 70%. Gränsvärdet är 50%. Med 60% som den 'gyllene medelvägen' lägger vi energiinnehållet på 720 Wh per 100 Ah batterikapacitet (1200 Wh x 60%) till grund för de efterföljande beräkningarna.

Kanske blir det billigare att köpa ett batteri på 200 Ah än två på 100 Ah, och dessutom minskar antalet batterianslutningar.

Batterierna måste från början installeras 100% laddade från en stationär strömkälla. Batterierna måste helt täcka belastningen under natten. Om vädret inte är gynnsamt måste de även upprätthålla systemets parametrar under dagen.

Det är viktigt att notera att överskott av batterier kommer att leda till konstant underladdning. Detta minskar livslängden avsevärt. Den mest rationella lösningen är att utrusta blocket med batterier som har tillräcklig energireserv för att täcka en dags energiförbrukning.

För att få reda på den totala kapaciteten som krävs, dividerar vi den totala dagliga energiförbrukningen på 12 000 Wh med 720 Wh och multiplicerar med 100 Ah:

12 000 / 720 * 100 = 2500 Ah ≈ 1600 Ah

Totalt för vårt exempel behövs 16 batterier på 100 Ah eller 8 på 200 Ah, kopplade i serie-parallell.

Val av en bra laddningsregulator

Rätt val av laddregulator för batterier (BMS) är en mycket specifik uppgift. Dess ingångsparametrar måste matcha de valda solpanelerna, och utspänningen måste matcha solsystemets interna potentialskillnad (i vårt exempel 24 volt).

En bra regulator måste nödvändigtvis erbjuda:

1. Flerstegsladdning av batterier, vilket förlänger deras effektiva livslängd avsevärt.
2. Automatisk ömsesidig anslutning och frånkoppling av batterier och solpanel i korrelation med laddning och urladdning.
3. Ombkoppling av last från batteri till solpanel och vice versa.

Denna lilla komponent är en mycket viktig del.

Om du lägger om en del av förbrukarna (t.ex. belysning) till direkt 12-voltsdrift från regulatorn, behövs en mindre kraftfull och därmed billigare växelriktare.

Av det korrekta valet av regulator beror den felfria driften av det dyra batteriblocket och balansen i hela systemet.

Val av inverter av bästa utförande

Växelriktaren väljs med en effekt som kan hantera långvarig toppbelastning. Dess inspänning måste matcha solsystemets interna potentialskillnad.

För bästa val rekommenderas att du uppmärksammar följande parametrar:

1. Form och frekvens på den utgående växelströmmen. Ju närmare sinusformen vid 50 hertz, desto bättre.
2. Verkningsgraden hos enheten. Ju högre än 90% – desto bättre.
3. Enhetens egen förbrukning. Bör stå i proportion till systemets totala energiförbrukning. Idealet är upp till 1%.
4. Enhetens förmåga att klara korta dubbella överbelastningar.

Utmärkt utförande – en växelriktare med inbyggd regulatorfunktion.

Montering av ett hemmasolsystem

Vi har gjort ett bildgalleri som tydligt visar monteringsprocessen för ett hushållssolsystem från fabrikstillverkade moduler:

Slutsatser och användbar video om ämnet

Video #1. Demonstration av installation av solpaneler på husets tak själv:

Video #2. Val av batterier för solsystemet, typer, skillnader:

Video #3. Solkraftverk för sommarstugan för den som gör allt själv:

De genomgångna steg-för-steg praktiska beräkningsmetoderna, den grundläggande principen för effektiv drift av en modern solpanel i ett hemma autonomt solsystem, kommer att hjälpa ägare av både ett stort hus i ett tätbefolkat område och en sommarstuga i avskildhet att uppnå energisouveränitet.

Vill du dela med dig av personliga erfarenheter från byggandet av ett minisolsystem eller bara en panel? Har du frågor du skulle vilja få svar på, har du hittat brister i texten? Lämna gärna kommentarer i blocket nedan.