какое напряжение выдает солнечная панель
Какое напряжение у солнечных батарей?
Все знают, что солнечные батареи производят электричество из солнечного излучения. Но для многих встает вопрос, какое напряжение у солнечных батарей. Ведь мы все привыкли пользоваться электроприборами работающим на бытовом электричестве 220 Вольт переменного напряжения. А мелкие устройства как игрушки, телефоны и прочая электроника вообще работают на самых разнообразных аккумуляторных батарейках постоянного тока. Автомобили питаются от больших аккумуляторных батарей стандарта на 12 и 24 вольта тоже постоянного тока. Так какое напряжение у солнечных батарей, для каких устройств они подойдут, и можно ли их взять и подключить к электроприборам напрямую? Чтобы получить переменное напряжение необходимо вращение
электромагнитного поля, для изменения полярности напряжения, от отрицательного значения до положительного. Кроме того вращение электромагнитного поля дает плавное изменение напряжения, абсолютно без скачков, ступенек и резкого изменения полярности. Во всех остальных случаях получение электричества без преобразования будет постоянным положительным, т.е. выше значение напряжения будет выше нуля.
Так как в солнечных батареях нет никакого вращения и электронного преобразования, а солнечный свет, падающий на них в течение дня практически постоянен, облачность не в счет, то получаемое электричество от солнечных батарей будет с напряжением постоянного тока.
Какая величина напряжения в солнечных батареях?
Так как электроэнергию у нас хранят в аккумуляторах, а все аккумуляторы имеют постоянное напряжение. То солнечные батареи изготавливают с напряжением подходящим для заряда аккумуляторов, равным номинальному напряжению аккумуляторов, или немного выше – равным максимальному напряжению акб для лучшего заряда. К примеру, номинальное напряжение акб 12 вольт, максимально заряженный акб имеет напряжение 14 вольт. Солнечная батарея имеет номинальное напряжение также 12 вольт, а максимальное 14-17. Сделан запас по напряжению для заряда разных по типу аккумуляторов. Но напрямую подключать солнечные батареи к акб нельзя, можно испортить акб. Некоторые акб лучше заряжать напряжением в 16 вольт, а некоторые не выше 14,5 вольт, причем необходимо еще регулировать ток идущий от батарей его тоже необходимо регулировать, уменьшать в процессе заряда. Управлением и регулировкой тока и напряжения будет заниматься контроллер заряда. В нем используется специальная программа и аппаратная технология заряда, позволяющая не только правильно и эффективно заряжать акб, но и даже восстанавливать глубоко разряженные акб, в которых пошел процесс пагубной кристаллизации пластин – сульфатация. Также немного повышенное напряжение в солнечных батареях используется, чтобы при кратковременных перегреваниях света облаками, напряжение солнечных батарей не падало ниже номинальных 12 вольт, и заряд от акб не перетекал в солнечные батареи обратно. Во всех современных солнечных батареях установлены диоды, на выходе контура пластин, перекрывающие обратное течение тока от акб.
В соответствии со стандартами напряжения аккумуляторов, бытовые солнечные батареи выпускают на 5В, для малых аккумуляторов, и на 12 и 24 вольта для остальных аккумуляторных батарей.
Существуют нестандартные солнечные батареи напряжением от 36 до 90 вольт. За счет другого подключения пластин, в них увеличено напряжение, но уменьшен зарядный ток. Такие солнечные батареи предназначены для подключения большого количества солнечных батарей, к примеру, для промышленных систем. В некоторых случаях батареи подключают в последовательные цепочки для получения 220 вольт постоянного тока, чтобы потом без использования повышающего трансформатора преобразовать его в переменное напряжение. Что уменьшает и упрощает устройство преобразователя – инвертора. Для промышленных систем или электропитания жилых кварталов солнечные батареи могут при помощи последовательного и параллельного соединения объединять в системы на 600 или 800 Вольт. Высокое напряжение в таких случаях необходимо для уменьшения силы тока. Это позволяет использовать более тонкие и длинные провода, уменьшает расход металла на провода, и позволят передавать электричество на большое расстояние.
Также и в домашних системах часто используется повышенное номинальное напряжение солнечной электростанции на 48 или 96 вольт. В такой системе акб и солнечные батареи соединяются в последовательно параллельные цепочки.
Дополнительным плюсом повышенного напряжения в солнечных системах является меньшая чувствительность к изменению и уменьшению освещенности солнечных батарей в облачную погоду или при низом положении солнца утром или вечером.
Устройство и принцип работы солнечной батареи
Солнечная батарея представляет из себя «пирог», который спекается при высокой температуре.
Солнечная батарея состоит из солнечных элементов, это фотоэлектрические модули (ФЭМ), их можно назвать ячейками. Ячейки в солнечной батарее соединяются последовательно, чтобы увеличить напряжение батареи до требуемого, так-как напряжение одной ячейки составляет всего 0,6V. А для зарядки 12-ти вольтового аккумулятора требуется как минимум 14 вольт. Но напряжение солнечного элемента зависит от освещённости, и чтобы напряжение даже в пасмурную погоду было выше 14 вольт, количество ячеек в батарее обычно равно 36. Напряжение холостого хода при этом 21.6 вольта. Бывают батареи с с другим количеством ячеек, для систем на 24 вольта изготавливаются солнечные панели на 72 ячейки, а так-же на 60 ячеек.
Один солнечный элемент выдаёт напряжение максимум 0,6 вольт, но достаточно большой ток. Например ячейка размером 156×156мм с эффективностью 17% даёт ток короткого замыкания порядка 9А. Максимальная мощность одного элемента будет при просадке напряжения до 0,47-0,50 вольт. Таким образом батарея состоящая из 36 элементов будет максимально эффективна при напряжении 17-18 вольт. При этом ток под нагрузкой будет составлять чуть более 8 Ампер, а мощность порядка 150 ватт.
Но если мы используем простой PWM контроллер зарядки АКБ, то напряжение будет равно текущему напряжению аккумулятора. А если напряжение достигнет 14 вольт, то контроллер будет отключать солнечную батарею чтобы аккумулятор не перезарядился. Это я к тому что при заряде напряжение солнечной панели не 17-18 вольт, а 13-14 вольт, а это значит что батарея выдаёт не всю свою мощность, так-как ток она даёт всего 8А, отсюда 14*8=112 ватт. Таким образом 30% энергии просто теряется.
Такую-же мощность (112 ватт) можно получить если бы в солнечной батарее было не 36 элементов, а 28 элементов. При солнце была-ба такая-же мощность что и с 36 элементов, да хоть с 72 элемента, так-как ток не может быть больше 8 ампер, а напряжение проседает до напряжения АКБ. Но тогда в пасмурную погоду не будет зарядки, так-как напряжение упадет и будет ниже напряжения АКБ. Только для стабильной зарядки ставят лишние 8 солнечных элементов в батареи. Чтобы снимать до 98% энергии с солнечной батареи ставят MPPT контроллеры, которые держат панель в точке максимальной мощности и получаемую энергию преобразуют снижая напряжение на выходе и повышая ток. Так на входе контроллера будет 18 вольт и 8А, а на выходе 14 вольт и 10 Ампер.
Выпускают солнечные батареи и на 60 элементов, напряжение холостого хода которых 36 вольт, они предназначены для АКБ на 24 вольта, или если соединить две последовательно то для систем на 48 вольт. Такие батареи получаются дешевле, но в пасмурную погоду отдача панелей ниже чем у панелей состоящих их 72 элемента, и если совсем пасмурно то зарядки не будет. Но хочу отметить что в пасмурную погоду мощность солнечных батарей падает в 15-20 раз. И например если при солнце вы получали 100 ватт*ч энергии, то при затянутом облаками небе вы получите всего порядка 5 ватт. Я думаю нет особого смысла переплачивать на 30% больше за солнечные батареи чтобы в пасмурную погоду иметь такое небольшое преимущество. Хотя лучше всего чтобы снимать 98% энергии использовать MPPT контроллер.
Многие спрашивают что лучше, монокристаллические батареи или поликристаллические?
Монокристаллические панели немного дороже так-как в их производстве ячеек используется кремний высокой очистки, до 100%, и процесс образования кристаллов происходит при 1300°. КПД монокристаллических панелей немного выше, и кристаллы в ячейках направлены строго параллельно, и однородны. От этого максимальный КПД только при прямых солнечных лучах, а при свечении под углом КПД значительно падает.
Поликристаллические ячейки производятся методом осаждения паров кремния при температуре 300°, и кристаллы усаживаются неравномерно, и направлены в разные стороны. Из-за этого ниже КПД, но они лучше работают при рассеянном свете, и высоких температурах.
Но разница совсем незначительна, и зависит от качества самих ячеек, их светочувствительности и других факторов. В итоге разница не превышает 5%, и это заметно только в пасмурную погоду. Или при очень острых углах падения солнечных лучей.
Что можно запитать от 100Вт солнечной панели Комментировать
Что может работать от одной 100Вт солнечной панели? Этот вопрос мы часто слышим от новичков в мире солнечной энергетики и от тех, кто только собирается в неё погрузиться.
Обычно, когда мы проектируем солнечную электростанцию, то мы начинаем со списка электроприборов, которые должны работать от солнечной электростанции, т.е. составляем список нагрузок. Исходя из этого подбирается количество и мощность солнечных панелей, а также сопутствующее оборудование. Сейчас мы будем действовать от обратного. Посмотрим что мы сможем запитать от одной солнечной панели мощностью 100 ватт.
“100Вт” ≠ 100Вт
Когда мы говорим, что солнечная панель имеет мощность 100Вт, то такую мощность она выдаёт при интенсивности солнечного излучения 1000Вт/м². Обычно такая интенсивность бывает летом в ясную погоду, когда солнце находится в зените. Естественно, производители не бегают каждый раз на улицу с солнечной панелью, они тестируют их мощность при определённых лабораторных условиях – STC (Standart Test Conditions) или так называемых “стандартных тестовых условиях”. Эти условия следующие:
Таким образом, реальная выходная мощность солнечных панелей может варьироваться в зависимости внешних погодных условий. При расчётах обычно мы занижаем мощность солнечных панелей, основываясь на разнице между лабораторными испытаниями и вашей реальной установкой.
Если 12В солнечная панель имеет мощность 100Вт, то имеется ввиду мгновенная мощность. Если проведём измерения при условиях STC, то мы должны получить выходное напряжение
18В и ток 5.55А. Мощность – это произведение напряжения на ток (P=V*I), поэтому 18В·5.55А = 100Вт.
Что можно записать от 100Вт солнечной панели?
Теперь нам нужно выяснить, сколько часов нужно подставлять в уравнение, чтобы определить, сколько энергии будет генерироваться солнечной панелью за день. А сколько часов реального солнечного излучения равносильно стандартным тестовым условиям? Как мы отметили выше, интенсивность солнечного излучения близка или идентичная тестовым, в полдень, когда солнце находится в зените, т.е в период 12.00-13.00.
Сколько часов солнечная панель будет подвергаться солнечному излучению в течение дня?
Интенсивность солнечного излучения в течение дня
Количество часов солнечного света, равное полудню, называется инсоляцией или эффективным солнечным часом (ESH, Effective Solar Hours).
Вы прекрасно знаете, что несмотря на то, что солнце встаёт в 8 утра, оно не такое яркое как в полдень. Поэтому, если продолжительность солнечного дня составляет 10-12 часов, то нельзя просто умножить 100Вт х 10часов (или на 12). Так, между 8 и 9 утра интенсивность солнца приблизительно наполовину меньше, чем в полдень. Поэтому 1 утренний час приблизительной равен половине эффективного солнечного часа. Кроме того, зимой световой день значительно короче чем летом, еще и интенсивность излучения слабее – т.е. количество эффективных солнечных часов в течение года сильно варьируется.
Влияние местоположения на выработку энергии
Ваше местоположение также определяет количество эффективных солнечных часов. Например, для Казани количество эффективных солнечных часов составляет 3.5ч, для Москвы 3ч., для Краснодара 3.7ч – это усреднённые значения в день в течение года по данным с сайта NREL PVWatts Calculator.
Расчёт в PVWatts Calculator для Казани
Учитываем использование в течение года
Возвращаясь к рассматриваемому вопросу о том, что можно запитать от 100Вт панели, теперь нужно рассмотреть будут ли вы её использовать круглый год или только в определённый период, например, в период весна-осень. Если вы хотите использовать в течение всего года, то нужно рассмотреть самый худший вариант, т.е. самый худший месяц в году с точки зрения солнечной энергетики.
Для этого можно воспользоваться еще один полезным сервисом, он чем-то похож на NREL PVWatts Calculator, но здесь сразу отображается оптимальный угол наклона солнечных панелей для вашего местоположения. Данный сервис полностью на английском языке, но там всё интуитивно понятно и можно самостоятельно разобраться что к чему за пару минут.
Для начала из выпадающего списка нужно выбрать страну (Russian Federation), затем город (Kazan’) и потом направление солнечных панелей, в нашем случае выбираем юг (Facing directly South).
Выбираем страну, город, направление
Далее система предлагает выбрать угол наклона солнечной панели среди нескольких предложенных вариантов:
Поскольку мы размещаем одну 100Вт панель, то давайте разместим её под “зимним” углом. Для Казани самый худший месяц году – это декабрь, в котором в среднем за день только 1.41 эффективных солнечных часа. Получается в декабре за один день 100Вт будет вырабатывать 141Вт·ч. Только нужно помнить, что это усреднённое значение для всего месяца, поэтому в какие-то дни выработка будет больше, в какие меньше, а в какие-то может даже будет близко к этому значению, но не каждый день. В среднем, если мы просуммируем выработку за все дни в декабре и разделим на количество дней, то получим значение близкое к 141Вт·ч.
Учитываем потери
Ничто в реально работающей системе не обходится без потерь, поэтому нужно учитывать падение напряжения на проводах, пыль и грязь на поверхности солнечных панелей, потери на контроллере заряда и прочее. Поэтому мы умножим 141Вт·ч х 0,7 = 98.7Вт·ч (30% фактор потерь). Это всё равно, что потерять 1/3 вырабытываемой мощности, но это реальность и от нёё никуда не деться. В итоге в декабре мы получили прибл. 100Вт·ч/день. Что теперь можно сделать с этой мощностью?
Подбираем контроллер заряда и аккумулятора для хранения энергии
Для начала, вырабатываемую энергию нужно где-то хранить, чтобы можно было использовать её позже, когда она понадобится. Для хранения используется аккумуляторная батарея. Перед этим нам нужен контроллер заряда, который регулирует процесс подачей энергии в аккумуляторную батарею глубокого разряда, которую можно заряжать и разряжать на регулярной основе. В качестве контроллера заряда идеально подойдёт EPSOLAR 1012LS – это простой, но надёжный ШИМ-контроллер заряда с номинальным напряжением 12В и и максимальным током заряда до 10А.
Какой ёмкости аккумулятор нужно использовать? Итак у нас есть 100Вт·ч которыми мы заряжаем 12В аккумулятор. Поскольку ватты делённые на вольты равны амперам, то получаем 100Вт·ч : 12В
Подбираем инвертор
Рассчитываем время автономной работы
Солнце светит не каждый день, поэтому нам нужно учитывать пасмурные дни, дождь снег. Нам нужно для себя рассчитать в течение какого количество дней без солнца мы хотели бы иметь запас энергии. Это называется днями автономии. Скажем так, нам нужно 2 дня автономии, тогда 19А·ч. х 2 = 38А·ч, получается, совместно с 100Вт солнечной панелью мы должны использовать аккумулятор ёмкостью
40А·ч. Можно чуть больше, можно чуть меньше.
Хорошим выбором является аккумулятор Delta GEL 12-33 – гелевый аккумулятор ёмкостью 33А·ч, оснащён цифровым индикатором напряжения, уровня заряда, а также количества отработанных дней. Под крышкой аккумулятора имеются дополнительный контейнеры со специализированным раствором, долив которого позволяет продлить срок службы батареи на 15-30%. Также не плохим выбором будет AGM аккумулятор ВОСТОК СК-1233 ёмкостью также 33А·ч.
Теперь мы можем подумать, что делать с вырабатываемой и запасённой мощностью. Итак, зимой у нас есть 100Вт*ч запасённой мощности. Их хватило бы на:
Это всё мы рассчитали для самого “плохого” зимнего месяца, в летнее время выработка энергии будет гораздо больше и соответственно, нужно будет использовать более ёмкий аккумулятор.
Думаем алгоритм расчёта вам понятен и при необходимости вы сможете самостоятельно рассчитать выработку энергии как с другим номиналом солнечной панели, так и для другого времени года.
Добавить комментарий Отменить ответ
Добро пожаловать в блог
Вы попали в блог компании REENERGO. Здесь мы стараемся регулярно публиковать полезные и интересные новости и статьи из области альтернативной энергетики.
Солнечная батарея (панель)
Солнечная батарея или солнечная панель — это самый доступный способ получать энергию от солнца.
Типы солнечных ячеек
В основном в солнечной промышленной энергетике выделяют два типа ячеек — это поликристаллические ячейки, а также монокристаллические ячейки.
Про плюсы и минусы моно- и поликристаллических панелей можете прочитать в этой статье. Одно скажу точно, солнечная батарея из монокристалла лучше по всем характеристикам, хотя и дороже по цене.
Что такое солнечная батарея
Солнечная батарея представляет из себя множество солнечных ячеек, которые соединены в определенной последовательности. Они могут быть соединены последовательно, параллельно, или даже последовательно-параллельно.
Вот так выглядит солнечная панель на 100 Вт
солнечная батарея
Вид панели с обратной стороны
Сзади на этикетке параметры этой панели:
Основные параметры солнечной батареи
Максимальная мощность (Maximum power)
Этот параметр солнечной панели показывает, какую максимальную мощность может выдать такая панель в солнечный день, при условии, что солнце будет в зените и панель будет полностью освещаться солнечными лучами.
Максимальное напряжение при нагрузке (Maximum power voltage)
Максимальное значение напряжение при условии, что панель выдает в нагрузку максимальную мощность. То есть этот параметр также учитывает, что панель должна быть под солнцем в зените в яркий солнечный день.
Максимальный ток, который может выдать солнечная панель в нагрузку (Maximum Power Current)
Этот параметр показывает, какой максимальную силу тока может выдать панель в нагрузку.
Напряжение в холостом режиме (Open Circuit Voltage)
Это напряжение на клеммах солнечной панели в яркий солнечный день, при условии, что к клеммах не подсоединяется никакая нагрузка.
Ток короткого замыкания ( Short Circuit Current)
Это сила тока, которая будет течь в цепи солнечной панели, если ее клеммы соединить между собой, при условии, что панель находится под солнцем.
Солнечная батарея в ясный день
Итак, в нашей статье мы будем ставить опыты с солнечной панелью на 100 Вт и посмотрим, целесообразно ли ее было покупать. Так как я живу в Удмуртии, это получается 57 градусов северной широты. Лето теплое солнечное, зима умеренно-холодная.
Приятный солнечный денек 10 июня. На небе ни тучки, солнце в зените.
Направляю панель на солнышко и смотрю напряжение на клеммах в холостом режиме.
А теперь смотрим ток короткого замыкания. Для этого ставим мультиметр в режим измерения силы тока и соединяем выводы солнечной панели.
Все прям почти как по описанию).
Берем галогенную автомобильную лампу и цепляем к панели
Горит так, что даже глаза слепит.
Давайте замеряем напряжение на клеммах панели с нагрузкой-лампочкой.
Смотрим силу тока, которую кушает наша автомобильная лампочка:
Давайте посчитаем, какую мощность кушает лампочка от панельки. Вспоминаем, что мощность — это произведение силы тока на напряжение. То есть получаем P=IU=5,45 x 16,2 = 88,3 Ватта. Как видите, панелька в легкую питает нагрузку, которая кушает 88,3 Ватта при напряжении в 16,2 Вольта. Честно говоря, более чем 14,4 Вольт подавать на лампочку не стоило бы, так как она автомобильная. Но вроде осталась жива.
Солнечная батарея в пасмурный день
Все бы хорошо, но сказка рано или поздно заканчивается. На следующий день солнышко зашло и на небе стали появляться грозовые тучки:
Замеряем напряжение на клеммах без нагрузки:
Напряжение вроде бы есть.
Замеряем силу тока короткого замыкания:
Даже меньше Ампера…. На то она и солнечная батарея).
Что внутри солнечной батареи
Распределительная коробка имеет уровень защиты IP67, что говорит о том, что она пыленепроницаемая и водонепроницаемая:
Внутри стоят два мощных диода, скорее всего диоды Шоттки
Они нужны для того, чтобы электрический ток шел только от солнечной панели к нагрузке.
Как сделать мини-электростанцию на солнечных батареях
Сейчас с Али мне идет солнечный контроллер
Будем делать миниэлектростанцию для своей лаборатории по классической схеме:
Синяя коробочка — это и есть контроллер. Черная коробочка под ним — это инвертор, который преобразует 12 Вольт постоянного тока от аккумулятора в 220 Вольт переменного тока (в напряжение в вашей домашней розетке). Остальные части схемы вам уже известны. Эта схема полностью автономная и требует минимального обслуживания.
Стоит ли брать солнечные батареи?
Давайте посчитаем вместе. Сама 100 Ваттная панель стоит 5000 руб. Хотя, на Алибабе (отец Алиэкпресса) оптом можно затариться дешевле, хотя и по доставке еще надо будет решать вопрос:
Моя панель выдает 0,1 Киловатт. Допустим у нас солнце светит в среднем в год по 8 часов в день. Получается, за день панель может производить энергию в количестве 0,1 х 8 = 0,8 Киловатт х часов. У нас в селе Киловатт в час стоит 2,5 рублей. Стоит ли игра свеч? Я думаю, что нет. По крайней мере у меня в Удмуртии. В южных странах, где солнце «поливает» по 12 часов в день — это будет лучшим решением.
Но теперь давайте рассмотрим другой случай.
Ваш маленький домик находится в глуши. Хватит ли одной такой панели, чтобы поддерживать маломальский комфорт, типа освещения, питания ноутбука, телефона и ловли интернета? Вполне. Думаю, будет даже выгоднее, чем дизель-генератор. Поэтому, в данном случае солнечные батареи будут наилучшим решением.
Как соединять солнечные батареи?
Солнечная панель — это простой источник питания, как аккумулятор или батарейка. Поэтому, для них действуют все те же законы, что и для источников питания. Солнечные панели можно соединять с друг другом последовательно, параллельно или даже последовательно-параллельно. Более подробно про виды соединений источников питания читайте в этой статье.
Последовательное соединение
Вот так выглядит параллельное соединение солнечный панелей. В этом случае суммируется выдаваемая сила тока, а напряжение остается таким же
параллельное соединение солнечных панелей
Параллельное соединение
Если же вы хотите увеличить напряжение, то следует соединять панели последовательно. В этом случае у вас напряжения, получаемые с каждой солнечной панели будут суммироваться.
последовательное соединение солнечных панелей
Последовательно-параллельное соединение
Если вы хотите увеличить и напряжение и выдаваемую силу тока, то в этом случае соединяют панели последовательно-параллельно
последовательно-параллельное соединение солнечных панелей
Заключение
Использование альтернативной энергии бывает иногда очень полезно в некоторых случаях, особенно для питания автономных устройств, типа уличного освещения, радиопередатчиков, питания различных GSM-сигнализаций в садоогороде и тд.
Ну а если кто-то сомневается в будущем солнечной энергетики, просто взгляните на эти солнечные батареи, которые вырабатывают Мегаватты энергии за день!
солнечные батареи