Андрей Кашкаров - Автономное электроснабжение частного дома своими руками

• Название: Автономное электроснабжение частного дома своими руками
• Автор: Андрей Кашкаров
• Жанр: Техническая литература
• Год: 2015
• ISBN: 978-5-222-24802-7

Аварии электросети (блекауты), локальные, техногенные и масштабные катастрофы могут в миг вывести из строя всю отлаженную систему энергообеспечения, связи и комфорта в вашем доме, каким бы «умным» он ни был. Такая опасность присутствуют не только в сельской местности (где электричество до сих пор отключается с поразительной периодичностью), но и в крупных городах-мегаполисах, где, сколько не желай – нет возможности установить в подвале многоквартирного дома собственный «запасной» источник электроэнергии в виде дизельного генератора. Тем не менее, мы не лишены простого способа применения альтернативных видов электроэнергии с использованием промышленных источников бесперебойного питания и генераторов; об их простой доработке пойдет речь в книге, разъясняющей вопросы автономного энергоснабжения.

Для широкого круга читателей.

---

С каждым днем люди на планете все больше зависят от разного рода носителей энергии. Один из них, безусловно, солнце. Но что есть такое его лучи?

Весь электромагнитный спектр солнечного излучения представляет собой излучение физических тел. И основные источники света – атомы – никогда не испускают его непрерывно. Так, атомы генерируют свет только в виде отдельных квантов электромагнитного поля – фотонов, поэтому световое излучение носит прерывистый, дискретный характер. Однако даже в простом физическом опыте по разложению белого света с помощью призмы обнаруживается «световой» порядок, наглядно демонстрирующий не только энергетический, но и явно семиотический (знаковый) характер светового спектра.

Примерно такой же по многогранности спектр, представляют собой и солнечные лучи, воздействующие на кремний (заложенный в основе) фотоэлементов, соединенных (с помощью электрической цепи) в батареи.

Современный экологически чистый дом уже невозможно представить без электричества, и аккумулирующих его устройств – солнечных батарей, а, следовательно, чтобы идти в ногу со временем, людям придется применять на практике новые методы энергоснабжения, хотя бы для того, чтобы жизнь в быту и на природе стала более безопасной и комфортной.

1.4.1. Все о модулях солнечных батарей

Прототипом современных солнечных элементов являют фотоумножители (ФЭУ).

Процесс преобразования световой (photons) энергии в электрическую (voltage) называется «PV-эффект». Он был открыт в 1954 году, когда ученые обнаружили, что кремний (этот элемент – основа обыкновенного песка) создает электрическую энергию, когда его освещают солнечным светом. Вскоре солнечные элементы стали применять для питания электронной аппаратуры космических спутников и небольших электронных устройств таких, как калькуляторы и наручные часы.

Когда аккумулятор для зарядки подсоединяется к солнечной панели, обычно в цепь необходимо включать контроллер для предупреждения перезаряда. Эта схема использует параллельный способ подключения: солнечная панель всегда подключена к аккумулятору через последовательно включенный в электрической цепи диод.

Когда солнечная панель заряжает аккумулятор до желаемого максимального напряжения, схема параллельно солнечной панели подключает нагрузочный резистор, чтобы поглощать избыточную мощность с солнечной панели.

Функция полезной мощности, отдаваемой солнечной батареей в нагрузку, зависит от вырабатываемого напряжения, которое в свою очередь зависит от инсоляции – то есть от интенсивности солнечного света – и температуры самой батареи.

Работа на кривой зависимости ток/напряжение где-либо еще кроме точки максимальной получаемой мощности, приводит к снижению эффективности работы и потере доступной энергии.

Следовательно, контроль точки максимальной мощности является необходимой функцией в передовых системах управления источниками солнечной энергии, так как это может увеличить практическую эффективность часто на 30 % и более.

Системы, получающие энергию от возобновляемых источников, таких как солнечные батареи или ветровые генераторы, обычно накапливают энергию в аккумуляторах, а затем отдают ее в нагрузку; нередко оба эти процесса происходят независимо.

Модули солнечных батарей конструктивно реализуются в виде монолитного ламината спаянных монокристаллических элементов.

«Каркасная» солнечная батарея конструктивно выполнена в виде панели, заключенной в каркас из алюминиевого профиля. Панель представляет собой фотоэлектрический генератор, состоящий из стеклянной плиты ламинированными на ней элементами.

К внутренней стороне корпуса модуля прикреплен диодный блок, под крышкой которого размещены электрические контакты, предназначенные для подключения модуля.

Беcкаркасные модули представляют собой ламинат, выполненный на алюминии, стеклотекстолите, а также – без всякой подложки.

Солнечные элементы расположены между двумя слоями ламинирующей пленки ЭВА (этил-винил-ацетат). Лицевая сторона защищена оптически прозрачной пленкой типа ПЭТ (полиэтилентерефталат), а тыльная – либо подложкой (стеклотекстолит, алюминий), либо той же пленкой ПЭТ без дополнительных требований к оптическим характеристикам.

Солнечные батареи сохраняют работоспособность в условиях:

• температур в диапазоне -50 +75º С;

• атмосферного давления 84-106,7 кПа;

• относительной влажности до 100 %;

• дождя интенсивностью 5мм/мин;

• снеговой или гололедно-ветровой нагрузки до 2000 П

Солнечная батарея являет собой, прежде всего, законченный фотоэлектрический преобразователь, который был рассмотрен выше, его технические характеристики справедливы как для отдельных элементов, так и для солнечных батарей.

1.4.2. Принципы применения солнечных батарей

Сегодня можно самостоятельно собрать устройство для обеспечения электропитания посредством солнечной энергии, специально преобразованной в электрический ток и накопленной с помощью электронных устройств и аккумуляторов. Такие электронные устройства состоят непосредственно из солнечной батареи (солнечных элементов, соединенных в батарею), аккумулятора, преобразователя (инвертора) тока (из постоянного – в переменный). Таким образом, иметь дома источник альтернативного питания с сетевым напряжением 220 В вполне доступно.

На рис. 1.10 представлена блок-схема устройства источника питания от солнечной батареи.

Рис. 1.10. Блок-схема устройства источника питания от солнечной батареи

Согласно представленной иллюстрации полезная мощность (и ее смысл для потребителя) зависит от мощности каждого элемента устройства. Здесь уместно вспомнить старую, но верную поговорку: «скорость эскадры определяет самый тихоходный корабль».

И, соответственно, при разработке проекта обеспечения дома альтернативной энергией, учитывать технические и электрические характеристики каждого и слагаемых.

Давайте рассмотрим этот тезис на простом примере. Для обеспечения работы одного современного электрочайника требуется запас мощности около 2 кВт, то есть не менее 11 батарей типа ТСМ-180-12 (с запасом).

Солнечные батареи мощностью 1 кВт, сегодня имеет розничную цену порядка 180 000 руб. Для сравнения дизельному электрогенератору для выработки 1 кВт/час электроэнергии потребуется до 0,33 литров дизельного топлива. При стоимости топлива 32 руб./литр затраты на топливо составят примерно 10 руб. за 1 кВт/час. Приобрести такой генератор с размером, сопоставимым с двумя-тремя системными блоками ПК, можно за 15 000 руб. Выводы делайте сами.

Ценообразующим фактором солнечной батареи (и ее отдельных элементов) является полезная мощность (напряжение и выходной ток).

К примеру, сегодня стоимость готовой солнечной батареи типа ТСМ-180-12 (производится в России) с номинальным напряжением 12 В и полезной мощностью 180 Вт сегодня составит порядка 15 тыс. рублей (для сравнения 2011 год – 30 000 рублей).

Устройство ТСМ-180-12 представляет собой монокристаллический солнечный фотоэлектрический модуль (панель) максимальной мощностью 180 Вт ±5 %, разработанный специально для систем автономного и резервного электроснабжения частных домов. Для примера – в летний ясный день один лишь модуль ТСМ-180-12 способен выработать до 1080 Вт/часов электроэнергии.

Солнечные элементы ламинированы под закаленным текстурированным стеклом, увеличивающим количество пропускаемого света, что позволило повысить выработку электроэнергии до 15 % при различных уровнях освещенности и любых погодных условиях. Станина модуля (рамка) изготовлена из анодированного алюминия. На тыльной стороне расположена пластиковая влагозащищённая клеммная коробка.

Такие факторы, как герметичная конструкция и использование монокристаллических кремниевых солнечных элементов (их значение выше) вполне обеспечивают срок службы модуля не менее 20 лет с сохранением не менее 90 % первоначальной мощности (декларированная гарантия производителя).

КПД примененных солнечных элементов составляет порядка 17 %. Итоговый КПД единицы площади модуля ТСМ-180 (12) составляет около 14 %.

Преимущества этого модуля продолжают такие фактора, как низкая цена, отсутствие обязательного требования квалифицированного обслуживания (необслуживаемая), защищенность от осадков и непогоды, может работать в сочетании с ветрогенераторами, другими генераторами, с перспективными возможностями «помодульно» наращивать эквивалентную мощность.

В табл. 1.3 представлены некоторые технические и электрические характеристики модуля ТСМ-180-12

Таблица 1.3. Технические и электрические характеристики модуля ТСМ-180-12

Примечание к табл. 1.3.

*Максимальная выходная мощность соответствует максимальному значению произведения силы тока Uм на напряжение Iм, в «точке максимальной мощности» на графике ВАХ модуля. Мощность модуля измеряется под воздействием симулятора солнечного излучения при 3-х обязательных условиях: