Схема подключения солнечных батарей — сборка системы с аккумулятором

 

Еще 50 лет назад, получение электроэнергии от Солнца относилось исключительно к космическим технологиям (как по сложности оборудования, таки и по его стоимости). Сегодня, установка солнечных батарей в индивидуальном порядке стала привычным делом. Панели можно встретить на крышах дачных домиков, на территории фермерских хозяйств, на опорах освещения.

Вопрос «пользоваться или не пользоваться», уже не рассматривается. Потенциальный владелец озабочен лишь расчетом стоимости, мощности и надежности оборудования. О том, какие бывают солнечные батареи, как их правильно выбрать, расскажем в нашем материале.

Виды фотоэлементов

Основная и довольно сложная задача – найти и купить фотоэлектрические преобразователи. Они представляют собой кремниевые пластины, которые преобразовывают солнечную энергию в электричество. Фотоэлементы делятся на два типа: монокристаллические и поликристаллические. Первые более эффективны и отличаются высоким КПД – 20-25%, а вторые всего до 20%. Поликристаллические фотоэлементы ярко синие и менее дорогостоящие. А моно- можно отличить по форме – она не квадратная, а восьмиугольная, и цена на них выше.

Если паять получается не очень хорошо, то для подключения солнечной батареи своими руками рекомендуется приобретать готовые фотоэлементы с проводниками. Если же присутствует уверенность, что припаять элементы получится самостоятельно, не повредив преобразователь, можно приобрести набор, в котором проводники приложены отдельно.

Самостоятельно вырастить кристаллы для фотоэлементов — довольно специфическая работа, и сделать её практически нереально в домашних условиях. Поэтому фотоэлементы лучше покупать готовые.

Принцип работы солнечной батареи

На самом деле, правильное название — фотоэлемент (то есть, фотобатарея). Но поскольку источником света является солнце, прижилось наименование «солнечная батарея».

Элемент представляет собой «бутерброд» и пластинок кремния, разделенных стандартным (для радиодеталей) переходом. Секрет в том, что кремниевые части имеют различный тип:

• N-слой;
• P-слой.

Такие комплекты применяются практически во всех радиодеталях, изготовленных из кремния.

Это интересно: Многие из стандартных радиокомпонентов также могут вырабатывать электроэнергию при воздействии яркого света. Просто КПД настолько мизерный, что использовать их в качестве источника тока бессмысленно.

К слою кремния N-типа добавляется фосфор. В состоянии покоя такая смесь дает избыток электронов с естественным отрицательным зарядом.

P-тип «обогащен» бором, что создает дефицит отрицательных зарядов (так называемый эффект электроновых дыр).

Соответственно, к N-слою подключается отрицательный электрод (для снятия электротока), а к P-слою — положительный.

Из законов физики мы знаем, что в P/N переходе присутствует электрической поле. Под воздействием на отрицательную панель солнечных фотонов, в переходе происходит интенсивное разделение отрицательных и положительных частиц. «Минусы» накапливаются в верхнем слое, а «плюсы» в нижнем. В результате, солнечный бутерброд превращается в обычную батарейку с накопленным зарядом. Если к электродам подключить потребителя энергии — возникает электроток.

Естественно, заряд в таком источнике моментально исчезает, но его тут же восстанавливает солнечный свет. Таким образом, пока фотобатарея интенсивно бомбардируется фотонами, мы имеем достаточно производительную мини электростанцию.

Современные батареи могут работать даже при отсутствии прямых солнечных лучей (например, при сплошной облачности). Естественно, интенсивность выработки электроэнергии при этом снижается. Но при отсутствии света (даже луна не способна «пробудить» батарею), процесс останавливается. Поэтому рассматривать фотопанели отдельно, как источник электроэнергии нельзя. Схема подключения солнечных батарей обязательно включает в себя буферное устройство: аккумулятор энергии.

Кроме того, вырабатываемый ток нестабилен, поэтому для организации энергоснабжения объекта требуется управляющий контроллер. Разумеется, если вы используете мобильную фотобатарею для подзарядки смартфона в многодневном походе, такие технологии не требуются. А для строительства индивидуальной электростанции требуется комплект периферийных устройств.

Типы фотоэлементов

Состоят солнечные батареи из нескольких панелей, оснащенных фотоэлементами, которые встречаются различных типов и размеров:

• Компактные монокристаллические, состоящие из множества ячеек, отличаются малым весом, но в пасмурную погоду энергии для загородного дома вырабатывают немного.

• С предыдущими похожи по составу поликристаллические панели, менее зависящие от направления солнечных лучей, поскольку, направлены кристаллы в разные стороны, благодаря чему лучей улавливают больше.

• При одинаковых характеристиках, следующий вид панелей – тонкопленочный, потребует для установки в доме большей площади. Они напоминают пленку, натягивать которую можно в любом месте, меньше стоят, менее зависимы от облачности (потери составляют всего до 20%), но эффективность их снижается при запыленности.

Используют солнечные батареи и тогда, когда возможность подключиться к обычной сети отсутствует. Устанавливать непривередливые источники можно на балконе, на крыше или прямо на загородном участке.

Главное, помнить о двух правилах, без которых будет невозможным потребление энергии. Имеется в виду ориентация конструкции и угол наклона.

Другими словами, поверхность элементов направлена должна быть на юг, чтобы на нее попадало максимальное количество лучей. Угол наклона составлять должен 90 градусов.
Чтобы работала система солнечных батарей для дома на максимальную мощность, ее расположение рекомендуется менять летом и зимой.

Еще необходимо помнить о том, что с низкими температурами фотоэлементы контактировать не должны. Поэтому, конструкции не устанавливают прямо на землю, а закрепляют в четырех точках на высоте 50 см.

Крепить фотоэлементы во избежание повреждения рекомендуется на длинной стороне, индивидуально выбрав способ: болты (крепятся через отверстия рамки), фиксаторы и пр.

Видео: Как подключить солнечную батарею к аккумулятору

На картинке ниже представлен комплект электростанции, состоящий из таких устройств:

1. Поглощающих естественный свет элементов, которые преобразуют его в электрическую энергию, т.е. солнечные батареи.
2. Панели подсоединяются к прибору, контролирующему уровень запасенного электричества, называемому контроллером, соединенным с АКБ. Он следит за напряжением аккумулятора: при перезарядке аккумулятора в дневное время (14 Вольтах на клеммах), он автоматически отключает зарядку, а ночью, в случае разряда, т.е. предельно низкого напряжения в 11 Вольт, прекращает работу электростанции.
3. Накопитель сгенерированной энергии – аккумулятор.
4. Инвертор предназначен для изменения типа тока с постоянного на переменный, нужный для работы электрооборудования в загородном доме, бытовой техники, освещения. Для всех приборов придется выделить место.

Для защиты от короткого замыкания рекомендуется в схему подключения добавить между всеми перечисленными устройствами предохранители.

Схема выглядит в простейшем случае следующим образом: 

Никаких сложностей, как видно, с такой схемой подключения нет. Основное – соблюдение полярности и правильное соединение штекеров (в соответствующий разъем). Если же желают использовать солнечную энергию в загородном доме одновременно со стационарной сетью, схема подключения будет выглядеть по-иному:

Нагрузка, резервируемая в этом случае, это холодильник, котел или аварийное освещение. Под нерезервируемой понимается свет в помещении, бытовая техника и пр. Электроприборы в автономном режиме работают тем дольше, чем большую емкость имеет аккумулятор.
Разобравшись с тем, как работает схема подключения, нужно понять, как соединить панели между собой.

Как выбрать и где приобрести преобразователи?

Дешевле будет приобрести фотоэлементы на китайских интернет-площадках, хоть, конечно же, там зачатую продаются заводские детали, имеющие брак. Для старта и это неплохо, тем более, что цена у них ниже. А после того, как придет опыт в сборке батарей, можно брать более качественные детали с завода.

Некоторые продавцы продают преобразователи все скопом запаянные в воск, дабы во время транспортировки они не повредились, ведь кремниевые пластины хрупкие, как хрусталь. Очищение их от воска – весьма трудоёмкое занятие. Для начала необходимо погрузить их в горячую воду и после того, как воск расплавится, очень осторожно разделить их. После нужно опустить каждый фотоэлемент в мыльный раствор, а потом в чистую горячую воду. И так, пока воск не отстанет от пластин полностью. Потом нужно разложить их сушиться на махровом полотенце. В общем, это лишние хлопоты, так что лучше покупать пластины без воска.

На проверенных китайских площадках Ebay и Alibaba приобретать фотоэлементы для установки солнечных батарей своими руками надёжно. Для покупки нужно зарегистрироваться и вписать в поисковую строку нужный запрос. На экран выведется несколько предложений.

Выбирать нужно не только из тех соображений, что понравился именно этот товар – необходимо обязательно обращать внимание на отзывы и рейтинг продавца. Если нет желания переплатить за товар вдвое из-за платной доставки, нужно посмотреть, есть ли у выбранного товара опция «бесплатная доставка». Если нет – это неподходящий вариант, так как это — чересчур затратное дело.

Деньги за товар нужно перечислить сразу. Продавцу они попадут только после подтверждения о получении товара покупателем. Платить можно прямо платежной картой или через промежуточные сервисы – всё зависит от степени доверия к таким торговым интернет-ресурсам. Возвратить товар тоже можно, но лучше сразу отовариваться у продавца с хорошей репутацией, дабы избежать тяжб по поводу возврата. Посылка может идти и месяц, и полтора – это уже во власти почты.

На что обратить внимание при установке?

Расчет для подключения солнечных батарей (Нажмите для увеличения)Солнечные батареи не сильно привередливы, а потому их можно установить практически в любом месте вашей крыши, балкона или же прямо на участке загородного дома. Главное в подключении, это соблюдение двух правил, без которых потребление электроэнергии будет практически невозможным:

• угол наклона от горизонта;
• ориентация расположения.

Так, поверхность должна стоять лицом на юг, так как чем больше лучей попадет на батарею под 90 градусов, тем лучше будет работать устройства. Нельзя назвать точные координаты и принцип размещения ведь все это зависит от вашей местности, климата, продолжительности времени года и является абсолютно уникальным. Если вы житель Московского региона, то ваш угол наклона будет составлять 15-20 градусов летом, и от 60 до 70 градусов зимой. Для того, чтобы батареи приносили максимальный эффект, необходимо менять их расположение каждое лето и зиму.

Имейте ввиду: солнечные установки не должны контактировать с холодными температурами, а потому если вы хотите установить их прямо на участке, поднимите фотоэлементы на 50 сантиметров от уровня земли, это убережет их от снега и переохлаждения.

Пайка и сборка панелей

Сборку солнечных панелей своими руками можно разделить на три этапа:

1. Изготовление каркаса;
2. Пайка фотоэлектрических преобразователей;
3. Установка их в каркас и герметизация.

Каркас можно сбить из деревянных планок или сварить из алюминиевых уголков. Так или иначе, его габариты, форма и выбор материалов для изготовления напрямую зависят от того, как он будет монтироваться.

Необходимые материалы и инструменты

Для сборки солнечной батареи понадобятся следующие материалы:

• алюминиевый или стальной уголок сечением 25х25;
• болты 5х10 мм – 8 шт;
• гайки 5 мм – 8 шт;
• стекло или поликарбонат 5-6 мм;
• клей – герметик Sylgard 184;
• клей – герметик Ceresit CS 15;
• поликристаллические преобразователи;
• флюс фломастер (смесь канифоли и спирта);
• серебряная лента для подключения к панелям;
• лента для шины;
• тонкий припой;
• поролон – 3 см, опилки или стружка;
• плотная полиэтиленовая пленка 10 мкм.

Инструменты, которые понадобятся для сборки:

• напильник;
• ножовка по металлу с полотном 18;
• дрель, сверла на 5 и 6 мм;
• ключи рожковые;
• паяльник.

Этапы сборки

Сборка состоит из нескольких этапов:

1. Для начала нужно определиться с размерами рамы каркаса. Они будут зависеть от габаритов самих панелей и их количества. При расположении солнечных батарей на крыше, панели могут полностью покрыть скат или занять небольшую его часть – тут нет определенных правил, поэтому какая ширина и длина будет у рамы, выбирает сам сборщик.
2. Сверху каркаса необходимо установить стекло для того чтобы защитить фотоэлементы от разрушения. Закрепить его можно тонким слоем силиконового герметика, а вот эпоксидную смолу для этих целей лучше не использовать, так как снять стекло в случае необходимости проведения ремонтных работ и не повредить панели будет крайне сложно.
3. При подключении солнечных батарей к сети схему лучше выбрать смешанную, так как она оптимальна. Собранные панели укладываются в ранее подготовленный каркас. На этом этапе важно не перепутать тыльную сторону панели с лицевой.
4. Чтобы защитить заднюю часть батареи во время сборки, можно сделать поролоновый мат и обернуть его в полиэтиленовую пленку. Также подойдут опилки или стружка, но главное, чтоб их частицы не остались на элементах.
5. После этого нужно убрать пузырьки воздуха, которые образуются между фотоэлементами и стеклом, так как их присутствие помешает эффективной работе батареи. Для этого на панели нужно уложить груз, а на мягкий мат твердый лист фанеры. Таким образом, фотоэлементы оказываются зажатыми и так их нужно оставить на полсуток. Потом груз убирается, а фанера и мат снимаются. Монтировать батарею после этого пока рано, надо чтоб герметик полностью схватился.
6. Последний этап – это изготовление задней стенки батареи из ДСП или ДВП с подложкой – это предотвратит деформацию панелей.

Преимущества и недостатки солнечной энергетики

Плюсы:

• На стадии использования — экологичность (почему с оговоркой: производство и утилизация такие же «грязные», как и любая другая электроника).
• После первичных вложений, полученная электроэнергия условно бесплатная (требуются некоторые средства на обслуживание по истечении срока эксплуатации).
• Возможна полная автономия: вы можете организовать энергоснабжение в местах, где даже не планируется централизованная подача электроэнергии.
• Вы не зависите от тарифной политики энергетических компаний.
• При выполнении определенных нормативов, можно «продавать» избыток электроэнергии в городские сети.

Минусы:

• Относительная дороговизна оборудования (как видно на примерах использования, это не всегда является проблемой).
• Зависимость от погодных условий (в регионах, где солнечных дней немного, использование затруднено).
• Оборудование нуждается в периодическом обновлении — присутствует естественный износ.

Варианты подключения

Не возникает вопросов при подключении одной панели: к соответствующим разъемам контроллера подсоединяют минус и плюс. Если же панелей много, их можно подсоединить:

• параллельно, т.е. соединим между собой одноименные клеммы и, получив на выходе напряжение 12В;

• последовательно, т.е. плюс первой соединить с минусом второй, а оставшиеся минус первой и плюс второй – к контроллеру. На выходе будет 24 В.

• последовательно-параллельно, т.е. использовать смешанное подключение. Подразумевает такая схема, что несколько групп батарей соединены между собой. Внутри каждой из них панели соединены параллельно, а группы – последовательно. Эта схема на выходе дает самые оптимальные характеристики.

Разобраться детальнее с подключением альтернативных источников в доме поможет видео:

Видео: Как подключить солнечную батарею к аккумулятору

Такие электростанции с помощью аккумуляторных батарей накапливают для дома заряд Солнца и сохраняют его, резервируя в аккумуляторных банках. В Америке, Японии, европейских странах применяется нередко гибридное электроснабжение.

То есть, работают две схемы, одна из которых обслуживает оборудование низковольтное, питающееся от 12 В, другая схема – отвечает за бесперебойное снабжение энергией высоковольтного оборудования, работающего от 230 В.

Возможные места установки

В качестве места установки можно предложить несколько различных вариантов:

1. Если решено осуществить монтаж солнечных батарей на крыше, то её уклон должен быть не больше 40 градусов. Такой вариант предполагает использование профилей в качестве несущей конструкции для солнечной батареи. Если же уклон кровли от 30-40 градусов, можно поставить солнечные панели без кронштейна.
2. Для установки солнечной батареи на плоской крыше, придется изготовить каркас со специальной наклонной подставкой, так как конструкция должна находиться под уклоном к крыше дома.
3. На стене установка солнечных батарей осуществляется довольно редко. В этом случае, как и в других, понадобится стальной наклонный каркас, который обеспечит расположение батареи под уклоном.
4. Если в зимнюю пору для местности характерны обильные осадки, то установку можно расположить на земле. Для этого понадобится опереть её на специальную штангу.
5. Батарею можно разместить на крыше балкона или лоджии, в случае если это верхний этаж частного дома или квартира находится на последнем этаже. Если инсоляция позволяет, то установить солнечную панель можно и на внешней стороне балкона.

Подключение батареи

Схема подключения солнечных батарей (Нажмите для увеличения)Структура солнечной батареи достаточно сложная, а потому при сборке необходимо последовательно производить подключение всех компонентов, соответственно схеме:

1. Возьмите кабель из меди и подключите аккумулятор к контроллеру с помощью кабеля (в нем есть специальный значок батареи), плюсом к плюсу, и соответственно минусом к минусу.
2. Подключите фотоэлемент к контролеру таким же образом. Чтобы не перепутать, на контролере вы увидите знак солнечной батареи. Если вы хотите подключить не одну батарею, а несколько, то каждую последующую необходимо устанавливать параллельно предыдущей.
3. После этого приступайте к подключению инвертора к аккумулятору, по принципу – плюсом к плюсу, минусом к минусу.

Обратите внимание: если последовательность подключения будет прервана, контроллер может сломаться.

Как подключить солнечную панель, смотрите в следующем видео:

Правильный монтаж

Схема подключения солнечных панелей намного сложнее, чем централизованный ввод городской сети. Домашняя электростанция состоит минимум из четырех элементов.

Мы не рассматриваем примитивные системы освещения садовых дорожек на 12 вольт. Речь пойдет о полноценном энергоснабжении 220 вольт.

1. Собственно фотоэлементы. Принцип работы и критерии выбора мы уже рассмотрели. Расчет мощности производится от базовой цифры 5 кВт на 1 дом. Это приблизительно 20–40 стандартных панелей площадью по 0.5 м².
2. Блок управления (контроллер). Без него невозможно функционирование вашей электростанции. Как правильно выбрать контроллер заряда для солнечной батареи? Он должен поддерживать общую мощность системы энергоснабжения, обеспечивать заряд аккумуляторов и правильно распределять поток мощности при одновременном потреблении и заряде.Кроме того, на контроллере лежит ответственность за безопасность системы, в том числе и пожарная.Прибор может входить в комплект электростанции, либо приобретается отдельно.
   Функционал у всех моделей стандартный. При выборе вы определяете мощность, вольтаж () и главный критерий — срок службы (гарантия). При выходе из строя контроллера, ваше энергоснабжение определяется емкостью аккумуляторов (пока не разрядятся).
3. Модуль аккумуляторных батарей. Пожалуй, второй по важности элемент в «электростанции». Он служит накопительным буфером энергосистемы. Фактически, отбор мощности происходит именно от батарей. Солнечные элементы лишь восстанавливают отданный запас энергии (заряжают АКБ). Разумеется, могут быть периоды, когда часть нагрузки ложится на фотоэлементы (если вырабатываемая энергия существенно выше затрат на зарядку). Тогда можно сказать, что ваш телевизор или холодильник питается напрямую от солнца. Перед тем, как установить солнечные батареи, необходимо рассчитать емкость аккумуляторов. Делается это просто: при входной мощности 3 кВт, ток потребления не превышает 15 А (в сети 220 вольт). На выходе 12 вольтовых батарей ток будет уже 250 А (в соответствии с законом Ома). Разумеется, такая мощность отбирается не постоянно, но для примера в расчетах мы возьмем именно эти цифры. То есть, если вы установите 5 батарей емкостью по 100 А×ч каждая, то при такой нагрузке заряд закончится через 2 часа.Разумеется, это условные цифры: в реальности существует множество поправок в расчетах. Но базовый ток и мощность исчисляются именно по такому принципу.Существуют различные батареи: кислотные, щелочные, гелевые… По-большому счету, гоняться за самыми «продвинутыми» системами нет смысла. А сэкономить можно лишь на возможности обслуживания: батареи, за которыми требуется надзор, стоят дешевле.
4. Преобразователь напряжения. Вы можете отбирать мощность напрямую у АКБ, если ваши потребители рассчитаны на 12 вольтовое питание. Однако большинство электроприборов рассчитаны на 220 вольт. Поэтому на выходе устанавливается преобразователь 12–220В.К нему подключается ваша внутренняя электросеть.

Как избежать распространенных ошибок?

При сборке и монтаже обратите внимание на следующие нюансы:

1. Не нужно осуществлять сборку на каркасе с задней стенкой из брусьев, так как дерево может разбухнуть и конструкция деформируется. Кроме того, брус очень утяжеляет её.
2. Нельзя использовать в качестве крышки оргстекло, так как оно перегревается и за счёт этого контакты между панелями приходят в негодность, а сама система может разгерметизироваться.
3. Соединительные клеммы – не лучший вариант объединения панелей друг с другом, так как в случае ремонта их невозможно будет разъединить — лучше пользоваться специально предназначенными для этого коннекторами.

Полезные советы

Прислушайтесь к рекомендациям опытных строителей:

1. Панели необходимо тщательно очищать от снега, грязи и пыли, так как это существенно снижает поглощение солнечной энергии устройством.
2. Пышные кроны высоких деревьев, которые препятствуют попаданию солнечных лучей на батарею, придется проредить. Если дом находится в тени других построек, то установка солнечных панелей целесообразна разве что только поликристаллических, и то эффективность будет снижена.
3. Прежде чем приниматься за сборку панелей, нужно произвести небольшой расчёт. Для начала нужно проанализировать, сколько киловатт нужно получить из системы в день. Одна панель способна выработать 0,12 кВт, так что может быть, что при небольшом потреблении их установка окупится лет через 50, поэтому она не целесообразна. В зависимости от требуемой средней дневной нормы и подбирается количество панелей.
4. При монтаже солнечных батарей своими руками, панели лучше ориентировать на юг, так как в солнечные часы с этой стороны поступает максимальное количество солнечной энергии.