Подбор и расчёт системы на солнечных батареях | Perpetuum mobile: «свободная энергия» и вечные двигатели.

Cистема энергоснабжения на солнечных батареях кажется очень простой. Как и в большинстве других систем электроснабжения от автономных источников, в ней всего 4 основных компонента — сами фотоэлектрические панели, аккумуляторы, контроллер заряда и инвертор, преобразующий низковольтный постоянный ток к бытовому стандарту ~220В. Однако все элементы должны быть согласованы между собой. И если компоненты, общие для всех подобных систем (инвертор, аккумуляторы, провода) рассмотрены на отдельной странице, то здесь я хочу рассмотреть компоненты, специфичные именно для фотоэлектрических систем — панели фотоэлементов (солнечные батареи) и контроллеры для них. Но, конечно, прежде всего рассматривается самый главный вопрос — выбор мощности солнечных батарей или, что в реальной жизни с её неизбежными ограничениями в финансовых и материальных ресурсах гораздо актуальнее, — как определить, какой именно результат можно ожидать от солнечных батарей той или иной номинальной мощности, то есть стоит ли игра свеч?

Определение возможностей Солнца

Расчёт потребностей в электроэнергии для того или иного режима её использования рассмотрен на отдельной странице. Теперь надо определить возможности Солнца и, прежде чем начинать вкладывать в создание системы свои деньги и своё время, сравнить эти возможности со своими потребностями. Основа расчёта ожидаемой выработки энергии — это данные по мощности солнечного излучения с учётом погодных условий. Желательно, чтобы данные были для разных углов наклона панели, хотя бы для вертикальной и горизонтальной ориентации.

Важнейшим вопросом является выбор угла наклона панели. Имея в виду возможность круглогодичного использования, следует предпочесть угол на 15° больше географической широты (к тому же, чем больше наклон, тем меньше на панели будут задерживаться пыль и снег). Для Москвы это 70°, благо возможность установить панель с ориентацией на юг под таким наклоном у меня имеется (отклонение от южного направления примерно на 10° к востоку непринципиально). В принципе возможны и другие варианты размещения, рассмотренные ниже, в том числе с ориентацией панелей на восток и запад, но для таких ориентаций имеющиеся в таблице данные не годятся.

Методика расчёта

Наклон выбран. Теперь можно приступать к оценке потенциальной производительности солнечных батарей, или, что то же самое, к оценке количества солнечных модулей, необходимых для работы системы в желаемом режиме. Оценку следует провести как минимум для худшего месяца (для Москвы это январь), для большей части года (февраль - ноябрь) и для летнего максимума (в Москве это июль).

Стандартная инсоляция рассчитывается для площади в 1 квадратный метр. Однако точная площадь элементов солнечной панели нам не известна. Зато известна её номинальная мощность, которая определяется при 25°С для стандартного потока солнечного света в 1 кВт/м². Этого вполне достаточно. Приняв мощность солнечного излучения у поверхности Земли (максимальную инсоляцию) той же самой — что, в общем, соответствует действительности, — мы получим, что выработка батареи относится к инсоляции квадратного метра также, как мощность батареи относится к мощности солнечного излучения у земной поверхности в ясную погоду, приходящейся на 1 квадратный метр, то есть к 1000 Вт. Умножив месячную инсоляцию из таблицы на соотношение мощностей батареи и максимальной инсоляции, можно оценить выработку солнечной батареи за этот месяц.

Таким образом, выработку фотоэлектрической панели будем рассчитывать по следующей формуле:

где E_сб — выработка энергии солнечной батареей; E_инс — месячная инсоляция квадратного метра (из таблицы инсоляции); P_сб — номинальная мощность солнечной батареи; η — общий КПД передачи электрического тока по проводам, контроллера солнечной батареи и инвертора при преобразовании низковольтного постоянного напряжения в стандартное (если предполагается использовать низковольтное напряжение напрямую, то при достаточно толстых и коротких проводах η можно приравнять к 1, т.е. не учитывать); P_инс — максимальная мощность инсоляции квадратного метра земной поверхности (1000 Вт). Инсоляция и желаемая выработка должны быть в одних и тех же единицах (либо киловатт-часах, либо джоулях).

Соответственно, зная месячную инсоляцию, можно оценить номинальную мощность солнечной батареи, требуемую для обеспечения необходимой месячной выработки.

Как правило, максимальная мощность солнечной батареи, заявленная производителем, достигается при напряжении на её выходе, превышающем напряжение аккумуляторных батарей на 15 .. 40%. Большинство недорогих контроллеров заряда могут либо подключать нагрузку напрямую, «просаживая» выходное напряжение батарей намного ниже оптимального, либо просто отсекать этот «излишек». Поэтому эти потери также можно заложить в КПД, уменьшив его на 10 .. 25% (потери мощности меньше потерь напряжения, поскольку при повышенной нагрузке «проседание» напряжения компенсируется, хотя и не полностью, некоторым увеличением тока; более точно значение можно определить, лишь зная зависимость напряжения от тока нагрузки для конкретной батареи). Однако существуют модели контроллеров, которые удерживают эти потери в пределах 2 .. 5%.

Мощность солнечного излучения меняется от месяца к месяцу, а номинальная мощность солнечной батареи неизменна, и именно на неё следует ориентироваться при выборе места для установки и определении затрат. Формула (2) удобна, чтобы оценить номинальную мощность батареи для конкретных условий инсоляции, но мало подходит для оценки её возможностей в течении всего года. Поэтому построим таблицу на основании формулы (1), чтобы посмотреть, когда и какие режимы энергоснабжения могут позволить солнечные батареи различной номинальной мощности.

Пример расчёта

Поскольку для Москвы нет данных для наклона 70°, но есть данные для наклонов 40° и 90°, то в первом приближении можно использовать среднее значение между этими данными. Полученные значения месячной выработки округлялись до 1 кВт·ч в меньшую сторону. При оценке выработки учтён суммарный КПД инвертора и контроллера, равный 91% (это лучшая оценка реально достижимых значений на данный момент). «Режим дефицита» означает, что суммарной месячной выработки не хватит даже для внутренних потребностей самой системы (постоянной работы инвертора и контроллера). Для наглядности цветом выделены возможности батарей по обеспечению того или иного режима функционирования.

Анализ результатов расчёта

Прежде всего надо сказать то, что 400-ваттной номинальной мощности батареи в Москве не хватит на поддержку аварийного режима даже в летние месяцы. Тем не менее, в период с мая по начало августа её выработка превышает 80% аварийного минимума, а потому с учётом тепла и длинных дней в этот период такую номинальную мощность всё же можно считать допустимым аварийным вариантом для дачи, особенно если инвертор будет работать не постоянно, а только тогда, когда электричество действительно нужно. Однако приобретение солнечных батарей меньшей мощности можно рассматривать лишь для каких-то специальных целей — хоть сколько-нибудь приемлемое круглосуточное бытовое электроснабжение они не обеспечат даже летом! Для маломощных систем критически важным является собственное потребление инвертора и контроллера заряда. Оно кажется незначительным (в расчёт заложено всего 25 Вт, что соответствует современным моделям этих устройств небольшой мощности), однако из-за непрерывной работы за сутки набегает 0.6 кВт·ч, а за месяц — 17 .. 19 кВт·ч в зависимости от длительности месяца. То есть почти треть от выработки, необходимой для аварийного режима! Поэтому в тёмные месяцы суммарная выработка маломощной солнечной батареи становится меньше этой величины. Современные инверторы и контроллеры заряда предусматривают защиту от переразряда аккумуляторов (они просто отключают нагрузку), поэтому фатальное повреждение системы маловероятно, но непрерывное наличие напряжения в маломощной автономной системе не гарантируется зимой даже при отсутствии нагрузки — слишком велики затраты энергии на поддержание собственной работы! В таблице это время выделено серым цветом — в пасмурные зимние дни такая солнечная батарея не сможет круглосуточно поддерживать напряжение в розетках, хотя в солнечную погоду и в эти месяцы она вполне обеспечит питание электроприборов соответствующей мощности.

500-ваттная батарея в подмосковных условиях уже способна дать аварийный минимум в период с мая почти до конца августа и выдавать 80% этого минимума в апреле и даже в марте. 600-ваттная система расширяет период возможного аварийного использования «солнечного электричества» со второй половины марта до начала сентября.

800-ваттная солнечная батарея летом позволяет базовый режим электропотребления, да и с марта по сентябрь выработка уверенно превышает аварийный минимум. Кроме того, такая установка уже в силах обеспечить напряжение в розетке почти круглогодично — лишь в декабре и январе наблюдается небольшой дефицит выработки.

Киловаттная система обещает удовлетворение базовых потребностей в течение почти всего периода длинных дней и еле-еле берёт «бездефицитный» барьер, претендуя на круглогодичное поддержание напряжения в розетках. Однако полной гарантии этого ещё нет — стоит декабрю-январю выдаться чуть более пасмурными, чем обычно, и энергии может не хватить!

Следующий рубеж берёт батарея с номинальной мощностью 1.2 кВт. В июле она может обеспечить умеренный режим электропотребления, а с марта по сентябрь — базовый. Кроме того, в течении всего года выработка превышает внутренние потребности системы, а потому при малой внешней нагрузке (порядка 5 Вт) она способна круглогодично и достаточно уверенно поддерживать напряжение в розетках. Это позволяет использовать её для обеспечения гарантированного питания маломощных систем контроля, таких как пожарные и охранные сигнализации. Аварийный же минимум обеспечивается бóльшую часть года, за исключением самых тёмных месяцев (ноябрь-январь).

Двухкиловаттная солнечная батарея может поддерживать комфортный или близкий к нему режим с мая до середины августа и базовые потребности с февраля по октябрь. Правда, в ноябре её мощности хватит лишь для аварийного режима, а в декабре и январе даже эти скромные требования она не обеспечит. Лишь номинальная мощность в 3.2 кВт позволит рассчитывать на аварийный минимум в течении всего года, а период комфортного использования «солнечного электричества» расширяется на весь период длинных дней — с марта по сентябрь включительно.

5.3 кВт номинальной мощности позволяют в мае-августе использовать электричество от батарей практически без ограничений и круглый год гарантируют базовые потребности. 8 кВт делают возможным круглогодичное использование автономного электричества в умеренном режиме, 13.5 кВт — в комфортном.

Наконец, солнечная батарея с номинальной мощностью 31.5 кВт позволила бы мне круглый год не зависеть от внешней электросети и при этом не испытывать ограничений в использовании электричества в условиях Подмосковья! Однако стоимость одних только фотоэлектрических панелей для 30-киловаттной системы по оптовой цене 50 тысяч рублей за киловатт составит 1.5 миллиона, а площадь их поверхности при КПД 17-18% составит порядка 200 квадратных метров. Впрочем, цены снижаются, но вот КПД массовых панелей пока остаётся прежним, и изыскать 2 сотки площади для их размещения хотя бы и не на земле, а на стенах или крыше, удастся немногим...

Тем не менее, эти огромные цифры относятся к пасмурной зимней Москве. Судя по таблице инсоляции, для тех же режимов в Сочи и Астрахани затраты уменьшатся примерно втрое, во Владивостоке и Петропавловске-Камчатском — вчетверо, а в Южно-Курильске — аж впятеро. От 700 тысяч до миллиона рублей за безшумное и безтопливное автономное электроснабжение — это уже интересная цена, вполне сопоставимая со стоимостью нового автомобиля среднего класса.

Ложка дёгтя

Следует заметить, что приведённые выше оценки достаточно академичны. Для успешного практического использования солнечных батарей необходимо учесть ещё несколько замечаний.

Во-первых, расчёт таблицы проводился по средним величинам за годы наблюдений. В годы с аномальной погодой месячная выработка может отличаться от этих значений на десятки процентов! Поэтому если Вы хотите иметь хорошие гарантии того, что система сможет обеспечить необходимый Вам минимальный режим, следует увеличить суммарную мощность панелей раза в полтора по сравнению с полученной в результате расчёта (либо использовать при расчёте меньший КПД — не 91%, а всего лишь 50%—60%). Это замечание актуально как для летней, так и для круглогодичной эксплуатации.

Во-вторых, для значительной части территории России зимой (ноябрь-январь) характерны длительные периоды тяжёлой облачности, когда даже в полдень реальный поток солнечной энергии составляет менее 30 Вт/м² (помимо толстого слоя облаков сказывается ещё и низкая высота солнца над горизонтом, так что его лучи «пробивают» облачность не вертикально, по кратчайшему пути, а почти горизонтально, теряя в разы больше энергии). С учётом короткого дня (для Москвы формальный минимум 7 часов, но реально в такие пасмурные дни более-менее светло лишь 5-6 часов) суточная выработка солнечной батареи даже при оптимальной для зимы ориентации не превысит 0.2 кВт·ч на каждый киловатт номинальной мощности, а то и ещё меньше. Впрочем, если солнце взошло, то при любой облачности минимум вырабртки 20 Вт на киловатт номинальной мощности практически гарантирован, кроме часа после восхода и часа перед закатом, когда «гарантированный» минимум составляет порядка 10 Вт / кВт, т.е. даже для самых коротких и пасмурных дней в Москве за сутки можно рассчитывать не менее чем на 0.1 кВт·ч электроэнергии с киловаттной батареи (таким образом московской зимой каждый киловатт номинальной мощности солнечных батарей с достаточной степенью надёжности гарантирует круглосуточную работу нагрузки мощностью не более 4 Вт, хотя даже один солнечный час в день сразу поднимает эту цифру на порядок). Следует подчеркнуть, что эта величина в несколько раз меньше, чем та, что получается простым делением минимальной месячной выработки на количество дней в месяце. При этом пасмурные периоды могут длиться много дней подряд, так что надо исходить из предположения, что никакой аккумуляторной батареи разумной мощности для полной компенсации такого дефицита энергии не хватит! Поэтому при серьёзной ориентации на солнечную энергию в эти периоды необходимо предусмотреть либо какие-то дополнительные источники электроэнергии, либо возможность кардинального сокращения её использования без неприемлемого ущерба для комфорта. Конечно, если солнечная энергия изначально является хоть и важным, но не единственным источником электричества, актуальность данной проблемы существенно снижается. Кроме того, по мере перемещения от Москвы к югу и к востоку (особенно за Уралом) количество зимних солнечных дней и дней с относительно слабой облачностью или дымкой увеличивается. Поэтому описанная проблема наиболее актуальна для жителей западных и северо-западных регионов России. В тёплый период года многодневная тяжёлая облачность не так вероятна, световой день намного длиннее, а солнце поднимается выше над горизонтом, так что если даже оценку минимального потока энергии для перестраховки оставить почти на том же уровне, то «минимально гарантированную» суточную выработку можно смело увеличить как минимум втрое — не менее 0.3 кВт·ч / кВт.

Впрочем, не следует слишком уж огорчаться столь мизерными значениями выработки. Я специально рассматриваю наихудший случай, который следует иметь в виду, чтобы избежать неожиданных разочарований при особо неблагоприятном стечении обстоятельств. Ведь даже в конце декабря за короткий, но солнечный день с каждого киловатта номинальной мощности правильно расположенных фотопанелей можно получить несколько киловатт-часов электроэнергии! Но в Москве такие дни в ноябре-январе случаются нечасто.

Выбор оборудования

Выбор ёмкости аккумуляторов

Основные критерии выбора параметров блока аккумуляторов рассмотрены на странице, посвящённой общим особенностям построения системы автономного электроснабжения. Однако система солнечного электроснабжения имеет свои особенности. В таких системах велики погодные и сезонные колебания поступления энергии. Тем не менее, в отличие от, скажем, ветрогенераторов, где ветер может дуть много дней подряд, а потом также много дней будет стоять безветрие, в солнечных системах поступление энергии регулярно прекращается каждую ночь, но каждый день оно не менее регулярно возобновляется, — в ясные дни в полной мере, а если погода пасмурная, то хотя бы в небольшой степени. Поэтому можно рассчитывать на конечную и вполне определённую длительность периодов полного отсутствия притока энергии.

В соответствии с вышесказанным, для системы солнечного электроснабжения в общем случае можно рекомендовать следующие оценки минимальной суммарной ёмкости блока на основе 12-вольтовых аккумуляторов:

Ещё раз подчеркну, что указанные значения ёмкости являются рекомендуемыми (в общем случае чем больше — тем лучше), однако приоритет имеют ограничения по возможным токам зарядки и разряда, которые непосредственно влияют на срок службы и безопасность эксплуатации аккумуляторов. И конечно, какие-то необычные особенности предполагаемого использования системы могут кардинальным образом изменить требования к ёмкости блока аккумуляторов.

Выбор панелей фотоэлементов

При выборе панелей помимо их мощности следует учитывать ещё три фактора — их геометрию, номинальное выходное напряжение и тип фотоэлементов.

Выбор размеров панели

Геометрия определяется конкретными условиями установки, и здесь трудно дать общие рекомендации кроме одной — если есть возможность выбора между одной большой панелью и несколькими маленькими, лучше взять большую — более эффективно используется общая площадь и будет меньше внешних соединений, а значит, выше надёжность. Размеры готовых панелей обычно не слишком велики и не превышают полтора-два квадратных метра при номинальной мощности до 200-300 Вт. Панели небольших размеров (возможно, на меньшее номинальное напряжение) следует использовать только там, где невозможно установить более крупные панели.

Для достижения нужных значений номинального напряжения и номинальной мощности панели можно объединять в последовательные сборки, которые затем коммутируются параллельно — аналогично тому, как коммутируется банк аккумуляторов. Как и в случае аккумуляторов, в одной сборке следует использовать только однотипные панели.

Панели заводского изготовления часто имеют прямоугольную форму с соотношением сторон 1:2 или близким к нему. Поэтому если предполагается их монтаж вплотную в несколько рядов, то размещать их можно «стоя» (длинной стороной вертикально) или «лёжа на боку» (длинной стороной горизонтально). Возникает вопрос — какую ориентацию предпочесть? Ответ — ту, при которой во время движения Солнца минимум панелей будут испытывать полутень, так как даже один затенённый элемент резко снижает выработку всей панели. Например, если в предполагаемом месте установки наиболее вероятно перемещение границы затенения по вертикали (от конька соседской крыши, от высокого глухого длинного забора, от полосы кустарника, от верхушек близкого леса и пр.), то панели лучше располагать «лёжа на боку». Если же тень в основном будет перемещаться по горизонтали от одной боковой стороны к другой (скажем, тени от угла высокого дома, от столба, от высокого дерева), то панели лучше располагать «стоя». Дополнительно можно заметить, что при вертикальном расположении панелей меньше число горизонтальных стыков, что способствует лучшему смыванию пыли и сходу снега с панелей, поэтому панели, которые ничто не будет затенять, лучше монтировать «стоя». Но если возможно затенение панелей, то приоритетно преимущественное направление затенения и выхода из тени.

Выбор напряжения солнечной батареи

В настоящее время почти все промышленно изготовленные панели фотоэлементов большой мощности имеют номинальное напряжение либо 12 В, либо 24 В. И здесь с выбором напряжения тоже всё просто — лучше выбирать 24-вольтовые панели, поскольку рабочие токи у них вдвое меньше, чем у 12-вольтовых той же мощности. Панели одинаковой мощности одного и того же производителя, рассчитанные на разное напряжение, обычно различаются лишь внутренней коммутацией фотоэлементов. Готовые панели с номинальным напряжением выше 24 В практически не встречаются и обычно собираются из более низковольтных. 12-вольтовые панели, на мой взгляд, оправданы лишь в двух случаях — для систем, где рабочее напряжение инвертора не кратно 24 В (то есть 12 или 36 В), а также если по архитектурным или конструктивным соображениям необходимо использовать панели малого размера, для которых не существует вариантов на 24 В.

При самостоятельной сборке панелей из отдельных фотоэлементов не следует забывать о защитных диодах в каждой цепочке для предотвращения протекания обратного тока при неравномерной засветке. В противном случае мощность, выработанная освещёнными секциями панели, вместо полезной нагрузки будет выделяться на затенённом фотоэлементе, а это чревато его перегревом и полным выходом из строя (неосвещённый фотоэлемент в этой ситуации окажется открытым диодом). Допустимый прямой ток защитных диодов должен быть больше, чем ток короткого замыкания защищаемой цепочки фотоэлементов при максимальной освещённости.

Типы фотоэлементов

Наконец, надо выбрать тип фотоэлементов. В настоящее время наиболее часто предлагаются фотоэлементы на монокристаллическом или поликристаллическом кремнии. Монокристаллический кремний обычно имеет КПД в районе 16-18%, а поликристаллический — 12-14%, зато он несколько дешевле. Однако в готовых панелях цена за ватт (т.е. в пересчёте на вырабатываемую мощность) получается почти одинаковой, и монокристаллический кремний может оказаться даже выгодней. По такому параметру, как скорость деградации и долговечность, разницы между ними практически нет. В связи с этим выбор в пользу монокристаллического кремния очевиден — при равной мощности панели из него компактнее. Кроме того, зачастую при снижении освещённости монокристаллический кремний обеспечивает номинальное напряжение дольше, чем поликристаллический, а это позволяет получать хоть какую-то энергию даже в весьма пасмурную погоду и в лёгких сумерках. Зато у поликристаллического кремния обычно ниже напряжение холостого хода (т.е. при работе без нагрузки — у монокристаллических фотоэлементов оно может превышать номинал почти вдвое), ниже и напряжение максимальной мощности. Но если подключать панель к инвертору и аккумулятору не напрямую, а через современный контроллер, то это не имеет существенного значения.

Существуют и довольно дешёвые панели на аморфном кремнии, напылённом на подложку, в том числе гибкую. Однако аморфный кремний обладает очень низким КПД (6-10%) и небольшим сроком службы из-за быстрой деградации, поэтому использовать его стоит лишь в каких-то особых случаях (например, в виде гибких «солнечных ковриков», удобных в турпоходах и путешествиях).

Выбор размещения и суммарной мощности панелей

На первый взгляд, нет смысла выбирать суммарную мощность панелей фотопреобразователей больше мощности инвертора. Тем не менее, такое превышение, причём даже не на проценты, а в разы, может быть оправдано при наличии мощной постоянной нагрузки и мощного блока аккумуляторов или в расчёте на длительные периоды пасмурной погоды.

Ещё одним интересным вариантом, когда суммарная мощность панелей может существенно превосходить как мощность инвертора, так и мощность, необходимую для зарядки аккумуляторов, является их размещение на противоположных стенах дома или на достаточно крутых скатах крыши (наклон ската не менее 45°), если они ориентированы на запад и восток — тогда мощность каждого поля солнечных батарей (восточного и западного) может достигать 80% от полной требуемой мощности системы, а мощность фотопанелей, подключённых к одному контроллеру, может превышать его номинальную мощность почти в полтора раза! Дело в том, что прямые солнечные лучи не могут одновременно освещать две противоположные стены или два противоположных крутых ската крыши, а мощность, вырабатываемая батареей при отсутствии прямой засветки, падает как минимум раз в 10 (во избежание перегрузки контроллера берём её с двухкратным запасом, отсюда и получается цифра 80%, а не 90%). Да, такая «сплит-система» будет дороже, чем «моноблочная» система с той же рабочей мощностью, но с единым полем фотопанелей, ориентированным на юг, — ведь панелей надо больше! В чём же преимущество «сплит-системы» над «моноблочной»?

В период длинных дней, когда Солнце всходит на востоке или даже северо-востоке, а заходит на западе или северо-западе, одно из полей «сплит-системы» всегда будет освещено Солнцем и потому сможет выдавать хорошую мощность. Лишь в полдень солнечные лучи будут скользить по обоим полям панелей, но в это время солнечный свет максимален, и воспринимаемое обоими панелями излучение весьма существенно. В то же время ориентированный на юг «моноблок» даёт мощный максимум выработки в середине дня, но утром и вечером его выработка минимальна, поскольку обусловлена лишь рассеяным светом или, в лучшем случае, скользящими по его поверхности лучами. Между тем именно в это время хорошо бы зарядить аккумуляторы после ночи или на ночь! В пасмурную погоду облака рассеивают свет, и его одинаково успешно воспринимают оба поля фотопанелей, так что общая выработка «сплит-системы» превосходит «моноблок» прямо пропорционально суммарной мощности всех панелей (но сама выработка достаточно мала, что исключает опасность перегрузки контроллера заряда). Лишь в короткие солнечные зимние дни ориентированный на юг «моноблок» по дневной выработке будет превосходить эту «сплит-систему». Но на большей части территории России зима пасмурная, а в пасмурные дни важна суммарная мощность всех фотопанелей, так что и здесь «моноблок» проигрывает. Особенно эффективно такое размещение фотопанелей в южных районах, где меньше разность между летними и зимними днями и даже зимой солнце поднимается довольно высоко и достаточно далеко заходит на восток и запад.

Если же дом ориентирован по сторонам света не стенами, а углами, то можно поместить поля фотопанелей не на противоположные стороны (восток и запад), а на смежные юго-восток и юго-запад, — тогда и зимой даже в нашей Средней полосе эта система будет вне конкуренции, хотя во избежание перегрузки контроллеров «избыток» мощности, возможно, придётся снизить до 70%, а то и до 50% (точная цифра определяется конкретными условиями размещения панелей). Наконец, можно попытаться ориентировать фотопанели на все три «солнечные» стороны света — восток, юг и запад, — но такое лучше предусматривать на стадии проектирования дома и «посадки» его на местность.

Таким образом по сравнению с традиционной ориентацией солнечных батарей только на юг, предлагаемый вариант с полями фотопанелей, ориентированными на разные стороны света, обеспечивает гораздо бóльшую и более равномерную суточную выработку, причём возможности всех панелей используются по максимуму в наиболее энергодефицитные пасмурные дни. В то же время всё остальное оборудование (помимо панелей) рассчитано на существенно меньшую пиковую мощность, нежели суммарная мощность солнечных батарей, а значит, оно дешевле и компактней. Проигрыш «лобовому» увеличению мощности системы, ориентированой строго на юг, может наблюдаться лишь в самые короткие, но солнечные зимние дни. Однако таких дней в средней полосе России весьма немного.

Об отслеживании положения Солнца

Выше речь шла только о стационарной установке панелей. И это не случайно. Сейчас не проблема найти систему, позволяющую отслеживать положение Солнца (solar tracker). Однако почти все они рассчитаны на относительно небольшие и лёгкие панели, номинальная мощность которых не превышает нескольких сот ватт. Но, как видно из таблицы, для практического бытового применения (кроме аварийных ситуаций) даже летом номинальная электрическая мощность солнечных батарей должна составлять хотя бы 1 кВт, а лучше от 2 кВт и выше. Для такой системы системы готовое решение найти уже не так просто. Но самое главное заключается в том, что зимой разность в выработке между правильно ориентированной стационарной и поворотной панелями вообще мизерна, а летом в наших краях она хотя и заметна, но обычно лишь немного превышает 30% (приводимые в рекламе значения до 60% относятся к более южным краям с большой долей прямого солнечного излучения, и для основной части территории России, мягко говоря, чересчур оптимистичны). Другие отрицательные аспекты поворотных систем рассмотрены на странице с общим обзором солнечных устройств. Оправданы ли дополнительные затраты и проблемы, связанные с организацией отслеживания положения Солнца, каждый должен решить сам, исходя из своих возможностей и предпочтений.

Выбор контроллера

В современных системах контроллер заряда стоит между солнечной батареей и аккумуляторами. Его главная задача — это нормировать напряжение, вырабатываемое панелями фотоэлементов, к напряжению, необходимому для заряда аккумуляторов с учётом их текущего состояния, в том числе отключая их от фотоэлементов при полной зарядке во избежание перезаряда. Однако необходимо иметь в виду, что дешёвые модели контроллеров заряда обычно предотвращают перезаряд только по напряжению, но не по току, и в таком случае слишком слабые аккумуляторы, подключенные к слишком мощному блоку фотоэлектрических преобразователей и слишком мощному контроллеру заряда, могут «вскипеть» и выйти из строя из-за слишком большого тока зарядки, хотя по напряжению всё было в пределах нормы. Особенно вероятно это в начале зарядки сильно разряженных аккумуляторов, когда при отсутствии специальных ограничителей тока они способны легко «впитать» очень большие токи, которые вызывают перегрев и повышенное газовыделение, а это, в свою очередь, не только сильно сокращает срок службы, но и может быть причиной взрыва и пожара. Впрочем, следует отметить, что более дорогие контроллеры часто имеют возможность задания ёмкости блока аккумуляторов или непосредственного указания максимального тока зарядки — в таком случае нужно лишь не забыть правильно установить эти значения, и даже аккумуляторы малой ёмкости будут заряжаться без эксцессов.

Типы контроллеров заряда

Дешёвые модели контроллеров заряда для регулирования напряжения на нагрузке обычно используют широтно-импульсную модуляцию (ШИМ, PWM – Pulse Width Modulation), — по сути они представляют собой просто электроное реле с микропроцессорным управлением, которое то подключает солнечные батареи к аккумуляторам, то отключает, поддерживая на аккумуляторах нужное напряжение (в отличии от механического реле, такие подключения-отключения могут происходить на более короткие периоды и с более высокой частотой, обеспечивая гораздо лучшую стабильность напряжения зарядки). Но самые продвинутые модели контроллеров способны даже «подтянуть» к необходимому уровню слишком низкое напряжение, вырабатываемое панелями фотоэлементов при слабом освещении — конечно, не просто так, а за счёт уменьшения тока.

При правильном выборе типа фотопанелей большой необходимости в повышении напряжения нет. Гораздо важнее возможность снизить относительно высокое «оптимальное» напряжение фотоэлектрической батареи, соответствующее максимальной вырабатываемой мощности, до более низкого уровня, необходимого для зарядки аккумуляторов, преобразовав излишек напряжения в дополнительный ток и обеспечив полное использование номинальной мощности батареи. Как уже говорилось выше, при прямой коммутации выхода панели фотоэлементов на аккумуляторы из-за неоптимальной нагрузки напряжение может «проседать» ниже оптимума на 15 .. 40%, а потери мощности в этом случае могут превысить 25%.

Технологию, предотвращающую такие потери, большинство производителей контроллеров называют MPPT (Maximum Power Point Tracking — отслеживание точки максимальной мощности). Она заключается в постоянном измерении вырабатываемого панелями тока и напряжения и обеспечении их оптимального соотношения, которое зависит, в частности, и от времени суток, и от текущей ситуации на небе (выглянуло солнце или набежало облако). Это позволяет достичь оптимального использования мощности батарей практически во всех режимах работы и уменьшить потери до 3%. Однако стоимость таких контроллеров существенно превышает стоимость простейших моделей, рассчитанных на тот же ток нагрузки. Кроме того, при одинаковом номинальном токе нагрузки суммарная номинальная мощность панелей, подключаемых к контроллеру с MPPT, обычно заметно меньше суммарной мощности панелей, подключаемых к дешёвым контроллерам с ШИМ-регуляцией — как раз на величину потерь, компенсируемых MPPT, т.е. до 25% и более. В результате в солнечный день контроллер с MPPT реализует всю мощность своих солнечных батарей, в то время как ШИМ-контроллер использует лишь часть энергетического потенциала подключённых к нему панелей. Зато в условиях плотной облачности контроллер с ШИМ-модуляцией может выдавать в нагрузку больший ток по сравнению с MPPT благодаря большей номинальной мощности подключённых к нему панелей; в густых сумерках MPPT опять может быть оптимальнее, если в нём предусмотрена возможность «подтягивания» слишком низкого напряжения, но такие периоды обычно весьма кратковременны, а вырабатываемая энергия всё равно мизерна. Поэтому, если ориентироваться на облачную погоду и учитывать тот факт, что рабочий ток контроллеров весьма ограничен, может оказаться выгоднее приобрести лишнюю панель и использовать ШИМ-контроллер заряда, сэкономив на MPPT, — отдаваемый в нагрузку ток будет более стабилен в более широком диапазоне освещённостей за счёт повышенных потерь при ярком солнце. С другой стороны, когда каждый ватт на счету, а токи относительно невелики (особенно при небольшом числе панелей), использование MPPT безусловно более предпочтительно. При мощности фотопанелей в несколько киловатт разница в цене между MPPT и ШИМ опять-таки будет меньше, чем стоимость панелей, которые должны компенсировать потери производительности, и здесь MPPT снова оказывается выгоднее, тем более что по мере освоения технологии всё большим числом производителей цены на MPPT-контроллеры снижаются.

В качестве дополнительной опции многие контроллеры имеют специальный выход для низковольтной нагрузки, автоматически отключаемый при слишком большом разряде аккумуляторов. Однако, если не предполагается прямое подключение низковольтных потребителей, это не нужно, поскольку практически все современные инверторы делают то же самое для всей подключённой к ним мощности, в то время как мощность контроллеров заряда весьма ограничена.

Выбор мощности контроллера

Наиболее распространены контроллеры, рассчитанные на ток в 10 .. 20 А, иногда на 40 А. Более мощные контроллеры встречаются реже и стоят значительно дороже. Тем не менее, иногда можно попытаться объединить несколько не очень мощных контроллеров параллельно, подключив каждый из них к своей группе фотоэлектрических панелей. Такая схема не рекомендуется, но в некоторых ситуациях вполне приемлема. Впрочем, консультация у продавца (а лучше — у производителя) не помешает, поскольку конкретные модели контроллеров могут иметь особенности, не позволяющие такое подключение. Подобное объединение может свести на нет все преимущества контроллеров с MPPT и интеллектуальных контроллеров, меняющих режим заряда по мере зарядки аккумулятора. Поэтому лучше иметь запас мощности контроллера заряда, чем объединять несколько маломощных контроллеров.

При подключении панелей к контроллеру надо следить, чтобы их суммарный максимальный ток не превышал 80% .. 90% от номинального тока контроллера. Например, для 10-амперного ШИМ-контроллера суммарный ток должен составлять не более 8 .. 9 А. Этот запас необходим, во-первых, потому, что при возрастании нагрузки выше оптимальной напряжение снижается, но ток продолжает нарастать, хотя и медленнее, чем падает напряжение, и контроллер должен выдержать эту перегрузку по току (в предельном случае — при коротком замыкании — для большинства фотопанелей такой ток превышает оптимальный как раз на 15% или чуть больше). Во-вторых, в некоторых условиях сама выработка фотопанелей может превысить номинальную, например, в ясный зимний день, когда белый снег, отлично отражающий свет, способствует перезасветке фотоэлементов по сравнению с расчётной, а умеренный мороз немного повышает их КПД, и контроллер должен выдержать такую избыточную выработку. Таким образом, к одному 10-амперному контроллеру с ШИМ можно подключить панели на 24 В суммарной мощностью 300 Вт, а на 12 В — всего 150 Вт. Для контроллеров с MPPT, превращающих «излишек» напряжения в дополнительный ток, необходимый запас по номинальному току должен быть ещё больше и суммарный ток батарей может быть ограничен вплоть до 75%, а то и до 60% от тока, отдаваемого контроллером в нагрузку, то есть общая номинальная мощность панелей, подключаемых к 10-амперному контроллеру с MPPT, не должна превышать 220 .. 240 Вт при 24 В и быть вдвое меньше (110 .. 120 Вт) при 12 В. Обычно производители контроллеров указывают допустимую суммарную мощность или номинальный суммарный ток подключаемых к ним панелей фотоэлементов.

Собственное потребление контроллеров заряда, в отличии от инверторов, слабо зависит от мощности контроллера и практически всегда составляет единицы ватт, а зачастую и доли ватта. Исключение составляют особо мощные контроллеры, в которых необходима система принудительного охлаждения с вентиляторами мощностью от пяти до пары десятков ватт, но и эти потери составляют менее процента от мощности контроллера, а вентиляторы часто задействуются лишь тогда, когда через контроллер проходит действительно большая мощность, вызывающая его ощутимый нагрев.

Мультивольтажные контроллеры (на несколько напряжений)

В настоящее время очень часто встречаются контроллеры заряда, рассчитанные сразу на несколько напряжений (multi-voltage). Чаще всего это 12 / 24 В или 12 / 24 / 48 В. Однако не следует думать, что они способны преобразовывать одно напряжение в другое или работать сразу с несколькими напряжениями. Это сделано лишь для сокращения номенклатуры фирмы, поскольку используемая в них элементная база, позволяющая работать с самым высоким напряжением, может также работать и с более низкими (поэтому рабочий ток у этих контроллеров одинаков для любого напряжения, и подключаемая к ним допустимая мощность прямо пропорциональна рабочему напряжению).

При подключении такие контроллеры сначала должны соединяться с аккумулятором и лишь затем — с солнечными батареями. По поданному от аккумулятора напряжению контроллер определяет рабочее напряжение системы и соответствующим образом настраивает значения напряжений различных фаз зарядки, а также напряжение на выходе нагрузки. Эта настройка занимает доли секунды. Далее в этом сеансе работы (до полного отключения всех источников питания) контроллер считает рабочим именно то напряжение, которое было подано на него изначально. Для «перепрограммирования» на другое напряжение его надо полностью отключить, и после паузы в несколько десятков секунд, необходимой для гарантированного разряда всех внутренних ёмкостей, снова подключить к блоку аккумуляторов с нужным напряжением.

Может показаться, что подобная универсальность контроллера поможет в ситуации, когда сначала система строится в расчёте на одно напряжение (скажем, 12 В), а затем возникает необходимость перейти на другое (например, 24 В). В какой-то мере это верно, так как аккумуляторы и солнечные батареи можно переконфигурировать, а контроллер «перепрограммировать» на новое напряжение. Однако подавляющее большинство современных моделей инверторов рассчитаны на фиксированное значение низковольтного напряжения, и такой инвертор придётся менять (а его цена обычно достаточно велика и намного превышает цену контроллера). На практике часто возникают и другие сложности, связанные с изменением рабочего напряжения. Поэтому следует сразу правильно выбирать рабочее напряжение, а на возможности контроллера поддерживать сразу несколько напряжений особого внимания не обращать, — главное, чтобы он мог работать с напряжением, выбранным Вами.

Иногда может возникнуть необходимость подключить более низковольную нагрузку к более высоковольтному источнику, например, зарядить 12-вольтовый автомобильный аккумулятор от 24-вольтовой солнечной панели. Может ли здесь помочь мультивольтажный контроллер 12/24 В? Если это простой ШИМ-контролер, то скорее всего — да. Для этого его надо сначала подключить к аккумулятору, «настроив» на 12 В, а затем подключить к солнечной батарее, убедившись, что её максимальный ток не превышает допустимый рабочий ток контроллера и максимальный ток зарядки аккумулятора. Но поскольку при этом во время зарядки солнечная панель практически напрямую коммутируется на аккумулятор, то её напряжение слишком сильно «просаживается», и толку от неё будет почти столько же, сколько и от 12-вольтовой солнечной батареи, рассчитанной на тот же рабочий ток, т.е. имеющей вдвое меньшую номинальную мощность. Поэтому такая конфигурация абсолютна неэффективна и может быть полезна лишь как временная мера в какой-то экстремальной ситуации. Контроллеры с функцией MPPT теоретически могли бы реализовать с пользой всю мощность высоковольтной солнечной панели, но на практике они часто имеют гораздо более мощный «интеллект», и обнаружив напряжение от фотоэлементов, слишком высокое для заданного режима, могут решить, что система неисправна или неправильно сконфигурирована (что, по сути, и есть на самом деле) и вообще отказаться работать до устранения «неисправности». Впрочем, то же самое можно ожидать и от «продвинутых» современных ШИМ-контроллеров — всё зависит от конкретной модели. В общем случае, таких ситуаций следует избегать и не удивляться, если контроллер откажется работать в нештатном режиме.

Ни в коем случае не следует использовать мультивольтажные контроллеры солнечных батарей в качестве преобразователя напряжения, подключая к любым другим источникам электричества, кроме самих солнечных батарей. Дело в том, что при превышении нагрузки солнечные батареи «просаживают» напряжение, весьма слабо увеличивая ток. Большинство же других источников электроэнергии в подобной ситуации резко увеличивают ток при относительно небольшом снижении напряжения, а такое повышение тока практически гарантирует «выжигание» контроллера или, в лучшем случае, срабатывание его защиты от перегрузки. Поэтому если часть элементов системы строго рассчитана на одно рабочее напряжение, а часть — на другое, такие контроллеры ничем не помогут. Здесь между фрагментами системы с разным рабочим напряжением неизбежно использование специализированных преобразователей напряжения (DC—DC), мощность которых должна соответствовать максимально возможной перекачке энергии между ними, а это, как правило, очень недёшево. Особенно много проблем возникает тогда, когда в обоих фрагментах системы имеются мощные блоки, накапливающие или вырабатывающие энергию. Поэтому таких ситуаций лучше избегать заранее.♦