Часть теоретическая про солнечные модули - теория и практический опыт.
В сто сорок солнц закат пылал,
в июль катилось лето,
была жара,
жара плыла —
на даче было это.
Владимир Маяковский
Необычайное приключение, бывшее с Владимиром Маяковским летом на даче.
Предисловие можете смело пропустить, ну графомания у меня, но дальше будет все по делу.
Предисловие
Сегодня мы обратим свой взор к солнцу! Протянем натруженные ладошки к нему, самому, нашему великому, лучезарному светилу! И наконец то смонтируем свою первую солнечную панель. Пишу это предисловие и вспоминаю свой долгий путь к солнцу, а начался он совсем не с солнечный батарей, а как не странно, это был Palm. Это такой маленький наладонный компьютер на основе Palm OS, но у меня его не было зато был (и есть) другой наладонник, КПК - Casio Be-300 и в то время я просиживал в еще скудном интернете за поиском информации как улучшить и модернизировать мой наладонник и где для него найти программы для расширение функционала. Один из сайтов сегодня заброшенный, но еще существующий запомнился своим названием - "Ладошки к солнцу" это засело в памяти и до сих пор вызывает теплое чувство ностальгии. А потом были разные компьютеры, началась эра Android и смартфонов, а потом Дзен и первые публикации в том числе и на тему солнечных батарей и фонариков: "Купил и разобрал самый дешевый светильник на солнечной батареи. Из рубрики что там внутри?"
И вот я уже четвертый год с солнечной энергетикой, и сподобился (ну наконец-то!) написать серию статей это о солнечный батареях, и своём четырех годовалом, а на самом деле куда больше, опыте. Но хватит предисловий, поехали!
Пойдем, поэт,
взорим,
вспоем
у мира в сером хламе.
Я буду солнце лить свое,
а ты — свое,
стихами.
Стихами не получится, а вот прозой - извольте!
Фотоэлектрические модули.
(солнечные модули, солнечные батареи, солнечные панели, солнечные станции)
Задача солнечных батарей преобразовать солнечный свет в электроэнергию.
Рассматривая солнечные станции мы как всегда мы будем поступать по нищебродски - экономить деньги, покупать будем самое дешёвое собирать будем все сами и постепенно будем усложнять конструкцию это позволит нам вкладывать средства частями и растянуть траты на продолжительный срок. В итоге будет ли дешевле? Сильно сомневаюсь, возможно, но на совсем мизерную сумму, зато будет интересно и познавательно. А вы дорогой читатель сможете воспользоваться текстом данной статьи и не наступить на мои "грабли". На канале уже были статьи посвящённые солнечным панелям:
Но прежде чем обратится к нашим техногенным солнечным модулям вспомним ну или посмотрим, а как там дела у наших зеленых братьев, не в смысле зелёненьких галлюцинаторных человечков с летающими тарелками и всяких чертиков, а в смысле фотосинтерезующих растений.
Эффективность фотосинтеза.
Эффективность фотосинтеза — доля световой энергии, преобразуемая организмами в химическую в процессе фотосинтеза. Фотосинтез можно упрощённо описать с помощью химической реакции:
6Н2О + 6CO2 + энергия → C6H12O6 + 6О2
Теоретический максимальный КПД преобразования солнечной энергии составляет приблизительно 11 % (на деле еще меньше и от 3 до 6 % суммарной солнечной радиации). Этому процессу посвящена целая статья на Википедии, можете почитать это довольно интересно.
Запомним КПД в живой природе (это не совсем тот КПД, так как C6H12O6 это глюкоза, но тем не менее) максимум 11%
Вернемся к солнечным панелям.
Стандартная солнечная панель представляет собой пластины из кремния, расположенные на плоскости под определенным углом. В пластинах происходит процесс трансформации световой энергии. Для защиты кремниевых элементов используют прозрачную поверхность, часто закаленное стекло, оно отличается особой прочностью и повышенной прозрачностью за счет уменьшенного содержания оксидов железа. Далее мы рассматривали какие бывают кремневые солнечные панели:
Кремневые (мы рассматриваем только кремневые)
- Амфорный кремний (пленочные)
Получаются путем напыления или осаждения кремния, отсюда можно формировать гибкие пленки. Долгий срок службы, около 25 лет. Невысокий процент КПД около 12%. Лучшая производительность наравне с другими панелями при рассеянном солнечном свете.
- Монокристаллические
Специально выращенные кристаллы как для микросхем или, например процессоров. Поэтому они дорогие! Но чистые и еще именно поэтому у них самый высокий КПД, до 25%. И длительный срок эксплуатации с минимальным процентом деградации (около 5% за 25 лет).
- Поликристаллические
Состоят из нескольких кристаллов. Дешевые. КПД около 18%.
Про КПД
Вот это да, от 12% до 25% КПД! Мы обогнали природу (11%) и вышли на новый уровень! Мы крутые! Не совсем так, электричество это конечно энергия, но при его использовании у нас опять будут потери. Судите сами КПД солнечной батареи, затем аккумулятор, затем инвертер, затем сам прибор и только готовый продукт например в виде холода или тепла или вращения двигателя - сколько потерь! Но это совершенно отдельная тема, и мы к ней обязательно вернёмся в отдельной статье, скажу только, кратко, опять мы возвращаемся в прошлое! Вперед в прошлое, во времена Тесла и "воины стандартов и токов", так у меня отдельная линия постоянного тока (DC) и например бескомпрессорный холодильник, но дальше в отдельной статье, подписывайтесь.
Амфорный кремний
В дешевых фонариках используется амфорный кремний нанесенный методом напыления
Панель из аморфного кремния.
Ниже видно как это все выглядит, видно напыление
Последовательное соединение батарей
Подробнее было в статье: "Купил и разобрал самый дешевый светильник на солнечной батареи. Из рубрики что там внутри?"
Монокристаллический кремний.
Довольно редко применяется - дорого! Так как сделать один монокристалл сложно. Чаще мы имеем дело с поликристаллами.
Поликристаллический кремний
На самом деле понятия тут довольно расплывчатые так любая панель собранная из отдельных монокристаллических панелей на деле будет поликристаллической или вернее поли-моно-кристаллической. А вот панели из монокристаллического кремния в практическом плане
Структура солнечной панели говорит о том что она изготовлена из поликристаллического кремния. Стоимость средняя и КПД средний, достигает 18% (лучше монокристаллическая панель КПД до 25%). Разброс параметров может быть большим так как в дело идут отходы производства от промышленных солнечных панелей, но зато снижается цена.
Статьи и видео на канале про эти панели:
О покрытии
Покрытия может быть нескольких видов
1) Его может не быть вовсе, как в дешманском фонарике (см. выше) на подложку из стекла нанесен кремний и все - и покрытия и подложка это все то же самое и является одной сущностью.
2) Органическое - типа гибкой прозрачной массы (пластик и пластмасса). Всем хороша, дешева, но со временем деградирует. УФ фильтры дороги и китайцы, да не только китайцы на них экономят. А еще почему то на силиконоподобных покрытиях любят развиваться всякие микроорганизмы типа водорослей и грибков.
3) Закаленное стекло - самое лучшее покрыты, именно так собраны все более менее нормальные панели.
Соединения солнечных панелей
Если у вас солнечных панелей больше чем одна может быть несколько вариантов соединения.
Варианты соединения солнечных панелей между собой:
- последовательное;
- параллельное;
- комбинированное (последовательное - параллельное).
Последовательное соединение солнечных панелей.
При последовательном соединении солнечных панелей важно что бы все они имели одинаковое номинальное значение силы тока, напряжение может быть разное и суммируется, а сила тока будет равна силе тока самой самой слаботочной панели.
Напряжение складывается, а сила тока остается прежней или равна силе тока самой слаботочной панели (если сила тока панелей различается).
Фото с последовательным соединением солнечных модулей от фонариков.
Параллельное соединение солнечных панелей.
При параллельном соединении солнечных панелей важно, чтобы все они имели одинаковое значение напряжения, но не обязательно, чтобы они имели одинаковое значение силы тока.
Выходное напряжение останется прежним, а сила тока складывается.
Комбинированное (последовательное - параллельное).
Самое сложное это комбинированное соединение нужно считать в каждом конкретном случае. Общие правило такое. Напряжение установится где-то в промежутке между самым низким и самым высоким, а токи должны складываться.
Вывод.
Допустимо соединение солнечных панелей:
- Последовательно - с одинаковым рабочим током (I)
- Параллельно - с одинаковым рабочим напряжением (U)
- Комбинировано - все зависит от каждого конкретного случая.
Диоды
Диод - полупроводниковый прибор, пропускающий ток в одном направление и не пропускающий ток в обратном. Есть различные типы диодов по назначению.
Диод выводы.
Как известно, традиционно, ток течет от плюса к минусу (на самом деле не так, но не будем зацикливаться) именно в этом направлении и пропускает диод ток, в обратном направлении - диод ток не пропускает.
По характеру работы диоды для солнечных батарей можно разделить на:
- шунтирующие диоды;
- блокирующие диоды.
Шунтирующие диоды.
Из название понятно что диод представляет собой шунт - дополнительную перемычку по которой в некоторых случая пойдет ток, а вот в каких давайте разберемся.
Проблема «Черного пятна».
При последовательно соединении образуется цепь солнечных батарей (или элементов) при затенении одного из элементов снижается ЭДС, а сопротивление элемента возрастает в конечном итоге повышенное сопротивление приводит к нагреву и в конечном итоге перегретая ячейка выходит из строя. Для предотвращения этого нежелательного эффекта каждую фотоэлектрическую ячейку нужно шунтировать диодом. Как правило шунтирующие диоды уже есть внутри солнечных батарей, могут встречаться солнечные батареи и без шунтирующих диодов, однако это большая редкость.
Диод 10a10
Так два диода 10a10 уже встроены в солнечную панель "Восток ФСМ 100 М3"
Обозначение: диодов:
10a10
KP
Этот диод относится к диодам общего назначения, выпрямляющие токи в цепях до 10А с напряжением 50В – 1000В.
- Максимальное постоянное обратное напряжение, Vr (В)1000
- Максимальный (средний) прямой ток на диод, If(AV) (А)10
- Максимальное падение напряжения на открытом диоде при прямом токе 10А (Vf): 1.1В
Итак, мы выяснили, диоды нужно ставить лишь в одном случае, когда параллельно соединены три и более солнечных батареи или группы солнечных батарей.
Чуть-чуть практики.
Ну вот теперь мы смело (на самом деле нет) можем переходит к нашим панелям. В своей солнечной электростанции я использовал панели двух типов, почему двух? Ну так вышло... Пытался сэкономить и вообще не знал что лучше. Сначала я купил Восток ФСМ 100 М3 одну панель и просто бросил ее на свою шиферную крышу веранды, вот так.
Собрал солнечную электростанцию с самым дешевым PWM контроллером, вот таким
Если кому интересно, вот паспорт с настройками, но я планирую отдельную статью про контроллеры.
И одной стартерной АКБ
И это заработало! От всего этого я запитал свой модем, роутер и все это работало, но захотелось большего! И я купил подобную вторую солнечную панель Восток ФСМ 100 М3. Таким образом у меня стало две солнечные панели ВостокФСМ100М3 Х 2 и теперь самое время опять уйти в теорию, обратится к их характеристикам, но прежде рассмотрим общие данные и ВАХ.
ВАХ какой кремний! Или Вольт Амперная Характеристика солнечных модулей.
Солнечные батареи имеют свою ВАХ (Вольт Амперную Характеристику)
Обозначения
- Напряжением холостого хода (Voc) - напряжение, при котором ток равен 0
- Ток короткого замыкания (Isc) - ток, при котором напряжение равно 0
- Точка максимальной мощности (MPP) - оптимальное значением когда ток (Imp) и напряжение (Ump) являются наибольшими, а значит и мощность (Pmax) наибольшая
- Imp - номинальное ток или ток в точке максимальной мощности, или ток при пиковой мощности
- Ump - номинальное напряжение или напряжение в точке максимальной мощности (Ump)
- Pmax - мощность (Pmax = Imp х Ump)
Эти знания нам понадобятся для того что бы понимать параметры солнечных модулей и понимать, что такое MPPT в дальнейшем. Именно точку MPP и ищет MPPT контроллер в каждом конкретном случае.
Восток ФСМ 100 М3, параметры.
Упаковка
Солнечная панель Восток PRO 100М3
Общие параметры
- Тип - Монокристалл;
- Общее кол-во элементов - 36;
- Количество диодов, шт - 2;
- Коннекторы - MC4;
- Длина кабеля - 900 мм;
- Сечение кабеля - 4 мм².
Электрические параметры
- Мощность (Pmax) - 100 Вт;
- Допуск по мощности, +3%, Ток КЗ (Isc) - 5.24A;
- Напряжение холостого хода (Uoc), 24.7В;
- Ток в точке максимальной мощности (Imp) - 4.96А;
- Напряжение в точке максимальной мощности (Ump) - 20.2В;
- КПД модуля - 19.38%;
- Номинальное напряжение - 12В;
- Максимальное напряжение системы -1000В;
- Максимальный номинал последовательного предохранителя - 10А;
- Температура эксплуатации от -40 °С до 85С;
- Снеговая нагрузка - 5400 Па, Ветровая нагрузка - 2400 Па.
Вот подробнее Восток ФСМ 100 М3
Так как у меня есть солнечный модуль Восток ФСМ 150 М10 приведу его краткие характеристики тут
Восток ФСМ 150 М10
Характеристики.
- Мощность (Pmax), Вт - 150
- Напряжение в точке максимальной мощности (Ump), В 22,84
- Напряжение холостого хода (Voc), В 27,2
- Ток короткого замыкания (Isc), A - 6.97
- Ток в точке максимальной мощности, ток при пиковой мощности (Imp), А 6.57
- КПД модуля, % 20,69
- Максимальное напряжение в системе (VDC) - 1000
Размещение солнечных модулей.
Размещать солнечные панели для наиболее эффективной выработки нужно не абы как, а с умом, ориентируясь на широту и в направлении юга.
Ориентация по сторонам света.
Солнечные модули должны размещаются лицевой стороной на юг с отклонением на восток не больше 20 градусов, а на запад не более 30 градусов. Если отклонения будут больше, то фотоэлектрические солнечные панели будут работать менее эффективно. Понятно, что вписаться в эти параметры иногда очень затруднительно, так как дом уже стоит и уже сориентирован по сторонам света по своим законам, имеет свою, определённую геометрию крыши с определенным наклоном. Все это значительно отличается от оптимальных условий, исходя из этого панели могут быть сориентированы на южную и северную стороны и будут давать максимальную мощность в разные промежутки времени. В каждом конкретном случае важен индивидуальный подход.
Наклон панелей.
Он рассчитывается исходя из условий, в которых будет эксплуатироваться солнечная батарея и зависит от географической широты (для Санкт- Петербурга это 59°):
- Если система будет эксплуатироваться круглый год, то угол наклона по отношению к горизонту должен равняться географической широте (для Санкт- Петербурга это 59°)
- При эксплуатация в летнее время, то есть с апреля до октября, рекомендуемый угол наклона будет равен географической широте за минусом 15 градусов (для Санкт- Петербурга это 44°)
- Если же система будет эксплуатироваться только зимой, то угол наклона должен равняться географической широте плюс 15 градусов (для Санкт- Петербурга это 74°)
Еще я видел вот такую таблицу
По этой таблице угол наклона для Санкт- Петербурга будет 59°+20° = 79° По мне это очень много!
Или вот еще информация с сайта NASA. Среднемесячные значения солнечного излучения на наклонную поверхность с учетом атмосферных явлений, усредненные данные за 22 года. Единица измерения энергии кВт*ч/м2/день
Для Санкт-Петербурга (Lat 59.933 Lon 30.317)
Месяцы -------------------- Jan-Feb-Mar- Apr-May-Jun-Jul- Aug-Sep-Oct- Nov-Dec
Угол наклона панели 44°: 0.99 2.16 3.46 4.56 5.27 5.31 5.18 4.58 3.34 2.08 1.30 0.73
Угол наклона панели 59°: 1.09 2.29 3.49 4.36 4.85 4.81 4.72 4.31 3.29 2.15 1.42 0.82
Угол наклона панели 74°: 1.13 2.29 3.35 3.97 4.30 4.21 4.15 3.88 3.09 2.12 1.46 0.86
Вот так правильней в виде таблицы
Простейший код на Phyton
import matplotlib.pyplot as plt
months = ['Январь', 'Февраль', 'Март', 'Апрель', 'Май', 'Июнь', 'Июль', 'Август', 'Сентябрь', 'Октябрь', 'Ноябрь', 'Декабрь']
tilt_44 = [0.99, 2.16, 3.46, 4.56, 5.27, 5.31, 5.18, 4.58, 3.34, 2.08, 1.30, 0.73]
tilt_59 = [1.09, 2.29, 3.49, 4.36, 4.85, 4.81, 4.72, 4.31, 3.29, 2.15, 1.42, 0.82]
tilt_74 = [1.13, 2.29, 3.35, 3.97, 4.30, 4.21, 4.15, 3.88, 3.09, 2.12, 1.46, 0.86]
plt.plot(months, tilt_44, label='Угол наклона панели 44°', marker='o')
plt.plot(months, tilt_59, label='Угол наклона панели 59°', marker='o')
plt.plot(months, tilt_74, label='Угол наклона панели 74°', marker='o')
plt.xlabel('Месяцы')
plt.ylabel('Среднемесячные значения солнечного излучения')
plt.title('Угол наклона панели')
plt.legend()
plt.grid(True)
plt.show()
Исходя из этой таблицы оптимальный угол наклона солнечной панели будет 44° практически при любом времени года.
Обозначении на компасе или программе
Где:
- S - South - Юг
- N - North - Север
- W - West - Запад
- E - East - Восток
- NW - NorthWest - Северо-запад
- NE - NorthEast - Северо-восток
- SW - SouthWest - Юго-запад
- SE - SouthEast - Юго-восток
Обозначение на картах, на компасе, в приложении NL, EL, где
- NL - North Latitude - Северная широта
- EL - East Longitude - Восточная долгота
Инструменты
Для точного отслеживания наклона купил вот такой электронный угломер магнитный (уровень цифровой строительный),
А вдогонку и лазерную рулетку, дальномер.
Я выставил нечто среднее между двумя крышами, почти 50°
Теперь можно монтировать, и уже все смонтировано, но это будет уже в других статьях, а посему и как всегда...
Продолжение следует...
Подписывайтесь на мой канал TehnoZet-2, там много интересного! Он активно развивается! Понравилась статья, хотите продолжения - ставьте лайк, жмите палец вверх!
Пользуйтесь рубрикатором по каналу, там все по разделам: "Страничка путеводитель по каналу TehnoZet-2"
Подборки
Статьи и видео по теме.
- Заставляем работать телефон/планшет без аккумулятора.