Альтернативная энергетика становится все популярнее и уже уверенно занимает свою нишу в производстве электроэнергии. Не исключение и энергетика солнечная. В этой статье мы выясним мощность солнечной батареи на 1 кв. метр, а заодно сделаем расчет солнечной электростанции для частного дома.
Мощность разных видов солнечных панелей на квадратный метр
Прежде чем заняться расчетом мощности солнечной батареи, определимся со следующим:
- температура окружающей среды +25 °С;
- панель ориентирована на солнце, его лучи падают на панель под прямым углом;
- ни одна из ячеек панели не затенена;
- на улице ясная безоблачная погода.
В этом случае на 1 м2 панели поступает 1 киловатт (кВт) солнечной энергии. Мощность солнечной панели мы будем рассчитывать в ваттах (Вт).
Именно при таких условиях производитель оценивает мощность своих солнечных батарей, которую сообщает в характеристиках. В некоторых случаях в дополнение он указывает КПД фотоэлемента.
Теперь перейдем к расчетам мощности. Она будет зависеть в первую очередь от типа солнечной панели и технологии ее изготовления. Существует 3 основных разновидности солнечных панелей.
Монокристаллические. Каждая ячейка таких батарей представляет собой тонкий поперечный срез цельного кристалла кремния, выращенного до нужных размеров искусственно. КПД панели этого типа составляет 17-22%. Срок службы – не менее 25 лет. Отличить монокристаллическую батарею можно по черному цвету ячеек.
Поликристаллические. Каждая ячейка такой панели изготавливается из расплава кремния, содержащего большое количество кристаллов, ориентированных в одной плоскости. Это существенно снижает стоимость изготовления, но и КПД такой системы меньше – 12-18%. Срок службы тот же – 25 лет. Отличить поликристаллическую панель можно по синему цвету.
Аморфные. Еще их называют пленочными. Представляют собой тонкие пленки аморфного кремния, напыленные на пластиковую, стеклянную или металлическую подложку. Аморфные фотоэлементы еще дешевле и проще в изготовлении и, что примечательно, могут быть гибкими. Насчитывают три поколения. Первое имеет КПД 5% и срок службы порядка 10 лет. КПД второго уже 8%, третьего – 12%, а срок службы увеличился до 15-20 лет.
Любопытно. В 2013 году компания Sharp создала трехслойный фотоэлемент размером 4×4 мм на индиево-галлий-арсенидной основе с КПД 44,4%. Технология его изготовления слишком сложная и дорогая. До серийного производства дело пока так и не дошло.
Рассчитываем мощность
Зная количество солнечной энергии, падающей на квадратный метр панели, и ее КПД, нетрудно рассчитать мощность системы.
- Для монокристаллической. Мощность на 1 м² – 1 000 Вт / 100*17-22% = 170-220 Вт на м².
- Для поликристаллической. Мощность на 1 м² – 1 000 Вт / 100*12-18% = 120-180 Вт на м².
- Для аморфной. Мощность на 1 м² – 1 000 Вт / 100*5-12% = 50-120 Вт на м² в зависимости от поколения.
От чего зависит реальная отдаваемая мощность
Мощность солнечных панелей, рассчитанная нами выше, – лишь теория. На практике же она зависит от многих факторов. Основной из них – освещенность. Под прямым углом лучи падают на фотоэлементы лишь в определенный непродолжительный промежуток времени – солнце ведь движется, его азимут меняется.
Исключение составляют только автоматические системы, следящие за азимутом и изменяющие угол наклона солнечных панелей. Зависимость производимой мощности от угла падения лучей существенная и может составлять 20-30% от максимальной.
Кроме того, утром и вечером за счет преломления в атмосфере и отражения от нее лучей энергия, «добирающаяся» к нам от солнца, ниже, чем в полдень. Та же картина наблюдается и во время облачности. В пасмурную погоду количество вырабатываемой фотоэлементом энергии падает на те же 20-30, а то и на все 50%.
Аморфные элементы за счет большого количества водорода в составе отличаются более высокой светочувствительностью, чем моно- и поликристаллические. Их эффективность в пасмурную погоду падает не так сильно.
Зависит, хоть и незначительно, количество вырабатываемой энергии и от времени года. Во-первых, изменяется склонение солнца – его высота над горизонтом. Но это можно подкорректировать изменением угла наклона фотопанели. Во-вторых, в «зимнем» полушарии лучи входят в атмосферу под более острым углом и частично отражаются.
Еще один фактор – старение. В процессе эксплуатации КПД фотоэлементов постепенно падает и к окончанию срока службы может составлять 60-75% от первоначального. Моно- и поликристаллические конструкции теряют КПД со скоростью примерно 1% в год, аморфные деградируют в 2-3 раза быстрее.
Далее – температура. В реальных условиях использования солнечные панели неизбежно нагреваются, что может вызвать падение мощности на 15-25%. Температурный коэффициент для моно- и поликристаллических элементов составляет 0.45% на 1 °С, для аморфных – 0.19 на 1 °С.
И, наконец, географическое месторасположение. Уровень солнечной инсоляции – количество падающей на поверхность Земли солнечной энергии (берется среднегодовое значение) – сильно зависит от географических координат и для каждого региона свой. Измеряется инсоляция в кВт*ч/м2. К примеру, инсоляция во Владивостоке составляет 5.5 кВт*ч/м2, а в Санкт-Петербурге – 3,6 кВт*ч/м2.
Расчет СЭС для частного дома
Теперь поговорим о том, как рассчитать параметры солнечной электростанции для питания частного дома.
Потребляемая мощность
Расчет солнечных батарей начнем с выяснения того, сколько энергии потребляет хозяйство. Переписываем все электроприборы в доме, включая лампочки, проставляем напротив каждого потребляемую мощность и время работы в течение суток. В этой же таблице указываем количество энергии, «съедаемое» каждым прибором в сутки. Это значение, измеряемое в ваттах (Вт), получаем перемножением потребляемой мощности в ваттах на время работы в сутки в часах.
Потребитель | Потребляемая мощность, Вт | Время работы в сутки, ч | Потребляемая мощность в сутки, Вт |
|---|---|---|---|
| Холодильник | 300 | 9 | 2 700 |
| Телевизор | 120 | 3 | 360 |
| Стиральная машина | 1 500 | 0.5 | 750 |
| Компьютер | 200 | 8 | 1 600 |
| Лампочки | 100 | 5 | 500 |
Складываем все потребляемые мощности и получаем: 2 700 + 360 + 750 + 1 600 + 500 = 5 910 Вт, или 5.9 кВт в сутки. Умножаем на 30 и получаем среднемесячный показатель: 5910 * 30 = 177 300 Вт, или 177.3 кВт в месяц. Добавляем 30-40%, которые «съест» инвертор, контроллер, аккумулятор. Все они имеют не 100% КПД. Плюс пусковые токи. Получаем: 177.3 + 70.9 = 248.2 кВт в месяц.
Количество вырабатываемой энергии
Прежде всего, определяемся с типом панелей. Предположим, мы выбрали монокристаллические. 1 метр квадратный такой фотопанели вырабатывает от 170 до 220 Вт. Пусть будет 170. Но это теоретический показатель. Чтобы получить реальный, учитывайте уровень солнечной инсоляции в своем регионе. Это значение легко найти через Интернет. В сети полно соответствующих калькуляторов и таблиц.
Для примера возьмем все тот же Владивосток. Уровень инсоляции этого города – 5.5 кВт*ч/м2. Рассчитываем количество энергии, вырабатываемой 1 м2 монокристаллической фотопанели в месяц, по формуле:
количество энергии = уровень инсоляции * мощность панели * количество дней
5.5 * 0.17 * 30 = 28 кВт.
Занимаемая площадь
Итак, одна монокристаллическая панель площадью 1 м² во Владивостоке выработает в месяц 28 кВт электроэнергии. Осталось рассчитать, сколько таких панелей нам понадобится, и мы узнаем занимаемую солнечной электростанцией площадь. Для этого делим потребляемую хозяйством мощность на рассчитанную вырабатываемую мощность панели: 248 / 28 = 8.85, или 9 панелей. То есть вся конструкция займет площадь 9 квадратных метров.
При расчете количества панелей учитывайте пасмурные дни. Имеет смысл увеличить количество фотопанелей на 20-30%. Итого – 12 фотопанелей и соответственно 12 квадратных метров.
Расчет окончен? Отнюдь. Мы определили количество панелей только для питания домохозяйства. Но у нас еще есть буферный аккумулятор, который будет питать дом в темное время суток. На его зарядку тоже нужна энергия. В зависимости от электрической емкости АКБ потребляемая им для зарядки мощность может колебаться в широком диапазоне. Поэтому 12 панелей нам не хватит.
Аккумулятор
Буферный аккумулятор какой емкости нам понадобится? Давайте попробуем определить. Для начала считаем, сколько энергии «съест» дом за одну ночь. Ночью будем считать период, скажем, с 20 до 8 часов (зависит от региона и времени года). Не будем повторяться, думается, расчеты вы теперь сможете сделать сами. Холодильник, вечером лампочки и телевизор, возможно, ПК – все индивидуально. И плюс все те же 40% про запас (см. выше).
Предположим, мы получили цифру 3 кВт за ночь. Один аккумулятор емкостью 100 А*ч и номинальным напряжением 12 В способен отдать 100 * 12 = 1 200 Вт энергии. Таким образом, чтобы обеспечить «ночных» потребителей, нам понадобится 3 000 / 1200 = 2.5 или 3 аккумуляторные батареи емкостью 100 А*ч. Поскольку емкость АКБ со временем падает, берем с запасом – 4 АКБ.
В пасмурный день батарея не успеет зарядиться, а то и вообще будет разряжаться, «помогая» полуосвещенной солнечной панели. Поэтому число батарей стоит увеличить в полтора, а лучше в 2 раза.
Теперь вернемся к количеству фотопанелей. Чтобы зарядить батарею емкостью 800 А*ч, понадобятся 800 * 12 = 9 600 Вт плюс 10% на КПД аккумуляторов. Это если АКБ будут полностью разряжены. Поскольку мы взяли хороший запас, такой вариант маловероятен, но, тем не менее, реален. Поэтому пусть будет 9 кВт + 10%. А дальше дело техники. Пользуясь вышеприведенной методикой, рассчитываем количество панелей, которые будут производить дополнительную энергию для зарядки буферных аккумуляторов. Только расчеты делаем не на месяц, а на половину суток – ночное время. Вопреки оптимистичным первоначальным прикидкам наша станция будет больше по площади.
Вот и все о солнечных панелях и домашней солнечной электростанции. Дело это потребует приличных вложений, но, во-первых, СЭС со временем окупится, во-вторых, выручит в случае отсутствия альтернативы.
Сейчас читают:
