Napelemek kertben és otthonban: típusok, működési elvek és számítási eljárás a napelemes rendszerekben

A tudomány olyan időt adott nekünk, amikor a napenergia felhasználási technológiája nyilvánosan elérhetővé vált.Minden tulajdonosnak lehetősége van napelemet beszerezni otthonába. A nyári lakosok nem maradnak le ebben a kérdésben. Gyakran távol vannak a fenntartható energiaellátás központosított forrásaitól.

Javasoljuk, hogy ismerkedjen meg a napelemes rendszer tervezését, működési elveit és számítási rendszerét bemutató információkkal. Az általunk kínált információk megismerése közelebb visz a valósághoz, hogy webhelyét természetes árammal látja el.

A megadott adatok egyértelmű megértése érdekében részletes diagramokat, illusztrációkat, fotó- és videós utasításokat mellékelünk.

Napelem tervezése és működési elve

Valamikor a kíváncsi elmék felfedezték számunkra a természetes anyagokat, amelyek a nap fényrészecskéi, fotonok, elektromos energia. A folyamatot fotoelektromos hatásnak nevezték. A tudósok megtanulták irányítani a mikrofizikai jelenségeket.

Félvezető anyagok alapján kompakt elektronikus eszközöket - fotocellákat - készítettek.

A gyártók elsajátították a miniatűr konverterek hatékony napelemekké való kombinálásának technológiáját. Az iparban széles körben gyártott szilícium napelem modulok hatásfoka 18-22%.

A diagram leírásából jól látható: az erőmű minden alkatrésze egyformán fontos - a rendszer összehangolt működése a hozzáértő kiválasztásától függ

A napelem akkumulátort modulokból állítják össze. Ez a fotonok Naptól a Földig tartó utazásának végső pontja. Innen a fénysugárzás ezen komponensei egyenáram részecskéiként folytatják útjukat az elektromos áramkörben.

Elosztják az akkumulátorok között, vagy 220 V feszültségű váltakozó elektromos áram töltetévé alakítják át, amely mindenféle otthoni műszaki eszközt táplál.

A napelemek sorba kapcsolt félvezető eszközök - fotocellák - komplexuma, amelyek a napenergiát elektromos energiává alakítják.

A készülék sajátosságairól és a napelem működési elvéről egy másikban talál további részleteket népszerű cikk oldalunk.

A napelem modulok típusai

A napelem-modulokat napelemekből, más néven fotoelektromos átalakítókból állítják össze. A kétféle FEP széles körben elterjedt.

Különböznek a gyártásukhoz használt szilícium-félvezető típusaiban, ezek a következők:

• Polikristályos. Ezek olvadt szilíciumból hosszú távú hűtéssel készült napelemek. Az egyszerű gyártási mód megfizethetővé teszi az árat, de a polikristályos változat termelékenysége nem haladja meg a 12%-ot.
• Monokristályos. Ezeket az elemeket úgy nyerik, hogy egy mesterségesen termesztett szilíciumkristályt vékony ostyákra vágnak. A legproduktívabb és legdrágább lehetőség. Az átlagos hatásfok 17% körül van, nagyobb teljesítményű monokristályos napelemeket találhatunk.

A polikristályos napelemek lapos, négyzet alakúak, felületük nem egyenletes. A monokristályos fajták vékony négyzeteknek tűnnek, egyenletes felületi szerkezettel, vágott sarkokkal (pszeudoszöngyök).

Így néznek ki a FEP-ek - fotovoltaikus konverterek: a napelem modul jellemzői nem függenek a felhasznált elemek típusától - ez csak a méretet és az árat befolyásolja

Az első változat azonos teljesítményű panelei az alacsonyabb hatásfok miatt nagyobbak, mint a másodiké (18% versus 22%). Átlagosan azonban tíz százalékkal olcsóbbak, és nagy a kereslet.

Megismerheti az autonóm fűtési energia ellátására szolgáló napelemek kiválasztásának szabályait és árnyalatait. olvasd el itt.

A napelemes áramellátás működésének sémája

Ha megnézzük a napelemes világítási rendszert alkotó alkatrészek titokzatosan csengő neveit, akkor az eszköz szupertechnikai összetettsége jut a fejünkbe.

A fotonélet mikroszintjén ez igaz. És vizuálisan az elektromos áramkör általános diagramja és működési elve nagyon egyszerűnek tűnik. Csak négy lépés van az égitesttől az „Iljics izzóig”.

A napelem modulok az erőművek első elemei. Ezek vékony téglalap alakú panelek, amelyeket bizonyos számú szabványos fotocella lemezből állítanak össze. A gyártók különböző elektromos teljesítményű és 12 voltos feszültségű fotópaneleket gyártanak.

A lapos alakú eszközök kényelmesen elhelyezhetők a közvetlen sugarak számára nyitott felületeken. A moduláris blokkokat kölcsönös csatlakozásokkal kombinálják napelemes akkumulátorgá. Az akkumulátor feladata a kapott napenergia átalakítása, adott értékű egyenáram előállítása.

Elektromos töltéstároló eszközök - akkumulátorok napelemekhez mindenki számára ismert. A napenergia-ellátó rendszeren belüli szerepük hagyományos. Amikor a háztartási fogyasztók egy központi hálózatra csatlakoznak, az energiatárolók tárolják az áramot.

Felhalmozzák a feleslegét is, ha a napelem modul árama elegendő az elektromos készülékek által fogyasztott teljesítmény biztosításához.

Az akkumulátorcsomag a szükséges mennyiségű energiát szolgáltatja az áramkörnek, és stabil feszültséget tart fenn, amint a fogyasztása megnövekedett értékre nő. Ugyanez történik például éjszaka, amikor a fotópanelek nem működnek, vagy gyenge napsütéses időben.

A napelemeket használó otthon energiaellátási sémája abban különbözik a kollektoros opcióktól, hogy képesek energiát tárolni az akkumulátorban

A vezérlő elektronikus közvetítő a napelem modul és az akkumulátorok között.Feladata az akkumulátorok töltöttségi szintjének szabályozása. A készülék nem engedi felforrni a túltöltés vagy az elektromos potenciál csökkenése miatt, amely a teljes napelemes rendszer stabil működéséhez szükséges egy bizonyos norma alá.

Megfordítva, így hangzik a kifejezés szó szerinti magyarázata szoláris inverter. Igen, valójában ez az egység olyan funkciót lát el, amely egykor fantasztikusnak tűnt a villamosmérnökök számára.

A napelem modul és az akkumulátorok egyenáramát 220 voltos potenciálkülönbséggel váltakozó árammá alakítja. Ez az üzemi feszültség a háztartási elektromos készülékek túlnyomó többségénél.

A napenergia áramlása arányos a lámpa helyzetével: a modulok beépítésénél jó lenne gondoskodni a dőlésszög évszaktól függő beállításáról

Csúcsterhelés és átlagos napi energiafogyasztás

A saját napelemes állomás öröme még mindig sokat ér. A napenergia hasznosításához vezető út első lépéseként meg kell határozni az optimális csúcsterhelést kilowattban és a racionális átlagos napi energiafogyasztást kilowattórában egy háztartásban vagy vidéki háznál.

A csúcsterhelést több elektromos készülék egyidejű bekapcsolásának szükségessége hozza létre, és a maximális összteljesítményük határozza meg, figyelembe véve néhányuk túlbecsült indítási jellemzőit.

A maximális energiafogyasztás kiszámítása lehetővé teszi annak azonosítását, hogy mely elektromos készülékek igényelnek egyidejű működést, és melyek nem annyira létfontosságúak. Ez a mutató az erőművi alkatrészek teljesítményjellemzőire, azaz a készülék összköltségére vonatkozik.

Egy elektromos készülék napi energiafogyasztását az egyedi teljesítmény és a hálózatról a nap folyamán eltöltött idő (fogyasztott villamos energia) szorzatával mérjük. A teljes átlagos napi energiafogyasztást az egyes fogyasztók által egy napi időszakban elfogyasztott villamos energia összegeként kell kiszámítani.

A kapott terhelési és energiafogyasztási adatok utólagos elemzése és optimalizálása biztosítja a napelemes rendszer szükséges konfigurációját és utólagos működését minimális költséggel.

Az energiafelhasználás eredménye segít racionálisan megközelíteni a napenergia-fogyasztást. A számítások eredménye fontos az akkumulátor kapacitásának további kiszámításához. A rendszer jelentős elemének számító akkumulátorcsomag ára még inkább ettől a paramétertől függ.

Az energiamutatók kiszámításának eljárása

A számítások folyamata szó szerint egy vízszintesen elhelyezett, szögletes, széthajtott jegyzetfüzetlappal kezdődik. Világos ceruzavonalakkal harminc oszlopos űrlapot kapunk a lapról, sorokat pedig a háztartási elektromos készülékek számának megfelelően.

Felkészülés az aritmetikai számításokra

Az első oszlop hagyományos - egy sorozatszám. A második oszlop az elektromos készülék neve. A harmadik az egyéni energiafogyasztás.

A 4-től huszonhétig terjedő oszlopok a nap 00-tól 24-ig tartó óráit jelentik. Ezekbe vízszintes törtvonalon keresztül a következők kerülnek be:

• a számlálóban – a készülék működési ideje egy adott órán belül decimális formában (0,0);
• a nevező ismét az egyéni teljesítményfelvétel (ez az ismétlés szükséges az óránkénti terhelések kiszámításához).

A huszonnyolcadik oszlop a háztartási készülék teljes napi működési ideje.A huszonkilencedikben - a készülék személyes energiafogyasztását úgy rögzítik, hogy az egyéni energiafogyasztást megszorozzák a napi működési idővel.

A részletes fogyasztói specifikáció elkészítése, az óránkénti terhelések figyelembevételével, a racionális használatuknak köszönhetően több szokásos eszköz megtartását segíti elő.

A harmincadik oszlop is szabványos – megjegyzés. Hasznos lesz a közbenső számításokhoz.

Fogyasztói előírások elkészítése

A számítások következő szakasza a notebook űrlap átalakítása a háztartási villamosenergia-fogyasztókra vonatkozó specifikációvá. Az első oszlop tiszta. Ide kell beírni a sorok sorszámát.

A második oszlop az energiafogyasztók neveit tartalmazza. Javasoljuk, hogy megkezdje a folyosó feltöltését elektromos készülékekkel. Az alábbiakban a többi helyiséget az óramutató járásával ellentétes vagy az óramutató járásával megegyező irányban ismertetjük (amennyire kényelmes).

Ha van egy második (stb.) emelet, az eljárás ugyanaz: a lépcsőtől - körül. Ugyanakkor nem szabad megfeledkezni a lépcsőházakban és a közvilágításról sem.

Jobb, ha kitölti a harmadik oszlopot, amely jelzi az egyes elektromos eszközök nevével szembeni teljesítményt a másodikkal együtt.

A négytől a huszonhétig terjedő oszlopok a nap minden órájának felelnek meg. A kényelem kedvéért azonnal kirajzolhatja őket vízszintes vonalakkal a vonalak közepén. A kapott vonalak felső fele számlálószerű, az alsó fele nevező.

Ezeket az oszlopokat soronként töltjük ki. A számlálók szelektíven, decimális (0,0) formátumú időintervallumok formájában vannak formázva, amely egy adott elektromos készülék üzemidejét tükrözi egy adott óránkénti időszakban. Ezzel párhuzamosan, ahol a számlálókat beírjuk, a nevezőket a készülék teljesítményének jelzőjével, a harmadik oszlopból vettük be.

Miután az összes óra oszlopot kitöltötte, folytassa az elektromos készülékek napi munkaidejének kiszámításával, soronként haladva. Az eredményeket a huszonnyolcadik oszlop megfelelő celláiban rögzítjük.

Abban az esetben, ha a naperőmű segéd szerepet tölt be, hogy a rendszer ne járjon üresen, a terhelés egy része ráköthető az állandó teljesítmény érdekében

A teljesítmény és a munkaórák alapján az összes fogyasztó napi energiafogyasztását szekvenciálisan számítják ki. A huszonkilencedik oszlop celláiban fel van tüntetve.

Ha a specifikáció összes sora és oszlopa ki van töltve, a rendszer kiszámítja az összegeket. Az óraoszlopok nevezőiből a hatványgrafikonokat összeadva megkapjuk az egyes órák terheléseit. A huszonkilencedik oszlop egyéni napi energiafogyasztását felülről lefelé összegezve megkapjuk a teljes napi átlagot.

A számítás nem tartalmazza a jövőbeni rendszer saját fogyasztását. Ezt a tényezőt a kiegészítő együttható figyelembe veszi a későbbi végső számításoknál.

A kapott adatok elemzése és optimalizálása

Ha egy naperőműből származó áramot tartalékként terveznek, az óránkénti energiafogyasztásra és a teljes átlagos napi energiafogyasztásra vonatkozó adatok segítenek minimalizálni a drága napenergia-fogyasztást.

Ezt úgy érik el, hogy az energiaigényes fogyasztókat a központi áramellátás helyreállásáig kizárják a használatból, különösen a csúcsterhelési órákban.

Ha a napelemes rendszert állandó áramforrásként tervezzük, akkor az óránkénti terhelések eredményei jönnek elő.Fontos, hogy a villamosenergia-fogyasztást úgy osszuk el a nap folyamán, hogy kiküszöböljük a túlnyomórészt magas és nagyon alacsony mélypontokat.

A csúcsterhelések kiküszöbölése, a maximális terhelések kiegyenlítése, valamint az energiafelhasználásban bekövetkező éles zuhanások kiküszöbölése az idő múlásával lehetővé teszi a napelemes rendszer elemeinek leggazdaságosabb opcióinak kiválasztását és a szolárállomás stabil, és ami a legfontosabb, problémamentes hosszú távú működését.

A grafikon megmutatja az energiafelhasználás egyenetlenségeit: feladatunk, hogy a maximumokat a legnagyobb naptevékenység idejére toljuk el, és csökkentsük a teljes napi fogyasztást, különösen éjszaka.

A bemutatott rajz egy specifikáció alapján kapott irracionális ütemezés optimálissá alakítását mutatja be. A napi fogyasztás 18-ról 12 kW/h-ra, az átlagos napi óraterhelés 750-ről 500 W-ra csökkent.

Ugyanez az optimalitási elv hasznos, ha a napelemes opciót tartalékként használjuk. Talán nem éri meg túl sok pénzt költeni a napelem modulok és akkumulátorok teljesítményének növelésére az átmeneti kellemetlenségek miatt.

Naperőmű komponensek kiválasztása

A számítások egyszerűsítése érdekében a kert fő elektromos energiaforrásaként napelemes akkumulátort használunk. A fogyasztó egy feltételes vidéki ház lesz a Ryazan régióban, ahol márciustól szeptemberig állandóan laknak.

A fentiekben közölt, az óránkénti energiafogyasztás racionális ütemezésének adataira épülő gyakorlati számítások pontosítják az okoskodást:

• Teljes átlagos napi energiafogyasztás = 12 000 watt/óra.
• Átlagos terhelési fogyasztás = 500 watt.
• Maximális terhelés 1200 watt.
• Csúcsterhelés 1200 x 1,25 = 1500 watt (+25%).

Az értékekre szükség lesz a napelemes berendezések teljes kapacitásának és egyéb működési paramétereinek kiszámításához.

A napelemes rendszer üzemi feszültségének meghatározása

Minden napelemes rendszer belső üzemi feszültsége a 12 V többszörösén alapul, ami a leggyakoribb akkumulátor-besorolás. A napelemes állomások legszélesebb körben használt alkatrészei: napelem modulok, vezérlők, inverterek 12, 24, 48 voltos népszerű feszültségekhez készülnek.

A nagyobb feszültség kisebb keresztmetszetű tápvezetékek használatát teszi lehetővé – ez pedig nagyobb érintkezési megbízhatóságot jelent. Másrészt a meghibásodott 12 V-os akkumulátorok egyenként cserélhetők.

24 V-os hálózatban az akkumulátorok működési sajátosságait figyelembe véve csak párban kell cserélni. A 48 V-os hálózathoz egy ág mind a négy elemét ki kell cserélni. Ráadásul 48 V-nál már fennáll az áramütés veszélye.

Ugyanolyan kapacitással és megközelítőleg azonos áron vásároljon a legnagyobb megengedett kisütési mélységgel és nagyobb maximális áramerősséggel rendelkező akkumulátorokat.

A rendszer belső potenciálkülönbségének névleges értékének fő megválasztása a modern ipar által gyártott inverterek teljesítményjellemzőihez kapcsolódik, és figyelembe kell venni a csúcsterhelés nagyságát:

• 3-6 kW - 48 volt,
• 1,5-3 kW - 24 vagy 48 V,
• 1,5 kW-ig – 12, 24, 48 V.

A vezetékezés megbízhatósága és az akkumulátorcsere kényelmetlensége között választva példánkban a megbízhatóságra helyezzük a hangsúlyt. Ezt követően a számított rendszer üzemi feszültségéből indulunk ki, 24 V.

Az akkumulátor felszerelése napelem modulokkal

A napelem energiaszükségletének kiszámítására szolgáló képlet a következőképpen néz ki:

Рcm = (1000 * Esut) / (k * Sin),

Ahol:

• Rcm = szoláris akkumulátor teljesítmény = napelem modulok teljes teljesítménye (panelek, W),
• 1000 = elfogadott fotovoltaikus érzékenység (kW/m²)
• Esut = napi energiafogyasztási igény (kWh, példánkban = 18),
• k = szezonális együttható az összes veszteséget figyelembe véve (nyár = 0,7; tél = 0,5),
• Syn = a besugárzás (napsugárzási fluxus) táblázatos értéke a panelek optimális dőlésénél (kW*h/m²).

Az insoláció értékét a regionális meteorológiai szolgálattól tudhatja meg.

A napelemek optimális dőlésszöge megegyezik a terület szélességével:

• tavasszal és ősszel,
• plusz 15 fok – télen,
• mínusz 15 fok – nyáron.

A példánkban vizsgált Ryazan régió az 55. szélességi fokon található.

A napelemek legnagyobb teljesítménye nyomkövető rendszerekkel, a panelek dőlésszögének szezonális változásával és vegyes berendezési modulok használatával érhető el

A márciustól szeptemberig tartó időszakban a napelem legjobb szabályozatlan dőlésszöge a föld felszínéhez viszonyított 40⁰ nyári szögnek felel meg. A modulok ilyen telepítésével a Ryazan átlagos napi besugárzása ebben az időszakban 4,73. Az összes szám megvan, számoljunk:

Rcm = 1000 * 12 / (0,7 * 4,73) ≈ 3600 watt.

Ha 100 wattos modulokat veszünk alapul a napelemhez, akkor 36 darabra lesz szükségünk. Súlyuk 300 kilogramm lesz, és körülbelül 5 x 5 méteres területet foglalnak el.

Helyszínen tesztelt kapcsolási rajzok és napelem csatlakozási lehetőségek itt vannak megadva.

Az akkumulátoros tápegység elrendezése

Az akkumulátorok kiválasztásakor a következő elveket kell követnie:

1. A normál autóakkumulátorok NEM alkalmasak erre a célra. A naperőművek akkumulátorait a „SOLAR” felirat jelöli.
2. Csak minden tekintetben azonos akkumulátort vásároljon, lehetőleg azonos gyári tételből.
3. A helyiségnek, ahol az akkumulátorcsomag található, melegnek kell lennie. Az optimális hőmérséklet, amikor az akkumulátorok teljes teljesítményt termelnek = 25⁰C. Amikor -5 ⁰C-ra csökken, az akkumulátor kapacitása 50%-kal csökken.

Ha egy reprezentatív 12 voltos, 100 amper/óra kapacitású akkumulátort veszünk számításba, könnyen kiszámolható, hogy 1200 watt összteljesítménnyel tud energiát biztosítani a fogyasztóknak egy teljes órán keresztül. De ez teljes kisüléssel történik, ami rendkívül nem kívánatos.

Az akkumulátor hosszú élettartama érdekében NEM ajánlott 70% alá csökkenteni a töltöttséget. Határérték = 50%. A 60%-os számot „arany középútnak” véve a további számításokat az akkumulátor kapacitív komponensének minden 100 Ah-jára (1200 Wh x 60%) 720 Wh energiatartalékra alapozzuk.

Talán egy 200 Ah kapacitású akkumulátor vásárlása kevesebbe kerül, mint két 100 Ah-s akkumulátor vásárlása, és az akkumulátor érintkezőinek száma csökken

Kezdetben az akkumulátorokat helyhez kötött áramforrásról 100%-ban feltöltve kell beépíteni. Az újratölthető elemeknek sötétben teljesen le kell fedniük a töltetet. Ha nem szerencsés az időjárás, tartsa fenn a szükséges rendszerparamétereket a nap folyamán.

Fontos figyelembe venni, hogy a túl sok akkumulátor az állandó alultöltéshez vezet. Ez jelentősen csökkenti az élettartamot. A legracionálisabb megoldásnak az tűnik, ha az egységet olyan akkumulátorokkal szereljük fel, amelyek energiatartaléka elegendő egy napi energiafogyasztás fedezésére.

A szükséges teljes akkumulátorkapacitás meghatározásához ossza el az 12000 Wh teljes napi energiafogyasztást 720 Wh-val, és szorozza meg 100 A*h-val:

12 000 / 720 * 100 = 2500 A*h ≈ 1600 A*h

Összesen példánkban 16 darab 100 Ah kapacitású vagy 8 db 200 Ah kapacitású akkumulátorra lesz szükségünk, sorosan párhuzamosan kapcsolva.

A jó vezérlő kiválasztása

Hozzáértő kiválasztás akkumulátor töltésvezérlő (AKB) egy nagyon specifikus feladat. Bemeneti paramétereinek meg kell felelniük a kiválasztott szolármoduloknak, a kimeneti feszültségnek pedig a szoláris rendszer belső potenciálkülönbségének (példánkban 24 volt).

Egy jó vezérlőnek biztosítania kell:

1. Többlépcsős akkumulátortöltés, amely megsokszorozza azok hatékony élettartamát.
2. Automatikus kölcsönös, akkumulátor és napelemes bekötés-leválasztás a töltés-kisülés korrelációjában.
3. A terhelés visszakapcsolása az akkumulátorról a napelemre és fordítva.

Ez a kis egység nagyon fontos elem.

Ha egyes fogyasztókat (például a világítást) a vezérlőről 12 V-os közvetlen tápellátásra kapcsolnak, kisebb teljesítményű inverterre lesz szükség, ami olcsóbb

A vezérlő helyes megválasztása meghatározza a drága akkumulátorcsomag problémamentes működését és a teljes rendszer egyensúlyát.

A legjobb inverter kiválasztása

Az invertert olyan teljesítménnyel választják ki, hogy hosszú távú csúcsterhelést biztosítson. Bemeneti feszültségének meg kell felelnie a napelemes rendszer belső potenciálkülönbségének.

A legjobb választás érdekében ajánlatos a következő paraméterekre figyelni:

1. A betáplált váltakozó áram alakja és frekvenciája. Minél közelebb van az 50 hertzes szinuszhoz, annál jobb.
2. A készülék hatékonysága. Minél magasabb a 90%, annál csodálatosabb.
3. A készülék saját fogyasztása. Arányosnak kell lennie a rendszer teljes energiafogyasztásával. Ideális esetben akár 1%.
4. Egy csomópont azon képessége, hogy ellenálljon a rövid távú kettős túlterhelésnek.

A legkiválóbb kivitel a beépített vezérlő funkcióval rendelkező inverter.

Háztartási napelemes rendszer összeszerelése

Készítettünk Önnek egy fotóválogatást, amely egyértelműen bemutatja a háztartási napelemes rendszer gyárilag gyártott modulokból történő összeszerelésének folyamatát:

Következtetések és hasznos videó a témában

Videó #1. Csináld magad bemutató napelemek ház tetejére történő felszereléséről:

2. videó. Akkumulátorok kiválasztása napelemes rendszerhez, típusok, különbségek:

3. videó. Vidéki naperőmű azoknak, akik mindent maguk csinálnak:

A megfontolt lépésről lépésre gyakorlati számítási módszerek, a modern napelem akkumulátor hatékony működésének alapelve egy otthoni autonóm napelem állomás részeként egyaránt segíti a sűrűn lakott területen lévő nagy ház és a vidéki ház tulajdonosait a vadonban, hogy energiaszuverenitást szerezzenek.

Szeretné megosztani személyes tapasztalatait, amelyeket egy mini napelemes rendszer vagy csak akkumulátorok építése során szerzett? Van olyan kérdése, amelyre választ szeretne kapni, vagy talált-e hiányosságot a szövegben? Kérjük, hagyjon megjegyzéseket az alábbi blokkban.