Как рассчитать солнечные панели

Сегодня займемся расчетом нужного для домовой электростанции количества материалов, в частности, солнечных панелей и аккумуляторов. Ниже приведена таблица для широты Москвы.

Расчёт мощности солнечных батарей

Чтобы рассчитать необходимую мощность солнечных батарей нужно знать сколько энергии вы потребляете. Например если ваше потребление энергии составляет 100 кВт*ч в месяц (показания можно посмотреть по счётчику электроэнергии), то соответственно вам нужно чтобы солнечные панели вырабатывали такое количество энергии.

Сами солнечные батареи вырабатывают солнечную энергию только в светлое время суток. И выдают свою паспортную мощность только при наличие чистого неба и падении солнечных лучей под прямым углом.

При падении солнца под углами мощность и выработка электроэнергии заметно падает, и чем острее угол падения солнечных лучей тем падение мощности больше. В пасмурную погоду мощность солнечных батарей падает в 15-20 раз, даже при лёгких облачках и дымке мощность солнечных батарей падает в 2-3 раза, и это всё надо учитывать.

При расчёте лучше брать рабочее время, при котором солнечные батареи работают почти на всю мощность, равным 7 часов, это с 9 утра до 4 часов вечера. Панели конечно летом будут работать от рассвета до заката, но утром и вечером выработка будет совсем небольшая, по объёму всего 20-30% от общей дневной выработки, а 70% энергии будет вырабатываться в интервале с 9 до 16 часов. Таким образом массив панелей мощностью 1 кВт (1000 ватт) за летний солнечный день выдаст за период с 9-ти до 16-ти часов 7 кВт*ч электроэнергии, и 210 кВт*ч в месяц. Плюс ещё 3 кВт (30%) за утро и вечер, но пускай это будет запасом так-как возможна переменная облачность. И панели у нас установлены стационарно, и угол падения солнечных лучей изменяется, от этого естественно панели не будут выдавать свою мощность на 100%. Я думаю понятно что если массив панелей будет на 2 кВт, то выработка энергии будет 420 кВт*ч в месяц. А если будет одна панелька на 100 ватт, то в день она будет давать всего 700 ватт*ч энергии, а в месяц 21 кВт.

Неплохо иметь 210 кВт*ч в месяц с массива мощностью всего 1кВт, но здесь не всё так просто. Во-первых не бывает такого что все 30 дней в месяце солнечные, поэтому надо посмотреть архив погоды по региону и узнать сколько примерно пасмурных дней по месяцам. В итоге наверно 5-6 дней точно будут пасмурные, когда солнечные панели и половины электроэнергии не будут вырабатывать. Значит можно смело вычеркнуть 4 дня, и получится уже не 210кВт*ч, а 186кВт*ч. Так-же нужно понимать что весной и осенью световой день короче и облачных дней значительно больше, поэтому если вы хотите пользоваться солнечной энергией с марта по октябрь, то нужно увеличить массив солнечных батарей на 30-50% в зависимости от конкретного региона.

Угол наклона панелей зависит от места расположения электростанции

Но это ещё не всё, также есть серьёзные потери в аккумуляторах, и в преобразователей (инверторе), которые тоже надо учитывать, об этом далее. Про зиму я пока говорить не буду так-как это время совсем плачевное по выработке электроэнергии, и тут когда неделями нет солнца, уже никакой массив солнечных батарей не поможет, и нужно будет или питаться от сети в такие периоды, или ставить бензогенератор. Хорошо помогает также установка ветрогенератора, зимой он становится основным источником выработки электроэнергии, но если конечно в вашем регионе ветренные зимы, и ветрогенератор достаточной мощности.

Расчет солнечных панелей – порядок действий

Вычисляем необходимую потребителю мощность приборов

Для начала необходимо рассчитать точное количество приборов, которые нужно обеспечить электроэнергией  с учетом энергопотребления каждого из них. Сюда могут входить бытовая техника (холодильник, телевизор, стиральная машина, микроволновка, утюг, электрочайник и другая мелкая бытовая техника),  компьютерная техника, системы освещения, бойлеры, котлы, насосы, газонокосилки, снегоуборочная техника и т.п. Для этого либо анализируем и усредняем среднесуточные показатели электросчетчика, либо просто складываем все мощности приборов, которые будут работать при помощи солнечных батарей. Это можно сделать согласно инструкции на приборах или найти информацию по усредненным значениям техники в специальной литературе или интернете.

Если вы решили установить солнечные батареи, при подсчете мощности всех приборов обязательно нужно учесть потери, которые составляют примерно 20%. К примеру,  если потребляемая суточная мощность приборов составляет 5 кВт/ч, то общее среднесуточное потребление с учетом потерь составит: 5 х 1,2 = 6 (кВт/ч). Такой запас энергии понадобится нам в сутки для бесперебойной работы всех приборов.

Рассчитываем необходимую  емкость аккумулятора солнечных панелей

Это можно изобразить такой упрощенной формулой с условными обозначениями: Е = М/Н, где Е – емкость АКБ солнечных панелей, М – потребляемая приборами мощность, Н – напряжение сети. В нашем примере при напряжении 12В получим:

Е = 6кВт/12В =  500 (А/ч).

Выясняем коэффициент инсоляции или месячный уровень радиации

Коэффициенат зависит от региона/города проживания. Это открытая информация, которую несложно найти в интернете и справочниках. К примеру, в Харькове среднегодовой коэффициент уровня радиации составляет 3,49 кВт/ч/м²,  минимальное его значение  в декабре – 0,93 кВт/ч/м²/день, а максимальное в июне – 5,89 кВт/ч/м²/день. А в Одессе среднегодовой показатель – 3,41 кВт/ч/м²,минимум  в декабре  – 0,87 кВт/ч/м²/день, максимум  в июле – 6,39 кВт/ч/м²/день.

Рассчитываем дневную производительность выбранной солнечной батареи

Чтобы рассчитать, сколько солнечных батарей нужно для дома или квартиры, используем формулу: П = К х S x КПД, где П – производительность одной батареи, К – коэффициент инсоляции (уровня радиации),  S – площадь одной батареи, КПД – эффективность батареи в процентах. Рассмотрим на практике. К примеру, для батареи мощностью 250 Вт, площадью 2 м² и с эффективностью (КПД) 15% мы получим:

Среднесуточная производительность, Харьков:

годовая: 3,49 кВт/ч/м²  х 2м²  х 0,15 = 1,047 кВт;

мах: 5,89 кВт/ч/м²  х 2м²  х 0,15 = 1,767 кВт;

мin: 0,93 кВт/ч/м²  х 2м²  х 0,15 = 0,279 кВт.

Среднесуточная производительность, Одесса:

годовая: 3,41 кВт/ч/м²  х 2м²  х 0,15 = 1,023 кВт;

мах: 6,39 кВт/ч/м²  х 2м²  х 0,15 = 1,917 кВт;

мin: 0,87 кВт/ч/м²  х 2м²  х 0,15 = 0,261 кВт.

Рассчитываем необходимое количество солнечных панелей

Это можно сделать по следующей формуле: С = М/П, С – необходимое количество  солнечных панелей, М – потребляемая приборами мощность (ее мы уже определили выше), а П – производительность одной солнечной батареи.

В наших примерах получим:

Для Харькова:

мах: 6 кВт/ч / 1,767 кВт = 3 батареи

мin: 6 кВт/ч / 0, 279 кВт = 22 батареи

Для Одессы:

мах: 6 кВт/ч / 1,917 кВт = 3 батареи

мin: 6 кВт/ч / 0, 261 кВт = 23 батареи

Расчёт ёмкости аккумуляторной батареи для солнечных панелей

Примерно так выглядит солнечная электростанция внутри дома Ещё один пример установленных аккумуляторов и универсального контроллера для солнечных батарей:

Самый минимальный запас ёмкости аккумуляторов, который просто необходим должен быть такой чтобы пережить тёмное время суток. Например если у вас с вечера и до утра потребляется 3 кВт*ч энергии, то в аккумуляторах должен быть такой запас энергии. Если аккумулятор 12 вольт 200 А/ч, то энергии в нём поместиться 12*200=2400 ватт (2,4 кВт).

Но аккумуляторы нельзя разряжать на 100%. Специализированные АКБ можно разряжать максимум до 70%, если больше то они быстро деградируют. Если вы устанавливаете обычные автомобильные АКБ, то их можно разряжать максимум на 50%.

Вывод! Нужно ставить аккумуляторов в два раза больше чем требуется, иначе их придётся менять каждый год или даже раньше.

Оптимальный запас ёмкости АКБ это суточный запас энергии в аккумуляторах. Например если у вас суточное потребление 10 кВт*ч, то рабочая ёмкость АКБ должна быть именно такой. Тогда вы без проблем сможете переживать 1-2 пасмурных дня, без перебоев. При этом в обычные дни в течение суток аккумуляторы будут разряжаться всего на 20-30%, и это продлит их недолгую жизнь.

Ещё одна немаловажная делать это КПД свинцово-кислотных аккумуляторов, который равен примерно 80%. То-есть аккумулятор при полном заряде берёт на 20% больше энергии чем потом сможет отдать. КПД зависит от тока заряда и разряда, и чем больше токи заряда и разряда тем ниже КПД. Например если у вас аккумулятор на 200 Ач, и вы через инвертор подключаете электрический чайник на 2 кВт, то напряжение на АКБ резко упадёт, так-как ток разряда АКБ будет около 250 Ампер, и КПД отдачи энергии упадёт до 40-50%. Также если заряжать АКБ большим током, то КПД будет резко снижаться.

Также инвертор (преобразователь энергии 12/24/48 в 220 в) имеет КПД 70-80%. Учитывая потери полученной от солнечных батарей энергии в аккумуляторах, и на преобразовании постоянного напряжения в переменное 220в, общие потери составят порядка 40%. Это значит что запас ёмкости аккумуляторов нужно увеличивать на 40%, и так-же увеличивать массив солнечных батарей на 40%, чтобы компенсировать эти потери.

Но и это ещё не все потери. Существует два типа контроллеров заряда аккумуляторов от солнечных батарей, и без них не обойтись. PWM(ШИМ) контроллеры более простые и дешёвые, они не могут трансформировать энергию, и потому солнечные панели не могут отдать а АКБ всю свою мощность, максимум 80% от паспортной мощности. А вот MPPT контроллеры отслеживают точку максимальной мощности и преобразуют энергию снижая напряжение и увеличивая ток зарядки, в итоге увеличивают отдачу солнечных батарей до 99%. Поэтому если вы ставите более дешёвый PWM контроллер, то увеличивайте массив солнечных батарей ещё на 20%.

Что учитывать при расчете солнечных батарей

Прежде чем рассчитать солнечные панели для дома или квартиры, нужно определиться с задачей. А именно, будут ли использоваться солнечные панели только для резервного питания, как дополнительный источник энергии или полностью должны обеспечить потребности объекта в электрической энергии. Затем надо определить суммарную мощность приборов, которые нуждаются в стабильной и бесперебойной поставке электроэнергии, генерируемой солнечными батареями. Важно запомнить, что существует прямо пропорциональная зависимость потребляемой приборами мощности «на выходе» и продолжительности их работы с увеличением емкости массива АКБ, мощности инверторов и, в конечном итоге, стоимости всей гелиоустановки.

Расчёт солнечных батарей для частного дома или дачи

Если вы не знаете ваше потребление и только планируете скажем запитать дачу от солнечных батарей, то потребление считается достаточно просто. Например у вас на даче будет работать холодильник, который по паспорту потребляет 370кВт*ч в год, значит в месяц он будет потреблять всего 30.8 кВт *ч энергии, а в день 1.02 кВт*ч. Также свет, например лампочки у вас энергосберегающие скажем по 12 ватт каждая, их 5 штук и светят они в среднем по 5 часов в сутки. Это значит что в сутки ваш свет будет потреблять 12*5*5=300 ватт*ч энергии, а за месяц «нагорит» 9 кВт*ч. Также можно почитать потребление насоса, телевизора и всего другого что у вас есть, сложить всё и получится ваше суточное потребление энергии, а там умножить на месяц и получится некая примерная цифра.

По расчетам количество получилось таким, что панели даже не всю крышу заняли

Например у вас получилось в месяц 70 кВт*ч энергии, прибавляем 40% энергии, которая будет теряться в АКБ, инверторе и пр. Значит нам нужно чтобы солнечные панели вырабатывали примерно 100 кВт*ч. Это значит 100:30:7=0,476 кВт. Получается нужен массив батарей мощностью 0,5 кВт. Но такого массива батарей будет хватать только летом, даже весной и осенью при пасмурных днях будут перебои с электричеством, поэтому надо увеличивать массив батарей в два раза.

В итоге вышеизложенного в вкратце расчёт количества солнечных батарей выглядит так:прибавить ещё 20% если у вас будет PWM контроллер, если MPPT то не нужно</li> Пример: Потребление частного дом 300 кВт*ч в месяц, разделим на 30 дней = 7 кВт, разделим 10кВт на 7 часов, получится 1,42 кВт. Прибавим к этой цифре 40% потерь на АКБ и в инверторе, 1,42+0,568=1988 ватт.

Для питания частного дома в летнее время нужен массив в 2 кВт.

Но чтобы даже весной и осенью получать достаточно энергии лучше увеличить массив на 50%, то-есть ещё плюс 1кВт. А зимой в продолжительные пасмурные периоды использовать или бензогенератор, или установить ветрогенератор мощностью не менее 2кВт. Более конкретно можно рассчитать основываясь на данных архива погоды по региону. Используемые источники:

www.e-veterok.ru, solarpanel.today