Устройство солнечной батареи
Планируя выполнить подключение солнечных панелей собственноручно, необходимо иметь представление, из каких элементов состоит система.
Помимо солнечного модуля, в устройство такой электростанции входят фотоэлектрические преобразователи – контроллер и инвертор, а также подключенные к ним аккумуляторыОсновными конструктивными элементами системы выступают:
- Солнечная батарея – преобразует солнечный свет в электрическую энергию.
- Аккумулятор – химический источник тока, который накапливает сгенерированную электроэнергию.
- Контроллер заряда – следит за напряжением аккумуляторов.
- Инвертор, преобразующий постоянное электрическое напряжение аккумуляторной батареи в переменное 220В, которое необходимо для функционирования системы освещения и работы бытовой техники.
- Предохранители, устанавливаемые между всеми элементами системы и защищающие систему от короткого замыкания.
- Комплект коннекторов стандарта МС4.
Помимо основного предназначения контроллера – следить за напряжением аккумуляторов, устройство по мере необходимости отключает те или иные элементы. Если показатель на клеммах аккумулятора в дневное время достигает отметки в 14 Вольт, что указывает на их перезарядку, контроллер прерывает зарядку.
В ночной период, когда показатель напряжения аккумуляторов достигает предельно низкой отметки в 11 Вольт, контроллер останавливает работу электростанции.
Виды аккумуляторов для гелиосистем
Некоторые стремятся использовать в гелиосистемах классические автомобильные аккумуляторы. Делать этого не нужно. Прежде всего потому, что у этих устройств совершенно иное назначение. Они попросту не приспособлены для длительных разрядов малыми токами, имеют значительный саморазряд и очень плохо выдерживают постоянные и продолжительные циклы разрядки/зарядки.
Поэтому для гелиостанций лучше применять солнечные батареи с аккумулятором AGM, гелевого или заливного типа.
AGM-аккумуляторы
Основу этих аккумуляторов составляют абсорбирующие стекломаты, между которыми находится электролит в связанном состоянии. Эксплуатироваться они могут в любом положении (допустим, на боку). Такие аккумуляторы очень дешевы и отличаются довольно высоким уровнем заряда. Средний срок функционирования составляет 5лет.
Кроме того, внешний аккумулятор AGM-типа имеет такие особенности, как:
- компактность;
- возможность транспортировки в заряженном состоянии;
- способность выдерживать до 800 циклов при глубине разряда 30% и до 500 при глубине разрядки до 80%;
- возможность использования в плохо вентилируемом помещении;
- быстрая зарядка (порядка 7,5ч на полное восстановление);
- оптимальные рабочие температуры 15-25°С. Однако такие аккумуляторы неплохо работают и при более низких температурах.
Данные АКБ удовлетворительно переносят недозаряд, перезаряд же быстро приводит к их выходу из строя. Но оставлять их в разряженном состоянии крайне не рекомендуется.
Гелевые аккумуляторы
Благодаря особой желеобразной консистенции электролита такие устройства также могут работать в любом положении. Роль разделителя свинцовых пластин играет силикагель, в порах которого и удерживается гелевый электролит. Поскольку силикагель полностью заполняет все пространство между электродами, их осыпание практически полностью исключено. А значит, невозможно и закорачивание.
Более того, за счет такой конструкции гелевые АКБ гораздо устойчивее к глубоким, 100%-ным, разрядкам и выдерживают значительное число циклов. В среднем рабочая цикличность данных АКБ на 50% AGM-батарей с аналогичными параметрами. Соответственно, и цена их несколько выше.
Таким образом, гелевые аккумуляторы дороже, но экономичнее и рациональнее в эксплуатации, а кроме того, они не нуждаются в регулярном обслуживании и могут оставаться 100%-разряженными на протяжении нескольких дней. А за счет малого саморазряда в них теряется минимум энергии.
Заливные (OPzS) аккумуляторы
В этих АКБ используется жидкий электролит. Они практически не требуют обслуживания (уровень электролита контролируется, как правило, лишь раз в год). Такие устройства специально разработаны для разрядки небольшими токами и способны выдерживать очень большое количество глубоких циклов разрядки/зарядки. Однако они довольно дороги. Использовать их лучше в мощных солнечных системах.
Несмотря на всю ответственность выбора АКБ для солнечных систем, при наличии необходимых знаний сделать это не так уж сложно.
Разновидности
Свинцово-кислотные
Обычные свинцово-кислотные аккумуляторы Их чаще всего используют в автомашинах. Они самые недолговечные – срок их работы — 2-4 года. И хотя их иногда используют в гелиосистемах, они не очень подходят для работы в системах электроснабжения на солнечных батареях, т.к. не рассчитаны на цикличный режим работы.AGM аккумулятор Один из наиболее дешевых вариантов, подходящих для систем с солнечными батареями. Из минусов – небольшой срок работы — 5-6 лет. Чувствителен к превышению напряжения заряда. Может работать, будучи заряженным не до конца, но полностью противопоказан перезаряд.
Гелевый аккумулятор Аккумулятор, в котором в качестве электролита используется кислота в форме геля.
Преимущества:
Устройство гелевого аккумулятора. (Нажмите для увеличения) нет необходимости менять электролиты;
- хорошо выдерживает мороз до 45 градусов;
- он более долговечен — время работы может доходить до 15 лет;
- самый экологичный вариант- устройство, не выбрасывающее вредные вещества в окружающую среду.
Гелевые аккумуляторы более дорогие, но удобнее в обслуживании.
Аккумулятор OPzV с использованием жидкого электролита Раз в год нужно проверять уровень жидкости, и при потребности – доливать. Большое количество циклов сохраняет работоспособность, срок службы больше, чем у гелевого. Повышенная устойчивость к глубокому разряду.
Используется чаще в профессиональных системах из-за своей высокой стоимости.
Щелочные
Вместо кислоты в них используется щелочь.
Их минусы:
- их нужно регулярно проверять на уровень электролита и необходимость в доливе дистиллированной воды;
- тяжелый вес и громоздкость;
- когда они заряжаются, при выкипании выделяют водород, поэтому должны стоять в проветриваемом помещении;
- очень маленькое напряжение.
Плюсы:
- лучше, чем кислотные, выдерживают глубокие разряды и цикличность работы;
- долгий срок службы – в среднем больше 15 лет.
Батареи со встроенными элементами питания
Этот тип батарей хорошо подходят для подзарядки небольшой техники – такой, как айфоны и айпады, мобильные телефоны, смартфоны, аудиоплееры, фотоаппаратура и видеокамеры. (В этой статье Вы можете прочитать о солнечной батарее для зарядки ноутбука.) В работе используется литиевый аккумулятор, накапливающий солнечную энергию с помощью специальных панелей. Все вместе это заключено в пластик.
Подобные батареи замечательно подходят для походов и путешествий, позволяя технике работать без подзарядки в течение 10-12 часов. Обычно этого достаточно для комфортного использования любых гаджетов и устройств в походных условиях
Создание системы аккумуляторов
Создание системы аккумуляторов способно решить такую проблему как недостаток энергии. Емкость одного аккумулятора может оказаться слишком малой для обслуживания всего дома
Важно учитывать, что это возможно только при наличии достаточного количества солнечных панелей, которые смогут обеспечить вас электроэнергией, необходимой для потребления
Объединить АКБ в блок можно такими способами:
- параллельно;
- последовательно;
- сочетанием этих способов.
Схема подключения создается в соответствии с необходимыми показателями напряжения и мощности на выходе. Аккумуляторы для солнечных батарей устанавливают с учетом параметров эксплуатации, указанных в инструкции устройств, чтобы добиться максимального КПД и обеспечить наиболее длительный срок службы.
Приборы следует располагать на небольшом расстоянии друг от друга, беря во внимание схему их подключения. При размещении также нужно учитывать немалый вес изделий, который варьируется в зависимости от типа материала и емкости АКБ
Критерии выбора аккумулятора для солнечных батарей
Производители постоянно совершенствуют технологии для аккумуляторов солнечных батарей, а одинаковые цифровые показатели характеристик в действии могут проявить себя совершенно по-разному
Но следует обязательно обратить внимание на такие показатели:
- рабочий уровень емкости;
- ток заряда;
- ток разряда.
При подборе АКБ следует учитывать количество самих зеленых систем, от этого будет зависеть необходимая емкость батареи. Чаще всего встречаются батареи с напряжением 12 В, исходя из этого потребуется рассчитать, какое количество АКБ потребуется соединить последовательно.
Если рабочее напряжение солнечной батареи превышает напряжение одного аккумулятора, нужно подсчитать, сколько потребуется их соединить, как правило цифра получается кратна 12. Также стоит учитывать, что при последовательном соединении аккумуляторов меняется напряжение, а емкость остается прежней, при параллельно наоборот.
Какой АКБ выбрать для солнечной электростанции
Производители предлагают большой выбор солнечных батарей и аккумуляторов, запутаться в их характеристиках достаточно просто. Вначале следует определиться с ценовыми показателями, а затем выяснить точные характеристики всех вариантов.
От количества солнечных систем зависит необходимое количество АКБ
Рейтинг лучших бюджетных вариантов
Среди недорогих, но достаточно практичных АКБ следует выделить несколько наиболее привлекательных своими характеристиками:
- Casil CA 12120 – напряжение АКБ 12 вольт, а емкость 12 ампер*часов, тип батареи AGM, а вес составляет 4 кг;
- Azbist ASAGM-12400M6 – при напряжении в 12 В емкость этой АКБ составляет 40 ампер*часов, в производстве использована технология AGM, но вес 11,8 кг, максимальный ток разряда составит 300 ампер, а заряда 12 А, при саморазряде не более 3%;
- Ventura VG 12-65 GEL – тип батареи гелевая, напряжение 12 вольт, а емкость 65 Ач, вес 22 кг, а срок службы, гарантированный производителем 15 лет или тысяча циклов;
- Pulsar HTL12-55 – гелевая система обладает напряжением 12 вольт и емкостью 55 ампер-часов, масса АКБ составит 16 кг;
- Ostar OP1270 – один из наиболее дешевых вариантов АКБ для зеленых систем, при емкости 7 Ач имеет рабочее напряжение 12 В и создан на основе AGM технологии, вес всего 2,1кг.
Приобретая самый дешевый аккумулятор для солнечной панели обязательно следует учитывать используемую нагрузку. Для большого количества электроприборов этот вариант не подойдет.
Рейтинг лучших универсальных вариантов
Самыми популярными аккумуляторами для солнечных батарей являются приборы средней ценовой категории, они обладают высокими характеристиками при достаточно приемлемой цене. Особого внимания заслуживают следующие модели:
- Challenger A12-80 – модель не на много дороже большинства образцов из низкого сегмента, но емкость уже составляет 81 Ач при напряжении 12 В, вес устройства 24 кг, а работать сможет при температурах от -20 до +60 градусов по Цельсию;
- EverExceed 8G27M-12100MG – гелевый АКБ с напряжением 12 вольт и емкостью 100ампер-часов, рассчитан на 1000 циклов, а максимально низкая температура достигает -40 С;
- Azbist ASGEL-121000M8 – сто ампер-часов и все те же 12 вольт, тип АКБ – гелевый, а максимальный ток заряда составляет 1000 ампер за 5 секунд;
- Logicpower LP-MG12V150AH – емкость увеличена до 150 Ач, а в качестве наполнения используется мультигель, вес составит 57 кг.
Универсальные батареи получится использовать в различных климатических условиях, даже при достижении низких температур.
Рейтинг лучших премиальных вариантов
Работа в экстремальных климатических условиях возможна с использованием премиум сегмента аккумуляторных батарей. Среди них наиболее интересными и мощными моделями считают:
- Siap 6PT180 – работает на жидком электролите и имеет емкость 180 Ач, с ресурсом до 1200 циклов .масса составляет 64 кг;
- B.B.Battery BP230-12/B9 – для производства используется AGM технология, а емкость составляет 230 Ач, максимальный ток разряда составит 800 ампер, а вес 72,5 кг;
- Pulsar HTL12-300 – гелевая система обладает номинальной емкостью 300 Ач, гарантированный срок эксплуатации 15 лет, а вес 80 кг;
- EverExceed ST-6400 – работает на AGM технологии, а емкость его 443 Ач. Главная особенность в удвоенном циклическом ресурсе, все 600 возможных циклов обладают глубиной разряда 100%, а минимальная рабочая температура составляет -40 градусов Цельсия, вес аккумулятора составляет всего 55 кг.
Современные технологии не стоят на месте и на рынке постоянно появляются более мощные новинки, обладающие улучшенными характеристиками.
Этапы подключения панелей к оборудованию СЭС
Подключение солнечных панелей представляет собой поэтапный процесс, который может быть выполнен в разном порядке. Обычно производят соединение модулей между собой, затем собирают комплект оборудования и аккумуляторы, после чего панели подключают к приборам. Это удобный и безопасный вариант, позволяющий проверить правильность соединения всех элементов перед подачей напряжения. Рассмотрим эти этапы внимательнее:
К аккумулятору
Разберемся, как подключить солнечную батарею к аккумулятору.
Поэтому между фотоэлектрическими элементами и батареями обязательно устанавливают контроллер, обеспечивающий штатный режим зарядки и отдачи энергии. Кроме того, на выходе контроллера обычно устанавливают инвертор, чтобы иметь возможность преобразования накопленной энергии в стандартное напряжение 220 В 50 Гц. Это наиболее удачная и эффективная схема, которая позволяет батареям отдавать или получать заряд в оптимальном режиме и не превышать свои возможности.
Перед тем, как подключить солнечную панель к аккумулятору, необходимо проверить параметры всех компонентов системы и убедиться в их соответствии. В противном случае результатом может стать потеря одного или нескольких приборов.
Иногда используется упрощенная схема подключения модулей без контроллера. Этот вариант применяется в условиях, когда ток от панелей заведомо не сможет создать перезаряд аккумуляторов. Обычно такой способ применяют:
- в регионах с коротким световым днем
- низким положением солнца над горизонтом
- маломощными солнечными панелями, не способными обеспечить избыточный заряд АКБ
При использовании этого метода необходимо обезопасить комплекс, установив защитный диод. Он ставится как можно ближе к аккумуляторам и защищает их от короткого замыкания. Панелям оно не страшно, но для АКБ это весьма опасно. Кроме того, при расплавлении проводов сможет начаться пожар, что создает опасность для всего дома и людей. Поэтому обеспечить надежную защиту — первоочередная задача владельца, решение которой должно быть выполнено до ввода комплекта в эксплуатацию.
К контроллеру
Второй способ часто используется владельцами частных или загородных домов для создания низковольтной осветительной сети. Они приобретают недорогой контроллер и подключают к нему солнечные панели. Устройство компактное, по размерам соотносимо с книгой средних размеров. Оно оснащено тремя парами контактов на лицевой панели. К первой паре контактов подключают солнечные модули, к другой — присоединяют АКБ, а к третей — освещение или другие низковольтные приборы потребления.
Сначала на первую пару клемм подают напряжение 12 или 24 В от аккумуляторов. Это проверочный этап, он нужен для определения работоспособности контроллера. Если прибор верно определил величину заряда батарей, приступают к подключению.
К третьей паре контактов присоединяют низковольтные светильники или иные приборы потребления, питающиеся от 12 (24) В постоянного тока. Больше ни с чем соединять такой комплект нельзя. Если необходимо обеспечить питанием бытовую технику, надо собирать полнофункциональный комплект оборудования — частную СЭС.
К инвертору
Рассмотрим, как подключить солнечную панель к инвертору.
Сам процесс никакой сложности не составляет. В комплекте с инвертором идут два провода, обычно черного и красного цвета («-» и «+»). На одном конце каждого провода есть специальный штекер, на другом — зажим типа «крокодил» для присоединения к клеммам аккумулятора. Провода согласно цветовой индикации присоединяют к инвертору, затем подключают к аккумулятору.
Сравнение различных типов батарей
Свинцовые батареи стоят дешевле, но они имеют более короткий срок службы и по современным меркам низкую плотность энергии, а некоторые из них требуют регулярного технического обслуживания, чтобы поддерживать их в рабочем состоянии. Литиевые батареи дороже, но они не требуют технического обслуживания и имеют более длительный срок службы, что соответствует их более высокой цене. Давайте более подробно рассмотрим какой лучше взять аккумулятор для солнечных электростанций, плюсы и минусы каждого варианта и объясним, почему вы можете выбрать один из них для своей системы.
Свинцово-кислотные с жидким электролитом
Свинцово-кислотная АКБ с жидким электролитом
Отличительной особенностью этих батарей является то, что свинцовые пластины погружены в жидкий электролит. Их необходимо регулярно проверять и доливать каждые 1-3 месяца, чтобы они работали должным образом. Халатное отношение к обслуживанию может сократить их срок службы и аннулировать гарантию. Поскольку в ходе эксплуатации этот тип АКБ может выделять опасные газы, их необходимо устанавливать в вентилируемом помещении, чтобы позволить газам батареи выходить наружу.
Герметичные свинцово-кислотные
Герметичный свинцово-кислотный аккумулятор
Герметизированные бывают двух типов: AGM и GEL, которые имеют много схожих свойств. Они практически не требуют обслуживания и влагозащищены. Отличия заключаются в электролите – в гелевом аккумуляторе он находится в загущенном состоянии, а в AGM электролит абсорбирован в стекловолокне. Считается, что они не выделяют газы, это не совсем так, поскольку для защиты аккумуляторов предусмотрены клапаны, которые могут открываться в экстренных ситуациях.
Панцирные OPzS и OPzV
Панцирные аккумуляторы типов OPzS и OPzV
Эти аккумуляторы являются разновидностью свинцово-кислотных аккумуляторов: OPzS – с жидким электролитом, а OPzV с электролитом в виде геля. Минусы – низкая плотность энергии и нелинейные разрядные характеристики, свойственные всем свинцовым аккумуляторам. Из плюсов можно отметить 1200-1500 циклов, при глубине разряда на 80%, что в 2-3 раза больше в сравнении с обычными свинцово-кислотными АКБ, но и более высокую цену, которая соизмерима уже со стоимостью LiFePo4 аккумуляторов.
Литий-железо-фосфатные аккумуляторы
Литий-железо-фосфатные аккумуляторы
Одним из лучших химических составов литиевых АКБ для солнечных батарей является литий-железо-фосфат LiFePO4, он же LFP, еще встречается название «Лифер». Эта технология имеет в несколько раз больший срок службы, чем у свинцовых АКБ и может использоваться при более глубоких циклах. Благодаря линейным разрядным характеристикам можно использовать меньшую емкость, при разряде большими токами. Они также не требуют обслуживания или вентиляции, в отличие от заливных свинцово-кислотных батарей. LiFePO4 это одна из разновидностей литий-ионных батарей, но в отличие от них LiFePO4 пожаро-взрывобезопасны.
Литий-титанатные, они же LTO
Литий-титанатная АКБ
Можно уверенно сказать, что это великолепные аккумуляторы и одни из лучших на данный момент и они имеют все вышеперечисленные плюсы LiFePO4 аккумуляторов, но и еще могут заряжаться просто огромнейшими токами в 10С (для сравнения «свинец» можно заряжать токами 0,1 – 0,2С) и имеют ресурс 16000 циклов. Из минусов можно отметить высокую цену и больший вес в сравнении с LiFePO4.
Литий-ионные, они же Li-ion
Имеют очень высокую плотность энергии и малый вес, благодаря чему широко применяются на электротранспорте, в том числе в Тесле, но имеют существенный недостаток — при повреждениях и при работе в нештатном режиме могут воспламеняться. У LiFePO4 и Литий-титанатных аккумуляторов отсутствует этот недостаток, поэтому они более предпочтительны для использования в автономных и бесперебойных системах.
Литий-ионный аккумулятор
Подводя промежуточный итог, можно отметить, что первоначальные вложения на литиевые батареи больше, но при эксплуатации стоимость владения получается значительно ниже — за время эксплуатации литиевых аккумуляторов приходится несколько раз заменить свинцовые АКБ.
Виды аккумуляторов для солнечных батарей
В настоящей момент разработаны и выпускаются различные по конструкции, принципу действия и условиям работы аккумуляторные батареи (АКБ), поэтому всегда есть возможность выбрать интересующую модель по предъявляемым к ней требованиям. Рассмотрим существующие виды АКБ, используемые в составе солнечных электростанций.
Почему не автомобильные
Очевидным, на первый взгляд, решением становится установка на солнечную электростанцию нескольких автомобильных аккумуляторов от грузовика – 180-250Ач.
Мощности сборки таких аккумуляторов действительно должно хватать на питание дома, да и стоимость одной такой батареи начинается с 65$ (за тюменскую батарею), однако авто аккумуляторы рассчитаны на применение в совершенно других условиях и разряд даже на 30% для них – экстремальные условия. В то же время они могут выдавать высокие пусковые токи (для запуска двигателя авто), которые в условиях жилого дома вряд ли пригодятся.
Автомобильный аккумулятор
Режим использования в автомобиле отличается от применения аккумуляторов в системе солнечных электростанций. В светлое время суток контроллер в основном только заряжает батарею, а в темное – батарея «кормит» все токоприемники. В этом режиме авто аккумулятор сможет прослужить не больше года, после чего емкость будет очень быстро падать, повышается риск закипания и внезапного выхода из строя.
Аккумуляторы AGM и GEL
Гелевый аккумулятор
Суть работы аккумуляторов данного вида аналогичен автомобильным аккумуляторам с разницей лишь в том, что электролитное вещество пребывает в связанном состоянии. В AGM устройствах электролит помещён в стекловолокно, оно пропитано электролитным составом. В GEL устройствах электролит (серная кислота) помещается в гелеобразном виде.
Аккумуляторные батареи представленного вида широко используются в системах электростанций, работающих на энергии солнца, так как режим их работы связан с небольшим разрядным током и в продолжительный период времени, такой режим для устройств этого видане критичен.
Также АКБ данного типа не боятся глубокого разряда и выдерживают многократное повторение режимов «заряд-разряд». Единственный минус, при использовании подобных аккумуляторов, это их чувствительность к условиям зарядки, перезаряд может вызвать непоправимые последствия в работе АКБ.
Стоимость AGM и GEL аккумуляторов выше, чем у автомобильных.
Аккумуляторы OPzS
Аккумулятор OPzS
Аккумуляторы данного вида работают на том же принципе, что и приведенные выше (свинцово-кислотные), с той лишь разницей, что анод (положительный полюс) выполнен трубчатым и именно эта особенность АКБ, позволяет увеличить количество циклов «заряд-разряд» без нарушения функционирования аккумулятора. OPzS-аккумуляторы не требуют специального обслуживания, они успешно эксплуатируются длительное время. Единственный неприятный момент – сравнительно высокая цена.
Щелочные аккумуляторы
Положительным качеством АКБ данного вида является способность переносить глубокий разряд токами разной величины.
К отрицательным качествам можно отнести большие размеры и наличие эффекта памяти, который обусловлен тем, что в случае неполного разряда при последующей зарядке аккумулятор теряет часть своей ёмкости.
Щелочной аккумулятор
В случае использования подобных аккумуляторов в системах солнечных электростанций периодически будут возникать ситуации, когда разряд АКБ будет неполным, вследствие чего аккумуляторы потеряют часть своей ёмкости, что в конечном счете неблагоприятно отразится на работе системы в целом.
Литиевые АКБ
Литиевая батарея
К положительным свойствам литиевых АКБ можно отнести высокую энергоемкость, небольшие габариты, способность выдерживать глубокий разряд и способность к быстрому заряду.
