Я провожу бесплатные обследования солнечных станций, в результате чего в меня летят тапки мне делают замечания, что для предъявления гарантийных претензий нужно измерять именно падение мощности солнечной панели, к которой в основном и привязана гарантия. Так я пришел к необходимости обзавестись собственным прибором по снятию ВАХ ( IV Curve ) солнечной панели. Как сделать его самому за ~100$, и что это даёт — далее
Принцип работы солнечной батареи
Любая солнечная батарея представляет собой фотоэлектрический преобразователь, использующий для получения электрической энергии световую. Практическую ценность в настоящее время имеет фотоэлектрический эффект в полупроводниковых материалах.
Эффект основан на появлении в неоднородных полупроводниковых структурах свободных носителей электрического заряда при воздействии фотонов света. Он наблюдается в различных полупроводниках — на основе кремния, арсенида галлия, теллурида кадмия, крупных молекул полимеров.
За счет появления свободных носителей, энергии которых недостаточно для преодоления запрещенной зоны образуется разница потенциалов (напряжение) между электродами элемента. При подключении внешних цепей между ними возникает электрический ток.
Схема работы солнечных батарей
Фотоэлементы на базе различных полупроводников преобразуют в электрическую энергию различные части солнечного спектра Так, кристаллические кремниевые модули захватывают до 80% излучения со смещением в красную сторону, пленочные элементы на основе аморфного кремния могут работать и в инфракрасном диапазоне, диоксид титана поглощает фиолетовые и ультрафиолетовые лучи.
Мнение эксперта
Гребнев Вадим Савельевич
Монтажник отопительных систем
Теоретически в часть поглощенного солнечного излучения может быть преобразована в электрическую энергию, однако на практике пока удалось добиться КПД преобразования порядка 15-25% для элементов серийного производства.
В некоторых лабораторных образцах исследователи вплотную подошли к 50%-й отметке. При получении таких же результатов в промышленном производстве стоимость генерации может снизиться более чем вдвое, по сравнению с современным уровнем.
Схема подключения панелей и контроллера
Для нормальной работы солнечной электростанции и возможности получения от нее электрической энергии наличия только солнечных панелей недостаточно. Солнечные панели питают аккумулятор, который нужен для накопления энергии. Он подключен через контроллер заряда, который контролирует ток заряда АКБ и отключает ее, когда АКБ будет заряжена полностью.
Для питания бытовых электроприборов нужен переменный ток напряжением 220 В и частотой 50 Гц. Аккумуляторная батарея дает постоянный ток напряжением 12 В. Для преобразования постоянного тока в переменный нужен инвертор. Для соединения всех устройств в одно целое и получения солнечной электростанции нужны провода.
Схема подключения солнечной электростанции выглядит так:
Мнение эксперта
Алексей Бартош
Специалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.
Задать вопрос
Важный момент. На подключение бензинового генератора к сети 0,4 кВ, установленного ранее, пришлось получить письменное разрешение от сетевой снабжающей организации. Перед выдачей письменного разрешения от сетевой организации есть обязательное условие: должен быть установлен перекидной рубильник, который создает видимый разрыв и полностью исключает возможность одновременной подачи напряжения в сеть потребителя и в сеть сетевой организации.
Перекидной рубильник выглядит так:
Это условие правомерно как для владельцев бензиновых, газовых или дизельных электрогенераторов, так и для владельцев солнечных или ветряных электростанций. Без перекидного рубильника есть вероятность подачи напряжения на линию 0,4 кВ и через силовой трансформатор 10/0,4 кВ путем обратной трансформации подать напряжение на ВЛ 10 кВ.
Если на ВЛ-10 кВ или ВЛ-0,4 кВ производятся работы, электротравму может получить электромонтер, который производит работы. К слову, такие несчастные случаи были в 2021 году.
Кроме того, при подаче напряжения на отключенную и выведенную в ремонт ВЛ 0,4 кВ нагрузка значительно возрастет и превысит паспортную. Соответственно, может выйти из строя генератор или устройства, включенные в схему солнечной электростанции.
Виды солнечных батарей
Основной признак классификации солнечных модулей — используемые при изготовлении полупроводниковые материалы. Сегодня более 80% занимают солнечные панели на основе кремния. Именно эти типы получили максимально широкое коммерческое применение, их предлагает подавляющее большинство работающих в отрасли продавцов.
В свою очередь, кремниевые гелиопанели подразделяются на:
Виды кремниевых гелиопанелей
Сборка
Далее процесс простой, но растянутый во времени.
Ждем платы
и детали
паяем и тестируем.
Читайте также:
Инструкция настолько подробная, что аж скулы сводит сборка напоминала конструктор лего.
Беда пришла откуда не ждали.
Для более точной настройки, а мне очень хотелось утереть нос владельцам приборов за 1К получить максимальную точность, есть возможности дополнительной точной калибровки. Для этого нужен блок питания на 100 В, который у меня как раз применяется для электролюминесценции.
Самое обидное, что статью https://habr.com/ru/post/537612/ я читал буквально накануне, но пробежал как то “по диагонали”, подумав что это не про меня, спойлер — не угадал. Рекомендую прочитать её, это может быть и про Вас.
Итого накрылась материнка и свежесобранный прибор, которым я успел проверить только пару аккумуляторов. Все детали, кроме плат, я заказывал впритык, поэтому еще минус пару недель, на повторную доставку сгоревших компонентов.
Монокристаллические кремниевые солнечные элементы
Монокристаллические солнечные батареи представляют собой электрически соединенные элементы, изготовленные из тонких (240 мкм) пластин монокристалла кремния. Оптические оси ориентированы в одном направлении, используется материал высокой (более 99.99%) чистоты. Это обеспечивает максимальную эффективность преобразования. При теоретически возможном для кремниевого элемента КПД 30% у серийных образцов показатель достигает 18-24%.
Внешне монокристаллические батареи легко отличить – они имеют глубокий черный цвет, элементу в процессе порезки придается форма правильного квадрата (прямоугольника) со срезанными углами.
Технологий производства таких солнечных батарей – рекордсмен по стоимости среди кремниевых элементов. Высокая цена производства объясняется сложными процессами очистки сырья, выращивания монокристалла и его точной порезки.
В результате монокристаллические батареи имеют самую высокую цену – порядка 0.9-1.1 доллара на 1 Вт мощности.
Есть у таких элементов и другой серьезный недостаток – из-за точной ориентировки оптических осей кристаллов, оптимальную отдачу можно получить только при падении солнечных лучей перпендикулярно плоскости элемента. При существенном изменении угла освещения, а также в рассеянном свете наблюдается резкое снижение генерации.
Поликристаллические кремниевые элементы
Поликристаллические кремниевые элементы
В поликристаллических батареях элемент включает множество кристаллов с хаотической ориентацией оптических осей. Для их производства не требуется сырье с высокой степенью очистки – могут использоваться вторичные источники (в частности, переработанные кремниевые батареи), отходы металлургического производства.
В результате стоимость изготовления значительно снижается. Однако при этом уменьшается и эффективность преобразования – лучшие образцы демонстрируют эффективность на уровне 15-18%.
Мнение эксперта
Гребнев Вадим Савельевич
Монтажник отопительных систем
Такие показатели позволили потеснить на рынке монокристаллические панели. В настоящее время на долю поликристаллов приходится более 53% продаж кремниевых батарей, против немногим более 30% у монокристаллических.
Внешне поликристаллические представляют собой правильной формы прямоугольные пластины насыщенного синего цвета. Стоимость генерации «синих» панелей составляет около 0.7-0.9: за 1 Вт. При этом они демонстрируют значительно меньшее снижение при рассеянном освещении и падении света под углами, отличными от 90 градусов.
Срок службы панелей и аккумуляторов
При выборе солнечной панели можно было остановить выбор на более выгодном предложении — Delta SM 100-12 M в количестве 2 штуки. Но, к сожалению, в наличии у продавца таковых не оказалось, а срок доставки новой партии меня не устроил.
Солнечные панели Delta соответствует стандартам качества IEC61215, IEC61730, имеют гарантию от производителя 10 лет. В течение 10 лет производитель гарантирует сохранение мощности более чем на 90% от паспортной и сохранение мощности на 80% в течение 25 лет.
Обслуживать панели не надо, требуется лишь периодический осмотр и очистка их от пыли и грязи. Срок службы АКБ составляет 12 лет. Батарея необслуживаемая.
Про стоимость эксплуатации нужно поговорить отдельно. Конечно, приобретение солнечной электростанции — это не очень дешевая затея. Только стоимость составных частей и материалов обошлась в примерно в 45 000 рублей. Распределительный шкаф с защитными автоматами и перекидным рубильником был приобретен ранее.
Но в моем случае нужно было обеспечить стабильное электроснабжение дачи. Если солнечная станция докажет свою эффективность, можно задуматься о полном переходе на автономное питание.
В этом случае электроэнергию для бытовых приборов будет вырабатывать солнечная электростанция, а для полива можно будет использовать электроэнергию, производимую бензиновым генератором.
Мнение эксперта
Алексей Бартош
Специалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.
Задать вопрос
Если принять стоимость бензина в 40 рублей за литр, можно приблизительно рассчитать срок окупаемости солнечной электростанции. Если запитать все от бензинового генератора, который будет работать круглые сутки, то получаем 40*24*1,5=1 440 рублей в сутки или 525 600 рублей в год. Конечно, при затратах на приобретение солнечной электростанции в 45 000 рублей, она себя окупит примерно за 1 месяц. Но такое сравнение не совсем правильно, ведь есть еще подключение к сети 220 В.
Стоимость 1 кВт*час для сельской местности составляет примерно 2,90 р. Если рассчитывать потребление только бытовых приборов (аналогично расчету для солнечной электростанции), то в год должно набегать 254 рубля. Окупаемость в таком случае составит 180 лет.
Но, как было написано ранее, солнечная электростанция приобреталась, скорее, для удобства. Если нет света, переключил рубильник и продолжаешь пользоваться электроприборами. Заработать и рассчитывать на скорую окупаемость вложений тут не приходится.
А если продолжать размышлять о возможности заработать на продаже электроэнергии снабжающей компании, то можно вспомнить, что в конце 2019 года были приняты изменения в ФЗ «Об электроэнергетике» в части микрогенерации.
Согласно этим изменениям, объектом микрогенерации считается источник электроэнергии до 15 кВт. Например, солнечная электростанция. Такие объекты могут отдавать излишки электроэнергии во внешнюю сеть, и их обязаны покупать гарантирующие поставщики электроэнергии.
Но для этого должно быть выполнено техприсоединение к сетям (конечно, за отдельную плату, плюс установлен специальный электросчетчик) и заключен договор. Но электроэнергия будет покупаться по средневзвешенной цене оптового рынка. Пока речь не идет о специальных «зеленых тарифах», как, например, в Европе, которые принимаются для стимулирования развития такой генерации.
Аморфные кремниевые батареи
Изготавливаются из аморфного (некристаллического) кремния a-Si, путем осаждения на гибкую подложку паров гидрида кремния. В результате образуется добиться стабильного фотоэлектрического эффекта получается уже при толщине пленки в несколько микрон.
Технологический процесс значительно удешевляется за счет минимального количества требующегося кремниевого сырья, сниженных требований к его чистоте, отсутствию сложных операций, таких как выращивание кристалла и его порезка.
Эффективность преобразования составляет порядка 8-11%, стоимость генерации лежит в пределах 0.5-0.7% за 1 Вт. Главный недостаток таких батарей – низкий КПД преобразования, что требует значительной площади для обеспечения необходимой мощности. Однако он с лихвой компенсируется возможностью установки на любые поверхности – гибкая подложка не требует ровных оснований и специальных конструкций для монтажа.
Кроме того, современные полиморфные модули могут работать с инфракрасным диапазоном, что существенно уменьшает потери эффективности при рассеянном освещении. В результате на долю аморфных элементов сегодня приходится порядка 10% мирового рынка.
Тонкопленочные CdTe батареи
Тонкопленочные CdTe батареи
Солнечные батареи на основе теллурида кадмия (CdTe) могут стать реальной альтернативой кремниевым элементам. В настоящее время они демонстрируют эффективность преобразования, в среднем, на 20% выше аналогичных аморфных кремниевых при стоимости на 20% ниже. Достигается это за счет уникальных характеристик полупроводника, обеспечивающую оптимальную ширину запрещенной зоны.
Изготавливаются такие панели путем нанесения слоя полупроводникового материала на тонкие пленки. Технология пока доступна ограниченному кругу производителей, однако серийный выпуск таких батарей уже налажен американской компанией First Solar.
Полимерные солнечные панели
В полимерных солнечных модулях фотоэффект обеспечивает слой «полимерного полупроводника» — больших молекул органических соединений. В настоящее время технология таких изделий близка к развертыванию крупномасштабного производства (некоторые европейские компании уже наладили коммерческий выпуск).
Полимерные солнечные панели
По оценкам эффективность преобразования таких устройств лежит в пределах 8-11%. За счет рекордно дешевого производства, использования гибких полимерных материалов, отсутствия проблем с утилизацией, в ближайшей перспективе полимерные гелиомодули смогут составить серьезную конкуренцию уже выпускающимся изделиям.
Производителями также ведутся активные разработки солнечных панелей на основе:
- арсенида галлия, селенидов меди-индия-галлия (CGIS);
- гибридных технологий, в которых несколько полупроводниковых элементов на разной основе работают в разных частях солнечного спектра;
- фотосенсибилизированных ячеек, с колбами Гретцеля в качестве рабочего элемента;
- наноантенн, в которых солнечный свет как электромагнитное излучение индуцирует ЭДС и др.
Мнение эксперта
Гребнев Вадим Савельевич
Монтажник отопительных систем
Многие из них демонстрируют КПД преобразования выше современных серийных панелей (например, полупроводники вплотную подошли к 50%-му рубежу, а эффективность наноантенн оценивается выше 80%), но пока эти варианты находятся на уровне лабораторных образцов и не могут заинтересовать реального пользователя.
Тип
Выбирают тип солнечной панели из условий инсоляции (количества солнечных дней, интенсивности излучения):
- Так, монокристаллические кремниевые батареи вполне подойдут для установки в южных регионах.
- В Средней полосе и на других российских территориях оптимальным вариантом будут поликристаллические панели, хорошо зарекомендовавшие себя в условиях рассеянного освещения.
- В северных широтах следует обратить более пристальное внимание на аморфные модули, которые позволяют создать значительную площадь батареи без дополнительных монтажных работ.
Внимания требует и категория качества. В маркировке батарей этот параметр указывается как Grade A, B или C. При прочих равных следует отдать предпочтение изделиям Grade A — они прослужат 20-30 лет при незначительной (не более 20%) деградации.
Более низкие категории качества присваиваются продукции по итогам заводских испытаний, которые выявляют отклонение от номинальных параметров не более 5% (Grade B) и 30% (Grade C) в процессе эксплуатации.
Подбор аккумуляторов, контроллера заряда и инвертора
После того как была выбрана солнечная батарея, осталось подобрать количество аккумуляторов, контроллер заряда и инвертор. Исходя из мощности солнечных панелей в 200 Вт, контроллер заряда должен быть рассчитан на ток 17 А.
Был выбран контроллер заряда EPsolar LS2024R с рабочим током в 20А, рассчитанный на напряжение 12/24 В. Данный прибор предназначается для защиты от чрезмерного разряда и перезаряда аккумуляторных батарей. Имеется функция автоматического выбора напряжения, функция выбора типа аккумулятора.
Есть защита от: неправильной полярности, КЗ, перегрева, перенапряжений, в том числе при ударе молнии, обрыва цепи в аккумуляторной батарее и разряда аккумуляторной батареи через солнечную батарею в ночное время.
Аккумуляторная батарея была выбрана емкостью на 100 А, типа DELTA GEL 12-100. Данная АКБ гелевого типа с напряжением 12 В. Обладает устойчивостью к глубокому разряду и низким саморазрядом. Основное предназначение – работа в буферном (постоянного подзаряда) или циклическом (разряд-заряд) режиме. Срок службы составляет до 12 лет.
Для преобразования постоянного тока от АКБ в переменный частотой 50 Гц и напряжением 220 В был выбран инвертор СИБКОНТАКТ ИСЗ-12-600 М3. Мощность инвертора составляет 600 Вт. Имеет встроенную защиту от перегрузки, АКБ от полного разряда, тепловую защиту и энергосберегающий режим. Позволяет подключать любое электрооборудование благодаря синусоидальной форме выходного тока.
Монтаж солнечных батарей
К установке солнечных батарей не применяется жестких требований. Смонтировать гелиоприемник можно под наклоном, на вертикальной или горизонтальной поверхности. При этом жесткие панели (моно- и поликристаллические) устанавливают на жесткий каркас, фиксируют в местах крепления при помощи комплектного крепежа. Батареи на эластичной подложке допускают укладку на неровные поверхности (например, волнистую крышу).
Соединения между панелями осуществляют многожильными проводниками с оконцевателями. Сечение токоведущих элементов рассчитывают по величине номинального и максимального тока.
При выборе места и угла установки следует учитывать основное условие максимальной генерации – падение солнечных лучей перпендикулярно плоскости батареи.
Этого можно достичь:
- Ориентировкой модулей в южном направлении.
- Размещением их под углом, равным географической широте местности.
- Изменением угла наклона в пределах +/- 20% соответственно в зимний и летний период.
Кроме того, для монокристаллических панелей критически важно позаботиться об отсутствии затенения – при рассеянном свете их эффективность сильно падает.
Часто спрашивают
Солнечные батареи во время эксплуатации деградируют. На какой промежуток времени они рассчитаны?
Батареи класса качества А (GradeA), как правило, получают гарантию на 15-25 лет. За это время снижение показателей от номинальных не превышает 20%.
Как можно добиться стабильной отдачи от монокристаллических панелей в Средней полосе?
Инсоляция в этих регионах не способствует эффективной работе монокристаллических батарей. Несколько улучшить положение можно за счет поворотных устройств слежения за светилом, но их реализация существенно удорожает установку в целом.
Обязательно ли чистить/мыть панели?
Не обязательно, большинство производителей говорят, что для нормальной работы достаточно природных осадков, смывающих пыль. Однако несколько раз в сезон обдать водой из шланга будет не лишним. Конечно же, обязательно убирать снег зимой после снегопадов.
Возможно ли использовать в российских условиях солнечные батареи как единственный источник энергии, или следует дублировать его сетью?
При правильном расчете количества панелей и дополнительного оборудования (аккумуляторов, инвертора) солнечная электростанция вполне справится с электроснабжением дома без дублирующих источников.
На рынке сегодня множество предложений разных компаний. Чьи солнечные батареи покупать?
Большинство мелких производителей используют модули компаний, входящих в ТОП 10. Репутацию же производителя легко проверить на сайте Калифорнийской (https://gosolarcalifornia.org/equipment/pv_modules.php) или Европейской TUV (https://www.tuev-sued.de/industry_and_consumer_products/certificates) лабораторий.
Категории качества фотоэлектрических панелей
Помимо размера, номинальной мощности и КПД солнечных батарей, критически важной характеристикой является качество их исполнения. На гелио рынке по данному показателю модули делятся на четыре категории.
Первая – Grad A.
Характеризуется наивысшим качеством. Производится компаниями из всемирно известного ТОП рейтинга TIER-1 от Bloomberg. Отличительные черты:
- минимальная степень деградации ячеек со временем;
- идеальная внутренняя кристаллическая структура;
- однородная поверхность без цветовых перепадов и дифракционной картины;
- полное отсутствие сколов, микротрещин и скрытых дефектов.
Вторая – Grad B
Первой категории солнечных батарей по характеристикам уступает незначительно. Отличается:
- наличием небольших перепадов насыщенности цветового оттенка;
- несколько большей скоростью деградации.
Производители – менее престижные, но хорошо зарекомендовавшие себя на рынке компании, преимущественно из юго-восточной Европы, Турции и Китая.
Третья – Grad С
Категория представлена панелями «no name» фирм из Поднебесной или европейской б/у продукцией. Характерные признаки:
- визуально различимые небольшие поверхностные дефекты;
- цветовая неоднородность поверхности;
- невысокий срок эксплуатации.
Несмотря на существенно сниженную стоимость, для полноценных новых СЭС использовать такую продукцию не рекомендуется.
Четвертая – Grad D
Включает все виды солнечных батарей с низким КПД и непредсказуемым сроком службы. Отличительные черты:
- большое количество явных дефектов;
- некачественная пайка;
- сильные перепады цвета.
Ввиду невозможности оценить эффективность и длительность использования, покупка нежелательна даже для второстепенных целей. Приобретаются обычно на запчасти.
