Solarni paneli za vikendicu i kuću: vrste, princip rada i postupak proračuna solarnih sustava

Znanost nam je darovala vrijeme kada je tehnologija korištenja sunčeve energije postala široko dostupna. Solarni paneli za kuću dostupni su svakom vlasniku. Ni vlasnici vikendica ne zaostaju po tom pitanju. Oni se češće nalaze daleko od centraliziranih izvora stabilnog napajanja elekričnom energijom.

Nudimo vam da se upoznate s informacijama o ustrojstvu, principima rada i proračunu radnih jedinica solarnog sustava. Upoznavanje s informacijama koje smo iznijeli približit će stvarnost osiguravanja vlastite parcele prirodnom elekričnom energijom.

Radi boljeg razumijevanja prikazanih podataka priloženi su detaljni dijagrami, ilustracije, fotografije i video upute.

Ustrojstvo i princip rada solarnog panela

Nekada su znatiželjni umovi otkrili za nas prirodne tvari koje pod utjecajem čestica sunčeve svjetlosti, fotona, proizvode električnu energiju. Proces je nazvan fotoelektričnim efektom. Znanstvenici su naučili upravljati mikrofizikalnom pojavom.

Na temelju poluvodičkih materijala stvorili su kompaktne elektronske uređaje – fotoelemente.

Proizvođači su usvojili tehnologiju objedinjavanja minijaturnih pretvarača u učinkovite solarne panele. Učinkovitost panelnih solarnih modula od silicija široko proizvođenih industriji iznosi 18-22%.

Iz opisa sheme jasno se vidi: svi sastavni elementi elektrane jednako su važni – o njihovom pravilnom odabiru ovisi usklađen rad sustava

Od modula sastavlja se solarni panel. On je konačna točka putovanja fotona od Sunca do Zemlje. Odavde ove sastavnice svjetlosnog zračenja nastavljaju svoj put već unutar elektronskog kruga kao čestice istosmjerne struje.

Raspoređuju se na akumulatore ili se transformiraju u naboje izmjenične električne struje napona 220 volti, koji napajaju razne kućanske tehničke uređaje.

Solarna ploča predstavlja kompleks serijski spojenih poluvodičkih uređaja – fotoćelija, koje pretvaraju sunčevu energiju u električnu.

Više pojedinosti o specifičnostima uređaja i principu rada solarne ploče pronaći ćete u drugom popularnom članku naše web stranice.

Vrste solarnih modula-panela

Heliopaneli-moduli sastavljaju se od solarnih ćelija, odnosno – fotonaponskih pretvarača. Masovnu primjenu našli su FEP dvije vrste.

Razlikuju se po vrstama poluvodiča od silicija korištenim za njihovu izradu, a to su:

• Polikristalni. To su solarne ćelije izrađene od silicijskog taline postupkom dugotrajnog hlađenja. Jednostavna metoda proizvodnje uvjetuje pristupačnost cijene, ali učinkovitost polikristalne varijante ne prelazi 12%.
• Monokristalni. To su elementi dobiveni rezanjem na tanke pločice od umjetno uzgojenog silicijskog kristala. Najproduktivnija i najskuplja varijanta. Prosječna učinkovitost oko 17%, mogu se pronaći monokristalne fotoćelije s većom produktivnošću.

Polikristalne solarne ćelije su ravne kvadratnog oblika s nehomogenom površinom. Monokristalne varijante izgledaju kao tanki kvadrati s homogenom površinskom strukturom i odrezanim uglovima (pseudokvadrati).

Ovako izgledaju FEP – fotonaponski pretvarači: karakteristike solarnog modula ne ovise o vrsti korištenih ćelija – to utječe samo na veličinu i cijenu

Paneli prvog izvedenja pri istoj snazi su veći po veličini od drugih zbog manje učinkovitosti (18% naspram 22%). Ali su, u prosjeku, deset posto jeftiniji i uživaju veću potražnju.

O pravilima i nijansama odabira solarnih baterija za opskrbu energijom autonomnog grijanja možete pročitati ovdje.

Shema rada solarnog napajanja elekričnom energijom

Kada pogledom prolazite tajanstveno zvučećim nazivima sklopova koji ulaze u sastav sustava napajanja sunčevom svjetlošću, dolazi vam misao o supertehničkoj složenosti uređaja.

Na mikrorazini života fotona to je tako. Ali vizualno opća shema električnog kruga i princip njenog djelovanja izgledaju vrlo jednostavno. Od nebeskog svjetlila do 'Iljičove žarulje' samo četiri koraka.

Solarni moduli – prva sastavnica elektrane. To su tanke pravokutne ploče sastavljene od određenog broja standardnih ploča-fotoćelija. Proizvođači izrađuju fotoploče različite električne snage i napona, višestrukog 12 volti.

Uređaji ravnog oblika prikladno se smještaju na površine izložene izravnim zrakama. Modularni blokovi se povezuju međusobnim spojevima u heliobateriju. Zadatak baterije je pretvarati primljenu energiju sunca, dajući istosmjernu struju zadane veličine.

Uređaji za pohranu električnog naboja – akumulatori za solarne baterije su svima poznati. Njihova uloga unutar sustava opskrbe energijom od sunca je tradicionalna. Kada su kućanski potrošači priključeni na centraliziranu mrežu, spremnici energije se pune električnom energijom.

One također akumuliraju njegove viškove, ako je za osiguranje snage koju troše električni uređaji dovoljna struja solarnog modula.

Akumulatorski blok predaje krugu potrebnu količinu energije i održava stabilan napon čim potrošnja u njemu poraste na povišenu vrijednost. Isto se događa, na primjer, noću kada fotonaponske ploče ne rade ili tijekom malo sunčanog vremena.

Shema energetske opskrbe kuće pomoću solarnih baterija razlikuje se od varijanti s kolektorima mogućnošću akumuliranja energije u bateriji.

Kontroler je elektronički posrednik između solarnog modula i akumulatora. Njegova je uloga regulirati razinu napunjenosti akumulatorskih baterija. Uređaj ne dopušta njihovo ključanje od prepunjenja ili pad električnog potencijala ispod određene norme potrebne za stabilan rad cijelog solarnog sustava.

Preokrećući, tako se doslovno objašnjava zvučanje termina inverter za solarne baterije. Da, zapravo, ovaj čvor obavlja funkciju koja se nekada elektrotehničarima činila fantastikom.

On pretvara istosmjernu struju solarnog modula i akumulatora u izmjeničnu s potencijalnom razlikom od 220 volti. Upravo taj napon je radni za veliku većinu kućanskih električnih uređaja.

Tok solarne energije proporcionalan je položaju nebeskog tijela: pri postavljanju modula bilo bi dobro predvidjeti podešavanje kuta nagiba ovisno o godišnjem dobu.

Vršno opterećenje i prosječna dnevna potrošnja energije

Užitak imati vlastitu solarnu elektranu stoji zasad dosta. Prvi korak na putu do posjedovanja moći energije sunca jest određivanje optimalnog vršnog opterećenja u kilovatima i racionalne prosječne dnevne potrošnje energije u kilovat-satima kućanstva ili vikendice.

Vršno opterećenje stvara se potrebom uključivanja više električnih uređaja istovremeno i određuje se njihovom maksimalnom ukupnom snagom uzimajući u obzir povećane startne karakteristike nekih od njih.

Izračun maksimuma potrošene snage omogućava otkrivanje kojim električnim uređajima je istovremeni rad životno potreban, a kojima ne toliko. Tom pokazatelju podliježu snage karakteristike čvorova elektrane, odnosno konačna cijena uređaja.

Dnevna potrošnja energije električnog uređaja mjeri se umnoškom njegove individualne snage i vremena koje je radio iz mreže (trošio električnu energiju) tijekom dana. Ukupna prosječna dnevna potrošnja energije izračunava se kao zbroj potrošene električne energije svakog potrošača u dnevnom razdoblju.

Naknadna analiza i optimizacija dobivenih podataka o opterećenjima i potrošnji energije osigurat će potrebnu opremu i kasniji rad solarnog energetskog sustava uz minimalne troškove

Rezultat potrošnje energije pomaže racionalnom pristupu trošenju solarne električne energije. Ishod izračuna važan je za daljnji proračun kapaciteta baterija. O ovom parametru cijena baterijskog bloka, prilično skupog komponente sustava, još više ovisi.

Postupak izračuna energetskih pokazatelja

Proces izračuna doslovno započinje vodoravno položenim, na karirano, rasklopljenim listom bilježnice. Laganim crtama olovkom od lista se dobije obrazac s trideset stupaca i redovima prema broju kućanskih električnih uređaja.

Priprema za aritmetičke izračune

Prvi stupac crta se tradicionalno – redni broj. Drugi stupac – naziv električnog uređaja. Treći – njegova individualna potrošna snaga.

Stupci od četvrtog do dvadeset sedmog – sati u danu od 00 do 24. U njih se kroz vodoravnu razlomačku crtu unose:

• u brojnik – vrijeme rada uređaja u razdoblju određenog sata u decimalnom obliku (0,0);
• u nazivnik – ponovno njegova individualna potrošna snaga (ovo ponavljanje potrebno je za izračun satnih opterećenja).

Dvadeset osmi stupac – ukupno vrijeme koje kućanski uređaj radi tijekom dana. U dvadeset deveti – upisuje se osobna potrošnja energije uređaja kao rezultat množenja individualne potrošne snage s vremenom rada tijekom dnevnog razdoblja.

Sastavljanje detaljne specifikacije potrošača uzimajući u obzir satna opterećenja pomoći će zadržati više uobičajenih uređaja, zahvaljujući njihovom racionalnom korištenju

Trideseti stupac također je standardan – napomena. Dobro će doći za međuračune.

Sastavljanje specifikacije potrošača

Sljedeća faza izračuna – pretvaranje obrasca iz bilježnice u specifikaciju kućanskih potrošača električne energije. S prvim stupcem je jasno. Ovdje se upisuju redni brojevi redaka.

U drugom stupcu upisuju se nazivi potrošača energije. Preporučuje se početi popunjavanje s električnim uređajima u predsoblju. Zatim se opisuju druge prostorije u smjeru suprotnom od kazaljke na satu ili u smjeru kazaljke na satu (kako je kome zgodno).

Ako postoji drugi (itd.) kat, postupak je isti: od stepenica – u krug. Pritom ne treba zaboraviti na uređaje na stepenišnim podestima i vanjsku rasvjetu.

Treći stupac s naznakom snage pokraj naziva svakog električnog uređaja bolje je ispunjavati usput s drugim.

Stupci od četvrtog do dvadeset sedmog odgovaraju svakom svom satu dana. Radi lakšeg snalaženja, mogu se odmah povući vodoravne crte po sredini redaka. Dobivene gornje polovine redaka su kao brojnici, donje – nazivnici.

Ovi se stupci popunjavaju redak po redak. Brojnici se selektivno oblikuju kao vremenski intervali decimalnog formata (0,0), koji odražavaju vrijeme rada danog električnog uređaja u određenom satu. Paralelno, tamo gdje se unose brojnici, upisuju se nazivnici s pokazateljem snage uređaja, preuzetim iz trećeg stupca.

Nakon što su svi satni stupci popunjeni, prelazi se na izračun individualnog dnevnog radnog vremena električnih uređaja, krećući se po redovima. Rezultati se bilježe u odgovarajućim ćelijama dvadeset osmog stupca.

U slučaju kada solarna elektrana igra pomoćnu ulogu, kako sustav ne bi radio u praznom hodu, dio opterećenja može se spojiti na nju za stalno napajanje.

Na temelju snage i radnog vremena sekvencijalno se izračunava dnevna potrošnja energije svih potrošača. Ona se bilježi u ćelijama dvadeset devetog stupca.

Kada su svi redovi i stupci specifikacije popunjeni, obavljaju se izračuni ukupnih vrijednosti. Zbrajajući po stupcima snage iz nazivnika satnih stupaca, dobivaju se opterećenja svakog sata. Zbrajanjem odozgo prema dolje individualnih dnevnih potrošnji energije dvadeset devetog stupca, nalazi se ukupna prosječna dnevna potrošnja.

Izračun ne uključuje vlastitu potrošnju budućeg sustava. Taj se faktor uzima u obzir pomoćnim koeficijentom tijekom naknadnih konačnih izračuna.

Analiza i optimizacija dobivenih podataka

Ako se napajanje iz solarne elektrane planira kao rezervno, podaci o po satu potrošenim snagama i o ukupnoj prosječnoj dnevnoj potrošnji energije pomažu da se minimizira trošak skupe solarne električne energije.

To se postiže isključivanjem iz upotrebe energetski intenzivnih potrošača do trenutka obnove centralizirane opskrbe električnom energijom, posebno u satima maksimalnih opterećenja.

Ako se solarni energetski sustav projektira kao izvor stalne opskrbe električnom energijom, tada se rezultati satnih opterećenja ističu u prvi plan. Važno je raspodijeliti potrošnju električne energije tijekom dana tako da se uklone izrazito dominantni maksimumi i jako duboki minimumi.

Isključivanje vršnih, izravnavanje maksimalnih opterećenja, uklanjanje oštrih padova potrošnje energije u vremenu omogućuju odabir najekonomičnijih varijanti komponenti solarnog sustava i osiguravaju stabilan, a prije svega, besprijekoran dugotrajan rad solarne elektrane.

Grafikon će otkriti neravnomjernost potrošnje energije: naš zadatak je pomaknuti maksimume na vrijeme najveće aktivnosti sunca i smanjiti ukupnu dnevnu potrošnju, posebno noćnu.

Prikazani crtež pokazuje pretvaranje dobivenog na temelju sastavljene specifikacije neracionalnog grafikona u optimalni. Pokazatelj dnevne potrošnje smanjen je s 18 na 12 kWh, prosječno dnevno satno opterećenje sa 750 na 500 W.

Isti princip optimalnosti bit će koristan pri korištenju varijante napajanja od sunca kao rezervnog. Suvišno je trošiti se na povećanje snage solarnih modula i akumulatorskih baterija radi neke privremene neugodnosti, možda se ne isplati.

Odabir jedinica solarne elektrane

Radi pojednostavljenja proračuna razmatrat će se verzija primjene solarnog panela kao glavnog izvora električne energije za vikendicu. Potrošač će biti uvjetna vikendica u Rjazanjskoj oblasti, gdje stalno borave od ožujka do rujna.

Uvjerljivost raspravama pružit će praktični izračuni koji se temelje na podacima gore objavljenog racionalnog grafikona satne potrošnje energije:

• Ukupna prosječna dnevna potrošnja energije = 12 000 vat-sati.
• Prosječno opterećenje potrošnje = 500 vata.
• Maksimalno opterećenje 1200 vata.
• Vršno opterećenje 1200 x 1,25 = 1500 vata (+25%).

Vrijednosti će biti potrebne u proračunima ukupnog kapaciteta solarnih uređaja i ostalih radnih parametara.

Odreživanje radnog napona solarnog sustava

Unutarnji radni napon svakog sunčanog sustava temelji se na višekratnosti od 12 volti, kao najčešćeg nazivnog napona akumulatorskih baterija. Najšire se komponente sunčanih elektrana: solarni moduli, kontroleri, inverteri – proizvode za popularne napone 12, 24, 48 volti.

Viši napon omogućuje korištenje napojnih kabela manjeg presjeka – a to je povećana pouzdanost kontakata. S druge strane, akumulatorske baterije mreže od 12 V koje su otkazale, moći će se zamjenjivati pojedinačno.

U mreži od 24 volta, s obzirom na specifičnosti rada akumulatorskih baterija, zamjenu će trebati obavljati samo u parovima. Mreža od 48 V zahtijevat će zamjenu sve četiri baterije jedne grane. Osim toga, pri 48 volti već postoji opasnost od strujnog udara.

Pri jednakom kapacitetu i približno jednakoj cijeni treba nabaviti akumulatore s najvećom dopuštenom dubinom pražnjenja i većom maksimalnom strujom

Glavni izbor nazivnog unutarnjeg napona sustava povezan je sa snagom karakteristika invertera koje proizvodi moderna industrija i mora uzeti u obzir veličinu vršnog opterećenja:

• od 3 do 6 kW – 48 volti,
• od 1,5 do 3 kW – jednak 24 ili 48 V,
• do 1,5 kW – 12, 24, 48 V.

Birajući između pouzdanosti ožičenja i neugodnosti zamjene baterija, za naš primjer zadržat ćemo se na pouzdanosti. U nastavku ćemo se oslanjati na radni napon izračunatog sustava od 24 volta.

Opremanje baterije solarnim modulima

Formula za izračun potrebne snage solarne baterije izgleda ovako:

Rsm = (1000 * Esut) / (k * Sin),

gdje:

• Rsm = snaga solarne baterije = ukupna snaga solarnih modula (panela, W),
• 1000 = usvojena osjetljivost na svjetlo fotonaponskih pretvarača (kW/m²)
• Esut = potreba za dnevnom potrošnjom energije (kWh, u našem primjeru = 18),
• k = sezonski koeficijent koji uzima u obzir sve gubitke (ljeto = 0,7; zima = 0,5),
• Sin = tablična vrijednost insolacije (toka sunčevog zračenja) pri optimalnom nagibu panela (kWh/m²).

Vrijednost insolacije možete saznati od regionalne meteorološke službe.

Optimalni kut nagiba solarnih panela jednak je vrijednosti geografske širine područja:

• u proljeće i jesen,
• plus 15 stupnjeva – zimi,
• minus 15 stupnjeva – ljeti.

Rjazanjska oblast koja se razmatra u našem primjeru nalazi se na 55. stupnju geografske širine.

Najveća snaga solarnih baterija postiže se korištenjem sustava za praćenje, sezonskom promjenom kuta nagiba panela te primjenom mješovite orijentacije modula.

Za odabrano razdoblje od ožujka do rujna, najbolji neprilagođeni nagib solarne baterije jednak je ljetnom kutu od 40⁰ u odnosu na tlo. Pri takvoj instalaciji modula, prosječna dnevna insolacija Rjazanja u tom razdoblju iznosi 4,73. Svi podaci su poznati, izvršimo izračun:

Rsm = 1000 * 12 / (0,7 * 4,73) ≈ 3 600 vata.

Ako za osnovu solarne baterije uzmemo module od 100 vata, tada će ih biti potrebno 36 komada. Težit će oko 300 kilograma i zauzet će površinu veličine otprilike 5 x 5 m.

Praktično provjerene sheme montaže i opcije spajanja solarnih baterija prikazane su ovdje.

Ureženje akumulatorskog energetskog bloka

Pri odabiru akumulatorskih baterija treba se rukovoditi sljedećim postulatima:

1. Obični automobilski akumulatori NISU prikladni za tu svrhu. Baterije solarnih elektrana označene su natpisom „SOLAR”.
2. Akumulatore treba kupovati samo istovjetne po svim parametrima, po mogućnosti iz iste tvorničke serije.
3. Prostorija u kojoj se nalazi akumulatorski blok mora biti topla. Optimalna temperatura pri kojoj baterije daju punu snagu iznosi 25⁰C. Pri njenom padu na -5⁰C kapacitet akumulatora smanjuje se za 50%.

Ako za izračun uzmemo reprezentativni akumulator napona 12 volti kapaciteta 100 amper-sati, lako je izračunati da će čitav sat moći opskrbljivati energijom potrošače ukupne snage 1200 vata. No, to je pri potpunom pražnjenju, što je izrazito nepoželjno.

Za dugotrajan rad akumulatorskih baterija NE preporučuje se smanjiti njihovo napunjenje ispod 70%. Granična vrijednost je 50%. Uzimajući 60% kao „zlatnu sredinu“, u osnovu daljnjih izračuna stavljamo energetsku rezervu od 720 Wh na svakih 100 Ah kapacitivne komponente akumulatora (1200 Wh x 60%).

Moguće je da će kupnja jednog akumulatora kapaciteta 200 Ah biti jeftinija od kupnje dva od 100 Ah, a smanjit će se i broj kontaktnih spojeva baterija

U početku je potrebno instalirati akumulatore napunjene 100% iz stacionarnog izvora struje. Akumulatorske baterije moraju u potpunosti pokrivati opterećenja tijekom noćnog razdoblja. Ako vrijeme ne posluži, trebaju održavati potrebne parametre sustava i danju.

Važno je uzeti u obzir da će višak akumulatora dovesti do njihovog stalnog nedovoljnog punjenja. To će značajno smanjiti vijek trajanja. Najracionalnijim rješenjem čini se opremanje bloka baterijama s energetskom rezervom dovoljnom za pokrivanje jedne dnevne potrošnje energije.

Da bismo saznali potrebni ukupni kapacitet baterija, podijelimo ukupnu dnevnu potrošnju energije od 12 000 Wh s 720 Wh i pomnožimo sa 100 Ah:

12 000 / 720 * 100 = 2500 Ah ≈ 1600 Ah

Ukupno će za naš primjer biti potrebno 16 akumulatora kapaciteta 100 ili 8 od 200 Ah, spojenih serijski-paralelno.

Odabir dobrog kontrolera

Kompetentan odabir kontrolera punjenja akumulatorskih baterija (AKB) vrlo je specifičan zadatak. Njegovi ulazni parametri moraju odgovarati odabranim solarnim modulima, a izlazni napon unutarnjoj razlici potencijala solarnog sustava (u našem primjeru – 24 volta).

Dobar kontroler mora obavezno osiguravati:

1. Višestupanjsko punjenje AKB-a, koje višestruko produljuje njihov vijek učinkovitog rada.
2. Automatsko međusobno povezivanje i isključivanje AKB-a i solarne ploče u korelaciji s punjenjem i pražnjenjem.
3. Preusmjeravanje opterećenja s AKB-a na solarnu ploču i obrnuto.

Ova mala jedinica vrlo je važna komponenta.

Ako se dio potrošača (npr. rasvjeta) prebaci na izravno napajanje od 12 volti iz kontrolera, bit će potreban manje snažan, dakle jeftiniji pretvarač

Od pravilnog odabira kontrolera ovisi besprijekoran rad skupog akumulatorskog bloka i uravnoteženost cijelog sustava.

Odabir pretvarača najbolje izvedbe

Pretvarač se odabire snage koja može osigurati dugotrajno vršno opterećenje. Njegov ulazni napon mora odgovarati unutarnjoj razlici potencijala solarnog sustava.

Za najbolji odabir preporučuje se obratiti pozornost na parametre:

1. Oblik i frekvencija izlazne izmjenične struje. Što su bliže sinusoidi od 50 herca – to bolje.
2. Učinkovitost uređaja. Što je viša od 90% – to je izvrsnije.
3. Vlastita potrošnja uređaja. Treba biti usklađena s ukupnom potrošnjom energije sustava. Idealno – do 1%.
4. Sposobnost sklopa da podnese kratkotrajna dvostruka preopterećenja.

Najbolje izvedba – invertor s ugrađenom funkcijom kontrolera.

Sastavljanje kućnog solarnog sustava

Napravili smo vam foto-izbor koji jasno prikazuje proces sastavljanja kućnog solarnog sustava od tvornički proizvedenih modula:

Zaključci i koristan video na temu

Video #1. Prikaz instalacije solarnih panela na krov kuće vlastitim rukama:

Video #2. Odabir akumulatorskih baterija za solarni sustav, vrste, razlike:

Video #3. Vikendica solarna elektrana za one koji sve rade sami:

Razmotrene praktične metode izračuna korak po korak, osnovni princip učinkovitog rada modernog solarnog panela u sklopu kućne autonomne solarne stanice pomoći će vlasnicima i velike kuće u gusto naseljenom području i vikendice u divljini da steknu energetsku neovisnost.

Želite li podijeliti osobno iskustvo koje ste stekli tijekom izgradnje mini solarnog sustava ili samo panela? Imate li pitanja na koja biste željeli dobiti odgovor, pronašli ste nedostatke u tekstu? Ostavite, molimo Vas, komentare u bloku ispod.