Схемы монтажа и способы подключения солнечных батарей

Как подключить?

Самым важным правилом подключения накопителей Солнца можно обозначить соблюдение всех существующих правил безопасности. Это именно их берут за основу при составлении актуальных схем по подключению. Чаще всего при обустройстве системы энергоснабжения на основе солнечных панелей используется более одного элемента накопления энергии. Это нужно для увеличения напряжения и емкости.

При подключении гелиосистем в настоящее время используют три схемы.

• Последовательно объединенные системы. Емкость в этом случае равна емкости одного элемента системы. Напряжение высчитывается как сумма всех значений по всей цепи элементов.
• Параллельное соединение системы. Напряжение в такой схеме приравнивается к значению одного из элементов. Емкость по всей цепи суммируется.
• Комбинированное соединение батарей. Этот вариант позволяет использовать два предыдущих принципа.

Одним из принципов безопасного подключения является необходимость использования аккумуляторов одного вида: у них должны быть одинаковыми емкость и напряжение, возраст. Желательно использовать элементы питания одного производителя. Следует устанавливать их на стеллажи в случае большого количества. Последовательная и комбинированная схемы часто приводят к разбалансировке всей системы. Применяя оба варианта, в обязательном порядке следует использовать контроллеры. Раз в год в таких схемах нужно проверять емкость каждого составного элемента с помощью зарядки и разрядки. С той же целью советуют использовать специальные перемычки для выравнивания.

В общем же нужно правильно посчитать мощность вырабатываемой электроэнергии. После этого определяется необходимое количество модулей. В конце всего этого можно говорить о предпочитаемом типе накопительного элемента. Одним из неукоснительных правил можно считать запрет на установку в гелиосистемах накопителей длительной эксплуатации. Однако продолжительность жизни расходного материала можно увеличить.

Для этого нужно постоянно контролировать следующие аспекты:

• температура (оптимальная цифра составляет десять градусов по Цельсию);
• вентиляционная система (должна соответствовать требованиям эксплуатации аккумуляторных накопителей; с ее помощью следует отводить взрывоопасные газы);
• емкость (при неправильных подсчетах подача энергии прекратится);
• контроль зарядки и разрядки (несоблюдение приводит к выходу из строя, поломкам);
• техническое обслуживание (позволяет обнаружить поломки на ранних стадиях).

Виды аккумуляторов на солнечных батареях

Автомобильные стартерные батареи (WET)

Для маленьких гелиосистем вполне будет достаточно обычного автомобильного аккумулятора. Это значительно удешевит всю систему в сборе, правда менять такие батареи придется чаще. Все дело в режиме работы, на который они рассчитаны.

Автоаккумуляторы отдают большой ток за короткий промежуток времени, затем снова подзаряжаются. Солнечная система предполагает маленькое потребление в течение долгого времени до глубокого разряда. Такая схема работы оказывается смертельной для аккумулятора.

Устанавливать автоаккумуляторы лучше в отдельной подсобке. Все дело в том, что при перезарядке и повышении напряжения батарея начинает кипеть. Это приводит к скоплению паров гидролиза в помещении, поэтому оно должно быть отдельным и хорошо вентилируемым.

Аккумуляторы AGM и GEL

Это тоже свинцово-кислотные аккумуляторы. Правда, электролит – не в жидком состоянии. В первом случае электролитом пропитывается стекловолокно, во втором – электролит находится в гелеобразном состоянии. С солнечными системами они работают намного лучше.

Гелевый аккумулятор

Данные аккумуляторы не боятся глубокого разряда и циклов перезарядки способны выдержать намного больше. Есть у них и минусы. Они требуют “правильной зарядки” и боятся перезаряда, не любят скачков напряжения. Поэтому требуют установки хорошего контроллера, который будет точно фиксировать окончание заряда. По стоимости превосходят своих простых кислотных братьев. Могут стоить в два раза дороже, чем аналогичные кислотные.

Аккумуляторы OpzS

Это свинцово-кислотные батареи, в которых электролит находится в жидком виде, но с одним конструктивным отличием. Плюсовая пластина делается в трубчатом виде. Благодаря такому решению, возрастает число циклов перезарядки. Существуют модели ёмкостью от 40 до 3500 Ач.

Их применяют в разных системах, которые используют накопление энергии. Ещё одна сфера применения – телекоммуникации. Перезаряда не боятся и очень посты в обслуживании. Могут проработать до 20 лет. Стоят такие аккумуляторы для солнечных батарей  дорого. Ввиду этого их применение целесообразно в модных гелиосистем.

Щелочные

Основное применение таких аккумуляторов как тяговых. Они хорошо справляются с глубоким разрядом, даже если это большие токи. Однако из-за маленькой энергетической плотности имеют большие размеры, чем их свинцовые собратья. Также они обладают эффектом памяти. Если их заряжать после неполной зарядки, то они утратят часть своей ёмкости. Солнечная система не предполагает полной разрядки батареи, значит, необходимо рассчитывать, что она постепенно будет терять свою ёмкость.

Системы, работающие от гелиосистем, например, это уличное освещение, подключенное к солнечному генератору, вполне могут обходиться никель-металлогидридными аккумуляторами.

Литиевые батареи

Использование таких АКБ не очень популярно в солнечных генераторах из-за их высокой стоимости. Судить об их эффективности сложно из-за малого числа примеров использования. Обладают высокой энергоемкостью, из-за чего малы в размерах, по сравнению с щелочными при таких же параметрах.

Хорошо справляются с глубоким разрядом и заряжаются очень быстро. Однако, помимо высокой стоимости самих аккумуляторов, дорога система их зарядки, так как они боятся превышения заряда и перегрева.

Особенности выбора

Большинство производителей стараются выпускать внешние аккумуляторы для отдельных групп девайсов: смартфонов и мобильных телефонов, планшетов, ноутбуков

Во многих случаях достаточно обращать внимание на мощность батареи и емкость АКБ. При этом указанный производителем второй показатель нужно сразу делить на два

Чтобы заряжать в дороге:

1. Мобильные телефоны, смартфоны, КПК, GPS-навигаторы, нужно искать модели, в которых мощность солнечной батареи больше 0,5 Вт, и емкость АКБ равна 2000-5000 мА/ч.
2. Фотоаппараты, видеокамеры и планшеты, нужно подбирать панель мощностью от 0,8 Вт и АКБ емкостью больше 4 мА/ч.
3. Ноутбуки и подобную мощную технику, солнечная батарея должна иметь мощность больше 1,5 Вт (оптимальной цифрой является 15 Вт), а АКБ – емкость больше 10 000 мА/ч.

Перед выбором нужно:

1. Определить, какие мобильные устройства должен заряжать внешний источник питания.
2. Изучить емкость батареи мобильных устройств и характеристики тока, необходимого для подзарядки.
3. Выбрать такую переносную батарею, с которой выходит ток с необходимыми характеристиками. Половина емкости батареи питания должна быть хотя бы в два раза больше емкости аккумулятора мобильного устройства.
4. Изучить мощность встроенных солнечных панелей и подобрать наиболее производительную.

Как выбрать

Если у вас ранее не было опыта работы с такими приборами, обратите внимание на следующие рекомендации:

• Выбирайте устройства нужной мощности. Планируете заряжать старый телефон? Вам вполне подойдет недорогая батарея на 5Вт. Смартфонам и планшетам нового поколения этого не достаточно, поэтому отдавайте предпочтение приборам мощностью 10-15Вт.
• Удостоверьтесь, что производитель предусмотрел функцию автоматической настройки. Это позволит пользователю в условиях переменной облачности не производить ручные запуски зарядки.
• Минимальные требования к установке. Хорошо, если модель не нуждается в особых условиях и большом количестве времени на установку.
• Учитывайте вес. Слишком тяжелые приборы вызывают трудности при транспортировке.
• Тип устройства. При выборе помните, что вы не сможете приобрести универсальный аппарат, который бы эффективно заряжал все ваши устройства.

Способы подключения контроллеров

Рассматривая тему подключений, сразу нужно отметить: для установки каждого отдельно взятого аппарата характерной чертой является работа с конкретной серией солнечных панелей.

Так, например, если используется контроллер, рассчитанный на максимум  входного напряжения 100 вольт, серия солнечных панелей должна выдавать на выходе напряжение не больше этого значения.

Любая солнечная энергетическая установка действует по правилу баланса выходного и входного напряжений первой ступени. Верхняя граница напряжения контроллера должна соответствовать верхней границе напряжения панели

Прежде чем подключать аппарат, необходимо определиться с местом его физической установки. Согласно правилам, местом установки следует выбирать сухие, хорошо проветриваемые помещения. Исключается присутствие рядом с устройством легковоспламеняющихся материалов.

Техника подключения моделей PWM

Практически все производители PWM-контроллеров требуют соблюдать точную последовательность подключения приборов.

Техника соединения контроллеров PWM с периферийными устройствами особыми сложностями не выделяется. Каждая плата оснащена маркированными клеммами. Здесь попросту требуется соблюдать последовательность действий

Подключать периферийные устройства нужно в полном соответствии с обозначениями контактных клемм:

1. Соединить провода АКБ на клеммах прибора для аккумулятора в соответствии с указанной полярностью.
2. Непосредственно в точке контакта положительного провода включить защитный предохранитель.
3. На контактах контроллера, предназначенных для солнечной панели, закрепить проводники, выходящие от солнечной батареи панелей. Соблюдать полярность.
4. Подключить к выводам нагрузки прибора контрольную лампу соответствующего напряжения (обычно 12/24В).

Указанная последовательность не должна нарушаться. К примеру, подключать солнечные панели в первую очередь при неподключенном аккумуляторе категорически запрещается. Такими действиями пользователь рискует «сжечь» прибор. В этом материале более подробно описана схема сборки солнечных батарей с аккумулятором.

Также для контроллеров серии PWM недопустимо подключение инвертора напряжения на клеммы нагрузки контроллера. Инвертор следует соединять непосредственно с клеммами АКБ.

Порядок подключения приборов MPPT

Общие требования по физической инсталляции для этого вида аппаратов не отличаются от предыдущих систем. Но технологическая установка зачастую несколько иная, так как контроллеры MPPT зачастую рассматриваются аппаратами более мощными.

Для контроллеров, рассчитанных под высокие уровни мощностей, на соединениях силовых цепей рекомендуется применять кабели больших сечений, оснащённые металлическими концевиками

Например, для мощных систем эти требования дополняются тем, что производители рекомендуют брать кабель для линий силовых подключений, рассчитанный на плотность тока не менее чем 4 А/мм2. То есть, например, для контроллера на ток 60 А нужен кабель для подключения к АКБ сечением не меньше 20 мм2.

Соединительные кабели обязательно оснащаются медными наконечниками, плотно обжатыми специальным инструментом. Отрицательные клеммы солнечной панели и аккумулятора необходимо оснастить переходниками с предохранителями и выключателями.

Такой подход исключает энергетические потери и обеспечивает безопасную эксплуатацию установки.

Структурная схема подключения мощного контроллера MPPT: 1 – солнечная панель; 2 – контроллер MPPT; 3 – клеммник; 4,5 – предохранители плавкие; 6 – выключатель питания контроллера; 7,8 – земляная шина

Перед подключением солнечных панелей к прибору следует убедиться, что напряжение на клеммах соответствует или меньше напряжения, которое допустимо подавать на вход контроллера.

Подключение периферии к аппарату MTTP:

1. Выключатели панели и аккумулятора перевести в положение «отключено».
2. Извлечь защитные предохранители на панели и аккумуляторе.
3. Соединить кабелем клеммы аккумулятора с клеммами контроллера для АКБ.
4. Подключить кабелем выводы солнечной панели с клеммами контроллера, обозначенными соответствующим знаком.
5. Соединить кабелем клемму заземления с шиной «земли».
6. Установить температурный датчик на контроллере согласно инструкции.

После этих действий необходимо вставить на место ранее извлечённый предохранитель АКБ и перевести выключатель в положение «включено». На экране контроллера появится сигнал обнаружения аккумулятора.

Далее, после непродолжительной паузы (1-2 мин), поставить на место ранее извлечённый предохранитель солнечной панели и перевести выключатель панели в положение «включено».

Емкость

При расчете емкости устанавливаемых в систему солнечной электростанции аккумуляторов следует учитывать следующие параметры:

Температура эксплуатации аккумулятроных батарей – от нее напрямую зависит емкость. Емкость АКБ указывается при температуре окружающей среды в 20°С, а уже при 0°С – емкость снижается до 80%. В общем, вот таблица:

Емкость аккумулятора в зависимости от температуры

В нижней части таблицы указывается коэффициент, на который необходимо умножить емкость в зависимости от температурных условий. Становится понятным, что аккумуляторы выгоднее хранить в отапливаемом помещении.

Уровень допустимого разряда. Батареи нельзя разряжать на все 100% — так они очень быстро выходят из строя, поэтому остаточный ток должен составлять не менее 60-70% и чем больше этот %, тем дольше служит аккумулятор в солнечной электростанции.

Что подключается. К сожалению, стоимость аккумуляторных батарей на данный момент такова, что полностью заменить потребление всех токоприемников с их помощью невозможна. Поэтому под аккумуляторы не подключают ни стиральные машины, ни пылесосы, ни другие мощные потребители. Подключается освещение, холодильник, компьютер/ноутбук.

КПД инвертора. Современные преобразователи постоянного тока в переменный весьма производительны, но не превышают 96%,т.е. 4% вы будете терять гарантированно. Подключение светодиодного освещения напрямую к сети в 12В значительно снижает потери.

При различных подходах к экономии электричества, ваши показатели в таблице могут значительно отличаться.

Токоприемники, способные кормиться от аккумуляторов

• Переводим потребляемую мощность в амперы 6000 Вт / 12 вольт = 500 А
• 500 А /1,03 = 515 А (делим на коэффициент, при использовании аккумулятора при t = 25°С
• 515 А / 0,3 = 1716 А (делим на % допустимого разряда батареи)
• 585,73 А/ 0,96 = 1787 А (делим на КПД инвертора).

Как видим, для обеспечения 6 кВт в сутки понадобится аккумуляторы, общей емкостью не менее 1787 А/ч

Аккумуляторы по типам

Для солнечной энергетики ценность имеют емкие аккумуляторы

Количество циклов заряда также важно, от этого зависит периодичность смены вышедших из строя устройств. Оба фактора непосредственно устанавливаются используемыми технологиями и применяемыми химическими реакциями в батарее

Существуют следующие виды в зависимости от электролитической составляющей:

• Аккумуляторы, в которых электролит находится в виде геля. Такие конструкции не требуют периодического обслуживания в процессе эксплуатации. Что касается химической основы, — это обычные свинцово-кислотные батареи. Применение геля в качестве основы электролита дополнительно дает увеличение количества циклов заряда, за счет отсутствия связывания проницаемого ионами вещества с частями материала анода. Другими словами, у таких аккумуляторов меньше падает кислотность электролита, что дает возможность отказаться от периодического поднятия его плотности в процессе использования батареи. Аккумуляторы такого типа обозначаются, как «GEL» на корпусе. Их, наверное, самый большой минус — непереносимость перезаряда или пополнения слишком высокими токами.
• Обычные AGM. Свинцово-кислотные АКБ, распространенные и зачастую используемые в транспорте. В аккумуляторах этого типа основой реакции служит связка химического обмена ионами между контактами свинца с преобразованием его в оксид металла. Электролитом служит раствор серной кислоты. Как раз последний фактор и обеспечивает минус у таких батарей — жидкость, кроме того, что может закипеть, еще и постоянно теряет свою кислотность из-за оседающих в ней остатков от химических реакций обмена. Такие аккумуляторы требуют периодического повышения плотности в процессе эксплуатации. Уровень электролита в одном положении, относительно пластин электродов, поддерживается пропиткой им специальных матов из стекловолокна.
• Аккумуляторы, в которых в качестве электролита используется щелочная основа. Материал, применяющийся для пластин электродов — водородный металлогидридный сплав никеля с лантаном или литием в качестве анода, и оксид никеля для катода. Электролитом служит сильнощелочной раствор гидроксида калия (KOH). Маркируются такие аккумуляторы, как NiMH. Плюс подобной батареи — отсутствие «эффекта памяти», что позволяет заряжать ее полностью, вне зависимости от текущего уровня запасенной энергии. Кроме того, они абсолютно безопасны для экологии. Минус — ограниченный срок службы и малое количество циклов.

Также аккумуляторы для солнечных панелей различают по металлам, используемым в качестве основы анода и катода. Среди них:

• Уже упомянутые свинцово-кислотные батареи, основа которых — свинец (Pl), что обязательно бывает отмечено на корпусе накопителя;
• Никель-кадмиевые, в которых анод изготавливается из гидрата закиси кадмия Cd(OH)2 или его металлического варианта Cd. Применяемый электролит состоит из смеси гидроксидов лития (LiOH) и кадмия (KOH). Катод выполнен путем соединения графитового порошка с гидратом закиси никеля Ni(OH)2. Обычно батареи такого типа маркируются, как NiCd. Характерным минусом служит долгое время заряда и относительно невысокая емкость АКБ, которая еще и уменьшается в процессе эксплуатации из-за сильно выраженного «эффекта памяти» никель-кадмиевых накопителей. Плюсом служит — низкая цена в соотношении с аналогами и малый нагрев при зарядке.
• Литий ионные с пометкой Li-ion на корпусе. Анод в них выполнен на основе графита, нанесенного на алюминиевую фольгу, а катод с использованием кобальтита лития (LiCoO2) на тонкой медной поверхности. Литиевые аккумуляторы характеризуются низким уровнем саморазряда и быстрым набором энергии. К сожалению, взрывоопасны при неправильном использовании. Еще один минус — они дороги.

Применяются и другие виды по структуре и составу аккумуляторные батареи, но частота их использования с солнечными панелями практически равна нулю.

Аккумулятор на солнечных батареях для телефона

Внешне аккумулятор на солнечных батареях напоминает обычное внешнее устройство для передачи энергии, с разъемами USB mini и micro, с переходниками. Отличие их в панели с фотоэлементами. На приборе есть индикатор уровня заряда, по нему определяют, способно ли устройство поделиться зарядом. Внешний аккумулятор для телефона, донор, должен иметь двойную емкость акцептора, полученную от солнечной батареи или от сети.

Солнечная батарея получает полный заряд при ярком солнце за 12-50 часов. Она способна передать энергию для зарядки кнопочного телефона в течение 2 часов, смартфон будет запитывыться вдвое дольше. Батарею нужно предварительно зарядить от сети. Тогда фотонов в атмосфере будет достаточно, чтобы пополнить заряд даже в пасмурную погоду. Портативный аккумулятор, с источником энергии в виде солнечной батареи может выдавать напряжение до 12 В. Этого достаточно для подзарядки многих устройств. Выбрать поверблок большей или меньшей емкости и мощности от различных производителей, доступно.

Устройство с подпиткой от солнечной батареи оборудован аккумулятором с контроллером заряда и разряда, встроенной солнечной панеллью, с преобразователем солнечной энергии в электрическую. Комплект спрятан в надежный корпус, предусмотрены нужные разъемы. Для защищенных устройств характерен корпус из резины, обеспечивающий лучшую защиту от намокания аппарата и воздействия ударных нагрузок.

Важным компонентом внешней солнечной батареи служит аккумулятор. Какой накопитель энергии устанавливается в комплекте повербанка? Для небольших устройств – планшетов и телефонов используются литиевые аккумуляторы с большим циклом зарядов. Но есть металлогидридные, никель-кадмиевые, гелевые элементы.

Батареи упакованы в корпус, от их характеристик зависит, сможет ли солнечная батарея быть использована для зарядки автомобильного аккумулятора, телефона или ноутбука.

Внешний аккумулятор ценится, в зависимости от размера солнечных батарей, производителя и технических характеристик. Самый простой повербанк на солнечных батареях можно купить за 1000 рублей, но чем лучше комплектация и мощность прибора, тем выше цена. Самые функциональные зарядники стоят около 5 тысяч рублей.

Выбирая устройство, нужно понимать, чем выше рабочие параметры, тем больший вес имеет внешняя солнечная батарея

Для автомобильных аккумуляторов это не критично, для пешего похода, важно. Полезно знать, что монокристаллические черные панели имеют большую эффективность поглощения энергии, чем поликристаллические, синие

Устройство солнечной батареи

Планируя выполнить подключение солнечных панелей собственноручно, необходимо иметь представление, из каких элементов состоит система.

Солнечные панели состоят из комплекта батарей на фотоэлектрических элементах, основное предназначение которых – преобразовывать солнечную энергию в электрическую. Сила тока системы зависит от интенсивности света: чем ярче излучения, тем больший ток генерируется.

Галерея изображенийСолнечные батареи — составные части мини электростанции, способной частично снабдить электроэнергией частный домИспользование солнечной энергии предоставит возможность сократить расходы на содержание автономных объектов и забыть о перерывах в поставке в регионах с нестабильно работающей электросетьюКоличество солнечных батарей, объединяемых в мини-электростанцию, подбирают, исходя из решаемых задач и потребности в электроэнергииВ сооружении автономных солнечных электростанций используют панели из моно- и поликристаллических фотоэлектрических ячеек. Они отличаются производительностью и ценойДля получения, хранения, распределения и поставки заряда к электроприборам солнечные панели снабжают аппаратуройАккумуляторы необходимы для накопления заряда, полученного в солнечное время, и расхода его в вечерние часы и пасмурные дниКонтроллеры нужны для поддержки постоянного напряжения на выходе перед подачей в приборы и для защиты технических устройств от перегреваИнвертор в схеме с солнечными батареями требуется для преобразования постоянного тока в переменный, необходимый для питания бытового оборудования и оргтехникиМонтаж солнечной электростанции на крышеИсточник резервного электропитанияУстановка солнечных батарей на крышеСистема из монокристаллических солнечных панелейАппаратура для работы частной гелиосистемыБатарея аккумуляторов для солнечных панелейКонтроллер для функционала гелиобатарейИнвертор в схеме с солнечными батареями

Основными 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.

Помимо солнечного модуля в устройство такой электростанции входят фотоэлектрические преобразователи – контроллер и инвертор, а также подключенные к ним аккумуляторы

В ночной период, когда показатель напряжения аккумуляторов достигает предельно низкой отметки в 11 Вольт, контроллер останавливает работу электростанции.

Критерии выбора аккумулятора для солнечных батарей

Каждый, кто имеет цель обеспечить дом электроэнергией с помощью солнечных батарей, задается вопросом, какие аккумуляторы являются наилучшим и наиболее подходящим вариантом для создания солнечной электростанции. Мы поможем определить, какой аккумулятор выбрать в этом случае.

При выборе модели батареи необходимо руководствоваться соотношением указанных характеристик к условиям использования

Параметры, на которые следует обращать внимание при покупке, описаны ниже

1. Ресурс циклов «заряда-разряда». Эта характеристика позволяет предположить приблизительный срок эксплуатации батареи.
2. Показатель скорости процесса зарядки и разряда. Этот показатель также влияет на период службы устройства.
3. Показатель саморазряда устройства. Это также влияет на изнашиваемость аккумулятора.
4. Объем емкости аккумулятора. Данный параметр помогает определить мощность, с которой может работать прибор.
5. Максимальное значение тока при заряде и разряде. Значение при заряде определяет, какой ток может принять прибор. Значение при разряде определяет, какой ток может отдать устройство без ущерба для функционирования.
6. Вес и габариты устройства. Эти параметры необходимы, чтобы составить схему подключения аккумуляторов, а также определить их местоположение.
7. Условия использования АКБ. Это следует учитывать по причине того, что разные модели работают при разных температурных режимах.
8. Обслуживание. В инструкции должно быть указано, каких мер по обслуживанию требует каждая конкретная модель. Но это не является основным параметром, который может повлиять на ваш выбор.

Для полноценного функционирования солнечной электростанции следует учитывать технические характеристики всех составляющих этой системы. Надеемся, что вышеизложенная информация поможет вам выбрать подходящий аккумулятор для системы энергоснабжения с помощью солнечной энергии.