Solceller til sommerhus og bolig: typer, funktionsprincip og beregning af solcelleanlæg

Videnskaben har givet os en tid, hvor teknologien til at udnytte solens energi er blevet alment tilgængelig. Enhver boligejer har mulighed for at anskaffe solcellepaneler til hjemmet. Sommerhusejere halter ikke bagud. De befinder sig ofte langt fra centraliserede kilder til stabil elforsyning.

Vi foreslår at du gør dig bekendt med information om opbygning, funktionsprincipper og beregning af et solenergisystems arbejdsenheder. At sætte sig ind i de oplysninger, vi tilbyder, bringer virkeligheden tættere på at forsyne din grund med naturlig elektricitet.

For at lette forståelsen af de præsenterede data vedlægges detaljerede diagrammer, illustrationer, foto- og videoinstruktioner.

Opbygning og funktionsprincip for et solcellepanel

Engang opdagede nysgerrige hjerner for os naturlige stoffer, der under påvirkning af solens lyspartikler, fotoner, genererer elektrisk energi. Processen blev kaldt den fotoelektriske effekt. Videnskabsfolk lærte at kontrollere det mikrofysiske fænomen.

På basis af halvledermaterialer skabte de kompakte elektroniske enheder – fotoceller.

Producenterne havde lært teknologien til at samle miniatureomformere til effektive solpaneler. Virkningsgraden for industrielt masseproducerede solcellemoduler af silicium er 18-22 %.

Ud fra beskrivelsen af diagrammet fremgår det tydeligt: alle kraftværkets komponenter er lige vigtige – systemets samspil afhænger af et velovervejet valg af dem.

Solcellebatteriet samles af moduler. Det er slutpunktet for fotonernes rejse fra Solen til Jorden. Herfra fortsætter de lysstrålingens bestanddele deres vej inden i det elektriske kredsløb som jævnstrømspartikler.

De fordeles til batterierne eller omdannes til vekselstrømsladninger med en spænding på 220 volt, som forsyner alle mulige husholdningstekniske apparater.

Et solcellepanel er et kompleks af seriekoblede halvlederenheder – fotoceller, der omdanner solenergi til elektricitet.

Flere detaljer om solcellepanelets specifikationer og funktionsprincip finder du i en anden populær artikel på vores hjemmeside.

Typer af solcellemoduler/paneler

Solcellemoduler-paneler samles af solceller, også kaldet fotovoltaiske konvertere. To typer af FV-konvertere (fotovoltaiske) er udbredt.

De adskiller sig ved de anvendte typer af halvledere fra silicium, nemlig:

• Polykrystallinske. Dette er solceller fremstillet af smeltet silicium ved langvarig afkøling. Den enkle fremstillingsmetode gør prisen overkommelig, men polykrystallinske cellers effektivitet overstiger ikke 12%.
• Monokrystallinske. Dette er celler fremstillet ved at skære tynde skiver af kunstigt dyrkede siliciumkrystaller. Den mest effektive og dyreste variant. Gennemsnitlig effektivitet omkring 17%, men der findes monokrystallinske fotoceller med højere effektivitet.

Polykrystallinske solceller er flade, firkantede med en ujævn overflade. Monokrystallinske varianter ser ud som tynde firkanter med ensartet overfladestruktur og afskårne hjørner (pseudofirkanter).

Sådan ser fotovoltaiske konvertere ud: solcellemodulets egenskaber afhænger ikke af typen af anvendte celler – det påvirker kun størrelse og pris.

Paneler af den første type er større i størrelse ved samme effekt end den anden type på grund af lavere effektivitet (18% mod 22%). Men de er i gennemsnit omkring ti procent billigere og er mere eftertragtede.

Om regler og nuancer ved valg af solcellepaneler til energiforsyning til autonom opvarmning kan du læse her.

Diagram over solenergiforsyningens funktion

Når man lader blikket glide over de mystisk klingende navne på komponenterne i solcelleanlægget, får man en tanke om en superteknisk kompleksitet.

På fotonens mikroniveau er det sandt. Men visuelt ser det generelle elektriske kredsløb og dets virkemåde meget enkle ud. Fra himmellegemet til 'Ilyichs pære' er der kun fire trin.

Solcellemoduler – den første komponent i kraftværket. Det er tynde rektangulære paneler samlet af et bestemt antal standard fotovoltaiske celler. Producenterne fremstiller fotopaneler med forskellig elektrisk effekt og spænding, som er multipla af 12 volt.

Flade enheder placeres bekvemt på overflader, der er åbne for direkte sollys. Modulblokkene forbindes med genindkoblinger til et solcellebatteri. Batteriets opgave er at omdanne den modtagne solenergi og levere jævnstrøm af en given størrelse.

Elektrisk opladningsoplagringsenheder – batterier til solcellepaneler er kendt af alle. Deres rolle i solenergiforsyningssystemet er traditionel. Når husstandens forbrugere er tilsluttet det centrale elnet, oplades energilagrene med elektricitet.

De akkumulerer også overskuddet, hvis strømmen fra solpanelet er tilstrækkelig til at dække strømforbruget fra de elektriske apparater.

Batteriblokken leverer den nødvendige mængde energi til kredsløbet og opretholder en stabil spænding, så snart forbruget stiger til en højere værdi. Det samme sker for eksempel om natten, når solpanelerne ikke er aktive, eller i perioder med lav solindstråling.

Energiforsyningsskemaet for et hus med solpaneler adskiller sig fra løsninger med solfangere ved muligheden for at lagre energi i et batteri.

Controlleren er en elektronisk mellemled mellem solpanelet og batterierne. Dens rolle er at regulere batteriernes opladningsniveau. Enheden forhindrer, at de koger over på grund af overopladning, eller at spændingen falder under en bestemt grænse, der er nødvendig for stabil drift af hele solcelleanlægget.

Vendende – sådan forklares termen solcelleinverter ordret. Ja, for faktisk udfører denne komponent en funktion, der engang forekom elektrikere som science fiction.

Den omdanner jævnstrømmen fra solpanelet og batterierne til vekselstrøm med en spændingsforskel på 220 volt. Denne spænding er arbejdsspændingen for langt de fleste husholdningsapparater.

Strømmen af solenergi er proportional med solens position: når man installerer modulerne, bør man overveje at justere hældningsvinklen afhængigt af årstiden.

Spidsbelastning og gennemsnitligt dagligt energiforbrug

Glæden ved at have sit eget solcelleanlæg koster stadig en del. Det første skridt på vejen til at udnytte solens energi er at bestemme den optimale spidsbelastning i kilowatt og det rationelle gennemsnitlige daglige energiforbrug i kilowatt-timer for husholdningen eller sommerhuset.

Spidsbelastningen opstår ved behovet for at tænde flere elektriske apparater på én gang, og den bestemmes af deres maksimale samlede effekt under hensyntagen til de forhøjede startkarakteristika for nogle af dem.

Beregningen af det maksimale effektforbrug gør det muligt at identificere, hvilke elektriske apparater der er afgørende for at køre samtidigt, og hvilke der ikke er. Dette bestemmer effektkarakteristikaene for solcelleanlæggets komponenter, det vil sige den endelige pris på enheden.

Det daglige energiforbrug for et elektrisk apparat måles som produktet af dets individuelle effekt og den tid, det har været tilsluttet nettet (forbrugt elektricitet) i løbet af et døgn. Det samlede gennemsnitlige daglige energiforbrug beregnes som summen af den elektricitet, hver forbruger har brugt i løbet af et døgn.

Efterfølgende analyse og optimering af indsamlede data om belastninger og energiforbrug vil sikre den rette sammensætning og efterfølgende drift af solenergisystemet med minimale omkostninger

Energiforbrugsresultatet hjælper med at forholde sig rationelt til forbruget af solenergi. Resultatet af beregningerne er vigtigt for den efterfølgende beregning af batterikapaciteten. Batteriblokkens pris, som er en dyr komponent i systemet, afhænger endnu mere af denne parameter

Beregningsprocedure for energiparametre

Beregningsprocessen starter bogstaveligt talt med et vandret, ternet, udfoldet notesbogsark. Med lette blyantsstreger bliver arket til en formular med tredive kolonner og rækker svarende til antallet af husholdningsapparater

Forberedelse til de aritmetiske beregninger

Den første kolonne tegnes traditionelt – løbenummer. Anden kolonne – navnet på det elektriske apparat. Tredje – dets individuelle strømforbrug

Kolonne fire til syvogtyve – døgnets timer fra 00 til 24. I dem indføres via en vandret brøkstreg:

• i tælleren – apparatets driftstid i den pågældende time i decimal form (0,0);
• i nævneren – igen dets individuelle strømforbrug (denne gentagelse er nødvendig for at beregne timebelastningerne)

Kolonne otteogtyve – den samlede tid, som apparatet er i drift i løbet af døgnet. I kolonne niogtyve – noteres apparatets personlige energiforbrug som resultatet af at gange individuel strømforbrug med driftstid i døgnperioden

Udarbejdelse af en detaljeret specifikation af forbrugere under hensyntagen til timebelastninger vil hjælpe med at beholde flere af de sædvanlige apparater takket være deres rationelle brug

Kolonne tredive er også standard – bemærkning. Den vil være nyttig til mellemberegninger

Udarbejdelse af specifikation over forbrugere

Næste trin i beregningerne – omdannelse af notesbarkens formular til en specifikation af husstandens elforbrugere. Første kolonne er klar. Her indsættes rækkernes løbenumre

I anden kolonne indføres navnene på energiforbrugerne. Det anbefales at starte udfyldningen med elektriske apparater i entreen. Derefter beskrives de andre rum modsat eller med uret (alt efter hvad der passer)

Hvis der er en anden (osv.) etage, er proceduren den samme: fra trappen – rundt. Man må ikke glemme apparater på trappeafsatser og udendørsbelysning

Den tredje kolonne med angivelse af effekt over for navnet på hvert elektrisk apparat er bedst at udfylde samtidig med den anden

Kolonne 4 til 27 svarer hver til en time på dagen. For nemheds skyld kan man straks tegne vandrette linjer midt i rækkerne. De øverste halvdele af linjerne fungerer som tællere, de nederste som nævnere.

Disse kolonner udfyldes række for række. Tællerne udformes selektivt som tidsintervaller i decimalformat (0,0), der angiver driftstiden for det pågældende elektriske apparat i en given timeperiode. Samtidig, hvor tællerne angives, indskrives nævnerne med apparatets effektværdi, taget fra tredje kolonne.

Når alle timekolonnerne er udfyldt, går man videre til beregning af den individuelle daglige driftstid for elektriske apparater, idet man bevæger sig langs rækkerne. Resultaterne registreres i de tilsvarende celler i kolonne 28.

I tilfælde af at solcelleanlægget fungerer som supplement, for at systemet ikke skal køre spildende, kan en del af belastningen tilsluttes til permanent strømforsyning.

Baseret på effekt og driftstid beregnes det daglige energiforbrug for alle forbrugere successivt. Det noteres i cellerne i kolonne 29.

Når alle rækker og kolonner i specifikationen er udfyldt, foretages slutberegninger. Ved at addere effekterne fra nævnerne i timekolonnerne fås belastningerne for hver time. Ved at summere de individuelle daglige energiforbrug i kolonne 29 fra top til bund findes det gennemsnitlige døgnforbrug.

Beregningen inkluderer ikke det fremtidige systems eget forbrug. Denne faktor tages i betragtning med en hjælpekoefficient ved efterfølgende slutberegninger.

Analyse og optimering af de indhentede data

Hvis strømforsyning fra solkraftværket planlægges som backup, hjælper data om timebelastningseffekter og samlet gennemsnitligt døgnenergiforbrug med at minimere forbruget af dyr solcellestrøm.

Dette opnås ved at udelukke energikrævende forbrugere fra brug indtil genoprettelse af den centrale strømforsyning, især i timer med maksimal belastning.

Hvis solenergisystemet designes som en konstant strømkilde, så fremhæves timebelastningsresultaterne. Det er vigtigt at fordele elforbruget i løbet af døgnet på en sådan måde, at man fjerner de kraftigt dominerende maksima og de dybt faldende minima.

Eliminering af spidsbelastninger, udjævning af maksimale belastninger, fjernelse af skarpe fald i energiforbrug over tid gør det muligt at vælge de mest økonomiske varianter af solsystemkomponenter og sikrer en stabil, især driftsikker, langsigtet drift af solkraftværket.

Diagrammet vil afsløre ujævnheden i energiforbruget: vores opgave er at flytte maksima til tidspunktet for største solaktivitet og reducere det samlede daglige forbrug, især om natten.

Den præsenterede tegning viser omdannelsen af den irrationelle tidsplan, der er opnået på grundlag af den udarbejdede specifikation, til en optimal. Det daglige forbrug er reduceret fra 18 til 12 kWh, den gennemsnitlige daglige timebelastning fra 750 til 500 W.

Det samme optimalitetsprincip vil være nyttigt, når man bruger solenergi som backup. Det er måske ikke værd at bruge for meget på at øge kapaciteten af solmoduler og batterier for en midlertidig ulejlighed.

Valg af komponenter til solcelleanlægget

For at forenkle beregningerne vil vi overveje en version, hvor solcellepanelet bruges som den primære elektricitetskilde for et sommerhus. Forbrugeren vil være et typisk sommerhus i Rjasan oblast, hvor der bor fast fra marts til september.

Praktiske beregninger baseret på data fra den ovenfor offentliggjorte rationelle tidsplan for timeforbrug vil gøre argumenterne tydeligere:

• Samlet gennemsnitligt dagligt energiforbrug = 12.000 watt-timer.
• Gennemsnitlig belastning = 500 watt.
• Maksimal belastning 1200 watt.
• Spidsbelastning 1200 x 1,25 = 1500 watt (+25%).

Værdierne vil være nødvendige i beregningerne af den samlede kapacitet af solenergiudstyr og andre arbejdsparametre.

Bestemmelse af solenergianlæggets arbejdsspænding

Det interne driftsspænding for ethvert solsystem er baseret på multipla af 12 volt, da det er den mest almindelige nominelle spænding for batterier. De mest udbredte komponenter i solcelleanlæg: solmoduler, controllere, invertere – produceres til de populære spændinger 12, 24, 48 volt.

Højere spænding gør det muligt at bruge strømkabler med mindre tværsnit – hvilket giver øget pålidelighed af kontakter. På den anden side, hvis batterierne i et 12V-netværk svigter, kan de udskiftes én ad gangen.

I et 24-volts netværk, med hensyn til batteridriftens specifikationer, skal udskiftning kun ske parvis. Et 48V netværk vil kræve udskiftning af alle fire batterier i en gren. Desuden er der ved 48 volt allerede fare for elektrisk stød.

Ved samme kapacitet og omtrent samme pris bør man købe batterier med den størst tilladte afladningsdybde og højeste maksimale strøm.

Hovedvalget af den interne spændingsforskel i systemet afhænger af effektkarakteristika for de invertere, der produceres af moderne industri, og skal tage højde for spidsbelastningens størrelse:

• fra 3 til 6 kW – 48 volt,
• fra 1,5 til 3 kW – 24 eller 48V,
• op til 1,5 kW – 12, 24, 48V.

Når man vælger mellem pålidelighed af ledningsføring og besværet med at skifte batterier, vælger vi i vores eksempel pålidelighed. Fremover vil vi tage udgangspunkt i den beregnede systems driftsspænding på 24 volt.

Sammensætning af solcellebatteriet med solcellemoduler

Formlen for beregning af den nødvendige effekt fra solcelleanlægget ser sådan ud:

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

hvor:

• Rsm = solcelleanlæggets effekt = samlet effekt af solcellemodulerne (paneler, W),
• 1000 = den vedtagne lysfølsomhed for fotovoltaiske omformere (kW/m²)
• Esut = behov for dagligt energiforbrug (kWh, i vores eksempel = 18),
• k = sæsonkoefficient, der tager højde for alle tab (sommer = 0,7; vinter = 0,5),
• Sin = tabelværdi for solindstråling (solstrålingsflux) ved optimal panelhældning (kWh/m²).

Værdien for solindstråling kan fås fra den regionale meteorologiske tjeneste.

Den optimale hældningsvinkel for solpaneler er lig med breddegraden for området:

• forår og efterår,
• plus 15 grader – vinter,
• minus 15 grader – sommer.

Rjazan oblast, som vi behandler i vores eksempel, ligger på den 55. breddegrad.

Den største effekt fra solcelleanlæg opnås ved brug af sporingssystemer, sæsonmæssig ændring af panelernes hældningsvinkel og anvendelse af blandet differens af moduler.

For den valgte periode fra marts til september er den bedste ikke-regulerbare hældning for solcelleanlægget lig med sommerens vinkel på 40⁰ i forhold til jordoverfladen. Ved en sådan opsætning af modulerne er den gennemsnitlige daglige solindstråling i Rjazan i denne periode 4,73. Alle tal er til stede, vi udfører beregningen:

Rsm = 1000 * 12 / ( 0,7 * 4,73 ) ≈ 3.600 watt.

Hvis man tager 100-watt moduler som grundlag for solcelleanlægget, vil der være brug for 36 stykker. De vil veje omkring 300 kg og optage et areal på cirka 5 x 5 m.

Praktisk afprøvede installationsdiagrammer og tilslutningsmuligheder for solcelleanlæg findes her.

Opsætning af akkumulator-energiblokken

Når man vælger batterier, skal man følge disse principper:

1. Almindelige bilbatterier er IKKE egnede til dette formål. Batterier til solcelleanlæg er mærket med 'SOLAR'.
2. Batterier bør kun købes identiske i alle parametre, helst fra samme fabriksparti.
3. Rummet, hvor batteriblokken placeres, skal være varmt. Den optimale temperatur, hvor batterierne leverer fuld effekt, er 25⁰C. Når den falder til -5⁰C, reduceres batteriernes kapacitet med 50%.

Hvis man tager et eksempelbatteri på 12 volt med en kapacitet på 100 ampere-timer til beregning, er det let at regne ud, at det i en hel time kan forsyne forbrugere med en samlet effekt på 1200 watt. Men det er ved fuld afladning, hvilket er yderst uønsket.

For langvarig drift af batterier anbefales det IKKE at lade dem aflade under 70%. Grænsen er 50%. Med 60% som 'det gyldne midtpunkt' lægger vi et energireserve på 720 Wh for hver 100 Ah batterikapacitet (1200 Wh x 60%) til grund for de efterfølgende beregninger.

Det kan være billigere at købe ét batteri med kapacitet 200 Ah end to på 100 Ah, og antallet af batteriforbindelser mindskes også.

Batterierne skal først installeres 100% opladet fra en stationær strømkilde. Batterierne skal fuldt ud dække belastningen i nattetimerne. Hvis vejret ikke er med os, skal de også opretholde de nødvendige systemparametre om dagen.

Det er vigtigt at bemærke, at et overskud af batterier vil føre til konstant underopladning. Det forkorter levetiden betydeligt. Den mest rationelle løsning er at udstyre blokken med batterier med en energireserve, der er tilstrækkelig til at dække ét døgns energiforbrug.

For at finde den nødvendige samlede batterikapacitet dividerer vi det samlede daglige energiforbrug på 12000 Wh med 720 Wh og ganger med 100 Ah:

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

I alt til vores eksempel kræves der 16 batterier med kapacitet 100 Ah eller 8 på 200 Ah, forbundet i serie-parallel.

Valg af en god controller

Grundig udvælgelse af en controller til opladning af batterier er en meget specifik opgave. Dens inputparametre skal passe til de valgte solcellemoduler, og udgangsspændingen skal svare til solsystemets interne spændingsforskel (i vores eksempel 24 volt).

En god controller skal nødvendigvis sikre:

1. Flertrinsopladning af batterier, som markant forlænger deres effektive levetid.
2. Automatisk gensidig tilslutning og frakobling af batterier og solcellepanel i korrelation med opladning og afladning.
3. Omskiftning af belastning fra batteri til solcellepanel og omvendt.

Denne lille enhed er en meget vigtig komponent.

Hvis nogle forbrugere (f.eks. belysning) overføres til direkte 12 volt strøm fra controlleren, vil der være brug for en mindre kraftig og dermed billigere inverter.

Det korrekte valg af controller afgør den sikre drift af den dyre batteriblok og balancen i hele systemet.

Valg af inverter i bedste udførelse

Inverteren vælges med en effekt, der kan dække den langsigtede spidsbelastning. Dens indgangsspænding skal svare til solsystemets interne spændingsforskel.

For det bedste valg anbefales det at være opmærksom på parametre:

1. Form og frekvens af den leverede vekselstrøm. Jo tættere på en sinusbølge ved 50 Hz, desto bedre.
2. Enhedens virkningsgrad. Jo højere den er over 90 % – desto bedre.
3. Enhedens eget strømforbrug. Det bør stå i forhold til systemets samlede energiforbrug. Ideelt set under 1 %.
4. Komponentens evne til at modstå kortvarige dobbelte overbelastninger.

Den bedste løsning – en inverter med indbygget controllerfunktion.

Samling af et husholdningssolcelleanlæg

Vi har lavet et fotoudvalg til dig, som tydeligt viser processen med at samle et husholdningssolcelleanlæg af fabriksfremstillede moduler:

Konklusioner og nyttig video om emnet

Video #1. Demonstration af installation af solpaneler på husets tag selv:

Video #2. Valg af batterier til solcelleanlæg, typer, forskelle:

Video #3. Sommerhussolcellekraftværk for dem, der gør alt selv:

De gennemgåede trinvise praktiske beregningsmetoder og hovedprincippet for effektiv drift af et moderne solpanel i et hjemligt autonomt solcelleanlæg vil hjælpe ejere af både et stort hus i et tætbefolket område og et sommerhus i ødemarken med at opnå energiuafhængighed.

Ønsker du at dele personlige erfaringer, du har fået under opførelsen af et mini-solcelleanlæg eller kun et panel? Har du spørgsmål, du gerne vil have svar på, eller har du fundet fejl i teksten? Skriv venligst kommentarer i boksen nedenfor.