Взвесив все положительные и отрицательные моменты использования альтернативных источников энергии, и выбрав использование последних в качестве основного поставщика электрического тока к потребляющим электроприборам, можно приступать к установке модулей на их будущее место работы: то есть балкон или крышу своего дома. Казалось бы, что может быть проще, но возникает вполне логичный вопрос - как соединить так, чтобы максимально и, по возможности, без потерь использовать возможности .

Значение школьного курса физики

Вспоминая обязательную школьную программу по физике, можно отметить, что возможны три варианта соединения :

• параллельное,
• последовательное,
• смешанное, или как его еще называют последовательно-параллельное.

Название каждого соединения возвращает в прошлое на уроки физики. Даже если не получается вспомнить точное определение каждому из указанных терминов, почти все смогут нарисовать или хотя бы своими словами объяснить основные отличия той или иной схемы подключения.

Схема соединения солнечных источников энергии подчиняется все тем же законам школьной физики. Казалось бы, солнечные батареи - высокотехнологичный агрегат, еще недавно бывший основой для написания фантастических произведений, должен подключаться также непонятно, как и сам процесс фотосинтеза, происходящий в панелях, но это далеко не так.

Параллельное соединение солнечных панелей обеспечивает такое подключение моделей, при котором все элементы имеют два общих узла схождения или разветвления проводников. То есть, в каком бы месте и последовательности не происходило соединение выводов солнечных батарей, все минусовые и плюсовые клеммы сойдутся в двух основных точках: соответственно плюс и минус.

Последовательное соединение солнечных модулей дает возможность соединить элементы таким образом, чтобы для протекания электрического тока остался единственно возможный путь, по которому и будет происходить передача энергоносителя от источника к потребителю. Схема выглядит как цепочка нескольких солнечных батарей, соединенных через один проводник таким образом, чтобы выходной конец одной батареи соединялся с входной клеммой другой, и так от первой до последней панели.

Смешанная схема соединения позволяет соединять солнечные батареи одновременно двумя способами. При таком совмещении вариантов некоторые панели формируются в отдельные блоки, имеющие параллельное соединение, а затем эти блоки соединяются между собой последовательно или наоборот.

Отличия в работе модулей соединенных разными схемами

Каждая схема подключения солнечных батарей обеспечивает их бесперебойную работу. Но есть интересные особенности, которые помогут более разумно распорядиться не только самой солнечной электроэнергией, но и сэкономить на отдельных составных элементах всей цепочки автономного электропитания.

На практике это выглядит следующим образом. К примеру, необходимая - 360 Вт. Для набора этой мощности, помимо самих солнечных панелей, можно приобрести пару инверторов напряжением 12 В и мощностью 180 Вт. Соединив эти приборы с помощью параллельного соединения можно выйти на заданную мощность.

Конечно, 360 Вт крайне не достаточно для обеспечения жилой площади достаточным количеством электричества. Поэтому применяются несколько инверторов необходимой мощности.

Но следует помнить, что повышение мощности приведет к увеличению нагрузки на проводящие элементы.

Все это пагубно сказывается на пожарной безопасности, так как неверно рассчитанное сечение провода может привести к плачевным последствиям. Именно поэтому необходимо перед установкой нужны теоретические расчеты о количестве инверторов и их мощности.

Что касается последовательно соединенных солнечных батарей, то тут экономическая составляющая заключается в том, что один инвертор на 24 В, стоит дороже чем два по 12 В. Но установив последние инверторы параллельно, невозможно добиться схемы с напряжением 24 В или 36 В. Зато при последовательной конфигурации можно использовать несколько относительно дешёвых модулей по 12 В.

По такому же принципу выполняется соединение всех элементов солнечных батарей, начиная от самих панелей и заканчивая накопителями, то есть аккумуляторами.

В настоящее время существует множество поставщиков составляющих электросетей для сборки солнечных модулей. Достаточно широкий спектр поможет найти необходимые элементы, которые могут работать по любой из описанных схем.

Солнечные батареи – очень выгодный способ стать независимым от плохой работы общей электросети. Кроме этого, созданная ими электрическая энергия является абсолютно бесплатной.

Особенности подключения

1. Солнечная панель.
2. Устройство, которое контролирует заряд.
3. Аккумулятор.
4. Инвертор.
5. Электрическая сеть дома.

Обязательно в эту схему входят предохранители от короткого замыкания и лампочка , которая показывает уровень нагрузки. Предохранители устанавливаются на провода с положительным зарядом перед аккумулятором, лампочкой, инвертором.

Лампочку и аккумуляторы подключают к контроллеру заряда.

Эта схема предусматривает наличие одной солнечной панели или нескольких, работающих с одинаковой нагрузкой.

Несколько батарей соединены одним проводом, площадь поперечного сечения которого всегда больше 4 мм². Если планируется установить на крыше дома несколько солнечных панелей, и часть из них будет наклонена под другим углом, то схема подключения предусматривает наличие контроллера для каждой панели.

Практика показала:

• Монокристаллические способны генерировать ток в течение 3 десятков лет и даже больше.
• Более дешевые поликристаллические будут работать на протяжении 20 лет.
• Гибкие панели имеют срок службы 7-20 лет. Наиболее короткую «жизнь» имеют изделия первого поколения, наиболее длинную – изделия второго поколения. Главным минусом является быстрая деградация. В течение первых 24 месяцев работы их мощность падает на 10-40%.

Используемые на больших солнечных станциях модули смогли работать с одинаковой мощностью в течение 25 лет. Заявленные в описании характеристики выполнялись на 100%. Это говорит об отсутствии деградации. Некоторые из панелей уменьшили выработку на 10%. Производители гарантировали уменьшение выработки на 20%.

Независимо от срока использования светочувствительные элементы никогда не теряют своей производительности. То есть может пройти 50 лет, и они могут производить такое же количество электроэнергии. На ухудшение выработки влияет разрушения защитных пленок, которые позволяют влаге проникать внутрь панели и вызывать коррозию всех соединений. Этот минус приводит к увеличению сопротивления, чрезмерному нагреву, разрушению соединений. Аккумуляторы могут работать 2-15 лет, силовая электроника – 5-20 лет.

Подключение солнечных батарей не должно вызывать сложностей. Ничего экстраординарного в этой процедуре нет. Но поскольку то и дело я продолжаю получать вопросы по схеме подключения солнечных батарей, я решил написать эту статью и привести иллюстрации, чтобы раз и навсегда снять эти вопросы.

Из физики школьного периода нам известны понятия последовательного, параллельного и последовательно-параллельного (или смешанного) подключения. Ничего в солнечных батареях нет такого, что бы выводило их подключение за рамки понятий школьной физики. Я прекрасно понимаю, что люди задают эти вопросы не потому, что не знают что такое последовательное или параллельное соединение. Знают. Их “пугает” новый предмет рассмотрения - солнечные батареи.

Так вот, скажу ещё раз: ничего такого в солнечных батареях нет. Это всего лишь такой же составной из солнечных модулей прибор, как и все другие, а значит и схемы соединений группы модулей в батареи осуществляются по тем же принципам. После сказанного мною вы воскликните: “Вот в чем дело! А я-то думал!”, и продолжать статью необходимости уже, как бы, и нет.

Тем не менее я продолжу, чтобы уничтожить всякие сомнения, плюс попутно вы получите полезную практическую информацию. Я с бОльшей симпатией отношусь к тем, кто, не боясь показаться глупым, задают вопросы. Это помогает им двигаться вперед, а не казаться умными и стоять на месте.

Три варианта схем подключения

Как мы уже говорили выше, существует три варианта соединений солнечных модулей в солнечные батареи. Давайте посмотрим на первый из них - вариант параллельного соединения (рис. 1):

Рисунок 1.

В этом варианте мы соединяем клемму (+) одного модуля с клеммой (+) второго модуля, так же соединяем и клеммы (-) обоих модулей. От клеммы (+) и клеммы (-) любого из модулей мы выводим концы (жилы) для подключения получившейся группы (батареи) из двух модулей для подключения к, например, контроллеру заряда, если он предусмотрен в нашей солнечной электростанции или к аккумуляторным батареям, в случае, если контроллер заряда батарей не предусмотрен.

Если есть необходимость соединить три модуля в единую батарею, мы поступаем точно также. Соединяем все три клеммы (+), затем - все три клеммы (-) и также выводим концы от клемм (+) и от клемм (-). Не важно сколько батарей приходится соединять, все повторяется точно также.

Вариант два. Последовательное соединение (рис. 2):

Рисунок 2.

В этом случае клемму (+) первого модуля соединяем с клеммой (-) второго модуля. От клеммы (-) первого модуля и от клеммы (+) второго модуля выводим концы для подключения к контроллеру заряда или аккумуляторным батареям. Так же не важно какое количество модулей будете соединять, принцип тот же. Клемма (+) первого на клемму (-) второго, клемма (+) второго на клемму (-) третьего, клемма (+) третьего на клемму (-) четвертого и т. д., ровно столько, сколько модулей вам необходимо соединить.

Ну и, третий вариант. Последовательно-параллельный (рис. 3):

Рисунок 3.

Действительно, иногда приходится прибегать и к этому варианту соединения. Для простоты понимания - вы собираете сначала две группы модулей параллельно, на рисунке левый верхний и левый нижний это первая группа. Правый верхний и правый нижний - вторая группа. После этого соединяете эти две группы последовательно так, как если бы это были не группы, а два модуля. В группе может быть не два модуля, а три и четыре, а таких групп может быть тоже и три и четыре и больше.

На практике это выглядит следующим образом. Так выглядит солнечный модуль с лицевой стороны, т. е. со стороны рабочей его поверхности:

Это его тыльная сторона с расположенной на ней клеммной коробкой. Как раз в ней и следует подключать к клеммам жилы кабеля:

Это его тыльная сторона с расположенной на ней клеммной коробкой. Как раз в ней и следует подключать к клеммам жилы кабеля:

Это сама клеммная коробка с подключенными жилами кабеля. Обратите внимание на то, чтобы жилы кабеля были либо опрессованы наконечником-кольцо, либо, как в моем случае облужены припоем:

А это опрессованные жилы кабеля, предназначенные для подключения в клеммных зажимах уже под крышей дома:

Третья жила у меня резервная. Пока она не задействована, поэтому и не опрессована.

Какая необходимость соединять модули по разным схемам

Смотрите. Мы знаем, что нам необходима мощность солнечной электростанции 160 Вт, а приборы, контроллер заряда, инвертор - на 12 В входного напряжения. Мы приобретаем два 12-ти вольтовых солнечных модуля, каждый по 80 Вт и соединяем их как? Правильно. Параллельно. Тем самым обеспечиваем напряжение схемы 12 В и суммарная мощность модулей будет 160 Вт.

Т. е. мы воспользовались первой параллельной схемой соединения. Если бы нам понадобилась мощность 240 Вт и напряжение 12 В, мы опять бы прибегли к первой схеме, только модулей уже было бы три.

Бывают случаи, когда есть необходимость собрать схему не на 12 В, а на 24 В, 36 В и выше. Для чего это нужно? Дело в том, что чем больше модулей мы устанавливаем, тем больше суммарная мощность солнечных модулей. Это в свою очередь приводит к повышению токов в цепях. Мы же помним закон Ома.

Мощность деленая на напряжение равняется силе тока. Мощность мы увеличиваем, напряжение остается прежним, значит ток увеличивается. Увеличение тока вынуждает нас увеличивать сечение провода. Так вот представьте, количество модулей увеличивается, значит увеличивается площадь покрываемая ими, следовательно увеличивается и длина проводов.

Не забывайте про рекомендацию, которою я давал о коммутации солнечных модулей под крышей дома, в статье . А мы еще и сечение этих проводов должны увеличить. Т. е. следует неизбежное удорожание проводов. Чтобы избежать лишних затрат и перестраивают систему на более высокое напряжение.

Этого можно добиться соединив модули последовательно. Предположим, на рисунке 2 изображены два 12-ти вольтовые модуля. Благодаря последовательной схеме соединения, мы добились, что их можно включить в 24-х вольтовую схему. Что касается смешанного соединения, оно необходимо, когда обе задачи приходится решать одновременно.

Заключение

При использовании разных вариантов схем, следует иметь ввиду некоторые важные вещи влияющие на результирующие электрические характеристики, получающиеся при коммутации модулей в солнечные батареи.

Это важно!

Так, к примеру, в прошлой статье мы говорили, что при последовательном соединении напряжение соединяемых модулей суммируется. Если вы соединяете два 12-ти вольтовые модуля, то результирующим напряжением будет 24 Вольта. Я не беру сейчас во внимание такие понятия, как напряжение холостого хода, ток короткого замыкания и т. д., чтобы не морочить вам голову теорией.

Но мы не говорили о том, что будет с токами, а ведь это важно для вас при выборе, например, контроллера заряда солнечных батарей. На какой входной ток контроллер вам выбирать.

Так вот, необходимо знать: в последовательной схеме результирующий ток будет равен току модуля с наименьшим его значением, т. е. наименьшему току из всех соединяемых последовательно модулей. Именно поэтому рекомендуется последовательно соединять модули с одинаковыми характеристиками, чтобы из-за одного “слабого” модуля не терять мощность, которую могли бы обеспечить модули, будь они все одинаковы.

При параллельном соединении, мы говорили, результирующее напряжение будет равно напряжению одного модуля, независимо от того, сколько вы их соединяете параллельно. А вот результирующий ток будет собой представлять сумму токов всех модулей соединенных параллельно.

Чтобы у вас не вызывало трудностей смешанное (или последовательно-параллельное соединение), смело, образно конечно, дробите всю группу на более мелкие и выяснив ток и напряжение по отдельности каждой мелкой группы, рассматривайте эти мелкие группы как отдельный модуль.

Как видите, ничего сверхзаумного в схеме подключения солнечных батарей нет. Все просто. К стати, этот же принцип соединения касается и аккумуляторных батарей, но это уже отдельная песня. Там есть свои нюансы.

Если вам помогла эта статья нажмите на одну из кнопок социальных сетей, чтобы статья могла помочь и другим.

Альтернативная энергетика становится все доступнее. Эта статья даст вам полное представление о солнечной энергетике локальных масштабов, видах фотоэлементов и панелей, принципах построения солнечных ферм и экономической обоснованности.

Особенности солнечной энергетики в средних широтах

Для жителей средних широт альтернативная энергетика весьма привлекательна. Даже в северных широтах среднегодовая суточная доза излучения составляет 2,3-2,6 кВт·ч/м 2 . Чем ближе к югу — тем выше этот показатель. В Якутске, например, интенсивность солнечного излучения составляет 2,96, а в Хабаровске — 3,69 кВт·ч/м 2 . Показатели в декабре составляют от 7% до 20% от среднегодового значения, а в июне и июле возрастают вдвое.

Вот пример расчета эффективности солнечных панелей для Архангельска — региона с одним из самых низких показателей интенсивности солнечного излучения:

• Q — среднегодовое количество солнечной радиации в регионе (2,29 кВт·ч/м 2);
• К откл — коэффициент отклонения поверхности коллектора от южного направления (среднее значение: 1,05);
• P ном — номинальная мощность солнечной панели;
• К пот — коэффициент потерь в электроустановках (0,85-0,98);
• Q исп — интенсивность излучения, при которой панель испытывалась (обычно 1000 кВт·ч/м 2).

Последние три параметра указываются в паспорте панелей. Таким образом, если в условиях Архангельска работают панели KVAZAR с номинальной мощностью 0,245 кВт, а потери в электроустановке не превышают 7%, то один блок фотоэлементов обеспечит генерацию в размере около 550 Вт·ч. Соответственно, для объекта с номинальным потреблением 10 кВт·ч понадобится около 20 панелей.

Экономическая обоснованность

Сроки окупаемости солнечных панелей посчитать несложно. Умножьте суточное количество производимой энергии в сутки на количество суток в году и на срок эксплуатации панелей без снижения мощности — 30 лет. Рассмотренная выше электроустановка способна генерировать в среднем от 52 до 100 кВт·ч в сутки в зависимости от продолжительности светового дня. Среднее значение составляет около 64 кВт·ч. Таким образом, за 30 лет электростанция в теории должна выработать 700 тыс. кВт·ч. При одноставочном тарифе в 3,87 руб. и стоимости одной панели около 15 000 руб, затраты окупятся за 4-5 лет. Но реальность более прозаична.

Дело в том, что декабрьские значения солнечной радиации меньше среднегодовых примерно на порядок. Поэтому для полностью автономной работы электростанции зимой требуется в 7-8 раз больше панелей, чем летом. Это существенно увеличивает вложения, но уменьшает срок окупаемости. Перспектива введения «зеленого тарифа» выглядит вполне ободряюще, но даже на сегодняшний день можно заключить договор на поставку электроэнергии в сеть по оптовой цене, которая втрое ниже розничного тарифа. И даже этого достаточно, чтобы выгодно продавать 7-8 кратный излишек выработанной электроэнергии в летний период.

Основные типы солнечных панелей

Существует два основных типа солнечных панелей.

Твердые кремниевые фотоэлементы считаются элементами первого поколения и наиболее распространены: около 3/4 рынка. Их существует две разновидности:

• монокристаллические (черного цвета) имеют высокий КПД (0,2-0,24) и малую цену;
• поликристаллические (темно-синего цвета) дешевле в производстве, но менее эффективны (0,12-0,18), хотя при рассеянном свете их КПД снижается меньше.

Мягкие фотоэлементы называют пленочными и изготавливают либо из кремниевого напыления, либо путем многослойной композиции. Кремниевые элементы дешевле в производстве, но их КПД в 2-3 раза ниже кристаллических. Однако при рассеянном свете (сумерки, пасмурность) они эффективнее кристаллических.

Некоторые виды композитных пленок имеют КПД около 0,2 и стоят гораздо больше твердых элементов. Их применение в солнечных электростанциях весьма сомнительно: пленочные панели в большей степени подвержены деградации со временем. Основная область их применения — мобильные энергоустановки с низким потреблением энергии.

Гибридные панели включают помимо блока фотоэлементов также коллектор — систему капиллярных трубок для нагрева воды. Преимущество их не только в экономии площади и возможности горячего водоснабжения. За счет водяного охлаждения фотоэлементы меньше теряют в производительности при нагреве.

Таблица. Обзор производителей

Оборудование гелиоэнергетического комплекса

Батареи генерируют при работе постоянный ток величиной до 40 В. Чтобы использовать его в бытовых целях, требуется ряд преобразований. За это отвечает следующее оборудование:

1. Блок аккумуляторных батарей. Позволяет пользоваться выработанной энергией ночью и в часы малой интенсивности. Используются гелиевые аккумуляторы номинальным напряжением 12, 24 или 48 В.
2. Контроллеры заряда поддерживают оптимальный цикл работы аккумуляторов и переводят требуемую мощность на питание потребителей. Необходимое оборудование подбирается под параметры батарей и аккумуляторов.
3. Инвертор напряжения трансформирует постоянный ток в переменный и имеет ряд дополнительных функций. Во-первых, инвертор устанавливает приоритет источника напряжения, а при недостатке мощности «подмешивает» питание из другого. Гибридные инверторы позволяют также отдавать излишек вырабатываемой энергии в городскую сеть.

1 — солнечные батареи 12 В; 2 — солнечные батареи 24 В; 3 — контроллер заряда; 4 — АКБ 12 В; 5 — освещение 12 В; 6 — инвертор; 7 — автоматика «умного дома»; 8 — блок АКБ 24 В; 9 — аварийный генератор; 10 — основные потребители 220 В

Применение в домашнем хозяйстве

Солнечные панели могут использоваться в абсолютно любых целях: от компенсации получаемой энергии и питания отдельных линий до полной автономизации энергосистемы , включая отопление и горячее водоснабжение. В последнем случае важную роль играет масштабное применение энергосберегающих технологий — рекуператоров и тепловых насосов.

При смешанном использовании гелиоэнергетики используют инверторы. При этом питание может направляться либо на работу отдельных линий или систем, либо частично компенсировать использование городского электричества. Классический пример эффективной энергосистемы — тепловой насос, питаемый небольшой солнечной электростанцией с блоком аккумуляторов.

1 — городская сеть 220 В; 2 — солнечные батареи 12 В; 3 — освещение 12 В; 4 — инвертор; 5 — контроллер заряда; 6 — основные потребители 220 В; 7 — АКБ

Традиционно панели устанавливают на крышах зданий, а в некоторых архитектурных решениях они полностью заменяют кровельное покрытие. При этом панели необходимо ориентировать на южную сторону таким образом, чтобы падение лучей на плоскость было перпендикулярным.

Либо просто хотите организовать независимое электроснабжение участка, первым делом нужно выбрать подходящую электростанцию и разобраться с ее подключением. Как первый, так и второй момент может вызвать множество вопросов, особенно у новичков в электрике. Чтобы читатели « » умели соединять панели между собой и подключать их к домашней сети далее мы рассмотрим наиболее эффективные схемы подключения солнечных батарей к контроллеру, аккумулятору и сети загородного дома!

Итак, первое, о чем Вы должны иметь представление – из чего состоит комплект солнечной электростанции. Основные элементы системы представлены следующими устройствами:

1. Солнечные батареи или как их еще называют солнечные элементы, панели или фотоэлектрические преобразователи. Они нужны для преобразования солнечного света в электроэнергию.
2. Контроллер солнечных панелей. Следит за зарядом и разрядом АКБ. Бывают разных видов – On/Off, PWM, MPPT. Контроллеры перечислены в порядке возростания сложности и эффективности алгоритмов заряда. MPPT – позволяют добиться большей эффективности за счет того, что находят оптимальные параметры напряжения и тока, для закачки максимально возможной мощности в аккумуляторы. Это происходит на основании анализа режима работы в текущий момент и ВАХ солнечной панели. Основная задача контроллера – следить за зарядом АКБ, чтобы не допустить перезаряда или чрезмерного их разряда. Простыми словами, когда аккумуляторная батарея полностью заряжена или разряжена АКБ отключаются от панели или нагрузки.
3. Аккумулятор, предназначен для накопления сгенерированной электроэнергии.
4. Инвертор – преобразовывает 12 Вольт в переменные 220, необходимые для работы домашних электроприборов, системы освещения и бытовой техники.

Обращаем Ваше внимание на то, что между всеми устройствами: контроллером, инвертором, нагрузкой и аккумулятором желательно поставить предохранители, которые защитят систему при !

В простейшем исполнении схема подключения солнечных батарей к контроллеру, аккумулятору, инвертору и нагрузке выглядит следующим образом:

Как Вы видите, особых сложностей в подключении нет, главное соблюдать полярность и подключать все штекеры в нужные разъемы контроллера. В таком варианте очень сложно что-то перепутать. А вот если Вы решили использовать электроэнергию от солнца одновременно со стационарной сетью, схема подключения солнечных батарей в электросеть дома должна выглядеть следующим образом:

Тут нужно пояснить: резервируемая нагрузка – это , котел и, к примеру, холодильник. Не резервируемая – бытовая техника, свет в доме и т.д. Чем больше емкость аккумулятора, тем дольше смогут проработать резервируемые электроприборы в автономном режиме!

Со схемой подключения солнечных батарей к сети переменного тока разобрались. Теперь нужно рассмотреть не менее важную часть вопроса – правильное соединение панелей между собой.

Если у вас готовая солнечная панель, то вам нужно узнать её выходное напряжение и подключить к контроллеру, но они бывают на 12 и 24В и 12/24В. Если у вас солнечная панель рассчитана на работу с 12В аккумуляторами и контролерами нужно соединить их напрямую. Иногда нужно соединять батареи последовательно, чтобы получить нужное напряжение. Поэтому рассмотрим три основных способа соединения. Такие же рекомендации для сборки солнечной батареи своими руками из отдельных ячеек.