Солнечная электростанция для дома: выбираем и устанавливаем самостоятельно

Излучение солнца равняется 1353 Вт/час на 1 квадратный метр поверхности. Проходя сквозь атмосферу планеты, эта величина становится заметно меньше из-за эффектов рассеяния и поглощения водяными парами, газами, пылью. Огромное влияние оказывают такие факторы, как угол нахождения солнца над горизонтом, высота над уровнем моря и сотни других параметров.

Учеными составлены весьма точные карты и таблицы, где показана величина интенсивности солнечной радиации для любой точки Земли. Этот показатель, называемый иррадиацией, в разных местах меняется в очень широких пределах. В жарких пустынях юга он может составлять 2000-2500 кВт на квадратный метр в год, в странах северной Европы – около 1000 кВт в год. Даже в России достаточно много мест, в которых солнце светит больше 2000 часов в году. Это весь Южный федеральный округ, территории вдоль границы с Казахстаном и Китаем, большие участки Дальнего Востока и Приморья.

Чтобы преобразовать солнечные лучи в электричество, можно использовать разные технологические решения. Испытывались способы нагревать с их помощью рабочее тело (жидкость или газ) для вращения лопаток турбины, использовать экзотические схемы двигателей внешнего сгорания (генераторы Стирлинга) и многие другие. Но самым доступным остается способ прямого преобразования энергии фотонов света в движение электронов – фотоэлектрический эффект.

Теоретически солнечная панель способна вырабатывать энергию вне зависимости от времени года и в морозные пасмурные дни. Только эффективность системы при низкой освещенности на порядки ниже, чем ясным летним днем. Поэтому создать количество энергии для питания среднего частного дома получится в любой точке страны, но местами для этого может потребоваться слишком много панелей.

Чтобы оценить, насколько привлекательна идея о переходе на собственное электропитание от солнца, нужно представлять среднюю стоимость оборудования типовой мощности. В конце 2021 года эти цифры составляли:

• Комплект оборудования для полностью автономной генерации 1 кВт/час за сутки – от 150 тысяч рублей.
• Автономная солнечная электростанция мощностью 3 кВт/час за сутки – цена в пределах 250 – 300 тысяч рублей.
• Сетевая солнечная станция (без накопительных АКБ) на 1 кВт/сутки – около 25 тысяч рублей.

Зная эти параметры, можно оценить стоимость 1 киловатта электроэнергии солнечной генерации по каждому из компонентов системы. Для этого нужно учесть такие факторы, как цена и срок службы конкретных видов оборудования, вошедших в систему.

Такие расчеты достаточно сложны, требуют знания постоянно меняющихся цен на рынке. Чтобы понять общую привлекательность устройства в доме собственной электростанции на солнечных батареях, можно довериться выводам экспертов.

Они сравнили расходы на покупку и обслуживание автономной солнечной энергосистемы с аналогичными значениями для других вариантов устройства сети. Базой для сравнения выбрали генерацию с применением генераторов с приводом от бензиновых или дизельных ДВС. Их расход горючего по техническим характеристикам 0,6 литра на 1 кВт/час.

Выводы показали, что автономная система на солнечных батареях мощностью 1 кВт в год произведет количество энергии на 25 000 рублей. При цене комплекта оборудования 150 тысяч рублей оно окупится меньше, чем за 6 лет. Но не учтена необходимость каждые 2 года менять генератор взамен износившегося. Так как цена генератора сегодня в пределах 30 – 50 тысяч рублей, фактическая окупаемость солнечной станции окажется в пределах 2 – 3 лет.

Сравнили выгоду от солнечных батарей и с электроэнергией, поступающей из сети. Сегодня цена сетевого электричества для граждан в пределах 5 рублей за кВт/час. В год от солнца можно получить около 1000 кВт/час при мощности оборудования 1 кВт. Такая автономная станция окупится приблизительно за 15 лет, если стоимость электричества в энергосетях останется без изменений. Динамика изменения тарифов за время с 2001 по 2021 год по стране показывает рост больше, чем в 20 раз. Даже прогнозируя цену 1 кВт электричества через 10 лет в районе 15 рублей, окупаемость автономной системы окажется порядка 12 – 15 лет. Следующие 15-20 лет (срок службы панелей) система будет вырабатывать абсолютно бесплатное электричество.

Основным элементом любой СЭС (солнечной электрической станции) станут фотоэлектрические панели, которые превращают энергию солнца в электроэнергию. Но поток лучистой энергии не постоянный, он сильно меняется в разное время дня и полностью прекращается в сумерки. Поэтому подключать домашние электроприборы непосредственно к выводам батарей не получится. Требуется система, которая сохраняет, преобразует и распределяет заряд.

• Аккумуляторные батареи (АКБ). Их задача – принять и накопить излишки энергии, которая получена от панелей в светлое время. Ночью или в пасмурную погоду поток электричества от панелей в автономную сеть пропадает или заметно снижается. В такие моменты аккумуляторы возвращают потребителям собранную ранее энергию.
• Контроллер заряда. Это электронный прибор, который выполняет целый набор функций. Он следит за уровнем зарядки АКБ и не дает возможности перезарядить батареи выше установленного максимума. Также контроллер может следить, чтобы аккумулятор не отдавал слишком много энергии и не оказался полностью разряженным. Обе ситуации губительны для источников тока, после которых АКБ может полностью прийти в негодность. Постоянно контролируя параметры напряжения и тока, контроллер оптимизирует режимы солнечных батарей.
• Инвертор. Это устройство преобразует постоянный ток 12 или 24 В, идущий от панелей и аккумуляторов, в стандарт переменного напряжения 220 В. Благодаря ему возникает возможность использовать обычные бытовые приборы. Есть много марок инверторов с разными ценами. Один из главных показателей, на которые обращают внимание при выборе – вид графика напряжения. Лучший вариант здесь будет синусоидальным, что соответствует параметрам промышленных электросетей. В системе с таким напряжением хорошо работают любые приборы. Более дешевые модели формируют квазисинусоиду, где параметры напряжения меняются не плавно, а скачками. Блоки питания многих электронных устройств (компьютеров, телевизоров, кондиционеров) быстро ломаются при подключении в сеть с током в виде модифицированной синусоиды.

Кроме базовых элементов, любая система содержит также вспомогательные детали и электрические соединения. Для панелей, постоянно работающих под ярким солнцем, нужны электрические провода со специальной изоляцией и увеличенным сечением жил. Под действием радиации солнечного света обычные пластики, из которых делают кабельную изоляцию, быстро разрушаются. Нужны провода, устойчивые к УФ-лучам и подходящие коннекторы (соединители).

В мощных дорогих установках часто применяют особые крепления для панелей, чтобы оптимально подобрать угол их установки к горизонту. Некоторые модели даже оборудуют приспособлениями, очищающими поверхность панелей от снега, капель влаги, пыли и другого мусора, мешающих свету попадать на элементы преобразователя.

Сегодня учеными и инженерами создано несколько десятков типов преобразователей, реализующих фотоэлектрический эффект. Постоянно появляется информация о новых изобретениях в этой области с возрастающими возможностями. Все разработки можно объединить в три большие группы:

• Монокристаллические. Каждый кристалл кремния представляет собой отдельный элемент панели. Различают их по внешней форме – края такого фотоэлемента имеют округлую форму. Цвет ячеек насыщенно-синий. Коэффициент полезного действия монокристалла наибольший среди других образцов, в среднем равняется 24,7%.
• Поликристаллические. Каждый фотоэлемент состоит из нескольких кристаллов кремния меньшего размера, соединенных проводниками. Такая панель неоднородна по структуре, в результате чего часть солнечных лучей преломляются и отражаются, не принося пользы. КПД этих фотоэлементов на уровне 20,3%. Поэтому потребуется большая площадь панелей, чтобы получить ту же мощность, что от монокристаллической. Разница составит порядка 20%.
• Тонкопленочные. Состоят из гибкого основания (подложки), на которую напыляют тонкий слой полупроводника. Такие панели менее хрупкие, им можно придавать изогнутую форму. Недостаток – самая низкая производительность из аналогов в 10,4%. Поэтому для получения той же мощности, как у поликристаллической панели, придется устанавливать вдвое большую поверхность фотоэлементов.

Если суммарные размеры поверхности, которую занимают батареи, не критичны, то лучшим выбором окажутся модули из поликристаллов.

Электрическая сеть, получающая питание от солнца, может работать как в полностью автономном режиме, так и соединяться с центральными сетями. Выбор решения изменяет состав необходимого для работы комплекта оборудования и его цену.

Основные разновидности комплектации:

• Автономная СЭС
• СЭС с подключением к сети
• Гибридная система

Полностью автономные системы

Их обозначают также сокращением АФЭС – автономная фотоэлектрическая система. Такая сеть никак не зависит от наличия доступа к центральным источникам, может работать даже в удаленных местах. Применяется в частных домах, куда технически сложно или дорого проложить проводную линию. Может обслуживать внутридомовое освещение, бытовые и хозяйственные электроприборы. Избыток энергии накапливается в аккумуляторных батареях, а в роли дополнительного источника чаще устанавливают бензогенератор.

Плюсы АФЭС:

• Удобный выбор для электрификации участков вдали от ЛЭП.
• Часто цена устройства такой системы ниже, чем прокладка собственной линии к ближайшему сетевому трансформатору с учетом платы за подключение.
• Нет расходов на оплату электричества.
• Можно устроить автономную сеть из нескольких частей для подачи электричества в удаленные места – например, для питания скважинного насоса, удаленной от жилья бытовки.

Недостатки автономных систем:

• Потребность в аккумуляторах большой емкости, чтобы хранить достаточный запас энергии на темное время или ненастье, когда панели не дают ток.
• Нужно часто менять АКБ, ресурс службы которых обычно 3-7 лет, что значительно меньше других элементов системы.
• Состоит из многих компонентов, что отражается на цене.
• Требуется квалифицированный расчет проекта, монтаж и обслуживание.

Сетевая солнечная электростанция для дома

Развитие этого типа систем солнечной энергетики активно развивается после принятия в 2021 году закона о микрогенерации. По его нормам можно оснастить свой дом оборудованием, вырабатывающим собственное электричество. Его излишек может передаваться электросетям, которые обязаны покупать энергию по оптовой цене. Когда собственной генерации недостаточно для всех потребностей, нужный объем электричества забирается из сети.

Такая организация электроснабжения помогает хозяину оборудования заметно экономить на электричестве, при этом не устанавливать у себя громоздкие аккумуляторы. В западных странах, где внедрили аналогичные принципы десятилетиями раньше, этот принцип называется «Net Metering».

Цена солнечных панелей неуклонно падает, поэтому стоимость электричества своей генерации уже сегодня дешевле, чем его покупка у сетевой компании.

Преимущества сетевой СЭС:

• Простота и экономичность оборудования.
• Минимальные требования к обслуживанию.
• Широкий выбор панелей и устройств для любых требований и разной мощности.
• Центральная сеть служит дублирующим источником и играет роль аварийного питания при поломке своей системы или в темное время.

Недостатки:

• Отсутствует собственный резерв энергии, поэтому при перебое в сетях электричества может не хватать на все нужды.
• Потребность в качественном инверторе для получения переменного тока 220 В со стандартной синусоидой.

Отдельные элементы системы можно собирать и заменять по потребности. Поэтому не обязательно покупать сразу максимальную комплектацию оборудования. Некоторые детали получится добавить позднее.

Практики дают ряд советов, как сэкономить деньги на устройстве собственной электростанции:

• Если в доме уже есть электричество, не нужно стараться сразу закрывать все потребности по мощности своей генерацией. Минимальный набор домашнего оборудования получится подключить к нескольким небольшим фотоэлементам даже без инвертора. Например, светодиодные лампы освещения способны работать от постоянного тока 12 В.
• Инвертор потребляет энергию (порядка 20 – 25%) и в холостом режиме, когда нет нагрузки. Поэтому его не надо торопиться ставить, пока суммарная мощность панелей еще невелика.
• Среди солнечных батарей на 12, 24 или 48 В разумно выбирать те, что дают выходное напряжение 12 В. Их намного проще подключить к бытовым приборам без сложных преобразователей.

Собрав в доме отдельную группу устройств, способных работать от питания постоянным током, можно объединить их в свою сеть, параллельную существующей 220 В. Такая система позволит запустить солнечную электростанцию без крупных затрат.

Рекомендуемые статьи: