Солнечные батареи

Сейчас модно говорить про возобновляемые источники электроэнергии, в частности ветряки и солнечные панели. Некоторые утверждают, что такие источники позволяют отказаться от услуг энергосбытовых компаний. Я решил проверить, так ли это (в части солнечных панелей) у себя на даче. И вот, что получилось.

Как обычно, жирным выделяю наблюдения или ограничения, на которые стоит обратить внимание.

Зачем?

Так получилось, что сеть СНТ старая, мощность на 1200 участков около 200КВА всего. То есть зажечь лампочку нормально. Вскипятить чаю нормально. Набрать бочку воды из колодца можно. А вот обогреваться уже нет. Напряжение скачет от 190 до 113 Вольт, регуляторы напряжения в таком диапазоне уже не справляются (обычно рабочий диапазон у них 160-250В). Релейные регуляторы постоянно щелкают (соседи тоже не дураки и идет постоянная борьба регуляторов на одной линии), регулятор со следящим приводом сдох через год (постоянно пытался компенсировать прыжки от соседских релейных регуляторов). Поставил инверторный рабочий диапазон от 110 до 260В. Но народ тоже не сложа руки сидит, в итоге падения напряжения все больше, стали случаться полные отключения света.

В моем дачном доме есть автоматика (умный дом), которая помимо прочего управляет очисткой воды (2 насоса, компрессор для окисления железа, УФ стерилизатор), септиком (2 повышающих насоса), нагревателем для обеспечения горячей водой. Есть циркуляционный насос для котла отопления, а также система видеонаблюдения. Все это требует бесперебойного питания.

Автономное электроснабжение

Первым появился обычный автомобильный аккумулятор на 60Ач, от него питались камеры и роутер с модемом, а так же сервер управления умным домом.

Для питания насосов были куплены 2 китайских инвертора по 1,5кВт с модифицированной синусоидой для двух водяных насосов (в момент пуска электромоторы потребляют в пике до 3-х крат от номинала, соответственно, для насоса в 500Вт нужен инвертор с пиком 1500 Вт). Вот модифицированная синусоида это, как оказалось, очень плохо для моторов греются, плохо тянут.

Пришлось покупать инвертор уже на 4000Вт с чистой синусоидой и питанием от 12 В (это в дальнейшем определило напряжение всей системы и мощность).

Когда стало ясно, что свет будет пропадать все чаще, а бензиновый генератор ставить негде (участки по 5,5 соток, шум работы будет мешать и днем, и ночью), пришла мысль поставить солнечные панели.

Что такое солнечная электроустановка

Типовая система электроснабжения на солнечных панелях состоит из элементов:

Панелей

Контроллеар заряда

АКБ

Инвертора

Стоит заметить, что сейчас встречаются так называемые гибридные контроллеры, содержащие в себе как контроллер заряда, так и инвертор, да еще и блок переключения, а также систему передачи в питающую сеть (чтобы продавать энергию соседям через общую сеть, но это пока в России не урегулировано законодательно).

Важным параметром любой системы является напряжение аккумуляторных батарей 12/24 или 48, 64 В и так далее. Чем выше напряжение, тем меньше ток требуется выдавать (меньше сечение проводов и потери в них), но тем больше батарей надо ставить.

Так как у меня уже была батарея и инвертор, решил не менять напряжение системы и продолжать работать при 12В, тем более, что камеры и роутеры могли питаться напрямую от батареи, что весьма удобно. Плюс я провел аварийное освещение на автомобильных светодиодных лампах 12В.

Эффективность солнечной генерации

При этом надо понимать, что солнце светит не круглые сутки, ночью и в дождь солнца нет, соответственно, энергия забирается из АКБ через инвертор. АКБ не очень любят глубокий разряд или большой ток разряда. Есть зависимость числа циклов разряда, которые выдержит АКБ без потери емкости, от глубины этого разряда.

Где-то были такие цифры для свинцовых АКБ:

То есть, если АКБ на 200 А*ч (2400 Вт*ч) можно безопасно разряжать только на 20% - 480 Вт*ч (40 А*ч), более глубокий разряд прямой путь в магазин за новыми АКБ через год-два максимум.

Гелевые (Gel) не так сильно теряют емкость, но и стоят в 2-3 раза больше.

С ночью разобрались, а что днем?

А днем важен такой параметр, как плотность солнечного потока. Но если не лезть в дебри вычислений, можно отталкиваться от параметра число солнечных часов в году в выбранной местности. Оказалось, что в Москве таковых меньше, чем в Мурманске!

Кстати, летом панели работали у меня с 8 утра до 17, то есть максимум, 9 часов в день.

Важно, что способность панелей поглощать энергию зависит от температуры панелей (чем жарче, тем меньше отдаваемая мощность), ну и еще есть такая штука, как ВАХ (вольт-амперная характеристика) то есть сколько тока выдает панель при определенном напряжении. Понятно, что напряжение панели должно быть выше напряжения АКБ, иначе не получится ее заряжать. К счастью, типовая панель имеет напряжение холостого хода около 20В, то есть сильно выше 12В для АКБ (и 14,7 для полностью заряженной). Вот тут и нужен контроллер заряда, чтобы не вскипятить аккумулятор.

Существует 2 варианта PWM (ШИМ) и MPPT (поиск точки максимальной мощности).

Оба типа контроллеров обычно умеет анализировать степень разряда АКБ и поддерживают разные режимы заряда от выравнивания и буст-заряда до режима хранения. ШИМ просто включает/отключает с частотой в несколько килогерц панели с тем, чтобы среднее напряжение равнялось нужному. Соответственно, если на панели 24В, ШИМ может держать панель выключенной 50% времени. То есть панель у вас 200Вт, а на выходе контроллера будет только 100Вт!

MPPT вместо вот этих холостых циклов накапливает энергию в дросселе и конденсаторе и отдает в АКБ, тем самым увеличивая ток и соответственно, мощность, отдаваемую в систему до максимально возможного при текущей активности солнца.

Но есть еще один фактор панели выдают максимум мощности, только когда обращены . Поэтому для большей эффективности используются механические геотрекеры - системы поворота панелей в сторону солнца.

У себя я поставил 2 набора панелей 200Вт 12В с ШИМ контроллером и 300Вт с MPPT. Вот вторую я поставил на поворотную платформу, а управление поворотом через линейный привод на 12В с Али, обещают усилие 750Кг при ходе штока 15 см. Ветра у нас сильные, но держит отлично (весной надо будет еще проверить шарнир). Готовые геотрекинговые платформы в продаже начинаются от 25 тысяч рублей, для меня это перебор.

Кстати, часто натыкаюсь на рекламу "готовых солнечных электростанций", где заявлена мощность в 2 кВт, а АКБ на 100-200 А*ч всего. Тут либо ночью нельзя пользоваться, либо АКБ в такой системе менять раз в пол-года, так что надо внимательно смотреть, что же там обещают и при каких условиях.

Что в итоге?

Прошлое лето (2020) в Подмосковье было не слишком солнечным, но и не вечная тьма. В солнечную погоду удавалось за день выработать порядка 2 кВт с обеих панелей, но чтобы их выработать (и потребить) нужно было переключаться на инвертер днем, а ночью тратить до 40Ач из аккумулятора (у меня, кстати, 400Ач сборка из батарей).

По итогу, MPPT контроллер с геотрекингом выдает в пределе на 40% больше энергии чем ШИМ контроллер. Но это в идеальных условиях. В пасмурные дни разница в эффективности была не такая впечатляющая. Так что в интернете правильно пишут, что выигрыш максимум 25%. Геотрекер тоже добавляет, но только в условиях прямого солнца. Если солнце в облаках, свет рассеянный, разница практически не заметна.

Зимой снег налипает на панели и эффективность падает до 2-10 процентов от номинала.

Что еще важно! Панель 300Вт весной на ярком солнце и холодном ветре умудрялась выдавать до 420 Вт! То есть контроллер надо брать с хорошим запасом (у меня 480Вт).

Цена всего этого приводит в уныние тех, кто хочет отказаться от магистрального электроснабжения окупаемость лет 30, не меньше..

Так что пока КПД панелей не достигнет хотя бы 40% при той же цене за Вт, а стоимость и долговечность аккумуляторов не упадет тоже раза в 2-3, в наших широтах никакой окупаемости не будет.

Только как резервный источник питания.

Посчитаем эффективность:

Выработка получается не более 100 дней в год по 2кВт*ч 200 кВт*ч, при стоимости кВт*ч в СНТ в 6 рублей, в год экономия на 1200 рублей, окупаемость 46 лет. При том, что через максимум, 10 лет надо менять АКБ, а через 20 панели!

Так что в наших широтах это только дорогая замена бензиновому генератору и проще купить больше АКБ, хорошее зарядное устройство и перейти на двухтарифный учет ночью запасать в батареи, днем можно немного тратить (но опять же ценой износа АКБ и инвертора!)..

Я провожу бесплатные обследования солнечных станций, в результате чего в меня летят тапки мне делают замечания, что для предъявления гарантийных претензий нужно измерять именно падение мощности солнечной панели, к которой в основном и привязана гарантия. Так я пришел к необходимости обзавестись собственным прибором по снятию ВАХ ( IV Curve ) солнечной панели. Как сделать его самому за ~100$, и что это даёт - далее

Вступление

К сожалению, тестирование солнечных панелей даже профессиональным прибором, не является достаточным условием для производителя. Для полноценного юридического статуса и возможности вести диалог на равных с производителями солнечных панелей, нужно пройти сертификацию TV SD. Ни одной сертифицированной лаборатории в Украине нет. Я писал в головной офис TV SD, но наверно что то пошло не так.

Итого - выбросить >1К$ за красивую игрушку (без сертификации) смысла не было, алгоритм построения ВАХ расписан детально, отчего бы не построить свой велосипед прибор?

Но пока я читал про алгоритмы, то набрёл на IV Swinger 2, где сделали уже мопед создание которого расписано пошагово и очень чётко. При этом создатель инструкции очень толковый и общительный человек, за что ему отдельное спасибо.

Характеристики этой модификации покрывают все современные панели, в отличии от старых версий профессиональных измерителей. Снятие ВАХ солнечной панели занимает не более пары секунд. Единственным минусом является слабая масштабируемость по напряжению, и одним махом измерить параметры всего стринга солнечных панелей им нельзя, только отдельного экземпляра. Но даже сняв параметры всего стринга, всё равно нужно найти ту самую панель, которая так повлияла на общий результат, а ведь это именно то, что мы уже умеем!

Сборка

Далее процесс простой, но растянутый во времени.

Ждем платы

и детали

паяем и тестируем.

Инструкция настолько подробная, что аж скулы сводит сборка напоминала конструктор лего.

Беда пришла откуда не ждали.

Для более точной настройки, а мне очень хотелось утереть нос владельцам приборов за 1К получить максимальную точность, есть возможности дополнительной точной калибровки. Для этого нужен блок питания на 100 В, который у меня как раз применяется для электролюминесценции.

Самое обидное, что статью http://personeltest.ru/aways/habr.com/ru/post/537612/ я читал буквально накануне, но пробежал как то по диагонали, подумав что это не про меня, спойлер - не угадал. Рекомендую прочитать её, это может быть и про Вас.

Итого накрылась материнка и свежесобранный прибор, которым я успел проверить только пару аккумуляторов. Все детали, кроме плат, я заказывал впритык, поэтому еще минус пару недель, на повторную доставку сгоревших компонентов.

Первые тесты

Желание провести первый реальный тест распирало, поэтому погодные условия не брались в расчёт.

Долгожданный первый результат. Вот так работает панель на 320 Вт зимой.

С наступлением солнечной погоды, был проведен ряд более полезных тестов, для проверки влияния того или иного типа повреждения и/или затенения на работу солнечной панели.

Естественное затенение

Снять параметры панели не успел, затенение отказывалось позировать.

Частичное жёсткое (обычно похожее дают расположенные вплотную дымоходы и прочие естественные преграды)

И наиболее часто встречающаяся в реальности тень - от проводов.

И да, это так подрос главный помощник из самой первой части, с КДПВ.

Основные проблемы, которые могут быть с солнечными панелями, и какой вид при этом должна принимать ВАХ я расписал в статье.

Натурные испытания

Опять потянулся длительный период ожидания хорошей погоды, и спустя лишь много лет пару недель я смог приступить к измерениям на своей солнечной станции.

Внимание! Высокое напряжение!

Все дальнейшие действия нужно выполнять при чётком соблюдении правил техники безопасности, во избежание встречи с праотцами 20 см дуги постоянного тока напряжением 800 В и током в 10 - 25 А.

Обесточиваем солнечную электростанцию, размыкаем стринги, проверяем. И только после этого переходим к следующему этапу.

ВАХ солнечной панели мощностью 280 Вт, эталон, не затенённый

Тень от оптоволокна

Тепловизор практически ничего не видит

ВАХ солнечной панели с тенью и без тени практически не отличается. Можно списать на разброс как в самих панелях, так и точности измерения.

Тень от проводов

Тепловизор сигнализирует о проблеме

ВАХ тоже сигнализирует о проблеме

К сожалению, стринг который у меня затеняется, отличается от остальных по к-ву панелей. Поэтому измерить точное влияние данного затенения на падение мощности всего стринга нельзя. Методом расчетов на коленке по аналогии с соседними стрингами, у меня вышло порядка 5% потерь. Инвертор умеет снимать ВАХ всего стринга, но для это нужна корпоративная лицензия, которую мне обещал представитель вендора еще с осени, в виде исключения, но как то пока не сложилось, увы.

Затенение на панелях, в моём случае, проходит после 11 часов дня, и проявляется только в осенне - весенний период.

А это я подловил выход солнца из-за долгой тучи. Панель уже успела остыть, и кратковременно показала чудеса.

Итоги:

Я использовал метод сравнительного анализа, при котором снимались данные с соседних панелей. Для абсолютных значений, нужно приобрести термометр и люксметр, и впоследствии приводить результаты к STC. В плате и программе предусмотрено их подключение. Даже на визуально чистом небе, может появляться невидимая глазу дымка, которая влияет на конечный результат.

Прибор получился довольно компактный и точный. Повторяемость результатов у меня была с точностью до 1 Вт.

К основным минусам стоит отнести трудоемкость процесса снятия показаний - станцию нужно обесточить, получить доступ к проводам от конкретной панели, что довольно часто невозможно, без полного демонтажа.

Если у Вас есть сомнения в работе своей солнечной станции, этот или аналогичный прибор считаю крайне необходимым и востребованным. Опять же, местные поставщики, подтверждают гарантию и по не сертифицированным приборам.

Наработки и результаты обследования солнечных станций я начал выкладывать в своём блоге. Для желающих углубиться в тему - есть так же живой форум по домашним солнечным электростанциям, присоединяйтесь.

Всем мира и солнечного неба над головой!