1. Из чего состоят системы солнечной генерации

Говоря максимально простыми словами, гелиоэлектростанции состоят из фотоэлементов (солнечных панелей), инвертора и аккумуляторных батарей для накопления выработанной энергии.

Для примера расчетов мы предположим, что жилье находится в условном пригороде Киева. По данным карты интенсивности солнечного света это соответствует 4-й зоне:

Карта интенсивности солнечного света для Украины.

На один квадратный метр горизонтальной площади земли в этой зоне приходится 1000 кВт*ч солнечной энергии. Поскольку мы находимся в северном полушарии, для достижения максимальной эффективности работы панели должны быть обращены на юг. При этом в зависимости от плоскости их наклона могут вводится дополнительные поправочные коэффициенты пересчета суммарного потока солнечной энергии.

В среднем, с учетом поправочного коэффициента и потерь при преобразовании солнечного излучения, панели общей мощностью 7 кВт могут выработать около 7000–8000 кВт*ч электроэнергии в год.

Порядка 70 % всей производимой энергии генерируется во время максимальной солнечной активности — примерно с 9 часов утра до 16 часов дня. За эти 7 часов условные фотоэлементы суммарной мощностью 1 кВт выработают до 7 кВт*ч электроэнергии, а в оставшиеся световые часы они произведут еще 2 – 3 кВт*ч. Это в идеальных условиях. В нелетние месяцы, когда в атмосфере присутствует дымка, свет на фотоэлементы попадает не под прямым углом, а пасмурная погода в разы снижает эффективность солнечных панелей. Также количество солнечной энергии на единицу площади сильно зависит от сезона. Выглядит это следующим образом:

График средней производительности солнечной электростанции мощностью 7 кВт.

На практике мощность фотоэлементов определяется исходя из потребностей домовладения в электроэнергии и номинала используемого инвертора. Примерно оценить ее можно по паспортам электроприборов или специализированным таблицам мощностей (какая бытовая техника сколько потребляет). Пристальное внимание стоит уделить не только номинальной, но и пиковой мощности — некоторые электроприборы по типу холодильников, кондиционеров или скважинных насосов в первые несколько секунд при запуске потребляют гораздо больше ампер, нежели когда работают в штатном режиме. Инвертор в системе солнечной генерации должен спокойно выдерживать такие повышенные пусковые токи. Обычно номинальная и пиковая мощность указываются в характеристиках преобразователя. Подробнее о том, «Как выбрать инвертор для солнечных панелей», рассказано в одноименной статье.

Немаловажную роль отыгрывает и диапазон допустимых напряжений PV (массива панелей). Рабочий диапазон инвертора находится между точками напряжения старта и максимального напряжения. Если на вход преобразователя поступает меньшее напряжение — он попросту не запустится, большее — чревато быстрым перегревом инвертора и выходом из строя. Максимально допустимое напряжение в цепи рассчитывается для граничной температуры солнечной батареи -25 °C, ведь вольтаж растет именно при падении температуры панели и превышать его крайне не рекомендуется. Минимальный порог — считается для граничной температуры панелей +70 °С. Оба полученных значения определяют структуру подключения солнечных батарей в стринг, их допустимое количество и способ соединения.

Что же касается непосредственно солнечных панелей, их мощность обычно задается для условий STC (стандартных тестовых условий, отражающих работу солнечной панели в идеале), которые редко достигаются на практике. Подавляющее большинство времени фотоэлементы работают на 80 – 90 % от заложенной мощности (и то только в периоды максимальной солнечной активности), а в течение эксплуатации они неминуемо деградируют, что тоже приводит к проседанию мощности. Как правило, рекомендуется немного «перегружать» инвертор по стороне постоянного тока — в пределах до 120 %. Для условной модели на 7 кВт оптимальное значение суммарной мощности солнечных батарей будет находиться в диапазоне до 8.4 кВт.

Фотоэлементы для развертывания массива солнечной генерации зачастую стандартизированы по габаритам и показателям номинальной мощности. К примеру, в поликристаллических панелях на 1.6 м² площади приходится 260 – 290 Вт мощности (можно усреднить до 275 Вт). Такая цифра складывается из длины батарей в ≈160 см и ширины порядка 100 см.

Для построения системы на 7 кВт необходимо такое количество панелей:

7000 Вт / 275 Вт = 25.45 (≈ 26 панелей)

На основании полученного значения мы можем рассчитать площадь кровли, которую нужно отвести под фотоэлементы:

1.6 м² * 26 шт. = 41.6 м²

В настоящее время гораздо чаще используются более эффективные монокристаллические фотоэлементы. Для сборки массива солнечных панелей возьмем за пример условную популярную модель Risen RSM40-8-400M с габаритами 175.4х109.6 мм. Площадь одной такой панели составляет порядка 1.9 м², однако на нее приходится уже 400 Вт мощности. Дальнейшие расчеты будут приведены именно на этом примере.

7000 Вт / 400 Вт = 17.5 (≈ 18 панелей)

1.9 м² * 18 шт. = 34.2 м² (площадь кровли под фотоэлементы)

Остается лишь обзавестись подходящей аккумуляторной сборкой. Фактически в системах солнечной генерации можно использовать любые АКБ. Но лучше всего для этих целей годятся AGM, гелевые, литий-ионные и литий-железо-фосфатные (LiFePO4) аккумуляторы. При этом предпочтительнее выбирать именно литиевые разновидности батарей — они не подвержены «эффекту памяти», не боятся глубоких разрядов, способны довольно быстро заряжаться.

Подбор минимальной емкости АКБ для солнечных электростанций обычно осуществляется исходя из значений электропотребления в ночное время — днем система солнечной генерации должна покрывать потребности нагрузки и заряжать аккумуляторы. На деле же емкость аккумуляторов лучше брать с запасом — это убережет их от «высадки в ноль» и позволит сформировать буфер на случай непредвиденных ситуаций (либо же для использования гелиоэлектростанции в качестве резерва).

К примеру, за ночь на потребности домохозяйства расходуется 3 кВт*ч электроэнергии. Инвертор в системе солнечной генерации рассчитан на рабочее напряжение 48 В:

3000 Вт*ч / 48 В = 62.5 А*ч

Ближайшую штатную емкость аккумулятора принимаем за 65 А*ч. Следовательно, при использовании стандартных 12-вольтовых гелевых АКБ нам понадобится четыре батареи по 65 А*ч, соединенных последовательно в систему 48 В. До полного разряда они смогут выдать необходимые 3 кВт*ч электроэнергии. Для гелевых и AGM-аккумуляторов желательно закладывать более солидные запасы по емкости, тогда как литиевые разновидности АКБ более стойко выдерживают вышеупомянутые глубокие разряды и не нуждаются в большом буфере.

Популярные монокристаллические солнечные панели

2. Солнечная электростанция для квартиры

В квартирном жилом фонде разгуляться по солнечным панелям особо негде. Все упирается в доступную площадь для размещения фотоэлементов. Допустим, в нашем распоряжении имеется двухкомнатная квартира с лоджией, которая обращена на южную сторону. На ее стенке получится выкроить максимум 10 м² площади для установки солнечных панелей. Напоминаем — для расчетов берутся условные фотоэлементы Risen RSM40-8-400M с габаритами 175.4х109.6 мм. Площадь одной такой панели составляет порядка 1.9 м² и на нее приходится 400 Вт мощности:

10 м² / 1.9 м² = 5.26 шт. (округляем до 5 шт.)

5 шт. * 400 Вт = 2000 Вт (2 кВт)

Из такого количества панелей выйдет получить до 2 кВт генерируемой мощности — в яркий солнечный день и лишь при условии правильно выбранного угла наклона фотоэлементов.

Тем не менее, имеется смысл установки инвертора про запас — на 3 – 5 кВт. Аккумуляторы в сборке можно подзаряжать не только от солнечных батарей, но и от зарядного устройства. Суммарная емкость АКБ для такой системы должна тоже находиться в пределах примерно до 5 кВт.

  1. Вариант сборки «на все деньги»:
    • 5 панелей по ≈400 Вт обойдутся по $100 за 1 шт. — $500;
    • гибридный инвертор Deye SUN-5K-SG03LP1-EU на 5 кВт / 48 В — ≈$1500;
    • 48-вольтовая литий-железо-фосфатная АКБ Deye емкостью 100 Ач тоже обойдется в ≈$1500.
    • Итого выходит ≈$3500.

  2. Бюджетный вариант сборки:
    • 5 панелей по ≈400 Вт обойдутся по $100 за 1 шт. — $500;
    • автономный инвертор Marsriva MR-SPF4000 TWIN V.4 на 4 кВт / 24 В — ≈$600;
    • два 12-вольтовых гелевых или AGM-аккумулятора емкостью по 200 Ач обойдутся в ≈$800 (их соединяют последовательно для получения напряжения 24 В).
    • Итого выходит ≈$1900.
Важно! Учитывайте, что сверху необходимо заложить еще $300 – 500 на расходники (разъемы, монтажные приспособления, кабели, электрозащиту и т.п.).
Популярные инверторы (off-grid)

3. Гелиоэлектростанция для таунхауса

В таунхаусе можно выкроить гораздо больше места под солнечные панели, нежели в квартире. Из условной общей площади крыши в 80 м² под фотоэлементы получится отвести примерно половину или чуточку меньше (с учетом окошек, выступов, козырьков и т.п.) — берем примерно 35 м² на южной стороне дома.

35 м² / 1.9 м² = 18.4 шт. (округляем до 18 шт.)

18 шт. * 400 Вт = 7200 Вт (7.2 кВт)

При условии работы фотоэлементов «на полную катушку» система солнечной генерации сможет выдавать до 7.2 кВт мощности. Соответственно, под нее понадобится инвертор на 6 – 9 кВт (в зависимости от конкретных потребностей). Аккумуляторную сборку тоже имеется смысл подбирать примерно на 8 – 10 кВт.

  1. Вариант сборки «на все деньги»:
    • 18 панелей по ≈400 Вт обойдутся по $100 за 1 шт. — $1800;
    • трехфазный гибридный инвертор Deye SUN-8K-SG04LP3-EU на 8 кВт / 48 В — ≈$2600;
    • две 48-вольтовые литий-железо-фосфатные АКБ Deye емкостью по 100 Ач обойдутся в ≈$3000 (их соединяют параллельно для наращивания суммарной емкости сборки).
    • Итого выходит ≈$7400.

  2. Бюджетный вариант сборки:
    • 18 панелей по ≈400 Вт обойдутся по $100 за 1 шт. — $1800;
    • трехфазный гибридный инвертор Huawei SUN2000-6KTL-M1 на 6 кВт / 48 В — ≈$1350;
    • 48-вольтовый литиевый аккумулятор емкостью порядка 150 Ач обойдется в ≈$1750.
    • Итого выходит ≈$4900.
Важно! Сверх полученных цифр необходимо предусмотреть еще до $1000 на всевозможные расходники: разъемы, коннекторы, монтажные комплекты, кабели, системы электрозащиты и т.п.
Популярные инверторы (on-grid)

4. Система солнечной генерации для частного дома

В частном доме уже точно есть где развернуться. Ведь для размещения солнечных батарей можно использовать кровлю непосредственно дома и примыкающих к нему построек. Если массивы панелей предполагается устанавливать порознь, понадобится инвертор с несколькими MPPT-контроллерами либо же два-три инвертора.

Предположим, нам доступно 120 м² площади под фотоэлементы:

120 м² / 1.9 м² = 63.15 шт. (округляем до 63 шт.)

63 шт. * 400 Вт = 25200 Вт (25.2 кВт)

Теоретически можно развернуть массив солнечных панелей и на все 25 кВт генерируемой мощности. Однако на практике важно учитывать полезную площадь крыши, наклон фотоэлементов, их вес. А ежели электроэнергию предполагается затем продавать в сеть по «зеленому тарифу», суммарная производительность сборки не должна превышать 30 кВт.

Мощный инвертор на 15 – 20 кВт — удовольствие отнюдь не из дешевых. Также придется вложиться в покупку аккумуляторов для накопления выработанной электроэнергии. Их мы рассматриваем из расчета на 12 – 15 кВт.

  1. Вариант сборки «на все деньги»:
    • 63 панели по ≈400 Вт обойдутся по $100 за 1 шт. — $6300;
    • гибридный инвертор Deye SUN-15K-SG05LP3-EU-SM2 на 15 кВт / 48 В — ≈$3500;
    • две 48-вольтовых литий-железо-фосфатных АКБ Deye емкостью по 120 Ач обойдутся в ≈$3500 (их соединяют параллельно для наращивания суммарной емкости сборки).
    • Итого выходит ≈$13300.

  2. Бюджетный вариант сборки:
    • 63 панели по ≈400 Вт обойдутся по $100 за 1 шт. — $6300;
    • гибридный инвертор Solplanet ASW12KH-T1 на 12 кВт / 48 В — ≈$1900;
    • две 48-вольтовых литий-железо-фосфатных АКБ емкостью по 120 Ач обойдутся в ≈$3000 (их соединяют параллельно для наращивания суммарной емкости сборки).
    • Итого выходит ≈$11200.
Важно! Необходимо заложить сверх полученных цифр еще $1000 – 1500 на расходные материалы: монтажные крепления, рамки и адаптеры, разъемы и коннекторы, кабели, системы электробезопасности и т.п.
Популярные гибридные инверторы (hybrid)

5. Вывод

Отметим, что полученные результаты носят примерный рекомендательный характер, ведь солнечные панели могут разительно отличаться по габаритам и, соответственно, площади. Зная их параметры, можно легко все пересчитать под конкретные условия, которые подойдут именно вам.