Batterie solari per il giardino e la casa: tipologie, principi di funzionamento e procedura per il calcolo degli impianti solari

La scienza ci ha dato un momento in cui la tecnologia per l’utilizzo dell’energia solare è diventata disponibile al pubblico.Ogni proprietario ha l'opportunità di ottenere pannelli solari per la propria casa. I residenti estivi non sono in ritardo in questa materia. Spesso si trovano lontani da fonti centralizzate di approvvigionamento energetico sostenibile.

Ti suggeriamo di familiarizzare con le informazioni che presentano la progettazione, i principi di funzionamento e il calcolo delle unità di lavoro del sistema solare. La familiarità con le informazioni che offriamo ti avvicinerà alla realtà della fornitura di elettricità naturale al tuo sito.

Per una chiara comprensione dei dati forniti, vengono allegati schemi dettagliati, illustrazioni, foto e video istruzioni.

Progettazione e principio di funzionamento di una batteria solare

C'erano una volta menti curiose che scoprivano per noi sostanze naturali prodotte sotto l'influenza di particelle di luce solare, fotoni, energia elettrica. Il processo è stato chiamato effetto fotoelettrico. Gli scienziati hanno imparato a controllare i fenomeni microfisici.

Sulla base di materiali semiconduttori, hanno creato dispositivi elettronici compatti: fotocellule.

I produttori hanno imparato la tecnologia per combinare convertitori miniaturizzati in efficienti pannelli solari. L'efficienza dei moduli di pannelli solari in silicio ampiamente prodotti dall'industria è del 18-22%.

Dalla descrizione del diagramma si vede chiaramente: tutti i componenti della centrale sono ugualmente importanti - il funzionamento coordinato del sistema dipende dalla loro selezione competente

Una batteria solare è assemblata da moduli. È il punto finale del viaggio dei fotoni dal Sole alla Terra. Da qui queste componenti della radiazione luminosa continuano il loro percorso all'interno del circuito elettrico come particelle di corrente continua.

Sono distribuiti tra le batterie o trasformati in cariche di corrente elettrica alternata con una tensione di 220 volt, che alimenta tutti i tipi di dispositivi tecnici domestici.

Una batteria solare è un complesso di dispositivi a semiconduttore collegati in serie: fotocellule che convertono l'energia solare in energia elettrica.

Troverai maggiori dettagli sulle specifiche del dispositivo e sul principio di funzionamento della batteria solare in un altro articolo popolare il nostro sito.

Tipi di moduli del pannello solare

I moduli dei pannelli solari sono assemblati da celle solari, altrimenti note come convertitori fotoelettrici. I FEP di due tipi hanno trovato un uso diffuso.

Differiscono nei tipi di semiconduttori di silicio utilizzati per la loro fabbricazione, questi sono:

• Policristallino. Si tratta di celle solari realizzate in silicio fuso mediante raffreddamento a lungo termine. Il semplice metodo di produzione rende il prezzo accessibile, ma la produttività della versione policristallina non supera il 12%.
• Monocristallino. Si tratta di elementi ottenuti tagliando un cristallo di silicio coltivato artificialmente in sottili wafer. L'opzione più produttiva e costosa. L'efficienza media è intorno al 17%; si possono trovare celle solari monocristalline con prestazioni più elevate.

Le celle solari policristalline sono piatte di forma quadrata con una superficie non uniforme. Le varietà monocristalline si presentano come quadrati sottili con una struttura superficiale uniforme con angoli tagliati (pseudoquadrati).

Ecco come appaiono i FEP: convertitori fotovoltaici: le caratteristiche del modulo solare non dipendono dal tipo di elementi utilizzati, ciò influisce solo sulle dimensioni e sul prezzo

I pannelli della prima versione a parità di potenza sono più grandi dei secondi a causa della minore efficienza (18% contro 22%). Ma, in media, costano il 10% in meno e sono molto richiesti.

Puoi conoscere le regole e le sfumature della scelta dei pannelli solari per fornire energia termica autonoma. leggi qui.

Schema di funzionamento dell'energia solare

Quando si guardano i nomi dal suono misterioso dei componenti che compongono il sistema di energia solare, il pensiero arriva alla complessità supertecnica del dispositivo.

A livello micro della vita fotonica questo è vero. E visivamente, lo schema generale del circuito elettrico e il principio del suo funzionamento sembrano molto semplici. Dal corpo celeste alla “lampadina Ilyich” ci sono solo quattro passi.

I moduli solari sono il primo componente di una centrale elettrica. Si tratta di sottili pannelli rettangolari assemblati da un certo numero di piastre di fotocellule standard. I produttori realizzano pannelli fotografici di diversa potenza elettrica e multipli di tensione di 12 volt.

I dispositivi a forma piatta sono convenientemente posizionati su superfici aperte ai raggi diretti. I blocchi modulari vengono combinati utilizzando connessioni reciproche in una batteria solare. Il compito della batteria è convertire l'energia solare ricevuta, producendo una corrente continua di un determinato valore.

Dispositivi di accumulo della carica elettrica - batterie per pannelli solari noto a tutti. Il loro ruolo nel sistema di approvvigionamento di energia solare è tradizionale. Quando i consumatori domestici sono collegati a una rete centralizzata, i dispositivi di accumulo dell’energia immagazzinano l’elettricità.

Inoltre accumulano l'eccesso se la corrente del modulo solare è sufficiente a fornire l'energia consumata dagli elettrodomestici.

Il pacco batteria fornisce la quantità di energia necessaria al circuito e mantiene una tensione stabile non appena il suo consumo aumenta fino a raggiungere un valore maggiore. La stessa cosa accade, ad esempio, di notte quando i pannelli fotografici non funzionano o quando il tempo è poco soleggiato.

Lo schema di approvvigionamento energetico per una casa che utilizza pannelli solari differisce dalle opzioni con collettori per la capacità di immagazzinare energia in una batteria

Il controller è un intermediario elettronico tra il modulo solare e le batterie.Il suo ruolo è quello di regolare il livello di carica delle batterie. Il dispositivo non consente loro di bollire a causa del sovraccarico o della caduta del potenziale elettrico al di sotto di una certa norma necessaria per il funzionamento stabile dell'intero sistema solare.

Invertendo, così il termine suona letteralmente spiegato inverter solare. Sì, in effetti, questa unità svolge una funzione che una volta sembrava fantastica agli ingegneri elettrici.

Converte la corrente continua del modulo solare e delle batterie in corrente alternata con una differenza di potenziale di 220 volt. Questa è la tensione operativa per la stragrande maggioranza dei dispositivi elettrici domestici.

Il flusso di energia solare è proporzionale alla posizione dell'apparecchio: nell'installazione dei moduli sarebbe bene prevedere la regolazione dell'angolo di inclinazione a seconda del periodo dell'anno

Carico di punta e consumo energetico medio giornaliero

Il piacere di avere una propria stazione solare vale ancora molto. Il primo passo verso lo sfruttamento della potenza dell'energia solare è determinare il carico di picco ottimale in kilowatt e il consumo energetico medio giornaliero razionale in kilowattora per una famiglia o una casa di campagna.

Il carico di punta nasce dalla necessità di accendere più apparecchi elettrici contemporaneamente ed è determinato dalla loro potenza totale massima, tenendo conto delle caratteristiche di avviamento sovrastimate di alcuni di essi.

Il calcolo del consumo energetico massimo consente di identificare quali apparecchi elettrici necessitano di funzionamento simultaneo e quali non sono così vitali. Le caratteristiche di potenza dei componenti della centrale elettrica, ovvero il costo totale del dispositivo, sono soggette a questo indicatore.

Il consumo energetico giornaliero di un elettrodomestico è misurato dal prodotto della sua potenza individuale e del tempo in cui ha funzionato dalla rete (elettricità consumata) durante il giorno. Il consumo energetico medio giornaliero totale è calcolato come la somma dell'elettricità consumata da ciascun consumatore in un periodo giornaliero.

La successiva analisi e ottimizzazione dei dati ottenuti sui carichi e sul consumo energetico garantiranno la configurazione necessaria e il successivo funzionamento del sistema di energia solare a costi minimi

Il risultato del consumo energetico aiuta ad avvicinarsi razionalmente al consumo di elettricità solare. Il risultato dei calcoli è importante per l'ulteriore calcolo della capacità della batteria. Da questo parametro dipende ancora di più il prezzo del pacco batterie, componente importante del sistema.

La procedura per il calcolo degli indicatori energetici

Il processo di calcolo inizia letteralmente con un foglio di quaderno aperto, quadrato e posizionato orizzontalmente. Con leggeri tratti di matita si ottiene dal foglio un modulo con trenta colonne e linee in base al numero di elettrodomestici.

Preparazione per i calcoli aritmetici

La prima colonna è tradizionale: un numero di serie. La seconda colonna è il nome dell'elettrodomestico. Il terzo è il consumo energetico individuale.

Le colonne da quattro a ventisette sono le ore del giorno da 00 a 24. In esse si inseriscono tramite una linea frazionaria orizzontale:

• al numeratore – il tempo di funzionamento del dispositivo durante un'ora specifica in forma decimale (0.0);
• il denominatore è ancora una volta il consumo energetico individuale (questa ripetizione è necessaria per calcolare i carichi orari).

La ventottesima colonna è il tempo totale di funzionamento dell'apparecchio domestico durante il giorno.Nel ventinovesimo, il consumo energetico personale del dispositivo viene registrato come risultato della moltiplicazione del consumo energetico individuale per il tempo di funzionamento durante un periodo giornaliero.

La stesura di una specifica dettagliata del consumatore, tenendo conto dei carichi orari, aiuterà a mantenere un numero maggiore di dispositivi abituali, grazie al loro uso razionale

Anche la trentesima colonna è standard - nota. Sarà utile per i calcoli intermedi.

Elaborazione delle specifiche del consumatore

La fase successiva dei calcoli è la trasformazione del modulo del taccuino in una specifica per i consumatori di elettricità domestica. La prima colonna è chiara. Qui vengono inseriti i numeri di serie delle linee.

La seconda colonna contiene i nomi dei consumatori di energia. Si consiglia di iniziare a riempire il corridoio con elettrodomestici. Quanto segue descrive le altre stanze in senso antiorario o orario (come è conveniente per te).

Se c'è un secondo piano (ecc.), la procedura è la stessa: dalle scale - intorno. Allo stesso tempo, non dovremmo dimenticare i dispositivi sulle scale e sull'illuminazione stradale.

È meglio compilare la terza colonna indicando la potenza accanto al nome di ciascun apparecchio elettrico insieme alla seconda.

Le colonne da quattro a ventisette corrispondono a ciascuna ora del giorno. Per comodità, puoi disegnarli immediatamente con linee orizzontali al centro delle linee. Le metà superiori risultanti delle linee sono come numeratori, quelle inferiori sono denominatori.

Queste colonne vengono compilate riga per riga. I numeratori sono formattati selettivamente come intervalli di tempo in formato decimale (0,0), che riflettono il tempo di funzionamento di un dato apparecchio elettrico in un particolare periodo orario. Parallelamente, dove vengono inseriti i numeratori, vengono inseriti i denominatori con l'indicatore di potenza del dispositivo, prelevato dalla terza colonna.

Dopo aver compilato tutte le colonne delle ore, procedere al calcolo del tempo di lavoro giornaliero individuale degli elettrodomestici, procedendo riga per riga. I risultati vengono registrati nelle celle corrispondenti della ventottesima colonna.

Nel caso in cui l'impianto solare svolga un ruolo ausiliario, in modo che il sistema non rimanga inattivo, è possibile collegarvi parte del carico per ottenere una potenza costante

In base alla potenza e alle ore di lavoro, viene calcolato in sequenza il consumo energetico giornaliero di tutti i consumatori. Si nota nelle celle della ventinovesima colonna.

Una volta compilate tutte le righe e le colonne della specifica, vengono calcolati i totali. Sommando i grafici delle potenze dai denominatori delle colonne orarie si ottengono i carichi di ciascuna ora. Sommando i consumi energetici individuali giornalieri della ventinovesima colonna dall'alto verso il basso si ottiene la media giornaliera totale.

Il calcolo non include il consumo proprio del futuro sistema. Questo fattore viene preso in considerazione dal coefficiente ausiliario nei successivi calcoli finali.

Analisi e ottimizzazione dei dati ottenuti

Se l'energia proveniente da un impianto solare viene pianificata come riserva, i dati sul consumo energetico orario e sul consumo energetico medio giornaliero totale aiutano a ridurre al minimo il consumo della costosa elettricità solare.

Ciò si ottiene escludendo dall’uso i consumatori ad alta intensità energetica fino al ripristino dell’alimentazione centralizzata, soprattutto durante le ore di picco di carico.

Se il sistema di energia solare è progettato come fonte di alimentazione costante, i risultati dei carichi orari si fanno avanti.È importante distribuire il consumo di elettricità nell'arco della giornata in modo tale da eliminare gli alti predominanti e i minimi molto bassi.

L'eliminazione dei picchi di carico, il livellamento dei carichi massimi e l'eliminazione dei bruschi cali nel consumo di energia nel tempo consentono di selezionare le opzioni più economiche per i componenti del sistema solare e garantire un funzionamento stabile e, soprattutto, senza problemi a lungo termine della stazione solare.

Il grafico rivelerà la disuniformità del consumo energetico: il nostro compito è spostare i massimi nei momenti di maggiore attività solare e ridurre il consumo totale giornaliero, soprattutto di notte.

Il disegno presentato mostra la trasformazione di un programma irrazionale ottenuto sulla base di una specifica in uno ottimale. Il consumo giornaliero è stato ridotto da 18 a 12 kW/h, il carico orario medio giornaliero da 750 a 500 W.

Lo stesso principio di ottimalità è utile quando si utilizza l'opzione di energia solare come backup. Potrebbe non valere la pena spendere troppi soldi per aumentare la potenza dei moduli solari e delle batterie a causa di qualche inconveniente temporaneo.

Selezione dei componenti dell'impianto solare

Per semplificare i calcoli, considereremo la versione dell'utilizzo di una batteria solare come principale fonte di energia elettrica per il giardino. Il consumatore sarà una casa di campagna condizionale nella regione di Ryazan, dove risiede permanentemente da marzo a settembre.

Calcoli pratici basati sui dati del programma razionale del consumo energetico orario pubblicato sopra chiariranno il ragionamento:

• Consumo energetico medio giornaliero totale = 12.000 watt/ora.
• Consumo medio a carico = 500 watt.
• Carico massimo 1200 watt.
• Carico di picco 1200 x 1,25 = 1500 watt (+25%).

I valori saranno richiesti per calcolare la capacità totale dei dispositivi solari e altri parametri operativi.

Determinazione della tensione operativa del sistema solare

La tensione operativa interna di qualsiasi sistema solare si basa su un multiplo di 12 volt, che è la potenza nominale della batteria più comune. I componenti più utilizzati delle stazioni solari: moduli solari, controller, inverter sono prodotti per le tensioni comuni di 12, 24, 48 volt.

Una tensione più elevata consente l'uso di cavi di alimentazione di sezione minore e ciò significa una maggiore affidabilità dei contatti. Le batterie da 12 V guaste possono invece essere sostituite una alla volta.

In una rete a 24 volt, tenendo conto delle specificità delle batterie funzionanti, dovrai sostituirle solo in coppia. Una rete da 48 V richiederà la sostituzione di tutte e quattro le batterie di un ramo. Inoltre a 48 volt esiste già il pericolo di scossa elettrica.

Con la stessa capacità e all'incirca allo stesso prezzo dovreste acquistare batterie con la massima profondità di scarica consentita e una corrente massima maggiore

La scelta principale del valore nominale della differenza di potenziale interna del sistema è correlata alle caratteristiche di potenza degli inverter prodotti dall'industria moderna e dovrebbe tenere conto dell'entità del carico di picco:

• da 3 a 6 kW – 48 volt,
• da 1,5 a 3 kW – pari a 24 o 48V,
• fino a 1,5 kW – 12, 24, 48V.

Scegliendo tra l'affidabilità del cablaggio e l'inconveniente di sostituire le batterie, per il nostro esempio ci concentreremo sull'affidabilità. Successivamente partiremo dalla tensione di funzionamento del sistema calcolato, 24 volt.

Dotare la batteria di moduli solari

La formula per calcolare la potenza richiesta da una batteria solare è simile alla seguente:

Рcm = (1000 * Esut) / (k * Sin),

Dove:

• Rcm = potenza della batteria solare = potenza totale dei moduli solari (pannelli, W),
• 1000 = sensibilità fotovoltaica accettata (kW/m²)
• Esut = fabbisogno energetico giornaliero (kWh, nel nostro esempio = 18),
• k = coefficiente stagionale che tiene conto di tutte le perdite (estate = 0,7; inverno = 0,5),
• Syn = valore tabulato dell'irraggiamento (flusso di radiazione solare) all'inclinazione ottimale dei pannelli (kW*h/m²).

Puoi conoscere il valore dell'insolazione presso il tuo servizio meteorologico regionale.

L'angolo di inclinazione ottimale dei pannelli solari è uguale alla latitudine dell'area:

• in primavera e in autunno,
• più 15 gradi – in inverno,
• meno 15 gradi – in estate.

La regione di Ryazan considerata nel nostro esempio si trova alla latitudine 55.

La massima potenza dei pannelli solari si ottiene utilizzando sistemi di inseguimento, cambiamenti stagionali nell'angolo di inclinazione dei pannelli e l'uso di moduli di assetto misti

Per il periodo da marzo a settembre, la migliore inclinazione non regolata del pannello solare è pari ad un angolo estivo di 40⁰ rispetto alla superficie terrestre. Con questa installazione di moduli, l'irraggiamento medio giornaliero di Ryazan durante questo periodo è 4,73. I numeri ci sono tutti, facciamo i calcoli:

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

Se come base per la batteria solare prendiamo moduli da 100 watt, ne avremo bisogno di 36. Peseranno 300 chilogrammi e occuperanno un'area di circa 5 x 5 m.

Schemi elettrici testati sul campo e opzioni di collegamento del pannello solare sono riportati qui.

Disposizione di un'unità di alimentazione a batteria

Quando si scelgono le batterie, è necessario essere guidati dai seguenti principi:

1. Le normali batterie per auto NON sono adatte a questo scopo. Le batterie degli impianti solari sono contrassegnate con la scritta “SOLAR”.
2. Dovresti acquistare solo batterie identiche sotto tutti gli aspetti, preferibilmente dello stesso lotto di fabbrica.
3. La stanza in cui si trova la batteria deve essere calda. La temperatura ottimale quando le batterie producono la piena potenza = 25⁰C. Quando scende a -5⁰C, la capacità della batteria diminuisce del 50%.

Se si prende per il calcolo una batteria rappresentativa da 12 volt con una capacità di 100 ampere/ora, è facile calcolare che può fornire energia ai consumatori con una potenza totale di 1200 watt per un'ora intera. Ma questo avviene con la scarica completa, il che è estremamente indesiderabile.

Per una durata prolungata della batteria, NON è consigliabile ridurne la carica al di sotto del 70%. Cifra limite = 50%. Prendendo come “media aurea” il numero 60%, basiamo i calcoli successivi sulla riserva di energia di 720 Wh per ogni 100 Ah della componente capacitiva della batteria (1200 Wh x 60%).

Forse l'acquisto di una batteria con una capacità di 200 Ah costerà meno dell'acquisto di due batterie da 100 Ah e il numero di collegamenti di contatto della batteria sarà ridotto

Inizialmente, le batterie devono essere installate caricate al 100% da una fonte di alimentazione fissa. Le batterie ricaricabili devono coprire completamente i carichi al buio. Se sei sfortunato con il tempo, mantieni i parametri di sistema richiesti durante il giorno.

È importante tenere presente che un eccesso di batterie porterà a una loro costante scarica. Ciò ridurrà significativamente la durata. La soluzione più razionale sembra essere quella di dotare l'unità di batterie con una riserva di energia sufficiente a coprire un consumo energetico giornaliero.

Per conoscere la capacità totale della batteria richiesta, dividere il consumo energetico giornaliero totale di 12.000 Wh per 720 Wh e moltiplicarlo per 100 A*h:

12.000 / 720 * 100 = 2500 A*h ≈ 1600 A*h

In totale, per il nostro esempio avremo bisogno di 16 batterie da 100 o 8 da 200 Ah, collegate in serie-parallelo.

Scegliere un buon controller

Selezione competente regolatore di carica della batteria (AKB) è un compito molto specifico. I suoi parametri di ingresso devono corrispondere ai moduli solari selezionati e la tensione di uscita deve corrispondere alla differenza di potenziale interna del sistema solare (nel nostro esempio 24 volt).

Un buon controllore deve fornire:

1. Ricarica della batteria in più fasi, che ne moltiplica la durata effettiva.
2. Connessione-disconnessione automatica reciproca, batteria e batteria solare in correlazione con carica-scarica.
3. Ricollegare il carico dalla batteria alla batteria solare e viceversa.

Questa piccola unità è un componente molto importante.

Se alcuni consumatori (ad esempio l'illuminazione) vengono collegati all'alimentazione diretta di 12 volt dal controller, sarà necessario un inverter meno potente, il che significa più economico

La scelta corretta del controller determina il funzionamento senza problemi di un costoso pacco batteria e l'equilibrio dell'intero sistema.

Scegliere il miglior inverter

L'inverter è selezionato con una potenza tale da poter fornire un carico di picco a lungo termine. La sua tensione di ingresso deve corrispondere alla differenza di potenziale interno del sistema solare.

Per la migliore opzione di selezione, si consiglia di prestare attenzione ai seguenti parametri:

1. Forma e frequenza della corrente alternata fornita. Più ci si avvicina alla sinusoide di 50 hertz, meglio è.
2. Efficienza del dispositivo. Più alto è il 90%, più è meraviglioso.
3. Autoconsumo del dispositivo. Deve essere commisurato al consumo energetico complessivo del sistema. Idealmente - fino all'1%.
4. La capacità di un nodo di resistere a doppi sovraccarichi a breve termine.

Il design più eccellente è un inverter con una funzione di controller integrata.

Assemblaggio di un sistema solare domestico

Abbiamo fatto una selezione di foto che dimostrano chiaramente il processo di assemblaggio di un sistema solare domestico da moduli prodotti in fabbrica:

Conclusioni e video utile sull'argomento

Video n.1. Dimostrazione fai-da-te di installazione di pannelli solari sul tetto di una casa:

Video n.2. Selezione di batterie per un sistema solare, tipi, differenze:

Video n.3. Centrale solare nazionale per chi fa tutto da solo:

I metodi di calcolo pratico passo dopo passo considerati, il principio di base del funzionamento efficace di una moderna batteria di pannelli solari come parte di una stazione solare autonoma domestica aiuteranno i proprietari sia di una grande casa in un'area densamente popolata che di una casa di campagna nel deserto per ottenere la sovranità energetica.

Vorresti condividere la tua esperienza personale acquisita durante la costruzione di un mini impianto solare o semplicemente di batterie? Hai qualche domanda a cui vorresti una risposta o hai trovato qualche lacuna nel testo? Si prega di lasciare commenti nel blocco sottostante.