СОЛНЕЧНЫЕ ПАНЕЛИ ЗАПОРОЖЬЯ: цены на батареи для дома

Автономные солнечные электростанции — это единственный на сегодняшний день доступный способ обеспечить полную энергонезависимость частного домовладения, дачи или другого отдельно стоящего здания. Чаще все автономные СЭС используют как резервный источник энергии при перебоях с электричеством от централизованного поставщика. Экономическую целесообразность такой станции как основного источника питания нужно просчитывать для каждого конкретного случая.

Автономные солнечные электростанции: общее описание, сфера применения

Автономная солнечная электростанция в доме

С развитием солнечной энергетики и появлением более дешевых эффективных решений для частных потребителей домашние СЭС как альтернатива централизованным электросетям становятся все более востребованными. Такой вариант снабжения домохозяйства электричеством тем более актуален в холодное время года как замена шумным и не самым экологичным бензиновым или дизельным генераторам. Но не все домовладельцы понимают, какое именно оборудование им понадобится, чем отличаются разные типы панелей, генераторов, инверторов и СЭС в целом.

Итак, солнечные электростанции в целом — это совокупность установок, оборудования и аппаратуры, которая необходима для преобразования солнечной энергии в электрическую, а также здания и сооружения для размещения всего вышеперечисленного. Солнечная энергия в данном случае является заменой традиционному ископаемому топливу.

Существуют разные типы СЭС, из которых наибольшее распространение получили станции на солнечных батареях. Последние состоят из большого числа солнечных панелей (солнечных батарей), или, если быть точными, фотоэлектрических модулей. Фотомодули производят ток постоянного напряжения, который преобразовывается в переменный ток нужного напряжения и мощности с помощью инвертора.

Главные преимущества таких модулей:

• возможность монтажа в любом месте: на крыше или фасаде дома, осветительных опорах либо отдельно выделенных территориях (так называемые «солнечные фермы»);
• возможность соединять нужное количество модулей по типу конструктора для получения необходимой мощности на выходе, от питания уличного фонаря до электроснабжения жилого дома, офисного здания или целого микрорайона.

В свою очередь, электростанции на солнечных батареях делятся на:

1. автономные;
2. сетевые;
3. гибридные.

Автономные, как следует из названия, обеспечивают электроэнергией объекты, не подключенные к общей сети энергоснабжения. Накопление выработанной электроэнергии производится в аккумуляторных батареях. Сетевые отдают вырабатываемую электроэнергию прямо в сеть, без накопления ее в аккумуляторах. Гибридные объединяют возможности автономной и сетевой СЭС, то есть обеспечивают объект электроэнергией при отсутствии напряжения в общей сети и позволяют зарабатывать на «зеленом тарифе» при питании от централизованной электросети.

Монтаж автономной СЭС на крыше частного домовладения

Для собственников частных домовладений особый интерес представляют автономные СЭС, которые позволяют не зависеть от централизованных электросетей. Принцип работы таких установок прост: когда есть солнце, аккумуляторные батареи заряжаются от солнечных панелей; накопленная электроэнергия используется для работы электроприборов и других бытовых нужд.

Генерируемая панелями электроэнергия поступает не непосредственно на клеммы аккумуляторов, а на контроллер заряда, который защищает аккумуляторные батареи от перезаряда. Точно так же с аккумулятора подача питания осуществляется не напрямую в бытовую электросеть, а через инвертор, преобразующий вырабатываемый панелями постоянный ток в переменный.

Как правило, автономные солнечные станции устанавливают как:

• основной источник питания, что оправдано при расположении домохозяйства в удаленных местах и стоимости подключении к централизованным сетям, в несколько раз превышающей стоимость СЭС;
• резервный источник питания в домах, которые подключены к централизованным электросетям. Обычно выбирают домовладельцы, у которых часто отключается подача питания из общих сетей и нет возможности установить дизельный или бензиновый генератор нужной мощности.

Использование автономных СЭС как способа сэкономить на электроэнергии финансово не оправдывается из-за дороговизны комплектующих и ограниченного срока службы аккумуляторов. В этих целях есть смысл рассмотреть вариант гибридной СЭС, которая позволяет окупить свою стоимость за счет продажи излишков электроэнергии по «зеленому тарифу».

Итак, главные плюсы автономных СЭС:

• собственный источник электроэнергии, не зависящий от работоспособности централизованных электросетей;
• условно бесплатная электроэнергия (так как есть затраты на покупку оборудования и монтаж) и независимость от тарифов облэнерго;
• в работе бесшумные и не требуют топливо.

Главные минусы:

• мощность ограничена техническими возможностями оборудования;
• высокая стоимость комплектующих;
• ограниченный срок службы одного из главных компонентов автономных СЭС, аккумуляторов.

Устройство автономной СЭС

Вне зависимости от мощности, любая автономная СЭС состоит из:

1. солнечных панелей (солнечных батарей);
2. контроллера заряда;
3. инвертора;
4. аккумулятора.

Для соединения этих устройств в единую систему и корректной работы станции нужны также предохранители, кабели, коннекторы, крепления для панелей и другое вспомогательное оборудование.

Солнечные панели

Монокристаллическая (черная) и поликристаллическая (синяя) солнечные панели

Солнечная панель — это основная часть СЭС, которая представляет собой набор фотоэлектрических элементов, соединенных параллельно или последовательно. Фотоэлементы изготавливаются из полупроводниковых материалов по типу соединений кремния, кадмия, галлия и упаковываются в оболочку из стекла или пластика, которая для жесткости устанавливается в алюминиевую раму.

По типу фотоэлементов различают панели:

• поликристаллические;
• монокристаллические;
• тонкопленочные и др.

В автономных СЭС получили распространение поликристаллические и монокристаллические панели, для изготовления которых используется кристаллический кремний.

Главное отличие этих типов панелей заключается в том, что монокристаллический фотоэлемент содержит один кристалла кремния, а поликристаллический — сплав нескольких кристаллов. Монокристаллические панели более дорогие, но и более эффективные: в электричество превращается до 20% попадающего на них света. Поликристаллические панели дешевле, но и менее эффективные. Таким образом, для СЭС одинаковой мощности поликристаллических панелей понадобится больше, чем монокристаллических. Это заметно даже визуально — разница в занимаемой площади составляет 3–5% в пользу монокристалла. При этом считается, что монокристалл лучше собирает прямые лучи света, а поликристалл — боковое освещение.

Перечисленные выше фотоэлектрические модули являются односторонними, то есть генерируют энергию только при освещении лицевой поверхности. Кроме того, с начала 2010-х годов резко снизились цены на двусторонние солнечные панели, которые собирают свет и лицевой, и обратной стороной. Сейчас преобладающую долю рынка занимают односторонние панели, в пропорции 70:30, но к 2030 году, по прогнозам аналитиков, это соотношение изменится в пользу двусторонних фотомодулей.

Данные устройства различаются по типу архитектуры фотоэлементов:

• PERT (Passivated Emitter Rear Totally-diffused);
• PERL (Passivated Emitter Rear Locally-diffused);
• PERC (Passivated Emitter Rear Contact);
• IBC (Interdigitated Back Contact);
• HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin-layer).

Контроллеры заряда

Контроллер заряда — это устройство, управляющее режимами зарядки аккумуляторных батарей и защищающее последние от перезаряда либо глубокого разряда. Проще говоря, если аккумулятор заряжен полностью, контроллер отключает или ограничивает подачу тока с солнечных панелей; если заряд аккумулятора критически малый, контроллер отключает нагрузку со стороны потребляющей электросети. Это позволяет продлить срок службы аккумуляторных батарей, избежать высыхания электролита и перегрева из-за избыточного тока, а также снижения емкости из-за частых глубоких разрядов.

По типу алгоритмов управления различают контроллеры:

• ШИМ (широтно-импульсная модуляция), или PWM (pulse-width modulation) в английской аббревиатуре;
• МРРТ (Maximum power point tracking — отслеживание точки максимальной мощности).

ШИМ-контроллеры

ШИМ-контроллер заряда EPSolar

Более простыми и, соответственно, более дешевыми являются ШИМ-контроллеры. По сути, это простые переключатели, которые просто утилизируют лишний ток и не дают аккумулятору перегреться. Чтобы использовать ШИМ-контроллер, напряжение панелей должно соответствовать напряжению на входе аккумулятора. Поэтому панели придется подбирать под заряд аккумулятора — на 14,5 В, 16 В и т.д.

Такие контроллеры можно выбирать для компактных систем небольшой мощности.

МРРТ-контроллер

MPPT-контроллер заряда MUST

МРРТ-контроллер — это технически более сложное устройство, которое автоматически подбирает оптимальное соотношение силы тока и напряжения солнечных панелей для получения максимальной мощности при текущих условиях. Кроме того, он автоматически контролирует уровень заряда аккумулятора, за счет чего увеличивается срок службы последнего.

Еще один неоспоримый плюс МРРТ-контроллера — это обеспечение оптимальной работы солнечных панелей даже в условиях частичной затененности, в пасмурный или туманный день, а также зимой.

Такие контроллеры рекомендуют устанавливать на мощные станции с панелями мощностью от 200 Вт, а также при рабочих температурах панелей за пределами диапазона +45–75 °С.

Инверторы

Пример инвертора от компании Axioma Energy

Инвертор — это устройство для преобразования постоянного тока, который вырабатывают солнечные панели, в переменный, который необходим для работы большинства бытовых приборов. Кроме того, инвертор поднимает напряжение, вырабатываемое панелями (а это обычно показатель до 48 В), до необходимых для работы бытовых приборов 220 В, и выравнивает перепады напряжения, возникающие в сети.

Существует два типа таких устройств для СЭС — сетевые и автономные; в автономных СЭС используются, соответственно, инверторы второго типа.

Такое устройство подключается к общедомовой сети и поставляет в нее питание от аккумуляторной батареи. Также сегодня популярны модели 2 в 1, которые объединяют в себе функционал инвертора и контроллера.

Инверторы для солнечных станций различают:

• по входному напряжению (маломощные до 600 Вт/12 В, среднемощные до 1,5 кВт/24 В, высокой мощности свыше 1,5 кВт/48 В);
• по типу выходного сигнала (синусоидальный, квазисинусоидальный).

Синусоидальные системы

Синусоидальные системы выдают качественный сигнал в виде стабильной синусоиды и используются для подключения чувствительного оборудования по типу котлов отопления, холодильников или компьютерной техники. Они безопасны для электроприборов, но стоят дороже и имеют большие габаритные размеры.

Квазисинусоидальные системы

Квазисинусоидальные системы выдают нестабильный сигнал, который больше похож на трапецию, а в линии диагностируются шумы и помехи. К таким системам можно подключать утюги, лампы накаливания и другую несложную электротехнику, но сложные бытовые приборы в таких условиях быстро изнашиваются. К преимуществам квазисинусоидальных инверторов можно отнести относительно невысокую стоимость, небольшие размеры и вес.

Мощность инвертора определяется, исходя из необходимой мощности для одновременного включения часто используемой техники, например, бойлера, холодильника, микроволновки, чайника, кондиционера, освещения. При этом обычно инвертор подбирается с запасом, чтобы он не работал постоянно на предельной мощности и не возникало перегрузки.

Кроме того, преобразователи для СЭС должны иметь защиту от перегрева, перегрузки, короткого замыкания и нестандартного напряжения на аккумуляторе (слишком высокого или низкого).

Аккумуляторные батареи

Аккумулятор, или аккумуляторная батарея (АБ) — это обязательный прибор, без которого невозможно создание СЭС. Он накапливает электроэнергию, вырабатываемую солнечными панелями, и обеспечивает бесперебойное питание домовой электросети.

Аккумулятор для солнечных панелей выбирается с учетом:

• типа СЭС, автономная или гибридная;
• мощности фотоэлектрических модулей;
• суммарной мощности электроприемников (электроприборов, подключенные к сети);
• длительности работы в автономном режиме (для гибридных СЭС);
• наличия энергоемкой длительной нагрузки при использовании каждого электроприбора;
• стоимости и срока службы аккумуляторной батареи.

В зависимости от химического состава и конструктивных особенностей различают литий-ионные, свинцово-кислотные и щелочные аккумуляторы.

Литиевые аккумуляторы

Литиевый аккумулятор (LiFePo4 Axioma Energy AX-LFP-50/51.2)

Литиевые аккумуляторы для солнечных батарей способны накапливать больше электроэнергии на единицу веса. Они высокоэффективные, заряжаются быстрее, не требуют обслуживания, имеют длительный срок службы.

Эффективность литиевых АБ обусловлена низким внутренним потерями, при этом полноценная работа возможна при заряде на 80%. Они достаточно дорогие, но в долгосрочной перспективе являются наиболее экономичным решением.

По сравнению с классическими свинцово-кислотными батареями у литиевых аккумуляторов срок службы дольше в 2–5 раз, а рабочий температурный диапазон составляет от −20 °С до +50 °С.

Свинцово-кислотные аккумуляторы

Свинцово-кислотный аккумулятор (AX Carbon 200)

Свинцово-кислотные АБ относятся к числу самых популярных и доступных по цене, но имеют небольшой ресурс. Они могут быть хорошим бюджетным решением для питания дачи или жилого дома с небольшим временным потреблением.

Дополнительно свинцово-кислотные аккумуляторы подразделяются на:

• гелевые (работает на кислотном желеобразном электролите, сгущенном силикагелем);
• AGM (работает на адсорбированном электролите, выполненном по технологии Absorbent Glass Matt);
• карбоновые (в составе свинцовых пластин есть углесодержащие материалы).

Перечисленные типы являются усовершенствованными вариантами классической свинцово-кислотной батареи и, с точки зрения конструктивных особенностей, идентичны. Они характеризуются низким саморазрядом, устойчивостью к вибрациям, возможностью циклического использования, отсутствием необходимости в обслуживании.

К основным общим недостаткам таких аккумуляторов нужно отнести громоздкость конструкций, хранение только в заряженном состоянии, чувствительность к низким температурам и большой нагрузке.

Щелочные аккумуляторы

Щелочной аккумулятор

Щелочные аккумуляторы в качестве электролита используют водный раствор едкого калия или едкого натрия. Самыми распространенными видами являются никель-кадмиевые и никель-металлогидридные АБ. Они достаточно устойчивые к механическим вибрациям, малочувствительны к сверхтокам, могут храниться в разряженном состоянии. Щелочные аккумуляторы долговечные, стойкие к перезаряду и глубокому разряду.

Их редко применяют по причине незначительного ресурса, большой скорости саморазряда (10% в первые 24 часа у никель-кадмиевых, и до 20–30% за месяц), ухудшениях функциональности при очень низких температурах.

Рейтинги производителей солнечных панелей для СЭС

Фабрика LG Energy Solution в США

В солнечной энергетике, как и некоторых других сферах деятельности человека, существует собственный рейтинг Tier. Нужно отметить, что само понятие «tier» означает «уровень» в переводе с английского, а не какую-то аббревиатуру, как можно было бы подумать.

Рейтинг же определяет уровень развития конкретного производителя, качество и объем выпускаемой продукции, степень автоматизации производственных линий, размеры инвестиций в исследования, продолжительность «жизни» на рынке и некоторые другие параметры.

Как и в других отраслях, в солнечной энергетике игроки рынка распределяются по трем уровням — Tier 1, Tier 2, Tier 3.

1. Tier 1 — сюда входят ведущие компании отрасли, с полным циклом производства, начиная от выращивания кристаллов кремния и заканчивая сборкой панелей, с высокой долей автоматизации. Производители из этого списка производят огромное количество продукции общей мощностью от 10 ГВт в год под собственными брендами. Они инвестируют значительные средства в исследования и разработки новых технологий, активно внедряя их в сегмент масс-маркет. Продукция этих компаний отличается высокой эффективностью, ее легко отыскать на рынке, но, как правило, по цене выше, чем у других брендов.
2. Tier 2 — обычно сюда входят средние и малые компании с собственным производством полного цикла, но небольшим уровнем автоматизации. Их общая мощность значительно ниже, чем у производителей из Tier 1, они не занимаются самостоятельными исследованиями либо тратят на R&D незначительные суммы.
3. Tier 3 — это небольшие компании, которые занимаются сборкой панелей из уже готовых компонентов от разных производителей. На рынке появились недавно, на всех этапах производства используется, как правило, ручной труд. Соответственно, и качество выпускаемой продукции меняется от случая к случаю. Солнечные панели от таких компаний привлекают гораздо более выгодной ценой, по сравнению с Tier 1 и, в ряде случаев, с Tier 2.

Tier 1 включает небольшое количество компаний. К ним относятся:

• LG Energy;
• SunPower;
• REC Group;
• Canadian Solar;
• JA Solar;
• Hanwha Q Cells;
• Aiko Solar;
• Panasonic;
• Trina Solar;
• Longi Solar;
• Jinko Solar;
• Tongwei Solar.

Несмотря на то, что ручная сборка у представителей Tier 3 не позволяет обеспечить стабильный уровень качества, в этот список входит порядка 90% всех производителей солнечных панелей на сегодняшний день. Более того, не является редкостью передача на аутсорс производства от компаний Tier 1 производителям из Tier 2 и даже Tier 3, что стоит учитывать при выборе продукции дорогих брендов.

Цены на автономные солнечные станции

Солнечные панели

Стоимость автономных солнечных станций зависит, прежде всего, от их мощности, а также от типа и емкости используемых аккумуляторных батарей, типа инвертора и контроллера. Кроме того, на цену оборудования традиционно влияет известность (или неизвестность) бренда.

По состоянию на 2023 год, средняя стоимость автономных СЭС «под ключ» в Украине составляет.

Выгодно ли использовать автономную СЭС зимой?

Вид на автономную СЭС зимой

Существует распространенное заблуждение о том, что солнечные панели зимой неэффективны и неработоспособны. На самом деле это утверждение не совсем верно.

В упрощенном виде любую солнечную панель можно считать полупроводником на основе кремния. Особенностью полупроводника является то, что в зависимости от температуры меняется его внутреннее сопротивление: чем выше температура окружающей среды, тем выше внутреннее сопротивление, соответственно, тем ниже эффективность генерации электроэнергии и наоборот. Простыми словами, в абсолютно ясный морозный зимний день солнечная панель будет генерировать больше электричества, чем в абсолютно ясный летний солнечный день, при прочих равных условиях. Таким образом, в идеальных условиях солнечного дня КПД солнечной панели зимой выше, чем летом.

Но зимние погодные условиях отличаются, кроме прочего, отличной от лета длиной светового дня и высотой солнца над горизонтом. То есть, во-первых, продолжительность освещенности панелей зимой, которая напрямую зависит от длины светового дня, ощутимо меньше, чем летом. Во-вторых, зимой солнце находится ниже, значит, и солнечные панели, которые установлены под небольшим углом к плоскости земли, будут меньше освещаться прямыми солнечными лучами. Преимущественно в зимнее время на них будет попадать рассеянный свет, за счет чего эффективность генерации электроэнергии будет тоже ниже.

Условно говоря, автономная СЭС мощностью 5 киловатт может генерировать летом 4–4,5 кВт. Грубо говоря, в летнее время генерация солнечных панелей будет приближаться к своим паспортным значением, но оставаться несколько ниже за счет значения КПД. Зимой эти же панели в солнечный ясный день будут генерировать почти 5 кВт, но в течении короткого отрезка времени, когда солнце находится высоко над горизонтом. То есть совокупное количество электроэнергии, которое выработано в течении светового дня летом, будет в несколько раз больше, чем зимой.

Кроме того, зимой существует такая проблема, как снег и лед. Чем больше угол поднятия солнечной панели относительно земли, тем эффективнее с нее будет стекать вода и естественным образом сползать снег. Но чаще всего автономные СЭС устанавливают на крышах домов либо под тем же углом, что и крыша, либо под оптимальным для генерации энергии в летнее время. Естественно, никто не будет менять угол установки панелей ради улучшения КПД на один-два зимних месяца, на которые приходится максимум осадков и самое низкое положение солнца над горизонтом.

Таким образом, если зимой панель запорошит снегом на крыше с невысоким углом подъема, генерация сводится максимум к 5–7%. И чтобы вернуть ее к показателям хотя бы 20–30%, необходима ручная уборка поверхности солнечных панелей.

Итак, несмотря на более высокий КПД солнечных панелей зимой в идеальных условиях солнечного ясного дня, в реалиях нашего региона в зимнее время они гораздо менее эффективны, чем летом. В основном это обусловлено коротким световым днем и погодными условиями с большим количеством снежных и пасмурных дней. Тем не менее, использование в этот период автономной СЭС как резервного источника электроэнергии оправдано, если установлены солнечные панели с избыточной мощностью (относительно стандартного электропотребления домашней сети). Так как в этом случае есть возможность в течение светового дня запасти электроэнергию на ночь и для переключения на автономное электроснабжение в периоды, когда отключается подача электричества по централизованным сетям.

Сводка