СОНЯЧНІ ПАНЕЛІ ЗАПОРІЖЖЯ: ціни на батареї для дому

Автономні сонячні електростанції — це єдиний на сьогоднішній день доступний спосіб забезпечити повну енергонезалежність приватного домоволодіння, дачі або іншої окремо розташованої будівлі. Найчастіше всі автономні СЕС використовують як резервне джерело енергії при перебоях з електрикою від централізованого постачальника. Економічну доцільність такої станції як основного джерела живлення потрібно прораховувати для кожного конкретного випадку.

Автономні сонячні електростанції: загальний опис, сфера застосування

Автономна сонячна електростанція в будинку

З розвитком сонячної енергетики та появою більш дешевих ефективних рішень для приватних споживачів домашні СЕС як альтернатива централізованим електромережам стають дедалі більше затребуваними. Такий варіант забезпечення домогосподарства електрикою ще більше актуальний у холодний період року як заміна галасливим і не найбільш екологічним бензиновим або дизельним генераторам. Але не всі домовласники розуміють, яке саме обладнання їм потрібно, чим відрізняються різні типи панелей, генераторів, інверторів і СЕС в цілому.

Отже, сонячні електростанції загалом — це сукупність устаткування, обладнання та апаратури, яка необхідна для перетворення сонячної енергії в електричну, а також будівлі та споруди для розміщення всього що перераховане вище. Сонячна енергія в цьому випадку є заміною традиційного викопного палива.

Існують різні типи СЕС, з яких найбільше поширення набули станції на сонячних батареях. Останні складаються з великої кількості сонячних панелей (сонячних батарей), або, якщо бути точними, фотоелектричних модулів. Фотомодулі виробляють струм постійної напруги, який перетворюється на змінний струм потрібної напруги та потужності за допомогою інвертора.

Головні переваги таких модулів:

• можливість монтажу у будь-якому місці: на даху або фасаді будинку, освітлювальних опорах або окремо виділених територіях (так звані «сонячні ферми»);
• можливість з’єднувати потрібну кількість модулів за типом конструктора для отримання необхідної потужності на виході, від живлення вуличного ліхтаря до електропостачання житлового будинку, офісної будівлі або цілого мікрорайону.

У свою чергу електростанції на сонячних батареях діляться на:

1. автономні;
2. мережеві;
3. гібридні.

Автономні, як випливає з назви, забезпечують електроенергією об’єкти, не підключені до загальної мережі енергопостачання. Накопичення виробленої електроенергії провадиться в акумуляторних батареях. Мережні віддають електроенергію, що виробляється, безпосередньо в мережу, без накопичення її в акумуляторах. Гібридні об’єднують можливості автономної та мережевої СЕС, тобто забезпечують об’єкт електроенергією за відсутності напруги у загальній мережі та дозволяють заробляти на «зеленому тарифі» при живленні від централізованої електромережі.

Монтаж автономної СЕС на даху приватного домоволодіння

Для власників приватних домоволодінь особливий інтерес представляють автономні СЕС, які дозволяють не залежати від централізованих електромереж. Принцип роботи такого устаткування простий: коли є сонце, акумулятори заряджаються від сонячних панелей; накопичена електроенергія використовується для роботи електроприладів та інших побутових потреб.

Генерована панелями електроенергія надходить не безпосередньо на клеми акумуляторів, а на контролер заряду, який захищає акумуляторні батареї від перезаряду. Так само з акумулятора подача живлення здійснюється не безпосередньо в побутову електромережу, а через інвертор, що перетворює постійний струм, який виробляється панелями, в змінний.

Як правило, автономні сонячні станції встановлюють як:

• основне джерело живлення, що виправдано при розміщенні домогосподарства у віддалених місцях та вартості підключення до централізованих мереж, яка у кілька разів перевищує вартість СЕС;
• резервне джерело живлення в будинках, підключених до централізованих електромереж. Зазвичай вибирають домовласники, у яких часто відключається подача живлення із загальних мереж і немає можливості встановити дизельний або бензиновий генератор потрібної потужності.

Використання автономних СЕС як способу заощадити на електроенергії фінансово не виправдовується через коштовність комплектуючих та обмежений термін служби акумуляторів. З цією метою є сенс розглянути варіант гібридної СЕС, яка дозволяє окупити свою вартість за рахунок продажу надлишків електроенергії по «зеленому тарифу».

Отже, головні плюси автономних СЕС:

• власне джерело електроенергії, яке не залежить від працездатності централізованих електромереж;
• умовно безкоштовна електроенергія (оскільки є витрати на купівлю обладнання та монтаж) та незалежність від тарифів обленерго;
• у роботі безшумні та не вимагають палива.

Головні мінуси:

• потужність обмежена технічними можливостями обладнання;
• висока вартість комплектуючих;
• обмежений термін служби одного з головних компонентів автономних СЕС, акумуляторів.

Пристрій автономної СЕС

Незалежно від потужності, будь-яка автономна СЕС складається з:

1. сонячних панелей (сонячних батарей);
2. контролера заряду;
3. інвертора;
4. акумулятора.

Для з’єднання цих пристроїв у єдину систему та коректної роботи станції потрібні також запобіжники, кабелі, конектори, кріплення для панелей та інше допоміжне обладнання.

Сонячні панелі

Монокристалічна (чорна) та полікристалічна (синя) сонячні панелі

Сонячна панель — це основна частина СЕС, яка є набором фотоелектричних елементів, з’єднаних паралельно або послідовно. Фотоелементи виготовляються з напівпровідникових матеріалів на кшталт сполук кремнію, кадмію, галію і пакуються в оболонку зі скла або пластику, яка для жорсткості встановлюється в алюмінієву раму.

За типом фотоелементів розрізняють панелі:

• полікристалічні;
• монокристалічні;
• тонкоплівкові та ін.

В автономних СЕС отримали розповсюдження полікристалічні та монокристалічні панелі, для виготовлення яких використовується кристалічний кремній.

Головна відмінність цих типів панелей полягає в тому, що монокристалічний фотоелемент містить один кристала кремнію, а полікристалічний — сплав кількох кристалів. Монокристалічні панелі дорожчі, але й більш ефективні: на електрику перетворюється до 20% світла, що потрапляє на них. Полікристалічні панелі дешевші, але і менш ефективні. Таким чином, для СЕС однакової потужності полікристалічних панелей потрібно більше, ніж монокристалічних. Це помітно навіть візуально — різниця у зайнятій площі становить 3–5% на користь монокристалу. При цьому вважається, що монокристал найкраще збирає прямі промені світла, а полікристал — бічне освітлення.

Наведені вище фотоелектричні модулі є односторонніми, тобто генерують енергію тільки при освітленні лицьової поверхні. Крім того, з початку 2010-х років різко знизилися ціни на двосторонні сонячні панелі, які збирають світло і лицьовою, і зворотною стороною. Зараз переважну частку ринку займають односторонні панелі, у пропорції 70:30, але до 2030 року, за прогнозами аналітиків, це співвідношення зміниться на користь двосторонніх фотомодулів.

Ці пристрої розрізняються за типом архітектури фотоелементів:

• 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).

Контролери заряду

Контролер заряду — це пристрій, що керує режимами зарядки акумуляторних батарей та захищає останні від перезарядження або глибокого розряду. Простіше кажучи, якщо акумулятор повністю заряджений, контролер відключає або обмежує подачу струму з сонячних панелей; якщо заряд акумулятора критично малий, контролер відключає навантаження з боку електромережі споживача. Це дозволяє подовжити термін служби акумуляторних батарей, уникнути висихання електроліту та перегріву через надлишковий струм, а також зниження ємності через часті глибокі розряди.

За типом алгоритмів управління розрізняють контролери:

• ШІМ (широтно-імпульсна модуляція), або PWM (pulse-width modulation) в англійській абревіатурі;
• МРРТ (Maximum power point tracking — відстеження точки максимальної потужності).

ШІМ-контролери

ШІМ-контролер заряду EPSolar

Більш простими і, відповідно, більш дешевими є ШІМ-контролери. По суті, це прості перемикачі, які просто утилізують зайвий струм і не дають акумулятору перегрітися. Щоб використовувати ШІМ-контролер, напруга панелей повинна відповідати напрузі на вході акумулятора. Тому панелі доведеться підбирати під заряд акумулятора — на 14,5 В, 16 В тощо.

Такі контролери можна вибирати для компактних систем невеликої потужності.

МРРТ-контролер

MPPT-контролер заряду MUST

МРРТ-контролер — це технічно більш складний пристрій, який автоматично підбирає оптимальне співвідношення сили струму та напруги сонячних панелей для отримання максимальної потужності за поточних умов. Крім того, він автоматично контролює рівень заряду акумулятора, за рахунок чого збільшується термін служби останнього.

Ще один незаперечний плюс МРРТ-контролера — це забезпечення оптимальної роботи сонячних панелей навіть в умовах часткової затінки, у хмарний або туманний день, а також взимку.

Такі контролери рекомендують встановлювати на потужні станції з панелями потужністю від 200 Вт, а також при робочих температурах панелей за межами діапазону +45–75 °С.

Інвертори

Приклад інвертора від компанії Axioma Energy

Інвертор — це пристрій для перетворення постійного струму, який виробляють сонячні панелі, на змінний, який необхідний для роботи більшості побутових приладів. Крім того, інвертор піднімає напругу, яка виробляється панелями (а це зазвичай показник до 48 В), до необхідних для роботи побутових приладів 220 В, та вирівнює перепади напруги, що виникають у мережі.

Існує два типи таких пристроїв для СЕС — мережні та автономні; в автономних СЕС використовуються відповідно інвертори другого типу.

Такий пристрій підключається до загальнобудинкової мережі і постачає до неї живлення від акумуляторної батареї. Також сьогодні популярні моделі 2 в 1, які поєднують у собі функціонал інвертора та контролера.

Інвертори для сонячних станцій розрізняють:

• за вхідної напругою (малопотужні до 600 Вт/12 В, середньопотужні до 1,5 кВт/24 В, високої потужності понад 1,5 кВт/48 В);
• за типом вихідного сигналу (синусоїдальний, квазісинусоїдальний).

Синусоїдальні системи

Синусоїдальні системи видають якісний сигнал у вигляді стабільної синусоїди і використовуються для підключення чутливого обладнання по типу котлів опалення, холодильників або комп’ютерної техніки. Вони безпечні для електроприладів, але коштують дорожче і мають великі габаритні розміри.

Квазісинусоїдальні системи

Квазісинусоїдальні системи видають нестабільний сигнал, який більше схожий на трапецію, а в лінії діагностуються шуми та перешкоди. До таких систем можна підключати праски, лампи розжарювання та іншу нескладну електротехніку, але складні побутові прилади в таких умовах швидко зношуються. До переваг квазісинусоїдальних інверторів можна віднести відносно невисоку вартість, невеликі розміри та вагу.

Потужність інвертора визначається, виходячи з необхідної потужності для одночасного включення тієї техніки, яка часто використовується, наприклад, бойлера, холодильника, мікрохвильової печі, чайника, кондиціонера, освітлення. При цьому зазвичай інвертор підбирається із запасом, щоб він не працював постійно на граничній потужності і не виникало навантаження.

Крім того, перетворювачі для СЕС повинні мати захист від перегріву, перевантаження, короткого замикання та нестандартної напруги на акумуляторі (занадто високої або низької).

Акумуляторні батареї

Акумулятор, або акумуляторна батарея (АБ) — це обов’язковий прилад, без якого неможливе створення СЕС. Він накопичує електроенергію, що виробляється сонячними панелями, і забезпечує безперебійне живлення будинкової електромережі.

Акумулятор для сонячних панелей вибирається з урахуванням:

• типу СЕС, автономна або гібридна;
• потужності фотоелектричних модулів;
• сумарної потужності електроприймачів (електроприладів, підключених до мережі);
• тривалості роботи в автономному режимі (для гібридних СЕС);
• наявності енергоємного тривалого навантаження при використанні кожного електроприладу;
• вартості та терміну служби акумулятора.

Залежно від хімічного складу та конструктивних особливостей розрізняють літій-іонні, свинцево-кислотні та лужні акумулятори.

Літієві акумулятори

Літієвий акумулятор (LiFePo4 Axioma Energy AX-LFP-50/51.2)

Літієві акумулятори для сонячних батарей здатні накопичувати більше електроенергії на одиницю ваги. Вони високоефективні, заряджаються швидше, не вимагають обслуговування, мають тривалий термін служби.

Ефективність літієвих АБ обумовлена низькими внутрішніми втратами, при цьому повноцінна робота можлива при заряді на 80%. Вони досить дорогі, але в довгостроковій перспективі є найбільш економічним рішенням.

У порівнянні з класичними свинцево-кислотними батареями у літієвих акумуляторів термін служби довше у 2–5 разів, а робочий температурний діапазон становить від −20 °С до +50 °С.

Свинцево-кислотні акумулятори

Свинцево-кислотний акумулятор (AX Carbon 200)

Свинцево-кислотні АБ належать до найбільш популярних і доступних за ціною, але мають невеликий ресурс. Вони можуть бути хорошим бюджетним рішенням для живлення дачі або житлового будинку з невеликим тимчасовим споживанням.

Додатково свинцево-кислотні акумулятори поділяються на:

• гелеві (працює на кислотному желеподібному електроліті, згущеному силікагелем);
• AGM (працює на адсорбованому електроліті, зробленому за технологією Absorbent Glass Matt);
• карбонові (у складі свинцевих пластин є вуглематеріали).

Перелічені типи є удосконаленими варіантами класичної свинцево-кислотної батареї і, з погляду конструктивних особливостей, ідентичні. Вони характеризуються низьким саморозрядом, стійкістю до вібрацій, можливістю циклічного використання, відсутністю необхідності в обслуговуванні.

До основних загальних недоліків таких акумуляторів потрібно віднести громіздкість конструкцій, зберігання тільки в зарядженому стані, чутливість до низьких температур і великого навантаження.

Лужні акумулятори

Лужний акумулятор

Лужні акумулятори як електроліт використовують водний розчин їдкого калію або їдкого натрію. Найпоширенішими видами є нікель-кадмієві та нікель-металогідридні АБ. Вони досить стійкі до механічних вібрацій, малочутливі до надтоків, можуть зберігатися у розрядженому стані. Лужні акумулятори довговічні, стійкі до перезаряду та глибокого розряду.

Їх рідко застосовують через незначний ресурс, велику швидкість саморозряду (10% у перші 24 години у нікель-кадмієвих, і до 20–30% за місяць), погіршення функціональності при дуже низьких температурах.

Рейтинги виробників сонячних панелей для СЕС

Фабрика LG Energy Solution у США

У сонячній енергетиці, як і в деяких інших сферах діяльності людини, існує власний рейтинг Tier. Слід зазначити, що саме поняття «tier» означає «рівень» у перекладі з англійської, а не якусь абревіатуру, як можна було б подумати.

Рейтинг визначає рівень розвитку конкретного виробника, якість та обсяг продукції, що випускається, ступінь автоматизації виробничих ліній, розміри інвестицій у дослідження, тривалість «життя» на ринку та деякі інші параметри.

Як і в інших галузях, в сонячній енергетиці гравці ринку розподіляються за трьома рівнями — Tier 1, Tier 2, Tier 3.

1. Tier 1 — сюди входять провідні компанії галузі, з повним циклом виробництва, починаючи від вирощування кристалів кремнію і закінчуючи збиранням панелей, з високою часткою автоматизації. Виробники з цього списку виробляють величезну кількість продукції загальною потужністю від 10 ГВт на рік під власними брендами. Вони інвестують значні кошти у дослідження та розробки нових технологій, активно впроваджуючи їх у сегмент мас-маркет. Продукція цих компаній відрізняється високою ефективністю, її легко відшукати на ринку, але, як правило, за ціною вище, ніж у інших брендів.
2. Tier 2 — зазвичай сюди входять середні та малі компанії з власним виробництвом повного циклу, але невеликим рівнем автоматизації. Їхня загальна потужність значно нижча, ніж у виробників з Tier 1, вони не займаються самостійними дослідженнями або витрачають на R&D незначні суми.
3. Tier 3 — це невеликі компанії, які займаються збиранням панелей з уже готових компонентів від різних виробників. На ринку з’явилися нещодавно, на всіх етапах виробництва використовується, як правило, ручна праця. Відповідно, і якість їхньої продукції змінюється час від часу. Сонячні панелі від таких компаній приваблюють набагато більш вигідною ціною, ніж Tier 1 і, у ряді випадків, Tier 2.

Tier 1 включає невелику кількість компаній. До них належать:

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

Незважаючи на те, що ручне збирання у представників Tier 3 не дозволяє забезпечити стабільний рівень якості, до цього списку входить близько 90% всіх виробників сонячних панелей на сьогодні. Більше того, не є рідкістю передача на аутсорс виробництва від компаній Tier 1 виробникам з Tier 2 і навіть Tier 3 , що варто враховувати при виборі продукції дорогих брендів.

Ціни на автономні сонячні станції

Сонячні панелі

Вартість автономних сонячних станцій залежить, перш за все, від їхньої потужності, а також від типу та ємності акумуляторних батарей, що використовуються, типу інвертора та контролера. Крім того, на ціну обладнання традиційно впливає популярність (або невідомість) бренду.

Станом на 2023 рік, середня вартість автономних СЕС «під ключ» в Україні складає.

Чи вигідно використовувати автономну СЕС взимку?

Вигляд автономної СЕС взимку

Існує поширене помилкове судження, що сонячні панелі взимку неефективні та непрацездатні. Насправді це твердження не зовсім вірне.

У спрощеному вигляді будь-яку сонячну панель можна вважати напівпровідником на основі кремнію. Особливістю напівпровідника є те, що в залежності від температури змінюється його внутрішній опір: чим вище температура навколишнього середовища, тим вище внутрішній опір, відповідно, тим нижче ефективність генерації електроенергії та навпаки. Простими словами, в абсолютно ясний морозний зимовий день сонячна панель буде генерувати більше електрики, ніж в абсолютно ясний літній сонячний день, за інших рівних умов. Таким чином, в ідеальних умовах сонячного дня ККД сонячної панелі взимку вище, ніж улітку.

Але зимові погодні умови відрізняються, крім іншого, відмінною від літа довжиною світлового дня та положенням сонця над горизонтом. Тобто, по-перше, тривалість освітленості панелей взимку, яка безпосередньо залежить від довжини світлового дня, відчутно менше, ніж влітку. По-друге, взимку сонце знаходиться нижче, отже, і сонячні панелі, які встановлені під невеликим кутом до поверхні землі, менше освітлюватимуться прямими сонячними променями. Переважно в зимовий час на них попадатиме розсіяне світло, за рахунок чого ефективність генерації електроенергії буде теж нижче.

Умовно кажучи, автономна СЕС потужністю 5 кіловат може генерувати влітку 4–4,5 кВт. Грубо кажучи, влітку генерація сонячних панелей наближуватиметься до своїх паспортних значень, але залишатиметься дещо нижчою за рахунок значення ККД. Взимку ці ж панелі в сонячний ясний день будуть генерувати майже 5 кВт, але протягом короткого відрізка часу, коли сонце знаходиться високо над обрієм. Тобто сукупна кількість електроенергії, яка вироблена протягом світлового дня влітку, буде в кілька разів більша, ніж узимку.

Крім того, взимку існує така проблема, як сніг та лід. Чим більший кут підняття сонячної панелі щодо землі, тим ефективніше з неї стікатиме вода і природно сповзатиме сніг. Але найчастіше автономні СЕС встановлюють на дахах будинків або під тим самим кутом, що і дах, або під оптимальним для генерації енергії влітку. Звичайно, ніхто не буде змінювати кут установки панелей заради поліпшення ККД на один-два зимових місяці, на які припадає максимум опадів і найнижче положення сонця. над обрієм.

Таким чином, якщо взимку панель запорошить снігом на даху з невисоким кутом підйому, генерація зводиться максимум до 5–7%. І щоб повернути її до показників хоча б 20–30%, необхідне ручне прибирання поверхні сонячних панелей.

Отже, незважаючи на вищий ККД сонячних панелей взимку в ідеальних умовах сонячного ясного дня, у реаліях нашого регіону в зимовий час вони значно менш ефективні, ніж влітку. В основному це обумовлено коротким світловим днем та погодними умовами з великою кількістю снігових та хмарних днів. Тим не менш, використання в цей період автономної СЕС як резервного джерела електроенергії виправдане, якщо встановлені сонячні панелі з надмірною потужністю (відносно стандартного електроспоживання домашньої мережі). Так як у цьому випадку є можливість протягом світлового дня запасти електроенергію на ніч і для переключення на автономне електропостачання в періоди, коли відключається подача електрики по централізованим мережам.

Зведення