1. З чого складаються системи сонячної генерації

Говорячи максимально простими словами, геліоелектростанції складаються з фотоелементів (сонячних панелей), інвертора та акумуляторних батарей для накопичення виробленої енергії.

Для прикладу розрахунків припустимо, що житло знаходиться в умовному передмісті Києва. За даними карти інтенсивності сонячного світла це відповідає 4-й зоні:

Мапа інтенсивності сонячного світла для України.

На один квадратний метр горизонтальної площі землі у цій зоні припадає 1000 кВт*год сонячної енергії. Оскільки ми знаходимося в північній півкулі, для досягнення максимальної ефективності роботи панелі мають бути звернені на південь. При цьому в залежності від площини їх нахилу можуть вводитися додаткові коефіцієнти поправки перерахунку сумарного потоку сонячної енергії.

У середньому, з урахуванням поправного коефіцієнта та втрат при перетворенні сонячного випромінювання, панелі загальною потужністю 7 кВт можуть виробити близько 7000-8000 кВт*год електроенергії на рік.

Близько 70 % усієї енергії, що виробляється, генерується під час максимальної сонячної активності — приблизно з 9 години ранку до 16 години дня. За ці 7 годин умовні фотоелементи сумарною потужністю 1 кВт вироблять до 7 кВт*год електроенергії, а в світлові години, що залишилися, вони вироблять ще 2-3 кВт*год. Це в ідеальних умовах. У нелітні місяці, коли в атмосфері є димка, світло на фотоелементи потрапляє не під прямим кутом, а похмура погода в рази знижує ефективність сонячних панелей. Також кількість сонячної енергії на одиницю площі залежить від сезону. Виглядає це так:

Графік середньої продуктивності сонячної електростанції потужністю 7 кВт.

На практиці потужність фотоелементів визначається, виходячи з потреб домоволодіння в електроенергії та номіналу інвертора. Приблизно оцінити її можна за паспортами електроприладів або спеціалізованими таблицями потужностей (яка побутова техніка скільки споживає). Пильну увагу варто приділити не тільки номінальній, а й піковій потужності – деякі електроприлади на кшталт холодильників, кондиціонерів або свердловинних насосів у перші кілька секунд при запуску споживають набагато більше ампер, ніж коли працюють у штатному режимі. Інвертор у системі сонячної генерації має спокійно витримувати такі підвищені пускові струми. Зазвичай номінальна та пікова потужність вказуються в характеристиках перетворювача. Докладніше про те, «Як вибрати інвертор для сонячних панелей», розказано в однойменній статті.

Важливу роль відіграє і діапазон допустимих напруг PV (масив панелей). Робочий діапазон інвертора знаходиться між точками напруги старту та максимальної напруги. Якщо на вхід перетворювача надходить менша напруга — він просто не запуститься, більша — може загрожувати швидким перегріванням інвертора і виходом з ладу. Максимально допустима напруга в ланцюзі розраховується для граничної температури сонячної батареї -25 °С, адже вольтаж зростає саме при падінні температури панелі і перевищувати його не рекомендується. Мінімальний поріг – розраховується для граничної температури панелей +70 °С. Обидва отримані значення визначають структуру підключення сонячних батарей у стрінг, їх допустиму кількість та спосіб з'єднання.

Що ж стосується безпосередньо сонячних панелей, їхня потужність зазвичай визначається для умов STC (стандартних тестових умов, що відображають роботу сонячної панелі в ідеалі), які рідко досягаються на практиці. Переважну більшість часу фотоелементи працюють на 80-90% від закладеної потужності (і то тільки в періоди максимальної сонячної активності), а протягом експлуатації вони неминуче деградують, що також призводить до просідання потужності. Як правило, рекомендується трохи «перевантажувати» інвертор з боку постійного струму – в межах до 120%. Для умовної моделі на 7 кВт оптимальне значення сумарної потужності сонячних батарей перебуватиме у діапазоні до 8.4 кВт.

Фотоелементи для розгортання масиву сонячної генерації найчастіше стандартизовані за габаритами та показниками номінальної потужності. Наприклад, у полікристалічних панелях на 1.6 м² площі припадає 260-290 Вт потужності (можна усереднити до 275 Вт). Така цифра складається з довжини батарей ≈160 см і ширини близько 100 см.

Для побудови системи на 7 кВт потрібна така кількість панелей:

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

На підставі отриманого значення ми можемо розрахувати площу покрівлі, яку потрібно відвести під фотоелементи:

1.6 м² * 26 шт. = 41.6 м²

В даний час набагато частіше використовуються ефективніші монокристалічні фотоелементи. Для збирання масиву сонячних панелей візьмемо за приклад умовну популярну модель Risen RSM40-8-400M із габаритами 175.4х109.6 мм. Площа однієї такої панелі становить близько 1.9 м², проте на неї припадає вже 400 Вт потужності. Подальші розрахунки буде наведено саме на цьому прикладі.

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

1.9 м² * 18 шт. = 34.2 м² (площа покрівлі під фотоелементи)

Залишається лише придбати відповідну акумуляторну збірку. Фактично у системах сонячної генерації можна використовувати будь-які АКБ. Але найкраще для цих цілей підходять AGM, гелеві, літій-іонні та літій-залізо-фосфатні (LiFePO4) акумулятори. При цьому краще вибирати саме літієві різновиди батарей – вони не схильні до «ефекту пам'яті», не бояться глибоких розрядів, здатні досить швидко заряджатися.

Підбір мінімальної ємності АКБ для сонячних електростанцій зазвичай здійснюється виходячи із значень електроспоживання в нічний час – вдень система сонячної генерації повинна покривати потреби навантаження та заряджати акумулятори. Насправді ж ємність акумуляторів краще брати із запасом — це вбереже їх від «висадки в нуль» і дасть змогу сформувати буфер на випадок непередбачених ситуацій (або для використання геліоелектростанції як резерву).

Наприклад, за ніч на потреби домогосподарства витрачається 3 кВт*год електроенергії. Інвертор у системі сонячної генерації розрахований на робочу напругу 48 В:

3000 Вт*год / 48 В = 62.5 А*год

Найближчу штатну ємність акумулятора приймаємо за 65 А*год. Отже, при використанні стандартних 12-вольтових гелевих АКБ нам знадобиться чотири батареї по 65 А*год, послідовно з'єднаних у систему 48 В. До повного розряду вони зможуть видати необхідні 3 кВт*год електроенергії. Для гелевих та AGM-акумуляторів бажано закладати солідніші запаси за ємністю, тоді як літієві різновиди АКБ стійкіше витримують вищезгадані глибокі розряди і не потребують великого буфера.

Популярні монокристалічні сонячні панелі

2. Сонячна електростанція для квартири

У квартирному житловому фонді розгулятися щодо сонячних панелей особливо ніде. Все впирається у доступну площу для розміщення фотоелементів. Припустимо, у нашому розпорядженні є двокімнатна квартира з лоджією, яка звернена на південну сторону. На її стіні вдасться викроїти максимум 10 м² площі для встановлення сонячних панелей. Нагадуємо – для розрахунків беруться умовні фотоелементи Risen RSM40-8-400M із габаритами 175.4х109.6 мм. Площа однієї такої панелі становить близько 1.9 м² і на неї припадає 400 Вт.

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

5 шт. * 400 Вт = 2000 Вт (2 кВт)

З такої кількості панелей вийде отримати до 2 кВт потужності, що генерується – в яскравий сонячний день і лише за умови правильно обраного кута нахилу фотоелементів.

Тим не менш, є сенс встановлення інвертора про запас – на 3-5 кВт. Акумулятори можна заряджати не тільки від сонячних батарей, але й від зарядного пристрою. Сумарна ємність АКБ для такої системи повинна також бути в межах приблизно до 5 кВт.

  1. Варіант збірки «на всі гроші»:
    • 5 панелей по ≈400 Вт коштують $100 за 1 шт. – $500;
    • гібридний інвертор Deye SUN-5K-SG03LP1-EU на 5 кВт / 48 В – ≈ $1500;
    • 48-вольтова літій-залізо-фосфатна АКБ Deye ємністю 100 Агод теж обійдеться в ≈$1500.
    • Разом виходить $3500.

  2. Бюджетний варіант збірки:
    • 5 панелей по ≈400 Вт коштують $100 за 1 шт. – $500;
    • автономний інвертор Marsriva MR-SPF4000 TWIN V.4 на 4 кВт / 24 В – ≈ $600;
    • два 12-вольтові гелеві або AGM-акумулятори ємністю по 200 Агод обійдуться в ≈$800 (їх з'єднують послідовно для отримання напруги 24 В).
    • Разом виходить $1900.
Важливо! Враховуйте, що зверху необхідно закласти ще $300-500 на розхідники (роз'єми, монтажні пристрої, кабелі, електрозахист тощо).
Популярні інвертори (off-grid)

3. Геліоелектростанція для таунхауса

У таунхаусі можна знайти набагато більше місця під сонячні панелі, ніж у квартирі. З умовної загальної площі даху у 80 м² під фотоелементи вдасться відвести приблизно половину або трохи менше (з урахуванням вікон, виступів, козирків тощо) – беремо приблизно 35 м² на південній стороні будинку.

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

18 шт. * 400 Вт = 7200 Вт (7.2 кВт)

За умови роботи фотоелементів «на повну котушку» система сонячної генерації зможе видавати до 7.2 кВт потужності. Відповідно, під неї знадобиться інвертор на 6-9 кВт (залежно від конкретних потреб). Акумуляторну збірку теж є сенс підбирати приблизно на 8-10 кВт.

  1. Варіант збірки «на всі гроші»:
    • 18 панелей по ≈400 Вт коштують $100 за 1 шт. – $ 1800;
    • трифазний гібридний інвертор Deye SUN-8K-SG04LP3-EU на 8 кВт / 48 В – ≈ $2600;
    • дві 48-вольтові літій-залізо-фосфатні АКБ Deye ємністю по 100 Агод обійдуться в ≈$3000 (їх з'єднують паралельно для нарощування сумарної ємності збірки).
    • Разом виходить ≈ $7400.

  2. Бюджетний варіант збірки:
    • 18 панелей по ≈400 Вт коштують $100 за 1 шт. – $1800;
    • трифазний гібридний інвертор Huawei SUN2000-6KTL-M1 на 6 кВт / 48 В – ≈ $1350;
    • 48-вольтовий літієвий акумулятор ємністю близько 150 Агод обійдеться в $1750.
    • Разом виходить $4900.
Важливо! Понад отримані цифри необхідно передбачити ще до $1000 на всілякі розхідники: роз'єми, конектори, монтажні комплекти, кабелі, системи електрозахисту тощо.
Популярні інвертори (on-grid)

4. Система сонячної генерації для приватного будинку

У приватному будинку вже точно є десь розвернутися. Адже для розміщення сонячних батарей можна використовувати покрівлю безпосередньо будинку і споруд, що примикають до нього. Якщо масиви панелей передбачається встановлювати порізно, знадобиться інвертор з кількома MPPT-контролерами або два-три інвертори.

Припустимо, нам доступно 120 м² площі під фотоелементи:

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

63 шт. * 400 Вт = 25200 Вт (25.2 кВт)

Теоретично можна розгорнути масив сонячних панелей і на всі 25 кВт потужності, що генерується. Однак на практиці важливо враховувати корисну площу даху, нахил фотоелементів, їхню вагу. А якщо електроенергію передбачається потім продавати в мережу за «зеленим тарифом», сумарна продуктивність збірки не повинна перевищувати 30 кВт.

Потужний інвертор на 15-20 кВт – задоволення аж ніяк не з дешевих. Також доведеться вкластися у купівлю акумуляторів для накопичення виробленої електроенергії. Їх ми розглядаємо із розрахунку на 12-15 кВт.

  1. Варіант збірки «на всі гроші»:
    • 63 панелі ≈400 Вт обійдуться по $100 за 1 шт. – $6300;
    • гібридний інвертор Deye SUN-15K-SG05LP3-EU-SM2 на 15 кВт / 48 В – ≈ $3500;
    • дві 48-вольтові літій-залізо-фосфатні АКБ Deye ємністю по 120 Агод обійдуться в ≈$3500 (їх з'єднують паралельно для нарощування сумарної ємності збірки).
    • Усього виходить ≈$13300.

  2. Бюджетний варіант збірки:
    • 63 панелі ≈400 Вт обійдуться по $100 за 1 шт. – $6300;
    • гібридний інвертор Solplanet ASW12KH-T1 на 12 кВт / 48 В – ≈ $1900;
    • дві 48-вольтові літій-залізо-фосфатні АКБ ємністю по 120 Агод обійдуться в ≈$3000 (їх з'єднують паралельно для нарощування сумарної ємності збірки).
    • Разом виходить $11200.
Важливо! Необхідно закласти понад отримані цифри ще $1000-1500 на витратні матеріали: монтажні кріплення, рамки та адаптери, роз'єми та конектори, кабелі, системи електробезпеки тощо.
Популярні гібридні інвертори (hybrid)

5. Висновок

Зазначимо, що отримані результати мають приблизний рекомендаційний характер, адже сонячні панелі можуть разюче відрізнятися за габаритами і, відповідно, площею. Знаючи їхні параметри, можна легко перерахувати все під конкретні умови, які підійдуть саме вам.