Теорія сонячної енергетики стосовно Автодом

З самого початку, коли проектувався житловий модуль постало питання, як надалі буде використовуватися дах кемпера. Визначитися потрібно було для того, щоб знати чи потрібно закладати на дах посилений каркас з більш товстого профілю.

Уважно поміркувавши я відмовився від ідеї возити там будь-якої вантаж, з тієї причини, що ні до чого зайво задирати центр ваги, збільшувати опір повітрю, та й доступ туди не дуже то зручний, за умови, що автомобіль майже 2.5 метра заввишки.

Але абсолютно порожня дах це якось дивно, а за умови, що енергоспоживання нашого будиночка поступово зростає, то абсолютно логічно було б використовувати порожні поверхні під вироблення електроенергії за допомогою сонячних панелей.

Так я почав вникати в теорію сонячної енергетики стосовно до свого Автодом. Спочатку у мене було відчуття, що я забрів в темний і дрімучий ліс - настільки я заплутався і в термінах і типах обладнання. Власне, розібратися до кінця я так і не зумів - довелося звертатися до тих, хто в цьому розуміє.

Так я представляю вам нового партнера проекту # УАЗCargoCamperEdition - це MicroArt - розробник і виробник з великим стажем.

Дах у мене насправді досить велика - її загальна площа 4,875 м2 при розмірах 2.5 метра на 1.95 метра. Про всяк випадок, я вирішив не позичати її повністю і обмежитися площею в задній частині люк і з боків від нього.

Для початку розберемося з термінологією. Сонячні панелі бувають різних типів:

1.Кремніевие. Батареї, в основі яких кремній, на сьогоднішній день є найбільш популярними, в першу чергу через найвищої ефективності. Вони в свою чергу діляться на моно і полікристалічні.
монокристалічні
Дані панелі являють собою силіконові осередки, об'єднані між собою. Для їх виготовлення використовують максимально чистий кремній, який після затвердіння розрізають на тонкі пластини товщиною 250-300 мкм, які вже пронизують сіткою з металевих електродів. Технологія є досить дорогою, тому і собівартість і як наслідок кінцева ціна на монокристалічні батареї вище, ніж полікристалічні або аморфні. Головною перевагою їх є найвищий показник ККД (близько 17-22%).
полікристалічні
При виготовленні полікристалічних панелей кремнієвий розплав піддається повільному охолодженню. Такий спосіб менш енерговитратний і ціна виходить нижче монокристалів, але у них більш низький ККД (12-18%).

2. Плівкові. Поява плівкових батарей обумовлено в першу чергу бажанням знизити собівартість виробництва сонячних батарей. Їх також буває кілька типів:
На основі телуриду кадмію
Значення ККД таких панелей складає всього близько 11%, проте в перерахунку на вартість, отримання вата потужності від таких батарей обходиться на 20-30% дешевше, ніж у кремнієвих, за рахунок своєї більш низької ціни.
На основі міді-індію
Для виробництва цього типу панелей в якості напівпровідників використовуються мідь, індій і селен. Плівкові сонячні батареї на основі селеніду міді-індію мають ККД рівний 15-20%
полімерні
Розробили даний тип панелей почалася відносно недавно. Як светопоглощающих матеріалів використовуються органічні напівпровідники. Товщина плівок становить 100 нм. Полімерні сонячні батареї мають на сьогоднішній день ККД найнижчий ККД всього 5-6%. Але їх при цьому у них дуже низька вартість виробництва і як наслідок доступність, а також вони дуже легкі.

Аморфний. Є ще один тип панелей, аморфний. За типом використовуваного матеріалу аморфні батареї відносяться до кремнієвим, а за технологією технології виробництва - до плівковим. Матеріал, що використовується тонким шаром (менше 1 мкм) наноситься на матеріал підкладки. ККД таких батарей вкрай невисокий всього 5-6%, однак вони дуже непогано працюють при похмурій погоді, а також мають підвищену гнучкість. Однак, є ще один цікавий ефект - через 2 роки експлуатації їх продуктивність падає на 50-80% - це пов'язано з хімічними процесами плівки при впливі на них сонячних променів

У моєму випадку, так як площа даху автомобіля відносно невисока в порівнянні з дахом звичайного будинку, то найбільш важливим фактором буде продуктивність панелей і тому вибір зупиняється на монокристалічних панелях.

Таким чином у мене будуть встановлені три панелі розміром: 1200х553х35, кожна по 100 Вт потужністю відповідно.

Більш докладно з технічними характеристиками можна ознайомитися з специфікації:

Потужність: 100 Вт ± 1Вт
Номінальна напруга: 12 В
Напруга в точці максимальної потужності - 19,04 В
Оптимальний робочий струм 5,16 А
Напруга холостого ходу: 22,8 В
Струм короткого замикання: близько 5,55 А
Розміри: 1200 × 553 × 35 мм Вага: 8,3 кг
Параметри виміряні при стандартних умовах (освітленості 1000 Вт / м2 і температурі 25 ° С)

У свою чергу монокристалічні панелі діляться на класи:
Grade A. Це вищий клас, найвищий ККД, відсутність відколів, тріщин і подряпин, які призводять до зниження ефективності перетворення світла в електроенергію. Ідеальний зовнішній вигляд, однорідність кристалів, кольору і т. П
Grade B. Другий сорт, частковий шлюб і т.п. Ці елементи швидше старіють і навіть спочатку продуктивність їх менше.
Grade C. Це низький сорт з самим невисоким ККД. До візуальних дефектів додаються мікротріщини, відколи відламані шматочки елементів, і т. П.
Grade D - найнижчий сорт, суцільна відбраковування, найнижчий ККД. Це поламані елементи, іноді з них роблять малопотужні модулі з обрізків, але в основному ця відбраковування надходить в переробку на новий кремній.

Таким чином, навіть формально одного типу панелі можуть сильно відрізнятися за ціною. Це варто враховувати, якщо раптом ви бачите якийсь вже дуже вигідну пропозицію на китайських торгових майданчиках.

Згідно з рекомендаціями сонячні панелі потрібно встановлювати з зазором від даху в 5 см. Це потрібно для їх охолодження, так як при роботі вони досить сильно нагріваються, а перегрів призводить до зниження їх ефективності. У моєму випадку я думаю зробити каркас з алюмінієвої рами, на якому розмістяться панелі, а спереду боки закрити невеликим козирком, який захистить їх від удару в торець. Самі ж панелі досить стійкі до механічних впливів і як заявлено гарантовано витримують падіння на них 800 грамового сталевої кулі з висоти 1 метр.

Панелі будуть з'єднуватися послідовно і далі, підсумувавши три рази свої 12 вольт вони у вигляді 36 вольт, через спеціальні роз'єми по проводах перерізом не менше 4 мм потраплять на контролер сонячної енергії.

Отже, наступний і мабуть найбільш важливий елемент цієї системи це сонячний контролер

Говорячи по простому - завдання контролера полягає в перетворенні сонячного світла в енергію. Контролери бувають двох типів: MPPT і PWM.

Maximum Power Point Tracking (MPPT) - це автоматичний пошук точки максимальної потужності сонячних панелей в реальному часі. Примітивні MPPT контролери з'явилися на ринку ще в кінці 1980-х років. Зараз у продажу вже MPPT контролери з сучасної схемотехнікою, надійними і довговічними електронними компонентами та з управлінням мікропроцесором. Технологія MPPT є найбільш ефективну технологію сучасних контролерів заряду. Однак MPPT сонячні контролери істотно дорожче звичайних PWM (ШІМ).

У сонячну погоду напруга сонячної панелі завжди вище напруги на акумуляторі, а в похмуру - нижче. Використання МРРТ контролера дозволяє нам свідомо збільшити напругу від сонячних панелей в порівнянні з АКБ, з'єднавши їх послідовно. Тоді, навіть у похмуру погоду напруга сонячних панелей буде все ще вище АКБ, а в сонячну - набагато вище. Завдання перетворення мінливого в широкому діапазоні вхідної напруги і струму, в підходящі для АКБ величини, і виконує МРРТ контролер.

PWM (ШІМ). Прості сонячні контролери (без технології MPPT) підключають сонячні панелі до акумулятора практично прямо, і тому напруга їх порівнюється. ККД використання сонячної енергії нижче на 20-30% в порівнянні МРРТ.

Основні переваги контролерів MPPT в порівнянні з PWM (ШІМ) контролерами:
високий ККД / ефективність;
- оптимальна робота при затіненні частини площі сонячних панелей;
- підвищена віддача при слабкому освітленні і при похмурій погоді;
- підвищена віддача при підвищенні температури сонячного модуля (що веде до зниження його потужності), і - при негативних температурах повітря (що, відповідно, веде до збільшення потужності);
- використання більш високої вхідної напруги, дозволяє зменшити перетин кабелів;
- дозволяє збільшити дистанцію від панелей до контролера.

МРРТ контролери дуже ефективні, ККД перетворення зазвичай 97 - 98%.

У моїй системі буде стояти сонячний контролер КЕС 100/20 MPPT КЕС MPPT 100/20

Контролер розрахований для роботи в фотоелектричних системах малої потужності при струмі заряду до 20 А і напрузі акумуляторів 12 або 24В (з боку сонячних панелей сумарне напруга може бути до 100 В). Контролер забезпечує функцію стеження за точкою максимальної потужності сонячних панелей.

Ключові переваги:
- Висока швидкодія, а отже ефективність вище до 10% (в порівнянні з іншими МРРТ контролерами) і до 40% в порівнянні з ШІМ (PWM) контролерами.
- ККД 98% і відсутність вентиляторів охолодження
- Сталевий корпус (надійність і пожежна безпека)
- Можливість працювати на підвищення напруги сонячної панелі, якщо її напруга нижче напруги АКБ. Таке можливо якщо похмуро і панель всього одна (не виходить з'єднати їх послідовно для підвищення напруги).
- Контролер не псується якщо відключити АКБ в процесі заряду від сонця.
- Допустима напруга на вході контролера до 100 В
- Температурна компенсація і корекція режимів заряду для продовження терміну служби акумулятора
- Вихід для підключення навантаження або силового реле (електронне реле управління зовнішніми пристроями).
- Можливість підключення літій-залізо-фосфатних (LiFePO4) акумуляторних батарей з BMS.
- Трёхстадійний заряд з буферним режимом Автоматичне підключення / відключення навантаження при заряді / розряді АБ
- Тропічне виконання: плата контролера захищена вологонепроникним покриттям (лаком), що мінімізує шкідливий вплив підвищеної вологості і комах.
- Можливість оновлення вбудованого програмного забезпечення і швидкий сервіс вУкаіни (вітчизняне виробництво) КЕС MPPT 100/20

захист:
- Захист від неправильної полярності підключення СП
- Захист від короткого замикання на вході СП
- Захист від короткого замикання в навантаженні
- Захист від перегріву
- Відключення СП після досягнення кінцевого напруги заряду АКБ
- Відключення навантаження при неприпустимо низькій напрузі на АКБ
- Захист від обриву в колі АКБ
- Запобігання розряду АКБ через СП в нічний час
- Електронний запобіжник
- Захист від підключення до АКБ неправильної полярністю.

При монтажі контролера рекомендується розміщувати його якомога ближче до акумуляторної батареї, щоб довжина проводів від нього до клем АКБ була мінімальна. Також великим бонусом для мене є те, що можна використовувати будь-які типи акумуляторів, шляхом настройки контролера. Сьогодні у мене стоїть простий лужної АКБ, а завтра я можливо розорюся на спеціалізовану AGM батарею, проста перенастроювання і контролер видає правильний тип заряду для цього типу батарей.

Ну і останній елемент цієї системи це інвертор (МАП)

Інвертор МАП є багатофункціональним перетворювач постійної напруги (інвертор напруги) акумуляторної батареї 12В в змінну напругу 220В з частотою 50 Гц, з функцією потужного заряду АКБ, і призначений для живлення різних споживачів електроенергії (електроінструмент, побутові електроприлади, радіоапаратура тощо).

Інвертори бувають різні - з модифікованим синусом і з чистим синусом; зроблені по високочастотної або по низькочастотної технології; з можливістю заряду акумуляторів і без вбудованого зарядного пристрою;

Модифікований синус і чистий синус.

Однак деякі прилади (двигуни, насоси, світлодіодні лампи, холодильники і СВЧ-печі) від модифікованого синуса, працюватимуть менш ефективно, тобто ці прилади будуть більше грітися, сильніше гудіти і працювати з меншою потужністю. Бувають навіть пристрої, які не зможуть працювати від модифікованого синуса, наприклад опалювальні котли.

Високочастотні і низькочастотні інвертори

Звичайний автомобільний інвертор це як правило малопотужний інвертор зарахований для мало споживають пристроїв, таких як ноутбук, маленький пилосос, дриль невеликої потужності і інші.

У низькочастотних инверторах використовується, низька частота (50 Гц) перетворення енергії від акумуляторів. Ця частота відповідає частоті промислової мережі, в якій теж 50 Гц. На такій частоті працюють відносно великі і важкі трансформатори. Подібний трансформатор як би є проміжним буфером між електронікою інвертора і навантаженням, що збільшує надійність пристрою. Конструктивною особливістю низькочастотного інвертора є величезний трансформатор, який займає майже половину корпусу приладу.

Головним недоліком низькочастотних інверторів є велика вага і висока ціна. З плюсів є можливість працювати «у зворотний бік». Тобто можливість під'єднати провід від стаціонарної мережі 220в забезпечити швидкий і потужний заряд автомобільного АКБ при необхідності.

Існує поняття пусковий потужності. Для деяких електроприладів, наприклад електрообігрівачів, пускова потужність не відрізняється від номінальної робочої потужності. При їх включенні немає стрибка струму і вони відразу починають споживати рівно свої заявлені цифри. Є пристрої, у яких пускова потужність не значно перевищує робочу, це наприклад електроінструмент. А є такі, у яких пуск в рази перевищує робочу потужність. Це, наприклад, побутові холодильники (перевищення в 10 разів), кондиціонери, глибинні насоси, асинхронні двигуни, компресори, СВЧ-печі і ін.

Отже, в мою систему додається інвертор з чистим (немодифікована) синусом з максимальною потужністю в 2 кВт і пікової пусковий в 3 кВт. При необхідності, через нього можна буде під'єднати мій кемпер до побутової мережі в 220В, щоб швидко зарядити повністю висаджені АКБ при довгій стоянці або навпаки інтенсивної експлуатації внутрішніх споживачів. Не факт, що така потреба у мене буде, але тим не менш функція ця корисна. Також з'являється можливість підключення потужних електроприладів, таких як болгарка, зварювальний апарат і тому подібні. А ще можна живити електричний тен, для нагріву водяного бака, той що йде на раковину.

Ось власне і все, що хотілося сказати в цей раз. Компоненти і їх класифікація детально озвучені, в наступний раз покажу як все це буде підключено і продемонструю як це функціонує.

Пробіг: 31700 км