Солнечная электростанция своими руками. Подбор компонентов.
Попытаемся понять подход к выбору автономной солнечной системы, какие факторы имеют большее, а какие меньшее значение.
Прежде всего, надо определить, сколько энергии вам понадобится в месяц, и, чтобы стоимость солнечной электростанции не стала фантастически высокой, по мере возможности уменьшить потребности. Затем необходимо определить, сколько солнечной энергии можно получить в той местности, где будет работать солнечная установка. Примерные данные приводятся в метеорологических справочниках, кое-какую информацию по солнечной инсоляции можно найти в Интернете. Обычно уровень солнечной инсоляции выражается в Ваттах/м2 с разбивкой по месяцам. Причём сезонные колебания могут быть очень значительными.
Солнечные электростанции. Схема электроснабжения дома от солнечных батарей
Как выбирать солнечную батарею?
Если предполагается использовать солнечную электростанцию круглогодично, расчёт надо производить по месяцам с наихудшими параметрами по инсоляции (конечно, если предполагается использовать только солнечную энергию). КПД солнечных батарей для расчётов надо принимать не выше 14% (а лучше 12%), т.к., несмотря на КПД элементов 16 или даже 17 % (а чаще используются элементы с КПД 14-15%), часть излучения отразится от поверхности стекла закрывающего элементы (даже если используется антибликовое стекло), часть излучения погасится в толщине стекла, т.к. не вся поверхность солнечной батареи закрыта кремниевыми пластинами (между ними есть зазоры 2-3 мм). Кроме этого некоторые элементы имеют обрезанные углы, что также уменьшает полезную площадь. Некоторые изготовители приводят примерную выработку энергии в месяц при разных уровнях солнечного излучения.
Карта инсоляции России. Продолжительность солнечного сияния.
Теперь, чтобы определить количество солнечных батарей, необходимо разделить желаемую потребность в энергии на возможную выработку энергии одной батареей в те месяцы, когда будет использоваться солнечная электростанция. Естественно, расчёт ведется по самым наихудшим параметрам по инсоляции.
Например, установка будет эксплуатироваться круглогодично, потребность в энергии 100 кВт час/месяц, одна батарея из выбранных вами произведёт в декабре не более 2 кВт-час энергии, 100 : 2 = 50 батарей. При тех же условиях, но неизвестной производительности батареи, а известной её площади 0,7 м², определяем, что за месяц будет произведено примерно 20 х 0,7 х 0,12(КПД) = 1,68 кВт-час энергии (инсоляция в декабре составляет примерно 20 кВт-час/м²). Для определения количества солнечных батарей необходимо разделить желаемое количество энергии на выработку одной батареи: 100 : 1,68 =59,5 шт., округляем в большую сторону 60 шт.
Следует отметить, что все эти расчёты носят приблизительный, ориентировочный характер, т.к. количество солнечных дней может сильно отличаться в разные годы. Всегда надо учитывать, что запас только улучшает параметры системы.
Увеличение производительности солнечных батарей – это отдельная большая тема. Можно отметить только несколько способов увеличения производительности:
Выбор оптимального угла установки. Желательно, чтобы поверхность солнечной батареи располагалась перпендикулярно к лучам солнца, с максимальным отклонением в ту или иную сторону на не более, чем 15°. В связи с тем, что солнце в течении года постоянно меняет высоту над горизонтом, желательно устанавливать солнечные батареи под тем углом, который обеспечивает максимальный выигрыш по производительности в нужное время. Например, если предполагается использовать солнечную электростанцию круглогодично, то батареи устанавливают под углом + 15° к широте местности, а если только в летние месяцы, то под углом – 15° от широты местности.
Поворот солнечной батареи вслед за солнцем в течение дня(применим только для небольших систем), таким образом можно увеличить выработку энергии вплоть до 50% от выработки в стационарном положении.
Применение контроллера заряда с функцией ОТММ (Отслеживания Точки Максимальной Мощности, по-английски MPPT (Maximum Power Point Tracking)). Такой контроллер при наличии достаточной освещённости не препятствует поступлению энергии от солнечных батарей на аккумуляторы, а при недостатке освещённости накапливает энергию и подаёт её на аккумулятор порциями с оптимальными значениями тока и напряжения.
Но, конечно, если с таким трудом полученную энергию расходовать не экономно, то все ухищрения по получению дополнительной энергии пропадут впустую. Наибольший выигрыш в автономных системах электроснабжения можно получить, экономя энергию. Замена ламп накаливания на люминесцентные или компактные люминесцентные (энергосберегающие), а там где надо получать большие световые потоки (освещение территорий, торговых залов и т.д.), на металлогалогеновые даёт снижение затрат на освещение примерно в 4-5 раз. Применение бытовой техники с индексом энергопотребления «А» или «А+» даёт ещё более значительный выигрыш. Вообще, вопрос энергосбережения, в условиях значительного роста цен на энергоносители приобретает первостепенное значение.
Немного коснёмся принципов конструирования систем автономного электроснабжения на солнечных батареях. Мы уже пробовали рассчитать необходимое количество солнечных батарей, теперь перейдём к остальным компонентам системы. Энергия, полученная от солнечных батарей, направляется на зарядку аккумуляторов. Это необходимо по двум причинам:
— сглаживание неравномерности поступления энергии, например, в облачную погоду;
— реализация потребности в электроэнергии тогда, когда нет солнечного излучения (ночью и в пасмурные дни).
Для подбора количества и типа аккумуляторов также используются два параметра: конструкция инвертора (напряжение на низкой стороне) и ток зарядки, который может поступать от нескольких источников и не должен превышать 10 % от номинальной ёмкости для кислотных аккумуляторов и 25-30% от номинальной ёмкости для щелочных. Если в инверторе имеется зарядное устройство от сети, то оно должно автоматически регулировать зарядный ток в зависимости от степени заряда аккумуляторов. Кроме этого, особенно если подзарядка от существующей сети отсутствует, необходимо, чтобы аккумуляторы не боялись сульфатации пластин, иначе подзарядка маленьким током, который часто бывает в не очень ясную погоду, быстро выведет аккумуляторы из строя.
К необходимым свойствам аккумуляторов, применяемых в солнечных электростанциях, добавим и низкий уровень саморазряда (иногда изготовители указывают эту отличительную черту). Обычный кислотный аккумулятор требует подзарядки не реже чем один раз в шесть месяцев, иначе выходит из строя. Через год после начала эксплуатации уровень саморазряда обычного кислотного аккумулятора достигает 1,5% в день от его номинальной ёмкости. Поэтому к аккумуляторам, применяемым в солнечных системах, предъявляются специфические требования.
Теперь перейдём к инверторам. Вообще, идеальной конструкцией солнечной электростанции следует считать ту, где разные группы нагрузок получают питание от разных инверторов, и количество и мощность инверторов соответствует количеству и мощности автоматических выключателей в распределительном щитке. Эти параметры выбираются при конструировании домашней электросети. Например, в распределительном щитке — 4 автомата на 16 А (максимально допустимая нагрузка на бытовые сети: розетки и освещение) и 2 автомата на 25 А (для питания силовой техники). Идеальным считаем применение 4 инверторов мощностью 16А х 220В=3520 Ватт и двух инверторов мощностью 25А х 220В=5500 Ватт. Причём питание эти инверторы могут получать от одной группы аккумуляторов, заряжаемых одной группой солнечных батарей.
Обычно изготовители указывают не мощность в Ваттах, а пиковую мощность в вольт-амперах, т.к. этот параметр выше по значению примерно на 20-30%. Многие фирмы выпускают инверторы с самыми различными свойствами. Они могут отличаться формой выходного сигнала (наиболее простые и дешёвые на выходе дают прямоугольный сигнал, так называемый «меандр», изготовители которого, правда, чаще называют его: модифицированной синусоидой, имитированной синусоидой, псевдо синусоидой, квазисинусоидой и т.д.), способом компенсации нагрузок (за счёт сохранения амплитуды напряжения или площади кривой), применяемым схемным решением (одно или два преобразования напряжения, импульсным или аналоговым преобразованием сигнала).
Некоторые инверторы имеют встроенное зарядное устройство от существующей сети, другие могут осуществлять подпитку сети и направлять энергию, полученную от солнца, в сеть. Вообще, конструкция инвертора может быть самой разнообразной.
Но в целом качественный инвертор должен выдавать чистый синусоидальный сигнал с искажениями меньше 3 %, не менять значение амплитуды напряжения при подключении нагрузки более 10 %, осуществлять двойное преобразование (первое — постоянного тока, второе – переменного), иметь аналоговую часть вторичного преобразования с качественным трансформатором, иметь значительный запас по перегрузке и набор защитных функций от короткого замыкания в нагрузке, от неправильного подсоединения к аккумуляторам, от перегрузки, от неисправности аккумуляторов, не допускать глубокого разряда аккумуляторов. Все остальные функции могут быть, а могут и отсутствовать. Иногда лишние сервисные функции затрудняют пользование подобным прибором, пользователь должен в идеале включить прибор и забыть об его существовании.
Ещё один достаточно важный вопрос, на который необходимо обратить внимание при выборе солнечных систем, вопрос запаса параметров. При использовании солнечной энергии мы применяем непредсказуемые природные явления. Поэтому для обеспечения стабильности электроснабжения необходимо иметь запас по источникам энергии (солнечным батареям), по хранилищам энергии (аккумуляторам) и по преобразователям энергии (инверторам). Естественно, подходить к вопросу избыточности надо разумно. Иногда бывает лучше и дешевле применять гибридную схему электроснабжения с применением других источников энергии: разного рода генераторов, существующего подключения к электросети и т.д.
В заключение можно сделать вывод, что в условиях, когда традиционные энергоносители дорожают, а на горизонте истощение природных ресурсов, обоснованность и необходимость применения альтернативных источников электроснабжения возрастает многократно.
Самодельные электростанции
Конструкция данного ветряка отличается высокой технологичностью, отсутствием дефицитных материалов и минимальной потребностью в механической обработке деталей, что несомненно упрощает его изготовление своими руками. К несомненным достоинствам нужно отнести оригинальное решение автоматической установки лопаток ротора в зависимости от скорости ветра. Двигатель можно использовать в качестве привода генератора или насоса. При скорости ветра до 30.
- Коммуникации для дома / Самодельные электростанции
- 2010-12-09
Эжектроная мини ГЭС — конструкция и принцип работы
В основу идеи эжектроной ГЭС легли принципы работы двух насосов: эжектора и эрлифта. Эжектор — это струйный насос, он работает за счет рабочей струи жидкости. Эрлифт — эмульсионный насос, который работает за счет подъема вверх водовоздушной эмульсии. Общее устройство станции вы можете увидеть на рисунке.
- Коммуникации для дома / Самодельные электростанции
- 2010-12-09
Мини ГЭС своими руками
Появление дач и даже фермерских хозяйств на бросовых, удалённых от электросети землях, галопирующий рост цен на топливо и электричество вызвали к жизни старые идеи автономного электроснабжения с широким использованием природной энергии солнца, ветра и воды. В том числе возрос интерес к мини- и микроГЭС.
- Коммуникации для дома / Самодельные электростанции
- 2010-12-09
Плавучая бесплотинная мини ГЭС конструкции инженера Б. Кажинского
Плавучая бесплотинная мини-ГЭС конструкции инженера Б. Кажинского. При диаметре водяного колеса 6 метров с 24 лопатками-лопастями (длина и ширина у них соответственно равны 4,5 и 1,0 м) на российских реках (со скоростью течения 1. 1,5 м/с) «сердце» такой мини-ГЭС делает 10-12 оборотов в минуту, развивая на валу мощность до 6 кВт.
- Коммуникации для дома / Самодельные электростанции
- 2010-12-08
Как самому сделать мини-ГЭС?
Многие частные дома в Америке принято снабжать альтернативными источниками энергии, чтобы не платить за электричество слишком много. Однако оборудование для установки того же ветрогенератора стоит очень дорого, хотя и сравнительно быстро окупается. Но, как показала практика, если недалеко от вашего участка есть ручей, при условии наличия времени и понимания того, что конкретно нужно сделать, можно своими руками собрать небольшую гидроэлектростанцию, дающую около 2 А. Как это сделали американские умельцы – читайте в этой статье.
Наши герои начали с кусков листового железа и железных уголков. Диски для колеса турбины сделаны из сломанного генератора производства Cummins Onan. Генератор построен из двух тормозных роторов диаметром 11 дюймов, а ступица колеса снята со старого Доджа.
Лопасти турбины сделали из разрезанных на четыре части стальных труб диаметром 4 дюйма.
Колеса имеют диаметр 12 дюймов. Чтобы они точно соответствовали размерам ступицы, был изготовлен шаблон, по которому вырезались отверстия и определялось положение шестнадцати лопастей. Шаблон клеем соединили с одним из дисков турбины и просверлили на станке несколько вспомогательных отверстий, которые определят позицию будущих лопастей.
Получившиеся диски соединили между собой 10–дюймовыми стальными прутами и поставили на один из дисков, чтобы было удобнее приваривать лопасти.
Перед сваркой потребовалась еще одна вспомогательная операция: очистка стали от оцинковки. Гальванизированная цинком сталь крепче и лучше защищена от коррозии, но при сварке гальванизированного метала выделяется токсичный газ, поэтому работа с таким материалом была бы опасной.
В той стороне турбины, которая не будет непосредственно подключена к генератору, вырезано техническое отверстие диаметром 4 дюйма, чтобы было удобнее монтировать генератор и иметь доступ ко внутренностям турбины.
Труба, по которой к турбине будет поступать вода, присоединяется к сделанной из согнутого металлического листа насадке, выходное отверстие которой имеет ширину 10 дюймов, а высоту 1 дюйм. Ширина совпадает с шириной турбины, а небольшая высота обеспечвает более сильный поток, чем если бы вода текла через обычную трубу.
После присоединения этой конструкции будущая турбина начинает обретать форму. Кусок трубы с насадкой закреплен под углом 45° к турбине, которая насажена на втулку. Все части регулируемые: трубу можно двигать вперед, назад, вверх и вниз, турбину (и впоследствии генератор) — вперед и назад. Осталось сделать генератор.
Статор генератора изготовлен из проволоки №17, свитой в 9 колец по 125 витков в каждом. От него отходят 6 жил, чтобы можно было организовать как топологию звезда, так и дельта. После помещения в кожух статор имеет диаметр 14 дюймов и толщину 0.5 дюйма.
Далее — роторы. По краям каждого ротора размещено 12 магнитов размером 1″х2″х0.5″. Для скрепления между собой статора и обоих роторов применили смесь полиэстера и стекловолокна.
Получившийся генератор прикрепляется к одной из сторон турбины, а с другой стороны присоединяется к преобразователю в алюминиевом кожухе, который будет преобразовывать трехфазный переменный ток в постоянный. В такой конструкции он обеспечивает 12.5 В на 38 об/мин. В ближайшем к турбине роторе сделано 3 отверстия, чтобы можно было контролировать расстояние между роторами и, как следствие, контролировать скорость работы генератора.
После этого наши герои провели 2 часа, очищая генератор от ржавчины, грунтуя и покрывая его краской. Это необязательный этап, однако, после этих действий он стал выглядеть намного лучше. Осталась последняя стадия — установка.
Для удобства людей часть воды из ручья, который находится возле дома, идет по 3–футовой трубе диаметром 4 дюйма. Именно к ней будет присоединен генератор, так что рыба, живущая в ручье, не пострадает.
После присоединения трубы и регулировки угла наклона турбина заработала. Средняя скорость вращения турбины — 110 об/мин, при такой скорости вырабатывается ток 2 А. Это значение можно улучшить, изменяя угол наклона трубы, топологию и расстояние между роторами. Через некоторое время работы генератора обнаружилось, что магниты ротора притягивают песок, поэтому необходимо сделать защитный кожух, чтобы механизм не засорялся. Но в целом генератор успешно работает, на его изготовление ушло всего 3 дня.
Перепечатано с сайта «Энергоэффективная Россия»
Как сделать ветряную электростанцию своими руками
Как сделать ветряную электростанцию своими руками
Зачастую для создания самодельного ветряного генератора приходится вытачивать огромное ветроколесо, приспосабливать редуктор, мастерить генератор переменного тока. Эти части являются основой любой самодельной электростанции, которая работает исключительно на энергии ветра. Но зачем изобретать велосипед? Намного проще и дешевле не мастерить самодельный генератор и механический привод, а установить в качестве этого узла компьютерный кулер, который можно вытащить из старого сломанного компьютера.
Какой кулер нужен
Для реализации этой затеи нужен самый простой и дешевый кулер, который стоит не больше 200 рублей в магазинах компьютерной техники. Применять мощные кулеры с электронным регулятором оборотов не имеет смысла, так как эта дополнительная сложная электроника для ветряного генератора окажется не удел, потому что в конструкции ветряной электростанции мотор кулера не будет использоваться по его прямому назначению, как электромотор. Напротив, он будет использоваться в качестве генератора постоянного тока. Следовательно, вся сложная электроника, изменяющая его обороты вращения, будет только мешать. Лучше всего подойдут примитивные кулеры из старых компьютеров, которые уже давно вышли из строя. Их конструкция проста: во-первых, он состоит из маленького низковольтного электромотора постоянного тока; во-вторых, там есть пластмассовые лопасти.
Как проверить кулер
Главное, чтобы этот агрегат был в рабочем состоянии. Как правило, чтобы проверить кулер, нужно подсоединить его 2 провода к источнику постоянного тока. Для этих целей можно использовать батарейку 9В типа «Крона». Если подсоединить красный провод от кулера к плюсовому терминалу батарейки, а черный – к минусу; то кулер начнет интенсивно вращаться. Если же этого не произошло – это значит, что либо мотор кулера не исправен, либо лопасти механически заклинили об элементы корпуса.
Сколько кулеров понадобится
Стоит учесть, что один кулер при малой скорости ветра не способен выдать и одного вольта постоянного тока, поэтому для создания мало-мальски пригодной для использования электростанции понадобится 5 кулеров, объединенных друг с другом в последовательную электрическую цепь. Для этого необходимо проделать следующие манипуляции:
— зачистить провода всех кулеров от изоляции на 1-1.5 см;
— соединить красный провод 1-го электромотора с черным проводом второго электромотора, красные провод 2-го электромотора соединяем с черным проводом 3-го моторчика и т.д.
В результате останутся свободными только черный провод 1-го моторчика – это минусовой контакт генератора, а также красный провод 5-го моторчика – это плюсовой контакт генератора. Такой комбинированный генератор будет давать ЭДС намного большей величины, так как напряжения на каждом электромоторе будут суммироваться, а ток будет неизменным.
Мачта и дополнительное оборудование
В качестве крепежа всех кулеров можно использовать деревянную 5 метровую мачту, которая будет выглядеть как буква «Т». На верхушку этой мачты монтируются все кулеры с помощью винтов и гаек диаметром — 5мм. Далее делается отводка в виде медного провода на землю. Уже на земле можно соорудить специальный датчик зарядки, основной частью которого является реле зарядки, срабатывающее при подаче 2В напряжения на его обмотку. Если такого реле не найдется модно использовать транзисторный ключ. В качестве потребителя энергии здесь может либо выступать аккумулятор, соединенный с реле через преобразователь напряжения, либо светодиодный фонарь, который будет являться своеобразной подсветкой для этого генератора.
Улучшение энергоэффективности
Замечено, что использование дополнительного рупора, которым может являться простая пластмассовая 5 литровая банка, очень сильно увеличивает КПД всей установки. Это обусловлено тем, что большая часть ветра идет мимо лопастей кулера. Такой самодельный рупор, надетый на кулер, концентрирует воздушный поток непосредственно на лопастях кулера. Так, если обрезать дно у 5 литровой бутылки, обрезав и тем самым расширив горлышко, мы получим модернизированный ветряной генератор. Такая конструкция будет намного эффективнее захватывать энергию ветра, следовательно, величина ЭДС будет в 1.5-2 раза выше.