Поскольку солнечные батареи вызывают очень большой интерес (вижу по количеству запросов), а расчёты необходимого количества и вырабатываемой мощности для многих сложны, то попробую более подробно сделать расчёт системы солнечной электростанции для реальной задачи.

Задача звучит так: необходимо обеспечить освещение объекта, работающее от солнечных батарей. Основного питания нет и не ожидается.

Выясняем интересующие нас моменты.

Описание задачи

Время года, когда необходимо освещение (мы помним, что зимой выработка батарей в 10-12 раз ниже, чем летом) — круглый год. Значит, считать систему надо будет по самому темному месяцу, а летом выработка будет в 10 раз больше, чем необходимо.

Расположение объекта (для расчёта количества солнца) — Ленинградская или Московская область.

Максимальная потребляемая мощность. Это то, какая максимально мощность может потребляться. То есть, если в доме обычно горит только одна лампочка, но на 5 минут в день включают чайник, то надо считать по мощности чайника + лампочки. Эта цифра определяет мощность инвертора, создающего 220 вольт из аккумуляторов. Пусть в нашем случае это порядка 300 Вт, то есть, чайник не включается, либо используется постой автомобильный вариант. Но освещение осуществляется светодиодными прожекторами, поэтому надо принять во внимание пусковой ток и то, что нагрузка не резистивная.

Сколько нужно электроэнергии в сутки. Нельзя путать этот параметр с предыдущим. Максимальная мощность измеряется в ваттах и определяет мощность инвертора. А количество электроэнергии измеряется в ватт-часах в единицу времени, для нашего расчёта это сутки. Казалось бы, время и в числителе, и в знаменателе, и можно его сократить, но тогда потеряем физический смысл и удобство понимания этой величины.

Если вам не дают покоя единицы измерения, то вот ещё немного информации. Ток (амперы) — это количество кулонов электроэнергии, прошедшее через провод в единицу времени. В кулонах измеряется как раз количество электричества. Мы к этой единице измерения добавляем (не в прямом смысле) время и напряжение. Мощность — это ток * напряжение. Значит, мощность = кулоны * напряжение / время.

Сказать, что лампочка потребляет (правильно сказать — имеет мощность) 100 ватт — всё равно, что сказать, что она потребляет 100 ватт-часов в час. Или 2400 ватт-часов в сутки.

Мощность осветительных приборов в нашей задаче 280 ватт, потребление 280 ватт-часов. Работает 10 часов в сутки. Значит, наша искомая цифра потребления электричества в сутки — 2800 ватт-часов в сутки.

В романе «Марсианин» (по которому сняли фильм с Мэттом Деймоном в главной роли) герой в своих расчетах назвал единицу измерения «киловатт-час в сол» — пират-ниндзя, сокращённо пн. Рекомендую к прочтению.

Итак, нам нужна выработка после инвертора 2800 ватт-часов в сутки. КПД хорошего инвертора на уровне 92-96%. Потребление в спящем режиме (то есть, потребление платы инвертора) до 5Вт. Итого 120Вт-часов в сутки.

Получается, что нам нужна выработка батарей не 2800, а 3100, чтобы покрыть КПД (нагрев инвертора) и питание самого инвертора. Если бы нагрузка была не 220, а 24 вольта, этих потерь можно было бы избежать.

Ещё у нас есть такая вещь, как КПД аккумулятора. Все заметили, что когда телефон заряжается, он тёплый или горячий. То есть, часть энергии заряжает аккумулятор, а часть греет телефон. Поскольку освещение нам нужно не днём, а ночью, то мощность надо считать с учётом КПД заряда и разряда аккумулятора. Этот КПД зависит от тока заряда и разряда и типа аккумуляторов, а также от температуры воздуха. Мы возьмём его 75%.

Получается, что нам надо уже 4133 ватт/часа в сутки. Получается, что 32% выдаваемого батареями тока идёт на покрытие потерь. Это печально.

Считаем, что для этого нужно.

Подбор солнечных батарей, контроллера, инвертора

Вводим данные в калькулятор, выбираем 20 батарей по 280 ватт и получаем следующую грустную кривую:

Почему грустную? Потому что летом выработка будет 28 киловатт-часов в сутки, в 7 раз больше, чем нам надо. А зимой даже меньше, чем надо. 12 солнечных батарей дали бы нам необходимую мощность с середины января по конец ноября, удваиваем количество батарей — получаем плюс десяток дней.

Возьмём разумный компромисс. Пусть в декабре и первой половине января свет будет работать не всю ночь, а вдвое меньше — насколько хватит солнечных батарей. Будем считать 12 солнечных панелей по 280 ватт.

Итак, 12 солнечных батарей по 280 ватт.

Суммарная максимальная мощность, которая идёт из батарей — 3360 ватт. То есть, более, чем в 10 раз больше, чем нам нужно для освещения, если бы оно горело напрямую от батарей. Но оно горит от аккумуляторов в тёмное время суток, когда солнца нет, так что ток от батарей сначала заряжает аккумуляторы через контроллер, потом идёт на инвертор, потом уже на освещение.

3360 ватт делим на 48 вольт, получаем ток 70 ампер. Это максимальный ток, который пойдёт от батарей, по нему надо считать контроллер и кабели.

Посчитаем контроллер отечественного производителя КЭС DOMINATOR MPPT 200/100. Максимальный ток 100 ампер (вдруг захотят ещё три батареи добавить). Стоимость 49900 рублей.

Инвертор МАП «Энергия» SIN Pro 48/220В 3.0 КВт. 51500 рублей. Это инвертор минимальной мощности на 48 вольт.

Расчёт аккумуляторов

Итак, нам надо, чтобы в аккумуляторах было запасено примерно 3100 ватт-часов электроэнергии с учётом мощности светильников, КПД инвертора и КПД разряда аккумуляторов. Аккумуляторы 12-вольтовые, так что делим на 12. Получаем 258 ампер-часов. Аккумуляторы разряжаются не до нуля, а до примерно 25%. И со временем их ёмкость падает, надо и это учесть.

Аккумулятора надо 4, мы можем считать, что если возьмём 4 по 100 ампер-часов, то покроем потребность.

Возьмём для расчёта Delta GEL 12100. Стоимость по 19500 рублей за штуку.

Ещё нужно некоторые количество дополнительных элементов системы: УЗИП, предохранители, соединители аккумуляторов, соединители солнечных батарей, кабель для соединения всех компонентов системы, разветвители нескольких типов. Не буду приводить полный список необходимого, но стоимость всего без учёта стеллажа для аккумуляторов и с учётом 50 метров кабеля сечением 4 мм2 составит порядка 20 тысяч рублей.

Если посчитать всё вышеперечисленное получим 356000 рублей.

Всего-навсего несколько светодиодных прожекторов на 280Вт, которые горят 10 часов в сутки. С марта по сентябрь они, очевидно, могут гореть и круглосуточно. К тому же, можно использовать какие-то дополнительные устройства, например, строительный инструмент.

Не претендую на то, что этот расчёт оптимален, можно заменой контроллера и инвертора сэкономить пару десятков тысяч рублей, но общий порядок цены сохранится.