Baterias solares para jardim e casa: tipos, princípios de funcionamento e procedimento de cálculo de sistemas solares

A ciência proporcionou-nos um momento em que a tecnologia para a utilização da energia solar se tornou disponível ao público.Cada proprietário tem a oportunidade de adquirir painéis solares para sua casa. Os residentes de verão não ficam para trás neste assunto. Muitas vezes encontram-se longe de fontes centralizadas de fornecimento de energia sustentável.

Sugerimos que você se familiarize com as informações que apresentam o projeto, princípios de funcionamento e cálculo das unidades de trabalho do sistema solar. A familiarização com as informações que oferecemos irá aproximá-lo da realidade de fornecer eletricidade natural ao seu local.

Para uma compreensão clara dos dados fornecidos, diagramas detalhados, ilustrações, instruções em fotos e vídeos estão anexados.

Projeto e princípio de funcionamento de uma bateria solar

Era uma vez, mentes curiosas descobriram para nós substâncias naturais produzidas sob a influência de partículas de luz do sol, fótons, energia elétrica. O processo foi chamado de efeito fotoelétrico. Os cientistas aprenderam a controlar os fenômenos microfísicos.

Com base em materiais semicondutores, eles criaram dispositivos eletrônicos compactos - fotocélulas.

Os fabricantes dominaram a tecnologia de combinar conversores em miniatura em painéis solares eficientes. A eficiência dos módulos de painéis solares de silício amplamente produzidos pela indústria é de 18 a 22%.

Pela descrição do diagrama fica claro: todos os componentes da usina são igualmente importantes - o funcionamento coordenado do sistema depende de sua seleção competente

Uma bateria solar é montada a partir de módulos. É o ponto final da jornada dos fótons do Sol à Terra. A partir daqui, esses componentes da radiação luminosa continuam seu caminho dentro do circuito elétrico como partículas de corrente contínua.

Eles são distribuídos entre baterias, ou são transformados em cargas de corrente elétrica alternada com tensão de 220 volts, que alimentam todos os tipos de dispositivos técnicos domésticos.

Uma bateria solar é um complexo de dispositivos semicondutores conectados em série - fotocélulas que convertem energia solar em energia elétrica.

Você encontrará mais detalhes sobre as especificidades do dispositivo e o princípio de funcionamento da bateria solar em outro artigo popular nosso site.

Tipos de módulos de painel solar

Os módulos de painéis solares são montados a partir de células solares, também conhecidas como conversores fotoelétricos. FEPs de dois tipos têm sido amplamente utilizados.

Eles diferem nos tipos de semicondutores de silício utilizados para sua fabricação, são eles:

• Policristalino. Estas são células solares feitas de silício fundido através de resfriamento de longo prazo. O método de produção simples torna o preço acessível, mas a produtividade da versão policristalina não ultrapassa 12%.
• Monocristalino. Estes são elementos obtidos cortando um cristal de silício cultivado artificialmente em wafers finos. A opção mais produtiva e cara. A eficiência média gira em torno de 17%; você pode encontrar células solares monocristalinas com maior desempenho.

As células solares policristalinas têm formato quadrado plano e superfície não uniforme. As variedades monocristalinas parecem quadrados finos com uma estrutura de superfície uniforme com cantos cortados (pseudoquadrados).

É assim que se parecem os FEPs - conversores fotovoltaicos: as características do módulo solar não dependem do tipo de elementos utilizados - isso afeta apenas o tamanho e o preço

Os painéis da primeira versão com a mesma potência são maiores que os da segunda devido à menor eficiência (18% versus 22%). Mas, em média, são dez por cento mais baratos e têm grande procura.

Você pode aprender sobre as regras e nuances da escolha de painéis solares para fornecer energia de aquecimento autônomo. leia aqui.

Esquema de operação de fornecimento de energia solar

Quando você olha para os nomes misteriosos dos componentes que compõem o sistema de energia solar, o pensamento chega à complexidade supertécnica do dispositivo.

No nível micro da vida dos fótons, isso é verdade. E visualmente, o diagrama geral do circuito elétrico e o princípio de seu funcionamento parecem muito simples. Existem apenas quatro passos do corpo celeste até a “lâmpada de Ilyich”.

Os módulos solares são o primeiro componente de uma usina. São painéis retangulares finos montados a partir de um certo número de placas fotocélulas padrão. Os fabricantes fabricam painéis fotográficos com potência elétrica variável e múltiplos de tensão de 12 volts.

Dispositivos planos estão convenientemente localizados em superfícies abertas a raios diretos. Blocos modulares são combinados usando conexões mútuas em uma bateria solar. A tarefa da bateria é converter a energia solar recebida, produzindo uma corrente contínua de determinado valor.

Dispositivos de armazenamento de carga elétrica - baterias para painéis solares conhecido por todos. O seu papel no sistema de fornecimento de energia solar é tradicional. Quando os consumidores domésticos estão ligados a uma rede centralizada, os dispositivos de armazenamento de energia armazenam eletricidade.

Também acumulam seu excesso se a corrente do módulo solar for suficiente para fornecer a energia consumida pelos aparelhos elétricos.

A bateria fornece a quantidade necessária de energia ao circuito e mantém uma tensão estável assim que seu consumo aumenta para um valor aumentado. O mesmo acontece, por exemplo, à noite, quando os painéis fotográficos não funcionam ou em dias de pouco sol.

O esquema de fornecimento de energia para uma casa usando painéis solares difere das opções com coletores pela capacidade de armazenar energia em uma bateria

O controlador é um intermediário eletrônico entre o módulo solar e as baterias.Sua função é regular o nível de carga das baterias. O dispositivo não permite que fervam devido a sobrecarga ou queda do potencial elétrico abaixo de uma determinada norma necessária para o funcionamento estável de todo o sistema solar.

Invertendo, é assim que o termo soa literalmente explicado inversor solar. Sim, de fato, esta unidade desempenha uma função que antes parecia fantástica para os engenheiros elétricos.

Ele converte a corrente contínua do módulo solar e das baterias em corrente alternada com diferença de potencial de 220 volts. Esta é a tensão operacional para a grande maioria dos dispositivos elétricos domésticos.

O fluxo de energia solar é proporcional à posição da luminária: na instalação dos módulos, seria bom prever o ajuste do ângulo de inclinação em função da época do ano

Carga de pico e consumo médio diário de energia

O prazer de ter a sua própria estação solar ainda vale muito. O primeiro passo no caminho para aproveitar o poder da energia solar é determinar a carga de pico ideal em quilowatts e o consumo médio diário racional de energia em quilowatts-hora para uma residência ou casa de campo.

O pico de carga é gerado pela necessidade de ligar vários aparelhos elétricos ao mesmo tempo e é determinado pela sua potência total máxima, levando em consideração as características de partida superestimadas de alguns deles.

O cálculo do consumo máximo de energia permite identificar quais aparelhos elétricos necessitam de operação simultânea e quais não são tão vitais. As características de potência dos componentes da usina, ou seja, o custo total do dispositivo, estão sujeitos a este indicador.

O consumo diário de energia de um aparelho elétrico é medido pelo produto de sua potência individual pelo tempo que funcionou na rede (eletricidade consumida) durante o dia. O consumo médio diário total de energia é calculado como a soma da eletricidade consumida por cada consumidor durante um período diário.

A posterior análise e otimização dos dados obtidos sobre cargas e consumo de energia garantirão a configuração necessária e posterior operação do sistema de energia solar com custo mínimo

O resultado do consumo de energia ajuda a abordar racionalmente o consumo de eletricidade solar. O resultado dos cálculos é importante para cálculos adicionais da capacidade da bateria. O preço da bateria, componente significativo do sistema, depende ainda mais deste parâmetro.

O procedimento para calcular indicadores de energia

O processo de cálculo começa literalmente com uma folha de caderno desdobrada, quadrada e localizada horizontalmente. Com linhas leves a lápis, obtém-se da folha um formulário com trinta colunas e linhas de acordo com a quantidade de eletrodomésticos.

Preparando-se para cálculos aritméticos

A primeira coluna é tradicional - um número de série. A segunda coluna é o nome do aparelho elétrico. O terceiro é o consumo individual de energia.

As colunas quatro a vinte e sete são as horas do dia de 00 a 24. As seguintes são inseridas nelas através de uma linha fracionária horizontal:

• no numerador – o tempo de operação do dispositivo durante uma hora específica na forma decimal (0,0);
• o denominador é novamente o seu consumo individual de energia (esta repetição é necessária para calcular as cargas horárias).

A vigésima oitava coluna é o tempo total que o aparelho doméstico funciona durante o dia.Na vigésima nona - é registrado o consumo pessoal de energia do aparelho como resultado da multiplicação do consumo individual de energia pelo tempo de operação no período diário.

Elaborar uma especificação detalhada do consumidor, tendo em conta as cargas horárias, ajudará a manter mais os dispositivos habituais, graças à sua utilização racional

A trigésima coluna também é padrão - observe. Será útil para cálculos intermediários.

Elaboração de especificações do consumidor

A próxima etapa dos cálculos é a transformação do formulário do caderno em especificação para consumidores domésticos de energia elétrica. A primeira coluna é clara. Os números de série das linhas são inseridos aqui.

A segunda coluna contém os nomes dos consumidores de energia. Recomenda-se começar a encher o corredor com eletrodomésticos. A seguir descrevemos outras salas no sentido anti-horário ou horário (conforme for conveniente para você).

Se houver um segundo (etc.) andar, o procedimento é o mesmo: da escada - ao redor. Ao mesmo tempo, não devemos esquecer os dispositivos nas escadas e na iluminação pública.

É melhor preencher a terceira coluna indicando a potência ao lado do nome de cada dispositivo elétrico junto com a segunda.

As colunas quatro a vinte e sete correspondem a cada hora do dia. Por conveniência, você pode desenhá-los imediatamente com linhas horizontais no meio das linhas. As metades superiores resultantes das linhas são como numeradores, as inferiores são denominadores.

Essas colunas são preenchidas linha por linha. Os numeradores são formatados seletivamente como intervalos de tempo em formato decimal (0,0), refletindo o tempo de operação de um determinado aparelho elétrico em um determinado período horário. Paralelamente, onde são inseridos os numeradores, são inseridos os denominadores com o indicador de potência do aparelho, retirado da terceira coluna.

Depois de preenchidas todas as colunas de horas, proceda ao cálculo do tempo de trabalho diário individual dos aparelhos elétricos, movendo linha por linha. Os resultados são registrados nas células correspondentes da vigésima oitava coluna.

No caso em que a usina solar desempenha uma função auxiliar, para que o sistema não fique ocioso, parte da carga pode ser conectada a ela para alimentação constante

Com base na potência e nas horas de trabalho, o consumo diário de energia de todos os consumidores é calculado sequencialmente. Está anotado nas células da vigésima nona coluna.

Quando todas as linhas e colunas da especificação forem preenchidas, os totais são calculados. Ao somar os gráficos de potência dos denominadores das colunas horárias, obtêm-se as cargas de cada hora. Ao somar o consumo energético diário individual da vigésima nona coluna de cima para baixo, obtém-se a média diária total.

O cálculo não inclui o consumo próprio do futuro sistema. Este fator é levado em consideração pelo coeficiente auxiliar nos cálculos finais subsequentes.

Análise e otimização dos dados obtidos

Se a energia de uma usina de energia solar for planejada como reserva, os dados sobre o consumo de energia por hora e o consumo médio diário total de energia ajudam a minimizar o consumo de eletricidade solar cara.

Isto é conseguido excluindo a utilização dos consumidores com utilização intensiva de energia até que o fornecimento de energia centralizado seja restaurado, especialmente durante as horas de pico de carga.

Se o sistema de energia solar for projetado como uma fonte de alimentação constante, os resultados das cargas horárias serão apresentados.É importante distribuir o consumo de electricidade ao longo do dia de forma a eliminar os máximos e os mínimos muito predominantes.

A eliminação de picos de carga, o nivelamento de cargas máximas e a eliminação de quedas bruscas no consumo de energia ao longo do tempo tornam possível selecionar as opções mais econômicas para os componentes do sistema solar e garantir uma operação estável e, o mais importante, sem problemas de longo prazo da estação solar.

O gráfico vai revelar a desigualdade do consumo de energia: nossa tarefa é deslocar os máximos para o horário de maior atividade solar e reduzir o consumo total diário, principalmente à noite.

O desenho apresentado mostra a transformação de um esquema irracional obtido com base em uma especificação em um ótimo. A taxa de consumo diário foi reduzida de 18 para 12 kW/h, a carga horária média diária de 750 para 500 W.

O mesmo princípio de otimização é útil ao usar a opção de energia solar como backup. Pode não valer a pena gastar muito dinheiro aumentando a potência dos módulos solares e baterias por causa de alguns inconvenientes temporários.

Seleção de componentes para usinas de energia solar

Para simplificar os cálculos, consideraremos a versão de utilização de bateria solar como principal fonte de energia elétrica para o jardim. O consumidor será uma casa de campo condicional na região de Ryazan, onde residirá permanentemente de março a setembro.

Cálculos práticos baseados nos dados do cronograma racional de consumo horário de energia publicado acima darão clareza ao raciocínio:

• Consumo médio diário total de energia = 12.000 watts/hora.
• Consumo médio de carga = 500 watts.
• Carga máxima 1200 watts.
• Carga de pico 1200 x 1,25 = 1500 watts (+25%).

Os valores serão necessários no cálculo da capacidade total dos dispositivos solares e demais parâmetros operacionais.

Determinação da tensão operacional do sistema solar

A tensão operacional interna de qualquer sistema solar é baseada em um múltiplo de 12 volts, que é a classificação mais comum da bateria. Os componentes mais utilizados em estações solares: módulos solares, controladores, inversores são produzidos para tensões populares de 12, 24, 48 volts.

Uma tensão mais alta permite o uso de fios de alimentação de seção transversal menor - e isso significa maior confiabilidade de contato. Por outro lado, baterias de 12 V com falha podem ser substituídas uma de cada vez.

Em uma rede de 24 volts, dadas as especificidades do funcionamento das baterias, será necessário substituí-las apenas aos pares. Uma rede de 48 V exigirá a troca de todas as quatro baterias de um ramal. Além disso, a 48 volts já existe perigo de choque elétrico.

Com a mesma capacidade e aproximadamente o mesmo preço, você deve comprar baterias com a maior profundidade de descarga permitida e maior corrente máxima

A principal escolha do valor nominal da diferença de potencial interna do sistema está relacionada às características de potência dos inversores produzidos pela indústria moderna e deve levar em consideração a magnitude do pico de carga:

• de 3 a 6 kW – 48 volts,
• de 1,5 a 3 kW – igual a 24 ou 48V,
• até 1,5 kW – 12, 24, 48V.

Escolhendo entre a confiabilidade da fiação e a inconveniência de substituir as baterias, em nosso exemplo focaremos na confiabilidade. Posteriormente, partiremos da tensão de operação do sistema calculado, 24 volts.

Equipar a bateria com módulos solares

A fórmula para calcular a energia necessária de uma bateria solar é assim:

Рcm = (1000 * Esut) / (k * Sin),

Onde:

• Rcm = energia da bateria solar = potência total dos módulos solares (painéis, W),
• 1000 = sensibilidade fotovoltaica aceita (kW/m²)
• Esut = necessidade diária de consumo de energia (kWh, no nosso exemplo = 18),
• k = coeficiente sazonal levando em consideração todas as perdas (verão = 0,7; inverno = 0,5),
• Syn = valor tabelado de insolação (fluxo de radiação solar) na inclinação ideal dos painéis (kW*h/m²).

Você pode descobrir o valor da insolação no serviço meteorológico regional.

O ângulo ideal de inclinação dos painéis solares é igual à latitude da área:

• na primavera e no outono,
• mais 15 graus – no inverno,
• menos 15 graus – no verão.

A região de Ryazan considerada em nosso exemplo está localizada na latitude 55.

A maior potência dos painéis solares é alcançada através do uso de sistemas de rastreamento, mudanças sazonais no ângulo de inclinação dos painéis e uso de módulos de acabamento mistos

Para o período de março a setembro, a melhor inclinação não regulamentada do painel solar é igual a um ângulo de verão de 40⁰ em relação à superfície da Terra. Com esta instalação de módulos, a insolação média diária de Ryazan neste período é de 4,73. Todos os números estão aí, vamos fazer o cálculo:

Rcm = 1000 * 12 / (0,7 * 4,73) ≈ 3.600 watts.

Se tomarmos módulos de 100 watts como base para a bateria solar, precisaremos de 36 deles. Pesarão 300 quilos e ocuparão uma área de cerca de 5 x 5 m.

Diagramas de fiação testados em campo e opções de conexão de painel solar são dados aqui.

Disposição de uma unidade de energia da bateria

Ao escolher baterias, você precisa ser guiado pelos seguintes princípios:

1. Baterias normais de carro NÃO são adequadas para esta finalidade. As baterias das usinas solares estão marcadas com a inscrição “SOLAR”.
2. Você só deve comprar baterias idênticas em todos os aspectos, de preferência do mesmo lote de fábrica.
3. A sala onde a bateria está localizada deve estar quente. A temperatura ideal quando as baterias produzem potência total = 25⁰C. Quando cai para -5⁰C, a capacidade da bateria diminui em 50%.

Se você pegar uma bateria representativa de 12 volts com capacidade de 100 amperes/hora para cálculo, é fácil calcular que ela pode fornecer energia aos consumidores com potência total de 1200 watts durante uma hora inteira. Mas isso ocorre com descarga completa, o que é extremamente indesejável.

Para uma vida útil da bateria de longo prazo, NÃO é recomendado reduzir sua carga para menos de 70%. Valor limite = 50%. Tomando o número 60% como “média de ouro”, baseamos os cálculos subsequentes na reserva de energia de 720 Wh para cada 100 Ah do componente capacitivo da bateria (1200 Wh x 60%).

Talvez comprar uma bateria com capacidade de 200 Ah custará menos do que comprar duas baterias de 100 Ah, e o número de conexões de contato da bateria será reduzido

Inicialmente, as baterias devem ser instaladas 100% carregadas em uma fonte de energia estacionária. As baterias recarregáveis ​​devem cobrir completamente as cargas no escuro. Se não tiver sorte com o clima, mantenha os parâmetros de sistema necessários durante o dia.

É importante levar em consideração que o excesso de baterias levará à sua constante subcarga. Isso reduzirá significativamente a vida útil. A solução mais racional parece ser equipar a unidade com baterias com reserva de energia suficiente para cobrir um consumo diário de energia.

Para descobrir a capacidade total necessária da bateria, divida o consumo diário total de energia de 12.000 Wh por 720 Wh e multiplique por 100 A*h:

12.000/720 * 100 = 2.500 Ah*h ≈ 1.600 Ah*h

No total, para o nosso exemplo precisaremos de 16 baterias com capacidade de 100 ou 8 de 200 Ah, conectadas em série-paralelo.

Escolhendo um bom controlador

Seleção competente controlador de carga da bateria (AKB) é uma tarefa muito específica. Seus parâmetros de entrada devem corresponder aos módulos solares selecionados e a tensão de saída deve corresponder à diferença de potencial interna do sistema solar (no nosso exemplo, 24 volts).

Um bom controlador deve fornecer:

1. Carregamento da bateria em vários estágios, o que multiplica sua vida útil efetiva.
2. Desconexão-desconexão automática mútua, de bateria e de bateria solar em correlação com carga-descarga.
3. Reconectando a carga da bateria à bateria solar e vice-versa.

Esta pequena unidade é um componente muito importante.

Se alguns consumidores (por exemplo, iluminação) forem ligados para alimentação direta de 12 volts do controlador, será necessário um inversor menos potente, o que significa mais barato

A escolha correta do controlador determina a operação sem problemas de uma bateria cara e o equilíbrio de todo o sistema.

Selecionando o melhor inversor

O inversor é selecionado com tal potência que pode fornecer picos de carga de longo prazo. A sua tensão de entrada deve corresponder à diferença de potencial interna do sistema solar.

Para a melhor opção de seleção, é recomendável atentar para os seguintes parâmetros:

1. Forma e frequência da corrente alternada fornecida. Quanto mais próximo de uma sinusóide de 50 hertz, melhor.
2. Eficiência do dispositivo. Quanto mais alto for 90%, mais maravilhoso.
3. Consumo próprio do aparelho. Deve ser proporcional ao consumo geral de energia do sistema. Idealmente - até 1%.
4. A capacidade de um nó suportar sobrecargas duplas de curto prazo.

O design mais excelente é um inversor com função de controlador integrada.

Montagem de um sistema solar doméstico

Fizemos para você uma seleção de fotos que demonstra claramente o processo de montagem de um sistema solar doméstico a partir de módulos fabricados na fábrica:

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Vídeo nº 1. Demonstração faça você mesmo da instalação de painéis solares no telhado de uma casa:

Vídeo nº 2. Seleção de baterias para sistema solar, tipos, diferenças:

Vídeo nº 3. Usina solar campestre para quem faz tudo sozinho:

Os métodos de cálculo práticos passo a passo considerados, o princípio básico da operação eficaz de uma moderna bateria de painel solar como parte de uma estação solar autônoma doméstica, ajudarão os proprietários de uma casa grande em uma área densamente povoada e de uma casa de campo no deserto para ganhar soberania energética.

Gostaria de compartilhar sua experiência pessoal adquirida durante a construção de um mini sistema solar ou apenas de baterias? Você tem alguma pergunta que gostaria de responder ou encontrou alguma falha no texto? Por favor, deixe comentários no bloco abaixo.