Какой мощности выбрать солнечную батарею?

Для расчётов вам потребуется оценить свои потребности в электричестве.

Мощность, потребляемая устройствами от сети и от аккумуляторов (в ваттах):

Устройство	Потребляемая мощность
	~220 В	=12/24 В
Зарядка телефона	4-10	3-7
Зарядка фотоаппарата, видеокамеры	10-20	-
Ноутбук : - просмотр фильмов - 100% загрузка процессора - при зарядке	20-40 40-80 до 150	15 - 30 35 - 60 до 120
Настольный компьютер, с монитором	200-500	-
Принтер струйный	20-40	-
Музыкальный центр	5-40	2-30
Телевизор	30-80	15-60
Лампы энергосберегающие	10-60	10-60
Шуруповёрт -при зарядке -при работе	10-15 -	- 15-50
Электрорубанок	400-800	-
Дрель, перфоратор	400-800	-
Электролобзик	400-800	-
Болгарка	800-2000	-
Циркулярная или цепная пила	1300-2000	-
Глубинный насос	200-400	-

Для устройств, потребляющих переменный ток 220 В, и потребляющих постоянный ток 12/24 В, по отдельности рассчитаем средний дневной расход энергии :

W_AC  = P₁ * t₁ + P₂ * t₂ + P₃ * t₃ + ... + P_n * t_n   и   W_DC  = P₁ * t₁ + P₂ * t₂ + P₃ * t₃ + ... + P_n * t_n

где W_AC и W_DC - количество энергии, потраченное за день устройствами, питаемыми соответственно от ~220 В и от =12/24 В, в ватт-часах, P_n - номинальная мощность потребителя в ваттах, t_n - среднее время работы этого потребителя в часах в сутки. Если устройство работает не каждый день (например, электроинструмент), то t_n = t_мес / 30, где t_мес - время работы (в часах) данного потребителя за месяц.

Суммарный расход энергии, с учётом потерь:

W = 1.44 * W_AC + 1.2W_DC

Коэффициенты 1.44 и 1.2 введены для учёта потерь энергии в аккумуляторе и при преобразовании постоянного тока в переменный.

Поскольку потребности в электричестве в течение года неодинаковы, также как и неодинакова производительность солнечных батарей, то такой расчёт имеет смысл проводить для декабря (наименее солнечный месяц в период осень - зима), и, к примеру, для марта (наименее солнечный месяц в период весна - лето)..

К примеру, зимой в течении дня у меня 5 часов включено освещение (энергосберегающая лампа 220 В 20 Вт) и 4 часа ноутбук (12 В 25 Вт), то общий дневной расход зимой получается:

W = 1.44 * 5 * 20 + 1.2 * 4 * 25 = 264 (Вт*ч).  

С марта по сентябрь - к примеру, 1 час включено освещение (энергосберегающая лампа 220 В 20 Вт), 4 часа ноутбук (12 В 25 Вт), и 1 час насос (220 В 220 Вт). Дневной расход получаем: W = 1.44 * 1 * 20 + 1.44 * 1 * 220 + 1.2 * 4 * 25 = 466 (Вт*ч).

Для каких-то нагрузок можно выбрать другой период и в нём другой наименее солнечный месяц в качестве расчётного. В данном случае я лишь ради простоты принял, что мне так необходим насос в марте J, только потому что у меня есть данные о солнечной радиации в этом месяце. Об этом ниже.

Следующий шаг - определение средней производительности солнечных батарей в вашей местности. Для этого необходимо знать среднее значение дневной солнечной радиации в расчетном месяце. Эти данные для вашей местности можно попробовать найти в Интернете. Правда, мне не удалось найти единого и универсального российского ресурса, который бы содержал нужные данные по городам в удобном виде. Есть, правда, сайт, предлагающий платную (30 руб) справку на эту тему - http://dcaco.narod.ru/insolation.htm. Его услугами я не пользовался, поэтому не знаю содержание тех данных.

Зато на сайте NASA есть очень содержательный и достойный похвалы раздел их метеорологической службы (http://eosweb.larc.nasa.gov/cgi-bin/sse/grid.cgi?uid=3030), разумеется, на английском. Примечательно, что направленность раздела как раз таки "заточена" под альтернативную энергетику. Кроме солнечной радиации, там есть данные о силе ветра (что полезно, если вы хотите устанавливать ветряк) и другая информация. Всё, что требуется - простейшая регистрация (только ваш e-mail - и всё) и географические координаты нужного места. Основные данные по некоторым городам, полученные с сайта NASA, я свёл в таблицу.

 

Город	Геогр. координаты	Средняя дневная солнечная радиация, кВт*ч/м2/день								Дневная солнечная радиация при ясном небе			Оптимальный угол наклона панели по отношению к горизонту, при направлении на юг, градусов
		Горизонтальная поверхность				Панель, направленная на юг, под оптимальным углом к горизонту				Горизонтальная поверхность
		июнь	дек.	март	средн. за год	июнь	дек.	март	средн. за год	июнь	дек.	март	июнь	дек.	март	Ср. угол
Краснодар	45сш 39вд	5,85	1,02	2,98	3,54	5,90	1,83	3,60	4,14	7,59	1,94	4,92	7	65	41	38
Волгоград	49сш 45вд	5,76	0,91	3,34	3,43	5,84	1,67	4,17	4,01	7,90	1,45	4,79	10	66	45	40
Киев	50сш 30вд	5,22	0,86	2,95	3,10	5,30	1,65	3,65	3,61	7,39	1,33	4,44	10	67	44	40
Иркутск	52сш 104вд	5,49	0,88	3,73	3,32	5,59	1,95	4,96	4,06	8,22	1,17	4,73	12	71	49	43
Самара	53сш 50вд	6,13	0,69	3,14	3,29	6,26	1,54	4,13	3,92	8,07	0,99	4,40	13	71	48	45
Минск	54сш 28вд	4,96	0,54	2,74	2,77	5,06	1,20	3,55	3,28	7,78	0,84	4,16	12	72	48	43
Новосибирск	55сш 83вд	5,97	0,49	3,01	3,18	6,11	1,16	4,07	3,86	7,97	0,72	4,19	11	73	50	45
Москва	56сш 38вд	5,40	0,45	2,71	2,87	5,53	1,17	3,64	4,45	7,79	0,59	3,97	11	75	50	45
Екатеринбург	57сш 61вд	5,68	0,40	2,82	2,83	5,83	1,00	3,91	3,44	7,88	0,54	3,86	12	75	52	46
Киров	58сш 50вд	5,74	0,33	2,59	2,80	5,91	0,90	3,60	3,39	8,00	0,44	3,75	13	76	53	47
Санкт-Петербург	60сш 30вд	5,84	0,20	2,35	2,79	6,02	0,64	3,33	3,39	8,05	0,28	3,48	14	79	54	48
Нижневартовск	61сш 77вд	5,60	0,14	2,42	2,69	5,77	0,47	3,56	3,31	8,10	0,22	3,43	15	79	56	50
Норильск	69сш 88вд	5,38	0,00	1,44	2,22	5,41	0,00	2,34	2,63	8,69	0,00	2,29	21	-	62	-
п.Родники, Курганская обл	55сш 64вд	6,22	0,56	3,00	3,18	6,37	1,45	4,05	3,84	8,03	0,74	4,17	11	74	50	45

В таблице даны оптимальные углы наклона относительно горизонта для каждого сезона для панели, направленной на юг. Если панель закрепляется неподвижно, то стоит выбрать угол, соответствующий марту.  Для панели, установленной на поворотной платформе, оптимальные углы будут другими. Они примерно равны: - для лета: географическая широта минус 15 градусов, - для зимы: географическая широта плюс 15 градусов, - для весны и осени оптимальный угол равен географической широте.

На основе данных о солнечной радиации можно для каждого сезона рассчитать номинальную мощность солнечной батареи, которая может покрывать потребности в энергии:

P_ном = W / (k_СБ * k_А * Н_опт.ср) ,

где P_ном - номинальная мощность солнечной батареи, W - средний дневной расход энергии, Н_опт.ср - средняя дневная радиация для панели, расположенной под оптимальным углом (из таблицы). k_СБ и k_А - поправочные коэффициенты.  k_СБ введён для учёта расхождения теоретических расчетов с практическими результатами вследствие потерь энергии в самой СБ, отражения света от снега и других факторов. На основе собственных измерений я принял k_СБ равным 0.6 летом, 1.2 зимой и 0.9 весной и осенью. Эти данные, разумеется, приблизительные. Для бесснежной зимы k_СБ будет меньше 1.2, а  для прохладного лета - больше 0.6. k_А учитывает влияние положения СБ на её производительность. Если панель направлена на юг и в течении всего года неподвижно закреплена под углом, оптимальным для марта (из таблицы), то k_А берётся равным 0.85 для лета, 0.95 для зимы и 1.00 для весны и осени. Если угол наклона панели изменяется раз в сезон в соответствии с данными таблицы, то k_А = 1.  Если панель установлена на поворотной платформе, то k_А принимаем равным 1.4 летом, 1.1 зимой и 1.25 весной и осенью.  

Например, для рассчитанного в примере выше среднего дневного расхода (W = 264 Вт*ч для зимы и W = 466 Вт*ч для лета) можно рассчитать необходимую мощность СБ для поворотной платформы, для Родников:

Для лета (расчетный месяц - март):  P_ном = 466 / (0.9 * 1.25 * 4.05) = 102 (Вт)  Для зимы (расчетный месяц - декабрь):  P_ном = 264 / (1.2 * 1.1 * 1.45) = 138 (Вт)

Если ведутся расчёты для других периодов, могут понадобиться данные по другим месяцам (наименее солнечным в эти периоды). Их можно взять с упомянутого сайта, либо прикинуть на основе имеющихся в таблице данных, учитывая, что дневная солнечная радиация увеличивается с декабря по июнь и уменьшается с июня по декабрь примерно по синусоиде. Кроме того, необходимо будет скорректировать и коэффициенты k_СБ и k_А.

Выбираем наибольшее значение (138 Вт) в качестве необходимой номинальной мощности. Не всегда эта величина соответствует декабрю. Например, если летом вы питаете от системы какой-либо мощный инструмент, а зимой - только освещение, то мощность батарей будет определяться <летним> расчётом. Получается, что СБ мощностью 138 Вт в среднем ежедневно выдаёт 264 Вт*ч в декабре. А в другое время года?

W = k_СБ * k_А * P_ном * Н_опт.ср

Для марта: W = 0.9 * 1.25 * 138 * 4.05 = 629 (Вт*ч) Для июня: W = 0.6 * 1.4 * 138 * 6.37 = 738 (Вт*ч)

На основе этих данных можно составить представление о том, как рационально использовать электричество в различные времена года.

При наличии интереса можно рассчитать, какая производительность будет у выбранных СБ в ясный день (а она будет, больше, чем средняя дневная производительность, т.к. последняя учитывает и пасмурные дни).

W_ясн = W* H_{гор.ясн} / H_гор.ср,

где W_ясн - искомая производительность СБ в ясную погоду, W - средняя дневная производительность СБ, H_{гор.ясн} - дневная радиация в ясный день для горизонтальной панели (из таблицы),  H_гор.ср = средняя дневная радиация для горизонтальной панели (из таблицы). Для нашего примера:

Для июня: W_ясн = 738 * 8.03 / 6.22 = 953 (Вт*ч) Для декабря: W_ясн = 264 * 0.74 / 0.56 = 349 (Вт*ч)

Все эти расчёты я привёл здесь в чисто демонстрационных целях, для общего представления о том, какого порядка должна быть мощность ваших панелей, как изменяется их производительность в течении года и т.п. Результаты никак не претендуют на точность, т.к. уровень солнечной радиации не бывает постоянным каждый год, да и рельеф, окружающие объекты в вашей местности никакими формулами не учтёшь.  Всё придётся проверять практикой.  Однако, имея некоторое представление о физике автономной системы, можно научиться неплохо экономить и получать от неё максимум энергии. Например, вы можете перераспределить ваши потребности в электричестве в течении года, чтобы покрыть его недостаток в одни периоды и рационально использовать избыток в другие.   Вы можете варьировать свои потребности в электричестве и в зависимости от погоды, и от степени заряженности аккумулятора. Если, скажем, за окном пасмурно и/или аккумулятор недозаряжен, то включение насоса для наполнения бака водой можно отложить. Можно в такой день меньше сидеть за компьютером и посвятить себя другим делам. В солнечный день и/или при полностью заряженном аккумуляторе - наоборот - время самых энергоёмких дел.

Если включать наиболее мощную нагрузку солнечным днём, то, по сравнению с вечером и с пасмурным днём, электричество экономится сразу по трём причинам: 1) Если аккумулятор заряжен на 70% и более, то контроллер заряда, вероятно, уже немного ограничивает ток заряда аккумулятора. Включив в этот момент некоторую нагрузку, вы используете электричество, которое просто даром пропадает (это особенно актуально, когда ёмкость аккумулятора не очень велика, и/или у вас аккумулятор с жидким электролитом). 2) Ток течёт от солнечных батарей прямо в нагрузку, минуя аккумулятор, следовательно, нет потерь на заряд/разряд. 3) Если мощности солнечной батареи днём не хватает для питания мощной нагрузки и недостаток восполняется из аккумулятора, то ток его разряда будет всё равно меньшим, чем если бы эту нагрузку включили вечером. А при меньшем токе разряда мы получаем бoльшую ёмкость от аккумулятора, чем при бoльшем токе, то есть меньшие потери в аккумуляторе.  Полезные мысли можно почерпнуть, например, отсюда : http://solarhome.ru/ru/pv/pvsizing.htm