Расчет солнечной батареи и емкости аккумулятора, особенно если опираться на данные с современных "околонаучных" сайтов по альтернативной энергетике, не простая задача. Там количество неизвестных превышает количество известных.
"По жизни", никто так не считает. Лично я применяю простое правило, которое довольно точно соответствует действительности.
Учитывая то, что все схемы подключения солнечных батарей можно разделить на три группы, то это правило, в полной мере, отностится к средней схеме.
Конечно, мой расчет, на листике бумаги, говорит мало о чем. Поэтому посмотрим как рассчитывает параметры солнечной батареи и необходимую емкость аккумулятора фирма “Panasonic”.
Прежде всего должны быть заданы напряжение нагрузки (VL) в Вольтах, мощность в Ваттах (или ток IL в Амперах) которую она потребляет и время работы в течении суток (T в часах в день).
Таким образом Вы легко посчитаете потребление тока в течении дня или среднесуточное потребление тока (IR в Амперах в день).
Следующим считается ток (IP в Амперах), который солнечная батарея должна выдавать в течении дня, что бы обеспечить наше потребление тока.
Здесь три коэффициента, которые заслуживают внимания.
К1 = 0,85 – учитывает изменение тока в зависимости от окружающей температуры, старение и уменьшение эффективности при наличии загрязнения поверхности солнечной батареи.
К2 = 0,95 – учитывает эффективность заряда – разряда аккумуляторной батареи.
TS = 3,21 часа – учитывает среднее время работы солнечной батареи в течении суток. Основано на среднегодовых значениях. Немного больше об этом - см. здесь.
Теперь, становится возможным рассчитать емкость аккумулятора (С в Ампер Часах) необходимую для покрытия потребности в токе в течении «несолнечных» дней.
Здесь все не менее интересно.
D = 20 дней – количество несолнечных дней, когда мощность для нагрузки берется только от резервного аккумулятора.
K3 = 0,8 – коэффициент учитывающий саморазряд аккумулятора. В большинстве случаев принимается равным 0,8.
Емкость аккумулятора рассчитана. Осталось рассчитать напряжение (VP в Вольтах), которое должна выдавать солнечная батарея ,что бы обеспечить заряд аккумулятора.
Общее напряжение складывается из:
- напряжения на полностью заряженной батарее (14,5 Вольт),
- падения напряжения на разделяющем диоде (0,4 Вольт),
- падения напряжения на соединяющих проводах (0,5 Вольт),
- и дополнительного напряжения необходимого для компенсации температуры аккумулятора (1,3 Вольт).
Последний коэффициент учитывает, что при снижении температуры необходимо увеличивать напряжение на аккумуляторе из расчета 2-3 мВ, на градус Цельсия на каждый элемент аккумулятора. Так, для 12-ти Вольт и 6-ти банок "натекает" около 1,2 – 1,3 Вольт (для свинцового аккумулятора, применяемого в бытовых источниках бесперебойного питания).
Мощность солнечной батареи, посчитанная нами - 16,7V * 1,29A = 21,5W. Таким образом, солнечная батарея мощностью 22 Ватта, будет обеспечивать ежедневную работу нагрузки в 40 Ватт, при наличии аккумуляторной батареи емкостью 83,5 Ампер Час. Если пожертвовать точностью, то результат укладывается в правило «20 – 40 – 80».
Дополнение.
КПД заряда – разряда аккумуляторных батарей можно уточнить на сайте «Наука и техника» в статье «В.С.Лаврус. Источники энергии» или «Электрохимические источники энергии». Так же, неплохие статьи по аккумуляторам находятся на сайте solarhome.ru и ГОСТ, упоминавшийся выше, на сайте www.infosait.ru Но в большинстве случаев это не имеет значения, так как в систему дополнительного / автономного энергоснабжения устанавливается не то что эффективно, а то что есть или то, что удалось дешево приобрести. В половине случаев используются автомобильные (стартерные) аккумуляторы, которые по всем параметрам «не подходят». Но это условно. Они действительно будут работать плохо, если использовать стандартные контроллеры заряда – разряда. «По жизни» проблема решается контроллером, который по очереди разряжает автомобильные аккумуляторы форсированным током. Система начинает отлично работать при наличии 4-х аккумуляторов.
Из расчета видно, что система получается «тяжеловатой» за счет огромной емкости аккумулятора. Но это цена, которой гарантируется необходимая суточная мощность. Можно увеличить мощность солнечной батареи, но это не всегда эффективно тк при этом сильно возрастает стоимость. Уменьшение емкости аккумулятора так же чревато, не столько потерей мощности, сколько пере-разрядом, который быстро «убивает» аккумулятор.
Из практики. Автомобильный аккумулятор имеет гарантийный срок – 5 лет. Аккумуляторы, которые приходят с новыми автомобилями (Форд), этот срок «выхаживают» без проблем. И это необслуживаемые аккумуляторы, которые не требуют доливки дистиллированной воды или электролита в течении этого срока. В моем автомобиле аккумулятор работает более 9 лет. Единственное, что я сделал – 4-ре года назад выровнял уровень электролита. В автомобилях, которые приходилось обслуживать, средний срок работы аккумулятора – около 7 лет.
Но забудем об аккумуляторах. Они будут такие какие будут. Единственный путь, как можно удешевить систему – это применить дополнительный источник вырабатывающий электроэнергию. Чаще всего ветрогенератор. Логика очень простая. Как правило отсутствие солнца компенсируется ветром и наоборот.
Купить ветрогенератор, конечно, можно. Но с хорошими генераторами, которые производят около 200 Ватт мощности – небольшой напряг. За последние 10 лет мне удалось найти только один бытовой ветрогенератор, который реально работает. Небольшая мощность (реальная - от 50 Ватт до 200 Ватт (при 12 м/с)), компенсируется небольшими размерами, легкостью установки и относительно низким уровнем шума.
Что касается ветрогенераторов мощностью 10 – 40 Ватт, то с их самостоятельным изготовлением проблем не возникает. При диаметре ветроколеса до 1 метра, их можно отнести к категории «конструкция выходного дня».
Посмотрим, что дает дополнительный источник в виде ветрогенератора. Для нашего предыдущего расчета, добавление ветрогенератора на 20 Ватт, позволяет уменьшить емкость аккумулятора в два раза (до 42 Ач) или удвоить суточную мощность (до 80 Ватт в сутки).
В заключение.
Дополнение солнечной батареи ветрогенератором является очень эффективным решением только в том случае, если есть ветер. Как правило средний ветрогенератор начинает «выдавать мощность» со скорости ветра 5 – 6 метров в секунду и заканчивает работать при 13 м/с.
Какая средняя скорость ветра в том месте, где Вы собираетесь установить ветрогненератор? На этот вопрос не ответят даже самые точные данные ГидроМетЦентра, так как Вас интересует скорость ветра в конкретном месте, а не по области в целом.
Вопрос решается так же как с солнечными батареями, где в начале устанавливается тестовый солнечный элемент. Только, в случае с ветром, устанавливается простой анемометр и собирается статистика за месяц или как получится. Это единственный точный метод, который экономит время и нервы.
Для самостоятельного изготовления анемометра потребуется CD-диск,вентилятор от компьютера и педометр или калькулятор. В результате получится прибор, который по точности не уступает промышленному анемометру.