Baterías solares para jardín y hogar: tipos, principios de funcionamiento y procedimiento de cálculo de sistemas solares.
La ciencia nos ha brindado un momento en el que la tecnología para utilizar la energía solar está disponible públicamente.Todo propietario tiene la oportunidad de conseguir paneles solares para su hogar. Los veraneantes no se quedan atrás en este asunto. A menudo se encuentran lejos de fuentes centralizadas de suministro de energía sostenible.
Le sugerimos que se familiarice con la información que presenta el diseño, principios de funcionamiento y cálculo de las unidades de trabajo del sistema solar. La familiarización con la información que ofrecemos lo acercará a la realidad de proporcionar electricidad natural a su sitio.
Para una comprensión clara de los datos proporcionados, se adjuntan diagramas detallados, ilustraciones, instrucciones en fotografías y videos.
El contenido del artículo:
- Diseño y principio de funcionamiento de una batería solar.
- Tipos de módulos de paneles solares
- Esquema de funcionamiento del suministro de energía solar.
- Carga máxima y consumo medio diario de energía
- El procedimiento para calcular los indicadores de energía.
- Selección de componentes de plantas de energía solar.
- Montaje de un sistema solar doméstico.
- Conclusiones y vídeo útil sobre el tema.
Diseño y principio de funcionamiento de una batería solar.
Érase una vez mentes curiosas que descubrieron para nosotros sustancias naturales producidas bajo la influencia de partículas de luz del sol, fotones, energía eléctrica. El proceso se llamó efecto fotoeléctrico. Los científicos han aprendido a controlar los fenómenos microfísicos.
A partir de materiales semiconductores, crearon dispositivos electrónicos compactos: las fotocélulas.
Los fabricantes han dominado la tecnología de combinar convertidores en miniatura en paneles solares eficientes. La eficiencia de los módulos de paneles solares de silicio producidos ampliamente por la industria es del 18-22%.
Una batería solar se ensambla a partir de módulos. Es el punto final del viaje de los fotones desde el Sol a la Tierra. A partir de aquí, estos componentes de la radiación luminosa continúan su camino dentro del circuito eléctrico como partículas de corriente continua.
Se distribuyen entre baterías o se transforman en cargas de corriente eléctrica alterna con un voltaje de 220 voltios, que alimenta todo tipo de dispositivos técnicos domésticos.
Encontrará más detalles sobre las características específicas del dispositivo y el principio de funcionamiento de la batería solar en otro artículo popular nuestro sitio.
Tipos de módulos de paneles solares
Los módulos de paneles solares se ensamblan a partir de células solares, también conocidas como convertidores fotoeléctricos. Los FEP de dos tipos han encontrado un uso generalizado.
Se diferencian en los tipos de semiconductores de silicio utilizados para su fabricación, estos son:
- Policristalino. Se trata de células solares fabricadas a partir de silicio fundido mediante enfriamiento a largo plazo. El sencillo método de producción hace que el precio sea asequible, pero la productividad de la versión policristalina no supera el 12%.
- Monocristalino. Estos son elementos que se obtienen cortando un cristal de silicio cultivado artificialmente en finas obleas. La opción más productiva y cara. La eficiencia media ronda el 17%; se pueden encontrar células solares monocristalinas con mayor rendimiento.
Las células solares policristalinas tienen forma cuadrada y plana con una superficie no uniforme. Las variedades monocristalinas parecen cuadrados delgados con una estructura superficial uniforme con esquinas recortadas (pseudocuadrados).
Los paneles de la primera versión con la misma potencia son más grandes que los de la segunda debido a su menor eficiencia (18% versus 22%). Pero, en promedio, son un diez por ciento más baratos y tienen una gran demanda.
Puede conocer las reglas y matices de la elección de paneles solares para suministrar energía de calefacción autónoma. leer aquí.
Esquema de funcionamiento del suministro de energía solar.
Cuando nos fijamos en los misteriosos nombres de los componentes que componen el sistema de energía solar, nos viene a la mente la complejidad supertécnica del dispositivo.
En el nivel micro de la vida fotónica esto es cierto. Y visualmente, el diagrama general del circuito eléctrico y el principio de su funcionamiento parecen muy simples. Desde el astro hasta la “bombilla de Ilich” sólo hay cuatro pasos.
Los módulos solares son el primer componente de una central eléctrica. Se trata de paneles delgados rectangulares ensamblados a partir de un cierto número de placas de fotocélulas estándar. Los fabricantes fabrican paneles fotográficos con diferentes potencias eléctricas y voltajes múltiplos de 12 voltios.
Los dispositivos de forma plana están convenientemente ubicados en superficies abiertas a los rayos directos. Los bloques modulares se combinan mediante conexiones mutuas en una batería solar. La tarea de la batería es convertir la energía solar recibida, produciendo una corriente continua de un valor determinado.
Dispositivos de almacenamiento de carga eléctrica - baterias para paneles solares conocido por todos. Su papel dentro del sistema de suministro de energía solar es tradicional. Cuando los consumidores domésticos están conectados a una red centralizada, los dispositivos de almacenamiento de energía almacenan electricidad.
También acumulan su exceso si la corriente del módulo solar es suficiente para proporcionar la energía consumida por los aparatos eléctricos.
La batería suministra la cantidad necesaria de energía al circuito y mantiene un voltaje estable tan pronto como su consumo aumenta a un valor mayor. Lo mismo ocurre, por ejemplo, por la noche, cuando los paneles fotográficos no funcionan o cuando hace poco sol.
El controlador es un intermediario electrónico entre el módulo solar y las baterías.Su función es regular el nivel de carga de las baterías. El dispositivo no permite que hiervan debido a una sobrecarga o una caída del potencial eléctrico por debajo de cierta norma necesaria para el funcionamiento estable de todo el sistema solar.
Invertir, así suena literalmente el término inversor solar. Sí, de hecho, esta unidad realiza una función que alguna vez pareció fantástica a los ingenieros eléctricos.
Convierte la corriente continua del módulo solar y las baterías en corriente alterna con una diferencia de potencial de 220 voltios. Este es el voltaje de funcionamiento de la gran mayoría de aparatos eléctricos domésticos.
Carga máxima y consumo medio diario de energía
El placer de tener tu propia estación solar todavía vale mucho la pena. El primer paso en el camino hacia el aprovechamiento de la energía solar es determinar la carga máxima óptima en kilovatios y el consumo energético diario medio racional en kilovatios-hora para un hogar o una casa de campo.
La carga máxima se crea por la necesidad de encender varios aparatos eléctricos a la vez y está determinada por su potencia total máxima, teniendo en cuenta las características de arranque sobreestimadas de algunos de ellos.
Calcular el consumo máximo de energía le permite identificar qué aparatos eléctricos necesitan funcionamiento simultáneo y cuáles no son tan vitales. Este indicador está sujeto a las características de potencia de los componentes de la planta de energía, es decir, el costo total del dispositivo.
El consumo energético diario de un aparato eléctrico se mide por el producto de su potencia individual y el tiempo que trabajó desde la red (electricidad consumida) durante el día. El consumo de energía diario promedio total se calcula como la suma de la electricidad consumida por cada consumidor durante un período diario.
El resultado del consumo de energía ayuda a abordar racionalmente el consumo de electricidad solar. El resultado de los cálculos es importante para realizar cálculos adicionales de la capacidad de la batería. El precio de la batería, componente importante del sistema, depende aún más de este parámetro.
El procedimiento para calcular los indicadores de energía.
El proceso de cálculo comienza literalmente con una hoja de cuaderno desplegada, cuadrada y ubicada horizontalmente. Con líneas claras de lápiz se obtiene de la hoja una forma con treinta columnas y líneas según el número de electrodomésticos.
Preparación para cálculos aritméticos
La primera columna es tradicional: un número de serie. La segunda columna es el nombre del aparato eléctrico. El tercero es su consumo de energía individual.
Las columnas cuatro a veintisiete son las horas del día de 00 a 24. En ellas se ingresa a través de una línea fraccionaria horizontal:
- en el numerador – el tiempo de funcionamiento del dispositivo durante una hora específica en forma decimal (0,0);
- el denominador es nuevamente su consumo de energía individual (esta repetición es necesaria para calcular las cargas horarias).
La vigésima octava columna es el tiempo total que funciona el dispositivo doméstico durante el día.En el vigésimo noveno, el consumo de energía personal del dispositivo se registra como resultado de multiplicar el consumo de energía individual por el tiempo de funcionamiento durante un período diario.
La trigésima columna también es estándar: nota. Será útil para cálculos intermedios.
Elaboración de especificaciones de consumo.
La siguiente etapa de los cálculos es la transformación del formato del cuaderno en una especificación para los consumidores de electricidad domésticos. La primera columna es clara. Aquí se introducen los números de serie de las líneas.
La segunda columna contiene los nombres de los consumidores de energía. Se recomienda empezar a llenar el pasillo con electrodomésticos. A continuación se describen otras habitaciones en el sentido contrario a las agujas del reloj o en el sentido de las agujas del reloj (según le convenga).
Si hay un segundo piso (etc.), el procedimiento es el mismo: desde las escaleras, alrededor. Al mismo tiempo, no debemos olvidarnos de los dispositivos en las escaleras y el alumbrado público.
Es mejor completar la tercera columna indicando la potencia frente al nombre de cada dispositivo eléctrico junto con la segunda.
Las columnas cuatro a veintisiete corresponden a cada hora del día. Para mayor comodidad, puede dibujarlos inmediatamente con líneas horizontales en el medio de las líneas. Las mitades superiores resultantes de las líneas son como numeradores, las inferiores son denominadores.
Estas columnas se completan fila por fila. Los numeradores se formatean selectivamente como intervalos de tiempo en formato decimal (0,0), lo que refleja el tiempo de funcionamiento de un aparato eléctrico determinado en un período horario particular. Paralelamente, donde se ingresan los numeradores, se ingresan los denominadores con el indicador de potencia del dispositivo, tomado de la tercera columna.
Una vez completadas todas las columnas de horas, proceda a calcular el tiempo de trabajo diario individual de los aparatos eléctricos, moviéndose línea por línea. Los resultados se registran en las celdas correspondientes de la vigésima octava columna.
En función de la potencia y las horas de trabajo, se calcula secuencialmente el consumo diario de energía de todos los consumidores. Está anotado en las celdas de la vigésima novena columna.
Cuando se completan todas las filas y columnas de la especificación, se calculan los totales. Sumando las gráficas de potencia de los denominadores de las columnas horarias se obtienen las cargas de cada hora. Sumando el consumo de energía diario individual de la vigésima novena columna de arriba a abajo, se encuentra el promedio diario total.
El cálculo no incluye el consumo propio del futuro sistema. Este factor es tenido en cuenta por el coeficiente auxiliar en los cálculos finales posteriores.
Análisis y optimización de los datos obtenidos.
Si se planifica la energía de una planta de energía solar como respaldo, los datos sobre el consumo de energía por hora y el consumo de energía promedio diario total ayudan a minimizar el consumo de la costosa electricidad solar.
Esto se logra excluyendo del uso a los consumidores que consumen mucha energía hasta que se restablezca el suministro de energía centralizado, especialmente durante las horas pico de carga.
Si el sistema de energía solar está diseñado como una fuente de suministro de energía constante, entonces se presentan los resultados de las cargas horarias.Es importante distribuir el consumo de electricidad a lo largo del día de tal manera que se eliminen los máximos y mínimos predominantes.
La eliminación de cargas máximas, la nivelación de cargas máximas y la eliminación de caídas bruscas en el consumo de energía a lo largo del tiempo permiten seleccionar las opciones más económicas para los componentes del sistema solar y garantizar un funcionamiento estable y, lo más importante, sin problemas a largo plazo de la estación solar.
El dibujo presentado muestra la transformación de un programa irracional obtenido sobre la base de una especificación en uno óptimo. El consumo diario se redujo de 18 a 12 kW/h, la carga horaria media diaria de 750 a 500 W.
El mismo principio de optimización es útil cuando se utiliza la opción de energía solar como respaldo. Puede que no valga la pena gastar demasiado dinero en aumentar la potencia de los módulos solares y las baterías por algún inconveniente temporal.
Selección de componentes de plantas de energía solar.
Para simplificar los cálculos, consideraremos la versión que utiliza una batería solar como principal fuente de energía eléctrica para el jardín. El consumidor recibirá una casa de campo condicional en la región de Riazán, donde residirá permanentemente de marzo a septiembre.
Los cálculos prácticos basados en los datos del programa racional de consumo horario de energía publicado anteriormente aclararán el razonamiento:
- Consumo energético medio diario total = 12.000 vatios/hora.
- Consumo medio de carga = 500 vatios.
- Carga máxima 1200 vatios.
- Carga máxima 1200 x 1,25 = 1500 vatios (+25%).
Los valores serán necesarios para calcular la capacidad total de los dispositivos solares y otros parámetros operativos.
Determinación de la tensión de funcionamiento del sistema solar.
El voltaje de funcionamiento interno de cualquier sistema solar se basa en un múltiplo de 12 voltios, que es la clasificación de batería más común. Los componentes más utilizados de las estaciones solares: módulos solares, controladores e inversores se producen para voltajes populares de 12, 24, 48 voltios.
Un voltaje más alto permite el uso de cables de alimentación de una sección transversal más pequeña, lo que significa una mayor confiabilidad de los contactos. Por otro lado, las baterías de 12 V defectuosas se pueden reemplazar una a la vez.
En una red de 24 voltios, teniendo en cuenta las características específicas de las baterías en funcionamiento, será necesario reemplazarlas solo en pares. Una red de 48 V requerirá cambiar las cuatro baterías de una rama. Además, con 48 voltios ya existe peligro de descarga eléctrica.
La elección principal del valor nominal de la diferencia de potencial interna del sistema está relacionada con las características de potencia de los inversores producidos por la industria moderna y debe tener en cuenta la magnitud de la carga máxima:
- de 3 a 6 kW – 48 voltios,
- de 1,5 a 3 kW – igual a 24 o 48V,
- hasta 1,5 kW – 12, 24, 48 V.
Al elegir entre la confiabilidad del cableado y las molestias de reemplazar las baterías, para nuestro ejemplo nos centraremos en la confiabilidad. Posteriormente partiremos del voltaje de funcionamiento del sistema calculado, 24 voltios.
Equipar la batería con módulos solares.
La fórmula para calcular la energía requerida de una batería solar es la siguiente:
Рcm = (1000 * Esut) / (k * Sin),
Dónde:
- Rcm = potencia de la batería solar = potencia total de los módulos solares (paneles, W),
- 1000 = sensibilidad fotovoltaica aceptada (kW/m²)
- Esut = requerimiento diario de consumo de energía (kWh, en nuestro ejemplo = 18),
- k = coeficiente estacional teniendo en cuenta todas las pérdidas (verano = 0,7; invierno = 0,5),
- Syn = valor tabulado de insolación (flujo de radiación solar) con la inclinación óptima de los paneles (kW*h/m²).
Puede averiguar el valor de insolación en su servicio meteorológico regional.
El ángulo de inclinación óptimo de los paneles solares es igual a la latitud del área:
- en primavera y otoño,
- más 15 grados – en invierno,
- -15 grados bajo cero – en verano.
La región de Riazán considerada en nuestro ejemplo se encuentra en la latitud 55.
Para el período comprendido entre marzo y septiembre, la mejor inclinación no regulada del panel solar es igual a un ángulo en verano de 40⁰ con respecto a la superficie de la tierra. Con esta instalación de módulos, la insolación diaria media de Riazán durante este período es de 4,73. Todos los números están ahí, hagamos el cálculo:
Rcm = 1000 * 12 / (0,7 * 4,73) ≈ 3600 vatios.
Si tomamos como base para la batería solar módulos de 100 vatios, necesitaremos 36 de ellos. Pesarán 300 kilogramos y ocuparán un área de unos 5 x 5 m.
Diagramas de cableado probados en campo y opciones de conexión de paneles solares. se dan aquí.
Disposición de una unidad de alimentación de batería.
Al elegir baterías, debe guiarse por los siguientes principios:
- Las baterías de coche normales NO son adecuadas para este fin. Las baterías de las plantas de energía solar están marcadas con la inscripción “SOLAR”.
- Sólo deberías comprar baterías que sean idénticas en todos los aspectos, preferiblemente del mismo lote de fábrica.
- La habitación donde se encuentra la batería debe estar cálida. La temperatura óptima cuando las baterías producen plena potencia = 25⁰C. Cuando la temperatura desciende a -5⁰C, la capacidad de la batería disminuye en un 50%.
Si tomamos para el cálculo una batería representativa de 12 voltios con una capacidad de 100 amperios/hora, es fácil calcular que puede proporcionar energía a los consumidores con una potencia total de 1200 vatios durante una hora entera. Pero esto es con descarga completa, lo cual es extremadamente indeseable.
Para una duración prolongada de la batería, NO se recomienda reducir su carga por debajo del 70%. Cifra límite = 50%. Tomando el número 60% como “media dorada”, basamos los cálculos posteriores en la reserva de energía de 720 Wh por cada 100 Ah del componente capacitivo de la batería (1200 Wh x 60%).
Inicialmente, las baterías deben instalarse 100% cargadas desde una fuente de energía estacionaria. Las baterías recargables deben cubrir completamente las cargas en la oscuridad. Si no tiene suerte con el clima, mantenga los parámetros requeridos del sistema durante el día.
Es importante tener en cuenta que un exceso de baterías provocará una descarga insuficiente constante. Esto reducirá significativamente la vida útil. La solución más racional parece ser equipar la unidad con baterías con una reserva de energía suficiente para cubrir un consumo energético diario.
Para conocer la capacidad total requerida de la batería, divida el consumo total de energía diario de 12000 Wh por 720 Wh y multiplíquelo por 100 A*h:
12.000 / 720 * 100 = 2.500 A*h ≈ 1.600 A*h
En total, para nuestro ejemplo necesitaremos 16 baterías de 100 de capacidad u 8 de 200 Ah, conectadas en serie-paralelo.
Elegir un buen controlador
Selección competente controlador de carga de batería (AKB) es una tarea muy específica. Sus parámetros de entrada deben corresponder a los módulos solares seleccionados y el voltaje de salida debe corresponder a la diferencia de potencial interna del sistema solar (en nuestro ejemplo, 24 voltios).
Un buen controlador debe proporcionar:
- Carga de baterías multietapa, que multiplica su vida útil efectiva.
- Conexión-desconexión automática mutua, de batería y de batería solar en correlación con carga-descarga.
- Reconectar la carga de la batería a la batería solar y viceversa.
Esta pequeña unidad es un componente muy importante.
La elección correcta del controlador determina el funcionamiento sin problemas de una costosa batería y el equilibrio de todo el sistema.
Seleccionar el mejor inversor
El inversor se selecciona con tal potencia que pueda proporcionar una carga máxima a largo plazo. Su voltaje de entrada debe corresponder a la diferencia de potencial interna del sistema solar.
Para elegir la mejor opción, se recomienda prestar atención a los siguientes parámetros:
- Forma y frecuencia de la corriente alterna suministrada. Cuanto más cerca de una sinusoide de 50 hercios, mejor.
- Eficiencia del dispositivo. Cuanto mayor sea el 90%, más maravilloso.
- Consumo propio del dispositivo. Debe ser proporcional al consumo general de energía del sistema. Idealmente, hasta el 1%.
- La capacidad de un nodo para soportar sobrecargas dobles de corta duración.
El diseño más excelente es un inversor con función de controlador incorporada.
Montaje de un sistema solar doméstico.
Le hicimos una selección de fotografías que demuestra claramente el proceso de ensamblaje de un sistema solar doméstico a partir de módulos fabricados en fábrica:
Conclusiones y vídeo útil sobre el tema.
Vídeo #1. Demostración de bricolaje sobre la instalación de paneles solares en el techo de una casa:
Vídeo #2. Selección de baterías para un sistema solar, tipos, diferencias:
Vídeo #3. Planta de energía solar campestre para quienes hacen todo ellos mismos:
Los métodos de cálculo prácticos paso a paso considerados, el principio básico del funcionamiento eficaz de una batería de panel solar moderna como parte de una estación solar autónoma en el hogar, ayudarán a los propietarios tanto de una casa grande en una zona densamente poblada como de una casa de campo. en el desierto para ganar soberanía energética.
¿Le gustaría compartir su experiencia personal que adquirió durante la construcción de un mini sistema solar o simplemente de baterías? ¿Tiene alguna pregunta que le gustaría responder o ha encontrado alguna deficiencia en el texto? Por favor deje comentarios en el bloque a continuación.
Tenemos una casa de campo cerca de Krasnodar. Hay suficientes días soleados, así que decidí experimentar e instalar paneles solares. Compré unos policristalinos. Pero al principio cometí un error, calculé incorrectamente la cantidad de paneles solares, por lo que en junio el efecto de ellos fue cero. Hace un par de semanas agregué más paneles y ya hay efecto. Aunque en general resultó un poco caro. Creo que poco a poco irá dando sus frutos.
Muy informativo. Me parece que se ignoran modestamente las cuestiones sobre el coste del propio sistema solar, el precio de instalación y funcionamiento y, en consecuencia, su período de recuperación. Por ejemplo, si el sistema se amortiza en un plazo de 15 a 20 años, ¿vale la pena construir un jardín? Durante este tiempo, él mismo se deteriorará o quedará moralmente obsoleto. ¿Quizás, si no hay un suministro de energía centralizado, simplemente usar un generador?
¡Todo esta bien! ¿Qué recomiendas poner en una pequeña casa de campo? ¿Debo conectar el cortacésped para calentar el té? No hay ningún deseo de llegar a un acuerdo con el sistema energético: son monopolistas.
Responderé dos preguntas a la vez: la suya y la de la recuperación del sistema en sí. En primer lugar, en latitudes donde hay muchos días soleados, el sistema solar se amortizará más rápido que, por ejemplo, en Siberia. Sé que en el sur de Rusia el plazo mínimo de recuperación es de tres años.
A continuación, una instalación relativamente sencilla en la casa de campo para alimentar el equipo más necesario: hay soluciones listas para usar y económicas, entre 350 y 400 dólares. Por ejemplo, AXIOMA energía con un indicador de 22/7 kWh al mes, verano/invierno, para que quede más claro. Un sistema de este tipo es suficiente para tomar té, cargar el teléfono y conectar una cortadora de césped.
Voy a comprar una casa en el pueblo y allí a menudo me cortan la electricidad. Quiero protegerme y este tema es simplemente muy interesante.
¿Cuánto costará suministrar electricidad por completo a una casa de 100 m2? ¿Es posible garantizar el 100% de autonomía mediante paneles solares?
Bueno, la pregunta más importante es: ¿cómo funcionará toda esta estructura en invierno? Y luego miras, simplemente pusieron todo en el techo y listo, la nieve probablemente se pegue y en primavera todo comienza a descongelarse. En general, ¿todo esto dará sus frutos en teoría y cuál es la vida útil media?
En general, ¿hay quienes lo utilizan desde hace al menos un par de años? Sería interesante escuchar su opinión.
Tus preguntas son bastante difíciles, pero intentaré responderlas en orden.
Respecto al costo de dotar una casa de 100 m2. La cuestión aquí no es la superficie sino el consumo nominal de energía. ¿Cómo piensas calentar tu casa? ¿Caldera de gas, combustible sólido o eléctrica, convectores eléctricos? Si es eléctrico, en invierno es poco probable que el sistema funcione. Mire, una estación solar por kWh costará 10 mil dólares. En diciembre la tasa mínima de generación de electricidad mensual será de hasta 429 kWh, la máxima en julio, de hasta 2.142 kWh. Con estos indicadores podrá garantizar la autonomía en el suministro de electricidad a su hogar.
Respecto al invierno y al otoño. Cuando la naturaleza “se enfurece”, tendrás que limpiar los paneles solares de hojas caídas y nieve para que la productividad no disminuya.
Respecto a la recuperación de la inversión y la vida útil. Si vende el excedente al estado durante los meses pico, puede lograr un período de recuperación de aproximadamente 5 años. No se trata de una cifra concreta, aquí deberás calcular en función de tu consumo mensual, días de sol, tarifas vigentes, etc. Los paneles solares ahora tienen una garantía de al menos diez años y su tasa de degradación es sólo del 0,7% anual.