Сонячні батареї для яхти

1. Типи сонячних панелей
2. Характеристики сонячних батарей
3. Потужність сонячних панелей
4. Напруга сонячної батареї
5. Регулятори напруги сонячних батарей
6. Сонячні контролери MPPT
7. Установка сонячних батарей
8. Підключення сонячних батарей до акумулятора
9. кілька акумуляторів

Вартість електричної енергії на катері або яхті дуже висока. Особливо, якщо під час стоянки власник заряджає акумулятори двигуном, на якому не встановлено ні зовнішній регулятор напруги ні DC-DС зарядний пристрій . У цьому випадку будь-яке обладнання, що виробляє електрику дешевше, ніж ДВС стає економічно вигідним і швидко окупається.

Зміст статті

Типи сонячних панелей

Сонячні батареї перетворять в електрику безкоштовний світло сонця, а з урахуванням того, що ціна напівпровідників, з яких вони зроблені, з кожним роком знижується на яхті або катері панелі окупаються протягом декількох місяців - року. Їх економічно вигідно встановлювати на човен якомога більше. Однак результат розчарує, якщо не правильно підібрати потужність батарей або змонтувати їх не в тих местах.На катерах і яхтах використовується три типи сонячних панелей:

У монокристалічних панелях кожна клітинка вирізана з одного кристала кремнію. Хоча деякі напівгнучкі моделі також використовують монокристалічні осередки, як правило панелі цього типу жорсткі і не переносять вигинів. Коефіцієнт перетворення світла в електричну енергію у них досягає 22%, але частіше за все становить 16 - 18%.

У більшості монокристалічних панелей суцільна жорстка задня стінка. Однак недавно з'явилися двосторонні моделі, що дозволяють збирати світло обома сторонами. Це зручно, коли під панеллю розташована відбиває поверхня, наприклад, біла верхня частина кабіни.

Ефективність осередків,% 22,2-22,4 Потужність в робочій точці (Pmpp), Wp 310 Напруга холостого ходу (Uoc), B 23,1 Напруга в робочій точці (Umpp), B 18,8 Струм в робочій точці (Impp ), А 16,46 Струм короткого замикання, (Isc), A 17.54 Тип Монокристалічні.
Гнучкі. Матеріал поверхні ETFE або PET Кількість осередків, вага, габаритні розміри Панелі виготовляються під замовлення виходячи з вимог замовника і розмірів передбачуваного місця установки

Зроблені під ваші вимоги на замовлення високоефективні морські сонячні модулі зарядять акумуляторні батареї, і вам не доведеться заводити для цього двигун. Гладкі, легкі і гнучкі морські сонячні панелі призначені для безшумної генерації енергії навіть в умовах низької освітленості. Вони стійкі до солоній воді, несприятливих погодних умов і навіть до пожежі

Отримати розрахунок сонячних панелей для катера або яхти

У полікристалічних сонячних батареях кожна клітинка складається з декількох невеликих кристалів. Такі панелі менш ефективні, ніж монокристалічні, особливо при низьких рівнях освітленості, але зате легше і дешевше.

Під час виробництва аморфних пластин, випаровування кремній осідає на підкладці. Аморфні панелі найдешевші і дуже гнучкі, однак їх ефективність найменша.

Кожна кремнієва осередок, незалежно від розміру, при попаданні на неї прямого сонячного світла створює напругу близько 0,6 вольт. Напруга всієї батареї можна приблизно визначити помноживши 0,6 на кількість осередків. Наприклад, напруга сонячної панелі, що складається з 30 осередків - 18,0 вольт.

Вихідний струм комірки залежить від її типу, якості і площі займаної поверхні. Тому щоб отримати однакову вихідну потужність за допомогою аморфних і монокристалічних панелей, аморфними доведеться зайняти в два рази більшу площу. Крім того, потужність аморфних батарей приблизно на 10% менше номінальної протягом одного - двох років після виробництва. Надалі вона стабілізується.

Характеристики сонячних батарей

У специфікації на сонячну батарею виробник вказує наступні характеристики:

• Voc - напруга розімкнутого ланцюга. Ця напруга отсоединенной від акумулятора сонячної батареї
• Isc - струм короткого замикання. Максимальний струм, який видає панель, якщо замкнути між собою її клеми. Вихідна напруга батареї в цьому випадку дорівнює нулю
• Imp - максимальний струм навантаження
• Vmp - напруга при максимальній потужності
• Pmax - максимальна потужність сонячної батареї. Цей твір двох попередніх параметрів. Іноді призводять тільки максимальну потужність і відповідну напругу на навантаженні. У цьому випадку струм навантаження можна знайти, розділивши потужність на напругу.

Жодна з наведених характеристик не описує реальну продуктивність сонячної батареї - вихідний струм при напрузі зарядки акумулятора

Напруга панелі при максимальній потужності залежить від кількості осередків та їх температури. Воно завжди вище, ніж рекомендований напруга зарядки, але при підключенні до акумулятора знижується. Через це навіть при стандартних умовах тестування вихідна потужність при напрузі зарядки акумулятора завжди менше номінальної на 20-25%.

Сонячні батареї відчувають в стандартних умовах. З точки зору власника катера або яхти найбільш важливі з них - це припущення про те, що промені сонця падають на батарею під кутом 90 градусів, а її температура становить 25 ° C. Результати випробувань зображують у вигляді вольтамперної характеристики. Іноді виробники наводять дані для декількох різних температур. Максимальна потужність сонячної батареї відповідає вигину вольтамперної характеристики при 25 ° C.

Два способи підключення сонячних панелей до електричній системі катера або яхти. Зліва - розподільна коробка забезпечує безпечне і надійне електричне з'єднання і гарантовано витримує атмосферні дії. Встановлюється з тильного боку панелі. Якщо передбачається поверхневий монтаж, розподільну коробку можна встановлена ​​на передній стороні панелі. Праворуч - два кабелі з силіконовою ізоляцією і пластиковий кабельний ввід, розташовані ззаду панелі. Електрична полярність чітко вказана кольором ізоляції. Альтернатива розподільній коробці.

Напруга панелі при максимальній потужності залежить від кількості осередків та їх температури. Воно завжди вище, ніж рекомендований напруга зарядки, але при підключенні до акумулятора знижується. Через це навіть при стандартних умовах тестування вихідна потужність при напрузі зарядки акумулятора завжди менше номінальної на 20-25%.

Точно дізнатися наскільки падає потужність, можна якщо виміряти струм, що віддається сонячною батареєю під час зарядки акумулятора. Наприклад, 50-ватна панель з номінальною напругою 17 вольт забезпечує струм 2,94 ампера (Вт / вольт = ампер). За вольтамперної характеристиці при температурі 25-градусів знаходимо, що при напрузі 13,0 вольт вихідний струм сонячної батареї становить 3,0 А (Напруга 13 вольт підходить для зарядки розрядженого акумулятора і акумулятора з підключеним навантаженням). Хоча вихідний струм змінився незначно в порівнянні із значенням за номінальної напруги, вихідна потужність знизилася до 13,0 вольт × 3,0 ампер = 39 Вт. Це на 22% менше номінальної потужності.

Існують і інші втрати, які необхідно врахувати перед установкою сонячних батарей на яхту або катер. На суші панелі монтують на опорах, розташованих під кутом до горизонту. У цьому випадку на поверхню потрапляє максимальна кількість променів сонця. Але якщо таким чином встановити панелі на катері або яхті, після кожного повороту вони будуть втрачати сонце. Щоб уникнути цього панелі на човнах майже завжди встановлюють у фіксованому місці горизонтально. Однак навіть в тропіках сонячний полудень (час, коли сонце знаходиться прямо над головою) триває всього кілька годин на день. В інший час промені сонця падають на панель при менших кутах і кількість переданої ними енергії помітно зменшується.

Потужність сонячних панелей

Зв'язок між температурою і потужністю для трьох сонячних панелей. Криві представляють максимальну вихідну потужність при яскравому сонячному світлі, а не реалістичний вихід в нормальних умовах експлуатації. При температурі поверхні 50 ° C вихід панелі з 36 осередками зменшується на 15 вольт, а на 30-елементної панелі на 11 вольт. Це занадто мало для ефективної зарядки акумулятора в жаркому кліматі.

Реальна потужність панелі знижується ще більше, якщо хмара заступає сонце або на поверхню батареї падає тінь від такелажу, вітрил або щогли. Навіть часткове затінення одного осередку в ланцюзі з'єднаних послідовно значно зменшує вихідний струм.

Різкі тіні впливають на вихідну потужність сильніше, ніж тіні з нечіткими краями. Якщо на осередках не встановлені шунтуючі діоди, то різка тінь на одній клітинці зменшить вихідний струм всій панелі пропорційно затіненій площі (наприклад, 50% затінення тільки одного осередку знизять вихід всієї панелі на 50%). Осередок, що опинилася в тіні, споживає струм від сусідніх і перегрівається.

Шунтуючі діоди зменшують проблеми від затінення. Вони ізолюють потрапила в тінь осередок і зупиняють розвиток «гарячих точок». Однак кожна вилучена із загальної ланцюга осередок зменшує напругу всієї панелі. Оскільки через нагрівання вихідна напруга панелі знижується, то може виникнути ситуація, коли воно виявиться нижче рівня придатного для зарядки акумулятора. У цьому випадку вигода від шунтуючих діодів зникає.

Різких тіней, що падають на поверхню сонячної батареї на яхті або катері необхідно уникати

Навіть в сонячному кліматі, енергія, реально генерується панеллю протягом дня, рідко перевищує рівень 4-5 годин роботи при максимальній потужності. Часто це значення ще менше. Розрахунки краще засновувати на припущення, що денна вироблення електрики відповідає 3-4 годинах роботи батареї на номінальній потужності.

Такий спосіб зіставлення реальної енергії, що виробляється сонячною батареєю з максимальною називається піковими сонячним годинником - Peak Solar Hours (PSH). Існують веб-сайти, які розраховують PSH для різних частин світу і для різних періодів року. Однак майже всі вони припускають, що сонячні панелі встановлені під кутом до горизонту і на них не падає тінь. В цьому випадку PSH виходить значно завищеними. Оскільки реалістична оцінка PSH - 3, то число, що отримується від онлайн-калькулятора, необхідно зменшити мінімум на 30%.

6-ватна сонячна панель, яка працює 3 години на день, в 12-вольтової електричної системі зробить 18 Втч = 1,5 ампер-години електричної енергії в день. 30-ватна - 90 ват-годину або 7,5 ампер-годин на день (кількість ампер-годин на день при напрузі 12,0 вольт = номінальна потужність / 4). Якщо щоденне споживання електричної енергії відомо, наприклад, 60 ампер-годин при напрузі 12 вольт, то потужність сонячної панелі визначають помноживши ампер-години на 4 (60 Ач × 4 = 240 Вт)

Напруга сонячної батареї

Вихідна напруга і сила струму сонячної батареї щодо «сонячного півдня». Напруга падає при підвищенні температури в сонячний полудень і на початку дня. Сонячна батарея працює на номінальній потужності протягом невеликого проміжку часу. Вихідну потужність панелі можна збільшити, якщо регулювати її положення в перебігу дня

Щоб заряджати акумулятор, напруга сонячної батареї, як і будь-якого іншого зарядного пристрою , Має бути вище напруги акумулятора. Причому різниця повинна існувати навіть в тому випадку, коли напруга акумулятора виростає до 14,0 вольт.

12-вольта сонячна панель, що складається з 30 - 44 осередків, при розімкнутому ланцюзі забезпечує номінальну напругу від 18,0 до 26,0 вольт. На перший погляд цього достатньо для зарядки акумулятора. Насправді це не завжди так.

У «сонячний полудень» чорний кремній в сонячній батареї нагрівається. Якщо температура панелі перевищить 25 ° C, то її вихідна напруга зменшиться в порівнянні з номінальним - 1,0 вольт на кожні 12 ° - 15 ° C зростання температури. При температурі поверхні 50 ° C вихідна напруга панелі з 30 осередками впаде до 13,3 вольт. У панелі з 33 осередками до 14,8 вольт, а у панелі з 36 осередками - до 16,3 вольт.

Гнучкі сонячні панелі встановлені на даху катера. Модулі виготовлені на замовлення, тому точно вписалися в місце, вибране замовником

Швидкість заряду акумуляторів, підключених до сонячній батареї з 30 осередками буде постійно знижуватися, оскільки напруга на акумуляторах буде рости, і така панель не зарядить повністю акумулятор.

Сонячні батареї, укладені горизонтально, нагріваються сильніше - між їх задньою стороною і підставою на якому вони встановлені немає повітряного зазору. Щоб компенсувати підвищене падіння напруги, в них збільшують кількість осередків. У деяких моделях до 42 штук.

Під час установки в ланцюг панелі іноді додають блокуючий діод на додаток до шунтувальним диодам, описаним раніше. На блокирующем діод додатково падає близько 0,6 вольт. Через це 30-елементна панель з блокуючим діодом, особливо в жаркому кліматі, погано заряджає акумулятори. Ефективність панелі з 33 осередками також знижується у міру зростання напруги акумуляторної батареї.

У південному кліматі для зарядки акумуляторів в панелі має бути, як мінімум 30 осередків. 33-елементна сонячна батарея буде давати достатню напругу для зарядки, але запас на втрати (падіння напруги на діодах, в кабелях, з'єднаннях і поганий сонячне світло) у неї буде невеликою. Панель з 36 осередками впорається з зарядкою акумуляторів практично в будь-якій ситуації. У помірному кліматі панель з 33 осередками видає відповідне для зарядки акумуляторів напруга завжди, крім найспекотніших днів.

Для ефективної зарядки акумулятора в жаркому кліматі мінімальна напруга панелі (при стандартних умовах випробування), після вирахування падіння напруги на діодах має становити 16,0 - 17,0 В. В помірному кліматі - 15,0 до 16,0 вольт.

Регулятори напруги сонячних батарей

У міру заряду акумулятора саморегульована сонячна панель, що складається з 30 осередків зменшує вихідний струм. Якщо врахувати нагрів панелі в жаркому кліматі, падіння напруги в блокирующем діоді і на інших ділянках ланцюга, саморегулююча сонячна панель буде погано заряджати акумулятори незалежно від її номінальної потужності. Для ефективної зарядки потрібно більше осередків.

Але панель, яка підтримує напругу, відповідне для зарядки акумуляторів, повільно перезарядити їх, в той час, поки катер або яхта не використовуються. Критична точка виникає, якщо номінальна потужність панелі при напрузі 14,0 вольт перевищує 0,5% від ємності акумуляторної батареї (наприклад, панель з вихідним струмом 1 А, підключена до акумулятора ємністю 200 Ач).

Якщо потужність панелі вище, необхідно встановити регулятор напруги або відключати панель, коли човен залишається на стоянці. Через надзвичайну чутливість літій-іонних акумуляторів до перезарядці будь-яка сонячна панель, яка використовується з будь-літій-іонною батареєю, завжди повинна мати регулятор напруги.

Дешевий регулятор складається з простої ланцюга, що вимірює напругу, і реле. Коли напруга досягає заданого значення, реле спрацьовує і відключає сонячну батарею від акумуляторів. Інші регулятори перемикають вихід сонячних панелей на резистор (шунтирующий регулятор) або на навантаження, наприклад, водонагрівач (регулятор переадресації).

Більш складні регулятори напруги сонячних батарей мають багатоступінчасті програми зарядки акумуляторів і відстежують максимальну потужність (MPPT). Деякі моделі відключають акумулятор, як тільки в ланцюзі з'являється негативний струм і замінюють таким чином блокує діод. Для вирівнювання рідко-кислотних або AGM акумуляторів передбачається режим кондиціонування. Один із способів його активації - відключення регулятора і зарядка акумуляторної батареї при повній напрузі сонячної панелі.

Сонячні контролери MPPT

Регулятор з відстеженням точки максимальної потужності - це розширена версія шунтирующего регулятора з широтно-імпульсною модуляцією. MPPT контролер - це DC-DС конвертер. Він складається з інвертора, що перетворює постійну напругу сонячної панелі в високочастотне змінне. Трансформатора, що змінює цю напругу і випрямляча, що перетворює змінну напругу трансформатора назад в постійне.

Навіщо потрібно такий складний пристрій? Вихідна напруга сонячної панелі визначається типом акумуляторної батареї. Однак сонячна батарея працює з максимальною потужністю, коли її напруга істотно вище, ніж допустима напруга зарядки акумуляторів. Зниження оптимального вихідного напруги до безпечного для акумулятора рівня зменшує реальну потужність сонячної батареї на 25% в порівнянні з номінальною. Контролер MPPT робить вихідна напруга сонячної панелі незалежним від напруги акумулятора.

У складних MPPT регуляторах мікроконтролер контролює напругу акумулятора, рівень його заряду і вихідний струм сонячної панелі. На підставі цих даних регулятор встановлює вихідну напругу панелі, так, щоб її потужність була максимальною при цьому конкретному наборі умов. Для досягнення бажаного результату використовується ланцюг управління в перетворювачі постійного струму.

Установка сонячних батарей

Існує чотири типи морських сонячних батарей, що виготовляються спеціально для катерів і яхт:

• жорсткі скляні панелі з алюмінієвим каркасом
• напівгнучкі, тонкі панелі
• гнучкі ультратонкі панелі;
• дуже гнучкі, що згортаються аморфні панелі

Напівгнучкі сонячні панелі простіше встановити, вони не вимагають складних пристроїв для монтажу і набагато легше жорстких. Якщо панелі виготовляються під замовлення, то їх можна зробити практично будь-якого розміру і розмістити там, де це найзручніше

У жорстких монокристалічних і полікристалічних панелей найнижча вартість 1 вата вироблюваної потужності, і максимальна потужність для даної площі. Однак установка цих панелей обходиться найдорожче, так як доводиться використовувати жорстке кріплення, що захищає панелі від пошкодження. Жорсткі панелі працюють з максимальною потужністю коли вони встановлені на кронштейнах за кормою. Однак в цьому випадку сонячні батареї стають уразливими для хвиль і можуть бути пошкоджені при швартуванні. Ще одне гарне місце -верхня частина рульової рубки.

Напівгнучкі полікристалічні панелі встановлюють на верхню частину кабіни і інші вигнуті поверхнях. Аморфні силіконові панелі розташовують на будь-якій поверхні, а при необхідності згортають і прибирають для зберігання. У всіх випадках втрати на нагрів будуть менше, якщо під сонячною панеллю організований повітряний зазор.

Підключення сонячних батарей до акумулятора

З огляду на, що сонячні батареї сильно чутливі навіть до невеликих падінь напруги, при монтажі необхідно використовувати кабель і термінали морського якості. Контакти на панелі уразливі для корозії і їх необхідно повністю герметизувати. Над палубою не повинно бути ніяких додаткових з'єднань - один шматок кабелю прокладають до ущільнення в палубі. Якщо без з'єднань не обійтися їх виконують всередині човна.

Схема підключення декількох акумуляторів для зарядки від сонячних батарей. Використовується бістабільності реле Sterling Power . Звичайне реле споживає в замкнутому стані струм до 0,5 А і може звести нанівець роботу сонячних панелей. Бістабільності реле споживає струм тільки під час включення - 0,5 мА.

Токонесущей здатність кабелю отримують помноживши струм короткого замикання панелей на 1,25. Потім по таблиці підбирають перетин кабелю з урахуванням 3% падіння напруги.

Якщо панель підключають безпосередньо до акумулятора для підтримуючої зарядки, то як можна ближче до акумулятора встановлюють запобіжник. Без нього будь-яка несправність в проводці призведе до короткого замикання акумулятора і, можливо, пожежі.

Якщо частина панелі може потрапити в тінь, то замість однієї великої краще використовувати комплект з декількох сонячних батарей меншого розміру, розрахованих на теж напруга, але з'єднаних паралельно. В цьому випадку потрапила в тінь панель зменшить вихід, але не вплине на інші в ланцюзі. Затінення частини великий панелі знизить вихідну потужність всієї батареї.

Якщо на катері або яхті організована 24-вольта електрична система, то з'єднувати дві 12-вольт сонячні батареї послідовно неправильно. Затінення будь-якій області на будь-якій панелі вплине на обидві. Краще з'єднати їх паралельно, отримати на виході 12 вольт і використовувати DC-DC конвертер для підвищення напруги до 24 вольт. У цьому випадку одна панель може повністю опинитися в тіні, але це не вплине на другу.

кілька акумуляторів

Деякі системи роздільного заряджання використовують діодні ізолятори які зменшують напругу на 0,6 вольт. Якщо сонячна батарея використовується для зарядки декількох акумуляторів в системі з роздільною зарядкою, її необхідно встановити до розділових діодів. Падіння напруги на діодах в цьому випадку необхідно враховувати при розрахунку вихідної потужності панелі.

Для обслуговування декількох акумуляторних груп на яхтах встановлюють зарядні пристрої з двома або трьома виходами. Деякі моделі сонячних регуляторів напруги також мають кілька виходів, дозволяючи заряджати дві акумуляторні батареї без додаткових діодів або реле. Але такі пристрої мало поширені і коштують дорожче. пристрій розв'язки встановлене між акумуляторами, дозволяє заряджати кілька акумуляторних батарей одночасно без падіння напруги. Краще використовувати бістабільності реле, яке в замкнутому стані не споживає струм і не знижує зарядну здатність сонячних батарей.