Как работает солнечная электростанция: путь энергии от панели до розетки
Солнечная электростанция устроена проще, чем кажется: панели превращают свет в постоянный ток, инвертор делает из него переменный ток 230 В — такой же, как в розетке, — и отдаёт его в домашний щит. Дальше электричество идёт туда, где его потребляют в эту секунду: сначала в приборы дома, остаток — в аккумулятор или во внешнюю сеть. Если панели дают меньше, чем нужно дому, недостающее само добирается из сети. Владелец ничего не переключает: баланс держит инвертор.
Ниже — та же цепочка по звеньям, с цифрами для станции из двенадцати панелей по 450 Вт в Москве.
Панель: свет превращается в постоянный ток
Панель собрана из кремниевых ячеек. Свет выбивает в кремнии электроны, а внутреннее поле ячейки гонит их в одну сторону — получается постоянный ток. Одна ячейка даёт всего около 0,5–0,7 В, поэтому в панели их соединяют последовательно, по 108–144 половинки, и на выводах получается несколько десятков вольт. Движущихся частей нет, шуметь и изнашиваться нечему — отсюда долгий срок службы.
У панели два свойства, которые полезно запомнить. Ток почти прямо пропорционален количеству света: вдвое меньше солнца — вдвое меньше ток. Напряжение от освещённости зависит слабо, зато зависит от температуры: на морозе оно выше, в жару ниже. Обе цифры и условия, при которых их измеряют, есть в паспорте — как их понимать, разобрано в статье о характеристиках панели.
Панели соединяют последовательно в цепочку — стринг. Напряжения при этом складываются: двенадцать панелей с рабочим напряжением около 33 В дают примерно 400 В постоянного тока. Это серьёзное напряжение, поэтому от крыши до инвертора идёт специальный солнечный кабель с двойной изоляцией, а соединения делают герметичными коннекторами MC4. Постоянный ток коварнее переменного: дуга при плохом контакте не гаснет сама, и именно поэтому на этой стороне не экономят на обжиме и защите.
Инвертор: из постоянного тока в переменный
В домашней сети ток переменный: 230 В, 50 Гц, то есть направление меняется пятьдесят раз в секунду. Панели дают ток одного направления. Инвертор — электронный преобразователь, который «нарезает» постоянное напряжение транзисторными ключами и собирает из него синусоиду, точно совпадающую с сетевой по частоте и фазе.
Кроме преобразования, у инвертора ещё три работы:
- Поиск точки максимальной мощности (MPPT). Панель может отдать большой ток при низком напряжении или высокое напряжение при малом токе, а мощность — это их произведение. Инвертор постоянно подбирает сочетание, при котором произведение максимально, и подстраивается под каждое облако.
- Защита. Он следит за напряжением и частотой сети, за изоляцией цепи панелей и отключается, если что-то вышло за допуски.
- Учёт. Все киловатт-часы записываются, и владелец видит выработку и потребление в приложении.
На преобразовании теряется немного: КПД современных инверторов — около 97–98 %, точная цифра есть в паспорте. Сетевой инвертор умеет работать только вместе с сетью. Гибридный дополнительно управляет аккумулятором и имеет отдельный выход для резервного питания.
Щит: куда течёт электричество
Инвертор подключают к домашнему щиту через отдельный автомат — так же, как подключали бы мощный прибор, только энергия идёт в обратную сторону. Никакого «распределителя» между солнцем и сетью нет. Инвертор держит напряжение на своём выходе чуть выше сетевого, и приборы дома берут ток прежде всего у него — по той же причине, по которой вода течёт из бака, стоящего выше. Сеть добавляет то, чего не хватило.
| Ситуация | Баланс мощности | Что происходит |
|---|---|---|
| Ясный полдень, дома никого | панели дают 4 кВт, дом берёт 0,5 кВт | 3,5 кВт излишков идут в батарею, в сеть или не вырабатываются вовсе — зависит от схемы и настроек |
| Утро, работают чайник и бойлер | панели дают 1,5 кВт, дом берёт 3,5 кВт | 2 кВт добирается из сети, счётчик считает только их |
| Вечер и ночь | панели дают 0 | дом питается от сети или от батареи, заряженной днём |
| Сеть отключили, инвертор сетевой | — | станция останавливается, электричества в доме нет |
| Сеть отключили, инвертор гибридный с батареей | панели и батарея вместе | выбранные линии дома переходят на резервный выход инвертора |
С излишками есть три варианта. Отдать в сеть и получать за них деньги — для этого оформляют микрогенерацию, порядок описан в статье о продаже излишков. Запасти в аккумуляторе на вечер. Или включить ограничение отдачи: инвертор по датчику на вводе видит, что энергия пошла наружу, и снижает мощность панелей. Панелям это не вредит — они просто работают не в точке максимума.
Киловатт и киловатт-час: мощность и энергия
Киловатт — это скорость, с которой энергия вырабатывается или тратится в данный момент. Киловатт-час — количество энергии: один киловатт в течение часа. Чайник на 2 кВт за три минуты израсходует 2 × 3 ÷ 60 = 0,1 кВт·ч. В квитанции вы платите за киловатт-часы, а в описании станции указана мощность в киловаттах.
Двенадцать панелей по 450 Вт — это 12 × 450 = 5 400 Вт, станция на 5,4 кВт. Цифра означает мощность в стандартных лабораторных условиях. На крыше столько бывает редко: солнце стоит под углом, панель греется, часть энергии теряется в кабеле и инверторе. Поэтому для расчётов пользуются удельной выработкой — сколько киловатт-часов за год даёт один киловатт панелей в конкретном городе с учётом реальной погоды и потерь. Для Москвы это 973 кВт·ч на киловатт (данные PVGIS, потери системы 14 %, оптимальный наклон 41° на юг).
Наша станция: 5,4 × 973 ≈ 5 254 кВт·ч в год. По месяцам выработка распределена очень неравномерно:
| Месяц | С 1 кВт панелей, кВт·ч | Станция 5,4 кВт, кВт·ч |
|---|---|---|
| Январь | 31,5 | 170 |
| Февраль | 54,6 | 295 |
| Март | 88,3 | 477 |
| Апрель | 110,8 | 598 |
| Май | 130,1 | 703 |
| Июнь | 131,1 | 708 |
| Июль | 128,2 | 692 |
| Август | 120,6 | 651 |
| Сентябрь | 85,9 | 464 |
| Октябрь | 49,6 | 268 |
| Ноябрь | 22,8 | 123 |
| Декабрь | 19,1 | 103 |
С мая по август станция даёт около 2 750 кВт·ч — больше половины годовой выработки, а за ноябрь, декабрь и январь вместе — меньше 400. Это главное, что нужно понимать про солнечную энергию в средней полосе: она летняя. Цифры для других городов считает калькулятор выработки.
Ночью и в пасмурную погоду
Ночью панели не дают ничего, и запасать энергию сами не умеют. Дом с сетевой станцией ночью живёт от сети, как и раньше. В гибридной схеме вечером и ночью работает аккумулятор: днём он принял излишки, после заката отдаёт их в дом, а когда разрядится до заданного порога, инвертор незаметно для жильцов переходит на сеть.
В пасмурный день панели работают на рассеянном свете. При плотной облачности мощность падает примерно до 10–20 % от ясного дня, при тонкой высокой дымке потери намного меньше. В годовой цифре 973 кВт·ч все такие дни уже учтены: она получена из многолетних наблюдений за реальной погодой, а не из расчёта «всегда ясно».
Что происходит при отключении сети
Сетевой инвертор при пропаже сети обязан отключиться почти мгновенно. Это не недоработка, а требование безопасности: иначе станция подала бы напряжение в линию, на которой в этот момент могут работать электромонтёры. Поэтому станция без аккумулятора резервом не является, даже если на улице ясный полдень.
Гибридный инвертор в этой ситуации отсоединяется от внешней сети и продолжает питать линии, заведённые на его резервный выход, — от батареи и панелей. Время переключения указано в паспорте и обычно достаточно мало, чтобы котёл и компьютер не выключились. Ограничений два: мощность инвертора, особенно в момент пуска насосов и компрессоров, и ёмкость батареи. Какая схема нужна под какую задачу, разобрано в статье о выборе между сетевой, гибридной и автономной станцией.
Частые вопросы
Можно ли подключить панели к приборам напрямую, без инвертора?
К обычным приборам на 230 В — нет: у панели постоянный ток и напряжение, которое меняется вместе с погодой. Напрямую, через контроллер заряда, панели работают только на аккумулятор и нагрузку постоянного тока — так устроены системы для автодомов и небольших автономных объектов.
Что будет, если излишки некуда девать?
Ничего плохого. Инвертор уводит панели из точки максимальной мощности, и они вырабатывают ровно столько, сколько потребляет дом. Невыработанная энергия просто не появляется — панели от этого не греются сильнее и не стареют быстрее.
Нужен ли аккумулятор, чтобы станция работала?
Нет. Сетевая станция работает без батареи: роль «буфера» играет сеть. Аккумулятор нужен в двух случаях — если требуется резерв при отключениях или если днём дома почти ничего не потребляется и выработку хочется перенести на вечер.
Как прикинуть, сколько панелей нужно дому?
Возьмите годовое потребление из квитанций и разделите на удельную выработку своего города. Дом в Москве, который тратит 5 000 кВт·ч в год: 5 000 ÷ 973 ≈ 5,1 кВт, то есть 11–12 панелей по 450 Вт. Это первая прикидка; точнее получится, если учесть, в какие месяцы и в какое время суток дом потребляет.