С самого начала, когда проектировался жилой модуль встал вопрос, как в последствии будет использоваться крыша кемпера. Определиться нужно было для того, чтобы знать нужно ли закладывать на крышу усиленный каркас из более толстого профиля.

Внимательно поразмыслив я отказался от идеи возить там какой-либо груз, по той причине, что ни к чему излишне задирать центр тяжести, увеличивать сопротивление воздуху, да и доступ туда не очень то удобный, при условии, что автомобиль почти 2.5 метра высотой.

Но совершенно пустая крыша это как-то странно, а при условии, что энергопотребление нашего домика постепенно растёт, то совершенно логично было бы использовать пустующие поверхности под выработку электроэнергии посредством солнечных панелей.

Так я начал вникать в теорию солнечной энергетики применительно к своему автодому. По началу у меня было ощущение, что я забрел в темный и дремучий лес — настолько я запутался и в терминах и типах оборудования. Собственно, разобраться до конца я так и не сумел — пришлось обращаться к тем, кто в этом понимает.

Так я представляю вам нового партнера проекта #УАЗCargoCamperEdition – это MicroArt — разработчик и производитель с большим стажем.

Крыша у меня на самом деле довольно большая — ее общая площадь 4,875 м2 при размерах 2.5 метра на 1.95 метра. На всякий случай, я решил не занимать ее полностью и ограничиться площадью в задней части люк и по бокам от него.

Для начала разберемся с терминологией. Солнечные панели бывают разных типов:

1.Кремниевые. Батареи, в основе которых кремний, на сегодняшний день являются самыми популярными, в первую очередь из-за самой высокой эффективности. Они в свою очередь делятся на моно и поликристаллические.

• Монокристаллические

Данные панели представляют собой силиконовые ячейки, объединенные между собой. Для их изготовления используют максимально чистый кремний, который после затвердевания разрезают на тонкие пластины толщиной 250-300 мкм, которые уже пронизывают сеткой из металлических электродов. Используемая технология является довольно дорогостоящей, поэтому и себестоимость и как следствие конечная цена на монокристаллические батареи выше, чем поликристаллические или аморфные. Главным преимуществом их является самый высокий показатель КПД (порядка 17-22%).

• Поликристаллические

При изготовлении поликристаллических панелей кремниевый расплав подвергается медленному охлаждению. Такой способ менее энергозатратный и цена получается ниже монокристаллов, но у них более низкий КПД (12-18%).

2. Пленочные. Появление пленочных батарей обусловлено в первую очередь желанием снизить себестоимость производства солнечных батарей. Их также бывает несколько типов:

• На основе теллурида кадмия

Значение КПД таких панелей составляет всего около 11%, однако в пересчете на стоимость, получение ватта мощности от таких батарей обходится на 20-30% дешевле, чем у кремниевых, за счет своей более низкой цены.

• На основе меди-индия

Для производства этого типа панелей в качестве полупроводников используются медь, индий и селен. Пленочные солнечные батареи на основе селенида меди-индия имеют КПД равный 15-20%

• Полимерные

Разработали данный тип панелей началась относительно недавно. В качестве светопоглощающих материалов используются органические полупроводники. Толщина пленок составляет 100 нм. Полимерные солнечные батареи имеют на сегодняшний день КПД самый низкий КПД всего 5-6%. Но их при этом у них очень низкая стоимость производства и как следствие доступность, а также они очень легкие.

Аморфный. Есть еще один тип панелей, аморфный. По типу используемого материала аморфные батареи относятся к кремниевым, а по технологии технологии производства – к пленочным. Используемый материал тонким слоем (меньше 1 мкм) наносится на материал подложки. КПД таких батарей крайне не высокий всего 5-6%, однако они очень неплохо работают при пасмурной погоде, а также обладают повышенной гибкостью. Однако, есть еще один интересный эффект — через 2 года эксплуатации их производительность падает на 50-80% — это связано с химическими процессами пленки при воздействии на них солнечных лучей

В моем случае, так как площадь крыши автомобиля относительно невысока в сравнении с крышей обычного дома, то наиболее важным фактором будет являться производительность панелей и поэтому выбор останавливается на монокристаллических панелях.

Таким образом у меня будут установлены три панели размером: 1200х553х35, каждая по 100 Вт мощностью соответственно.

ФЭ Модуль Mоно-100-12В

Более подробно с техническими характеристиками можно ознакомиться из спецификации:

Мощность: 100 Вт±1Вт
Номинальное напряжение: 12 В
Напряжение в точке максимальной мощности — 19,04 В
Оптимальный рабочий ток 5,16 А
Напряжение холостого хода: 22,8 В
Ток короткого замыкания: около 5,55 А
Размеры: 1200×553×35 мм Вес: 8,3 кг
Параметры измерены при стандартных условиях (освещенности 1000 Вт/м2 и температуре 25 °С)

В свою очередь монокристаллические панели делятся на классы:

• Grade A. Это высший класс, самый высокий КПД, отсутствие сколов, трещин и царапин, которые приводят к снижению эффективности преобразования света в электроэнергию. Идеальный внешний вид, однородность кристаллов, цвета и т. п
• Grade B. Второй сорт, частичный брак и т.п. Эти элементы быстрее стареют и даже изначально производительность их меньше.
• Grade C. Это низкий сорт с самым невысоким КПД. К визуальным дефектам добавляются микротрещины, сколы отломанные кусочки элементов, и т. п.
• Grade D – самый низкий сорт, сплошная отбраковка, самый низкий КПД. Это поломанные элементы, иногда из них делают маломощные модули из обрезков, но в основном эта отбраковка поступает в переработку на новый кремний.

Таким образом, даже формально одного типа панели могут сильно отличаться по цене. Это стоит учитывать, если вдруг вы видите какое-то уж очень выгодное предложение на китайских торговых площадках.

Согласно рекомендациям солнечные панели нужно устанавливать с зазором от крыши в 5см. Это нужно для их охлаждения, так как при работе они довольно сильно нагреваются, а перегрев приводит к снижению их эффективности. В моем случае я думаю сделать каркас из алюминиевой рамы, на котором разместятся панели, а спереди бока закрыть небольшим козырьком, который защитит их от удара в торец. Сами же панели довольно стойкие к механическим воздействиям и как заявлено гарантировано выдерживают падение на них 800 граммового стального шара с высоты 1 метр.

Панели будут соединяться последовательно и далее, просуммировав три раза свои 12 вольт они в виде 36 вольт, через специальные разъемы по проводам сечением не менее 4мм попадут на контроллер солнечной энергии.

Итак, следующий и пожалуй наиболее важный элемент этой системы это солнечный контроллер

Говоря по простому — задача контроллера состоит в преобразовании солнечного света в энергию. Контроллеры бывают двух типов: MPPT и PWM.

Maximum Power Point Tracking (MPPT) — это автоматический поиск точки максимальной мощности солнечных панелей в реальном времени. Примитивные MPPT контроллеры появились на рынке ещё в конце 1980-х годов. Сейчас в продаже уже MPPT контроллеры с современной схемотехникой, надежными и долговечными электронными компонентами и с управлением микропроцессором. Технология MPPT представляет собой наиболее эффективную технологию современных контроллеров заряда. Однако MPPT солнечные контроллеры существенно дороже обычных PWM (ШИМ).
В солнечную погоду напряжение солнечной панели всегда выше напряжения на аккумуляторе, а в пасмурную — ниже. Использование МРРТ контроллера позволяет нам заведомо увеличить напряжение от солнечных панелей по сравнению с АКБ, соединив их последовательно. Тогда, даже в пасмурную погоду напряжение солнечных панелей будет всё ещё выше АКБ, а в солнечную – намного выше. Задачу преобразования меняющегося в широком диапазоне входного напряжения и тока, в подходящие для АКБ величины, и выполняет МРРТ контроллер.

PWM (ШИМ). Простые солнечные контроллеры (без технологии MPPT) подключают солнечные панели к аккумулятору практически напрямую, и поэтому напряжение их сравнивается. КПД использования солнечной энергии ниже на 20-30% по сравнению МРРТ.

Основные преимущества контролеров MPPT по сравнению с PWM (ШИМ) контроллерами:

• высокий КПД/эффективность;
• оптимальная работа при затенении части площади солнечных панелей;
• повышенная отдача при слабой освещенности и при облачной погоде;
• повышенная отдача при повышении температуры солнечного модуля (что ведет к снижению его мощности), и при отрицательных температурах воздуха (что, соответственно, ведёт к увеличению мощности);
• использование более высокого входного напряжения, позволяет уменьшить сечение кабелей;
• позволяет увеличить дистанцию от панелей до контроллера.

МРРТ контроллеры очень эффективны, КПД преобразования обычно 97 – 98 %.

В моей системе будет стоять солнечный контроллер КЭС 100/20 MPPT КЭС MPPT 100/20

Контроллер рассчитан для работы в фотоэлектрических системах малой мощности при токе заряда до 20 А и напряжении аккумуляторов 12 или 24В (со стороны солнечных панелей суммарное напряжение может быть до 100 В). Контроллер обеспечивает функцию слежения за точкой максимальной мощности солнечных панелей.

Ключевые преимущества:

• Высокое быстродействие, а следовательно эффективность выше до 10% (по сравнению с другими МРРТ контроллерами) и до 40% по сравнению с ШИМ (PWM) контроллерами.
• КПД 98% и отсутствие вентиляторов охлаждения
• Стальной корпус (надёжность и пожаробезопасность)
• Возможность работать на повышение напряжения солнечной панели, если её напряжение ниже напряжения АКБ. Такое возможно если пасмурно и панель всего одна (не получается соединить их последовательно для повышения напряжения).
• Контроллер не портится если отключить АКБ в процессе заряда от солнца.
• Допустимое напряжение на входе контроллера до 100 В
• Температурная компенсация и коррекция режимов заряда для продления срока службы аккумулятора
• Выход для подключения нагрузки или силового реле (электронное реле управления внешними устройствами).
• Возможность подключения литий-железо-фосфатных (LiFePO4) аккумуляторных батарей с BMS.
• Трёхстадийный заряд с буферным режимом Автоматическое подключение/отключение нагрузки при заряде/разряде АБ
• Тропическое исполнение: плата контроллера защищена влагонепроницаемым покрытием (лаком), что минимизирует вредное влияние повышенной влажности и насекомых.
• Возможность обновления встроенного программного обеспечения и быстрый сервис в России (отечественное производство) КЭС MPPT 100/20

Защита:

• Защита от неправильной полярности подключения СП
• Защита от короткого замыкания на входе СП
• Защита от короткого замыкания в нагрузке
• Защита от перегрева
• Отключение СП после достижения конечного напряжения заряда АКБ
• Отключение нагрузки при недопустимо низком напряжении на АКБ
• Защита от обрыва в цепи АКБ
• Предотвращение разряда АКБ через СП в ночное время
• Электронный предохранитель
• Защита от подключения к АКБ неправильной полярностью.

При монтаже контроллера рекомендуется размещать его как можно ближе к аккумуляторной батарее, чтобы длина проводов от него до клемм АКБ была минимальна. Также большим бонусом для меня является то, что можно использовать любые типы аккумуляторов, путем настройки контроллера. Сегодня у меня стоит простой щелочной АКБ, а завтра я возможно разорюсь на специализированную AGM батарею, простая перенастройка и контроллер выдает правильный тип заряда для этого типа батарей.

Ну и последний элемент этой системы это инвертор (МАП)

Инвертор МАП представляет собой многофункциональный преобразователь постоянного напряжения (инвертор напряжения) аккумуляторной батареи 12В в переменное напряжение 220В с частотой 50Гц, с функцией мощного заряда АКБ, и предназначен для питания различных потребителей электроэнергии (электроинструмент, бытовые электроприборы, радиоаппаратура и т.д.).

Инверторы бывают разные – с модифицированным синусом и с чистым синусом; сделанные по высокочастотной или по низкочастотной технологии; с возможностью заряда аккумуляторов и без встроенного зарядного устройства;

Модифицированный синус и чистый синус.

Инверторы с модифицированным синусом значительно дешевле инверторов с чистым синусом, а при условии, что есть нагрузки, которым не важна форма (электронные гаджеты, компьютеры, сотовые телефоны) питающего напряжения 220 В то данный тип инверторов вполне себе востребован.

Однако некоторые приборы (двигатели, насосы, светодиодные лампы, холодильники и СВЧ-печи) от модифицированного синуса, будут работать менее эффективно, т.е. эти приборы будут больше греться, сильнее гудеть и работать с меньшей мощностью. Бывают даже устройства, которые не смогут работать от модифицированного синуса, например отопительные котлы.

Высокочастотные и низкочастотные инверторы

Обычный автомобильный инвертор это как правило маломощный инвертор засчитанный для мало потребляющих устройств, таких как ноутбук, маленький пылесос, дрель небольшой мощности и другие.

Преимущество высокочастотных инверторов – это малый размер и вес (обычно от 1 до 5 килограммов), и низкая цена. Преобразование напряжения от аккумуляторов они производят на высокой частоте (обычно 20000 — 30000 Гц), поэтому требуется маленький трансформатор, маленькие конденсаторы. Но, как говорится, «у каждой медали, есть и оборотная сторона». Высокочастотные инверторы больше «фонят», излучают больше электромагнитных помех. У них редко встречается встроенное зарядное устройство, потому что в сети низкая частота, а низкочастотного трансформатора в них нет. В некоторых таких инверторах можно встретить зарядное устройство, однако его мощность обычно мала. Высокочастотные инверторы становятся ненадёжны, при больших мощностях нагрузки. Их стандартный модельный ряд находится в диапазоне мощностей 100 – 1500 Вт.

Низкочастотные инверторы

В низкочастотных инверторах используется, низкая частота (50 Гц) преобразования энергии от аккумуляторов. Эта частота соответствует частоте промышленной сети, в которой тоже 50 Гц. На такой частоте работают относительно большие и тяжёлые трансформаторы. Подобный трансформатор как бы является промежуточным буфером между электроникой инвертора и нагрузкой, что увеличивает надёжность устройства. Конструктивной особенностью низкочастотного инвертора является огромный трансформатор, занимающий почти половину корпуса прибора.

Главным недостатком низкочастотных инверторов является большой вес и высокая цена. Из плюсов есть возможность работать «в обратную сторону». То есть возможность подсоединить провод от стационарной сети 220в обеспечить быстрый и мощный заряд автомобильного АКБ при необходимости.

Пусковая мощность

Существует понятие пусковой мощности. Для некоторых электроприборов, например электрообогревателей, пусковая мощность не отличается от номинальной рабочей мощности. При их включении нет скачка тока и они сразу начинают потреблять ровно свои заявленные цифры. Есть устройства, у которых пусковая мощность не значительно превышает рабочую, это например электроинструмент. А есть такие, у которых пуск в разы превышает рабочую мощность. Это, например, бытовые холодильники (превышение в 10 раз), кондиционеры, глубинные насосы, асинхронные двигатели, компрессоры, СВЧ-печи и др.

Итак, в мою систему добавляется инвертор с чистым (не модифицированным) синусом с максимальной мощностью в 2 кВт и пиковой пусковой в 3 кВт. При необходимости, через него можно будет подсоединить мой кемпер к бытовой сети в 220в, чтобы быстро зарядить полностью высаженные АКБ при долгой стоянке или наоборот интенсивной эксплуатации внутренних потребителей. Не факт, что такая потребность у меня будет, но тем не менее функция эта полезная. Также появляется возможность подключения мощных электроприборов, таких как болгарка, сварочный аппарат и тому подобные. А еще можно запитать электрический тен, для нагрева водяного бака, тот что идет на раковину.

Вот собственно и все, что хотелось сказать в этот раз. Компоненты и их классификация подробно озвучены, в следующий раз покажу как всё это будет подключено и продемонстрирую как это функционирует.