Установка солнечных панелей на крыше дома (часть 1)
Я тут решил себе поставить на крышу солнечные панели, чтобы обеспечиват себя морковкой с огорода киловатами с крыши. Рассказываю подробно о том как это происходит.
1. Выбор панелей.
Есть разные типы панелей (моно, поли, тонкая пленка) и производители пытаются дифференцировать свою продукцию рекламой новых технологий. Однако, с точки зрения потребителя, это все не очень важно. Основной параметр на который стоит обращать внимание это номинальная мощность при стандартных условиях и площадь панели. Ну и ее стоимость. Ну и внешний вид - черные без полосок сейчас в моде. Исходя из номинальной мощности, доступной вам площади, и стоимости, вы можете расчитать сколько будет стоит киловат электричества. У каждой панели есть техническое описание (data sheet) которое дает технические характеристики панели.
Solaria
Panasonic
1.1 Номинальная мощность. Эта цифра важна для сравнения разных панелей, но не стоит заблуждаться что панели будут производить эту мощность. Эта цифра показывают сколько они выдают в стандартных лабораторных условиях, при определенной температуре (там ссылка на Standard Test Condition). Все панели тестируются в этих условиях, и исходя из этого показателя можно их сравнивать. Но в реальных условиях, выдаваемая мощность будет отличаться.
1.2 Температурные коэффициенты важны если вы живете в жарком климате. Чем ниже этот показатель, тем лучше. Этот показатель показывает на сколько падает мощность при повышении температуры.
1.3. Эффективность модуля - соотношении номинальной мощности и площади. Этот показатель важен если нужно максимизировать производство энергии с ограниченной площади.
1.4. Количество диодов. У дешевых панелей будет один, чем больше диодов тем лучше. Диоды уменьшают потери от тени и грязи. Панели состоят из отдельных ячеек, и в самых простых панелях все 60 ячеек соединены последовательно. Если одна ячейка не работает, или на нее попала тень, то вся панель будет выдавать пониженную мощность. Диоды позволяют разделить панель на несколько парралельных частей, и каждая часть работает незаависимо от других.
1.5. Размеры панели нужны для оценки того, сколько вы можете поставить на вашу крышу.
1.6. Некоторые производители дают гарантию что деградация не превысит определенный порог.
На самом деле, для большинства людей, все эти параметры не слишком важны. Самым оптимальным вариантом будет панель которая самая дешевая за номинальный ватт. Исключения могут быть там где ограниченная площадь и обязательно нужно достичь определенных показателей. Если есть ограничения по пространству, то может стоит выбрать панель с большей эффективностью. Если ограничений нет, то как правило самая дешевая подойдет
Я для себя выбрал:
14 штук Solaria PowerXT-355R-AC (355Вт), которые поставляются в комплекте с микроинвертерами, и стоят на сегодня в рознице около $529 за панель.
24 штуки Mission Solar MSE305SQ8T (305Вт), которые сегодня стоят около $209 за панель (к каждой панеле нужен микроинвертер, Enphase IQ7, который сегодня стоит $117). У инвертера эффективность 97% и гарантия 25 лет.
Почему две разные? Solaria более дорогая, но у нее выше эффективность (19.6% против 18.35% у Mission Solar). У меня на юг смотрит небольшая часть крыши с ограниченным пространством, и туда я ставлю более эффективные панели. Остальные панели идут на северную часть крыши. Хотя север это плохо, но у меня пологая крыша и вроде должны нормально работать с небольшими потерями по сравнению с югом (менее 20% по расчетам, посмотрим как выйдет на самом деле). У Solaria гарантия немного лучше - 25 лет гарантия что модуль будет работать, и деградация не превысит 14% за 25 лет. У Mission Solar гарантия 12 лет, и гарантия от деградации 20% за 25 лет.
2. Выбор архитектуры системы.
Есть три разных архитектуры - grid-tied (подключенный к сети), off-grid (без сетевого подключения), grid tied with backup (подключенный, с возможностью автономной работы).
2.1 Подключенный к сети (grid-tied) это самый распространенный (в США) и самый дешевый вариант. У него есть преимущества - простота подключения, отсутствие каких-либо ограничений для пользователя. Излишки энергии сбрасываются в сеть, недостаток энергии получают из сети. Недостаток - при отключении сети, инвертор отключается и солнечные панели не будут работать. Также, в некоторых местах (в России например) нет законодательной базы для подключения инвертора к сети, и легально это сделать нельзя.
2.2 Без подключения к сети (off-grid). Тут возникают многочисленные технические проблемы, решение которые требует либо принести в жертву комфорт потребителя, либо финансовых жертв. Во-первых, максимальная мощность будет ограничена мощностью инвертора (7 кВт например). Во-вторых, так как солнце светит не всегда, то надо иметь батарею, или резервный генератор. В-третьих, возникает проблема балансировки - потребляемая мощность должна всегда совпадать с поставляемой мощностью, иначе напряжение будет скакать. Если энергии от панелей больше чем потребление (и батареи заряжены), то эта энергия будет пропадать впустую. Устройства вроде Tesla Powerwall решают эти проблемы, но они пока еще довольно дорогие. Традиционные свинцовые батареи тоже можно использовать, но они занимают много места, и их срок службы не очень продолжителен. В итоге, off-grid сейчас самый дорогой, и требует значительных затрат и неудобств. Этот вариант подходит тем у кого нет возможности подключения к сети.
3.3 Последний вариант это подключение к сети, но при отключении сети можно продолжать использовать солнечные панели (как правило с ограничениями по мощности). Для этого нужен инвертор который поддерживает такой режим работы. Как правило нужна батарея (меньшей емкости чем для off-grid), хотя есть некоторые инверторы которые способны выдавать ограниченную мощность днем без батареи (пока солнце светит). Также, нужно физически разделить мощности на то что важно при отключении сети, и то без чего можно прожить (насос для полива газона например, или сушилка белья). Ну и нужна система для переключения между этими состояниями, и для балансировки мощности. В настоящее время много компаний работают над продвижением решений таких систем и пытаются решить эти проблемы. Будущее вероятно за ними.
Я выбрал этот третий вариант и заказал себе пару Tesla Powerwall за $5900 каждая, но уже полтора года жду в очереди на них. Если не дождусь, то компания Enphase обещает скоро выпустить IQ8 инвертор который сможет работать автономно без сети и без батареи.
4. Выбор типа инверетера
Небольшое лирическое отступление об особенности подключения солнечных панелей. Солнечные панели являются плоскими светочувствительными диодами. У солнечных панелей есть так называемая IV Curve (кривая тока и напряжения) которая определяет максимальную возможную мощность.Эта мощность зависит от нагрузки, при каждом уровне освещения есть нагрузка которая дает максимальную мощность (Maximum Power Point). У всех нормальных инверторов есть встроенный Maximum Power Point Tracker (MPPT) который определяет эту самую оптимальную нагрузку и снимает с солнечной панели максимальную возможную мощность.
Солнечные панели можно подключить параллельно, но при паралельном подключении складывается ток, и высокий ток потребует очень много очень толстых проводов. Поэтому их обычно подключаят последовательно, что позволят повысить напряжение а ток остается низким. Проблема в том что при последовательном подключении, затемнение одной панели приводит к падению мощности всей цепочки. Также, все панели немного разные (одни чуть мощнее, другие чуть менее мощные). При последовательном подключении все панели будут работать с мощностью наименее мощной панели.
Отсуда вытекают три разновидности инвертеров для солнечных панелей которые мы дальше будет рассматривать:
4.1. Центральный инвертер
Один инвертер, к нему подключены все панели. У дешевых есть вход для одной цепочки, у более дорогих входы для нескольких цепочек и отдельный MPPT для каждой цепочки. Таким образом, затемнение панели в одной цепочке не влияет на другие цепочки. Преимущество центрального инвертера- относительная дешевизна. Недостатки: затемнение одной панели влияет на всю цепочку. Невозможно получить информацию о работе индивидуальных солнечных панелей. Ну и выход из строя центрального инвертера выводит всю систему из строя.
Центральные инвертеры применяют там где небольшие по размерам панели, у всех одинаковая ориентация, и вероятность затемнения низкая.
4.2. Центральный с оптимизацией
Центральный инвертер, но к каждой панели прикреплен power optimizer (преобразователь прямого тока). MPPT осуществляется для каждой солнечной панели по отдельности. Преимущество: относительная дешевизна, доступна информация по каждой панели, затемнение одной панели не влияет на остальные. Недостатки: дороже чем просто центральный инвертер. Выход из строя центрального инвертера делает всю систему уязвимой. Есть ограничения по количеству панелей на каждой цепочке (минимум и максимум). Два преобразования (прямой/прямой, прямой/переменный) немного снижают эффективность.
Этот вариант самый распространненный в США сегодня.
4.3. Микро-инвертеры.
Другой вариант это микро-инвертеры на каждую солнечную панель. Это самый оптимальный вариант с точки зрения максимизации энергии. Однако, пока более дорогой. Преимущество: максимизация электричества, выход из строя одной панели/инвертера никак не влияет на остальные, возможность получать информацию по каждой панели отдельно, упрощают установку и подключение. Недостатки: цена, если вам нужен прямой ток, то тут его не будет, будет только переменный.
Я себе выбрал этот вариант. Цена в последнее время снизилась, и Enphase IQ7 продаются в розницу за $110 долларов. Это делает их более привлекательными, особенно в сочетании с экономией на установке. Этот сегмент сейчас растет.
Каждый микро-инвертер, размером с небольшую книгу, подключен к одной солнечной панели (иногда к двум). Микро-инвертер выдяет переменное напряжение 240 вольт, с током до 1 ампер.
Микро-инвертеры подключают последовательно в цепочку, размер которой зависит от максимального тока допустимого толщиной провода. В моем случает это 16 ампер, и максимальная цепочка 16 IQ7 инвертеров.
Максимальная мощность инвертера как правило меньше чем номинальная мощность солнечной панели (как правило 80% считается нормальным). Солченая панель почти никогда не выдает свою номинальную мощность, и инвертера с мощностью 80% хватает почти всегда. Потеря энергии тогда когда инвертера не хватает (clipping, стрижка) как правило не больше 1-2% от всей энергии, и не имеет смысла ради этих 1-2% тратить больше денег на инвертеры. Помимо этого, солнечные панели со временем деградируют (а инвертер нет), и через несколько лет clipping сокращается до нуля.
5. Установка системы
Продолжение следует ....
1. Выбор панелей.
Есть разные типы панелей (моно, поли, тонкая пленка) и производители пытаются дифференцировать свою продукцию рекламой новых технологий. Однако, с точки зрения потребителя, это все не очень важно. Основной параметр на который стоит обращать внимание это номинальная мощность при стандартных условиях и площадь панели. Ну и ее стоимость. Ну и внешний вид - черные без полосок сейчас в моде. Исходя из номинальной мощности, доступной вам площади, и стоимости, вы можете расчитать сколько будет стоит киловат электричества. У каждой панели есть техническое описание (data sheet) которое дает технические характеристики панели.
Solaria
Panasonic
1.1 Номинальная мощность. Эта цифра важна для сравнения разных панелей, но не стоит заблуждаться что панели будут производить эту мощность. Эта цифра показывают сколько они выдают в стандартных лабораторных условиях, при определенной температуре (там ссылка на Standard Test Condition). Все панели тестируются в этих условиях, и исходя из этого показателя можно их сравнивать. Но в реальных условиях, выдаваемая мощность будет отличаться.
1.2 Температурные коэффициенты важны если вы живете в жарком климате. Чем ниже этот показатель, тем лучше. Этот показатель показывает на сколько падает мощность при повышении температуры.
1.3. Эффективность модуля - соотношении номинальной мощности и площади. Этот показатель важен если нужно максимизировать производство энергии с ограниченной площади.
1.4. Количество диодов. У дешевых панелей будет один, чем больше диодов тем лучше. Диоды уменьшают потери от тени и грязи. Панели состоят из отдельных ячеек, и в самых простых панелях все 60 ячеек соединены последовательно. Если одна ячейка не работает, или на нее попала тень, то вся панель будет выдавать пониженную мощность. Диоды позволяют разделить панель на несколько парралельных частей, и каждая часть работает незаависимо от других.
1.5. Размеры панели нужны для оценки того, сколько вы можете поставить на вашу крышу.
1.6. Некоторые производители дают гарантию что деградация не превысит определенный порог.
На самом деле, для большинства людей, все эти параметры не слишком важны. Самым оптимальным вариантом будет панель которая самая дешевая за номинальный ватт. Исключения могут быть там где ограниченная площадь и обязательно нужно достичь определенных показателей. Если есть ограничения по пространству, то может стоит выбрать панель с большей эффективностью. Если ограничений нет, то как правило самая дешевая подойдет
Я для себя выбрал:
14 штук Solaria PowerXT-355R-AC (355Вт), которые поставляются в комплекте с микроинвертерами, и стоят на сегодня в рознице около $529 за панель.
24 штуки Mission Solar MSE305SQ8T (305Вт), которые сегодня стоят около $209 за панель (к каждой панеле нужен микроинвертер, Enphase IQ7, который сегодня стоит $117). У инвертера эффективность 97% и гарантия 25 лет.
Почему две разные? Solaria более дорогая, но у нее выше эффективность (19.6% против 18.35% у Mission Solar). У меня на юг смотрит небольшая часть крыши с ограниченным пространством, и туда я ставлю более эффективные панели. Остальные панели идут на северную часть крыши. Хотя север это плохо, но у меня пологая крыша и вроде должны нормально работать с небольшими потерями по сравнению с югом (менее 20% по расчетам, посмотрим как выйдет на самом деле). У Solaria гарантия немного лучше - 25 лет гарантия что модуль будет работать, и деградация не превысит 14% за 25 лет. У Mission Solar гарантия 12 лет, и гарантия от деградации 20% за 25 лет.
2. Выбор архитектуры системы.
Есть три разных архитектуры - grid-tied (подключенный к сети), off-grid (без сетевого подключения), grid tied with backup (подключенный, с возможностью автономной работы).
2.1 Подключенный к сети (grid-tied) это самый распространенный (в США) и самый дешевый вариант. У него есть преимущества - простота подключения, отсутствие каких-либо ограничений для пользователя. Излишки энергии сбрасываются в сеть, недостаток энергии получают из сети. Недостаток - при отключении сети, инвертор отключается и солнечные панели не будут работать. Также, в некоторых местах (в России например) нет законодательной базы для подключения инвертора к сети, и легально это сделать нельзя.
2.2 Без подключения к сети (off-grid). Тут возникают многочисленные технические проблемы, решение которые требует либо принести в жертву комфорт потребителя, либо финансовых жертв. Во-первых, максимальная мощность будет ограничена мощностью инвертора (7 кВт например). Во-вторых, так как солнце светит не всегда, то надо иметь батарею, или резервный генератор. В-третьих, возникает проблема балансировки - потребляемая мощность должна всегда совпадать с поставляемой мощностью, иначе напряжение будет скакать. Если энергии от панелей больше чем потребление (и батареи заряжены), то эта энергия будет пропадать впустую. Устройства вроде Tesla Powerwall решают эти проблемы, но они пока еще довольно дорогие. Традиционные свинцовые батареи тоже можно использовать, но они занимают много места, и их срок службы не очень продолжителен. В итоге, off-grid сейчас самый дорогой, и требует значительных затрат и неудобств. Этот вариант подходит тем у кого нет возможности подключения к сети.
3.3 Последний вариант это подключение к сети, но при отключении сети можно продолжать использовать солнечные панели (как правило с ограничениями по мощности). Для этого нужен инвертор который поддерживает такой режим работы. Как правило нужна батарея (меньшей емкости чем для off-grid), хотя есть некоторые инверторы которые способны выдавать ограниченную мощность днем без батареи (пока солнце светит). Также, нужно физически разделить мощности на то что важно при отключении сети, и то без чего можно прожить (насос для полива газона например, или сушилка белья). Ну и нужна система для переключения между этими состояниями, и для балансировки мощности. В настоящее время много компаний работают над продвижением решений таких систем и пытаются решить эти проблемы. Будущее вероятно за ними.
Я выбрал этот третий вариант и заказал себе пару Tesla Powerwall за $5900 каждая, но уже полтора года жду в очереди на них. Если не дождусь, то компания Enphase обещает скоро выпустить IQ8 инвертор который сможет работать автономно без сети и без батареи.
4. Выбор типа инверетера
Небольшое лирическое отступление об особенности подключения солнечных панелей. Солнечные панели являются плоскими светочувствительными диодами. У солнечных панелей есть так называемая IV Curve (кривая тока и напряжения) которая определяет максимальную возможную мощность.Эта мощность зависит от нагрузки, при каждом уровне освещения есть нагрузка которая дает максимальную мощность (Maximum Power Point). У всех нормальных инверторов есть встроенный Maximum Power Point Tracker (MPPT) который определяет эту самую оптимальную нагрузку и снимает с солнечной панели максимальную возможную мощность.
Солнечные панели можно подключить параллельно, но при паралельном подключении складывается ток, и высокий ток потребует очень много очень толстых проводов. Поэтому их обычно подключаят последовательно, что позволят повысить напряжение а ток остается низким. Проблема в том что при последовательном подключении, затемнение одной панели приводит к падению мощности всей цепочки. Также, все панели немного разные (одни чуть мощнее, другие чуть менее мощные). При последовательном подключении все панели будут работать с мощностью наименее мощной панели.
Отсуда вытекают три разновидности инвертеров для солнечных панелей которые мы дальше будет рассматривать:
4.1. Центральный инвертер
Один инвертер, к нему подключены все панели. У дешевых есть вход для одной цепочки, у более дорогих входы для нескольких цепочек и отдельный MPPT для каждой цепочки. Таким образом, затемнение панели в одной цепочке не влияет на другие цепочки. Преимущество центрального инвертера- относительная дешевизна. Недостатки: затемнение одной панели влияет на всю цепочку. Невозможно получить информацию о работе индивидуальных солнечных панелей. Ну и выход из строя центрального инвертера выводит всю систему из строя.
Центральные инвертеры применяют там где небольшие по размерам панели, у всех одинаковая ориентация, и вероятность затемнения низкая.
4.2. Центральный с оптимизацией
Центральный инвертер, но к каждой панели прикреплен power optimizer (преобразователь прямого тока). MPPT осуществляется для каждой солнечной панели по отдельности. Преимущество: относительная дешевизна, доступна информация по каждой панели, затемнение одной панели не влияет на остальные. Недостатки: дороже чем просто центральный инвертер. Выход из строя центрального инвертера делает всю систему уязвимой. Есть ограничения по количеству панелей на каждой цепочке (минимум и максимум). Два преобразования (прямой/прямой, прямой/переменный) немного снижают эффективность.
Этот вариант самый распространненный в США сегодня.
4.3. Микро-инвертеры.
Другой вариант это микро-инвертеры на каждую солнечную панель. Это самый оптимальный вариант с точки зрения максимизации энергии. Однако, пока более дорогой. Преимущество: максимизация электричества, выход из строя одной панели/инвертера никак не влияет на остальные, возможность получать информацию по каждой панели отдельно, упрощают установку и подключение. Недостатки: цена, если вам нужен прямой ток, то тут его не будет, будет только переменный.
Я себе выбрал этот вариант. Цена в последнее время снизилась, и Enphase IQ7 продаются в розницу за $110 долларов. Это делает их более привлекательными, особенно в сочетании с экономией на установке. Этот сегмент сейчас растет.
Каждый микро-инвертер, размером с небольшую книгу, подключен к одной солнечной панели (иногда к двум). Микро-инвертер выдяет переменное напряжение 240 вольт, с током до 1 ампер.
Микро-инвертеры подключают последовательно в цепочку, размер которой зависит от максимального тока допустимого толщиной провода. В моем случает это 16 ампер, и максимальная цепочка 16 IQ7 инвертеров.
Максимальная мощность инвертера как правило меньше чем номинальная мощность солнечной панели (как правило 80% считается нормальным). Солченая панель почти никогда не выдает свою номинальную мощность, и инвертера с мощностью 80% хватает почти всегда. Потеря энергии тогда когда инвертера не хватает (clipping, стрижка) как правило не больше 1-2% от всей энергии, и не имеет смысла ради этих 1-2% тратить больше денег на инвертеры. Помимо этого, солнечные панели со временем деградируют (а инвертер нет), и через несколько лет clipping сокращается до нуля.
5. Установка системы
Продолжение следует ....