Использование солнечных панелей в качестве датчика освещенности

22/09/2021 20:02:57

Недавно, повинуясь общемировому тренду, я решил приобщиться к альтернативной энергетике. А если говорить точнее, к солнечной энергетике. Для этих целей я приобрел две 100-ваттные солнечные панели и ультра-дешевый китайский grid-tie инвертор, который предназначен для передачи полученной от солнца энергии в электрическую сеть дома. Экономическая составляющая этого мероприятия меня волновала далеко не в первую очередь. Я понимал, что в обозримом будущем эти затраты вряд ли окупятся, даже учитывая относительную дешевизну комплектующих. В большей степени мне было интересно разобраться в особенностях технологии, понять, как все это работает на практике. Для тестирования я выбрал гибкие монокристаллические панели с ETFE покрытием, как более универсальные в применении, и при помощи различных подручных материалов разместил их на крыше собственного дома, не проделывая в ней при этом никакие отверстия. Я нашел такое место, чтобы тестовый стенд не был виден ни с каких точек улицы или участка и не портил внешний вид кровли. Правда в таком случае выходило, что одна панель обращена на юго-запад, а другая - на северо-восток. Не было никаких шансов, что солнечное излучение будет попадать на батареи под нужным углом, а я смогу снять близкую к максимальной мощность. Но зато это даст возможность проверить, как установка будет работать в не оптимальных условиях.

Тестовый стенд с двумя ETFE панелями на крыше

Чтобы сделать все необходимые измерения и накопить статистику, я использовал контроллер MegaD-2561. Между grid-tie инвертором и домашней сетью я поставил недорогой счетчик DDS238-1 ZN с интерфейсом RS485 (можно, разумеется, использовать любой) и подключил его к контроллеру. Это дало возможность фиксировать как общее количество сгенерированной из альтернативного источника энергии за все время, так и текущее значение передаваемой мощности. А чтобы видеть напряжение, которое выдают панели, я использовал высокоточный измеритель INA226 с интерфейсом I2C, который также поддерживается контроллером. Так как две соединенные последовательно панели в режиме холостого хода могут выдавать напряжение до 40В, я подключил INA226 (макс. 36В) через простейший делитель напряжения в виде переменного резистора номиналом 100К, настроив его таким образом, чтобы напряжение на выходе делилось ровно пополам.

Комплект контроля работы мини-СЭС с интерфейсом Ethernet: MegaD-2561 + INA226 + счетчик RS485

Уже в первые дни я получил массу новой для меня информации. Главный результат - это работает. Но есть множество интересных аспектов, о которых я возможно даже напишу отдельную заметку. Если среди пользователей есть эксперты в области солнечной генерации и энергетики, просьба откликнуться. Есть пара теоретических и практических вопросов. Ну а если очень коротко, то максимальная мощность, которую зафиксировал счетчик уже на выходе инвертора, составила 103 Вт. Это учитывая все потери в проводах и инверторе и тот факт, что панели были установлены только в середине сентября и расположены далеко не самым оптимальным образом. Летом максимальные значения должны быть повыше. В пасмурный осенний день солнечные батареи могли выдавать 30-45 Вт. И даже в довольно сильный дождь установка умудрялась генерировать до 10 Вт электричества.

Еще на этапе установки мне пришла в голову мысль использовать панели не совсем по прямому назначению. В системах домашней автоматизации часто применяются датчики освещенности. Полученные от подобных сенсоров данные используются как для управления наружным освещением и различными подсветками, так и для реализации различных алгоритмов внутри дома. Но дело в том, что даже вполне современные датчики типа MAX44009 недостаточно хорошо различают поздние сумерки. А если датчик заключен в какой-нибудь полупрозрачный корпус, то диапазон измерений в условиях низкой освещенности значительно сужается. И говоря о модных нынче вещах типа экономии электроэнергии, сокращении эмиссии CO2 и снижении углеродного следа конкретного домохозяйства, хотелось бы, чтобы подсветка придомовой территории включалась при наступлении настоящей темноты, а выключалась с первыми петухами. К примеру, в моем случае теплый ламповый свет натриевой SON-H обходится мне приблизительно в 0,22кВт в час. И лишние 10-15 минут, полученные от оптимизации - уже забота о полярных медведях. Можно, конечно, совсем не включать освещение, но это, пожалуй, другая крайность.

Отображение напряжения солнечных батарей в Web-интерфейсе MegaD-2561

В отличие от популярных специализированных датчиков (MAX44009, OPT3001, VEML7700, BH1750 и т.д.) солнечные панели нельзя использовать в качестве измерительных приборов. В рабочем режиме инвертор с функцией MPPT (Maximum Power Point Tracking) старается удержать напряжение батарей в оптимальном для извлечения энергии диапазоне в течение всего светового дня. Для моей тестовой установки - это 30-32В. Но в сумерках напряжение, вырабатываемое панелями, самым непосредственным образом зависит от уровня освещенности. Поскольку площадь панелей большая, чувствительность, селективность и стабильность СЭС, работающей в качестве датчика освещенности в темное время суток, чрезвычайно высокие. Пасмурным утром, 19 сентября 2021 года, используя измеритель INA226, я получил следующие результаты. Датчик MAX44009 был установлен непосредственно рядом с панелями и подключен к тому же контроллеру.

По вертикальной оси - вольты для с солнечных панелей и люксы для датчика освещенности MAX44009. В исследуемый период времени шкалы совпадали. Период опроса - 1 минута. На графике наглядно видно, что солнечные панели зафиксировали рассвет почти на 20 минут раньше! Если перевести полученные данные в экономическую плоскость, то в моем случае применение солнечных панелей в качестве своеобразного датчика освещенности, для фиксации наступления темноты или рассвета, позволит экономить порядка 50-60кВт*ч в год. Вроде бы немного. Но таким нехитрым способом даже самая скромная солнечная установка будет приносить пользу не только днем, но и в темное время суток, а здоровье полярных медведей возможно будет ухудшаться не так стремительно. Я вывел графики за разные дни. Утренние и вечерние. И картина оказалась идентичной. Единственный вопрос, который меня теперь беспокоит: не будут ли панели реагировать на свет полной луны в ясную ночь. Очень возможно, что будут. Но пока не было практической возможности это проверить. Как проверю, обязательно напишу.

Применение контроллера MegaD-2561 не ограничивается только отслеживанием параметров генерации. Моя тестовая установка довольно маленькая, и она вряд ли будет полностью покрывать потребление даже в периоды максимальной отдачи. Но в других ситуациях генерация способна превышать потребление. И тогда, чтобы предотвратить экспорт электроэнергии в сеть, систему домашней автоматизации и контроллер MegaD-2561 можно использовать для коммутации инвертора на наиболее нагруженную фазу или для переключения солнечной электростанции на зарядку батарей. Конечно, существуют специализированные решения в этой области. И чаще всего дорогостоящие. Но если в доме установлена система автоматизации на универсальных контроллерах, почему бы не использовать их возможности...

Update (от 13.05.2023)

Не проработав и 2-х лет в конце марта 2023 года ультрадешевый китайский grid-tie инвертер GMI-350W вышел из строя с отключением автомата защиты. Причем произошло это в пасмурный и дождливый день, когда выработки практически не было. С чем связана поломка, не ясно. Вскрытие показало, что сгорели два из четырех MOSFET-транзисторов со сороны переменного напряжения 230В, а также предохранитель 3.15А. Примечательно, что китайцы продают к данному инвертеру ремокомплекты. Набор из 4-х транзисторов, предохранителя и 4-х диодов с доставкой обошелся в 400 руб. Кстати, в устройстве были применены фирменные тразисторы IPA60R125P6 от Infineon, а прислали какие-то китайские аналоги. Транзисторы заменил все, а диоды оставил родные - оказались рабочими. Инвертор ожил. Посмотрим, сколько он протянет на новых тразисторах и будет ли в принципе окупать затраты на подобные ремонты. Очевидно, что "зеленая" энергетика имеет свои особенности.

Update (от 22.05.2024)

Еще спустя год, в мае 2024, моя солнечная нано-станция стала барахлить, а затем и вовсе отказалась генерировать электроэнергию. Экспресс-тест показал, что одна из двух панелей не выдавала напряжение. Визуально она была как новая. Никаких видимых повреждений. Однако я сразу обратил внимание, что при минимальном изгибе в определенную сторону (а напомню, что панели гибкие), напряжение на короткое время появлялось. Значит, где-то обрыв проводника. Это удивительно, ведь панели были прикручены к жесткому основанию и не подвергались деформации. Примерно за 20 минут я установил вероятное место обрыва. И снова удивился тому обстоятельству, что в данной области не было абсолютно никаких следов, которые бы хоть как-то указывали на причину возникновения проблемы. Расковыряв внешний защитный слой, а он на удивление прочный и толстый, я добрался до проводника. И да, он был надломлен в месте соединения двух ячеек. Подозреваю, что это какой-то заводской брак. Я припаял сверху перемычку, которую залил толстым слоем цианокрилатом с активатором, а сверху замазал силиконовым герметиком. На какое-то время хватит.

Заплатка на месте обрыва проводника

Ну и продолжаем экспериментировать с альтернативной энергетикой...

Update (от 17.08.2024)

Всего спустя пару месяцев ситуация повторилась. Одна из двух панелей перестала работать. И снова та же проблема - обрыв проводника. Причем на той же панели, которуя я ранее уже ремонтировал. Но совершенно в другом месте. Теперь на этой панели две заплатки. Возможно все это указывает на какую-то системную проблему с данным типом панелей. И снова никаких визуальных признаков повреждения в месте внутреннего обрыва. Наблюдаем дальше.

Update (от 17.04.2025)

Снова отказала "проблемная" панель. Почти наверняка снова обрыв. Принял решение приобрести на ее замену новую. Любопытно, что панели той же мощности, которые продаются в 2025 году по площади меньше (старые 105 х 53 см, а в продаже сейчас 95,5 х 53). Еще из интересного. По сравнению с 2021 годом солнечные панели данного типа подешевели в 2 раза. Ну и в моем случае получается, что панели не столько деградируют, сколько повреждаются механически. Возможно это проблема именно гибких панелей. Посмотрим, как будет работать новая.

Update (от 08.05.2026)

Отказала вторая панель, купленная в 2021 году. Все тоже самое. Обрыв проводника. Теперь очевидно, что это системная проблема гибких панелей. Их жесткости недостаточно. Проводники внутри пластика испытывают постоянные нагрузки, связанные с тем, что при температурных перепадах происходит микроскопическое изменение геометрии панели. В конечном итоге повторящиеся циклы расширения/сжатия приводят к обрыву проводников. Возможно жесткие панели не имеют этой проблемы и следовало бы предпочесть их. Неисправную панель я пока заметил другой гибкой панелью, аналогичной той, что я ставил взамен первой год назад. Кстати, новые панели и визуально выглядят иначе. Пластик другой. Посмотрим, на сколько их хватит.

 

Автор: Andrey_B
Любое использование материалов сайта возможно только с разрешения автора и с обязательным указанием источника.

---

Добавить комментарий:

Имя

Е-mail(необязательно, не отображается на сайте)

Комментарий

---

Сортировка комментариев: Последние сверху | Первые сверху

2021-09-28 21:44:07 | Andrey_B
ScoobyDoo, а вот и посмотрим.
По поводу снега - тоже есть вопросы. А насчет пыли - вряд ли. Дожди и прочие осадки, которых у нас в избытке, пыль смывают хорошо.

2021-09-28 20:39:51 | ScoobyDoo
А как же будет работать ваш датчик из панелей под слоем снега и льда? Да и пыли будет больше на нём оседать, чем на специализированных датчиках.

2021-09-28 18:00:33 | Андрей
>>Хочется добиться того, чтобы автоматизированный дом не наносил вреда экологии больше, чем неавтоматизированный.
Если опустить загрязнение от самого производства солнечных батарей и комплектующих то наступит и вправду райская благодать для всех медведей, не только белых.
А за статью спасибо!

2021-09-22 22:49:12 | Andrey_B
Ruslan, пока такой мысли не было. В сущности большого смысла питать автоматику, когда все остальное обесточено, вроде бы нет. Да и простейший ИБП с этим справится отлично. Солнечная генерация интересна, прежде всего, снижением потребления электроэнергии от сети, тем более в рамках действия дневного тарифа. И мне было бы приятно осознавать, что альтернативные источники перекрывают потребление хотя бы всех умных устройств: контроллеров, коммутаторов, серверов, точек доступа. Хочется добиться того, чтобы автоматизированный дом не наносил вреда экологии больше, чем неавтоматизированный. В идеале он должен потреблять ресурсов меньше за счет применения различных современных технологий. Глубинный смысл я вижу в этом. ;)

2021-09-22 21:23:31 | Ruslan
Спасибо за очередную интересную статью!
Знаю, некоторые излишки "альтернативной" энергии расходуют на подогрев воды. Соответственно, на этот процесс тратится меньше традиционных энергоносителей.

Но спрошу про другое. Не было мысли организовать с помощью солнечных батарей бесперебойное питание контроллеров, сервера? Понимаю, что получаемой мощности для таких нужд может оказаться недостаточно, да и без встраивания в систему аккумулятора и оборудования для управления всем этим хозяйством вряд ли обойтись, но все же...