El sistema de generación de energía fotovoltaica fuera de la red para uso doméstico consta del módulo fotovoltaico, soporte, controlador, inversor solar, acumulador y sistema de distribución de energía. El diseño del plan eléctrico del sistema debe considerar la selección y cálculo de módulos, inversores (controladores) y acumuladores. Antes del diseño del plan, se deben hacer los preparativos necesarios, ya que el sistema fuera de la red es personalizado y no sigue un plan unificado. Por lo tanto, primero se debe conocer el tipo y potencia de la carga del usuario, el consumo eléctrico durante el día y la noche, y las condiciones climáticas del lugar de instalación. El suministro eléctrico del sistema fotovoltaico fuera de la red depende del clima, que no es 100% confiable.
El sistema solar fuera de la red debe estar equipado con un acumulador, que representa entre el 30% y el 50% del costo del sistema de generación de energía. Mientras tanto, la vida útil general del acumulador de plomo-ácido varía entre 3 y 5 años. Tras el fin de su vida útil, es necesario reemplazarlo. Desde un punto de vista económico, el acumulador difícilmente encuentra aplicaciones a gran escala y solo es aplicable en lugares con escasez de suministro eléctrico.
El sistema fuera de la red es diferente del sistema conectado a la red. Los componentes y los inversores no se configuran en una proporción fija, sino que se diseñan según la carga del usuario, el consumo eléctrico y las condiciones climáticas locales:
1. Confirmar la potencia del inversor fuera de la red según el tipo y potencia de la carga del usuario
Generalmente, la carga para uso doméstico se puede dividir en carga inductiva y carga resistiva. La carga con motor, como la lavadora, aire acondicionado, refrigerador, bomba de agua y ventilador de extracción de humo, es carga inductiva. La potencia de arranque del motor es de tres a cinco veces la potencia nominal. Al calcular la potencia del inversor, es necesario considerar la potencia de arranque de la carga. La potencia de salida del inversor fuera de la red es mayor que la potencia de la carga. Sin embargo, para familias con recursos limitados, es imposible arrancar todas las cargas al mismo tiempo. Por lo tanto, para ahorrar costos, la suma de la potencia de la carga puede multiplicarse por un coeficiente que varía entre 0.7 y 0.9. A continuación, se presenta una lista de la potencia de los dispositivos eléctricos para uso doméstico, que sirve como referencia para el diseño.
2. Identificar la potencia del módulo según el consumo diario de electricidad del usuario
Electricidad disponible para el sistema fuera de la red = Potencia total de los módulos * Horas promedio de consumo solar * Eficiencia del controlador * Eficiencia del acumulador. En principio, el módulo debe diseñarse para satisfacer el consumo diario de electricidad de la carga bajo condiciones climáticas generales. En otras palabras, la generación diaria del módulo solar debe ser mayor que el consumo diario de la carga. Dado que las condiciones climáticas pueden ser inferiores o superiores al promedio, el diseño del módulo solar debe satisfacer básicamente la necesidad de la temporada con menor iluminación. Es decir, se debe asegurar que el acumulador esté completamente cargado en la temporada con menor iluminación. Sin embargo, la iluminación más baja de algunas zonas es mucho menor que el promedio anual. Si la potencia del módulo solar se diseña según las condiciones más desfavorables, la generación anual podría superar ampliamente la demanda real, causando un gran desperdicio. En este caso, la capacidad diseñada del acumulador debe aumentarse adecuadamente para ampliar el almacenamiento de energía eléctrica y asegurar que el acumulador esté en un estado de descarga superficial, lo que puede compensar la escasez de generación en la temporada con menor iluminación y evitar daños en las celdas del acumulador. La energía generada por el módulo no puede convertirse completamente en energía útil, ya que también se deben considerar la eficiencia del controlador, las pérdidas del equipo y las pérdidas del acumulador.
El ángulo de instalación del módulo debe considerar la ubicación geográfica del usuario para satisfacer sus necesidades en verano e invierno. El ángulo del panel solar generalmente se orienta hacia el sur para maximizar la energía generada por unidad de capacidad. El ángulo de inclinación ideal es aquel que maximiza la generación anual de energía solar y minimiza la diferencia de generación entre invierno y verano.
El consumo eléctrico de cargas como bombillas, ventiladores eléctricos y secadores de cabello es igual a la potencia multiplicada por el tiempo. En cuanto a cargas como el aire acondicionado y el refrigerador, el consumo del aire acondicionado está estrechamente relacionado con la diferencia de temperatura entre el interior y el exterior, el área de la vivienda y la eficiencia energética del aire acondicionado. Un aire acondicionado de 1 HP, si se usa ocho horas por la noche, consume entre 1 y 5 kilovatios hora.
3. Confirmar la capacidad del acumulador según el uso nocturno de energía del usuario o el tiempo de espera esperado
La función del acumulador es asegurar el uso normal de energía de la carga del sistema cuando la radiación solar es insuficiente. La carga importante debe garantizar que el sistema funcione normalmente durante varios días, considerando el número de días consecutivos nublados y lluviosos. Para cargas generales, como las lámparas solares para calles, la capacidad del acumulador debe seleccionarse para cubrir de dos a tres días según la experiencia o necesidad. Para familias con recursos limitados, el precio es una consideración principal. El acumulador no se usa en días lluviosos y nublados, sino cuando hay suficiente luz solar. Cuando la luz solar es insuficiente o no hay sol, el acumulador no se utiliza. Al elegir la carga, se deben seleccionar equipos de bajo consumo, como luces LED y aires acondicionados de frecuencia variable. El diseño del acumulador incluye la capacidad del acumulador y la combinación en serie-paralelo de las celdas del acumulador. En el sistema de generación fotovoltaica, se usa comúnmente el acumulador de plomo-ácido. Considerando la vida útil de la batería, la profundidad de descarga generalmente se establece entre 0.5 y 0.7. Capacidad diseñada del acumulador = (Consumo eléctrico diario promedio de la carga * Número de días consecutivos nublados y lluviosos) / Profundidad de descarga del acumulador.
4. Plan de diseño para un sistema de 4000 vatios para uso doméstico
Demanda de uso eléctrico del cliente: Iluminación (200W, 6 horas al día), Refrigerador (50W, 24 horas al día), Aire acondicionado de frecuencia variable (1 hp, 12 horas al día), Televisión (50W, 10 horas al día). Otros electrodomésticos usados por tiempo variable, incluyendo lavadora, computadora de escritorio, cocina eléctrica, ventilador eléctrico, etc.
(1) Estadísticas de la potencia total de la carga
La iluminación es de 200W, el refrigerador 50W, el aire acondicionado 750W, la televisión 50W, la lavadora 300W, la computadora de escritorio 200W, la cocina eléctrica 1200W y el ventilador eléctrico 100W. En total, suman 2,850W. Por lo tanto, se selecciona el inversor solar fuera de la red de 4000W.
(2) Estadísticas del consumo diario de electricidad
La iluminación consume 1.2 kWh, el refrigerador 1 kWh, el aire acondicionado 2 kWh, la televisión 0.5 kWh, la lavadora 1 kWh, la computadora de escritorio 0.5 kWh, la cocina eléctrica 1 kWh, el ventilador eléctrico 0.5 kWh. En total, suman 7.7 kWh. De hecho, el consumo diario promedio está entre 6 y 10 kWh. En algunas áreas, las condiciones de iluminación son favorables, con una duración de 4.5 horas diarias. Se adoptan 9 módulos de 280W para el diseño, con un consumo total de 2.52 kW, que pueden generar 11.34 kWh. La eficiencia del sistema fuera de la red es baja, alrededor de 0.8, y la potencia diaria promedio disponible para uso es de 9 kWh. Esto puede satisfacer generalmente más del 99% de las demandas eléctricas.
(3) Cálculo del acumulador
Los dispositivos eléctricos para uso doméstico se usan mayormente por la noche, dejando solo un 20% para el día. Para aumentar la vida útil del acumulador, se puede aumentar adecuadamente su capacidad, ya que la profundidad de descarga diaria es baja. Este proyecto utiliza cuatro secciones de acumuladores de plomo-ácido coloidal de 12V 250AH, con una capacidad total de 12,000 VAH. La cantidad utilizable de electricidad es alrededor de 8.4 kWh, y el consumo promedio nocturno es de 6 kWh. La profundidad de descarga es aproximadamente del 50%.
