System fotowoltaiczny off-grid do użytku domowego składa się z modułu fotowoltaicznego, wspornika, kontrolera, falownika słonecznego, akumulatora oraz systemu rozdziału energii. Projekt elektryczny systemu powinien uwzględniać dobór i obliczenia modułów, falowników (kontrolerów) oraz akumulatorów. Przed zaprojektowaniem systemu należy przeprowadzić niezbędne przygotowania, ponieważ system off-grid jest dostosowywany indywidualnie, bez jednolitego planu. Dlatego najpierw należy poznać typ i moc obciążenia użytkownika, zużycie energii w ciągu dnia i wieczorem oraz warunki klimatyczne miejsca instalacji. Zasilanie systemu fotowoltaicznego off-grid zależy od pogody, która nie jest w 100% niezawodna.
System solarny off-grid musi być wyposażony w akumulator, który stanowi od 30% do 50% kosztów systemu generacji energii. Z kolei ogólna żywotność akumulatora kwasowo-ołowiowego wynosi od 3 do 5 lat. Po upływie tego okresu konieczna jest wymiana. Z ekonomicznego punktu widzenia akumulatory trudno znaleźć szerokie zastosowanie na dużą skalę i są one stosowane głównie w miejscach z niedoborem zasilania.
System off-grid różni się od systemu podłączonego do sieci. Komponenty i falowniki nie są konfigurowane w określonych proporcjach, lecz projektowane zgodnie z obciążeniem użytkownika, zużyciem energii i lokalnymi warunkami pogodowymi:
1. Potwierdzenie mocy falownika off-grid zgodnie z typem i mocą obciążenia użytkownika
Zazwyczaj obciążenie domowe można podzielić na obciążenie indukcyjne i rezystancyjne. Obciążenie z silnikiem, takie jak pralka, klimatyzator, lodówka, pompa wodna i wentylator wyciągowy, to obciążenie indukcyjne. Moc rozruchowa silnika jest trzy- do pięciokrotnie większa niż moc znamionowa. Przy obliczaniu mocy falownika należy uwzględnić moc rozruchową obciążenia. Moc wyjściowa falownika off-grid jest wyższa niż moc obciążenia. Jednak dla rodzin o niskich dochodach nie jest możliwe uruchomienie wszystkich obciążeń jednocześnie. Dlatego, aby zaoszczędzić koszty, sumę mocy obciążeń można pomnożyć przez współczynnik od 0,7 do 0,9. Poniżej znajduje się lista mocy urządzeń elektrycznych do użytku domowego, która służy jako odniesienie przy projektowaniu.
2. Określenie mocy modułu zgodnie z dziennym zużyciem energii użytkownika
Dostępna energia elektryczna dla systemu off-grid = całkowita moc modułów * średnia liczba godzin nasłonecznienia * sprawność kontrolera * sprawność akumulatora. Z zasady moduł powinien być zaprojektowany tak, aby zaspokoić dzienne zużycie energii przez obciążenie przy przeciętnych warunkach pogodowych. Innymi słowy, dzienna produkcja energii modułu fotowoltaicznego powinna być większa niż dzienne zużycie energii przez obciążenie. Ponieważ warunki pogodowe mogą być niższe lub wyższe od średnich, projekt modułu powinien zasadniczo zaspokajać potrzeby sezonu o najsłabszym nasłonecznieniu. Oznacza to, że akumulator powinien być w pełni naładowany w sezonie o najsłabszym nasłonecznieniu. Jednak w niektórych miejscach najsłabsze nasłonecznienie sezonowe jest znacznie niższe od rocznej średniej. Jeśli moc modułu fotowoltaicznego jest projektowana według najgorszych warunków, roczna produkcja energii może znacznie przekroczyć rzeczywiste zapotrzebowanie, co powoduje duże marnotrawstwo. W takim przypadku pojemność akumulatora powinna być odpowiednio zwiększona, aby powiększyć magazyn energii elektrycznej i zapewnić, że akumulator będzie pracował przy płytkim rozładowaniu, co pozwoli zrekompensować niedobór produkcji energii w sezonie o najsłabszym nasłonecznieniu i zapobiegnie uszkodzeniu ogniw akumulatora. Energia wyprodukowana przez moduł nie może być w pełni przekształcona w energię użytkową, ponieważ należy uwzględnić sprawność kontrolera, straty w urządzeniu oraz straty w akumulatorze.
Kąt instalacji modułu powinien uwzględniać położenie geograficzne użytkownika, aby spełnić jego wymagania latem i zimą. Moduł fotowoltaiczny zwykle jest skierowany na południe, aby zmaksymalizować produkcję energii jednostkowej. Najbardziej optymalny kąt nachylenia to taki, który maksymalizuje roczną produkcję energii modułu, jednocześnie minimalizując różnicę produkcji między zimą a latem.
Zużycie energii przez obciążenia takie jak żarówka, wentylator elektryczny czy suszarka do włosów jest równe mocy pomnożonej przez czas pracy. W przypadku obciążeń takich jak klimatyzator i lodówka, zużycie energii klimatyzatora jest ściśle związane z różnicą temperatur między wnętrzem a zewnętrzem, powierzchnią mieszkania oraz efektywnością energetyczną klimatyzatora. Klimatyzator 1P, używany przez osiem godzin w nocy, zużywa od 1 do 5 kilowatogodzin energii.
3. Potwierdzenie pojemności akumulatora zgodnie z nocnym zużyciem energii użytkownika lub oczekiwanym czasem pracy w trybie czuwania
Rolą akumulatora jest zapewnienie normalnego zasilania obciążenia systemu, gdy promieniowanie słoneczne jest niewystarczające. Ważne obciążenia powinny zapewnić prawidłowe funkcjonowanie systemu przez kilka dni, uwzględniając liczbę kolejnych dni pochmurnych i deszczowych. W przypadku ogólnych obciążeń, takich jak solarne lampy uliczne, pojemność akumulatora powinna być dobrana na podstawie doświadczenia lub potrzeb na okres dwóch do trzech dni. Dla rodzin o niskich dochodach cena jest głównym czynnikiem. Akumulator nie jest potrzebny w dni pochmurne i deszczowe, a używany jest, gdy jest dużo światła słonecznego. Gdy światła jest niewystarczająco lub go brak, akumulator nie jest używany. Przy wyborze obciążenia należy wybierać urządzenia energooszczędne, takie jak oświetlenie LED i klimatyzatory z regulacją częstotliwości. Projektant akumulatora uwzględnia projekt pojemności akumulatora oraz konfigurację połączeń szeregowo-równoległych ogniw akumulatora. W systemie fotowoltaicznym często stosuje się akumulatory kwasowo-ołowiowe. Biorąc pod uwagę żywotność baterii, głębokość rozładowania zwykle ustawia się na 0,5 do 0,7. Projektowana pojemność akumulatora = (średnie dzienne zużycie energii przez obciążenie * liczba kolejnych dni pochmurnych i deszczowych) / głębokość rozładowania akumulatora.
4. Projekt systemu 4000 watów do użytku domowego
Zapotrzebowanie klienta na energię: oświetlenie (200W, 6 godzin dziennie), lodówka (50W, 24 godziny na dobę), klimatyzator z regulacją częstotliwości (1hp, 12 godzin dziennie), telewizor (50W, 10 godzin dziennie). Inne urządzenia domowe używane przez nieregularny czas, w tym pralka, komputer stacjonarny, elektryczny garnek, wentylator itp.
(1) Podsumowanie całkowitej mocy obciążenia
Oświetlenie to 200W, lodówka 50W, klimatyzator 750W, telewizor 50W, pralka 300W, komputer stacjonarny 200W, elektryczny garnek 1200W i wentylator 100W. Razem daje to 2850W. Dlatego wybrano falownik solarny off-grid o mocy 4000W.
(2) Podsumowanie dziennego zużycia energii
Oświetlenie zużywa 1,2 kWh, lodówka 1 kWh, klimatyzator 2 kWh, telewizor 0,5 kWh, pralka 1 kWh, komputer stacjonarny 0,5 kWh, elektryczny garnek 1 kWh, wentylator 0,5 kWh. Razem daje to 7,7 kWh. W rzeczywistości średnie dzienne zużycie energii wynosi około 6 do 10 kWh. W niektórych rejonach warunki nasłonecznienia są korzystne i trwają około 4,5 godziny dziennie. Do projektu przyjęto 9 modułów o mocy 280W, których łączna moc wynosi 2,52 kW i mogą wygenerować 11,34 kWh. Sprawność systemu off-grid jest niska, około 0,8, a dostępna średnia dzienna energia do wykorzystania to 9 kWh. Zazwyczaj zaspokaja to ponad 99% zapotrzebowania na energię.
(3) Obliczenia akumulatora
Urządzenia domowe są używane głównie wieczorem, pozostawiając tylko 20% zużycia w ciągu dnia. Aby wydłużyć żywotność akumulatora, jego pojemność można odpowiednio zwiększyć, ponieważ dzienna głębokość rozładowania jest niska. W tym projekcie zastosowano cztery sekcje akumulatorów kwasowo-ołowiowych 12V 250AH typu żelowego, o łącznej pojemności 12 000 VAH. Dostępna ilość energii elektrycznej wynosi około 8,4 kWh, a średnie nocne zużycie energii to 6 kWh. Głębokość rozładowania wynosi około 50%.
