System fotowoltaiczny off-grid do użytku domowego składa się z modułu fotowoltaicznego, wspornika, kontrolera, inwertera słonecznego, akumulatora oraz systemu rozdziału energii. Projekt elektryczny systemu powinien uwzględniać dobór i obliczenia modułów, inwerterów (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 czasu 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 inwertery nie są konfigurowane w określonych proporcjach, lecz projektowane zgodnie z obciążeniem użytkownika, zużyciem energii i lokalnymi warunkami pogodowymi:
1. Potwierdzenie mocy inwertera 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 inwertera należy uwzględnić moc rozruchową obciążenia. Moc wyjściowa inwertera off-grid jest wyższa niż moc obciążenia. Jednak dla rodzin o niskich dochodach niemożliwe jest 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 na podstawie dziennego zużycia energii przez 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 gorsze lub lepsze od średnich, projekt modułu powinien zasadniczo spełniać 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 zostanie zaprojektowana według najgorszych warunków, roczna produkcja energii może znacznie przekroczyć rzeczywiste zapotrzebowanie, co prowadzi do dużych strat. W takim przypadku pojemność akumulatora powinna zostać 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 generowana przez moduł nie może być w pełni przekształcona w energię użytkową, ponieważ należy uwzględnić sprawność kontrolera, straty maszynowe i straty akumulatora.
Kąt instalacji modułu powinien uwzględniać położenie geograficzne użytkownika, aby spełnić jego wymagania latem i zimą. Kąt nachylenia paneli słonecznych zwykle skierowany jest na południe, aby zmaksymalizować produkcję energii przez jednostkę mocy modułu. Najbardziej optymalny kąt nachylenia to taki, który maksymalizuje roczną produkcję energii i minimalizuje różnicę produkcji między zimą a latem.
Zużycie energii przez obciążenia takie jak żarówka, wentylator elektryczny czy suszarka do włosów to moc pomnożona 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 na podstawie nocnego zużycia energii przez użytkownika lub oczekiwanego czasu pracy w trybie czuwania
Rolą akumulatora jest zapewnienie normalnego zasilania obciążenia systemu, gdy promieniowanie słoneczne jest niewystarczające. Ważne obciążenia powinny umożliwiać normalne funkcjonowanie systemu przez kilka dni, uwzględniając liczbę kolejnych pochmurnych i deszczowych dni. W przypadku ogólnych obciążeń, takich jak solarne lampy uliczne, pojemność akumulatora powinna być dobrana na podstawie doświadczenia lub potrzeb na 2-3 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 brakuje, akumulator nie jest wykorzystywany. Przy wyborze obciążeń 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 systemach fotowoltaicznych 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 pochmurnych i deszczowych dni) / głębokość rozładowania akumulatora.
4. Plan projektowy systemu 4000 watów do użytku domowego
Zapewniane zapotrzebowanie na energię klienta: 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 nieregularnie, 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 4000W inwerter solarny off-grid.
(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 dzienne zużycie energii waha się średnio od 6 do 10 kWh. W niektórych rejonach warunki nasłonecznienia są korzystne i trwają około 4,5 godziny dziennie. Do projektu zastosowano 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 12V 250AH akumulatora kwasowo-ołowiowego żelowego, o łącznej pojemności 12 000 VAH. Użytkowalna ilość energii to około 8,4 kWh, a średnie nocne zużycie energii wynosi 6 kWh. Głębokość rozładowania wynosi około 50%.
