Obecnie wciąż istnieje wiele osób mieszkających na obszarach ubogich lub odległych, które są daleko od elektrowni i publicznych sieci energetycznych. Z powodu braku prądu lub jego niedoboru nie mogą korzystać z informacji i wygód, jakie niesie ze sobą nowoczesna cywilizacja. System solarny off-grid to niezależny, samowystarczalny system zasilania energią odnawialną, który może zaspokoić ich podstawowe potrzeby energetyczne.
Typowy system fotowoltaiczny off-grid składa się z sześciu części, w tym paneli słonecznych, uchwytu, kontrolera ładowania solarnego, inwertera off-grid, akumulatorów oraz rozdzielnicy. Ogniwa słoneczne są połączone z kontrolerem ładowania solarnego, który wytwarza energię najpierw na potrzeby codziennego użytkowania, a nadmiar energii jest magazynowany w akumulatorach do wykorzystania w nocy oraz podczas pochmurnych i deszczowych dni. Gdy energia w akumulatorach się wyczerpie, większość inwerterów może obsługiwać zasilanie z sieci (lub generatora diesla) jako dodatkowe źródło energii dla odbiorników.
Projektowanie systemu solarnego off-grid różni się od systemu solarnego podłączonego do sieci. W pierwszym przypadku należy uwzględnić wiele czynników, takich jak obciążenie, dzienne zużycie energii elektrycznej oraz lokalne warunki klimatyczne, aby wybrać różne plany projektowe zgodnie z rzeczywistymi potrzebami klienta. Dlatego system fotowoltaiczny off-grid jest stosunkowo bardziej skomplikowany.
Poznaj moc swojego obciążenia
Aby zapewnić niezawodność systemu PV off-grid, konieczne jest dokładne zbadanie zapotrzebowania klienta na energię elektryczną. Oznacza to, że należy określić, ile mocy potrzebujesz, w tym moc wszystkich urządzeń, czas ich pracy oraz dzienne zużycie energii (czyli ile kilowatogodzin zużywasz łącznie). Na podstawie tych danych opiera się projekt systemu solarnego off-grid, w tym dobór inwertera solarnego, obliczenie mocy paneli słonecznych oraz pojemności akumulatorów.
Dobór inwertera solarnego
Moc inwertera solarnego powinna być nie mniejsza niż łączna moc obciążenia. Jednak biorąc pod uwagę żywotność i możliwość późniejszej rozbudowy inwertera, należy zostawić pewien margines bezpieczeństwa, zwykle od 1,2 do 1,5 razy większy niż moc obciążenia.
Dodatkowo, jeśli obciążenie obejmuje wrażliwe urządzenia, takie jak lodówka, klimatyzator, pompa wodna czy wentylator wyciągowy z silnikiem elektrycznym (moc rozruchowa silnika elektrycznego jest 3 do 5 razy większa od jego mocy znamionowej), należy uwzględnić moc rozruchową tych urządzeń. Innymi słowy, moc rozruchowa obciążenia powinna być mniejsza niż maksymalna moc szczytowa inwertera.
Poniżej znajduje się wzór na dobór mocy inwertera solarnego, który służy jedynie jako odniesienie przy projektowaniu.
Moc inwertera = (Moc obciążenia * Współczynnik marginesu) / Współczynnik mocy inwertera
Obliczenie mocy paneli słonecznych
Moc generowana przez moduły paneli słonecznych w ciągu dnia jest częściowo wykorzystywana przez obciążenie, a pozostała część służy do ładowania akumulatorów. Gdy zapada noc lub gdy promieniowanie słoneczne jest niewystarczające, energia zgromadzona w akumulatorach jest wykorzystywana do zasilania obciążenia. Można więc stwierdzić, że cała energia zużywana przez obciążenie pochodzi z energii wytworzonej przez moduły fotowoltaiczne w ciągu dnia, gdy nie ma zasilania z sieci lub gdy silnik diesla pełni rolę dodatkowego źródła energii. Biorąc pod uwagę różnice w natężeniu światła w różnych porach roku i regionach, pojemność paneli słonecznych powinna być zaprojektowana tak, aby sprostać wymaganiom nawet w najgorszym sezonie pod względem nasłonecznienia, co zapewni niezawodną pracę systemu solarnego. Poniżej znajduje się wzór na obliczenie mocy paneli słonecznych:
Moc paneli słonecznych = (Dzienne zużycie energii przez obciążenie * Współczynnik marginesu) / (Godziny szczytowego nasłonecznienia w najgorszym miesiącu * Sprawność systemu)
Obliczenie pojemności akumulatorów
Akumulatory w systemie solarnym off-grid służą głównie do magazynowania energii i zapewnienia normalnej pracy obciążenia, gdy promieniowanie słoneczne jest niewystarczające. W przypadku systemów fotowoltaicznych off-grid dla ważnego sprzętu, projekt pojemności akumulatorów powinien uwzględniać liczbę najdłuższych lokalnych dni pochmurnych i deszczowych. Zwykły system off-grid nie ma tak wysokich wymagań dotyczących zasilania obciążenia, a ze względu na koszty systemu można pominąć liczbę dni pochmurnych i deszczowych, dostosowując zużycie energii do rzeczywistego natężenia światła.
Dodatkowo większość systemów PV off-grid wykorzystuje akumulatory kwasowo-ołowiowe, których głębokość rozładowania zwykle wynosi od 0,5 do 0,7. Pojemność akumulatorów można obliczyć według następującego wzoru:
Pojemność akumulatorów = (Dzienne zużycie energii × Liczba kolejnych dni deszczowych i pochmurnych) / Głębokość rozładowania akumulatorów
Dobór kontrolera ładowania solarnego
Kontroler ładowania solarnego to urządzenie zarządzające ładowaniem i rozładowaniem energii z paneli słonecznych do akumulatorów. Dwa kluczowe czynniki przy wyborze odpowiedniego kontrolera to napięcie znamionowe i natężenie prądu. Napięcie znamionowe kontrolera powinno odpowiadać napięciu roboczemu akumulatorów w systemie solarnym. Natomiast natężenie prądu można w przybliżeniu obliczyć, dzieląc moc paneli słonecznych przez napięcie akumulatorów, z dodatkowym marginesem bezpieczeństwa 25%.
Dodatkowo na rynku dostępne są dwa typy kontrolerów ładowania solarnego: PWM i MPPT. Zazwyczaj kontrolery PWM są tańsze niż MPPT i bardziej odpowiednie dla małych systemów solarnych z inwerterem. Jednak kontrolery MPPT są bardziej opłacalne ze względu na swoje unikalne zalety. Wybór powinien być dokonany na podstawie konkretnego planu projektowego.
Typowy plan projektowy dla systemu solarnego off-grid o mocy 10kVA
Tło projektu: Zaprojektowanie systemu solarnego off-grid dla szkoły, aby zaspokoić jej codzienne zużycie energii.
1. Badanie zapotrzebowania na energię elektryczną
Na wczesnym etapie planowania należy przeprowadzić badanie zapotrzebowania klienta. Informacje o zużyciu energii przez obciążenie powinny być dokładne. Poniżej więcej szczegółów:
2. Wybór inwertera solarnego
Obciążenie klienta obejmuje głównie oświetlenie sal lekcyjnych, wentylatory w klasach, oświetlenie miejsc publicznych, oświetlenie ścienne, system nagłośnienia itp. Łączna moc obciążenia wynosi 6,84 kW, a moc inwertera solarnego powinna wynosić co najmniej 9,8 kVA. Zgodnie z tymi wymaganiami można wybrać inwerter solarny 10kVA z kontrolerem ładowania MPPT, który pełni funkcję inwertera i kontrolera ładowania w jednym urządzeniu.
3. Obliczenie mocy paneli słonecznych
Z badania zapotrzebowania klienta wynika, że średnie dzienne zużycie energii w szkole wynosi około 61,5 kWh. Lokalnie warunki nasłonecznienia są korzystne, a dzienna długość nasłonecznienia wynosi 4,23 godziny. Panele słoneczne zaprojektowano z zapasem 1,1 raza. W tym projekcie zastosowano 88 modułów polikrystalicznych o mocy 270W każdy, co daje łączną moc 23,76 kW i średnią dzienną produkcję energii 100,5 kWh. Sprawność systemu wynosi około 0,8, więc dzienne zużycie energii wynosi 80 kWh.
4. Obliczenie pojemności akumulatorów
Oświetlenie szkoły działa zwykle w nocy. Biorąc pod uwagę żywotność akumulatorów, pojemność powinna być odpowiednio zwiększona, a czas podtrzymania zasilania wynosi dwa dni, zgodnie z wymaganiami klienta. Głębokość rozładowania akumulatorów ustawiono na 0,7. W projekcie zastosowano 110 ogniw żelowych 1000AH/2V połączonych szeregowo, o łącznej pojemności około 220 000 VAH, co daje użyteczną ilość energii około 154 kWh, co spełnia wymagania dotyczące dwudniowego czasu podtrzymania zasilania.
