Сьогодні ми представимо конструкцію автономної сонячної фотоелектричної системи потужністю 5 кВт для невеликого рибного господарства, включаючи конфігурацію та деякі методи розрахунку крок за кроком.
Існують деякі базові дані, які потрібно уточнити для підготовки проєкту сонячної енергетичної системи.
- По-перше, слід визначити напругу та фазу користувача: це може бути однофазна змінна напруга 110В, 120В, 220В, 230В або 240В, або трифазна змінна напруга 380В, 440В, 480В тощо. Це визначає вихідні характеристики сонячного інвертора.
- По-друге, потрібно підтвердити тип навантаження — індуктивне чи резистивне, оскільки тип навантаження впливає на потужність інвертора під навантаженням та форму вихідної напруги.
- По-третє, слід визначити час роботи при повному навантаженні, тобто середнє добове споживання електроенергії. У випадку мережевої фотоелектричної станції без накопичувачів енергії потрібна лише розумна потужність фотоелектричного модуля. У випадку автономної сонячної фотоелектричної системи слід розрахувати ємність акумулятора, враховуючи запас енергії системи на випадок відсутності сонячної генерації під час тривалих похмурих і дощових днів.
Проєкт автономної сонячної системи потужністю 5000 Вт
Розглянемо проєкт автономної сонячної системи для невеликого рибного господарства біля озера як приклад. Через велику відстань до електромережі будівництво лінії електропередачі є дорогим, а втрати потужності та падіння напруги на проводах значними. Крім того, через тайфуни стабільність електропостачання не гарантується, а часті аварійні відключення впливають на виробництво та побут. Тому застосовується автономний сонячний інвертор. Інтенсивність сонячного випромінювання вдень висока, і електроенергія від сонячної системи безпосередньо подається на вихід інвертора для живлення електроприладів. Одночасно акумулятори заряджаються і вночі через інвертор забезпечують живлення пристроїв.
1. Огляд потреби в електроенергії
Ось деякі базові дані для ознайомлення. Напруга в побуті — змінна 220В 50Гц, а найбільш поширені прилади включають:
Десять насосів для аерації рибних ставків (300 Вт)
Один телевізор із супутниковим приймачем (200 Вт)
Одна електроплита (750 Вт)
Одна індукційна плита (2000 Вт)
Один невеликий холодильник (100 Вт)
Освітлення (100 Вт)
Ці пристрої не працюють одночасно. Насоси для аерації працюють вдень при сонячному світлі, а вночі відпочивають. Потужність інших пристроїв близько 3000 Вт, а добове споживання електроенергії — близько 10 кіловат-годин. Оскільки освітлення поверхні озера достатнє, запас електроенергії на похмурі та дощові дні не враховується.
2. Сонячний інвертор
Відповідно до наведених даних, у цьому проєкті автономної сонячної фотоелектричної системи використовується універсальний сонячний інвертор із MPPT контролером заряду. Цей 5000-ватний сонячний інвертор із MPPT контролером має потужність 48В 7кВт, коефіцієнт потужності ≥0,8 та ККД перетворення ≥85%. Фактична потужність під навантаженням може досягати 5000 Вт, що задовольняє вимоги вихідної потужності пристроїв користувача.
3. Ємність акумулятора
У цій автономній сонячній системі використовується поширений свинцево-кислотний акумулятор як накопичувач енергії, який має велику ємність і високу економічність. Запас електроенергії акумулятора становить 10 кВт·год. Оскільки вхідна напруга постійного струму інвертора — 48 В, теоретична ємність акумулятора розраховується так:
10 000 ВА·год / 48 В = 208 А·год
Відповідно до технологічних стандартів акумуляторів, встановлення швидкості розряду батареї на рівні 0,5C2 є економічно надійним, що забезпечує циклічність заряду та розряду і ефективно подовжує термін служби акумулятора. Завдяки достатньому освітленню озера фотоелектрична система вдень безпосередньо живить інвертор, не використовуючи повторні цикли розряду акумуляторів. Споживання електроенергії вночі невелике, а тривалість розряду коротка. Тому в цьому проєкті ємність акумулятора збільшена до 0,6C2. Тоді фактична ємність акумуляторів становить:
208 А·год / 0,6 = 347 А·год.
Тут ємність акумулятора встановлена на рівні 400 А·год, отже загальна ємність — 48 В 400 А·год. Свинцево-кислотні акумулятори мають параметри 12 В 200 А·год кожен. Чотири акумулятори з'єднані послідовно, а чотири — паралельно. Всього потрібно вісім акумуляторів.
4. Потужність сонячних панелей
Після розрахунку ємності акумуляторів визначається потужність сонячних панелей. Озеро розташоване в зоні з високою інтенсивністю сонячного випромінювання, а ефективна тривалість сонячного світла становить 6 годин. Вибрані полікристалічні кремнієві фотоелектричні модулі з фотоефективністю 16%.
Генерація сонячної енергії розраховується за формулою:
Потужність системи = Потужність сонячних панелей × Тривалість сонячного світла × Коефіцієнт корекції.
Коефіцієнт корекції враховує втрати через зміну температури, втрати в лініях та ККД контролера заряду (або інвертора). Зазвичай його значення встановлюють у межах 0,5–0,7, у цьому випадку коефіцієнт корекції дорівнює 0,6. Отже, потужність фотоелектричних модулів становить:
48 В × 400 А·год / (6 год × 0,6) = 5333 Вт
Специфікація панелей — 36 В 275 Вт, розміри 1900×980×45 мм, площа 2 квадратні метри. Кожні дві панелі (72 В) з'єднуються послідовно в одну групу. Потім десять таких груп з'єднуються паралельно. Всього потрібно 20 панелей загальною потужністю 72 В 5500 Вт. Площа сонячної батареї становить 40 квадратних метрів.
5. Фотогальванічна комутаційна коробка з захистом від блискавки
Фотогальванічна комутаційна коробка використовується для зменшення з'єднань між масивом фотоелектричних модулів і інвертором. Користувач може з'єднати певну кількість фотоелектричних модулів однакових характеристик у масив. Потім кілька модулів з'єднуються послідовно і паралельно в комутаційній коробці. Після об'єднання в коробці вихід подається на інвертор через DC-вимикач.
Озеро розташоване в зоні з частими грозами. Ізольовані навіси та навколишні ліси вразливі до ударів блискавки. Тому фотоелектрична станція повинна враховувати захист від блискавок. Встановлення DC-модуля високої напруги з захистом від блискавки ефективно захищає інвертор, розподільчий щиток змінного струму та інші пристрої. Одночасно потужний діод проти зворотного струму в комутаційній коробці запобігає зворотному розряду акумуляторів у модулі та його пошкодженню вночі при відсутності сонячної генерації.
6. Кронштейн для фотоелектричних панелей та кабелі
Кронштейн для сонячних панелей — необхідний аксесуар для фотоелектричної системи, який фіксує модулі. Користувач може встановити кронштейн на місці, щоб знизити витрати, закріпити модулі та захистити їх від іржі.
Кабель — це провід, який з'єднує модулі, інвертор і розподільчий щиток постійного струму. Частина кабелю використовується на відкритому повітрі. З огляду на тривале вплив сонця та дощу, слід обрати кабель, стійкий до високих температур, окислення та ультрафіолету, щоб гарантувати нормальну роботу системи. Кабель повинен мати мідний сердечник великого перерізу з низьким опором, щоб зменшити падіння напруги через довгі відстані, що інакше може вплинути на ефективність генерації.
Підсумовуючи, наведений приклад дає всебічне уявлення про проєктування автономної сонячної фотоелектричної системи. Сподіваємося, що ця інформація буде для вас корисною.
