Автономна фотоелектрична система генерації електроенергії для побутового використання складається з фотоелектричного модуля, кріплення, контролера, сонячного інвертора, акумулятора та системи розподілу електроенергії. Проект електричної схеми системи повинен враховувати вибір і розрахунок модулів, інверторів (контролерів) та акумуляторів. Перед проектуванням необхідно провести підготовку, оскільки автономна система є індивідуальною і не має уніфікованого плану. Тому спочатку слід дізнатися тип і потужність навантаження користувача, споживання електроенергії вдень і ввечері, а також кліматичні умови місця встановлення. Електропостачання автономної фотоелектричної системи залежить від погоди, що не є на 100% надійним.
Автономна сонячна система повинна бути оснащена акумулятором, який становить 30%–50% вартості системи генерації електроенергії. При цьому загальний термін служби свинцево-кислотного акумулятора становить від 3 до 5 років. Після закінчення терміну служби необхідна заміна. З економічної точки зору акумулятор важко широко застосовувати у великих масштабах, і він придатний лише для місць із нестачею електропостачання.
Автономна система відрізняється від системи, підключеної до мережі. Компоненти та інвертори не конфігуруються у певній пропорції, а проектуються відповідно до навантаження користувача, споживання електроенергії та місцевих погодних умов:
1. Підтвердити потужність автономного інвертора відповідно до типу та потужності навантаження користувача
Зазвичай навантаження для домашнього використання можна поділити на індуктивне та резистивне. Навантаження з двигуном, таке як пральна машина, кондиціонер, холодильник, водяний насос і вентилятор для видалення диму, є індуктивним навантаженням. Пускова потужність двигуна в 3–5 разів перевищує номінальну потужність. При розрахунку потужності інвертора необхідно враховувати пускову потужність навантаження. Вихідна потужність автономного інвертора вища за потужність навантаження. Однак для малозабезпечених сімей неможливо одночасно запускати всі навантаження. Тому, щоб заощадити кошти, суму потужності навантаження можна помножити на коефіцієнт від 0,7 до 0,9. Нижче наведено список потужності електроприладів для побутового використання для орієнтиру при проектуванні.
2. Визначити потужність модуля відповідно до щоденного споживання електроенергії користувачем
Доступна електроенергія для автономної системи = Загальна потужність модулів * Середня кількість годин сонячного світла * ККД контролера * ККД акумулятора. Принципово модуль повинен бути спроектований так, щоб задовольняти щоденне споживання електроенергії навантаження за загальних погодних умов. Іншими словами, добове вироблення електроенергії фотоелектричним модулем має бути більшим за добове споживання навантаження. Оскільки погодні умови можуть бути нижчими або вищими за середні, проектування фотоелектричного модуля має в основному задовольняти потреби сезону з найгіршим освітленням. Іншими словами, акумулятор повинен бути повністю заряджений у сезон з найгіршим освітленням. Однак сезонне найгірше освітлення в деяких місцях значно нижче за річне середнє. Якщо потужність фотоелектричного модуля все ж проектувати за найгіршими умовами, то річне вироблення електроенергії може значно перевищувати фактичний попит, що призведе до великих втрат. У такому випадку проектна ємність акумулятора має бути відповідно збільшена для розширення зберігання електроенергії та забезпечення акумулятора в стані неглибокого розряду, що компенсує нестачу генерації в сезон з найгіршим освітленням і запобігає пошкодженню акумуляторних елементів. Потужність, вироблена модулем, не може бути повністю перетворена у корисну електроенергію, оскільки слід враховувати ККД контролера, втрати в обладнанні та втрати в акумуляторі.
Кут встановлення модуля має враховувати географічне розташування користувача, щоб задовольнити його потреби влітку та взимку. Кут нахилу сонячної батареї зазвичай орієнтований на південь, щоб максимізувати вироблення електроенергії на одиницю потужності сонячної батареї. Найбільш ідеальний кут нахилу — це той, що максимізує річне вироблення електроенергії сонячною батареєю, мінімізуючи різницю у виробленні між зимою та літом.
Споживання електроенергії навантаженнями, такими як лампочка, електричний вентилятор і електрична сушарка для волосся, дорівнює потужності, помноженій на час роботи. Щодо навантажень, таких як кондиціонер і холодильник, споживання кондиціонера тісно пов’язане з різницею температур між внутрішнім і зовнішнім середовищем, площею житла та енергоефективністю кондиціонера. Кондиціонер потужністю 1P, якщо працює 8 годин на ніч, споживає від 1 до 5 кіловат-годин електроенергії.
3. Підтвердити ємність акумулятора відповідно до нічного споживання користувача або очікуваного часу автономної роботи
Завдання акумулятора — забезпечити нормальне живлення навантаження системи при недостатньому сонячному випромінюванні. Важливе навантаження має забезпечувати нормальну роботу системи протягом кількох днів, враховуючи кількість послідовних похмурих і дощових днів. Для загальних навантажень, таких як сонячні вуличні ліхтарі, ємність акумулятора слід вибирати на 2–3 дні за досвідом або потребою. Для малозабезпечених сімей ціна є основним фактором. Акумулятор не потрібен у дощові та похмурі дні, він використовується, коли сонячного світла достатньо. Коли сонячного світла недостатньо або його немає, акумулятор не використовується. При виборі навантаження слід обирати енергоефективне обладнання, таке як світлодіодні лампи та кондиціонери з регульованою частотою. Проектувальник акумулятора включає розрахунок ємності акумулятора та комбінацію послідовно-паралельного з’єднання акумуляторних елементів. У системі фотоелектричної генерації часто використовують свинцево-кислотні акумулятори. З урахуванням терміну служби батареї глибина розряду зазвичай встановлюється на рівні 0,5–0,7. Проектна ємність акумулятора = (Середнє добове споживання електроенергії навантаження * Кількість послідовних похмурих і дощових днів) / Глибина розряду акумулятора.
4. Проект системи потужністю 4000 ват для побутового використання
Потреба клієнта в електроенергії: освітлення (200 Вт, 6 годин на день), холодильник (50 Вт, 24 години на добу), кондиціонер з регульованою частотою (1 к.с., 12 годин на день), телевізор (50 Вт, 10 годин на день). Інші побутові прилади використовуються нерегулярно, включаючи пральну машину, настільний комп’ютер, електричну плиту, електричний вентилятор тощо.
(1) Підрахунок загальної потужності навантаження
Освітлення — 200 Вт, холодильник — 50 Вт, кондиціонер — 750 Вт, телевізор — 50 Вт, пральна машина — 300 Вт, настільний комп’ютер — 200 Вт, електрична плита — 1200 Вт, електричний вентилятор — 100 Вт. Всього 2850 Вт. Тому обрано 4000 Вт автономний сонячний інвертор.
(2) Підрахунок добового споживання електроенергії
Освітлення споживає 1,2 кВт·год, холодильник — 1 кВт·год, кондиціонер — 2 кВт·год, телевізор — 0,5 кВт·год, пральна машина — 1 кВт·год, настільний комп’ютер — 0,5 кВт·год, електрична плита — 1 кВт·год, електричний вентилятор — 0,5 кВт·год. Всього 7,7 кВт·год. Насправді середнє добове споживання становить близько 6–10 кВт·год. У деяких районах умови освітлення сприятливі, що забезпечує 4,5 години сонячного світла на день. Для проектування використано 9 модулів по 280 Вт, загальна потужність яких становить 2,52 кВт, що може генерувати 11,34 кВт·год. Ефективність автономної системи низька — близько 0,8, а середнє добове доступне електропостачання становить 9 кВт·год. Це зазвичай задовольняє понад 99% потреб у електроенергії.
(3) Розрахунок акумулятора
Електроприлади для домашнього використання переважно використовуються ввечері, залишаючи лише 20% для денного часу. Щоб збільшити термін служби акумулятора, його ємність можна відповідно збільшити, оскільки глибина добового розряду низька. У цьому проекті використано чотири секції 12В 250А·год гелеобразного свинцево-кислотного акумулятора, загальна ємність якого становить 12 000 ВА·год. Кількість корисної електроенергії становить близько 8,4 кВт·год, а середнє нічне споживання — 6 кВт·год. Глибина розряду становить близько 50%.
