Автономна фотоелектрична система для побутового використання складається з фотоелектричного модуля, кріплення, контролера, сонячного інвертора, акумулятора та системи розподілу електроенергії. Електричний план системи повинен враховувати вибір і розрахунок модулів, інверторів (контролерів) та акумуляторів. Перед розробкою плану необхідно провести підготовку, оскільки автономна система є індивідуальною і не має єдиного стандартного плану. Тому спочатку слід вивчити тип і потужність навантаження користувача, споживання електроенергії вдень і ввечері, а також кліматичні умови місця встановлення. Енергопостачання автономної фотоелектричної системи залежить від погоди, яка не є на 100% надійною.
Автономна сонячна система повинна бути оснащена акумулятором, який становить від 30% до 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 на великому масштабі, і він підходить лише для місць із нестачею електропостачання.
Автономна система відрізняється від мережевої системи. Компоненти та інвертори не конфігуруються у певній пропорції, а проектуються відповідно до навантаження користувача, споживання електроенергії та місцевих погодних умов:
1. Визначте потужність автономного інвертора відповідно до типу та потужності навантаження користувача
Зазвичай навантаження для домашнього використання поділяється на індуктивне та резистивне. Навантаження з мотором, таке як пральна машина, кондиціонер, холодильник, водяний насос і вентилятор для видалення диму, є індуктивним навантаженням. Пускова потужність мотора в 3-5 разів перевищує номінальну потужність. При розрахунку потужності інвертора необхідно враховувати пускову потужність навантаження. Вихідна потужність автономного інвертора перевищує 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 проєктуванні.
2. Визначте 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 спроєктований 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 як нижчими, так і вищими за середні, дизайн фотоелектричного модуля повинен задовольняти потреби сезону з найгіршим освітленням. Тобто акумулятор повинен бути повністю заряджений у сезон з найгіршим освітленням. Однак у деяких місцях сезонне найгірше освітлення значно нижче за річне середнє. Якщо потужність фотоелектричного модуля все ж проєктувати за найгіршими умовами, то річне вироблення електроенергії може значно перевищувати фактичний попит, що призведе до великих втрат. У такому випадку проєктна ємність акумулятора слід відповідно збільшити, щоб розширити зберігання електроенергії та забезпечити акумулятор у стані неглибокого розряду, що компенсує нестачу вироблення електроенергії в сезон з найгіршим освітленням і запобігає пошкодженню акумуляторних елементів. Потужність, що генерується модулем, не може бути повністю перетворена у корисну електроенергію, оскільки слід враховувати ККД контролера, втрати в обладнанні та втрати в акумуляторі.
Кут встановлення модуля повинен 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. Найоптимальніший 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 фен, 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 вісім годин на ніч, споживає від 1 до 5 кіловат-годин електроенергії.
3. Визначте ємність акумулятора відповідно до нічного споживання електроенергії користувачем 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 використовується в дощові та похмурі дні, а застосовується при достатньому сонячному світлі. Коли сонячного світла недостатньо або його немає, акумулятор не використовується. При виборі навантаження слід обирати енергоефективне обладнання, таке як світлодіодні лампи та кондиціонери з інверторним керуванням. Проєктувальник акумулятора включає розрахунок ємності акумулятора та комбінацію послідовно-паралельного з’єднання акумуляторних елементів. У фотоелектричних системах часто використовують свинцево-кислотні акумулятори. З урахуванням терміну служби батареї глибина розряду зазвичай встановлюється на рівні 0,5–0,7. Проєктна ємність акумулятора = (Середнє добове споживання електроенергії навантаження * Кількість послідовних похмурих і дощових днів) / Глибина розряду акумулятора.
4. Проєкт системи потужністю 4000 ват для побутового використання
Потреби клієнта у споживанні електроенергії: освітлення (200 Вт, 6 годин на день), холодильник (50 Вт, 24 години на добу), кондиціонер з регулюванням частоти (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, 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, вентилятор — 100 Вт. Загалом це 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, 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, сонячне світло триває близько 4,5 годин на день. Для проєкту 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, тому середньодобова доступна електроенергія становить 9 кВт·год. Це зазвичай задовольняє понад 99% потреб у електроенергії.
(3) Розрахунок акумулятора
Електроприлади для домашнього використання переважно працюють увечері, залишаючи лише 20% споживання вдень. Щоб збільшити термін служби акумулятора, його ємність можна трохи збільшити, оскільки глибина розряду в день низька. У цьому проєкті використано чотири секції 12В 250А·год гелевого свинцево-кислотного акумулятора, загальна ємність яких становить 12 000 ВА·год. Використовувана кількість електроенергії — близько 8,4 кВт·год, а середнє нічне споживання — 6 кВт·год. Глибина розряду становить близько 50%.
