Сьогодні все ще багато людей живуть у бідних або віддалених районах, які знаходяться далеко від електростанцій та загальних електромереж. Через нестачу електроенергії або її повну відсутність вони не можуть користуватися інформацією та зручностями, які приносить сучасна цивілізація. Автономна сонячна енергетична система — це незалежна самодостатня система живлення від відновлюваних джерел енергії, яка може задовольнити їх базові потреби у електроенергії.
Типова автономна сонячна фотоелектрична система складається з шести частин: сонячних панелей, кріплення, контролера заряду сонячної батареї, автономного інвертора, акумуляторів та розподільчої коробки. Сонячні елементи підключені до контролера заряду, який виробляє енергію для першочергового задоволення щоденних потреб користувача, а надлишкова електроенергія зберігається в акумуляторах для використання вночі та в похмурі або дощові дні. Коли заряд акумуляторів вичерпується, більшість інверторів можуть підтримувати підключення до мережі (або дизельного генератора) як додаткове джерело енергії для навантаження.
Дизайн автономної сонячної енергетичної системи відрізняється від системи, підключеної до мережі. Перша потребує врахування багатьох факторів, включно з навантаженням, щоденним споживанням електроенергії, місцевими кліматичними умовами тощо, щоб обрати різні варіанти проєктування відповідно до практичних потреб клієнтів. Тому автономна фотоелектрична система є порівняно складнішою.
Дізнайтеся, скільки електроенергії споживає ваше навантаження
Щоб забезпечити надійність автономної фотоелектричної системи, дуже важливо провести детальне опитування потреб клієнта у електроенергії. Тобто потрібно визначити, скільки електроенергії вам потрібно, включно з потужністю всіх приладів або пристроїв, часом їх роботи та щоденним споживанням електроенергії (тобто скільки кіловат-годин це в сумі). Після цього дизайн автономної сонячної системи базується головним чином на цих даних, включно з вибором сонячного інвертора, розрахунком потужності сонячних панелей та ємності акумуляторів.
Вибір сонячного інвертора
Потужність сонячного інвертора має бути не меншою за сумарну потужність навантажень. Однак, враховуючи термін служби та можливе подальше розширення потужності інвертора, слід залишити певний запас потужності, який зазвичай становить 1,2–1,5 раза від потужності навантаження.
Крім того, якщо навантаження включає чутливі прилади, такі як холодильник, кондиціонер, водяний насос або вентилятор димовидалення з електродвигуном (пускова потужність електродвигуна в 3–5 разів більша за номінальну потужність), то слід враховувати пускову потужність цих приладів. Іншими словами, пускова потужність навантаження має бути меншою за максимальну імпульсну потужність інвертора.
Нижче наведена формула для вибору потужності сонячного інвертора, яка служить лише орієнтиром при проєктуванні.
Потужність інвертора = (Потужність навантаження * Запас потужності) / Коефіцієнт потужності інвертора
Розрахунок потужності сонячних панелей
Потужність, що виробляється сонячними панелями вдень, частково використовується для навантаження, а залишок — для заряджання акумуляторів. Коли настає ніч або сонячне випромінювання недостатнє, електроенергія з акумуляторів використовується для навантаження. Отже, вся електроенергія, спожита навантаженням, походить від фотоелектричних модулів вдень, коли немає підключення до мережі або дизельний двигун служить додатковим джерелом енергії. Враховуючи різницю інтенсивності освітлення в різні пори року та в різних регіонах, потужність сонячних панелей має бути розрахована так, щоб задовольняти потреби навіть у найгірший сонячний сезон, забезпечуючи надійну роботу системи. Нижче наведена формула для розрахунку потужності сонячних панелей:
Потужність сонячних панелей = (Щоденне споживання електроенергії навантаження * Запас потужності) / (Пік сонячного світла найгіршого місяця * ККД системи)
Розрахунок ємності акумуляторів
Акумулятори автономної сонячної системи призначені для зберігання енергії та забезпечення нормальної роботи навантаження при недостатньому сонячному випромінюванні. Для автономних фотоелектричних систем, що живлять важливе обладнання, при проєктуванні ємності акумуляторів слід враховувати кількість найбільш тривалих похмурих і дощових днів у регіоні. Звичайні автономні системи не мають таких високих вимог до живлення навантаження, і з огляду на вартість системи кількість похмурих і дощових днів можна не враховувати, а споживання електроенергії регулювати відповідно до фактичної інтенсивності освітлення.
Крім того, більшість автономних фотоелектричних систем використовують свинцево-кислотні акумулятори, глибина розряду яких зазвичай становить від 0,5 до 0,7. Ємність акумуляторів можна розрахувати за формулою:
Ємність акумуляторів = (Щоденне споживання електроенергії × Кількість послідовних дощових і похмурих днів) / Глибина розряду акумуляторів
Вибір контролера заряду сонячної батареї
Контролер заряду сонячної батареї — це пристрій, який керує заряджанням і розряджанням акумуляторів від сонячних панелей. Два ключові параметри для вибору відповідного контролера — номінальна напруга та струм. Номінальна напруга контролера має відповідати робочій напрузі акумуляторів у системі. Щодо номінального струму, його можна приблизно розрахувати як потужність сонячних панелей, поділену на напругу акумуляторів, з додаванням 25% запасу для безпеки.
Крім того, на ринку існують два типи контролерів заряду: PWM і MPPT. Зазвичай PWM контролери дешевші за MPPT і більше підходять для невеликих сонячних інверторних систем. Однак MPPT контролери є більш економічно вигідними завдяки своїм унікальним перевагам. Вибір залежить від конкретного проєктного рішення.
Типовий проєкт для автономної сонячної системи потужністю 10 кВА
Передумови проєкту: Розробити автономну сонячну систему для школи, щоб задовольнити її щоденне споживання електроенергії.
1. Опитування потреб у електроенергії
Опитування потреб клієнта має бути проведене на початковому етапі проєктування. Інформація про споживання навантаження має бути точною. Деталі наведені нижче:
2. Вибір сонячного інвертора
Навантаження клієнта включає освітлення класів, вентилятори в класах, освітлення громадських місць, настінне освітлення, систему оповіщення тощо. Загальна потужність навантаження становить 6,84 кВт, а потужність сонячного інвертора має бути не меншою за 9,8 кВА. Відповідно до цих вимог можна обрати 10 кВА сонячний інвертор з MPPT контролером заряду, який виконує функції інвертора та контролера в одному пристрої.
3. Розрахунок потужності сонячних панелей
Згідно з опитуванням, середнє щоденне споживання електроенергії школою становить близько 61,5 кВт·год. Місцеві умови освітлення сприятливі, середня тривалість сонячного світла — 4,23 години на день. Сонячні панелі мають запас потужності 1,1. У цьому проєкті використовується 88 полікристалічних фотоелектричних модулів по 270 Вт кожен, загальна потужність — 23,76 кВт, середньоденна генерація — 100,5 кВт·год. ККД системи становить приблизно 0,8, тому щоденне споживання електроенергії — 80 кВт·год.
4. Розрахунок ємності акумуляторів
Освітлення в школі зазвичай використовується вночі. Враховуючи термін служби акумуляторів, їх ємність слід збільшити, а час резервного живлення має становити два дні, як того вимагає клієнт. Глибина розряду акумуляторів встановлена на рівні 0,7. У цьому проєкті використовуються 110 гелевих акумуляторів 1000 А·год/2 В, з’єднаних послідовно, загальна ємність близько 220 000 ВА·год, а корисна кількість електроенергії — близько 154 кВт·год, що задовольняє потреби резервного живлення на два дні.
