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 електроенергія в акумуляторах вичерпується, більшість інверторів можуть підтримувати підключення до мережі (або дизельного генератора) як додаткове джерело живлення для навантаження.
Дизайн автономної сонячної енергетичної системи відрізняється від системи, підключеної до мережі. Перший варіант потребує врахування багатьох факторів, включаючи навантаження, щоденну кількість споживаної електроенергії, місцеві кліматичні умови тощо, щоб обрати різні проєктні рішення відповідно до практичних потреб клієнтів. Тому автономна сонячна 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, включаючи потужність усіх приладів або пристроїв, час їх роботи та щоденне споживання електроенергії (тобто скільки кіловат-годин це в сумі). Після цього дизайн автономної сонячної енергетичної системи базується переважно на цих даних, включаючи вибір сонячного інвертора, розрахунок 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 і пускову потужність цих навантажень. Іншими словами, пускова потужність цих приладів має бути меншою за максимальну пікову 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 розряджається для живлення навантаження. Отже, вся електроенергія, спожита навантаженням, походить від електроенергії, виробленої фотоелектричними модулями вдень, коли немає підключення до мережі або дизельний двигун слугує 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 сезон за рівнем сонячного світла, щоб забезпечити надійну роботу системи. Нижче наведена формула для розрахунку потужності сонячних панелей:
Потужність сонячної панелі = (Щоденне споживання електроенергії навантаження * Запас потужності) / (Пік сонячного світла найгіршого місяця * ККД системи)
Розрахунок ємності акумуляторів
Акумулятори автономної сонячної системи використовуються головним чином 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 місцевих похмурих і дощових днів. Звичайна автономна сонячна система не має таких високих вимог до живлення навантаження, і з огляду на вартість системи кількість похмурих і дощових днів можна не враховувати, а використання навантаження регулювати відповідно до фактичної інтенсивності освітлення.
Крім того, більшість автономних сонячних фотоелектричних систем використовують свинцево-кислотні акумулятори, глибина розряду яких зазвичай становить від 0,5 до 0,7. Ємність акумуляторів можна розрахувати за такою 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 сонячній системі. Щодо номінального струму, його можна приблизно розрахувати як потужність сонячної панелі, поділену на напругу акумуляторів, з додаванням 25% запасу для безпеки.
Крім того, на ринку існують два типи контролерів заряду сонячних батарей: 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 слід проводити на початковому етапі проєктування. Інформація про споживання електроенергії 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 заряду в одному пристрої.
3. Розрахунок потужності сонячних панелей
Згідно з опитуванням потреб клієнта, середнє щоденне споживання електроенергії школою становить близько 61,5 кВт·год. Місцеві умови освітлення сприятливі, середня тривалість сонячного світла становить 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, а середньоденна генерація — 100,5 кВт·год. ККД системи зазвичай близько 0,8, тому щоденне споживання електроенергії становить 80 кВт·год.
4. Розрахунок ємності акумуляторів
Освітлення в школі зазвичай відбувається 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 гелеві акумулятори 110 вузлів 1000 А·год/2 В, з’єднані послідовно, загальна ємність близько 220 000 ВА·год, а корисна кількість електроенергії — близько 154 кВт·год, що задовольняє потреби резервного живлення на два дні.
