Як розрахувати відповідну конфігурацію для вашої власної невеликої автономної системи?

Ви коли-небудь думали про використання власної сонячної енергетичної системи в гірській хатині, рибальському човні або будинку на колесах, щоб позбутися залежності від громадської мережі?

Насправді, це не те, що можуть зробити лише інженери. Якщо ви опануєте кілька ключових кроків і формул, ви зможете розрахувати відповідну конфігурацію для власної невеликої автономної фотоелектричної системи.

Автономна сонячна система – це незалежна система, яка не залежить від загальнодоступної мережі, а повністю покладається на фотоелектричні системи та акумулятори для задоволення потреб в електроенергії. Вона ідеально підходить для використання у віддалених гірських районах, на островах, у пасовищних районах, у будинках на колесах, на рибальських човнах та в інших місцях з нестабільним живленням від мережі.

Нижче ми проведемо вас через чотири кроки для розрахунку необхідної конфігурації.

Крок 1: Визначення потужності фотоелектричного модуля

Потужність фотоелектричних панелей (сонячних панелей) визначає, скільки електроенергії може генерувати ваша система.

Основний підхід до розрахунку полягає в наступному: спочатку визначається добове споживання електроенергії, а потім його поєднання з місцевими кліматичними умовами (особливо тривалістю сонячного сяйва) для визначення загальної потужності фотоелектричних панелей.

формула:

Потужність модуля = (Добове споживання електроенергії × Коефіцієнт надлишку безперервної хмарності) ÷ (Середня кількість годин сонячного освітлення в місцевості × ККД системи)

* Добове споживання електроенергії: його можна розрахувати, помноживши номінальну потужність усіх пристроїв на час їх використання.

Наприклад, світлодіодні лампи 10 Вт × 5 годин = 50 Вт·год, холодильник 60 Вт × 24 години = 1440 Вт·год.

* Коефіцієнт надлишку для безперервного хмарного дня: Щоб врахувати недостатнє виробництво електроенергії протягом послідовних хмарних днів, цей коефіцієнт зазвичай встановлюється в межах від 1.1 до 1.3.

* Середньодобове місцеве значення сонячного сяйва: його можна отримати з місцевих метеорологічних даних. Наприклад, у Пекіні в середньому приблизно 4 години сонячного сяйва на день, тоді як на Хайнані може бути понад 5 годин.

* Коефіцієнт корисної дії системи: враховує втрати в кабелі, коефіцієнт корисної дії контролера, втрати інвертора тощо та зазвичай встановлюється в межах від 0.75 до 0.8.

Наприклад:

Припускаючи, що ваше щоденне споживання електроенергії становить 3,000 Вт·год, середня кількість сонячних годин за день у місцевості становить 4.5 години, ефективність системи — 0.78, а коефіцієнт безперервних дощових днів — 1.2:

Потужність модуля = (3,000 × 1.2) ÷ (4.5 × 0.78) ≈ 1,026 Вт

Це означає, що вам потрібно встановити фотоелектричні панелі загальною потужністю приблизно 1 кВт, наприклад, чотири модулі по 250 Вт.

Крок 2: Визначення потужності інвертора автономної мережі

Інвертор перетворює постійний струм (DC) від фотоелектричних панелей або акумуляторів на змінний струм (AC) для використання звичайними побутовими приладами.

Його потужність має бути достатньою для задоволення максимальної миттєвої потреби в потужності, особливо враховуючи пусковий струм індуктивних навантажень (обладнання з електроприводом).

формула:

Потужність інвертора = (Загальна потужність резистивного навантаження + Загальна потужність індуктивного навантаження × 5) × Коефіцієнт запасу ÷ Коефіцієнт потужності

* Резистивні навантаження: Резистивні пристрої, такі як лампочки, електричні чайники та духовки.

* Індуктивні навантаження: обладнання з двигунами або компресорами, таке як холодильники, водяні насоси, кондиціонери тощо. Миттєва потужність під час запуску може бути в 5–7 разів більшою за номінальну потужність.

* Коефіцієнт безпеки: зазвичай встановлюється на рівні 1.2–1.5 для забезпечення запасу.

* Коефіцієнт потужності: зазвичай встановлюється на рівні 0.8–0.9.

приклад:

Припускаючи, що у вас є світильник потужністю 200 Вт (резистивне навантаження), холодильник потужністю 100 Вт (індуктивне навантаження), коефіцієнт запасу 1.3 та коефіцієнт потужності 0.85:

Потужність інвертора = (200 + 100 × 5) × 1.3 ÷ 0.85

≈ (200 + 500) × 1.3 ÷ 0.85

≈ 700 × 1.3 ÷ 0.85

≈ 1070 Вт

Вам знадобиться інвертор з мінімальною потужністю 1.1 кВт, а для більшої стабільності рекомендується вибрати модель потужністю 1.5 кВт.

Крок 3: Визначення ємності акумулятора

Акумулятор – це «накопичувач енергії» автономної системи, і електроенергія, яка використовується вночі або в хмарні дні, переважно надходить з нього. Ємність залежить від кількості днів, коли вам потрібне безперервне живлення, та щоденного споживання електроенергії.

формула:

Ємність акумулятора (А·год) = (Добове споживання електроенергії × Кількість днів живлення у хмарні дні) ÷ (Глибина розряду × Ефективність заряду/розряду × Напруга акумуляторного блоку)

* Глибина розряду (DOD): для свинцево-кислотних акумуляторів рекомендується DOD 0.5–0.6; для літієвих акумуляторів прийнятним є DOD 0.8–0.9.

* Ефективність заряду/розряду: зазвичай встановлюється на рівні 0.85–0.9.

* Напруга акумуляторної батареї: поширені напруги включають 12 В, 24 В та 48 В; для вищих потреб у потужності рекомендується вища напруга.

приклад:

Припускаючи, що ви використовуєте 3000 Вт·год щодня і хочете мати заряд на 2 дні в хмарну погоду, використовуючи літієву батарею 48 В (DOD=0.9, ефективність=0.9):

Ємність акумулятора = (3000 × 2) ÷ (0.9 × 0.9 × 48)

≈ 6000 ÷ 38.88

≈ 154 Ач

Вам знадобиться акумуляторна батарея на 48 В ємністю 154 А·год (приблизно 7.4 кВт·год).

Крок 4: Визначення характеристик контролера

Фотоелектричний контролер регулює процес заряджання фотоелектричних модулів до акумулятора.

Його характеристики в першу чергу залежать від максимального вхідного струму, який розраховується за такою формулою:

формула:

Вхідний струм контролера = Максимальна потужність фотоелектричних модулів ÷ Напруга акумуляторної батареї

Наприклад, якщо ваші фотоелектричні панелі мають загальну потужність 1000 Вт, а напруга акумуляторної батареї становить 48 В:

Вхідний струм контролера = 1000 ÷ 48 ≈ 20.8 А

Тому вам потрібно вибрати контролер із вхідним струмом понад 21 А, зазвичай типу MPPT (вища ефективність, більш вигідна у хмарні дні).

Практичні поради

1. Враховуйте запас: термін служби та експлуатаційна стабільність обладнання залежать від належного проектування резервування; не фіксуйте параметри занадто жорстко.
2. MPPT перевершує ШІМ: хоча MPPT-контролери трохи дорожчі, вони пропонують вищу ефективність генерації енергії, особливо за нестабільних умов освітлення.
3. Віддавайте перевагу літій-іонним акумуляторам: вони компактні, легкі та здатні до глибокого розряду, що забезпечує довгострокову економію коштів.
4. Плануйте майбутнє розширення: Якщо ви плануєте додати більше приладів у майбутньому, забезпечте достатню ємність інтерфейсу як для фотоелектричної системи, так і для акумуляторів.

Суть проектування невеликої автономної фотоелектричної системи полягає в точному розрахунку конфігурації на основі фактичних потреб, а не просто в «купівлі кількох панелей та батарей» і завершенні роботи.

Опануйте ці 4 формули:

1. Формула потужності фотоелектричного модуля
2. Формула потужності інвертора
3. Формула ємності акумулятора
4. Формула вхідного струму контролера

Потім ви можете розрахувати конфігурацію для невеликої автономної системи, яка є одночасно достатньою та стабільною.

Під час першого проектування ви можете додати додатковий запас у розмірі 10–20% на основі результатів формули, що забезпечує більшу гнучкість у врахуванні змін погоди та розширення обладнання.