Расчёт фотоэлектрической системы → Общие сведения

Расчёт фотоэлектрической системы-общие сведения

Фотоэлектрические системы бывают двух основных типов . Это абсолютно автономные системы и системы соединенные с сетью. Второй тип систем подразделяется в свою очередь еще на два вида: это системы, соединенные с сетью посредством сетевого инвертора и не имеющие в своем составе аккумуляторных батарей(и соответственно резерва на случай отключения сети), а также системы с гибридными(батарейно-сетевыми) инверторами, которые генерируют энергию от СБ даже при наличии внешней сети(эти системы считаются резервными, но с функцией поддержки внешней сети при её наличии за счет СБ). Эти системы получают недостаток энергии из сети, а если образовываются излишки электроэнергии, то отдают их сеть. Иными словами они используют сеть как огромный аккумулятор бесконечной емкости. Мы в этом разделе будем рассматривать пример расчета полностью автономной системы. Системы подобного типа актуальны для передвижных или удаленных объектов, лишенных возможности подвода линии электропередач. Причина может заключаться в нецелесообразности или вообще невозможности подвода линии. Основные компоненты такой системы это: собственно солнечные батареи, контроллер заряда, аккумулятор и соединительные кабели. Если нагрузка питается от переменного напряжения, то необходим еще инвертор.

Расчет фотоэлектрической системы

Принцип работы такой системы традиционен и заключается в следующем: солнечная батарея в светлое время суток ведет заряд аккумуляторных батарей. Контроллер заряда при этом обеспечивает правильный режим заряда АКБ с соблюдением величин зарядных напряжений для каждой стадии и вводя температурную компенсацию напряжений. При этом солнечная батарея при необходимости ведет питание дневных нагрузок. Нагрузки, работающие в темное время суток питаются исключительно от АКБ. Как уже было сказано выше, нагрузки переменного тока запитываются через инвертор. Казалось бы немного компонентов в составе системы, но только правильный их подбор сможет обеспечить надежную работу нагрузок.

Расчет системы состоит из нескольких этапов:

1) Для начала необходимо составить перечень всех нагрузок . Это удобно делать при помощи таблицы. Кроме названий приборов в столбцах таблицы следует указать мощность каждой нагрузки, её среднесуточное время работы и количество однотипных приборов;

2) Следующая задача это максимально сократить и оптимизировать этот список. Электричество в автономной системе достается очень дорого и нужно отказаться от лишних приборов или мощных приборов, которые целесообразней питать от генератора. Под оптимизацией списка понимается, что оставшиеся нагрузки необходимо выбрать максимально энергосберегающими. К примеру, если это освещение, то стоит полность отказаться от ламп накаливаю в пользу энергосбергающих(люминисцентных) или еще лучше светодиодных. Холодильник рекомендуется брать класса А, А+ или А++. Подобные действия возможно приведут к некоторым растратам, но они полностью окупятся при покупке системы(понадобится менее мощная система) и её эксплуатации в будущем. Кроме того имеет смысл рассмотреть возможность использования исключительно нагрузок постоянного тока. Это позволит не приобретать инвертор , и кроме того экономить энергию, которую рассеял бы инвертор, т.к. его КПД не 100%, а обычно 85-95%. Надежность и безопасность системы также возрастут за счет меньшего числа компонентов и остутствия опасных ~220В.

3) Оптимизированный список теперь позволит провести расчет суточного энергопотребления в кВт*ч. Для этого необходимо для каждого типа нагрузки перемножить её мощность, количество приборов и среднесуточное время работы. Полученные результаты сложить. Это и есть искомая величина потребления в сутки. Для круглосуточно работающих приборов нужно смотреть в паспорте изделия суточное потребление(для холодильников часто указывается потребление в год). Например имеются: 1) ТВ мощности 30Вт, работает 4 часа в сутки; 2) лампы освещения 3шт по 15Вт, горят, 6 часов в сутки; 3) Холодильник с потреблением 600Вт*ч/сутки. Итого получаем: 30Вт*4часа+15Вт*3шт*6часов+600Вт*ч=990Вт*ч. В месяц потребление соответственно около 30кВт*ч. Для нагрузок, использующих переменный ток расчет нужно вести отдельно и закладывать в их потребление запас 5-15% для учета КПД инвертора.

4) Теперь можно определить емкость АКБ. Перед этим нужно выбрать номинальное напряжение аккумуляторного банка, задать количество пасмурных дней подряд, которые система должна пережить без заряда из вне, а также достигаемую при этом глубину разряда. Обычно для автономных систем глубина разряда выбирается не более 30-50% и это позволяет продлить срок службы АКБ. Цифра энергопотребления из п.4 умножается на количество пасмурных дней , и полученная величина должна составлять выбранный процент глубины разряда АКБ от её полной энергии. Как известно емкость АКБ в значительной степени зависит от температуры помещения. Процесс этот обратимый, т.е. при повышении температуры до нормальной емкость восстанавливается(но не нужно путать это с эксплуатацией АКБ при высоких температурах вредных для АКБ). При низких температурах емкость АКБ снижается и поправку на это необходимо закладывать при расчете системы. Окончательная емкость АКБ получается умножением расчетной энергии, заключенной в АКБ на коэффициент из таблицы ниже и последующим делением на напряжение АКБ. Полученную величину округляют в большую сторону к стандартным емкостям аккумуляторных батарей. Параллельно-последовательное соединение АКБ позволит набрать нужную емкость.

Температура, °С	Коэффициент
25	1,00
20	1,03
15	1,10
10	1,20
5	1,28
0	1,36
-5	1,50

5) Мощность инвертора должна быть на 25-30% выше суммарной номинальной мощности одиномоментно подключаемых нагрузок, а также его пиковая мощность должна быть больше суммарной пиковой мощности нагрузок, которые могут запуститься единовременно. Это связано с тем, что некоторые приборы имеют значительную пусковую мощность при старте. Например, это холодильник или насос или иная нагрузка с двигателем.

6) Ну и наконец «десерт». Определим суммарную мощность массива солнечных модулей. В определении этой величины нужно учесть несколько факторов:

• географическое месторасположение объекта;
• период эксплуатации: лето, зима, круглый год?режим эксплуатации: выходные, ежедневно, иная схема;
• возможность позиционировать солнечные модули оптимально, для получения максимальной генерации.;
• наличие деталей рельефа или пейзажа, которые могли бы загораживать поток солнечного света к поверхности солнечных батарей в течении дня;
• возможность или желание применения следящей за положением солнца подвижной платформы.

В нашем примере расчета мы будем рассматривать случай, когда модули ориентированы в пространстве оптимально, ничто их не загораживает в течении дня, а следящей системы нет. Эти факторы можно учесть для реального объекта. Чтобы система получала необходимое количество энергии за весь период эксплуатации, необходимо вести расчет для условий наихудшей инсоляции. Если объект используется круглогодично, то таким месяцем является декабрь. В это время года максимально низкая инсоляции, очень короткий световой день и низкая облачность в большинстве регионов РФ. Оптимальный угол наклона солнечных панелей к горизонту разнится от региона к региону и увеличивается в высоких(более северных) широтах из-за низкого угла стояния солнца. Но существует несложная методика выбора угла наклона солнечных модулей при ориентации их на юг естественно. Это: Чтобы получить максимум энергии летом нужно панели разместить под углом на 15о меньше географической широты местности; Чтобы получить максимум в зимнее время года необходимо панели наклонить к горизонту под углом на 15о больше географической широты местности; Чтобы получить максимум за весь календарный год угол наклона солнечных батарей должен быть равен широте местности;. Выбрав угол наклона солнечных модулей необходимо найти в таблицах инсоляции её значение для Вашего региона, времени года и угла наклона воспринимающей поверхности. Таблицы инсоляции по некоторым регионам РФ и бывшего СССР можно посмотреть здесь. Эта цифра измеряется в кВт*ч/м2. К примеру для Краснодара в июле и угла наклона 30о это примерно 180кВт*ч/м2. Это означает что в июле в Краснодаре наблюдается приход солнечной радиации в количестве 180 пикочасов. Пикочасом называется условный промежуток времени в течении, которой интенсивность солнечной радиации равна 1000Вт/м2. Именно такая освещенность используется для паспортизации солнечных модулей. Т.е. в Краснодаре в июле в день получаем 6 пикочасов. На самом деле солнце светит конечно больше чем 6 часов, но менее интенсивно. Помимо инсоляции в расчете следует учитывать сильный нагрев модуля в летнее время, что снижает его эффективность. Нами предлагается следующая упрощенная формула для расчета необходимой мощности массива солнечных модулей:

PΣ=(1000*W)/(k*E);

• PΣ- суммарная мощность солнечных модулей;
• W-необходимое количество энергии;
• k-сезонный коэффициент(летом 0.55, зимой 0.7);
• E- значение инсоляции.

Коэффициент k учитывает все потери включая потери на заряд АКБ равные 20%, за исключением потерь в соединительных кабелях. Сечение кабелей обычно подбирается из расчета потерь не превышающих 2-3%. Полученная суммарная мощность солнечных модулей может быть разделена на мощность одного модуля и таким образом получено количество солнечных модулей. В подборе мощности и напряжения модулей имеются нюансы, которые должны быть согласованы с параметрами контроллера заряда. Но это тема другого разговора. Выше было упомянуто о системе слежения за положением солнца. Подобное слежение может дать добавку к выработке 20% при слежении только по азимуту и еще 10% при слежении по высоте светила. Т.е. суммарно можно выиграть порядка 30%, но нередко проще купить дополнительно СБ, чем тратиться на трекер и потом его обслуживать. В большинстве случаев для систем эксплуатирующихся круглогодично или преимущественно зимой целесообразно использовать дополнительный источник энергии: ветрогенератор или бензогенератор. Такие системы носят название гибридных и их компоненты хорошо дополняют друг друга.