Проектирование и установка солнечных фотovoltaических систем
Современное общество зависит от энергии для повседневных нужд, таких как промышленность, отопление, транспорт и сельское хозяйство, в основном удовлетворяемых за счет невозобновляемых источников (уголь, нефть, газ). Однако эти источники наносят ущерб окружающей среде, неравномерно распределены и подвержены ценовой волатильности из-за ограниченных запасов, что стимулирует спрос на возобновляемую энергию.
Солнечная энергия, обильная и способная удовлетворить глобальные потребности, выделяется среди других. Автономные фотovoltaические системы (Рис. 1) обеспечивают независимость от энергетических компаний. Ниже представлен обзор их планирования, проектирования и установки для производства электроэнергии.
Планирование автономной фотovoltaической системы
Оценка и обследование участка:
Минимизация затенения: Убедитесь, что место установки (крыша или земля) свободно от затеняющих конструкций, и будущие постройки не будут препятствовать солнечному излучению.
Площадь поверхности: Определите площадь участка, чтобы оценить количество/размер фотovoltaических панелей, и спланируйте размещение инверторов, преобразователей и аккумуляторных батарей.
Рассмотрение крыш: Для наклонных крыш учтите угол наклона и используйте соответствующие крепления, чтобы максимизировать солнечное излучение (идеально перпендикулярно панелям).
Прокладка кабелей: Спланируйте маршруты для кабелей (соединяющих инвертор, аккумуляторную батарею, контроллер заряда и фотovoltaический массив), чтобы минимизировать использование кабелей и падение напряжения, балансируя эффективность и стоимость.
Оценка ресурсов солнечной энергии:
Данные о солнечной радиации: Измерьте или получите (от метеорологических станций) данные о полученной солнечной энергии, используя либо киловатт-часы на квадратный метр в день (кВт·ч/м²/день), либо ежедневные часы пикового солнечного излучения (ЧПС, часы со средней инсоляцией 1000 Вт/м²).
Ключевой показатель: Используйте ЧПС для упрощенных расчетов (отличайте от "средних часов солнечного сияния", которые отражают продолжительность, а не энергию). Применяйте наименьшее среднемесячное значение инсоляции, чтобы обеспечить надежность системы в периоды низкой солнечной активности.
Рассмотрения для автономных фотovoltaических систем
1. Расчет энергетического спроса
Размер системы зависит от спроса на нагрузку, который рассчитывается следующим образом:
Ежедневный энергетический спрос (Вт·ч) = Сумма (мощность прибора в ваттах × количество часов работы в день).
Используйте наибольший ежедневный спрос, чтобы сбалансировать надежность и стоимость (обеспечивает работу во время пикового использования, хотя это увеличивает стоимость системы).
2. Размеры инвертора и контроллера заряда
Инвертор: Рейтинг на 25% выше общей нагрузки (с учетом потерь).
Пример: Для нагрузки 2400 Вт требуется инвертор 3000 Вт (2400 Вт × 1,25).
Контроллер заряда: Токовый рейтинг = 125% от короткозамкнутого тока фотovoltaической панели (коэффициент безопасности).
Пример: 4 панели с короткозамкнутым током 10 А требуют контроллера 50 А (4×10 А × 1,25).
Примечание: Контроллеры MPPT следуют спецификациям производителя.
3. Ежедневная энергия для инвертора
Учитывайте эффективность инвертора (например, 90%):
4. Напряжение системы
Определяется напряжением аккумулятора (обычно 12 В, 24 В и т. д.), с более высокими напряжениями снижаются потери на кабелях. Пример: система 24 В.
5. Размеры аккумулятора
Основные параметры: глубина разряда (DOD), автономные дни и напряжение системы.
Используемая емкость = Емкость аккумулятора (Ач) × DOD.
Требуемая емкость заряда = Энергия от аккумулятора / напряжение системы.
Пример: 3000 Вт·ч от аккумулятора в системе 24 В → требуется 125 Ач.
Для аккумуляторов 12 В, 100 Ач (70% DOD):
Количество аккумуляторов = 125 Ач / (100 Ач × 0,7) ≈ 2 (округлено вверх).
Подключите 2 аккумулятора последовательно, чтобы достичь напряжения системы 24 В.
Таким образом, всего будет четыре аккумулятора 12 В, 100 Ач. Два подключены последовательно, два параллельно. Также требуемая емкость аккумуляторов может быть найдена по следующей формуле.
Размеры фотovoltaического массива
Общая мощность фотovoltaического массива (Вт): Рассчитывается с использованием наименьших ежедневных часов пикового солнечного излучения (или коэффициента генерации панелей, PFG) и ежедневного энергетического спроса:
Общая Wₚₑₐₖ = (Ежедневный энергетический спрос (Вт·ч) / PFG) × 1,25 (коэффициент масштабирования для потерь).
Количество модулей: Разделите общую Wₚₑₐₖ на номинальную мощность одной панели (например, 160 Вт).
Пример: Для ежедневного спроса 3000 Вт·ч и PFG = 3,2, общая Wₚₑₐₖ = 3000 / 3,2 ≈ 931 Вт. С панелями 160 Вт, требуется 6 модулей (931 / 160 ≈ 5,8, округлено вверх).
Факторы потерь (для корректировки PFG): Включают угол падения солнечного света (5%), неподключение к точке максимальной мощности (10%, исключено для MPPT), загрязнение (5%), старение (10%) и высокую температуру (>25°C, 15%).
Размеры кабелей
Основные соображения: Способность к проводимости тока, минимальное падение напряжения (<2%), резистивные потери, устойчивость к погодным условиям (водонепроницаемость/защита от УФ-излучения).
Формула площади поперечного сечения:
A = (ρ × Iₘ × L / VD) × 2
(ρ = удельное сопротивление, Iₘ = максимальный ток, L = длина кабеля, VD = допустимое падение напряжения).
Баланс: Избегайте недостаточного размера (потери энергии/аварии) или чрезмерного размера (экономическая неэффективность). Используйте соответствующие предохранители и соединители.
