Как да изчислите подходящата конфигурация за вашата собствена малка автономна система?

Замисляли ли сте се някога да използвате собствена соларна система в планинска хижа, рибарска лодка или кемпер, за да се освободите от зависимостта от обществената електропреносна мрежа?

Всъщност това не е нещо, което само инженерите могат да постигнат. Стига да усвоите няколко ключови стъпки и формули, можете да изчислите подходящата конфигурация за вашата собствена малка фотоволтаична система, която не е свързана с мрежата.

Автономна слънчева система е независима система, която не разчита на обществената електропреносна мрежа, а вместо това разчита изцяло на фотоволтаично генериране на енергия и съхранение в батерии, за да задоволи нуждите си от електричество. Тя е идеална за използване в отдалечени планински райони, острови, пасищни райони, кемпери, рибарски лодки и други места с нестабилно мрежово захранване.

По-долу ще ви преведем през четири стъпки за изчисляване на необходимата конфигурация.

Стъпка 1: Определете мощността на фотоволтаичния модул

Мощността на фотоволтаичните панели (слънчеви панели) определя колко електроенергия може да генерира вашата система.

Основният подход за изчисление е: първо се определя дневното търсене на електроенергия, след което то се комбинира с местните климатични условия (особено продължителността на слънчевото греене), за да се определи общата мощност на фотоволтаичните панели.

Формула:

Мощност на модула = (Дневно потребление на електроенергия × Коефициент на излишък от непрекъсната облачност) ÷ (Средностатистически местни часове слънчево греене × Ефективност на системата)

* Дневна консумация на електроенергия: Тя може да се изчисли чрез сумиране на номиналната мощност на всички устройства, умножена по времето им на употреба.

Например, LED лампи 10W × 5 часа = 50Wh, хладилник 60W × 24 часа = 1440Wh.

* Коефициент на излишък при непрекъсната облачност: За да се отчете недостатъчното производство на енергия по време на последователни облачни дни, този коефициент обикновено се задава между 1.1 и 1.3.

* Среднодневните часове слънчево греене в района: Това може да се получи от местни метеорологични данни. Например, Пекин има средно приблизително 4 часа слънчево греене на ден, докато Хайнан може да има над 5 часа.

* Ефективност на системата: Това отчита загубите в кабелите, ефективността на контролера, загубите в инвертора и др. и обикновено се задава между 0.75 и 0.8.

Например:

Ако приемем, че дневната ви консумация на електроенергия е 3,000 Wh, средните местни слънчеви часове за деня са 4.5 часа, ефективността на системата е 0.78, а коефициентът на непрекъснатите дъждовни дни е 1.2:

Мощност на модула = (3,000 × 1.2) ÷ (4.5 × 0.78) ≈ 1,026 W

Това означава, че трябва да инсталирате фотоволтаични панели с обща мощност приблизително 1 kW, например четири модула по 250 W.

Стъпка 2: Определете мощността на инвертора, който не е свързан към мрежата

Инверторът преобразува постоянния ток (DC) от фотоволтаични панели или батерии в променлив ток (AC) за използване от обикновени домакински уреди.

Мощността му трябва да е достатъчна, за да отговори на максималното ви моментно изискване за мощност, особено като се има предвид пусковият ток на индуктивните товари (оборудване, задвижвано от двигател).

Формула:

Мощност на инвертора = (Обща мощност на резистивния товар + Обща мощност на индуктивния товар × 5) × Коефициент на запас ÷ Коефициент на мощност

* Резистивни товари: Резистивни устройства като електрически крушки, електрически чайници и фурни.

* Индуктивни товари: Оборудване с двигатели или компресори, като хладилници, водни помпи, климатици и др. Моментната мощност по време на стартиране може да бъде 5–7 пъти номиналната мощност.

* Коефициент на безопасност: Обикновено се задава на 1.2–1.5, за да се осигури резерв.

* Коефициент на мощност: Обикновено се настройва на 0.8–0.9.

Пример:

Ако приемем, че имате осветително тяло с мощност 200 W (резистивен товар), хладилник с мощност 100 W (индуктивен товар), коефициент на запас 1.3 и коефициент на мощност 0.85:

Мощност на инвертора = (200 + 100 × 5) × 1.3 ÷ 0.85

≈ (200 + 500) × 1.3 ÷ 0.85

≈ 700 × 1.3 ÷ 0.85

≈ 1070 W

Ще ви е необходим инвертор с минимална мощност 1.1 kW, като за по-голяма стабилност се препоръчва да изберете модел с мощност 1.5 kW.

Стъпка 3: Определете капацитета на батерията

Батерията е „съхранението на енергия“ на автономната система и електричеството, използвано през нощта или в облачни дни, идва предимно от нея. Капацитетът зависи от броя дни, в които се нуждаете от непрекъснато захранване, и от дневната консумация на електроенергия.

Формула:

Капацитет на батерията (Ah) = (Дневна консумация на електроенергия × Брой дни на захранване в облачни дни) ÷ (Дълбочина на разреждане × Ефективност на зареждане/разреждане × Напрежение на батерията)

* Дълбочина на разреждане (DOD): За оловно-киселинни батерии се препоръчва DOD от 0.5–0.6; за литиеви батерии е приемлива DOD от 0.8–0.9.

* Ефективност на зареждане/разреждане: Обикновено се задава на 0.85–0.9.

* Напрежение на батерията: Обичайните напрежения включват 12V, 24V и 48V; по-високи напрежения се препоръчват за по-високи изисквания за мощност.

Пример:

Ако приемем, че използвате 3000Wh дневно и искате да имате захранване за 2 дни облачно време, използвайки 48V литиева батерия (DOD=0.9, ефективност=0.9):

Капацитет на батерията = (3000 × 2) ÷ (0.9 × 0.9 × 48)

≈ 6000 ÷ 38.88

≈ 154 Ah

Ще ви е необходима батерия 48V 154Ah (приблизително 7.4kWh).

Стъпка 4: Определете спецификациите на контролера

Фотоволтаичният контролер регулира процеса на зареждане от фотоволтаичните модули към батерията.

Спецификациите му зависят главно от максималния входен ток, изчислен по следната формула:

Формула:

Входен ток на контролера = Максимална мощност на фотоволтаичните модули ÷ Напрежение на батерията

Например, ако вашите фотоволтаични панели имат обща мощност от 1000 W и напрежението на батерийния пакет е 48 V:

Входен ток на контролера = 1000 ÷ 48 ≈ 20.8A

Следователно, трябва да изберете контролер с входен ток по-голям от 21A, обикновено MPPT тип (с по-висока ефективност, по-изгоден в облачни дни).

Практически съвети

1. Предвидете резерв: Животът и експлоатационната стабилност на оборудването зависят от подходящия дизайн на резервирането; не фиксирайте параметрите твърде стриктно.
2. MPPT е по-добър от PWM: Въпреки че MPPT контролерите са малко по-скъпи, те предлагат по-висока ефективност на генериране на енергия, особено при нестабилни условия на осветление.
3. Дайте приоритет на литиево-йонните батерии: Те са компактни, леки и способни на дълбоко разреждане, което предлага дългосрочни икономии на разходи.
4. Планирайте бъдещо разширение: Ако предвиждате добавянето на още уреди в бъдеще, осигурете достатъчен интерфейсен капацитет както за фотоволтаичната система, така и за батериите.

Същността на проектирането на малка фотоволтаична система, работеща извън мрежата, се крие в прецизното изчисляване на конфигурацията въз основа на реалните нужди, а не просто в „закупуване на няколко панела и батерии“ и приключване на работата.

Овладейте тези 4 формули:

1. Формула за мощност на фотоволтаичния модул
2. Формула за мощност на инвертора
3. Формула за капацитет на батерията
4. Формула за входен ток на контролера

След това можете да изчислите конфигурация за малка автономна система, която е едновременно достатъчна и стабилна.

Когато проектирате за първи път, можете да добавите допълнителен марж от 10%–20% въз основа на резултатите от формулата, което позволява по-голяма гъвкавост при справяне с промените във времето и разширяването на оборудването.