Как спроектировать и установить солнечную фотоэлектрическую систему?

Проектирование и установка солнечных фотоэлектрических систем

Сегодня наш современный мир нуждается в энергии для различных повседневных приложений, таких как промышленное производство, отопление, транспорт, сельское хозяйство, освещение и т. д. Большая часть наших потребностей в энергии обычно удовлетворяется за счет невозобновляемые источники энергии, такие как уголь, сырая нефть, природный газ и т. д. Но использование таких ресурсов оказывает сильное воздействие на нашу окружающую среду.

Кроме того, эта форма энергоресурса неравномерно распределена по земле. Существует неопределенность рыночных цен, например, в случае с сырой нефтью, поскольку они зависят от производства и извлечения из ее запасов. Из-за ограниченной доступности невозобновляемых источников в последние годы спрос на возобновляемые источники вырос.

Солнечная энергия всегда была в центре внимания, когда речь шла о возобновляемых источниках энергии. Он легко доступен в изобилии и может удовлетворить потребности всей нашей планеты в энергии. Солнечная автономная фотоэлектрическая система, как показано на рис. 1, является одним из подходов, когда речь идет об удовлетворении наших потребностей в энергии независимо от коммунальных услуг. Следовательно, далее мы кратко рассмотрим планирование, проектирование и установку автономной фотоэлектрической системы для производства электроэнергии.

• Публикация по теме: Полное руководство по установке солнечных батарей. Пошаговая процедура с расчетами и диаграммами

Планирование автономной фотоэлектрической системы

Оценка участка, обследование и оценка ресурсов солнечной энергии:

Поскольку выходные данные, генерируемые фотоэлектрической системой, значительно различаются в зависимости от времени и географического положения, крайне важно правильно выбрать место для автономной фотоэлектрической установки. Таким образом, при оценке и выборе мест для установки необходимо учитывать следующие моменты.

1. Минимальный оттенок: Необходимо убедиться, что выбранное место на крыше или на земле не имеет теней или каких-либо конструкций, которые перехватывают солнечное излучение, падающее на устанавливаемые панели. Кроме того, убедитесь, что в ближайшее время вокруг установки не будет никаких строительных конструкций, которые могут вызвать проблему затенения.
2. Площадь поверхности: Должна быть известна площадь поверхности площадки, на которой предполагается установка фотоэлектрических модулей, чтобы можно было оценить размер и количество панелей, необходимых для выработки требуемой выходной мощности для нагрузки. Это также помогает спланировать установку инвертора, преобразователей и блоков батарей.
3. На крыше: В случае установки на крыше необходимо знать тип крыши и ее конструкцию. В случае наклонных крыш необходимо знать угол наклона и использовать необходимый монтаж, чтобы на панели попадало больше солнечного излучения, т. е. в идеале угол излучения должен быть перпендикулярен фотоэлектрической панели и практически близок к 90 градусам. .
4. Маршруты: Возможные маршруты для кабелей от инвертора, аккумуляторной батареи, контроллера заряда и фотоэлектрической батареи должны быть спланированы таким образом, чтобы обеспечить минимальное использование кабелей и более низкое падение напряжения в кабелях. Разработчик должен выбирать между эффективностью и стоимостью системы.

Для оценки выходной мощности первостепенное значение имеет оценка солнечной энергии выбранного объекта. Инсоляция определяется как мера солнечной энергии, полученной в определенной области в течение определенного периода времени. Вы можете найти эти данные с помощью пиранометра, однако в этом нет необходимости, так как вы можете найти данные об инсоляции на ближайшей к вам метеорологической станции. При оценке солнечной энергии данные можно измерить двумя способами:

• Киловатт-часы на квадратный метр в сутки (кВтч/м ² /день): Это количество энергии, измеряемое в киловатт-часах, приходящееся на квадратный метр в сутки.
• Ежедневные часы пиковой солнечной активности (PSH): Количество часов в день, в течение которых освещенность в среднем составляет 1000 Вт/м ² .

Чаще всего используются пиковые солнечные часы, поскольку они упрощают расчеты. Не путайте с «Средняя продолжительность солнечного сияния». " и "Солнце в пиковое время », который вы бы забрали с метеостанции. «Среднее количество солнечных часов» указывает количество часов солнечного сияния, а «Пиковые солнечные часы» — это фактическое количество полученной энергии в кВтч/м ² . /день. Среди всех месяцев в течение года используйте наименьшее среднесуточное значение инсоляции, так как это гарантирует, что система будет работать более надежно, когда солнце меньше всего из-за неподходящих погодных условий.

• Похожая статья: Основные компоненты, необходимые для установки системы солнечных батарей

Соображения относительно автономной фотоэлектрической системы

Расчет энергопотребления

Размер автономной фотоэлектрической системы зависит от потребности в нагрузке. Нагрузка и время ее работы различаются для разных приборов, поэтому при расчете энергопотребления необходимо соблюдать особую осторожность. Энергопотребление нагрузки можно определить, умножив номинальную мощность (Вт) нагрузки на количество часов ее работы. Таким образом, единица измерения может быть записана как ватт × час или просто Втч.

Энергопотребление в ватт-часах =номинальная мощность в ваттах × продолжительность работы в часах.

Таким образом, ежедневная общая потребность в энергии в Втч рассчитывается путем сложения индивидуальной нагрузки каждого устройства в день.

Общая потребность в энергии, ватт-час =∑ (номинальная мощность в ваттах × продолжительность работы в часах).

Система должна быть спроектирована для наихудшего сценария, т. е. для дня, когда потребность в энергии самая высокая. Система, разработанная для самых высоких требований, гарантирует ее надежность. Если система удовлетворяет потребности пиковой нагрузки, она будет удовлетворять самые низкие потребности. Но проектирование системы для самых высоких требований приведет к увеличению общей стоимости системы. С другой стороны, система будет полностью загружена только во время пиковой нагрузки. Так что приходится выбирать между стоимостью и надежностью системы.

• Похожая статья:Сколько ватт солнечной панели нам нужно для наших домашних электроприборов?

Оценки инверторов и преобразователей (контроллеров заряда)

Для выбора подходящего инвертора необходимо указать как входное, так и выходное напряжение, а также номинальный ток. Выходное напряжение инвертора определяется нагрузкой системы, оно должно выдерживать ток нагрузки и ток, получаемый от аккумуляторной батареи. В зависимости от общей нагрузки, подключенной к системе, можно указать номинальную мощность инвертора.

Давайте рассмотрим в нашем случае 2,5 кВА , поэтому инвертор с мощностью на 20-30% выше, чем мощность, работающая на нагрузку, должен быть выбран на рынке. В случае нагрузки двигателя она должна быть в 3-5 раз выше, чем потребляемая мощность такого прибора. В случае преобразователя контроллер заряда рассчитан на ток и напряжение. Его номинальный ток рассчитывается с использованием номинального тока короткого замыкания фотоэлектрического модуля. Значение напряжения такое же, как номинальное напряжение батарей.

Размер преобразователя и контроллера заряда

Номинал контроллера заряда должен составлять 125 % от тока короткого замыкания фотогальванической панели. Другими словами, он должен быть на 25% больше, чем ток короткого замыкания солнечной панели.

Мощность контроллера заряда солнечной батареи в амперах =ток короткого замыкания PV × 1,25 (коэффициент безопасности).

Например, нам нужно 6 номеров солнечных панелей мощностью 160 Вт для нашей системы. Ниже приведена соответствующая дата панели PV.

Предположим, что спецификация модуля PV выглядит следующим образом.

• П_М =160 Вт_{Пиковая}
• В_М =17,9 В_{постоянного тока}
• Я_М =8,9 А
• V_ОС =21,4 А
• Я_SC =10 А

Требуемый номинал солнечного контроллера заряда =(4 панели x 10 А) x 1,25 =50 А

Теперь для конфигурации системы 12 В постоянного тока требуется контроллер заряда на 50 А.

Примечание. Эта формула не применима к зарядным устройствам MPPT Solar. Пожалуйста, обратитесь к руководству пользователя или проверьте номинальные данные на паспортной табличке для правильного размера.

• Публикация по теме: Как подключить автоматический ИБП/инвертор к домашней системе электроснабжения?

Размер инвертора

Размер инвертора должен быть на 25 % больше, чем общая нагрузка, из-за потерь и проблем с КПД в инверторе. Другими словами, он должен быть рассчитан на 125% от общей требуемой нагрузки в ваттах. Например, если требуемая мощность составляет 2400 Вт, размер инвертора должен быть:

2400 Вт x 125 %

2400 Вт x 1,25

3000 Вт.

Итак, нам нужен инвертор мощностью 3 кВт при нагрузке 2400 Вт.

Ежедневная энергия, подаваемая на инвертор

Рассмотрим в нашем случае суточное потребление электроэнергии нагрузкой 2700 Втч. Обратите внимание, что инвертор имеет свой КПД, поэтому энергия, подаваемая на инвертор, должна быть больше, чем энергия, используемая нагрузкой, чтобы можно было компенсировать потери в инверторе. Предполагая, что в нашем случае КПД составляет 90 %, общая энергия, отдаваемая аккумулятором инвертору, будет равна:

Энергия, подаваемая аккумулятором на вход инвертора =2700 / 0,90 =3000 Втч/день.

Напряжение системы

Входное напряжение инвертора называется системным напряжением. Это также общее напряжение аккумуляторной батареи. Это системное напряжение определяется выбранным напряжением отдельной батареи, линейным током, максимально допустимым падением напряжения и потерями мощности в кабеле. Обычно напряжение батарей составляет 12 В, таким же будет и системное напряжение. Но если нам нужно более высокое напряжение, оно должно быть кратно 12 В, то есть 12 В, 24 В, 36 В и т. д.

За счет уменьшения тока можно уменьшить потери мощности и падение напряжения в кабеле, это можно сделать за счет повышения напряжения в системе. Это позволит увеличить количество аккумуляторов в серии. Следовательно, нужно выбирать между потерями мощности и напряжением системы. Теперь для нашего случая рассмотрим системное напряжение 24 В.

• Похожая запись:  Что такое блокирующий диод и обходные диоды в распределительной коробке панели солнечных батарей?

Размер батарей

При определении размера батареи необходимо учитывать следующие параметры:

1. Глубина разряда (DOD) аккумулятора.
2. Напряжение и емкость аккумулятора в ампер-часах (Ач).
3. Количество дней автономной работы (количество дней, необходимое для питания всей системы (резервного питания) без солнечных батарей в случае полного затенения или дождливых дней. Мы рассмотрим эту часть в нашей следующей статье) до получить необходимую емкость Ач аккумуляторов.

Предположим, что у нас есть батареи 12 В, 100 Ач с глубиной разряда 70%. Таким образом, полезная емкость составляет 100 Ач × 0,70 =70 Ач. Таким образом, требуемая заряженная емкость определяется следующим образом:

Требуемая емкость заряда =энергия, подаваемая аккумулятором на вход инвертора/напряжение системы

Требуемая емкость заряда =3000 Втч/ 24 В =125 Ач

Исходя из этого, необходимое количество батарей можно рассчитать следующим образом:

Нет. требуемых батарей =требуемая емкость заряда / (100 × 0,7)

Нет. необходимое количество батарей =125 Ач / (100 × 0,7) =1,78 (округлите 2 батареи)

Таким образом, требуется 2 батареи по 12 В, 100 Ач. Но из-за округления требуется 140 Ач вместо 125 Ач.

Требуемая емкость заряда =2 × 100 Ач × 0,7 =140 Ач

Поэтому две батареи 12 В, 100 Ач, подключенные параллельно, обеспечивают указанную выше емкость заряда. Но так как отдельная батарея имеет только 12 В, 100 Ач, а требуемое системное напряжение составляет 24 В, нам необходимо соединить две батареи последовательно, чтобы получить системное напряжение 24 В, как показано на рисунке 2 ниже:

Итак, всего будет четыре батареи 12 В, 100 Ач. Два соединенных последовательно и два соединенных параллельно.

Также необходимую емкость аккумуляторов можно найти по следующей формуле.

• Публикация по теме: Последовательное, параллельное и последовательно-параллельное соединение батарей

Размер массива виртуальных томов

Разные размеры фотоэлектрических модулей, представленных на рынке, обеспечивают разный уровень выходной мощности. Одним из наиболее распространенных способов определения размера массива фотоэлектрических модулей является использование наименьшей средней дневной инсоляции (солнечной радиации) в пиковые солнечные часы следующим образом:

Общий размер массива солнечных батарей (Вт) =(потребление энергии в день нагрузки (Втч) / T_PH ) × 1,25

Где T_PH - это наименьшее среднесуточное пиковое количество солнечных часов в месяц в году, а 1,25 - это коэффициент масштабирования. При этом количество фотоэлектрических модулей N_modules требуемый может быть определен как;

N_{модулей} =Общий размер фотоэлектрической батареи (Вт) / Номинальная мощность выбранных панелей в пиковых ваттах.

Допустим, в нашем случае нагрузка составляет 3000 Втч/день. Чтобы узнать необходимый общий W_Peak мощности солнечной панели, мы используем коэффициент PFG, т.е.

Всего W_Пик мощности фотоэлектрической панели =3000 / 3,2 (PFG)

=931 Вт_Пик

Теперь необходимое количество фотоэлектрических панелей =931 / 160 Вт =5,8.

Таким образом, нам нужно 6 солнечных панелей мощностью 160 Вт каждая. Чтобы узнать точное количество солнечных панелей, разделите W_Peak по другим параметрам, например 100 Вт, 120 Вт, 150 Вт и т. д., в зависимости от наличия.

Примечание :значение PFG (коэффициент генерации панели). варьируется (из-за изменений климата и температуры) в разных регионах, например, PFG в США =3,22, ЕС =293, Таиланде =3,43 и т. д.

Кроме того, необходимо учитывать дополнительные потери, чтобы найти точный коэффициент генерации панели (PGF). Эти потери (в %) происходят из-за:

• Солнечный свет не попадает прямо на солнечную панель (5%)
• Отсутствие получения энергии в точке максимальной мощности (за исключением контроллера заряда MPPT). (10%)
• Грязь на солнечных панелях (5%)
• Старение фотоэлектрических панелей и их соответствие техническим требованиям (10 %)
• Температура выше 25 °C (15 %)

Похожие записи о типах солнечных панелей и о том, какой тип солнечных панелей лучше?

Размер кабелей

Сечение кабелей зависит от многих факторов, таких как максимальная допустимая нагрузка по току. Он должен иметь минимальное падение напряжения и минимальные резистивные потери. Поскольку кабели будут размещаться на открытом воздухе, они должны быть водонепроницаемыми и устойчивыми к ультрафиолетовому излучению.

Кабель должен выдерживать минимальное падение напряжения, обычно менее 2 %, поскольку существует проблема падения напряжения в низковольтной системе. Недостаточное сечение кабелей приведет к потерям энергии, а иногда даже к несчастным случаям. в то время как превышение размеров экономически нецелесообразно. Площадь поперечного сечения кабеля определяется как;

A =(ρI_M Л / В_D ) × 2

Где

• ρ — удельное сопротивление материала проводника (ом-метры).
• L – длина кабеля.
• V_D максимально допустимое падение напряжения.
• Я_М максимальный ток, протекающий по кабелю.

Кроме того, вы можете использовать этот калькулятор размеров кабелей и проводов. Кроме того, используйте автоматический выключатель подходящего размера, а также вилки и выключатели с номиналом.

Давайте решим пример для приведенного выше примера.

Пример:

Предположим, что у нас есть следующая электрическая нагрузка в ваттах, где нам требуется проектирование и установка системы солнечных батарей 12 В, 120 Вт.

• Светодиодная лампа мощностью 40 Вт на 12 часов в день.
• Холодильник мощностью 80 Вт на 8 часов в день.
• Вентилятор постоянного тока мощностью 60 Вт на 6 часов в день.

Теперь давайте найдем количество солнечных панелей, мощность и размеры контроллера заряда, инвертора, аккумуляторов и т. д.

Определение общей нагрузки

Общая нагрузка, Втч/день

=(40 Вт x 12 часов) + (80 Вт x 8 часов) + (60 Вт x 6 часов)

=1480 Втч в день

Требуемая мощность системы солнечных батарей

=1480 Втч x 1,3 … (1,3 – это коэффициент, используемый для потерь энергии в системе)

=1924 Втч/день

Определение размера и количества солнечных панелей

W_Пик Мощность солнечной панели

=1924 Втч /3,2

=601,25 Вт_Пик

Необходимое количество солнечных панелей

=601,25 / 120 Вт

Количество солнечных панелей =5 модулей солнечных панелей

Таким образом, 5 солнечных панелей мощностью 120 Вт каждая смогут удовлетворить наши требования к нагрузке.

Поиск номинала и размера инвертора

Поскольку в нашей системе есть только нагрузки переменного тока в течение определенного времени (т. е. нет дополнительной и прямой нагрузки постоянного тока, подключенной к батареям), а наша общая требуемая мощность составляет:

=  40 Вт + 80 Вт + 60 Вт 

=180 Вт

Теперь мощность инвертора должна быть на 25 % выше общей нагрузки из-за потерь в инверторе.

=180 Вт x 2,5

Номинальная мощность и размер инвертора =225 Вт

Определить размер, рейтинг и количество батарей

Наша мощность нагрузки и время работы в часах

=(40 Вт x 12 часов) + (80 Вт x 8 часов) + (60 Вт x 6 часов)

Номинальное напряжение батареи глубокого разряда =12 В

Необходимое количество дней автономной работы (питание от батарей без солнечной панели) =2 дня.

[(40 Вт x 12 часов) + (80 Вт x 8 часов) + (60 Вт x 6 часов) / (0,85 x 0,6 x 12 В)] x 2 дня

Требуемая емкость аккумуляторов в ампер-часах =483,6 Ач

Таким образом, нам нужен аккумулятор емкостью 12 В 500 Ач на 2 дня автономной работы.

В этом случае мы можем использовать 4 батареи по 12 В, 125 А·ч, соединенные параллельно.

Если доступная емкость аккумулятора составляет 175 Ач, 12 В, мы можем использовать 3 аккумулятора. Вы можете получить точное количество аккумуляторов, разделив требуемую емкость аккумуляторов в ампер-часах на доступный номинал аккумулятора-Ач.

Необходимое количество батареек = Требуемая емкость аккумуляторов в ампер-часах / Доступный номинал аккумулятора А·ч

• Публикация по теме: Время зарядки и формула зарядного тока для аккумуляторов (на примере аккумулятора 120 Ач)

Определите номинал и размер контроллера заряда солнечной батареи

Ток контроллера заряда должен быть на 125 % (или на 25 % выше) тока короткого замыкания солнечной панели.

Размер солнечного контроллера заряда в амперах =ток короткого замыкания PV × 1,25

Технические характеристики фотоэлектрического модуля

• П_М =120 Вт_{Пиковая}
• В_М =15,9 В_{постоянного тока}
• Я_М =7,5 А
• V_ОС =19,4 А
• Я_SC =8,8 А

Требуемый номинал солнечного контроллера заряда =(5 панелей x 8,8 А) x 1,25 =44 А

Таким образом, вы можете использовать ближайший контроллер заряда с номиналом 45 А.

Обратите внимание, что этот метод нельзя использовать для определения точного размера солнечных зарядных устройств MPPT. Обратитесь к руководству пользователя, предоставленному производителем, или ознакомьтесь с паспортной табличкой, напечатанной на нем.

Поиск кабеля, автоматического выключателя, выключателей и мощности вилки

Используйте следующие инструменты и пояснительные посты с таблицами, чтобы узнать точную номинальную силу тока проводов и кабелей, выключателей, вилок и автоматических выключателей.

• Калькулятор размера провода кабеля, или Как найти правильный размер провода с учетом допустимой нагрузки.
• Узнайте номинальную силу тока выключателей и вилок.
• Найдите подходящий размер и номинал автоматического выключателя.

Заключение

Автономная фотоэлектрическая система — отличный способ использовать доступную экологически чистую энергию солнца. Его конструкция и установка удобны и надежны для малых, средних и крупных энергетических потребностей. Такая система делает доступность электричества практически в любой точке мира, особенно в отдаленных районах. Это делает потребителя энергии независимым от коммунальных услуг и других источников энергии, таких как уголь, природный газ и т. д.

Такая система не может оказать негативного воздействия на нашу окружающую среду и может обеспечивать энергией в течение длительного времени после ее установки. Вышеупомянутый систематический дизайн и установка дают полезные рекомендации для нашей потребности в чистой и устойчивой энергии в современном мире.

• Автор:М. Фансопкар.
• Обновлено:Electrical Technology