Экспертное руководство по проектированию и установке солнечных фотоэлектрических систем

Проектирование и установка автономных солнечных фотоэлектрических систем

Современный мир нуждается в энергии для промышленности, отопления, транспорта, сельского хозяйства, освещения и др. Основные источники — невосполнимые: уголь, нефть, газ. Их использование наносит тяжёлый ущерб экологии. Ресурсы неравномерно распределены, цены нестабильны (нефть). Ограниченность невосполнимых источников растёт спрос на возобновляемые.

Солнечная энергия — в центре внимания. Доступна в изобилии, способна покрыть потребности планеты. Автономная фотоэлектрическая система (рис. 1) — один из подходов к независимой от сети генерации. Рассмотрим планирование, проектирование и установку автономной ФЭУ системы.

• Связанная статья: Полное руководство по установке солнечных панелей. Пошаговая процедура с расчётами и схемами

Планирование автономной ФЭУ системы

Оценка места, обследование и оценка солнечного ресурса:

Выходная мощность ФЭУ сильно зависит от времени и географического положения. Критически важна правильная выборка места. Ключевые факторы:

1. Минимальное затеньение: Место (крыша или земля) не должно иметь теней или конструкций, перекрывающих солнечную радиацию. Исключить будущее строительство, создающее тень.
2. Площадь поверхности: Известная площадь позволяет оценить размер и количество панелей для требуемой мощности. Помогает планировать размещение инвертера, преобразователей, батарейных банков.
3. Крыша: Для кровельной установки нужно знать тип и конструкцию крыши. Для наклонных крыш — угол наклона, необходимые крепления для перпендикулярного падения лучей (идеально 90° к панели, практически максимально близко).
4. Маршруты кабелей: Пути кабелей от инвертера, батарей, контроллера, фотоэлектрического массива планируются для минимума длины кабелей и потерь напряжения. Компромисс между эффективностью и стоимостью.

Для оценки выходной мощности критична оценка солнечного ресурса. Инсоляция — мера энергии солнца, падающей на единицу площади за единицу времени. Данные можно получить пиранометром или у ближайшей метеостанции. Два способа измерения:

• Киловатт-часы на квадратный метр в день (кВт·ч/м²/день): Энергия в кВт·ч, падающая на м² в день.
• Пиковые солнечные часы в день (Peak Sun Hours — PSH): Число часов в сутках, когда облученность в среднем 1000 Вт/м².

PSH чаще используются — упрощают расчёты. Не путать «Средние часы солнечного сияния» и «Пиковые солнечные часы» из метеоданных. «Средние часы» — длительность свечения, «Пиковые часы» — фактическая энергия в кВт·ч/м²/день. Для надёжности используют наименьшее среднесуточное значение инсоляции за год (худший месяц) — система будет работать надёжно даже в неблагоприятную погоду.

• Связанная статья: Основные компоненты для установки солнечной панели

Расчёты для автономной ФЭУ системы

Расчёт энергопотребности

Размер системы зависит от нагрузки. Нагрузка и время работы разные для разных приборов — нужен тщательный расчёт. Энергопотребление = мощность (Вт) × время работы (ч). Единица — Вт·ч (Wh).

Энергопотребность (Вт·ч) = Номинальная мощность (Вт) × Длительность работы (ч).

Суммарная суточная потребность = сумма индивидуальных потребностей каждого прибора в сутки.

Общая потребность (Вт·ч) = Σ (Мощность Вт × Время работы ч).

Систему проектируют под худший сценарий (день пиковой нагрузки) — гарантирует надёжность. Если система покрывает пик, она покроет минимум. Но проектирование под пик повышает стоимость. Система полностью загружена только в пик. Нужен компромисс стоимость/надёжность.

• Связанная статья: Какую мощность солнечной панели нужно для бытовых приборов?

Номиналы инвертера и преобразователя (контроллера заряда)

Для выбора инвертера задают входное/выходное напряжение и ток. Выходное напряжение инвертора определяется нагрузкой, он должен выдерживать ток нагрузки и ток от батарейного банка. По суммарной нагрузке задают номинальную мощность инвертора.

Пример: 2,5 кВА — выбираем инвертор с запасом 20–30% выше мощности нагрузки. Для двигательных нагрузок — 3–5 кратный запас. Контроллер заряда номинален по току и напряжению. Ток — по току короткого замыкания фотоэлектрического модуля. Напряжение — как номинальное батарей.

Размер контроллера заряда и преобразователя

Номинал контроллера заряда = 125% от тока короткого замыкания фотоэлектрической панели. Т.е. на 25% больше Iₛ꜀ панели.

Размер контроллера заряда (А) = Iₛ꜀ панели × 1,25 (коэффициент запаса).

Пример: нужно 6 панелей по 160Вт. Параметры модуля:

• Pₘ = 160 Втпик
• Vₘ = 17,9 В
• Iₘ = 8,9 А
• Vₒ꜀ = 21,4 В
• Iₛ꜀ = 10 А

Нужен контроллер = (4 панели × 10 А) × 1,25 = 50 А. Для 12В системы — 50А контроллер.

Примечание: Формула не для MPPT контроллеров. Смотрите руководство или намагниченные данные.

• Связанная статья: Как подключить автоматический ИБП/инвертор к домашней сети?

Размер инвертора

Инвертор на 25% больше суммарной нагрузки (потери/КПД). Т.е. 125% от суммарной мощности в Ваттах. Пример: нагрузка 2400Вт → инвертор 2400 × 1,25 = 3000 Вт (3 кВт).

Суточная энергия, поступающая к инвертору

Пусть суточное потребление нагрузки 2700 Вт·ч. У инвертора есть КПД, энергия к входу должна быть больше, чтобы компенсировать потери. При КПД 90%:

Энергия от батарей к входу инвертора = 2700 / 0,90 = 3000 Вт·ч/сутки.

Напряжение системы

Входное напряжение инвертора = системное напряжение = общее напряжение батарейного банка. Определяется выбранным напряжением отдельной батареи, током линии, макс. допустимым падением напряжения и потерями в кабеле. Обычно 12В (батареи) = системное напряжение. Для более высокого — кратные 12В: 24В, 36В и т.д.

Уменьшение тока снижает потери и падение напряжения в кабеле — достигается повышением системного напряжения. Увеличивается число батарей в последовательном соединении. Нужен компромисс потери/напряжение. В примере возьмём 24В.

• Связанная статья: Блокирующие и байпас-диоды в коробке соединений солнечной панели

Размер батарейного банка

Параметры для расчёта:

1. Глубина разряда (DOD) батареи.
2. Номинальное напряжение и ёмкость Ач.
3. Дни автономности (дни питания без панелей при полной зативенности/дождях) для нужной Ач ёмкости.

Пример: батареи 12В, 100Ач, DOD 70%. Используемая ёмкость = 100 × 0,70 = 70 Ач. Требуемая заряженная ёмкость:

Требуемая ёмкость = Энергия от батарей к инвертору / Системное напряжение

Требуемая ёмкость = 3000 Вт·ч / 24 В = 125 Ач

Число батарей = Требуемая ёмкость / (100 × 0,7) = 125 / 70 = 1,78 → округляем до 2 батарей.

Но из-за округления нужно 140 Ач вместо 125 Ач.

Требуемая ёмкость = 2 × 100Ач × 0,7 = 140 Ач

Две 12В, 100Ач батареи параллельно для ёмкости. Но системное напряжение 24В — нужно две батареи последовательно для 24В (рис. 2):

Итого: четыре батареи 12В, 100Ач. Две последовательно, две параллельно.

Формула требуемой ёмкости батарей:

• Связанная статья: Последовательное, параллельное и смешанное соединение батарей

Размер фотоэлектрического массива

Разные модули дают разную мощность. Распространённый способ — использовать наименьшую среднесуточную инсоляцию в пиковых солнечных часах:

Общий размер ФЭ массива (Вт) = (Энергопотребность в сутки (Вт·ч) / Tₚₕ) × 1,25

Tₚₕ — наименьшие средние суточные пиковые солнечные часы месяца за год, 1,25 — коэффициент масштабирования. Число модулей:

Nₘₒ𝒹 = Общий размер массива (Вт) / Номинал выбранных панелей в пиковых ваттах.

Пример: нагрузка 3000 Вт·ч/сутки. Для нужного пикового Вт используем PFG (Panel Generation Factor):

Общий пик Вт панели = 3000 / 3,2 (PFG) = 931 Втпик

Число панелей = 931 / 160Вт = 5,8 → 6 панелей по 160Вт. Можно подбирать по доступным рейтингам 100Вт, 120Вт, 150Вт и т.д.

Примечание: PFG варьируется по регионам (климат, температура): США 3,22, ЕС 2,93, Таиланд 3,43 и др.

Дополнительные потери (в %) для точного PFG:

• Лучи не перпендикулярны панели (5%)
• Не в точке макс. мощности (исключено для MPPT) (10%)
• Загрязнение панелей (5%)
• Старение и несоответствие спецификациям (10%)
• Температура выше 25°C (15%)

Связанная статья: Типы солнечных панелей и какой тип лучше?

Расчёт сечения кабелей

Зависит от многих факторов: макс. токопроводимость, мин. падение напряжения, мин. резистивные потери. Кабели на улице — влагозащищённые и УФ-устойчивые.

Падение напряжения обычно <2% (критично для низковольтных систем). Недостаточное сечение — потери энергии и аварии. Избыточное — неэкономично. Площадь поперечного сечения:

A = (ρ × Iₘ × L / V𝒹) × 2

Где:

• ρ — удельное сопротивление материала (Ом·м)
• L — длина кабеля
• V𝒹 — макс. допустимое падение напряжения
• Iₘ — макс. ток кабеля

Можно использовать калькулятор сечения проводов. Также подбирайте автоматы, вилки и розетки под номинал.

Решённый пример

Дано: нагрузка в Ваттах, нужна 12В, 120Вт система.

• LED лампа 40Вт, 12 ч/сутки
• Холодильник 80Вт, 8 ч/сутки
• DC вентилятор 60Вт, 6 ч/сутки

Суммарная нагрузка

Общая нагрузка в Вт·ч/сутки:

= (40×12) + (80×8) + (60×6) = 1480 Вт·ч/сутки

Требуемая мощность панели:

= 1480 × 1,3 (коэффициент потерь) = 1924 Вт·ч/сутки

Размер и число панелей

Пиковая мощность панели:

= 1924 / 3,2 = 601,25 Втпик

Число панелей:

= 601,25 / 120Вт = 5 панелей

5 панелей по 120Вт покроют нагрузку.

Номинал и размер инвертора

Только переменная нагрузка, суммарная мощность:

= 40 + 80 + 60 = 180Вт

Инвертор на 25% больше (потери):

= 180 × 1,25 = 225 Вт

Размер, номинал и число батарей

Нагрузка и время работы:

= (40×12) + (80×8) + (60×6) = 1480 Вт·ч

Номинал глубокого разряда = 12В

Дни автономности = 2 дня.

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

Требуемая ёмкость батарей = 483,6 Ач

Нужен 12В 500Ач батарейный банк на 2 дня автономности.

Можно использовать 4 батареи 12В, 125Ач параллельно.

Если доступны 175Ач, 12В — 3 батареи. Точное число = Требуемая Ач / Доступная Ач.

Число батарей = Требуемая Ач / Доступная Ач

• Связанная статья: Время и ток заряда батарей (с примером 120Ач)

Номинал и размер контроллера солнечного заряда

Контроллер = 125% (или +25%) от тока короткого замыкания панели.

Размер контроллера (А) = Iₛ꜀ панели × 1,25

Параметры модуля:

• Pₘ = 120 Втпик
• Vₘ = 15,9 В
• Iₘ = 7,5 А
• Vₒ꜀ = 19,4 В
• Iₛ꜀ = 8,8 А

Нужен контроллер = (5 панелей × 8,8 А) × 1,25 = 44 А → ближайший 45А.

Не для MPPT — смотрите руководство или намагниченные данные.

Подбор кабеля, автомата, выключателей и вилок по току

Используйте инструменты и статьи с таблицами для точного подбора:

• Калькулятор сечения кабеля или как найти правильный размер с амперностью
• Определение амперности выключателей и вилок
• Подбор размера и номинала автоматического выключателя

Заключение

Автономная ФЭУ система — отличный способ использования доступной экологичной солнечной энергии. Проектирование и установка удобны и надёжны для малых, средних и крупных потребностей. Обеспечивает электричеством практически везде, особенно в удалённых районах. Делает потребителя независимым от сети и ископаемого топлива (уголь, газ).

Система не наносит вреда экологии и даёт энергию долгие годы после установки. Приведённая систематическая методология даёт полезные ориентиры для чистой и устойчивой энергии в современном мире.

• Автор: М. Пхансопкар
• Обновлено: Electrical Technology