Как рассчитать подходящую конфигурацию для вашей небольшой автономной системы?

Вы когда-нибудь задумывались об использовании собственной солнечной электростанции в горной хижине, рыбацкой лодке или автофургоне, чтобы избавиться от зависимости от общественной электросети?

На самом деле, это под силу не только инженерам. Освоив несколько ключевых шагов и формул, вы сможете рассчитать подходящую конфигурацию для своей небольшой автономной фотоэлектрической системы.

Автономная солнечная система — это независимая система, которая не зависит от сети общего пользования, а полностью полагается на фотоэлектрическую генерацию и накопление энергии аккумуляторными батареями. Она идеально подходит для использования в отдаленных горных районах, на островах, в пастбищах, на автодомах, рыболовных судах и в других местах с нестабильным электроснабжением.

Ниже мы проведем вас через четыре шага по расчету необходимой конфигурации.

Шаг 1: Определить мощность фотоэлектрического модуля

Мощность фотоэлектрических панелей (солнечных панелей) определяет, сколько электроэнергии может генерировать ваша система.

Основной подход к расчету следующий: сначала определить суточную потребность в электроэнергии, затем объединить ее с местными климатическими условиями (особенно продолжительностью солнечного сияния), чтобы определить общую мощность фотоэлектрических панелей.

Формула:

Мощность модуля = (Ежедневная потребность в электроэнергии × Коэффициент избытка электроэнергии в непрерывный пасмурный день) ÷ (Среднее местное количество солнечных часов × Эффективность системы)

* Ежедневное потребление электроэнергии: его можно рассчитать, суммируя номинальную мощность всех устройств, умноженную на время их использования.

Например, светодиодные лампы 10 Вт × 5 часов = 50 Вт·ч, холодильник 60 Вт × 24 часа = 1440 Вт·ч.

* Коэффициент избытка электроэнергии в непрерывный пасмурный день: для учета недостаточной выработки электроэнергии в последовательные пасмурные дни этот коэффициент обычно устанавливается в диапазоне от 1.1 до 1.3.

* Среднее количество солнечных часов в день в вашем регионе: эту информацию можно получить из местных метеорологических данных. Например, в Пекине средняя продолжительность солнечного сияния составляет около 4 часов в день, а на Хайнане — более 5 часов.

* Эффективность системы: учитывает потери в кабеле, эффективность контроллера, потери инвертора и т. д. и обычно устанавливается в диапазоне от 0.75 до 0.8.

Например:

Предположим, что ваше ежедневное потребление электроэнергии составляет 3,000 Вт⋅ч, средняя продолжительность солнечного сияния в вашем регионе составляет 4.5 часа в день, эффективность системы составляет 0.78, а коэффициент непрерывных дождливых дней — 1.2:

Мощность модуля = (3,000 × 1.2) ÷ (4.5 × 0.78) ≈ 1,026 Вт

Это означает, что вам необходимо установить фотоэлектрические панели общей мощностью около 1 кВт, например, четыре модуля по 250 Вт.

Шаг 2: Определите мощность автономного инвертора

Инвертор преобразует постоянный ток (DC) от фотоэлектрических панелей или батарей в переменный ток (AC) для использования в обычных бытовых приборах.

Его мощность должна быть достаточной для покрытия вашей максимальной мгновенной потребности в электроэнергии, особенно учитывая пусковой ток индуктивных нагрузок (оборудования с электроприводом).

Формула:

Мощность инвертора = (Общая мощность резистивной нагрузки + Общая мощность индуктивной нагрузки × 5) × Коэффициент запаса ÷ Коэффициент мощности

* Резистивные нагрузки: резистивные устройства, такие как лампочки, электрочайники и духовки.

* Индуктивные нагрузки: оборудование с двигателями или компрессорами, такое как холодильники, водяные насосы, кондиционеры и т. д. Мгновенная мощность при запуске может в 5–7 раз превышать номинальную мощность.

* Коэффициент безопасности: обычно устанавливается на уровне 1.2–1.5, чтобы обеспечить запас.

* Коэффициент мощности: обычно устанавливается на уровне 0.8–0.9.

Пример:

Предположим, у вас есть светильник мощностью 200 Вт (резистивная нагрузка), холодильник мощностью 100 Вт (индуктивная нагрузка), коэффициент запаса 1.3 и коэффициент мощности 0.85:

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

≈ (200 + 500) × 1.3 ÷ 0.85

≈ 700 × 1.3 ÷ 0.85

≈ 1070 Вт

Вам понадобится инвертор мощностью не менее 1.1 кВт, для большей стабильности рекомендуется выбрать модель мощностью 1.5 кВт.

Шаг 3: Определите емкость аккумулятора

Аккумуляторная батарея — это «накопитель энергии» автономной системы, и электричество, потребляемое ночью или в пасмурные дни, в основном поступает из неё. Ёмкость зависит от количества дней, в течение которых вам необходимо бесперебойное электроснабжение, и суточного потребления электроэнергии.

Формула:

Емкость аккумулятора (А·ч) = (Ежедневное потребление электроэнергии × Количество дней электроснабжения в пасмурные дни) ÷ (Глубина разряда × Эффективность заряда/разряда × Напряжение аккумуляторной батареи)

* Глубина разряда (DOD): для свинцово-кислотных аккумуляторов рекомендуется DOD 0.5–0.6; для литиевых аккумуляторов приемлемым является DOD 0.8–0.9.

* Эффективность заряда/разряда: обычно устанавливается на уровне 0.85–0.9.

* Напряжение аккумуляторной батареи: распространенные напряжения — 12 В, 24 В и 48 В; более высокие напряжения рекомендуются для более высоких требований к мощности.

Пример:

Предположим, что вы потребляете 3000 Вт·ч ежедневно и хотите иметь электроэнергию на 2 дня в пасмурную погоду, используя литиевую батарею 48 В (DOD=0.9, эффективность=0.9):

Емкость аккумулятора = (3000 × 2) ÷ (0.9 × 0.9 × 48)

≈ 6000 ÷ 38.88

≈ 154 Ач

Вам понадобится аккумуляторная батарея 48 В 154 А·ч (примерно 7.4 кВт·ч).

Шаг 4: Определите характеристики контроллера

Фотоэлектрический контроллер регулирует процесс зарядки от фотоэлектрических модулей к аккумуляторной батарее.

Его характеристики в первую очередь зависят от максимального входного тока, рассчитываемого по следующей формуле:

Формула:

Входной ток контроллера = Максимальная мощность фотоэлектрических модулей ÷ Напряжение аккумуляторной батареи

Например, если общая мощность ваших фотоэлектрических панелей составляет 1000 Вт, а напряжение аккумуляторной батареи — 48 В:

Входной ток контроллера = 1000 ÷ 48 ≈ 20.8 А

Поэтому вам необходимо выбрать контроллер с входным током более 21 А, как правило, типа MPPT (более высокий КПД, более выгоден в пасмурные дни).

Практические советы

1. Учитывайте запас: срок службы и стабильность работы оборудования зависят от правильной конструкции резервирования; не устанавливайте параметры слишком жестко.
2. MPPT превосходит ШИМ: хотя контроллеры MPPT немного дороже, они обеспечивают более высокую эффективность генерации электроэнергии, особенно в условиях нестабильного освещения.
3. Отдавайте предпочтение литий-ионным аккумуляторам: они компактны, легки и способны к глубокому разряду, что обеспечивает долгосрочную экономию средств.
4. Планируйте будущее расширение: если вы планируете в будущем добавить больше приборов, обеспечьте достаточную емкость интерфейса как для фотоэлектрической системы, так и для аккумуляторов.

Суть проектирования небольшой автономной фотоэлектрической системы заключается в точном расчете конфигурации на основе реальных потребностей, а не в том, чтобы просто «купить несколько панелей и аккумуляторов» и на этом закончить.

Освойте эти 4 формулы:

1. Формула мощности фотоэлектрического модуля
2. Формула мощности инвертора
3. Формула емкости аккумулятора
4. Формула входного тока контроллера

Затем вы можете рассчитать конфигурацию небольшой автономной системы, которая будет одновременно достаточной и стабильной.

При первом проектировании можно добавить дополнительный запас в размере 10–20 % на основе результатов формулы, что обеспечивает большую гибкость при изменении погодных условий и расширении оборудования.