Методика расчета фотоэлектрических систем
Расчет фотоэлектрической системы
Ниже приведен простой пошаговый метод расчета фотоэлектрической системы (ФЭС). Этот метод позволяет определить требования к системе и выбрать необходимые компоненты системы электроснабжения. Расчет системы состоит из 4-х основных этапов.
Определение нагрузки и потребляемой энергии.
Определение значений необходимой мощности инвертора, емкости аккумуляторной батареи
Определение необходимого количества фотоэлектрических модулей исходя из данных по приходу солнечной радиации в месте установки системы.
Расчет стоимости системы.
После выполнения 4 шага, если стоимость системы недопустимо велика, можно рассмотреть следующие варианты уменьшения стоимости системы автономного электроснабжения:
уменьшение потребляемой энергии за счет замены существующей нагрузки на энергоэффективные приборы, а также исключение тепловой, «фантомной» и необязательной нагрузки;
замену нагрузки переменного тока на нагрузку постоянного тока. В этом случае можно выиграть на отсутствии потерь в инверторе (от 10 до 40%);
введение в систему электроснабжения дополнительного источника электроэнергии – ветроустановки, дизель- или бензогенератора или электрогазогенераторной установки;
смириться с тем, что электроэнергия будет не всегда. И чем больше будет мощность системы отличаться от потребляемой мощности, тем более вероятны будут периоды отсутствия электроэнергии.
Расчет автономной ФЭС
1. Определение энергопотребления
Необходимо составить список устройств-потребителей электроэнергии, которые будут запитаны от ФЭС. Определите потребляемую мощность во время их работы. Большинство устройств имеют маркировку, на которой указана номинальная потребляемая мощность в ваттах или киловаттах. Если указан потребляемый ток, то нужно умножить его величину на номинальное напряжение (обычно 220 В). Для справки можно посмотреть значения потребляемой мощности для типовой бытовой нагрузки.
1.1. Перечислите всю нагрузку переменного тока, ее номинальную мощность и число часов работы в неделю. Умножьте мощность на число часов работы для каждого прибора. Сложите получившиеся значения для определения суммарной потребляемой энергии переменного тока в неделю. 1.2. Далее нужно подсчитать, сколько энергии постоянного тока потребуется. Для этого нужно умножить получившееся значение на коэффициент 1,2, учитывающий потери в инверторе. 1.3. Определите значение входного напряжения инвертора по характеристикам выбранного инвертора. Обычно это 12 или 24 В. 1.4. Разделив значение п.1.2 на значение п.1.3., получаем число Ампер-часов в неделю, требуемое для покрытия требуемой нагрузки переменного тока. Подсчет нагрузки постоянного тока. 1.5. Определите суммарную нагрузку постоянного тока 1.6. Определите напряжение в системе постоянного тока. Обычно это 12 или 24 В. (Как в п.1.3) 1.7. Определите требуемое количество Ач в неделю для нагрузки постоянного тока (разделите значение п.1.5 на значение п.1.6). 1.8. Сложите значение п.1.4 и п. 1.7 для определения суммарной требуемой емкости аккумуляторной батареи. Это будет количество Ач, потребляемых в неделю. 1.9. Разделив значение п.1.8 на 7 дней; получается суточное значение потребляемых Ач.
2. Оптимизация нагрузки
На этом этапе важно проанализировать нагрузку и попытаться уменьшить потребляемую мощность как можно больше. Это важно для любой системы, но особенно важно для системы электроснабжения жилого дома, так как экономия может быть очень существенной. Сначала нужно определить большую и изменяемую нагрузку (например, насосы для воды, наружное освещение, холодильники переменного тока, стиральная машина, электронагревательные приборы и т. п) и попытаться исключить их из системы или заменить на другие аналогичные модели, работающие от постоянного тока. Начальная стоимость приборов постоянного тока обычно выше, чем таких же приборов переменного тока, но при этом исключаются потери в инверторе. Более того, зачастую приборы постоянного тока более эффективны, чем приборы переменного тока (во многих бытовых приборах переменный ток преобразуется в постоянный, что ведет к потерям энергии в блоках питания приборов). Желательно заменить лампы накаливания на люминесцентные лампы везде, где это возможно. Люминесцентные лампы обеспечивают такой же уровень освещенности при том, что потребляют в 4-5 раз меньше электроэнергии. При этом срок их службы примерно в 8 раз больше. Если имеется нагрузка, которую невозможно исключить, рассмотрите вариант, при котором она будет включаться только в солнечные периоды, или только летом. Пересмотрите список нагрузки и пересчитайте данные.
3. Определение состава и размера аккумуляторной батареи (АБ)
Рекомендуем использовать герметичные необслуживаемые свинцово-кислотные аккумуляторы, которые обладают самыми лучшими эксплуатационно-экономическими параметрами. Далее нужно определить, сколько энергии нужно получать от аккумуляторной батареи. Часто это определяется количеством дней, в течение которых АБ будет питать нагрузку самостоятельно без подзарядки. Дополнительно к этому параметру нужно учитывать характер работы системы электроснабжения. Например, если устанавливается система для загородного дома, который будет посещаться только на выходные, лучше установить АБ большей емкости, потому что она может заряжаться в течение всей недели, а отдавать энергию только в выходные дни. С другой стороны, если добавить фотоэлектрические модули к уже существующей системе электроснабжения, стационарной или на базе дизель- или бензогенератора, батарея может иметь меньшую емкость, чем расчетная, потому что этот генератор может быть включен для подзарядки АБ в любое время. После определения требуемой емкости АБ, можно переходить к рассмотрению следующих очень важных параметров. 3.1. Определение максимальное число последовательных «дней без солнца» (т. е. когда солнечной энергии недостаточно для заряда АБ и работы нагрузки из-за непогоды или облачности). Можно принять за этот параметр установленное количество дней, в течение которых АБ будет питать нагрузку самостоятельно без подзаряда. 3.2. Умножьте суточное потребление в А*ч (см. п.1.9 расчета потребляемой энергии) на количество дней, определенных в предыдущем пункте. 3.3. Задайте величину глубины допустимого разряда АБ. Учитывайте, что чем больше глубина разряда, тем быстрее АБ выйдут из строя. Рекомендуем значение глубины разряда 20% (не более 30%). Это значит, что возможно использование 20% от значения номинальной емкости вашей АБ. Используйте коэффициент 0,2 (или 0,3). Ни при каких обстоятельствах разряд батареи не должен превышать 80%! 3.4. Разделите п.3.2 на п.3.3 3.5. Выберите коэффициент из таблицы, приведенной ниже, который учитывает температуру окружающей среды в помещении, где установлены АБ. Обычно это средняя температура в зимнее время. Этот коэффициент учитывает уменьшение емкости АБ при понижении температуры. Температурный коэффициент для аккумуляторной батареи
Фаренгейта
Цельсия
Коэффициент
80F
26,7C
1.00
70F
21,1C
1.04
60F
15,6C
1.11
50F
10,0C
1.19
40F
4,4C
1.30
30F
-1,1C
1.40
20F
-6,7
1.59
3.6. Умножьте значение п.3.5 на коэффициент. Получается общая требуемая емкость АБ. 3.7. Разделите это значение на номинальную емкость выбранной аккумуляторной батареи. Округлите полученное значение до ближайшего большего целого. Это будет количество батарей, которые будут соединены параллельно. 3.8. Разделите номинальное напряжение постоянного тока системы (12, 24 или 48В) на номинальное напряжение выбранной аккумуляторной батареи (обычно 2, 6 или 12В). Округлите полученное значение до ближайшего большего целого. Вы получите значение последовательно соединенных батарей. 3.9. Умножьте значение п.3.7 на значение п.3.8. для того, чтобы подсчитать требуемое количество аккумуляторных батарей.
4. Определение количества пиковых солнце-часов в день
Несколько факторов влияют на то, как много солнечной энергии будет принимать солнечная батарея: • Когда будет использоваться система? Летом? Зимой? Круглый год? • Типичные погодные условия вашей местности • Будет ли система ориентироваться на солнце • Расположение и угол наклона фотоэлектрических модулей Для определения среднемесячного прихода солнечной радиации можно воспользоваться таблицей прихода солнечной радиации для некоторых городов России. Выработка электроэнергии солнечноей фотоэлектрической батареей (СБ) зависит от угла падения солнечных лучей на СБ. Максимум бывает при угле 90 градусов. При отклонении от этого угла все большее количество лучей отражается, а не поглощается СБ. Зимой солнечной радиации значительно меньше из-за того, что дни короче, облачных дней больше, солнце стоит ниже на небосклоне. Если система будет использоваться только летом, используйте летние значения, если круглый год, используйте значения для зимы. Для надежного электроснабжения выбирайте из среднемесячных значений наименьшее для периода, в течение которого будет использоваться ФЭС. Выбранное среднемесячное значение для худшего месяца нужно разделить на число дней в месяце. Получите среднемесячное количество пиковых солнце-часов, которое будет использоваться для расчета Вашей СБ.
5. Расчет солнечной фотоэлектрической батареи
Необходимо определить общее количество модулей, необходимых для вашей системы. Ток в точке максимальной мощности Impp может быть определен из спецификаций модулей. Вы также можете определить Impp поделив номинальную мощность модуля на напряжение в точке максимальной мощности Umpp (обычно 17 — 17.5 В для 12-вольтового модуля). 5.1. Умножьте значение п. 1.9 на коэффициент 1.2 для учета потерь на заряд-разряд АБ 5.2. Разделите полученное значение на среднее число пиковых солнце-часов в вашей местности. Вы получите ток, который должна генерировать СБ 5.3. Для определения числа модулей, соединенных параллельно разделите значение п. 5.2 на Impp одного модуля. Округлите полученное число до ближайшего большего целого. 5.4. Для определения числа модулей, соединенных последовательно, разделите напряжение постоянного тока системы (обычно 12, 24, 48 В) на номинальное напряжение модуля (обычно 12 или 24 В). 5.5. Общее количество требуемых фотоэлектрических модулей равно произведению значений п. 5.3 и п. 5.4
6. Расчет стоимости системы
Для расчета стоимости фотоэлектрической системы электроснабжения нужно сложить стоимости СБ, АБ, инвертора, контроллера заряда АБ и соединительной арматуры (провода, выключатели, предохранители и т. п. ) Стоимость СБ равна произведению значения п.5.5 на стоимость одного модуля. Стоимость АБ равна произведению значения п.3.9 на стоимость одной аккумуляторной батареи. Стоимость инвертора зависит от его мощности и типа. Стоимость соединительной арматуры можно принять примерно равной 0,1-1% от стоимости системы.
Ниже приведен простой пошаговый метод расчета фотоэлектрической системы (ФЭС). Этот метод позволяет определить требования к системе и выбрать необходимые компоненты системы электроснабжения. Расчет системы состоит из 4-х основных этапов.
Определение нагрузки и потребляемой энергии.
Определение значений необходимой мощности инвертора, емкости аккумуляторной батареи
Определение необходимого количества фотоэлектрических модулей исходя из данных по приходу солнечной радиации в месте установки системы.
Расчет стоимости системы.
После выполнения 4 шага, если стоимость системы недопустимо велика, можно рассмотреть следующие варианты уменьшения стоимости системы автономного электроснабжения:
уменьшение потребляемой энергии за счет замены существующей нагрузки на энергоэффективные приборы, а также исключение тепловой, «фантомной» и необязательной нагрузки;
замену нагрузки переменного тока на нагрузку постоянного тока. В этом случае можно выиграть на отсутствии потерь в инверторе (от 10 до 40%);
введение в систему электроснабжения дополнительного источника электроэнергии – ветроустановки, дизель- или бензогенератора или электрогазогенераторной установки;
смириться с тем, что электроэнергия будет не всегда. И чем больше будет мощность системы отличаться от потребляемой мощности, тем более вероятны будут периоды отсутствия электроэнергии.
Расчет автономной ФЭС
1. Определение энергопотребления
Необходимо составить список устройств-потребителей электроэнергии, которые будут запитаны от ФЭС. Определите потребляемую мощность во время их работы. Большинство устройств имеют маркировку, на которой указана номинальная потребляемая мощность в ваттах или киловаттах. Если указан потребляемый ток, то нужно умножить его величину на номинальное напряжение (обычно 220 В). Для справки можно посмотреть значения потребляемой мощности для типовой бытовой нагрузки.
1.1. Перечислите всю нагрузку переменного тока, ее номинальную мощность и число часов работы в неделю. Умножьте мощность на число часов работы для каждого прибора. Сложите получившиеся значения для определения суммарной потребляемой энергии переменного тока в неделю. 1.2. Далее нужно подсчитать, сколько энергии постоянного тока потребуется. Для этого нужно умножить получившееся значение на коэффициент 1,2, учитывающий потери в инверторе. 1.3. Определите значение входного напряжения инвертора по характеристикам выбранного инвертора. Обычно это 12 или 24 В. 1.4. Разделив значение п.1.2 на значение п.1.3., получаем число Ампер-часов в неделю, требуемое для покрытия требуемой нагрузки переменного тока. Подсчет нагрузки постоянного тока. 1.5. Определите суммарную нагрузку постоянного тока 1.6. Определите напряжение в системе постоянного тока. Обычно это 12 или 24 В. (Как в п.1.3) 1.7. Определите требуемое количество Ач в неделю для нагрузки постоянного тока (разделите значение п.1.5 на значение п.1.6). 1.8. Сложите значение п.1.4 и п. 1.7 для определения суммарной требуемой емкости аккумуляторной батареи. Это будет количество Ач, потребляемых в неделю. 1.9. Разделив значение п.1.8 на 7 дней; получается суточное значение потребляемых Ач.
2. Оптимизация нагрузки
На этом этапе важно проанализировать нагрузку и попытаться уменьшить потребляемую мощность как можно больше. Это важно для любой системы, но особенно важно для системы электроснабжения жилого дома, так как экономия может быть очень существенной. Сначала нужно определить большую и изменяемую нагрузку (например, насосы для воды, наружное освещение, холодильники переменного тока, стиральная машина, электронагревательные приборы и т. п) и попытаться исключить их из системы или заменить на другие аналогичные модели, работающие от постоянного тока. Начальная стоимость приборов постоянного тока обычно выше, чем таких же приборов переменного тока, но при этом исключаются потери в инверторе. Более того, зачастую приборы постоянного тока более эффективны, чем приборы переменного тока (во многих бытовых приборах переменный ток преобразуется в постоянный, что ведет к потерям энергии в блоках питания приборов). Желательно заменить лампы накаливания на люминесцентные лампы везде, где это возможно. Люминесцентные лампы обеспечивают такой же уровень освещенности при том, что потребляют в 4-5 раз меньше электроэнергии. При этом срок их службы примерно в 8 раз больше. Если имеется нагрузка, которую невозможно исключить, рассмотрите вариант, при котором она будет включаться только в солнечные периоды, или только летом. Пересмотрите список нагрузки и пересчитайте данные.
3. Определение состава и размера аккумуляторной батареи (АБ)
Рекомендуем использовать герметичные необслуживаемые свинцово-кислотные аккумуляторы, которые обладают самыми лучшими эксплуатационно-экономическими параметрами. Далее нужно определить, сколько энергии нужно получать от аккумуляторной батареи. Часто это определяется количеством дней, в течение которых АБ будет питать нагрузку самостоятельно без подзарядки. Дополнительно к этому параметру нужно учитывать характер работы системы электроснабжения. Например, если устанавливается система для загородного дома, который будет посещаться только на выходные, лучше установить АБ большей емкости, потому что она может заряжаться в течение всей недели, а отдавать энергию только в выходные дни. С другой стороны, если добавить фотоэлектрические модули к уже существующей системе электроснабжения, стационарной или на базе дизель- или бензогенератора, батарея может иметь меньшую емкость, чем расчетная, потому что этот генератор может быть включен для подзарядки АБ в любое время. После определения требуемой емкости АБ, можно переходить к рассмотрению следующих очень важных параметров. 3.1. Определение максимальное число последовательных «дней без солнца» (т. е. когда солнечной энергии недостаточно для заряда АБ и работы нагрузки из-за непогоды или облачности). Можно принять за этот параметр установленное количество дней, в течение которых АБ будет питать нагрузку самостоятельно без подзаряда. 3.2. Умножьте суточное потребление в А*ч (см. п.1.9 расчета потребляемой энергии) на количество дней, определенных в предыдущем пункте. 3.3. Задайте величину глубины допустимого разряда АБ. Учитывайте, что чем больше глубина разряда, тем быстрее АБ выйдут из строя. Рекомендуем значение глубины разряда 20% (не более 30%). Это значит, что возможно использование 20% от значения номинальной емкости вашей АБ. Используйте коэффициент 0,2 (или 0,3). Ни при каких обстоятельствах разряд батареи не должен превышать 80%! 3.4. Разделите п.3.2 на п.3.3 3.5. Выберите коэффициент из таблицы, приведенной ниже, который учитывает температуру окружающей среды в помещении, где установлены АБ. Обычно это средняя температура в зимнее время. Этот коэффициент учитывает уменьшение емкости АБ при понижении температуры. Температурный коэффициент для аккумуляторной батареи
Фаренгейта
Цельсия
Коэффициент
80F
26,7C
1.00
70F
21,1C
1.04
60F
15,6C
1.11
50F
10,0C
1.19
40F
4,4C
1.30
30F
-1,1C
1.40
20F
-6,7
1.59
3.6. Умножьте значение п.3.5 на коэффициент. Получается общая требуемая емкость АБ. 3.7. Разделите это значение на номинальную емкость выбранной аккумуляторной батареи. Округлите полученное значение до ближайшего большего целого. Это будет количество батарей, которые будут соединены параллельно. 3.8. Разделите номинальное напряжение постоянного тока системы (12, 24 или 48В) на номинальное напряжение выбранной аккумуляторной батареи (обычно 2, 6 или 12В). Округлите полученное значение до ближайшего большего целого. Вы получите значение последовательно соединенных батарей. 3.9. Умножьте значение п.3.7 на значение п.3.8. для того, чтобы подсчитать требуемое количество аккумуляторных батарей.
4. Определение количества пиковых солнце-часов в день
Несколько факторов влияют на то, как много солнечной энергии будет принимать солнечная батарея: • Когда будет использоваться система? Летом? Зимой? Круглый год? • Типичные погодные условия вашей местности • Будет ли система ориентироваться на солнце • Расположение и угол наклона фотоэлектрических модулей Для определения среднемесячного прихода солнечной радиации можно воспользоваться таблицей прихода солнечной радиации для некоторых городов России. Выработка электроэнергии солнечноей фотоэлектрической батареей (СБ) зависит от угла падения солнечных лучей на СБ. Максимум бывает при угле 90 градусов. При отклонении от этого угла все большее количество лучей отражается, а не поглощается СБ. Зимой солнечной радиации значительно меньше из-за того, что дни короче, облачных дней больше, солнце стоит ниже на небосклоне. Если система будет использоваться только летом, используйте летние значения, если круглый год, используйте значения для зимы. Для надежного электроснабжения выбирайте из среднемесячных значений наименьшее для периода, в течение которого будет использоваться ФЭС. Выбранное среднемесячное значение для худшего месяца нужно разделить на число дней в месяце. Получите среднемесячное количество пиковых солнце-часов, которое будет использоваться для расчета Вашей СБ.
5. Расчет солнечной фотоэлектрической батареи
Необходимо определить общее количество модулей, необходимых для вашей системы. Ток в точке максимальной мощности Impp может быть определен из спецификаций модулей. Вы также можете определить Impp поделив номинальную мощность модуля на напряжение в точке максимальной мощности Umpp (обычно 17 — 17.5 В для 12-вольтового модуля). 5.1. Умножьте значение п. 1.9 на коэффициент 1.2 для учета потерь на заряд-разряд АБ 5.2. Разделите полученное значение на среднее число пиковых солнце-часов в вашей местности. Вы получите ток, который должна генерировать СБ 5.3. Для определения числа модулей, соединенных параллельно разделите значение п. 5.2 на Impp одного модуля. Округлите полученное число до ближайшего большего целого. 5.4. Для определения числа модулей, соединенных последовательно, разделите напряжение постоянного тока системы (обычно 12, 24, 48 В) на номинальное напряжение модуля (обычно 12 или 24 В). 5.5. Общее количество требуемых фотоэлектрических модулей равно произведению значений п. 5.3 и п. 5.4
6. Расчет стоимости системы
Для расчета стоимости фотоэлектрической системы электроснабжения нужно сложить стоимости СБ, АБ, инвертора, контроллера заряда АБ и соединительной арматуры (провода, выключатели, предохранители и т. п. ) Стоимость СБ равна произведению значения п.5.5 на стоимость одного модуля. Стоимость АБ равна произведению значения п.3.9 на стоимость одной аккумуляторной батареи. Стоимость инвертора зависит от его мощности и типа. Стоимость соединительной арматуры можно принять примерно равной 0,1-1% от стоимости системы.
Другие статьи