Расчёт фотоэлектрической системы

Все фотоэлектрические системы (ФЭС) можно разделить на два типа : автономные и соединенные с электрической сетью. Станции второго типа отдают излишки энергии в сеть, которая служит резервом в случае возникновения внутреннего дефицита энергии.

Автономная система в общем случае состоит из набора солнечных модулей, размещенных на опорной конструкции или на крыше, аккумуляторной батареи (АКБ), контроллера разряда - заряда аккумулятора, соединительных кабелей. Если потребителю необходимо иметь переменное напряжение, то к этому комплекту добавляется инвертор-преобразователь постоянного напряжения в переменное.

Под расчетом ФЭС понимается определение номинальной мощности модулей, их количества, схемы соединения; выбор типа, условий эксплуатации и емкости АКБ; мощностей инвертора и контроллера заряда-разряда; определение параметров соединительных кабелей.

Прежде всего надо определить суммарную мощность всех потребителей, подключаемых одновременно. Мощность каждого из них измеряется в ваттах и указана в паспортах изделий. На этом этапе уже можно выбрать мощность инвертора, которая должна быть не менее, чем в 1,25 раза больше расчетной. Следует иметь в виду, что такой хитрый прибор как компрессорный холодильник в момент запуска потребляет мощность в 7 раз больше паспортной. Номинальный ряд инверторов 150, 300, 500, 800, 1500, 2500, 5000 Вт. Для мощных станций (более 1кВт) напряжение станции выбирается не менее 48 В, т.к. на больших мощностях инверторы лучше работают с более высоких исходных напряжений.

Следующий этап - это определение емкости АКБ. Емкость АКБ выбирается из стандартного ряда емкостей с округлением в сторону, большую расчетной. А расчетная емкость получается простым делением суммарной мощности потребителей на произведение напряжения АКБ на значение глубина разряда аккумулятора в долях.

Например, если суммарная мощность потребителей 1000 Втч в сутки, а допустимая глубина разряда АКБ 12 В - 50 %, то расчетная емкость составит :

1000 / (12 * 0,5) = 167 Ач

При расчете емкости АКБ в полностью автономном режиме необходимо принимать во внимание и наличие в природе пасмурных дней в течении которых аккумулятор должен обеспечивать работу потребителей.

Последний этап –это определение суммарной мощности и количества солнечных модулей. Для расчета потребуется значение солнечной радиации, которое берется в период работы станции, когда солнечная радиация минимальна. В случае круглогодичного использования - это декабрь.

В разделе “метеорология” даны месячные и суммарные годовые значения солнечной радиации для основных регионов России, а также с градацией по различным ориентациям световоспринимающей плоскости.

Взяв оттуда значение солнечной радиации за интересующий нас период и разделив его на 1000, получим так называмое количество пикочасов, т.е., условное время, в течении которого солнце светит как бы с интенсивностью 1000 Вт/м² .

Например, для широты Москвы и месяца-июля значение солнечной радиации составляет 167 кВтч/м² при ориентации площадки на юг под углом 40^о к горизонту. Это значит, что среднестатистически солнце светит в июле 167 часов (5,5 часов в день) с интнсивностью 1000 Вт/м² , хотя максимальная освещенность в полдень на площадке, ориентированной перпендикулярно световому потоку, не превышает 700-750 Вт/м² .

Модуль мощностью Р_w в течении выбранного периода выработает следующее количество энергии :

W = k P_w E / 1000, где Е - значение инсоляции за выбранный период, k- коэффициент равный 0,5 летом и 0,7 в зимний период.

Он (k) делает поправку на потерю мощности солнечных элементов при нагреве на солнце, а также учитывает наклонное падение лучей на поверхность модулей в течении дня.

Разница в его значении зимой и летом обусловлена меньшим нагревом элементов в зимний период.

Исходя из суммарной мощности потребляемой энергии и приведенной выше формулы - легко расчитать суммарную мощность модулей. А зная ее, простым делением ее на мощность одного модуля, получим количество модулей.

При создании ФЭС настоятельно рекомендуется максимально снизить мощность потребителей. Например, в качестве осветителей использовать (по возможности) только люминисцентные лампы. Такие светильники, при потреблении в 5 раз меньшем, обеспечивают световой поток, эквивалентный световому потоку лампы накаливания.

Для небольших ФЭС целесообразно устанавливать ее модули на поворотном кронштейне для оптимального разворота относительно падающий лучей. Это позволит увеличить мощность станции на 20-30 %.

В солнечных батареях с защитным покрытием из обычного стекла применяются фотоэлектрические элементы с КПД от 12% и выше (в среднем 13-16%). Обычно толщина алюминиевой рамки составляет 28 или 38 мм.

Средний КПД солнечной батареи составляет 12-14%. Отличные эксплуатационные и технические характеристики в сочетании с доступной ценой делают эти фотоэлектрические модули хорошим выбором для электроснабжения маломощных удаленных объектов.

Расчет фотоэлектрической системы

Ниже приведен простой пошаговый метод расчета фотоэлектрической системы (ФЭС). Этот метод поможет Вам определить требования к системе и выбрать необходимые Вам компоненты системы электроснабжения.

Расчет системы состоит из 4-х основных этапов:

1. Определение нагрузки и потребляемой энергии
2. Определение значений необходимой мощности инвертора и емкости аккумуляторной батареи
3. Определение необходимого количества фотоэлектрических модулей исходя из данных по приходу солнечной радиации в месте установки системы.
4. 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 (например, можно использовать холодильники, кондиционеры и т.п., работающие на газе)
• замену нагрузки переменного тока на нагрузку постоянного тока. В этом случае можно выиграть на остутствии потерь в инверторе (от 10 до 40%). Однако, нужно учитывать особенности построения низковольтных систем постоянного тока.
• введение в систему электроснабжения дополнительного генератора электроэнергии - ветроустановки или дизель- или бензогенератора.
• смириться с тем, что электроэнергия будет у Вас не всегда. И чем больше будет мощность системы отличаться от потребляемой мощности, тем более вероятны будут у Вас периоды отсутствия электроэнергии.

Расчет автономной ФЭС

1. Определение энергопотребления

Составьте список устройств-потребителей электроэнергии, которые Вы собираетесь питать 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 этот ток на номинальное напряжение (обычно 220 В). Для справки Вы можете посмотреть значения потребляемой мощности для типовой бытовой нагрузки.

После того, как Вы узнаете данные по потребляемой мощности Вашей нагрузки, Вам нужно заполнить таблицу №1.

Используйте эту таблицу для определения общей дневной потребляемой энергии.

Подсчитайте нагрузку переменного тока. Если у Вас нет такой нагрузки, то можете пропустить этот шаг и перейти к подсчету нагрузки постоянного тока.

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. Разделите значение п.1.2 на значение п.1.3. Вы получите число Ампер-часов в неделю, требуемое для покрытия вашей нагрузки переменного тока.

Подсчитайте нагрузку постоянного тока

1.5. Запишите данные нагрузки 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 А*ч 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 А*ч, потребляемых в неделю.

1.9. Разделите значение п.1.8 на 7 дней; Вы получите суточное значение потребляемых А*ч.

2. Оптимизируйте Вашу нагрузку

На этом этапе важно проанализировать Вашу 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 определите большую и изменяемую нагрузку (например, насосы для воды, наружное освещение, холодильники переменного тока, стиральная машина, электронагревательные приборы и т.п) и попытайтесь исключить их из вашей системы или заменить на другие аналогичные модели, такие как приборы, работающие на газе или от постоянного тока.

Начальная стоимость приборов постоянного тока обычно выше (потому что они выпускаются не в таком массовом количестве), чем таких же приборов переменного тока, но вы избежите потерь в инверторе. Более того, зачастую приборы постоянного тока более эффективны, чем приборы переменного тока (во многих бытовых приборах, особенно электронных, переменный ток преобразуется в постоянный, что ведет к потерям энергии в блоках питания приборов).

Замените лампы накаливания на люминесцентные лампы везде, где это возможно. Люминесцентные лампы обеспечивают такой же уровень освещенности при том, что потребляют в 4-5 раз меншье электроэнергии. Срок их службы также примерно в 8 раз больше.

Если у Вас есть нагрузка, которую Вы не можете исключить, рассмотрите вариант, при котором Вы будете включать ее только в солнечные периоды, или только летом. Пересмотрите список Вашей нагрузки и пересчитайте данные.

3. Определите состав и размер вашей аккумуляторной батареи (АБ)

Выберите тип аккумуляторной батареи, которую Вы будете использовать. Мы рекомендуем использовать герметичные необслуживаемые свинцово-кислотные аккумуляторы, которые обладают самыми лучшими эксплуатационно-экономическими параметрами.

Далее Вам нужно определить, сколько энергии Вам нужно получать от аккумуляторной батареи. Часто это определяется количеством дней, в течение которых АБ будет питать нагрузку самостоятельно без подзаряда. Дополнительно к этому параметру Вам нужно учитывать характер работы системы электроснабжения. Например, если Вы устанавливаете систему для Вашего загородного дома, который Вы посещаете только на выходные, Вам 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 Вы добавляете фотоэлектрические модули к уже существующей системе электроснабжения на базе дизель- или бензогенератора, Ваша батерея может иметь меньшую емкость, чем расчетная, потому что этот генератор может быть включен для подзаряда АБ в любое время.

После того, как Вы определите требуемую емкость АБ, можно переходить к рассмотрению следующих очень важных параметров.

3.1. Определите максимальное число последовательных "дней без солнца" (т.е. когда солнечной энергии недостаточно для заряда АБ и работы нагрузки из-за непогоды или облачности). Вы также можете принять за этот параметр выбранное Вами 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 выше) на количество дней, определенных в предыдущем пункте.

3.3. Задайте величину глубины допустимого разряда АБ. Учитывайте, что чем больше глубина разряда, тем быстрее Ваши АБ выйдут из строя. Мы рекомендуем значение глубины разряда 20% (не более 30%), что значит что Вы можете использовать 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, приведеной 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

3.6. Умножьте значение п.3.4 на коэффициент п.3.5. Вы получите общую требуемую емкость АБ.

3.7. Разделите это значение на номинальную емкость выбранной Вами 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. Определите количество пиковых солнце-часов в день для вашего места

Несколько факторов влияют на то, как много солнечной энергии будет принимать Ваша 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 Вы можете 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 приход радиации значительно меньше из-за того, что дни короче, облачных дней больше, Солнце стоит ниже на небосклоне. Если Вы используете Вашу систему только летом, используйте летние значения, если круглый год, используете 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. Вы получите среднемесячное количество число пиковых солнце-часов, которое будет использоваться для расчета Вашей СБ.

5. Расчет солнечной фотоэлектрической батареи

Выберите модуль из списка предлагаемых. Для определения характеристик и цен фотоэлектрических модулей зайдите на соответствующую страницу Интернет-магазина.

Далее необходимо определить общее количество модулей, необходимых для вашей системы.

Ток в точке максимальной мощности I_mpp может быть определен из спецификаций модулей. Вы также можете определить I_mpp поделив номинальную мощность модуля на напряжение в точке максимальной мощности U_mpp (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 I_mpp 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 (см. цены в интернет-магазине). Стоимость АБ равна произведению значения п.3.9 на стоимость одной аккумуляторной батареи (см. цены в интернет-магазине). Стоимость инвертора зависит от его мощности и типа. Мы предлагаем инверторы мощностью 1 и 2 кВт с синусоидальной формой выходного напряжения и инверторы мощностью от 1 до 6 кВт со ступенчатой формой выходного напряжения. Стоимость соединительной арматуры можно принять примерно равной 0,1-1% от стоимости системы.

7. Готовая таблица для расчета системы

Для вашего удобства мы составили специальную таблицу расчета фотоэлектрической системы в виде таблице MS Excel. Вы можете сгрузить ее по этой ссылке.

Вы также можете воспользоваться online формой расчета фотоэлектрической системы, которая сразу посчитает Вам почти все технические параметры автономной фотоэлектрической системы.

8. Определитесь, нужна ли Вам готовая система или Вы будете собирать систему электроснабжения из компонентов сами

Мы разработали фотоэлектрические комплекты для различных случаев. Хотя Вы можете спроектировать систему электроснабжения сами, используя изложенную выше методику, выбор комплекта гарантирует, что все элементы системы подобраны правильно. Также зачастую цена комплекта ниже суммарной стоимости его составляющих. Перейдите на страницу с описанием готовых комплектов фотоэлектрических систем.

Однако если Вам нужна специфическая система, Вы можете выбрать соответствующее оборудования для Ваших нужд в нашем каталоге. Вам может потребоваться следующие компоненты системы:

• Контроллер заряда
• Инвертор
• Соединительные провода
• Предохранители, переключатели и разъемы
• Измерители и индикаторы
• Инструмент для монтажа
• Резервный генератор

Типовые параметры фотоэлектрических модулей серии ТСМ