Jak obliczyć odpowiednią konfigurację dla własnego małego systemu niezależnego od sieci?

Czy kiedykolwiek myślałeś o wykorzystaniu własnego systemu zasilania słonecznego w górskiej chacie, łodzi rybackiej lub kamperze, aby uniezależnić się od publicznej sieci energetycznej?

W rzeczywistości nie jest to zadanie tylko dla inżynierów. Wystarczy opanować kilka kluczowych kroków i wzorów, aby obliczyć odpowiednią konfigurację dla własnego, małego, niezależnego od sieci systemu fotowoltaicznego.

System fotowoltaiczny poza siecią elektroenergetyczną (off-grid) to niezależny system, który nie jest zależny od sieci publicznej, lecz opiera się wyłącznie na wytwarzaniu energii fotowoltaicznej i magazynowaniu energii w akumulatorach, aby zaspokoić zapotrzebowanie na energię elektryczną. Idealnie nadaje się do stosowania w odległych obszarach górskich, na wyspach, w regionach pasterskich, w kamperach, na łodziach rybackich i w innych lokalizacjach o niestabilnym zasilaniu sieciowym.

Poniżej przedstawimy cztery kroki umożliwiające obliczenie wymaganej konfiguracji.

Krok 1: Określ moc modułu fotowoltaicznego

Moc paneli fotowoltaicznych (paneli słonecznych) określa ilość energii elektrycznej, jaką Twój system może wytworzyć.

Podstawowa metoda obliczeń jest następująca: najpierw należy określić dzienne zapotrzebowanie na energię elektryczną, a następnie połączyć je z lokalnymi warunkami klimatycznymi (szczególnie z czasem nasłonecznienia), aby określić całkowitą moc paneli fotowoltaicznych.

Wzór:

Moc modułu = (Dzienne zapotrzebowanie na energię elektryczną × Współczynnik nadwyżki w ciągu dnia z ciągłym zachmurzeniem) ÷ (Lokalna średnia liczba godzin słonecznych × Sprawność systemu)

* Dzienne zużycie energii elektrycznej: Można je obliczyć poprzez zsumowanie znamionowej mocy wszystkich urządzeń pomnożonej przez czas ich użytkowania.

Na przykład, oświetlenie LED 10 W × 5 godzin = 50 Wh, lodówka 60 W × 24 godziny = 1440 Wh.

* Współczynnik nadmiaru ciągłego dnia pochmurnego: Aby uwzględnić niewystarczającą produkcję energii w kolejne dni pochmurne, współczynnik ten jest zwykle ustawiany na wartość pomiędzy 1.1 a 1.3.

* Lokalna średnia dzienna liczba godzin słonecznych: Można ją uzyskać na podstawie lokalnych danych meteorologicznych. Na przykład w Pekinie średnio około 4 godzin słonecznych dziennie, podczas gdy na Hajnanie może ich być ponad 5.

* Sprawność systemu: uwzględnia straty na kablach, sprawność sterownika, straty na falowniku itp. i zazwyczaj mieści się w przedziale od 0.75 do 0.8.

Na przykład:

Zakładając, że Twoje dzienne zużycie energii elektrycznej wynosi 3,000 Wh, średnia lokalna liczba godzin nasłonecznienia wynosi 4.5 godziny, sprawność systemu wynosi 0.78, a współczynnik ciągłych dni deszczowych wynosi 1.2:

Moc modułu = (3,000 × 1.2) ÷ (4.5 × 0.78) ≈ 1,026 W

Oznacza to, że musisz zainstalować panele fotowoltaiczne o łącznej mocy około 1 kW, na przykład cztery moduły o mocy 250 W.

Krok 2: Określ moc falownika poza siecią

Falownik przetwarza prąd stały (DC) z paneli fotowoltaicznych lub akumulatorów na prąd przemienny (AC) nadający się do wykorzystania w zwykłych urządzeniach gospodarstwa domowego.

Jego moc musi być wystarczająca, aby pokryć maksymalne chwilowe zapotrzebowanie na moc, zwłaszcza biorąc pod uwagę prąd rozruchowy obciążeń indukcyjnych (urządzeń napędzanych silnikiem).

Wzór:

Moc falownika = (Całkowita moc obciążenia rezystancyjnego + Całkowita moc obciążenia indukcyjnego × 5) × Współczynnik marginesu ÷ Współczynnik mocy

* Obciążenia rezystancyjne: Urządzenia rezystancyjne, takie jak żarówki, czajniki elektryczne i piekarniki.

* Obciążenia indukcyjne: Urządzenia z silnikami lub sprężarkami, takie jak lodówki, pompy wodne, klimatyzatory itp. Chwilowa moc podczas rozruchu może być 5–7 razy większa od mocy znamionowej.

* Współczynnik bezpieczeństwa: Zwykle ustalany na poziomie 1.2–1.5 w celu zapewnienia marginesu.

* Współczynnik mocy: Zwykle ustawiony na 0.8–0.9.

Przykład:

Zakładając, że masz oprawę oświetleniową o mocy 200 W (obciążenie rezystancyjne), lodówkę o mocy 100 W (obciążenie indukcyjne), współczynnik zapasu 1.3 i współczynnik mocy 0.85:

Moc falownika = (200 + 100 × 5) × 1.3 ÷ 0.85

≈ (200 + 500) × 1.3 ÷ 0.85

≈ 700 × 1.3 ÷ 0.85

≈ 1070 W

Będziesz potrzebować falownika o minimalnej mocy 1.1 kW. Dla większej stabilności zaleca się wybór modelu o mocy 1.5 kW.

Krok 3: Określ pojemność baterii

Akumulator to „magazyn energii” systemu off-grid, a energia elektryczna zużywana w nocy lub w pochmurne dni pochodzi głównie z niego. Pojemność akumulatora zależy od liczby dni, w których potrzebne jest ciągłe zasilanie, oraz od dziennego zużycia energii elektrycznej.

Wzór:

Pojemność akumulatora (Ah) = (Dzienne zużycie energii elektrycznej × Liczba dni zasilania w pochmurne dni) ÷ (Głębokość rozładowania × Wydajność ładowania/rozładowania × Napięcie akumulatora)

* Głębokość rozładowania (DOD): W przypadku akumulatorów kwasowo-ołowiowych zaleca się DOD na poziomie 0.5–0.6; w przypadku akumulatorów litowych akceptowalny jest DOD na poziomie 0.8–0.9.

* Sprawność ładowania/rozładowywania: Zwykle ustawiona na 0.85–0.9.

* Napięcie akumulatora: Typowe napięcia to 12 V, 24 V i 48 V; w przypadku większego zapotrzebowania na energię zalecane jest stosowanie wyższych napięć.

Przykład:

Zakładając, że zużywasz 3000 Wh dziennie i chcesz mieć energię na 2 dni przy pochmurnej pogodzie, używając akumulatora litowego 48 V (DOD = 0.9, sprawność = 0.9):

Pojemność baterii = (3000 × 2) ÷ (0.9 × 0.9 × 48)

≈ 6000 ÷ 38.88

≈ 154 Ah

Potrzebny będzie akumulator 48 V 154 Ah (około 7.4 kWh).

Krok 4: Określ specyfikację kontrolera

Sterownik fotowoltaiczny reguluje proces ładowania modułów fotowoltaicznych do akumulatora.

Jego specyfikacje zależą przede wszystkim od maksymalnego prądu wejściowego, obliczanego według następującego wzoru:

Wzór:

Prąd wejściowy kontrolera = Maksymalna moc modułów fotowoltaicznych ÷ Napięcie akumulatora

Na przykład, jeśli Twoje panele fotowoltaiczne mają łączną moc 1000 W, a napięcie akumulatora wynosi 48 V:

Prąd wejściowy kontrolera = 1000 ÷ 48 ≈ 20.8 A

W związku z tym należy wybrać regulator o prądzie wejściowym większym niż 21 A, zazwyczaj typu MPPT (wyższa sprawność, korzystniejsza w pochmurne dni).

Praktyczne wskazówki

1. Należy uwzględnić margines: żywotność i stabilność operacyjna sprzętu zależą od odpowiedniej konstrukcji redundantnej; nie należy ustalać parametrów zbyt sztywno.
2. MPPT jest lepszy od PWM: Mimo że regulatory MPPT są nieco droższe, oferują większą wydajność wytwarzania energii, szczególnie w niestabilnych warunkach oświetleniowych.
3. Wybierz akumulatory litowo-jonowe: są kompaktowe, lekkie i można je rozładowywać do głębokiego rozładowania, co pozwala na długoterminowe oszczędności.
4. Zaplanuj przyszłą rozbudowę: Jeśli planujesz w przyszłości dodać więcej urządzeń, upewnij się, że zarówno dla systemu fotowoltaicznego, jak i akumulatorów jest wystarczająca przepustowość interfejsu.

Podstawą projektowania małego, niezależnego od sieci systemu fotowoltaicznego jest precyzyjne obliczenie konfiguracji na podstawie rzeczywistych potrzeb, a nie po prostu „zakup kilku paneli i akumulatorów” i na tym poprzestanie.

Opanuj te 4 formuły:

1. Wzór na moc modułu fotowoltaicznego
2. Wzór na moc falownika
3. Wzór na pojemność baterii
4. Wzór na prąd wejściowy kontrolera

Następnie można obliczyć konfigurację małego systemu niezależnego od sieci, który będzie zarówno wystarczający, jak i stabilny.

Projektując po raz pierwszy, możesz dodać dodatkowy margines w wysokości 10–20% na podstawie wyników formuły. Dzięki temu będziesz mieć większą elastyczność w radzeniu sobie ze zmianami pogody i rozbudową sprzętu.