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).