Jak zaprojektować i zainstalować system fotowoltaiczny?

Współczesny świat potrzebuje energii do różnych codziennych zastosowań, takich jak produkcja przemysłowa, ogrzewanie, transport, rolnictwo, oświetlenie itp. Większość zapotrzebowania na energię jest zwykle zaspokajana przez nieodnawialne źródła energii, takie jak węgiel, ropa naftowa, gaz ziemny itp. Jednak wykorzystanie takich zasobów ma duży wpływ na środowisko.

Ponadto ta forma zasobu energii nie jest równomiernie rozłożona na ziemi. Istnieje niepewność cen rynkowych, tak jak w przypadku ropy naftowej, ponieważ jest ona uzależniona od produkcji i wydobycia z jej zasobów. Ze względu na ograniczoną dostępność źródeł nieodnawialnych, w ostatnich latach wzrosło zapotrzebowanie na źródła odnawialne.

Energia słoneczna znalazła się w centrum uwagi, jeśli chodzi o odnawialne źródła energii. Jest łatwo dostępna w dużych ilościach i ma potencjał, aby zaspokoić zapotrzebowanie energetyczne całej naszej planety. Samodzielny system fotowoltaiczny jest jednym z podejść, jeśli chodzi o zaspokojenie naszego zapotrzebowania na energię niezależnie od zakładu energetycznego. Dlatego poniżej pokrótce przyjrzymy się planowaniu, projektowaniu i instalacji samodzielnego systemu fotowoltaicznego do wytwarzania energii elektrycznej.

Planowanie autonomicznego systemu fotowoltaicznego

Ocena lokalizacji, geodezja i ocena zasobów energii słonecznej:

Ponieważ moc generowana przez system fotowoltaiczny różni się znacznie w zależności od czasu i położenia geograficznego, sprawą najwyższej wagi staje się właściwy wybór miejsca dla samodzielnej instalacji fotowoltaicznej. Dlatego przy ocenie i wyborze lokalizacji do instalacji należy wziąć pod uwagę następujące punkty.

1. Minimalny cień: Należy upewnić się, że wybrane miejsce na dachu lub na ziemi nie ma cienia ani żadnej konstrukcji, która przechwytuje promieniowanie słoneczne padające na instalowane panele. Upewnij się również, że w pobliżu instalacji nie będzie wkrótce żadnych konstrukcji, które mogłyby powodować problem zacienienia.
2. Powierzchnia: Powierzchnia miejsca, w którym ma być zainstalowana instalacja fotowoltaiczna, powinna być znana, aby oszacować rozmiar i liczbę paneli wymaganych do wytworzenia wymaganej mocy wyjściowej dla obciążenia. Pomaga to również zaplanować instalację falownika, konwerterów i baterii akumulatorów.
3. Dach: W przypadku montażu na dachu należy znać typ dachu i jego konstrukcję. W przypadku dachów uchylnych należy znać kąt nachylenia i zastosować niezbędne mocowanie, aby panele miały więcej padającego promieniowania słonecznego, tj. idealnie kąt promieniowania musi być prostopadły do ​​panelu PV i praktycznie równy 90 stopni.
4. Trasy: Możliwe trasy kabli z falownika, baterii akumulatorów, kontrolera ładowania i generatora fotowoltaicznego muszą być zaplanowane w taki sposób, aby zminimalizować wykorzystanie kabli i mniejszy spadek napięcia w kablach. Projektant powinien wybierać między wydajnością a kosztem systemu.

Aby oszacować moc wyjściową, najważniejsze znaczenie ma ocena energii słonecznej wybranego miejsca. Nasłonecznienie jest definiowane jako miara energii słonecznej odbieranej na określonym obszarze w określonym czasie. Dane te można znaleźć za pomocą piranometru, jednak nie jest to konieczne, ponieważ dane dotyczące nasłonecznienia można znaleźć w najbliższej stacji meteorologicznej. Podczas oceny energii słonecznej dane mogą być mierzone na dwa sposoby w następujący sposób:

• Kilowatogodziny na metr kwadratowy na dzień (KWh/m ² /dzień): Jest to ilość energii mierzona w kilowatogodzinach, przypadająca na metr kwadratowy na dzień.
• Dzienne godziny szczytu słonecznego: Liczba godzin w ciągu dnia, podczas których natężenie promieniowania wynosi średnio 1000 W/ ^m2 .

Godziny szczytu słonecznego są najczęściej używane, ponieważ upraszczają obliczenia. Nie można ich mylić ze „średnimi godzinami nasłonecznienia” i „ godzinami szczytu słońca”. „Średnie godziny nasłonecznienia” wskazują liczbę godzin nasłonecznienia, ponieważ „Szczytowe godziny nasłonecznienia” to rzeczywista ilość otrzymanej energii w KWh/m2 ^/ dzień. Spośród wszystkich miesięcy w ciągu roku należy zastosować najniższą średnią dobową wartość nasłonecznienia, ponieważ zapewni to bardziej niezawodną pracę systemu, gdy słońce jest najmniej widoczne z powodu nieodpowiednich warunków pogodowych.

 

Uwagi dotyczące autonomicznego systemu fotowoltaicznego

Obliczanie zapotrzebowania na energię

Wielkość autonomicznego systemu fotowoltaicznego zależy od zapotrzebowania na energię. Obciążenie i czas jego pracy są różne dla różnych urządzeń, dlatego należy zachować szczególną ostrożność podczas obliczania zapotrzebowania na energię. Zużycie energii przez obciążenie można określić, mnożąc moc znamionową (W) obciążenia przez liczbę godzin jego pracy. Tak więc jednostkę można zapisać jako wat × godzina lub po prostu Wh.

Zapotrzebowanie na energię Watogodzina = Moc znamionowa w watach × Czas pracy w godzinach.

W ten sposób całkowite dzienne zapotrzebowanie na energię w Wh jest obliczane poprzez dodanie indywidualnego dziennego zapotrzebowania na obciążenie każdego urządzenia.

Całkowite zapotrzebowanie na energię Watogodzina = ∑ (moc znamionowa w watach × czas pracy w godzinach).

System należy zaprojektować na najgorszy scenariusz, czyli na dzień największego zapotrzebowania na energię. System zaprojektowany z myślą o najwyższych wymaganiach zapewni niezawodność systemu. Jeśli system spełnia szczytowe zapotrzebowanie, spełni najniższe zapotrzebowanie. Jednak zaprojektowanie systemu pod kątem najwyższego zapotrzebowania zwiększy całkowity koszt systemu. Z drugiej strony system będzie w pełni wykorzystany tylko w szczytowym obciążeniu. Musimy więc wybierać między kosztem a niezawodnością systemu.

Oceny falownika i konwertera (kontrolera ładowania).

Aby wybrać odpowiedni falownik, należy określić napięcie wejściowe i wyjściowe oraz prąd znamionowy. Napięcie wyjściowe falownika jest określone przez obciążenie systemu, powinien być w stanie obsłużyć prąd obciążenia oraz prąd pobierany z baterii akumulatorów. Na podstawie całkowitego obciążenia podłączonego do systemu można określić moc znamionową falownika.

Rozważmy w naszym przypadku 2,5 kVA, stąd z rynku należy wybrać inwerter o mocy o 20-30% większej niż moc napędzająca obciążenie. W przypadku obciążenia silnika powinno być ono 3-5 razy większe niż zapotrzebowanie mocy takiego urządzenia. W przypadku konwertera regulator ładowania jest oceniany pod względem prądu i napięcia. Jego aktualna wartość znamionowa jest obliczana na podstawie wartości znamionowej prądu zwarciowego modułu fotowoltaicznego. Wartość napięcia jest taka sama jak napięcie znamionowe akumulatorów.

Rozmiar konwertera i kontrolera ładowania

Wartość znamionowa kontrolera ładowania powinna wynosić 125% prądu zwarciowego panelu fotowoltaicznego. Innymi słowy, powinien być o 25% większy niż prąd zwarciowy panelu słonecznego.

Rozmiar regulatora ładowania słonecznego w amperach = prąd zwarciowy PV × 1,25 (współczynnik bezpieczeństwa).

Na przykład potrzebujemy 6 paneli słonecznych o mocy 160 W dla naszego systemu. 
Załóżmy, że specyfikacja modułu PV jest następująca:

• P _M = 160 W _Szczyt
• VM = 17,9 _V prądu _stałego
• I _M = 8,9 A
• VOC = 21,4 _A
• I _SC = 10 A

Wymagana moc regulatora ładowania słonecznego to = (4 panele x 10 A) x 1,25 = 50 A

Teraz do konfiguracji systemu 12V DC potrzebny jest kontroler ładowania 50A.

 

Rozmiar falownika

Rozmiar falownika powinien być o 25% większy niż całkowite obciążenie ze względu na straty i problemy z wydajnością falownika. Innymi słowy, powinno być oceniane na 125% niż całkowite wymagane obciążenie w watach. Na przykład, jeśli wymagana moc wynosi 2400 W, to rozmiar falownika powinien wynosić:

2400W x 125%

2400 W x 1,25

3000 watów.

Potrzebujemy więc falownika o mocy 3 kW w przypadku obciążenia 2400 W.

Dzienna energia dostarczana do falownika

Załóżmy, że w naszym przypadku dzienne zużycie energii przez obciążenie wynosi 2700 Wh. Należy pamiętać, że falownik ma swoją sprawność, dlatego energia dostarczana do falownika powinna być większa niż energia pobierana przez obciążenie, aby straty w falowniku mogły zostać skompensowane. Zakładając w naszym przypadku sprawność 90%, całkowita energia dostarczona przez akumulator do falownika byłaby dana jako;

Energia dostarczona przez akumulator do wejścia inwertera = 2700 / 0,90 = 3000 Wh/dzień.

Napięcie falownika

Napięcie wejściowe falownika jest określane jako napięcie systemowe. Jest to również ogólne napięcie akumulatora. O tym napięciu systemu decyduje wybrane indywidualne napięcie baterii, prąd linii, maksymalny dopuszczalny spadek napięcia i straty mocy w kablu. Zwykle napięcie akumulatorów wynosi 12 V, podobnie jak napięcie systemowe. Ale jeśli potrzebujemy wyższego napięcia, to powinno być wielokrotnością 12 V, tj. 12 V, 24 V, 36 V i tak dalej.

Zmniejszając prąd, można zmniejszyć straty mocy i spadek napięcia w kablu , można to zrobić, zwiększając napięcie systemu. Zwiększy to liczbę akumulatorów w serii. Dlatego trzeba wybierać między stratą mocy a napięciem systemu. Teraz w naszym przypadku rozważmy napięcie systemowe 24 V.

Rozmiar baterii

Podczas wymiarowania baterii należy wziąć pod uwagę następujące parametry:

1. Głębokość rozładowania (DOD) akumulatora.
2. Napięcie i pojemność akumulatora w amperogodzinach (Ah).
3. Liczba dni autonomii (jest to liczba dni wymagana do zasilania całego systemu (zasilania awaryjnego) bez paneli słonecznych w przypadku pełnego zacienienia lub deszczowych dni. Omówimy tę część w naszym następnym artykule), aby uzyskać potrzebną Ah pojemność baterii.

Załóżmy, że mamy akumulatory 12 V, 100 Ah z DOD 70%. Zatem użyteczna pojemność wynosi 100 Ah × 0,70 = 70 Ah. Dlatego wymagana pojemność naładowana jest określana w następujący sposób;

Wymagana pojemność ładowania = energia dostarczana przez akumulator do wejścia falownika/napięcie systemowe

Wymagana pojemność ładowania = 3000 Wh/ 24 V = 125 Ah

Na tej podstawie liczbę wymaganych baterii można obliczyć jako;

Liczba wymaganych akumulatorów = Wymagana pojemność ładowania / (100 × 0,7)

Liczba wymaganych akumulatorów = 125 Ah / (100 × 0,7) = 1,78 (zaokrąglając 2 akumulatory)

Wymagane są zatem 2 akumulatory 12 V, 100 Ah. Ale ze względu na zaokrąglenie wymagane jest 140 Ah zamiast 125 Ah.

Wymagana pojemność ładowania = 2 × 100 Ah × 0,7 = 140 Ah

Dlatego dwa akumulatory 12 V, 100 Ah równolegle, aby osiągnąć powyższą pojemność ładowania. Ale ponieważ pojedynczy akumulator ma tylko 12 V, 100 Ah, a wymagane napięcie systemowe wynosi 24 V, musimy połączyć dwa akumulatory szeregowo, aby uzyskać napięcie systemowe 24 V.

W sumie będą więc cztery akumulatory 12 V, 100 Ah. Dwa połączone szeregowo i dwa połączone równolegle.

Wymiarowanie tablicy fotowoltaicznej

Różne rozmiary modulów fotowoltaicznych dostępnych na rynku wytwarzają różne poziomy mocy wyjściowej. Jednym z najczęstszych sposobów określania rozmiaru tablicy PV jest użycie najniższego średniego dziennego nasłonecznienia (natężenia promieniowania słonecznego) w godzinach największego nasłonecznienia w następujący sposób;

Całkowity rozmiar panelu fotowoltaicznego (W) = (zapotrzebowanie na energię na dzień obciążenia (Wh) / T _PH ) × 1,25

Gdzie T _PH to najniższa średnia dzienna szczytowa liczba godzin nasłonecznienia w miesiącu w roku, a 1,25 to współczynnik skalujący. Dzięki temu liczbę modułów fotowoltaicznych N wymaganych _modułów można określić jako;

N _modułów = Całkowity rozmiar tablicy PV (W) / Moc znamionowa wybranych paneli w watach szczytowych.

Załóżmy, że w naszym przypadku obciążenie wynosi 3000 Wh/dzień. Aby poznać potrzebną całkowitą moc _szczytową mocy panelu słonecznego, używamy współczynnika PFG, tj.

 

Całkowita moc _szczytowa mocy panelu fotowoltaicznego = 3000 / 3,2 (PFG)

= 931 W _Szczyt

Teraz wymagana liczba paneli fotowoltaicznych to = 931 / 160 W = 5,8.

W ten sposób potrzebujemy 6 paneli słonecznych o mocy 160 W każdy. Dokładną liczbę paneli słonecznych można znaleźć, dzieląc wartość _szczytową W przez inną wartość znamionową, np. 100 W, 120 W, 150 W itd. w zależności od dostępności.

Ponadto, aby znaleźć dokładny współczynnik generacji panelu (PGF), należy wziąć pod uwagę dodatkowe straty. Straty te (w %) występują z powodu:

• Światło słoneczne nie pada bezpośrednio na panel słoneczny (5%)
• Brak odbioru energii w punkcie maksymalnej mocy (wykluczone w przypadku kontrolera ładowania MPPT). (10%)
• Brud na panelach fotowoltaicznych (5%)
• Starzejące się panele fotowoltaiczne i poniżej specyfikacji (10%)
• Temperatura powyżej 25°C (15%)

Rozmiary kabli

Rozmiar kabli zależy od wielu czynników, takich jak maksymalna obciążalność prądowa. Powinien mieć minimalny spadek napięcia i minimalne straty rezystancyjne. Ponieważ kable będą układane na zewnątrz, powinny być wodoodporne i odporne na promieniowanie ultrafioletowe.

Kabel musi zachowywać minimalny spadek napięcia zwykle mniejszy niż 2%, ponieważ występuje problem spadku napięcia w systemie niskiego napięcia. Zbyt mała średnica kabli spowoduje straty energii, a czasem może nawet doprowadzić do wypadków. mając na uwadze, że przewymiarowanie nie jest ekonomicznie opłacalne. Pole przekroju poprzecznego kabla jest podane jako;

ZA = (ρI _M L / V _re ) × 2

Gdzie

• ρ jest rezystywnością materiału przewodu przewodzącego (omomierze).
• L to długość kabla.
• V _D to maksymalny dopuszczalny spadek napięcia.
• I _M to maksymalny prąd przenoszony przez kabel.

Wniosek

Samodzielny system fotowoltaiczny to doskonały sposób na wykorzystanie łatwo dostępnej, przyjaznej dla środowiska energii słonecznej. Jego konstrukcja i instalacja są wygodne i niezawodne dla małych, średnich i dużych wymagań energetycznych. Taki system sprawia, że ​​dostępność energii elektrycznej jest niemal w każdym miejscu na świecie, zwłaszcza w odległych rejonach. Uniezależnia konsumenta energii od zakładu energetycznego i innych źródeł energii, takich jak węgiel, gaz ziemny itp.

Taki system nie może mieć negatywnego wpływu na środowisko i może dostarczać energię przez długi czas po jego zamontowaniu. Powyższy systematyczny projekt i instalacja dostarczają użytecznych wskazówek dla naszej potrzeby czystej i zrównoważonej energii we współczesnym świecie.