Πώς να υπολογίσετε την κατάλληλη διαμόρφωση για το δικό σας μικρό αυτόνομο σύστημα;

Έχετε σκεφτεί ποτέ να χρησιμοποιήσετε το δικό σας ηλιακό σύστημα ενέργειας σε μια ορεινή καλύβα, ένα αλιευτικό σκάφος ή ένα τροχόσπιτο για να απελευθερωθείτε από την εξάρτηση από το δημόσιο δίκτυο;

Στην πραγματικότητα, αυτό δεν είναι κάτι που μπορούν να επιτύχουν μόνο οι μηχανικοί. Εφόσον κατανοήσετε μερικά βασικά βήματα και τύπους, μπορείτε να υπολογίσετε την κατάλληλη διαμόρφωση για το δικό σας μικρό φωτοβολταϊκό σύστημα αυτόνομου δικτύου.

Ένα ηλιακό σύστημα εκτός δικτύου αναφέρεται σε ένα ανεξάρτητο σύστημα που δεν βασίζεται στο δημόσιο δίκτυο, αλλά βασίζεται εξ ολοκλήρου στην παραγωγή φωτοβολταϊκής ενέργειας και στην αποθήκευση σε μπαταρίες για την κάλυψη των αναγκών ηλεκτρικής ενέργειας. Είναι ιδανικό για χρήση σε απομακρυσμένες ορεινές περιοχές, νησιά, ποιμενικές περιοχές, τροχόσπιτα, αλιευτικά σκάφη και άλλες τοποθεσίες με ασταθές δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας.

Παρακάτω, θα σας καθοδηγήσουμε σε τέσσερα βήματα για να υπολογίσετε την απαιτούμενη διαμόρφωση.

Βήμα 1: Προσδιορίστε την ισχύ της φωτοβολταϊκής μονάδας

Η ισχύς των φωτοβολταϊκών πάνελ (ηλιακών πάνελ) καθορίζει πόση ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να παράγει το σύστημά σας.

Η βασική προσέγγιση υπολογισμού είναι: πρώτα προσδιορίστε την ημερήσια ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας και, στη συνέχεια, συνδυάστε την με τις τοπικές κλιματικές συνθήκες (ιδιαίτερα τη διάρκεια της ηλιοφάνειας) για να προσδιορίσετε τη συνολική ισχύ των φωτοβολταϊκών πάνελ.

Φόρμουλα:

Ισχύς μονάδας = (Ημερήσια ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας × Συντελεστής πλεονάσματος συνεχούς συννεφιασμένης ημέρας) ÷ (Τοπικές μέσες ώρες ηλιοφάνειας × Απόδοση συστήματος)

* Ημερήσια κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας: Αυτή μπορεί να υπολογιστεί αθροίζοντας την ονομαστική ισχύ όλων των συσκευών πολλαπλασιασμένη με τον χρόνο χρήσης τους.

Για παράδειγμα, οι λυχνίες LED 10W × 5 ώρες = 50Wh, το ψυγείο 60W × 24 ώρες = 1440Wh.

* Συντελεστής πλεονάσματος για συνεχόμενες συννεφιασμένες ημέρες: Για να ληφθεί υπόψη η ανεπαρκής παραγωγή ενέργειας κατά τη διάρκεια συνεχόμενων συννεφιασμένων ημερών, ο συντελεστής αυτός ορίζεται συνήθως μεταξύ 1.1 και 1.3.

* Τοπικές μέσες ημερήσιες ώρες ηλιοφάνειας: Αυτές μπορούν να ληφθούν από τοπικά μετεωρολογικά δεδομένα. Για παράδειγμα, το Πεκίνο έχει κατά μέσο όρο περίπου 4 ώρες ηλιοφάνειας την ημέρα, ενώ η Χαϊνάν μπορεί να έχει πάνω από 5 ώρες.

* Απόδοση συστήματος: Αυτή λαμβάνει υπόψη τις απώλειες καλωδίων, την απόδοση του ελεγκτή, τις απώλειες του μετατροπέα κ.λπ. και γενικά ορίζεται μεταξύ 0.75 και 0.8.

Για παράδειγμα:

Υποθέτοντας ότι η ημερήσια κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας είναι 3,000 Wh, οι τοπικές μέσες ημερήσιες ώρες ηλιοφάνειας είναι 4.5 ώρες, η απόδοση του συστήματος είναι 0.78 και ο συντελεστής συνεχών βροχερών ημερών είναι 1.2:

Ισχύς μονάδας = (3,000 × 1.2) ÷ (4.5 × 0.78) ≈ 1,026 W

Αυτό σημαίνει ότι πρέπει να εγκαταστήσετε φωτοβολταϊκά πάνελ συνολικής ισχύος περίπου 1 kW, όπως τέσσερις μονάδες των 250 W.

Βήμα 2: Προσδιορίστε την ισχύ του μετατροπέα αυτόνομου δικτύου

Ο μετατροπέας μετατρέπει το συνεχές ρεύμα (DC) από φωτοβολταϊκά πάνελ ή μπαταρίες σε εναλλασσόμενο ρεύμα (AC) για χρήση από συνηθισμένες οικιακές συσκευές.

Η ισχύς του πρέπει να είναι επαρκής για να καλύψει τη μέγιστη στιγμιαία ζήτηση ισχύος, ιδίως λαμβάνοντας υπόψη το ρεύμα εισροής των επαγωγικών φορτίων (εξοπλισμός που κινείται από κινητήρα).

Φόρμουλα:

Ισχύς μετατροπέα = (Συνολική ισχύς ωμικού φορτίου + Συνολική ισχύς επαγωγικού φορτίου × 5) × Συντελεστής περιθωρίου ÷ Συντελεστής ισχύος

* Ωμικά φορτία: Ωμικές συσκευές όπως λαμπτήρες, ηλεκτρικοί βραστήρες και φούρνοι.

* Επαγωγικά φορτία: Εξοπλισμός με κινητήρες ή συμπιεστές, όπως ψυγεία, αντλίες νερού, κλιματιστικά κ.λπ. Η στιγμιαία ισχύς κατά την εκκίνηση μπορεί να είναι 5–7 φορές η ονομαστική ισχύς.

* Συντελεστής ασφαλείας: Συνήθως ορίζεται στο 1.2–1.5 για να διασφαλιστεί ένα περιθώριο.

* Συντελεστής ισχύος: Συνήθως ορίζεται στο 0.8–0.9.

Παράδειγμα:

Υποθέτοντας ότι έχετε ένα φωτιστικό 200W (ωμικό φορτίο), ένα ψυγείο 100W (επαγωγικό φορτίο), συντελεστή περιθωρίου 1.3 και συντελεστή ισχύος 0.85:

Ισχύς μετατροπέα = (200 + 100 × 5) × 1.3 ÷ 0.85

≈ (200 + 500) × 1.3 ÷ 0.85

≈ 700 × 1.3 ÷ 0.85

≈ 1070 W

Θα χρειαστείτε έναν μετατροπέα με ελάχιστη ισχύ 1.1 kW και συνιστάται να επιλέξετε ένα μοντέλο 1.5 kW για μεγαλύτερη σταθερότητα.

Βήμα 3: Προσδιορίστε τη χωρητικότητα της μπαταρίας

Η μπαταρία είναι η «αποθήκη ενέργειας» του συστήματος αυτόνομου δικτύου και η ηλεκτρική ενέργεια που χρησιμοποιείται τη νύχτα ή τις συννεφιασμένες ημέρες προέρχεται κυρίως από αυτήν. Η χωρητικότητα εξαρτάται από τον αριθμό των ημερών που χρειάζεστε συνεχή παροχή ρεύματος και την ημερήσια κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας.

Φόρμουλα:

Χωρητικότητα μπαταρίας (Ah) = (Ημερήσια κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας × Αριθμός ημερών παροχής ρεύματος σε συννεφιασμένες ημέρες) ÷ (Βάθος εκφόρτισης × Απόδοση φόρτισης/εκφόρτισης × Τάση μπαταρίας)

* Βάθος εκφόρτισης (DOD): Για μπαταρίες μολύβδου-οξέος, συνιστάται DOD 0.5–0.6. για μπαταρίες λιθίου, είναι αποδεκτό DOD 0.8–0.9.

* Απόδοση φόρτισης/εκφόρτισης: Συνήθως ορίζεται σε 0.85–0.9.

* Τάση συστοιχίας μπαταριών: Οι συνήθεις τάσεις περιλαμβάνουν 12V, 24V και 48V. Συνιστώνται υψηλότερες τάσεις για υψηλότερες απαιτήσεις ισχύος.

Παράδειγμα:

Υποθέτοντας ότι χρησιμοποιείτε 3000Wh καθημερινά και θέλετε να έχετε ισχύ για 2 ημέρες με συννεφιασμένο καιρό, χρησιμοποιώντας μια μπαταρία λιθίου 48V (DOD=0.9, απόδοση=0.9):

Χωρητικότητα μπαταρίας = (3000 × 2) ÷ (0.9 × 0.9 × 48)

≈ 6000 ÷ 38.88

≈ 154 Αχ

Θα χρειαστείτε μια μπαταρία 48V 154Ah (περίπου 7.4kWh).

Βήμα 4: Προσδιορίστε τις προδιαγραφές του ελεγκτή

Ο φωτοβολταϊκός ελεγκτής ρυθμίζει τη διαδικασία φόρτισης από τις φωτοβολταϊκές μονάδες στην μπαταρία.

Οι προδιαγραφές του εξαρτώνται κυρίως από το μέγιστο ρεύμα εισόδου, το οποίο υπολογίζεται χρησιμοποιώντας τον ακόλουθο τύπο:

Φόρμουλα:

Ρεύμα εισόδου ελεγκτή = Μέγιστη ισχύς φωτοβολταϊκών μονάδων ÷ Τάση συστοιχίας μπαταριών

Για παράδειγμα, εάν τα φωτοβολταϊκά σας πάνελ έχουν συνολική ισχύ 1000W και η τάση της μπαταρίας είναι 48V:

Ρεύμα εισόδου ελεγκτή = 1000 ÷ 48 ≈ 20.8A

Επομένως, πρέπει να επιλέξετε έναν ελεγκτή με ρεύμα εισόδου μεγαλύτερο από 21A, συνήθως έναν τύπο MPPT (υψηλότερη απόδοση, πιο πλεονεκτικό σε συννεφιασμένες ημέρες).

Πρακτικές συμβουλές

1. Υπολογίστε ένα περιθώριο: Η διάρκεια ζωής και η λειτουργική σταθερότητα του εξοπλισμού εξαρτώνται από τον κατάλληλο σχεδιασμό πλεονασμού. Μην καθορίζετε τις παραμέτρους πολύ αυστηρά.
2. Το MPPT είναι ανώτερο από το PWM: Αν και οι ελεγκτές MPPT είναι ελαφρώς πιο ακριβοί, προσφέρουν υψηλότερη απόδοση παραγωγής ενέργειας, ειδικά υπό ασταθείς συνθήκες φωτισμού.
3. Δώστε προτεραιότητα στις μπαταρίες ιόντων λιθίου: Είναι συμπαγείς, ελαφριές και ικανές για βαθιά εκφόρτιση, προσφέροντας μακροπρόθεσμη εξοικονόμηση κόστους.
4. Σχεδιάστε μελλοντική επέκταση: Εάν προβλέπετε την προσθήκη περισσότερων συσκευών στο μέλλον, διασφαλίστε επαρκή χωρητικότητα διεπαφής τόσο για το φωτοβολταϊκό σύστημα όσο και για τις μπαταρίες.

Ο πυρήνας του σχεδιασμού ενός μικρού φωτοβολταϊκού συστήματος αυτόνομου δικτύου έγκειται στον ακριβή υπολογισμό της διαμόρφωσης με βάση τις πραγματικές ανάγκες, αντί απλώς να «αγοράζουμε μερικά πάνελ και μπαταρίες» και να τελειώνουμε.

Κατακτήστε αυτούς τους 4 τύπους:

1. Τύπος ισχύος φωτοβολταϊκής μονάδας
2. Τύπος ισχύος μετατροπέα
3. Τύπος χωρητικότητας μπαταρίας
4. Τύπος ρεύματος εισόδου ελεγκτή

Στη συνέχεια, μπορείτε να υπολογίσετε μια διαμόρφωση για ένα μικρό σύστημα αυτόνομου δικτύου που να είναι επαρκής και σταθερή.

Όταν σχεδιάζετε για πρώτη φορά, μπορείτε να προσθέσετε ένα επιπλέον περιθώριο κέρδους 10%-20% με βάση τα αποτελέσματα του τύπου, επιτρέποντας μεγαλύτερη ευελιξία στον χειρισμό των καιρικών αλλαγών και της επέκτασης του εξοπλισμού.