Температурный коэффициент для аккумуляторной батареи
|
Температура в градусах |
коэффициент | |
|
Фаренгейта |
Цельсия | |
|
80F |
26.7C |
1.00 |
|
70F |
21.2C |
1.04 |
|
60F |
15.6C |
1.11 |
|
50F |
10.0C |
1.19 |
|
40F |
4.4C |
1.30 |
|
30F |
-1.1C |
1.40 |
|
20F |
-6.7C |
1.59 |
Умножив полученное значение на величину температурного коэффициента, мы получим значение требуемой емкости аккумуляторных батарей. Емкость аккумуляторных батарей выбирается из стандартного ряда емкостей, с округлением в большую сторону от расчетной. Чтобы было понятнее, расчетная емкость есть величина, полученная от деления суммарной мощности потребителей на произведение напряжения АБ и глубины разряда аккумулятора.
В нашем примере, суммарная мощность потребителей равна 2745Вт.ч., глубина разряда – 50%, а номинальное напряжение аккумуляторной батареи 12В. Расчетная емкость в нашем случае составит
2745/(12 х 0,5) = 457,5 А.ч. (при полностью автономной солнечной электростанции без учета дней работы без подзарядки).
Более точный расчет производится по формуле: Е = (Р*1000/12)*Т*1,2,
Где Е – емкость 12-ти вольтовых батарей, Р – среднее потребление в час, а Т – необходимое время автономной работы аккумулятора, 1.2 –коээфициент потери мощности.
Среднее потребление Р определяется либо путем подсчетов, либо из реальных показаний счетчика. Время автономной работы Т – 3 суток «пасмурных дней» (в нашем примере).
Среднее потребление составит при среднесуточном потреблении 2745Вт.ч. :
Р = 2745Вт.ч./24 часа = 114,375Вт.ч.
Емкость батарей:
Е = (114, 375/12) х 72 часа х 1,2 = 823,5 А.ч.
Отсюда следует, что минимально необходимая емкость аккумуляторных батарей в нашем случае должна составлять 830 А.ч. Учитывая, что в реальности батареи не работают в расчетных идеальных условиях, следует подбирать аккумуляторы с запасом по емкости не менее 10-20 процентов. Т. е. емкость аккумуляторного блока в нашем примере должна быть 950-1000 А.ч. Количество параллельно соединенных аккумуляторов в автономной солнечной системе находим путем деления полученного значения емкости на емкость отдельно взятого аккумулятора.
Следующий этап – определение мощности инвертора. Мощность инвертора подбирается, исходя из суммарной мощности подключенных одновременно электроприборов плюс не менее 25% запаса мощности. При выборе инвертора необходимо помнить, что некоторые электробытовые приборы в момент пуска потребляют мощность, в несколько раз превышающую паспортную. Так, глубинные насосы в момент запуска потребляют мощность в 3-4 раза, а компрессорный холодильник в 12 раз большую, чем указано в паспорте. Инверторы выпускаются номинальным напряжением 150, 300, 500, 800, 1500, 2500, 5000 Вт.
Количество необходимых солнечных модулей зависит от размера площадки для размещения модулей, требуемого количества электроэнергии, а также стоимости. Прежде всего нужно определить суммарную мощность солнечных модулей из которых будет состоять Ваша солнечная электростанция. При расчете необходимо учитывать такие факторы, как:
-расположение Вашей солнечной электростанции;
-период использования (зима, лето или круглый год);
-погодные условия, характерные для данной местности;
-наличие деталей, заслоняющих солнечные модули от прямого попадания солнечных лучей (деревьев, строений и т. д.);
-возможность в конкретных условиях оптимальной ориентировки солнечных модулей (например, должным образом ориентированные и с максимально удобным наклоном скаты крыш в случае размещения модулей на крыше);
-возможность слежения за солнцем по одной или двум координатам.
Рассмотрим наиболее простой случай, когда у нас стационарная, ничем не загораживаемая система. Данные о количестве солнечной энергии в данной местности обычно можно получить на метеостанции, либо в компании, занимающейся поставкой и установкой солнечных батарей. Здесь важны две характеристики: среднегодовая солнечная инсоляция и инсоляция в наихудший по погодным условиям месяц года. Если фотоэлектрическую систему проектировать в соответствии со среднегодовыми значениями солнечной радиации, то электроснабжение от такой системы будет неравномерным: в некоторые месяцы электроэнергии у Вас будет больше, чем Вам необходимо, в другие – меньше. Если же в расчетах опираться на вторую цифру, то в этом случае Вы всегда сможете удовлетворить свои потребности в электроэнергии, кроме особо длительных периодов непогоды. Наихудшим в смысле солнечной инсоляции при круглогодичном использовании солнечной энергосистемы является в большинстве регионов декабрь месяц (малая продолжительность светового дня, низкая облачность и т. д.). Следует брать в расчет и тот факт, что значение инсоляции даже для одного и того же дня в году и одного и того же места может сильно различаться в зависимости от ориентации по отношению к солнцу площадки с солнечными модулями.
Поэтому при расчете количества солнечной энергии, необходимой для работы автономной солнечной электростанции, следует учитывать ориентировку воспринимающей лучистую энергию солнца площадки. Для расчета нужно брать значение инсоляции:
-для площадки, наклон которой равен широте местности, в тех случаях, когда необходима выработка максимально возможного количества электроэнергии в течение года в целом;
-для площадки, расположенной под углом к горизонту большим широты местности на 15 градусов, в тех случаях, когда система работает круглогодично с одинаковой нагрузкой (такая система нерентабельна из-за переизбытка электроэнергии в летний период);
-для площадки ориентированной оптимально: для летнего периода под углом к горизонту меньшим широты местности на 15 градусов, для зимнего – большим на те же 15 градусов.
Для определения среднемесячных значений солнечной инсоляции можно воспользоваться таблицей поступления солнечной радиации для некоторых городов России.
Таблица поступления солнечной радиации, для некоторых городов России
Месячные и годовые суммы суммарной солнечной радиации, кВт*ч/м2
Солнечная инсоляция изменяется в течение дня из-за относительного движения Солнца и в зависимости от облачности. Так, например, в полдень, в ясную солнечную погоду, количество солнечной энергии может достигать 1000 Вт/м2, а при облачности даже в полдень может опуститься до 100 Вт/м2 и ниже. Выработка электроэнергии солнечными фотоэлектрическими батареями зависит от угла падения солнечных лучей и максимальна, когда этот угол составляет 90 градусов, т. е. лучи падают строго перпендикулярно. Чем больше отклонение от угла 90 градусов, тем большее количество лучистой энергии отражается, а не поглощается солнечными модулями. Поэтому особенно важно правильно ориентировать поверхность солнечных модулей и установить нужный угол наклона.
При использовании автономной фотоэлектрической системы только в летнее время, необходимо использовать только значения для летних месяцев, аналогично – для зимы. Для обеспечения оптимального электроснабжения необходимо из среднемесячных значений, в течение которых предполагается использовать автономную солнечную электростанцию, выбирать наименьшие. Выбранное среднемесячное значение для наихудшего месяца (в нашем примере - это декабрь) нужно разделить на число дней месяца, чтобы получить среднемесячное число пиковых солнце-часов.
Например, для Москвы в декабре это значение составляет 12кВт.ч/м2 и, соответственно, 12 пикочасов. Количество пикочасов – это условное время работы солнечных модулей при значениях освещенности равных паспортным. Реальная же мощность солнечного модуля всегда меньше, чем паспортное значение мощности, поскольку реальные условия эксплуатации отличаются от условных.Так, например, реальная освещенность в течение дня ниже, чем паспортная освещенность (освещенность 1000Вт/м2, температура 25°С, спектр АМ1.5), из-за нагрева модуля излучением солнца, наклонного падения лучей при отсутствии системы слежения и т. д. Количество энергии, вырабатываемое солнечным модулем рассчитывается по формуле: W (кВт х час)= k P E/1000, где
Е (кВтхч/м2) – это среднемесячное значение инсоляции за выбранный период;
Р (Вт) – мощность модуля;
К – коэффициент потерь мощности в модуле, значение которого летом составляет 0,5, зимой – 0,7. Меньшие потери мощности зимой объясняются меньшим нагревом элементов.
Суммарная мощность модулей рассчитывается по формуле:
ΣР = 1000W/k E, где ΣР – суммарная мощность фотоэлектрических модулей.
Разделив полученное значение суммарной мощности на мощность выбранного Вами модуля, и округлив результат до целого большего числа, получим необходимое для системы количество модулей. Фотоэлементы заводского производства имеют номинальную мощность, выраженную в ваттах пиковой мощности (Втп). Эту характеристику Вы можете найти в спецификации изделия. Один пиковый ватт (Втп) – это значение мощности фотоэлектрической установки при определенных условиях (когда солнечное излучение в 1кВт/м2 падает на элемент при температуре поверхности 25 градусов). Такая инсоляция возможна при ясной погоде и Солнце в зените. Чтобы получить один пиковый ватт необходим фотоэлемент размерами 10х10 см. Существуют и более крупные модули 1м х 40 см, которые способны выработать 40-50 Втп. Реальная производительность обычно составляет около 6 Вт.ч в день и, соответственно, в 2000 Вт.ч в год на 1 Втп. Для наглядности, 5 ватт.час – это количество энергии, потребляемое 50-ваттной лампочкой в течение 6 минут.
При выборе типа фотоэлектрических модулей для Вашей системы решающим критерием, как правило, является стоимость одного ватта пиковой мощности, т. е. используя, например, модуль ценой 569 долларов с пиковой мощностью 120 Втп (4,74 доллара за 1 Втп), можно получить большее количество электроэнергии при одинаковых затратах, чем используя,скажем, модуль с пиковой мощностью 90 Втп и меньшей стоимостью 489 долларов, что составит 5,43 доллара за 1 Втп. Модули из кристаллического кремния, самые распространенные в настоящее время, производят в среднем 100-120 ватт на 1 м2. Таким образом, чтобы запитать всего одну 100-ваттную лампочку необходим фотоэлектрический модуль площадью 1 м2. Необходимость значительных пространств для размещения модулей является одной из проблем при строительстве солнечных энергосистем. Обычно модули располагают на крышах зданий, либо встраивают в фасадные стены, что позволяет экономить строительные материалы, а также делает модули современным элементом дизайна зданий.
Наибольшей эффективностью и надежностью обладают гибридные автономные системы, например, ветроэлектростанция плюс фотоэлектрическая система. Полностью автономные системы обладают более низкой производительностью, поскольку размер и количество модулей подбирается из расчета достаточного получения энергии в зимнее время, несмотря на неизбежное ее перепроизводство летом. Стандартная фотоэлектрическая система в Европе генерирует в среднем 200-550 кВт.ч/кВтп в год.
Гибридные системы имеют более высокий КПД, поскольку размеры фотоэлементов подбираются, исходя из требуемой нагрузки в летний период, а зимой и в пасмурную погоду дополнительное количество электроэнергии вырабатывается дизель- или бензогенераторами, либо ветроустановками. Среднегодовая производительность гибридной системы варьируется в пределах 500-1250 кВт.ч/кВтп. Подобная разница обуславливается различными значениями потерь в регуляторе заряда и аккумуляторе.
Наивысший КПД, как уже отмечалось, у фотоэлектрических систем, подключенных к сетям, так как фактически вся произведенная электроэнергия либо используется владельцем системы, либо поступает в сеть централизованного электроснабжения. Среднегодовая выработка у таких систем составляет приблизительно 800-1400 кВт·ч/кВтп.
Несмотря на развитие солнечных технологий солнечная энергия остается наиболее дорогим из альтернативных возобновляемых источников энергии. Средняя цена фотоэлементов около 5 долларов США за 1Втп. Производство электричества солнечными системами стоит около 0,5-1 доллар за 1кВт.ч, что дороже стоимости электроэнергии от других источников. Развитие солнечной энергетики в перспективе приведет к удешевлению солнечной энергии и фотоэлементов. В настоящее же время использование фотоэлектрических элементов для нужд автономного электроснабжения рентабельно лишь в удаленных от централизованного электроснабжения районах или при невозможности использования других автономных источников энергии по экологическим причинам (например, дизель-генераторов).
Наша компания может предложить Вам готовые комплекты фотоэлектрических систем разработанные для различных условий применения и различных исходных данных. Выбор готового комплекта является гарантией правильного подбора компонентов системы, облегчит Вашу задачу и сэкономит Ваши деньги, так как стоимость готового комплекта, как правило, ниже суммарной стоимости составляющих его элементов. Если же Вы хотите спроектировать и установить свою автономную фотоэлектрическую систему сами, то Вам понадобятся следующие элементы системы:
-контроллер заряда;
-инвертор;
-соединительные кабели;
-предохранители, разъемы и переключатели;
-инструменты, необходимые для сборки системы;
-измерители и индикаторы;
-резервный генератор.
Рассмотрим несколько примеров решений автономных энергосистем с солнечными батареями:
1.Автономная солнечная система для летнего дачного домика в Подмосковье.
Использование солнечных батарей в данном случае целесообразно, так как солнечная инсоляция в весенне-летний период наиболее высока, что является гарантией эффективности системы электрообеспечения. Несколько солнечных батарей сумарной мощностью от 500 до 1000Вт (в зависимости от финансовых возможностей) обеспечат работу в автономном режиме телевизора, холодильника и нескольких энергосберегающих ламп в летний период. Монтаж батарей следует производить на южный скат крыши под углом 30-60 градусов к горизонту (угол наклона в 60 градусов более пригоден для круглогодичной работы автономной системы, так как не дает скапливаться снегу и приспособлен к улавливанию излучения более низкого солнца). Под батареями следует предусмотреть пространство толщиной не менее 3-5 см для циркуляции воздуха, охлаждающего батареи естественным образом. Помимо солнечных батарей в систему войдут 4 акккумулятора по 190-220 А.ч и МАП (многофункциональный аккумуляторный преобразователь) мощностью от 2 до 4,5 кВт с солнечным контроллером. Дополнительное оборудование можно разместить на чердаке.
Возникает закономерный вопрос: зачем нужен МАП такой большой мощности, если мощность солнечных батарей 500 Вт?
Во-первых, в условиях Подмосковья, батареи мощностью 500Вт будут выдавать эту мощность в среднем в течении 5,5 часов каждый день (в расчетах учтены пасмурные дни). Следовательно, брать с аккумуляторов можно приблизительно такую же мощность за то же время (меньше на величину потерь мощности), или 1кВт в течении 2,5 часов, или 2,5 кВт в течении часа, или 5 кВт в течение получаса, поскольку накопленная в аккумуляторе энергия может сниматься с них в более короткие промежутки времени, но большими мощностями. А если снимать по 250 Вт в час, то мощности хватит и на 10 часов автономной работы. Обычно, в реальных условиях, энергия, накопленная в аккумуляторах, покрывает потребности пользователя с избытком, за исключением длительных периодов непогоды, когда мощность солнечных батарей падает почти в 3 раза. На случай ненастных дней, длящихся более недели, желательно предусмотреть резервный источник энергии (бензо- или дизельгенератор.
Во-вторых, столь большая мощность инвертора (МАПа) необходима при наличии таких электроприборов, как насосы, компрессорные холодильники, кондиционеры, микроволновки и т.п., пусковые токи которых могут в несколько раз превышать их номинальные значения.
Ниже приведен расчет мощности солнечных батарей, необходимый для заряда аккумуляторной батареи через МАП с контроллером.
Как уже отмечалось, в условиях Подмосковья солнечная батарея в весенне-летний период выдает свою мощность (паспортную) в течении 5,5 часов в день (с учетом пасмурных дней). В нашем примере суточный приход энергии составит 5,5 х 500 = 2,75 кВт.ч/сутки. Затем необходимо вычесть потери энергии в АБ (КПД 85%), МАПе (КПД 90%), а также потери на холостой ход МАПа.
2,75 х 0,85 х0,9 – 0,01 х 16 = 2кВт.ч/сутки.
Небольшой холодильник СВИЯГА 410 потребляет 500 Вт.ч/сутки (паспортные данные), 14-ти дюймовый цветной телевизор – 90 Вт.ч х 6 часов = 540 Вт.ч/сутки (6 – условное количество часов просмотра телепередач в сутки). Две тридцативаттные люминесцентные лампы, включаемые на 6 часов в сутки расходуют 30 х2 х6 = 360 Вт.ч/сутки. Итого: 500 + 540 + 360 = 1,4 кВт.ч/сутки, что меньше 2 кВт.ч/сутки. Это означает, что в данном случае возможно применение менее мощных солнечных батарей (350 Вт), либо подключение и других нагрузок – более мощного холодильника, насоса и др.
Запас мощности солнечных батарей не повредит и в весенне-осенний период, когда велико число пасмурных дней. Чтобы обеспечить бесперебойную работу в пасмурные дни (не более пяти дней подряд), необходимо соответствующее количество аккумуляторов. Для солнечных батарей общей мощностью 500 Вт суммарная емкость аккумуляторов должна составлять 800 А.ч. Только МАП мощностью более 3 кВт способен заряжать такое количество аккумуляторов от сети, а от солнечных батарей их позволит зарядить любой солнечный контроллер МАПа. Главное, соблюсти максимальный ток заряда в соответствии с мощностью батарей, что обеспечит любой стандартный контроллер (30А).
Солнечный модуль рассчитан на подключение к аккумулятору с номинальным напряжением 12 В, но при четном их количестве модули можно подключать к АБ номинальной мощностью 24 или 48 В (соответственно, МАП тоже должен быть рассчитан на такое же номинальное напряжение). Важно отметить, что при 24 или 48 В , солнечный контроллер на ток в 30 А, позволит подключить большую мощность солнечных батарей (24 х 30 = 680 Вт, а 48 х 30 = 1440 Вт). Если в перспективе увеличение мощности солнечных батарей, то лучше сразу заказать МАП и солнечный контроллер на 24 В или заказать солнечный контроллер, рассчитанный на больший ток (для возможности подключения мощных солнечных батарей).
2. Солнечная электростанция для небольшого загородного дома.
Необходимо обеспечить автономную работу энергосберегающих ламп, электроинструмента, электробытовых приборов.
Состав автономной солнечной электростанции:
-солнечная батарея 160 Вт – 1 шт;
-контроллер заряда с ТММ – 1 шт;
-устройство слежения за солнцем (трекер) – 1 шт;
- АБ 100А.ч./12В - 2шт;
-инвертор 1000 ВА – 1шт.
Суммарная нагрузка подключаемых одновременно электронагрузок не должна быть больше 750 Вт. Контроллер заряда с ТММ повышает КПД батареи на 25-30%. Наличие трекера повышает выработку энергии солнечной батареей до 70% в летний период (в московской области). Если загородный дом предполагается посещать лишь на выходные, то количество солнечных батарей можно уменьшить и установить аккумуляторные батареи большей емкости для их подзарядки в течение недели.
Если к системе добавить 2 аккумуляторные батареи 100А.ч. и инвертор мощностью 2000 ВА, то можно будет подключить холодильник.
3. Более мощная солнечная электростанция для коттеджа. Позволяет запитывать домашние электроприборы (за исключением электроплит и электрических отопительных приборов), холодильник, электроинструмент, энергосберегающие лампы при круглогодичном проживании.
Состоит из 16-ти солнечных батарей мощностью 160 Вт, контроллера МС-60, 12-ти аккумуляторных батарей100 А.ч./12 В, инвертора , шкафа для оборудования, крепежного каркаса для солнечных батарей.
Суммарная нагрузка одновременно подключаемых потребителей не должна превышать 5000 Вт (в зависимости от мощности инвертора).
Наша компания осуществляет профессиональный подход к организации автономного электроснабжения,предлагает Вашему вниманию как готовые фотоэлектрические системы, так и разрабатывает индивидуальные проекты применительно к конкретным условиям эксплуатации и запросам заказчика, используя самые инновационные разработки в области солнечной энергетики. Мы можем вам предложить любые компоненты фотоэлектрических систем: моно- и поликристаллические модули мощностью от 1 до 260 Вт, фотоэлектрические преобразователи любых размеров и конфигурации,а также различные дополнительные устройства – источники питания, солнечные зарядные устройства, системы слежения и т. д. Мы осуществляем монтаж автономных солнечных систем под ключ как для бытовых, так и объектов малого и среднего бизнеса.