Калькулятор расчета мощности фотоэлектрической системы

1. Расчет количества потребляемой энергии

Общие принципы расчета фотоэлектрической системы

Все гелиосистемы подразделяются на два вида:

• Полностью автономные;
• Соединенные с электросетью.

Причем второй тип систем в свою очередь делится на два подвида. К одному относят комплексы без аккумуляторных батарей, которые подключаются к энергосети при помощи сетевого инвертора. Такие гелиосистемы не имеют запаса энергии на случай отключения внешнего питания.

Второй подвид систем включает в себя гибридные батарейно-сетевые инверторы. Они вырабатывают солнечную энергию даже при наличии внешней сети. Эти установки считаются резервными. При недостатке гелиоэнергии они используют ресурсы внешней сети, если же солнечной энергии вырабатывается слишком много, то ее избыток отдается в сеть. Таким образом, центральная электросеть играет роль своеобразного аккумулятора с бесконечной емкостью.

Независимые гелиосистемы

В этом расчете рассматривается полностью независимая от внешних энергоисточников система. Подобные установки очень востребованы на разного рода удаленных или мобильных объектах, к которым нецелесообразно (или невозможно) подводить линии электропередач.

Главными элементами такой автономной системы являются:

• Солнечные батареи;
• Зарядный контроллер;
• Аккумулятор;
• Коммутационные кабели.

Если потребляющая нагрузка работает от переменного напряжения, то необходим и соответствующий инвертор, поскольку фотобатареи вырабатывают постоянный ток.

Функционирует такая система по традиционному принципу. В светлое время суток АКБ заряжаются от солнечной энергии. Контроллер регулирует этот процесс, соблюдая величины зарядных напряжений на каждой стадии и используя при необходимости температурную компенсацию. При необходимости солнечные батареи питают дневные нагрузки, а нагрузки, работающие ночью, питаются исключительно от АКБ. Для потребителей переменного тока задействуется инвертор.

Для обеспечения надежного энергоснабжения нагрузок и гарантии работоспособности всей системы выбор компонентов должен производиться на основе специальных расчетов. Проводятся эти расчеты в несколько этапов.

Определение общей нагрузки

Первый этап – составление перечня всех нагрузок. Удобнее всего это сделать при помощи таблицы. Причем в столбцах должны быть указаны не только названия приборов и энергопотребителей (например, лампочки), но и мощности нагрузок, их среднесуточная продолжительность работы и число однотипных потребителей.

Второй этап – оптимизация получившегося списка. Дело в том, что электроэнергия в полностью автономной системе довольно дорого вырабатывается, поэтому все не самые необходимые приборы (особенно очень мощные) целесообразнее питать от генератора. В перечне стоит оставить только максимально энергосберегающие нагрузки. К примеру, люменисцентные и светодиодные лампы вместо классических ламп накаливания. А холодильник должен относиться к классам А++, А+ или А.

Подобные действия влекут за собой некоторые затраты, но все эти расходы окупятся и при покупке системы (потребуются менее мощные компоненты), и при дальнейшей ее эксплуатации. Более того, целесообразнее вообще использовать только нагрузки постоянного тока. Это позволит, во-первых, отказаться от инвертора и избежать энергопотерь на нем (КПД любого инвертора не 100%, а примерно 85-90%), а во-вторых, повысить надежность и безопасность всей системы. Такой эффект будет достигнут за счет уменьшения числа составных элементов и отсутствия опасного напряжения в 220 В.

Расчет среднесуточной нормы потребления

Используя оптимизированный перечень, можно рассчитать среднюю норму потребления за сутки (в кВт*ч). Для этого для каждого типа нагрузок нужно перемножить мощность прибора, их количество и среднесуточную продолжительность использования. Полученные произведения складываются. Итог – объем энергопотребления за сутки. Если приборы функционируют круглые сутки, то суточное потребление нужно посмотреть в паспорте (так, для холодильников часто указывают годовое энергопотребление).

К примеру, если от солнечной энергии планируют питать телевизор, холодильник и лампы освещения, расчет будет выглядеть следующим образом. Телевизор: мощность – 30 Вт, время работы – 4 часа/сутки; холодильник: потребление 600 Вт*ч/сутки; лампы (3шт.): потребление – 15 Вт, время работы – 6 часов/сутки. Итого: 30 Вт*4 часа + 600 Вт*ч + 15 Вт*3 шт.*6 часов = 990 Вт*ч. Соответственно, месячное потребление составит около 30 кВт*ч.

Нагрузки, работающие от переменного тока, рассчитываются отдельно. Для них нужно делать запас в 5-15% потребления (это необходимо для учета потерь на инверторе).

Определение емкости АКБ

После определения нормы потребления можно рассчитать нужную емкость АКБ. Для этого надо выбрать напряжение номинала аккумуляторов, а также указать, сколько пасмурных дней подряд система должна работать без внешней подзарядки и какова при этом должна быть глубина разряда АКБ. Как правило, глубина разряда не должна превышать 30-50%. Такой подход позволяет значительно увеличить рабочий ресурс аккумуляторов.

Расчетную норму суточного потребления надо умножить на число пасмурных дней. Полученная величина будет равна выбранному проценту глубины разряда АКБ от полного уровня заряда. Соответственно, полная емкость определяется на основе этого значения.

Общеизвестно, что на емкость аккумуляторов сильно влияет температура, поддерживаемая в помещении, где они находятся. При низких температурах емкость ощутимо понижается. Данный процесс обратим, иными словами, при повышении температур до нормальных емкость восстанавливается до паспортного значения. Однако нужно помнить, что повышение температуры выше рабочего диапазона, указанного производителем, приведет к выходу АКБ из строя. Поправки на этот процесс должны быть заложены при расчете требуемой емкости.

Для получения итоговой емкости аккумуляторов надо умножить расчетное значение заключенной в АКБ энергии на коэффициент АКБ (см. таблицу) и разделить результат на напряжение АКБ. Полученное число следует округлить в большую сторону до стандартных емкостей аккумуляторов. Требуемая емкость набирается за счет последовательно-параллельных соединений АКБ.

Определение мощности инвертора

Следующий этап – расчет мощности инвертора (если он есть). Этот параметр должен на 25-30% превышать суммарную пиковую мощность нагрузок, запускаемых единовременно. Дело в том, что некоторые приборы (холодильники, насосы, вообще вся техника с двигателем) имеют достаточно значительную стартовую мощность пуска.

Определение суммарной мощности массива фотомодулей

Это последний этап расчета автономной гелиосистемы.

Суммарная мощность фотомодулей зависит от:

• Географического расположения объекта;
• Схемы работы (ежедневно, на выходных и т.д.);
• Времени использования (лето, зима, круглогодичная эксплуатация, межсезонье);
• Возможности оптимального позиционирования солнечных батарей (для максимальной энерговыработки);
• Наличия элементов пейзажа или рельефа, которые могли бы препятствовать попаданию солнечных лучей на поверхность фотомодулей (на протяжении всего дня или в отдельные часы);
• Возможности использования передвижной платформы, отслеживающей положение солнца.

Рассмотрим случай оптимально ориентированных модулей без следящей системы, поверхность которых не затеняется в течение всего дня. Для получения нужного количества энергии на протяжении всего периода эксплуатации нужно проводить расчет исходя из наихудших условий инсоляции. При круглогодичном использовании такие условия будут в декабре.

В этом месяце инсоляция минимальна, так как световой день очень короток и очень много облаков (для большинства регионов РФ). Что же касается оптимального угла наклона модулей относительно горизонта, то он зависит от географических широт. В более северных (высоких) областях он увеличивается из-за малого подъема солнца.

Определить этот угол можно при помощи довольно простой методики (сами модули должны быть ориентированы на юг, разумеется). Для получения максимума энергии летом панели располагаются под углом, на 15° меньшим географической широты точки. Зимой угол наклона, напротив, должен превышать широту на 15°. А для получения общей максимальной энерговыработки в течение всего календарного года угол должен равняться географической широте.

После определения угла наклона в климатической таблице инсоляции нужно найти ее значение для заданного региона, угла наклона поверхности и времени года. Таблицы инсоляции по региона РФ относятся к справочной информации, с ними можно ознакомиться на сайтах метеослужб. Нужная цифра измеряется в кВт*ч/м².

Так, для широт Краснодара и угла в 30°, в июле инсоляция составляет 180 кВт*ч/м². Иными словами, приход солнечной энергии будет равен 180 пикочасам. Пикочас – это условный временной интервал, в течение которого солнечная радиация держится на уровне 1000 Вт/м². Именно данная степень освещенности и применяется при паспортизации гелиобатарей. Получается, что в Краснодаре за июльский день наблюдается 6 пикочасов. Конечно, солнце светит не 6 часов, а гораздо больше, но интенсивность его при этом ниже. Кроме того, нужно учитывать не только инсоляцию, но и повышенный нагрев модуля на прямом солнце, что ощутимо снижает его эффективность.

Упрощенная формула для расчета мощности гелиомассива выглядит так:
PƩ=(1000*W)/(k*E)
PƩ — общая энерговыработка гелиомассива;
W – нужное количество энергии;
k – коэффициент сезонный (для зимы – 0,7; для лета – 0,55);
E – величина инсоляции.

Сезонный коэффициент необходим для учета всех потерь на зарядку АКБ (они составляют 20%), исключая потери в соединительных кабелях. Сечения кабелей нужно подбирать из расчета не более 2-3% потерь.

Полученную по формуле мощность массива можно разделить на производительность одного модуля и определить требуемое число гелиомодулей. Однако надо помнить, что при выборе напряжения и мощности модулей нужно учесть ряд отдельных нюансов, которые должны согласовываться с параметрами зарядного контроллера.

Стоит также упомянуть, что добавление системы отслеживания положения солнца дает прибавку к производительности в 20% только при азимутальном слежении. Еще 10% добавляются при отслеживании высоты солнца. Иными словами, общий выигрыш составляет порядка 30%, но, как правило, целесообразнее приобрести несколько дополнительных солнечных батарей, чем тратиться на такую установку. Которая, к тому же, потребует периодического обслуживания.

Для большинства круглогодичных систем или систем, работающих в основном зимой, выгодно использовать еще один энергоисточник, например, ветро- или топливный генератор. Такие гибридные системы более эффективны и рациональны в использовании.