3.1 Объем потребления энергии объектом и расчет фотоэлектрической станции
Солнечные или фотоэлектрические батареи - это приборы, которые преобразуют солнечную энергию в электрическую. Их обычно производят из полупроводникового кремния, который легирован некоторым количеством мышьяка и бора. Выработанная энергия может использоваться как напрямую различными приборами, запасаться в аккумуляторных батареях для ее последующего использования, так и преобразовываться в переменный ток напряжением 220 В. Для того, чтобы фотоэлектрические модули стали надежным источником электроэнергии, необходимы некоторые элементы в системе: кабели, поддерживающая структура, электронный инвертор и контроллер заряда с аккумуляторной батареей. Вся система в целом называется солнечной фотоэлектрической системой, или гелиоэнергетической установкой. Существует три главных типа солнечных фотоэлектрических систем:
1. Автономные системы.
2. Соединенные с сетью системы.
3. Резервные системы.
Автономные фотоэлектрические системы (далее - АФС) применяются для снабжения энергией отдельных домов и используются, в том числе когда нет яркого солнечного света. Для них необходима аккумуляторная батарея. Малые системы позволяют питать базовую нагрузку, например, освещение. Более мощные системы способны питать водяной насос, холодильник, электроинструмент и др.
Если имеется сеть централизованного электроснабжения, но также есть желание получать электроэнергию от чистого источника, тогда солнечные панели можно соединить с сетью. Если подключено достаточное количество фотоэлектрических модулей, некоторая часть нагрузки перейдет на солнечное электричество. Соединенные с сетью солнечные системы обычно состоят из нескольких или одного модулей, инвертора, кабелей.
Резервные солнечные системы обычно используются там, где есть соединение с сетью централизованного электроснабжения, но работа сети нестабильна. Резервные системы возможно использовать, когда нет напряжения в сети. Малые резервные солнечные системы обеспечивают электроснабжение самой важной нагрузки - освещения, компьютеров, а также средств связи. Чем дольше периоды отключения сети, тем с большей мощностью нужна фотоэлектрическая система.
Среднее энергопотребление объекта определяется как среднее арифметическое фактического годового потребления объекта за три последних года:
 (3.1)
где W1, W2, W3 – фактического потребления электроэнергии объектом за три года по годам., кВтч.
Среднее потребляемое количество электроэнергии с учетом 20% потерь энергии при заряде/разряде аккумуляторной системы:
 (3.2)
Величина максимальной мгновенной потребляемой мощности (Р) всем электрооборудованием составит:
 (3.3)
где Pn - максимальная потребляемая мощность отдельного потребителя.
Располагая двумя параметрами – количеством среднегодовой потребляемой электроэнергии и значением величины пиковой необходимой мощности, можно определить состав необходимого оборудования в системе электроснабжения.
Предварительно определяется оптимальный угол наклона солнечных модулей. Для весны и осени оптимальный угол наклона равен значению широты местности (для Самарского региона около 53). Для зимы к этому значению прибавляется 1015 градусов, а летом от этого значения отнимается 1015 градусов. Поэтому рекомендуется менять дважды в год угол наклона с «летнего» на «зимний». Результаты расчета углов наклона солнечных панелей представлены в таблице 3.2.
Таблица 3.2 – Углы наклона солнечных панелей с учетом сезонных вариаций
Сезон
|
Угол наклона, град.
|
Принимаемый угол, град
|
Средний угол, град
|
min
|
max
|
Зима
|
63
|
68
|
65
|
52,5
|
Лето
|
38
|
43
|
40
|
Максимальное затенение одной солнечной панели другой будет при максимальном угле ее наклона (в зимний период). Таким образом, площадь, занимаемая солнечной панелью при продольном ее расположении, будет зависеть от косинуса угла наклона.
Максимальная площадь, занимаемая одним солнечным модулем:
 (3.4)
где l – длина модуля, а bmax – размер тени отбрасываемый модулем в метрах.
Количество солнечных модулей, размещаемых на плоской кровле зданий и прилегающей территории:
 (3.5)
где Sz – площади кровли зданий на объекте, м2;
St – свободная площадь прилегающей территории, м2.
Среднегодовая выработка энергии солнечным фотоэлектрическим модулем (далее - ФЭМ) определяется по формуле:
 (3.6)
где P – мощность одного модуля, кВт; Еnсм – суммарная инсоляция за выбранный период.
Определение количества аккумуляторных батарей (далее - АБ).
В автономных солнечных системах применяются батареи закрытого типа, герметичные, необслуживаемые, со сроком эксплуатации 5 лет.
Общая емкость аккумуляторной системы:
 (3.7)
Где W - суммарная мощность, UH - напряжение батарей (обычно 12В)
Необходимое количество аккумуляторных батарей:
 (3.8)
Принимается общее количество аккумуляторных батарей большим на 5-6% от расчетного (дополнительная емкость снизит глубину разряда на каждом из аккумуляторов, а значит, увеличит срок их службы).
Солнечные модули применяются в автономных и резервных системах электроснабжения совместно с контроллерами заряда. Они играют ключевую роль в обеспечении эффективной работы фотоэлектрической станции, предохраняя аккумуляторные батареи от перезаряда и глубокого разряда, тем самым продлевая срок их службы.
Применение контроллера не только продлевает срок службы батареи, но и позволяет более эффективно использовать энергию, полученную от солнечной панели, для заряда. Прирост эффективности составляет порядка 1520%.
Важным «звеном» в солнечной электростанции является инвертор. Этот элемент преобразует ток постоянного напряжения, поступающий от АБ, в ток переменного напряжения, поступающий в электрическую сеть объекта. Мощность инвертора, необходимого для конкретного автономного объекта, определяется как суммарная мощность потребления всего электрооборудования, которое в нем находятся. Количество инверторов определяется по формуле:
 (3.9)
где P - суммарная мощность электрооборудования, PИнв – мощность одного инвертора, Вт.
Расчет необходимо производить на основании данных конкретных мест использования солнечных батарей и нужно понимать, что полноценной заменой «централизованного» сетевого электричества, в данном регионе, они служить не могут.
|
