Jak vypočítat vhodnou konfiguraci pro váš vlastní malý systém off-grid?

Přemýšleli jste někdy o využití vlastního solárního systému v horské chatě, rybářské lodi nebo obytném voze, abyste se zbavili závislosti na veřejné síti?

Ve skutečnosti to není něco, co dokážou jen inženýři. Pokud zvládnete několik klíčových kroků a vzorců, můžete si vypočítat vhodnou konfiguraci pro svůj vlastní malý fotovoltaický systém nezávislý na síti.

Autonomní solární systém označuje nezávislý systém, který se nespoléhá na veřejnou síť, ale pro pokrytí svých potřeb elektřiny se spoléhá výhradně na fotovoltaickou výrobu energie a ukládání energie v bateriích. Je ideální pro použití v odlehlých horských oblastech, na ostrovech, v pastvinách, v obytných vozech, rybářských lodích a na dalších místech s nestabilním napájením ze sítě.

Níže vás provedeme čtyřmi kroky pro výpočet požadované konfigurace.

Krok 1: Určení výkonu fotovoltaického modulu

Výkon fotovoltaických panelů (solárních panelů) určuje, kolik elektřiny dokáže váš systém vyrobit.

Základní přístup k výpočtu je: nejprve se určí denní spotřeba elektřiny a poté se tato kombinace s místními klimatickými podmínkami (zejména dobou slunečního svitu) použije k určení celkového výkonu fotovoltaických panelů.

Vzorec:

Výkon modulu = (Denní spotřeba elektřiny × Faktor přebytku za trvalého oblačného dne) ÷ (Průměrný místní počet hodin slunečního svitu × Účinnost systému)

* Denní spotřeba elektřiny: Tuto spotřebu lze vypočítat součtem jmenovitého výkonu všech zařízení vynásobeného dobou jejich používání.

Například LED světla 10W × 5 hodin = 50Wh, lednice 60W × 24 hodin = 1440Wh.

* Faktor přebytku v případě nepřetržitého zataženého dne: Aby se zohlednila nedostatečná výroba energie během po sobě jdoucích zatažených dnů, je tento faktor obvykle nastaven na hodnotu mezi 1.1 a 1.3.

* Průměrný denní počet hodin slunečního svitu v okolí: Lze jej získat z místních meteorologických údajů. Například Peking má průměrně přibližně 4 hodiny slunečního svitu denně, zatímco Hainan může mít více než 5 hodin.

* Účinnost systému: Zohledňuje ztráty v kabelu, účinnost regulátoru, ztráty v měniči atd. a obvykle se nastavuje mezi 0.75 a 0.8.

Například:

Za předpokladu, že vaše denní spotřeba elektřiny je 3,000 4.5 Wh, místní průměrný denní počet hodin slunečního svitu je 0.78 hodiny, účinnost systému je 1.2 a koeficient nepřetržitých deštivých dnů je XNUMX:

Výkon modulu = (3,000 1.2 × 4.5) ÷ (0.78 × 1,026) ≈ XNUMX XNUMX W

To znamená, že je potřeba instalovat fotovoltaické panely s celkovým výkonem přibližně 1 kW, například čtyři moduly o výkonu 250 W.

Krok 2: Určení výkonu střídače mimo síť

Měnič přeměňuje stejnosměrný proud (DC) z fotovoltaických panelů nebo baterií na střídavý proud (AC) pro použití běžnými domácími spotřebiči.

Jeho výkon musí být dostatečný k pokrytí maximální okamžité spotřeby energie, zejména s ohledem na zapínací proud indukčních zátěží (zařízení poháněná motorem).

Vzorec:

Výkon střídače = (Celkový výkon odporové zátěže + Celkový výkon indukční zátěže × 5) × Součinitel rezervy ÷ Účiník

* Odporové zátěže: Odporová zařízení, jako jsou žárovky, elektrické konvice a trouby.

* Indukční zátěže: Zařízení s motory nebo kompresory, jako jsou ledničky, vodní čerpadla, klimatizace atd. Okamžitý výkon při spouštění může být 5–7krát vyšší než jmenovitý výkon.

* Bezpečnostní faktor: Obvykle se nastavuje na 1.2–1.5, aby byla zajištěna určitá rezerva.

* Účiník: Obvykle nastavený na 0.8–0.9.

Příklad:

Za předpokladu, že máte svítidlo o výkonu 200 W (odporová zátěž), ledničku o výkonu 100 W (indukční zátěž), koeficient rezervy 1.3 a účiník 0.85:

Výkon střídače = (200 + 100 × 5) × 1.3 ÷ 0.85

≈ (200 + 500) × 1.3 ÷ 0.85

≈ 700 × 1.3 ÷ 0.85

≈ 1070 W

Budete potřebovat měnič s minimálním výkonem 1.1 kW a pro větší stabilitu se doporučuje zvolit model s výkonem 1.5 kW.

Krok 3: Určení kapacity baterie

Baterie je „úložištěm energie“ v systému nezávislém na síti a elektřina spotřebovaná v noci nebo v zatažených dnech pochází primárně z ní. Kapacita závisí na počtu dní, kdy potřebujete nepřetržité napájení, a na denní spotřebě elektřiny.

Vzorec:

Kapacita baterie (Ah) = (Denní spotřeba elektřiny × Počet dní napájení v zatažených dnech) ÷ (Hloubka vybití × Účinnost nabíjení/vybíjení × Napětí akumulátoru)

* Hloubka vybití (DOD): Pro olověné akumulátory se doporučuje DOD 0.5–0.6; pro lithiové akumulátory je přijatelná DOD 0.8–0.9.

* Účinnost nabíjení/vybíjení: Typicky nastavená na 0.85–0.9.

* Napětí bateriového bloku: Mezi běžná napětí patří 12 V, 24 V a 48 V; pro vyšší požadavky na výkon se doporučuje vyšší napětí.

Příklad:

Za předpokladu, že denně spotřebujete 3000 Wh a chcete mít dostatek energie na 2 dny v oblačném počasí, s použitím 48V lithiové baterie (DOD=0.9, účinnost=0.9):

Kapacita baterie = (3000 × 2) ÷ (0.9 × 0.9 × 48)

≈ 6000 ÷ 38.88

≈ 154 Ah

Budete potřebovat baterii 48V 154Ah (přibližně 7.4kWh).

Krok 4: Určení specifikací řídicí jednotky

Fotovoltaický regulátor reguluje proces nabíjení z fotovoltaických modulů do baterie.

Jeho specifikace závisí především na maximálním vstupním proudu, který se vypočítá pomocí následujícího vzorce:

Vzorec:

Vstupní proud regulátoru = Maximální výkon fotovoltaických modulů ÷ Napětí bateriového bloku

Například pokud vaše fotovoltaické panely mají celkový výkon 1000 W a napětí bateriového bloku je 48 V:

Vstupní proud regulátoru = 1000 ÷ 48 ≈ 20.8 A

Proto je třeba zvolit regulátor se vstupním proudem větším než 21 A, obvykle typu MPPT (vyšší účinnost, výhodnější v zamračených dnech).

Praktické tipy

1. Počítejte s rezervou: Životnost a provozní stabilita zařízení závisí na vhodném návrhu redundance; nestanovujte parametry příliš rigidní.
2. MPPT je lepší než PWM: Ačkoli jsou MPPT regulátory o něco dražší, nabízejí vyšší účinnost výroby energie, zejména za nestabilních světelných podmínek.
3. Upřednostněte lithium-iontové baterie: Jsou kompaktní, lehké a schopné hlubokého vybití, což nabízí dlouhodobé úspory nákladů.
4. Plánujte budoucí rozšíření: Pokud v budoucnu plánujete přidat další spotřebiče, zajistěte dostatečnou kapacitu rozhraní jak pro fotovoltaický systém, tak pro baterie.

Jádrem návrhu malého fotovoltaického systému nezávislého na síti je přesný výpočet konfigurace na základě skutečných potřeb, spíše než pouhé „koupě několika panelů a baterií“ a ukončení projektu.

Zvládněte tyto 4 vzorce:

1. Vzorec pro výpočet výkonu fotovoltaického modulu
2. Vzorec pro výpočet výkonu střídače
3. Vzorec pro kapacitu baterie
4. Vzorec pro vstupní proud regulátoru

Pak můžete vypočítat konfiguraci pro malý systém mimo síť, která je dostatečná i stabilní.

Při prvním navrhování můžete na základě výsledků vzorce přidat dalších 10–20 % rezervu, což umožňuje větší flexibilitu při zvládání změn počasí a rozšiřování vybavení.