Выбираем аккумуляторные батареи Sunlight SP12-200, 12В 200 А ч стоимостью 10 793,72 грн

В схеме, представленной на рисунке 1.5, общественная электросеть используется вместо аккумуляторов — в нее уходит вся выработанная электроэнергия. Из нее же потребляется электроэнергия для потребителей. Тем самым оплата осуществляется только за разницу между показаниями счетчиков.

Во втором случае АВР позволяет переключить питание объекта при отсутствии солнечной энергии на электросеть. Эта же схема может использоваться и наоборот – солнечный фотомодуль может служить резервным источником питания.

1.3 Элементы солнечной батареи и их дополнительные компоненты

Модули солнечной батареи наземного применения, как правило, конструируются для зарядки свинцово-кислотных аккумуляторных батарей с номинальным напряжением 12В. При этом последовательно соединяются 36 солнечных элементов, и далее собираются в модуль. Полученный пакет, как правило, обрамляют в алюминиевую раму, облегчающую крепление к несущей (опорной) конструкции. Мощность модулей солнечной батареи может достигать 10-300Вт [7].

Электрические параметры таких модулей отражаются в вольтамперной характеристике, определенной при стандартных условиях (т.е. когда мощность солнечной радиации равняется 1000 Вт/ , температура элементов - 25°С и солнечный спектр - на широте 45°). Точка пересечения кривой с осью напряжения называется напряжением холостого хода U_х.х., а с осью тока - током короткого замыкания I_к.з. [6].

На этом же графике приведена кривая мощности, получаемой от солнечных элементов в зависимости от нагрузки. Номинальная мощность модуля определяется как наибольшая мощность при стандартных условиях. Значение напряжения, соответствующее максимальной мощности именуется рабочим напряжением U_р, а соответствующий ток - рабочим током I_р. Значение рабочего напряжения для модуля, состоящего из 36 элементов примерно равно 16-17В (0,45-0,47В/элемент) при 25°С. Такой запас по напряжению нужен для того, чтобы компенсировать уменьшение рабочего напряжения при разогреве модуля солнечным излучением. Напряжение холостого хода солнечного модуля мало меняется при изменении освещенности, в то время как ток короткого замыкания прямо пропорционален освещенности. КПД солнечного модуля определяется как отношение максимальной мощности модуля к общей мощности излучения, падающей на его поверхность при стандартных условиях, и составляет 15-40% [6].

Рисунок 1.6 - Вольтамперная характеристика солнечной батареи

С целью получения требуемой мощности и рабочего напряжения модули соединяют последовательно и параллельно. Так получают солнечную батарею. Мощность солнечной батареи всегда ниже, чем сумма мощностей модулей - из-за потерь, обусловленных различием в характеристиках однотипных модулей (потерь на рассогласование). Чем тщательнее подобраны модули в батарее (то есть, чем меньше различие в характеристиках модулей), тем ниже потери на рассогласование. К примеру, при последовательном соединении десяти ФМ с разбросом характеристик 10% потери составляют примерно 6%, а при разбросе 5% - снижаются до 2% [6].

В случае затенения одного модуля, или части элементов в модуле, в солнечной батарее при последовательном соединении появляется "эффект горячего пятна" - затененный модуль (или элемент) начинает рассеивать всю производимую освещенными модулями (или элементами) мощность, стремительно нагревается и выходит из строя. Для устранения этого эффекта параллельно с каждым модулем (или его частью) устанавливают шунтирующий диод. Диод нужен при последовательном соединении более двух модулей. К каждой линейке (последовательно соединенных модулей) также подключается блокирующий диод для выравнивания напряжений линеек. Все эти диоды, как правило, размещаются в соединительной коробке самого модуля.

Вольтамперная характеристика солнечной батареи имеет тот же вид, что и единичного модуля. Рабочая точка батареи, подключенной к нагрузке, не всегда совпадает с точкой максимальной мощности (тем более, что положение последней зависит от условий освещенности и температуры окружающей среды). Подключение таких нагрузок, как, например, электродвигатель, может сдвинуть рабочую точку системы в область минимальной или даже нулевой мощности (и двигатель просто не запустится). Вследствие этого следующий важный компонент солнечной батареи - преобразователи напряжения, способные согласовывать солнечную батарею с нагрузкой.

1.4 Расчет фотоэлектрической системы с аккумулятонрыми батареями.

Расчет системы включает следующие этапы:

1. Определение нагрузки, потребляемой энергии и необходимой мощности инвертора.

2. Определение значения емкости аккумуляторной батареи и их количества.

3. Определение необходимого количества солнечных батарей.

4. Определение энергопотребления и мощности инвертора.

Выполним расчет нагрузок переменного тока и потребляемой энергии. Для этого перечислим всю нагрузку переменного тока с указанием ее номинальной мощности и числа часов работы в неделю. Умножим мощность на число часов работы для каждого прибора и просуммируем получившиеся значения для определения суммарной потребляемой энергии переменного тока в неделю W_пер. Значения мощностей приборов представлены в таблице 1.2.

Таблица 1.2- Нагрузка переменного тока

Нагрузка переменного тока	Pср, кВт	Часов в неделю	кВт ч/неделю
Светодиодные лампы	3,28		196,56
Лампа ЛД 18	5,50		165,11
Кондиционер	36,96		1478,40
Компьютер	10,80		432,00
МФУ	1,50		60,00
Чайник	0,25		1,25
Микроволновка	0,09		0,47
Холодильник	2,40		240,00
Котел	2,40		240,00
Лампа эн. Сб.	2,10		126,00
Лампа ЛД 36	0,38		22,68
Факс	0,004		0,40
Плоттер	0,002		0,12
Итого	65,67		2962,99

Для расчета требуемого количества энергии W_тр., постоянного тока умножаем получившееся значение суммарной нагрузки переменного тока на коэффициент k=1,2, учитывающий потери в инверторе:

(1.1)

Энергии постоянного тока с учетом потерь в инверторе потребуется:

кВт·ч.

Определяем значение входного напряжения инвертора U_инв. по характеристикам выбранного инвертора. Обычно это 12 или 24 В, для мощных систем 48 В и более. Инвертор выбираем таким образом, чтобы его мощность была выше мощности переменного тока умноженной на k.

Инвертор выбираем по активной мощности Р_инв, для этого разделим значение W_тр. на число часов за неделю, то есть на 7·24=168 ч:

, (1.2)

Вт.

При выборе инвертора для нашей системы мы руководствуемся следующими принципами: простота и надежность конструкции, простота в эксплуатации, невысокая стоимость наряду с такими характеристиками, как высокая точность поддержания частоты и значения выходного напряжения, высокая перегрузочная способность, синусоидальная форма выходного напряжения. При всем этом требуется довольно высокая мощность инвертора, для обеспечения общей нагрузки на инвертор в 21164 кВт. Поэтому предпочтение было отдано инверторам корпорации ABB серии TRIO, а именно инвертору типа TRIO-27.6 паспортные данные которого показаны в таблице 1.3.

Таблица 1.3- Технические данные сетевого инвертора

ABB PowerOne TRIO-27.6-TL-OUTD

Продолжение таблицы 1.3

Таким образом, для работы в данной системе принимаем инвертор

ABB PowerOne TRIO-27.6-TL-OUTD, имеющий полную выходную мощность 27,6 кВА, входное напряжение постоянного тока 620 В. Выбор мощности, несколько большей, чем расчетная активная (21,1 кВт), обусловлен необходимостью иметь запас по мощности для обеспечения пусковых токов некоторого оборудования [14].

Число Ампер-часов в неделю , требуемое для покрытия нагрузки переменного тока, определяется по формуле:

, (1.3)

А·ч.

Принимаем, что в доме нет нагрузки постоянного тока W_пост=0.

Суммарная требуемая емкость аккумуляторной батареи, то есть количество А·ч (Ампер-часов), потребляемых в неделю :

, (1.4)

А·ч.

Суточное значение потребляемых ампер-часов , определяется делением q_нед. на 7 дней:

, (1.5)

А·ч.

1.5 Определение значения необходимой емкости аккумуляторных батареи и их количества

Определяем максимальное число последовательных "дней без солнца" N_бс (то есть, когда солнечной энергии недостаточно для работы нагрузки из-за непогоды или облачности), пользуясь таблицей А.1 (приложение А) и ориентируясь на режим эксплуатации. При круглогодичной эксплуатации фотоэлектрической системы с дублером, в том числе при работе с общей энергосетью, для уменьшения затрат можно выбрать минимально возможное количество дней без солнца – 1. Это обусловлено подзарядкой от резервного источника в любое время. Также принимаем за этот параметр выбранное количество дней, в течение которых аккумуляторные батареи будет питать нагрузку самостоятельно без подзарядки [13].

Принимаем, что максимальное число последовательных "дней без солнца" в связи с круглогодичным режимом работы и использованием общей энергосети, то есть в условиях, когда подзарядка аккумуляторных батарей может осуществляться в любое время суток и в любой день N_бс=1.

Суммарная емкость аккумуляторов , учитывающая количество дней без солнца:

, (1.6)

А·ч.

Задаемся величиной глубины допустимого разряда аккумуляторной батареи 70%. Соответственно коэффициент использования γ=0,7.

Заряд аккумуляторной батареи с учетом глубины разряда :

, (1.7)

Выбираем коэффициент α из таблицы А.2 (приложение А), который учитывает температуру окружающей среды в помещении, где установлены аккумуляторные батареи. Обычно это средняя температура в зимнее время. Коэффициент учитывает уменьшение емкости при понижении температуры.

Выбираем из таблицы А.1 (приложение А) коэффициент, учитывающий температуру окружающей среды в помещении, где установлены аккумуляторные батареи. Если аккумуляторные батареи располагаются в здании, то при 15,6С, α=1,11-температурный коэффициент для аккумуляторной батареи.

Общая требуемая емкость аккумуляторных батарей:

, (1.8)

А·ч.

Номинальное напряжение U_{ном. АКБ} =12 В, емкость q_{ном. АКБ} =200 А·ч.

Разделить общую требуемую емкость батарей q_общ на номинальную емкость выбранной аккумуляторной батареи q_ном и округлить полученное значение до ближайшего большего целого. Это будет количество батарей, соединенных параллельно :

, (1.9)

Разделить номинальное напряжение постоянного тока системы U_инв. на номинальное напряжение аккумуляторной батареи U_{ном. АКБ} (чаще 12 В). Округлить полученное значение до ближайшего большего целого. Результат задаст количество последовательно соединенных батарей :

, (1.10)

где U_инв– номинальное, входное напряжение инвертора, В.

Подсчитать требуемое количество аккумуляторных батарей :

, (1.11)

Выбираем аккумуляторные батареи Sunlight SP12-200, 12В 200 А ч стоимостью 10 793,72 грн.

Суммарные капитальные затраты на АКБ:

(1.12)

где С – стоимость одной АКБ, грн.

Как показали приведенные расчеты, число полученных АКБ достаточно велико. И капитальные затраты в таком размере нецелесообразны, поэтому мы отказываемся от установки АКБ и переходим к схеме подключения солнечных фотомодулей без аккумуляторов (рис.1.5). Дальнейший расчет ведем без учета батарей.

1.6 Определение необходимого количества солнечных батарей

Для того чтобы определить число пиковых солнце-часов, нужно знать значения среднемесячного поступления солнечного излучения в Мариуполе.

Если солнечные батареи устанавливаются под некоторым углом β к горизонту, то производится перерасчет солнечного излучения с горизонтальной поверхности на наклонную. Значения широты местности, угла наклона солнечных батарей, часового угла захода Солнца для горизонтальной поверхности, часового угла захода Солнца для наклонной поверхности с южной ориентацией, коэффициента пересчета с горизонтальной плоскости на наклонную с южной ориентацией, значения солнечной энергии, поступающей на горизонтальную поверхность, альбедо земной поверхности, среднемесячный коэффициент пересчета прямого солнечного излучения с горизонтальной на наклонную поверхность и число часов солнечного сияния приведены в таблице 1.4.

Расчет производим по среднегодовому количеству пиковых солнце-часов, чтобы уменьшить затраты на фотоэлектрическую систему. Это представляется возможно за счет использования общей энергосистемы в качестве дублера. В теплое время года вырабатываемая энергия может передаваться в общую сеть, а в холодное соответственно забираться[13].

Если солнечные батареи устанавливаются под углом β к горизонту, то среднемесячное дневное суммарное количество солнечной энергии, поступающее на наклонную поверхность Е_н, может быть найдено по формуле:

, (1.13)

где Е – среднемесячное дневное суммарное количество солнечной энергии, поступающей на горизонтальную поверхность;

R – отношение среднемесячных дневных количеств солнечной радиации, поступающей на наклонную и горизонтальную поверхности.

Коэффициент пересчета с горизонтальной плоскости на наклонную с южной ориентацией равен сумме трех составляющих, соответствующих прямому, рассеянному и отраженному солнечному излучению:

, (1.14)

где Е_Р – среднемесячное дневное количество рассеянного солнечного излучения, поступающего на горизонтальную поверхность, кВт ч/м²;

– среднемесячная дневная доля рассеянного солнечного излучения, кВт ч/м²;

R_п – среднемесячный коэффициент пересчета прямого солнечного излучения с горизонтальной на наклонную поверхность;

β – угол наклона поверхности солнечной батареи к горизонту;

ρ – коэффициент отражения (альбедо) поверхности Земли и окружающих тел, обычно принимаемый равным 0,7 для зимы и 0,2 для лета.

Среднемесячный коэффициент пересчета прямого солнечного излучения с горизонтальной на наклонную поверхность :

, (1.15)

где - широта местности, град;

- угол наклона солнечной батареи к горизонту, град;

- склонение Солнца (угол между линией, соединяющей центры Земли и Солнца, и ее проекцией на плоскость экватора) в средний день месяца, град:

, (1.16)

где n – порядковый номер дня, отсчитанный от 1 января (номер среднего расчетного дня для каждого месяца года).

Значение можно взять из таблицы 1.4 [13]

Таблица 1.4 - Угол склонения Солнца

Месяц	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII
n
, град	-23,1	-13,6	-2,4	9,4	18,8	23,3	21,7	14,4	3,4	-8,5	-18,2	-23,1

Часовой угол захода (восхода) Солнца для горизонтальной поверхности определится как:

. (1.17)

Часовой угол захода Солнца для наклонной поверхности с южной ориентацией :

. (1.18)

Выработка электроэнергии солнечной фотоэлектрической батареей (СБ) зависит от угла падения солнечных лучей на СБ. Максимум бывает при угле 90 градусов. При отклонении от этого угла все большее количество лучей отражается, а не поглощается СБ.

Зимой приход радиации значительно меньше из-за того, что дни короче, облачных дней больше, Солнце стоит ниже на небосклоне. Если используете систему только летом, используйте летние значения, если круглый год, используете значения для зимы. Для надежного электроснабжения выбирайте из среднемесячных значений наименьшее для периода, в течение которого будет использоваться ФЭС. [13]

Беря во внимание данные факты, для более рационального использования СБ в нашей системе будут использоваться штативы для батарей с возможностью изменения угла наклона батарей для перехода на зимний или летний период. Выбор оптимального угла наклона будем проводить по среднему значению за периоды года.

Из формулы коэффициента перерасчета с горизонтальной на наклонную поверхность видно, что это коэффициент зависит от угла наклона β, поэтому нужно узнать при каком угле наклона функция примет максимальное значение. Данный расчет выполним в программе MathCad.

Рассмотрим выполнение на примере января месяца. Для этого зададим следующие параметры:

- величину среднемесячной дневной доли рассеянного солнечного излучения, Е_р/Е=0,62 – это отношение рассеянного излучения к полному, среднее за январь месяц;

- коэффициент отражения (альбедо) поверхности Земли и окружающих тел, обычно принимаемый равным ρ = 0,7 для зимы;

- угол между линией, соединяющей центры Земли и Солнца, и ее проекцией на плоскость экватора = -21,3, град;

- часовой угол захода (восхода) Солнца для горизонтальной поверхности =65;

- часовой угол захода Солнца для наклонной поверхности с южной ориентацией = 69;

- широта местности =47, град;

- условие, по которому определяется оптимальный угол наклона поверхности солнечной батареи к горизонту β, при максимальном R:

- β:=0;

- Given:

;

- β:= Maximize (R, β) = 75.345;

- R(β)=1,997.

Текст программы и пример расчета приведен в приложении Б.

В результате многочисленных проведенных расчетов определены зависимости коэффициента пересчета с горизонтальной плоскости на наклонную от угла наклона поверхности солнечной батареи к горизонту. Для примера, на рис. 1.7 показана зависимость коэффициента пересчета с горизонтальной плоскости на наклонную от угла наклона поверхности солнечной батареи к горизонту в январе для широты местности =47°. Графики зависимостей для остальных месяцев для широты местности =47° представлены в Приложении Б.

Рисунок 1.7 - Зависимость коэффициента пересчета с горизонтальной плоскости на наклонную от угла наклона поверхности солнечной батареи к

горизонту в январе для широты местности =47, град

Таким образом, определим максимальные значения коэффициента пересчета с горизонтальной плоскости на наклонную с южной ориентацией R при угле наклона солнечной батареи к горизонту β. Полученные данные представлены в таблице 1.5.

Таблица 1.5 - Величины оптимальных углов наклона солнечных батарей

Таким образом, можно сделать следующие выводы. По таблице 1.5 видно, что угол наклона солнечных батарей для холодной поры года (с октября по март) на порядок выше, чем для теплых месяцев. В связи с этим, для оптимизации работы нашей станции целесообразно принять решение об изменении угла наклона панелей при переходе с теплой поры на холодную, и наоборот.

Следовательно, среднее значение по месяцам определится следующим образом:

- теплый период (апрель-сентябрь) β=20⁰;

- холодный период β=75⁰.

Определение пиковых солнце-часов для декабря, в котором среднемесячное значение солнечной радиации города Мариуполь широта 47⁰, составляет: Р _{сум. изл.}= 50,9 кВт ч/м².

Выбранное среднемесячное значение Р _{изл. сум}. для худшего месяца разделим на число дней в месяце. Получаем среднемесячное количество число пиковых солнце-часов i _{пик. часов}, которое будет использоваться для расчета СБ:

Покажем зависимость числа пиковых солнце-часов от месяца года для широты местности =47° на рисунке 1.8.

Рисунок 1.8 - зависимость среднемесячного числа пиковых солнце-часов от месяца года

Результаты расчет числа пиковых солнце-часов для среднего угла наклона г. Мариуполя приведены в таблице 1.6

Таблица 1.6 - Расчет числа пиковых солнце-часов для угла наклона β=75, 20⁰

Месяц	φ, град	β, град			Rп	Прямое излучение кВт ч/м2	Рассеянное излучение кВт ч/м2	Суммарное излучение кВт ч/м2	ρ	R	i
январь					3,96	19,34	31,56	50,9	0,7	2,16	3,54
февраль					2,45	30,84	46,26	77,1	0,7	1,63	4,49
март					1,38	61,82	66,98	128,8	0,7	1,28	5,31
апрель					1,16	79,00	59,60	138,6	0,2	1,07	4,96
май					1,01	92,80	70,00	162,8	0,2	1,00	5,26
июнь					0,95	99,23	58,28	157,5	0,2	0,97	5,09
июль					0,97	101,22	45,48	146,7	0,2	0,98	4,65
август					1,08	87,38	41,12	128,5	0,2	1,05	4,33
сентябрь					1,28	67,78	38,12	105,9	0,2	1,15	4,06
октябрь					1,86	47,64	31,76	79,4	0,7	1,66	4,25
ноябрь					3,21	21,87	27,83	49,7	0,7	2,03	3,37
декабрь					4,54	15,85	25,85	41,7	0,7	2,37	3,18
Сумма								1267,5		Среднее:	4,37

1.7 Выбор солнечных батарей и основного оборудования для варианта электроснабжения с аккумуляторными батареями

Для выбора солнечных батарей, прежде всего, необходимо определить, какой тип целесообразно применять в данном проекте. Существует 3 основных типа солнечных батарей.

Монокристаллические кремниевые пластины являются наиболее эффективными и меньшими по размеру, и следовательно займут меньше места на крыше вашего дома. Но к сожалению монокристаллические солнечные панели и самые дорогие.

Поликристаллические - солнечные батареи из поликристаллического кремния являются довольно эффективным типом солнечных элементов и пожалуй самыми популярными, поскольку обеспечивают превосходный баланс производительности и экономичности. Последние достижения в технологии изготовления поликристаллических панелей передвигают эти модули ближе к монокристаллическим по таким характеристикам как размеры и эффективность. На Европейском рынке в настоящее время в качестве стандарта приняты именно поликристаллические батареи.

Самые дешевые солнечные батареи основаны на тонкопленочном кремнии, они также являются наименее эффективным типом солнечных батарей. Это означает, что они занимают большую площадь, и вырабатывают меньше мощности на квадратный метр, чем предыдущие два типа батарей.

В большинстве случаев, для домашних солнечных энергетических систем рекомендуется использовать качественные поликристаллические солнечные панели.

Прочность и долговечность панелей солнечных батарей имеет важное значение из-за целого ряда причин. Во-первых, если солнечные панели имеют только 10-летнюю гарантию, то они должны производить достаточно энергии, чтобы окупить себя в течение этих 10 лет. Хорошие солнечные панели должны иметь гарантию сроком не менее 25 лет. Покупая, лучше всего выбирать батареи от производителей с известным брэндом, а не какой-то непонятный бренд, который может исчезнуть в одночасье [15].

Выбираем солнечный модуль из чистого кремния украинского производителя «Пролог Семикор» Psm-250, то есть =250 Вт, =24 В, ток в точке максимальной мощности I_mpp = 8,2 А. Площадь солнечной батареи 2,43 м² Модули производятся на промышленном оборудовании в соответствии с требованиями стандартов IEC 61215, IEC 61730. [16].

Для питания инвертора устанавливаем понижающий стабилизатор напряжения и принимаем минимальное напряжение на выходе солнечной батареи = 24 В. Это обеспечит стабильность работы энергосистемы при низких интенсивностях солнечной радиации.

Разделяем значение q_сут. на число пиковых солнце-часов для заданной местности i. В результате получаем значение тока, который должны

генерировать солнечные батареи:

, (1.19)

А.

где - ток, который должны генерировать солнечные батареи;

i - число пиковых солнце-часов.

Общее количество требуемых солнечных батарей :

, (1.20)

где - номинальная мощность солнечных батарей, Вт.

Для определения числа модулей, соединенных последовательно, разделяем напряжение постоянного тока системы U_инв. на номинальное напряжение солнечной батареи (24 В):

, (1.21)

где - минимальное напряжение солнечных батарей, В;

- число последовательно соединенных модулей, шт.

Число модулей, соединенных параллельно:

, (1.22)

где - число параллельно соединенных модулей, шт.

Общее количество требуемых фотоэлектрических модулей:

, (1.23)

Площадь солнечных батарей:

, (1.24)

где - полная площадь солнечных батарей, м²;

- площадь одной солнечной батареи, м².

Здание, электроснабжение которого запланировано в проекте обладает площадью, допустимой для установки солнечных модулей в 555 м².

Следовательно, выполнить автономное электроснабжение данного объекта с помощью солнечных модулей не представляется возможным.

Рассмотрим вариант подключения солнечный фотомодулей без аккумуляторов и прямой коммутацией с сетью. В этом случае необходимо получение зеленого тарифа для данного объекта.

1.8 Выбор солнечных батарей и основного оборудования для варианта электроснабжения без аккумуляторных батарей

В расчете системы отталкиваемся от количества фотоэлементов, которые возможно расположить на данном здании.

Беря во внимание, что солнце на протяжении почти всего светового дня, а главное во время пиковых солнце часов, будет светить на одну из сторон здания, то мы также установим на нее СЭ, в один ряд поверх окон третьего этажа.

На рисунке 1.9 показано расположение здания относительно солнечной стороны на протяжении дня.

На крыше поместится 6 полос по 24 модуля, с учетом прохода между панелями для их обслуживания и одна полоса на стене, итого 168 модулей.

Число модулей, соединенных последовательно:

.

Число модулей, соединенных параллельно:

Рисунок 1.9 - Солнечная сторона

Общее количество требуемых фотоэлектрических модулей:

Площадь солнечных батарей определим как:

м².

Мощность солнечных элементов:

кВт.

Ток протекающий по элементам:

А.

Суточное значение потребляемых А·ч:

А·ч.

На рисунке 1.10 показан вид здания сверху и места для установки батарей.

Рисунок 1.10 - Расположение модулей

Количество А·ч, потребляемых в неделю

А·ч.

Энергия постоянного тока с учетом потерь в инверторе:

Вт·ч/нед.

Мощность инвертора:

Вт.

По данной мощности выбираем сетевой инвертор ABB Power One