Как автономная солнечная энергия работает ночью, в пасмурные дни и во время отключений электроэнергии?

Для удаленного дома, фермы, мастерской, телекоммуникационной площадки или предприятия с ненадежным электроснабжением производство солнечной электроэнергии является лишь частью работы. Система также должна поддерживать работу оборудования после захода солнца, справляться с пасмурными периодами, управлять пусковым током насосов или компрессоров и защищать батарею, когда уровень ее заряда становится слишком низким.

Именно в этом автономная солнечная система отличается от базовой установки, подключенной к сети.

В типичной автономной установке солнечные панели генерируют электричество постоянного тока. Контроллер заряда MPPT или инвертор со встроенным MPPT управляет фотоэлектрическим входом, в то время как аккумуляторная батарея сохраняет энергию, которая не нужна немедленно. Затем инвертор преобразует мощность постоянного тока в электричество переменного тока для бытового или коммерческого оборудования.

Когда фотоэлектрическая генерация ниже нагрузки, разницу компенсирует батарея. Если проекту требуется более длительное резервное питание, чем может обеспечить батарея, генератор можно интегрировать в качестве еще одного источника питания.

Для покупателей в Латинской Америке и странах Карибского бассейна дизайн системы также может иметь прямое влияние на стоимость. По данным Всемирного банка, средние цены на электроэнергию в Карибском бассейне составляют около 0,25 доллара США за кВтч, а на некоторых рынках цены превышают 0,40 доллара США за кВтч. В регионах, где перебои в подаче электроэнергии влияют на производство, охлаждение, продажи или другие бизнес-операции, надежность может иметь такое же значение, как и сама цена на электроэнергию.

Как работает автономная солнечная система?

Основной путь власти:

Солнечный свет → Солнечные панели → Управление MPPT → Шина постоянного тока/батарея → Автономный инвертор → Нагрузки переменного тока

Если резервное копирование генератора включено, существует другой возможный путь:

Генератор → Инвертор/Зарядное устройство → Нагрузка + Аккумулятор

В течение дня солнечная энергия может обслуживать работающие в этот момент нагрузки. Любой доступный излишек можно затем использовать для зарядки аккумулятора.

После захода солнца фотоэлектрические батареи больше не обеспечивают полезную продукцию, поэтому основным источником становится накопленная в батареях энергия. Пасмурная погода создает промежуточное состояние: фотоэлектрическая батарея все еще может вырабатывать электроэнергию, но ее недостаточно для покрытия нагрузки, поэтому баланс обеспечивает батарея.

Как только аккумулятор достигнет запрограммированного нижнего предела, реакция будет зависеть от того, как настроена система. Он может отключить неприоритетные нагрузки, отключить выход переменного тока, использовать другой доступный вход или запустить совместимый генератор.

С практической точки зрения, постоянный баланс фотоэлектрической генерации, энергии аккумуляторов и нагрузки является принципом работы автономной солнечной системы.

Что такое автономная солнечная система?

Автономная солнечная система работает без использования электросети в качестве обычного источника резервного питания.

Поскольку нет сети, способной покрыть внезапную нехватку энергии, системе приходится управлять генерацией, зарядкой аккумуляторов, хранением, преобразованием переменного тока, защитой, подачей нагрузки и стратегией резервного копирования внутри самой установки.

Это делает автономные системы более чувствительными к фактическому профилю нагрузки, чем многие системы, подключенные к сети. Ежедневное потребление электроэнергии имеет значение, а также погодные условия, сезонная доступность солнечной энергии, автономность аккумуляторов и пусковой ток двигателей и компрессоров.

Распространенной ошибкой является выбор инвертора, потому что его номинальная мощность в кВт выглядит достаточно большой, а затем построение вокруг него остальной части системы. На самом деле инверторная мощность — это только одна часть конструкции. Емкость аккумулятора, пределы входной фотоэлектрической энергии, требования к перенапряжению, зарядный ток и ожидаемые условия эксплуатации — все это должно работать вместе.

Как работает автономная солнечная система: шаг за шагом

Шаг 1. Солнечные панели производят электричество постоянного тока

Фотоэлектрические элементы преобразуют солнечный свет в электрический ток посредством фотоэлектрического эффекта. Электричество, производимое фотоэлектрической батареей, представляет собой постоянный ток или постоянный ток.

Выходные данные массива не являются постоянными в течение дня. Излучение, температура модуля, ориентация, затенение, грязь, погода и потери в системе — все это влияет на то, сколько энергии достигает остальной части системы.

Вот почему солнечную батарею мощностью 5 кВт не следует интерпретировать как источник, который непрерывно выдает мощность 5 кВт каждый раз, когда восходит солнце. Его номинальная мощность описывает массив в заданных условиях, а не его производительность каждую минуту дня.

Шаг 2 – MPPT контролирует поступление солнечной энергии

Фотоэлектрическое напряжение и доступная мощность изменяются по мере изменения солнечного света и температуры модуля. Однако аккумулятор и шина постоянного тока работают в своих пределах по напряжению и току.

MPPT, или отслеживание максимальной мощности, управляет фотоэлектрической стороной этих отношений. Он постоянно регулирует рабочую точку солнечной батареи, чтобы система могла лучше использовать доступную солнечную энергию, сохраняя при этом зарядку в необходимых пределах.

Отдельный контроллер заряда MPPT не всегда необходим. Многие современные автономные инверторы имеют внутреннюю зарядку MPPT. включает в себя управление MPPT для стандартных конфигураций системы. Например, линейка автономных гибридных инверторов SNADI/SNAT NKH

Интеграция не устраняет необходимость в электрическом согласовании. Перед подключением массива проектировщикам все равно необходимо проверить допустимый диапазон фотоэлектрического напряжения, максимальную входную мощность фотоэлектрических модулей, ток MPPT и напряжение батареи.

Шаг 3. Солнечная энергия питает нагрузку и заряжает батарею.

Автономную солнечную энергию иногда объясняют так, будто вся фотоэлектрическая энергия сначала поступает в батарею, а затем батарея питает дом. Это описание легко понять, но оно не отражает каждую архитектуру инвертора.

В зависимости от инвертора и его запрограммированных энергетических приоритетов, солнечная энергия может напрямую обслуживать активные нагрузки, в то время как оставшаяся фотоэлектрическая мощность заряжает батарею.

Например, если фотоэлектрическая установка вырабатывает 4 кВт, а дом использует 1,5 кВт, для поддержки этих нагрузок можно использовать примерно 1,5 кВт. Оставшаяся доступная мощность может пойти на зарядку аккумулятора с учетом потерь преобразования и ограничений зарядки аккумулятора.

Если облако затем снизит выработку фотоэлектрических модулей до 800 Вт, а потребность останется на уровне 1,5 кВт, батарея сможет обеспечить недостающую мощность.

Такая операция разделения происходит постоянно в работающей системе. Производство солнечной энергии и спрос на нагрузку редко остаются идеально согласованными в течение длительного времени.

Шаг 4. Аккумулятор сохраняет энергию для дальнейшего использования.

Емкость аккумулятора обычно указывается в киловатт-часах, но номинальную емкость не следует путать с количеством энергии, которое можно использовать каждый день.

Например, аккумуляторная батарея емкостью 15 кВтч не обеспечивает автоматически 15 кВтч ежедневной полезной энергии. Доступное количество зависит от химического состава аккумулятора, допустимой глубины разряда, пределов уровня заряда, температуры, настроек BMS, тока заряда и разряда, а также потерь в системе.

LiFePO4, или фосфат лития-железа , в настоящее время широко используется в стационарных системах хранения солнечной энергии.

Экономика хранения также существенно изменилась. IRENA сообщает, что затраты на проекты полностью установленных аккумуляторных батарей упали на 93% в период с 2010 по 2024 год. Эта цифра основана на более крупных проектах хранения и не должна рассматриваться как расценка на бытовую батарею, но она действительно показывает более широкое направление затрат на аккумуляторные батареи.

Для определения размера системы таблица технических данных батареи и эксплуатационные ограничения остаются более полезными, чем общие цифры емкости.

Шаг 5. Инвертор преобразует постоянный ток в переменный ток.

Большинство бытовой техники и коммерческого оборудования работают от сети переменного тока, а солнечные панели и батареи являются источниками постоянного тока. Автономный инвертор расположен между этими двумя сторонами системы и вырабатывает переменное напряжение, необходимое для местной установки, например 120 В или 230 В.

Два номинала необходимо проверить отдельно: непрерывную мощность и возможность импульсного напряжения.

Непрерывная мощность описывает то, что инвертор может поддерживать во время нормальной работы. Импульсная мощность связана с кратковременным спросом, особенно при запуске индуктивной нагрузки.

Компрессоры холодильников, кондиционеры, водяные насосы, моторы для мастерских и подобное оборудование при запуске могут потреблять значительно больше энергии, чем при нормальной работе. По этой причине одно только ежедневное потребление энергии не может определить размер инвертора.

Объекту, потребляющему 10 кВтч в день, может потребоваться инвертор большей мощности, чем объекту, использующему 15 кВтч в день, если на первом объекте имеется большой двигатель или насос с высокими требованиями к запуску.

Шаг 6 – Резервное питание покрывает дефицит энергии

Генератор не требуется в каждой автономной солнечной системе. Имеет ли это смысл, зависит от требуемой надежности, местных солнечных условий, автономности аккумулятора и бюджета.

Для объекта, который должен продолжать работать в течение нескольких дней с низким уровнем солнечной активности, одним из вариантов является установка фотоэлектрической батареи большего размера и батареи большей емкости. Другой вариант — использовать более умеренную конфигурацию фотоэлектрических систем и батарей с резервным генератором.

Второй подход может уменьшить требуемую заранее емкость аккумулятора, но он приводит к увеличению расхода топлива, технического обслуживания, шума и часов работы генератора.

Для ферм, удаленных коммерческих зданий и объектов связи может иметь значение нечто большее, чем просто увеличение размера батареи.

Как энергия течет через автономную солнечную систему

Важным моментом здесь является то, что мощность панели рассказывает лишь часть истории. Аккумуляторная батарея должна покрывать временной интервал между производством и использованием энергии, в то время как инвертор должен обрабатывать подключенные в этот момент нагрузки.

Основные компоненты автономной солнечной системы

Система, построенная из индивидуально подходящих компонентов, все равно может работать плохо, если эти компоненты несовместимы.

Напряжение аккумулятора должно соответствовать инвертору. Напряжение фотоэлектрической цепочки должно оставаться в пределах рабочего диапазона MPPT. Возможно, связь с литиевой батареей будет осуществляться по протоколу BMS инвертора. Вход генератора, заземление, ограничения тока и местные электрические требования также должны быть проверены в рамках одного и того же проекта.

Автономная, гибридная и сетевая солнечная энергия

Полная автономная система не является автоматически самым экономичным решением, когда энергоснабжение ненадежно.

Если электроэнергия из сети доступна большую часть дня, гибридный инвертор с батареей меньшего размера может обеспечить необходимое резервное питание с меньшими затратами. Полный отказ от сети означает установку достаточного количества генерации и хранения энергии в периоды, когда коммунальное предприятие вообще не может помочь, включая плохие погодные условия.

Таким образом, правильная архитектура зависит от того, насколько на самом деле надежна сеть, а не просто от того, происходят ли отключения.

Как определить размер автономной солнечной системы

Полезная последовательность определения размеров:

Нагрузка → Аккумулятор → Инвертор → Фотоэлектрическая батарея

Если начать с модели инвертора и попытаться подогнать под нее все остальные компоненты, можно легко получить неправильный баланс.

Рассчитать ежедневное потребление энергии

Для каждого прибора:

Ежедневная энергия (Втч) = Мощность (Вт) × Часы использования в день

Если нагрузка, эквивалентная холодильнику мощностью 150 Вт, работает в течение восьми эффективных часов:

150 Вт × 8 ч = 1200 Втч/день

Тот же расчет следует выполнить для освещения, вентиляторов, насосов, компьютеров, телевизоров, холодильного оборудования, оборудования связи, кондиционирования воздуха и любых других нагрузок, которые, как ожидается, будут работать от системы.

Результат дает приблизительную ежедневную потребность объекта в энергии. Он еще не говорит вам, насколько большим должен быть инвертор.

Проверьте пиковые и импульсные нагрузки

Ежедневная и пиковая кВтч отвечают на разные вопросы проектирования.

Ежедневная энергия помогает определить, сколько энергии должны обеспечивать аккумулятор и фотоэлектрическая батарея. Выбор инвертора в большей степени зависит от максимальной нагрузки, которая может работать за один раз, и кратковременного скачка напряжения, возникающего при запуске двигателей или компрессоров.

Рассмотрим недвижимость с:

• 800 Вт охлаждения

• 700 Вт освещения и электроники

• 1000 Вт других активных нагрузок

• один водяной насос мощностью 1,5 кВт

До запуска насоса одновременная потребность может составлять около 2,5 кВт. Запуск может на короткое время значительно повысить требуемую выходную мощность инвертора.

По этой причине, где это возможно, следует проверять фактические характеристики оборудования.

Примечание по выбору: Емкость аккумулятора — это, прежде всего, расчет энергии, основанный на кВтч и автономности. При выборе инвертора также следует учитывать одновременную нагрузку, скачок напряжения при запуске, напряжение переменного тока и возможность разряда аккумулятора.

Рассчитать емкость аккумулятора

Для предварительной оценки литиевой батареи можно использовать:

Емкость аккумулятора ≈ Ежедневная энергия × Дни автономной работы ÷ Полезный DoD ÷ Эффективность системы

Для объекта, потребляющего 10 кВтч в день, с одним днем ​​автономной работы, полезной глубиной разряда 80 % и предварительным системным коэффициентом 90 %:

10 ÷ 0,80 ÷ 0,90 ≈ 13,9 кВтч

Поэтому проектировщик может начать с оценки аккумуляторной батареи в диапазоне 14–15 кВтч.

Это все еще только начальное значение размера. Температура, максимальный ток заряда и разряда, запас старения аккумулятора, сезонные условия эксплуатации и ограничения, указанные производителем, могут изменить окончательный выбор.

Оцените размер солнечной батареи

Базовая оценка PV:

Размер фотоэлектрического массива ≈ Ежедневная энергия ÷ Часы пиковой солнечной активности ÷ Снижение номинальных характеристик системы

Используя тот же пример 10 кВтч/день и пять часов пиковой солнечной активности:

При предварительном энергетическом коэффициенте 75%:

10 ÷ 5 ÷ 0,75 ≈ 2,67 кВтпик

Расчет дает теоретическую отправную точку, а не конечный размер массива.

Автономному массиву также может потребоваться достаточная резервная мощность для работы дневных нагрузок при восстановлении батареи после периода низкой солнечной активности. Это требование восстановления может быть важным в системах, которые, как ожидается, будут работать без регулярной поддержки сети.

В методологии NREL PVWatts используется значение по умолчанию 14 % для нескольких фотоэлектрических потерь, которые не моделируются отдельно. Автономная конструкция также должна учитывать зарядку аккумулятора, работу инвертора, требования к резерву и условия фактического объекта.

Таким образом, в приведенном выше примере предварительный проект может оценивать что-то ближе к 3,5–4 кВтпик вместо того, чтобы останавливаться на математическом минимуме 2,67 кВтпик.

Пример: дом с автономной электросетью мощностью 10 кВтч/день.

Рассмотрим удаленный дом, потребляющий около 10 кВтч электроэнергии в день.

Предварительная конфигурация может быть:

В полдень фотоэлектрическая батарея может работать с такими рабочими нагрузками, как охлаждение, освещение и электроника, одновременно отправляя имеющуюся избыточную энергию в батарею.

К 8 часам вечера полезное производство солнечной энергии прекращается, и основным источником энергии становится батарея. Пасмурным утром ситуация может снова измениться: фотоэлектрические системы могут покрыть часть спроса, в то время как накопленная энергия покроет остальную часть.

Несколько последовательных дней с низкой солнечной погодой окажут большее давление на батарею. В зависимости от проекта на объекте может потребоваться поддержка генератора или временное снижение неприоритетных нагрузок.

Эти цифры предназначены для демонстрации процесса определения размеров, а не для указания оборудования для реальной установки. Для окончательного выбора требуется профиль нагрузки на объекте, местные солнечные ресурсы, характеристики аккумуляторов, требования к перенапряжению инвертора, расчеты проводки и применимые правила установки.

Что происходит, когда аккумулятор заряжен или разряжен?

Когда батарея заряжена

Как только аккумулятор достигает установленного верхнего предела заряда, инвертор или контроллер заряда снижает зарядный ток.

Если текущие нагрузки не смогут использовать оставшуюся фотоэлектрическую энергию и этой энергии больше некуда идти, производство солнечной энергии может быть сокращено.

Таким образом, установка большей фотоэлектрической мощности не означает автоматически, что можно использовать всю эту дополнительную генерацию. Результат зависит от дневной нагрузки, емкости аккумулятора, пределов зарядки и логики управления энергопотреблением системы.

Когда батарея разряжается

Когда уровень заряда приближается к запрограммированному нижнему пределу, система управления аккумулятором и инвертор начинают защищать аккумулятор от чрезмерного разряда.

В зависимости от установки следующим действием может быть отключение неприоритетных цепей, запуск генератора, переключение на другой вход, подача аварийного сигнала или отключение выхода переменного тока.

Если система регулярно достигает нижнего предела SOC при обычном использовании, конструкция заслуживает еще одного взгляда. Возможные причины включают недостаточную фотоэлектрическую генерацию, недостаточную емкость аккумулятора, неожиданно высокие нагрузки или стратегию резервного копирования, которая не соответствует режиму работы объекта.

Работает ли автономная солнечная батарея в пасмурные дни?

Да. Фотоэлектрические батареи по-прежнему могут производить электроэнергию под покровом облаков, хотя мощность может существенно упасть по сравнению с ясными условиями.

Когда выработка солнечной энергии падает ниже нагрузки, батарея обеспечивает больше необходимой энергии. Это одна из причин, по которой автономность аккумулятора не следует рассчитывать только с учетом потребления в ночное время. Аккумулятор также обеспечивает запас энергии в условиях низкой солнечной активности.

На участках с продолжительными сезонами дождей или сильными сезонными колебаниями может потребоваться большая фотоэлектрическая мощность, дополнительные аккумуляторы, поддержка генераторов, более строгое управление нагрузкой или комбинация этих мер.

Правильное решение зависит от того, как долго обычно длятся периоды низкой производительности и какая часть нагрузки на объекте должна оставаться в течение них.

Что покупатели должны проверить перед выбором системы

Стоимость приобретения оборудования составляет лишь часть стоимости системы. Различные комбинации фотоэлектрической мощности, автономности батарей и резервного питания могут смещать затраты между первоначальными инвестициями и долгосрочной эксплуатацией.

Установщикам также следует просмотреть соответствующие руководства и техническую документацию по инверторам, прежде чем подтверждать фотоэлектрическое напряжение, связь с аккумулятором и совместимость генератора.

Перед заказом оборудования покупатели и установщики должны проверить:

• ежедневное потребление кВтч

• максимальная одновременная нагрузка

• помпаж при запуске двигателя и компрессора

• требуемая продолжительность резервного копирования

• местное напряжение и частота переменного тока

• однофазные, двухфазные или трехфазные требования

• Напряжение фотоэлектрической цепочки

• напряжение аккумулятора и связь BMS

• ожидаемая температура окружающей среды

• пыль, влажность, дождь и воздействие прибрежной зоны

• требуемый уровень защиты IP

• совместимость генератора

• требования к мониторингу

• стратегия местного обслуживания и запасных частей

Для дистрибьюторов и монтажников эта проверка особенно важна. Упаковка может выглядеть правильно по размеру в предложении и по-прежнему вызывать проблемы после установки, если фактические нагрузки, ток батареи, требования к запуску двигателя или условия окружающей среды не были подтверждены.

Подходит ли вам автономная солнечная система?

Автономная солнечная энергия обычно имеет больше смысла, когда альтернативой является дорогостоящее расширение сети, ненадежное электричество, продолжительное время работы генератора или полное отсутствие подключения к коммунальным сетям.

Типичные области применения включают удаленные дома, фермы, хижины, сельские мастерские, телекоммуникационные объекты, острова, водонасосные установки и небольшие коммерческие объекты.

Для коммерческих пользователей надежность также имеет экономическую ценность. Отчет Всемирного банка о компаниях Карибского бассейна показал, что средний бизнес теряет около 1,1% годовых продаж из-за перебоев в подаче электроэнергии. В том же исследовании 45% опрошенных компаний могут потерять половину или более своего ежедневного дохода в случае однодневного отключения электроэнергии.

В этой ситуации финансовое обоснование использования аккумуляторных батарей не ограничивается экономией электроэнергии. Предотвращение остановок производства, непрерывное охлаждение, работающие системы оплаты, сокращение времени работы генераторов и сокращение количества потерянных рабочих часов — все это может иметь значение.

Расчет меняется, когда электроэнергия стабильна и относительно недорога. Создание полностью независимой системы в такой ситуации может увеличить емкость фотоэлектрических систем и аккумуляторов, в которых объект недвижимости на самом деле не нуждается. Сетевая или гибридная система может быть более экономичным вариантом.

Заключение

Автономная солнечная система постоянно сталкивается с меняющимся балансом между производством и потреблением.

Во время мощного производства солнечной энергии фотоэлектрическая энергия может питать нагрузки и заряжать аккумулятор. Когда производство падает, запасенная энергия аккумулятора восполняет пробел. Инвертор осуществляет преобразование постоянного тока в переменный, а программируемая защита и логика резервного копирования определяют, что произойдет, когда доступная энергия станет ограниченной.

Вот почему для двух проектов с одинаковым ежедневным потреблением электроэнергии может потребоваться совершенно разное оборудование. Водяной насос может изменить требования инвертора. Длительный сезон дождей может оправдать увеличение емкости фотоэлектрических систем или батарей. Участок, где допустимо использование генератора, может быть спроектирован иначе, чем тот, который требует длительных периодов независимой работы.

Схема — это самая простая часть. Полезная инженерная работа заключается в согласовании фотоэлектрической батареи, инвертора, аккумулятора и стратегии резервного копирования с фактическим потреблением электроэнергии на объекте.

Для жилых, фермерских, удаленных и небольших коммерческих проектов SNADI/SNAT Solar поставляет автономные и гибридные инверторы, батареи LiFePO4 и продукты для хранения энергии, которые можно выбирать в зависимости от проектной нагрузки, напряжения, автономности батареи и условий установки, а не фиксированного универсального пакета.