Как работает автономная солнечная система? Объяснение компонентов, расхода и размеров

Хижина находится в четырех километрах от последней опоры, и оператор сети хочет получить пятизначную сумму за километр за продление линии. В этот момент производство и хранение собственного электричества перестает быть выбором образа жизни и становится простой арифметикой. Так как же работает автономная солнечная система? По сути, он каждый день выполняет четырехэтапный цикл: фотоэлектрические панели преобразуют солнечный свет в постоянный ток (DC), контроллер заряда или гибридный инвертор регулирует этот ток и безопасно направляет его, аккумуляторный блок хранит все, что домохозяйство не использует немедленно, а инвертор преобразует накопленный постоянный ток обратно в переменный ток (AC) с напряжением и частотой, ожидаемыми вашими приборами. Поскольку за всем этим не стоит никакая коммунальная сеть, каждый шаг должен покрывать 100% вашей потребности — нет чистого измерения, нет резервного энергоснабжения и нет второго шанса после захода солнца.

Рабочий цикл: четыре шага от солнечного света до розетки

Самый ясный способ понять эту технологию — проследить за одной единицей энергии в течение обычного дня.

1. Поколение. Панели производят мощность постоянного тока всякий раз, когда на них попадает свет. Современный монокристаллический модуль мощностью 450 Вт в Центральной Европе вырабатывает примерно 1,2–1,6 кВтч в ясный летний день и только 0,4–0,9 кВтч в декабре, и этот сезонный разрыв определяет весь процесс проектирования.
2. Регулирование. Схема MPPT контроллера заряда удерживает батарею в точке максимальной мощности — отслеживая ее в пределах примерно 1–2% от теоретического оптимума — и измеряет ток, поступающий в батарею, через этапы накопления, поглощения и плавающего заряда, поэтому элементы никогда не перезаряжаются.
3. Хранилище. Избыточная энергия заполняет аккумуляторную батарею. В современных жилых домах это означает литий-железо-фосфат (LiFePO4) на платформе 48 В: полезная глубина разряда 90% или более, плоские кривые напряжения и срок службы, превышающий 6000 циклов.
4. Конверсия. Инвертор потребляет постоянный ток от аккумулятора и генерирует чистый синусоидальный переменный ток — 230 В/50 Гц в Европе, 120/240 В/60 Гц в Северной Америке — с эффективностью преобразования 93–97%.

С наступлением темноты схема работает в обратном порядке: батарея питает инвертор, а инвертор питает дом. Когда солнце возвращается, массив подзаряжает банк, одновременно неся дневные нагрузки. Во время длительной пасмурной погоды большинство гибридных инверторов также поддерживают резервный генератор на выделенном входе переменного тока; устройство синхронизируется с генератором и автоматически заряжает аккумуляторы. Даже если вы никогда не покупаете генератор, укажите, что входной сигнал стоит недорого во время проектирования и спасает систему в самый неподходящий момент.

Компоненты, которые выполняют реальную работу

Систему составляют четыре группы компонентов, каждая из которых отвечает на отдельный инженерный вопрос.

Солнечные панели: производственный потолок

Панели устанавливают верхний предел для всего остального. Жилые монокристаллические модули теперь имеют мощность примерно от 400 до 620 Вт, а детали планировки имеют большее значение вне сети, чем внутри нее: двусторонний модуль, установленный на светлом гравии, может получить дополнительные 5–15% от отражения с задней стороны, в то время как одинарный затененный дымоход может подавить выходную мощность всей цепочки на несколько часов. Автономные массивы рассчитаны на худший месяц года, поэтому они обычно несут больше панелей, чем привязанная к сетке крыша, обеспечивающая такое же ежедневное потребление.

Гибридный инвертор со встроенным контроллером заряда MPPT

В большинстве установленных сегодня систем контроллер и инвертор находятся в одном гибридном блоке. Типичная однофазная модель мощностью 5 кВт принимает 6–8 кВт фотоэлектрического входа через два независимых трекера MPPT, выдерживает напряжение холостого хода до 500–650 В постоянного тока и переключается на питание от батареи примерно в течение 4–10 миллисекунд, когда падает мощность солнечной энергии — достаточно быстро, чтобы компьютеры оставались включенными, а компрессоры не останавливались. Известные бренды, такие как Deye и Solis, публикуют в своих таблицах данных время передачи, количество MPPT и максимальную эффективность, и эти три цифры заслуживают такого же внимания, как и цена.

Однофазный гибридный инвертор Deye SUN-5K-SG03LP1-EU мощностью 5 кВт Гибридный блок мощностью 5 кВт с двумя трекерами MPPT и быстрой передачей энергии от батареи, ядро контроллера-инвертора обсуждалось перед картой. Опубликованное время передачи, количество MPPT и показатели эффективности позволяют сравнить его с вашей ценой. Посмотреть продукт →

Аккумуляторный блок: где на самом деле живет независимость

Аккумулятор решает, как долго вы продержитесь без солнца, и LiFePO4 вытеснил свинцово-кислотные по трем измеримым причинам: 90–100% полезной емкости по сравнению с примерно 50%, несколько тысяч циклов зарядки по сравнению с 500–1200 и ровное напряжение разряда, которое поддерживает стабильное напряжение инверторов до тех пор, пока аккумулятор почти не опустеет. Стандартный строительный блок представляет собой модуль 51,2 В, 100 Ач, запасающий около 5,12 кВтч; емкость увеличивается за счет штабелирования или установки дополнительных модулей, а встроенная система управления батареями (BMS) балансирует ячейки и отключает их в безопасных пределах.

Аккумулятор Deye SE-F5 Pro 5,12 кВтч, 51,2 В LiFePO4 Модуль LiFePO4 51,2 В, 100 Ач, хранящий около 5,12 кВтч с постоянным током 100 А и защитой BMS. Он соответствует описанной здесь стандартной батарее и расширяется параллельно по мере роста ваших потребностей в хранении данных. Посмотреть продукт →

Актерский состав второго плана тоже имеет значение. Коробки сумматоров постоянного тока объединяют цепочки за входами с предохранителями, размер фотоэлектрического кабеля должен быть таким, чтобы падение напряжения не превышало 2–3%, разъемы MC4 должны соответствовать номинальному напряжению системы, а регистратор данных позволяет вам следить за состоянием заряда и ежедневным выходом электроэнергии с телефона, а не ходить к стене с оборудованием. Ни одна из этих частей не стоит дорого по сравнению с аккумулятором, и каждая из них является распространенным источником неисправностей, если ее использовать с учетом затрат.

Автономные, привязанные к сети или гибридные: что меняется без сети

Все три архитектуры имеют одинаковую физику, но батарея и инвертор играют совершенно разные роли в зависимости от наличия линии электропередачи. В таблице ниже кратко представлены практические различия, влияющие как на дизайн, так и на бюджет.

Определение размера: где автономные проекты успешны или терпят неудачу

Владельцы, подключенные к сети, которые занижают мощность, просто покупают недостающую энергию у коммунального предприятия. Владельцы автономных сетей каждый вечер получают темный дом или работающий генератор. Последовательность определения размеров, которой следуют установщики, состоит из четырех этапов:

1. Проверьте нагрузку. Перечислите каждое устройство, умножьте мощность на часы работы и прибавьте потребление в режиме ожидания. Скромный эффективный дом обычно стоит 8–12 кВтч в день — холодильник — 1,5 кВтч, светодиодное освещение — 0,5, водяной насос — 0,8, цикл стиральной машины — 0,8, электроника и маршрутизатор — 0,4 — плюс 20% запас на нагрузку, которую вы забыли.
2. Определите размер массива по худшему месяцу. Ежедневные кВтч ÷ (часы пиковой солнечной активности × 0,75 снижения мощности системы). Для 10 кВтч в сутки и 2,8 солнечных часов зимой это 10 ÷ (2,8×0,75), или около 4,8 кВт панелей — десять-двенадцать модулей по 450 Вт.
3. Размер банка по автономии. Ежедневная нагрузка × дни автономной работы ÷ полезная глубина разгрузки. На 10 кВтч и 1,5 дня автономности: 10 × 1,5 ÷ 0,9, или примерно 16,7 кВтч установленной литиевой мощности.
4. Выбирайте инвертор с учетом пиковой нагрузки, а не ежедневной энергии. Сложите все, что может работать одновременно, затем проверьте помпаж двигателя — компрессоры и насосы при запуске потребляют в два-три раза больше номинальной мощности, поэтому пиковая домашняя мощность 5 кВт обычно оправдывает установку мощностью 6–8 кВт.

Если арифметика кажется сложной, наше пошаговое руководство по проектированию автономных сетей проработает каждый расчет на реальных примерах. Альтернативно, готовые комплекты объединяют четыре этапа в одно решение, поскольку массив, инвертор и хранилище поставляются с совпадающими номерами.

Автономный солнечный комплект мощностью 5 кВт с накопителем емкостью 10 кВтч Предварительно спроектированный комплект, объединяющий массив мощностью 5 кВт и инвертор с соответствующим накопителем емкостью 10 кВтч, объединяющий этапы определения размера в одно решение. Перед заказом просто подтвердите связь по CAN-шине между инвертором и аккумулятором. Посмотреть продукт →

Например, комплект мощностью 5 кВт с накопителем емкостью 10 кВтч подходит для семьи из двух человек с эффективной бытовой техникой и газовым или дровяным отоплением. Одно предупреждение при закупках, основанное на опыте: смешивание марок инверторов и аккумуляторов без подтвержденной связи по шине CAN — это самая распространенная ошибка в спецификациях, которую мы видим. Аппаратное обеспечение обычно работает, но параметры зарядки и протоколы установления связи должны быть проверены по обеим таблицам данных, что никогда не предполагалось.

Где автономная солнечная энергия имеет смысл, а где нет

Технология зрелая; решение является экономическим.

• Сильные кандидаты: отдаленные домики и фермы, где продление линии стоит дороже, чем вся система, телекоммуникационные и метеостанции, сельскохозяйственные насосные станции, а также автофургоны или лодки, где электросети просто не существует.
• Пограничные случаи: дома подключены к ненадежным сетям. Работает полностью автономно, но гибридная система, которая обычно взаимодействует с сетью и отключается во время сбоев, обеспечивает аналогичную безопасность при меньшей емкости аккумулятора.
• Плохо подходит: пригородные дома со стабильным и недорогим электричеством — аккумуляторная батарея размером с автономию простаивает большую часть года и никогда не возвращает страховую премию.
• Легкая обязанность: для кемпинга, рабочих мест или домашнего аварийного ящика портативная электростанция мощностью от 700 Вт до 2000 Вт в сочетании со складной панелью мощностью 100–200 Вт воспроизводит один и тот же цикл генерации-регулирования-хранения-преобразования в портативном формате без какой-либо установки вообще.

Автономная солнечная система – это не черный ящик. Это четыре компонента в дисциплинированном цикле — генерирование, регулирование, хранение и преобразование — при этом каждый запас определяется наихудшей погодной неделей, а не средним днем. Честно проверяйте нагрузки, проектируйте на декабрь, а не на июль, подтвердите, что аккумулятор и инвертор могут взаимодействовать друг с другом, и один и тот же контур будет работать десятилетиями на топливе, которое поступает бесплатно каждое утро. Если вы предпочитаете, чтобы сопоставление компонентов было выполнено за вас, наш каталог панели, гибридные инверторы и системы хранения данных LiFePO4 поставляются в виде предварительно сконфигурированных комплектов для классов мощности 3–20 кВт, и наша команда подберет размер системы в соответствии с вашим фактическим списком нагрузки, а не с помощью общего шаблона.