4.2. Розрахунок фотоелектричної системи

Усі фотоелектричні системи (ФЕС) можна розділити на два типи: автономні і з’єднані з електричною мережею. Станції другого типу віддають зайву енергію в електромережу, яка являється резервом при появі внутрішнього дефіциту енергії.

Автономна система (рис. 4.2.1) складається з сонячних модулів, розташованих в опірній конструкції або на даху, акумуляторної батареї (АКБ), контролера розряду-заряду акумулятора, з’єднувальних кабелів. Якщо користувачу потрібна змінна напруга, то до цього комплекту додається інвертор-перетворювач постійної напруги на змінну [21].

Рис. 4.2.1 Автономна фотоелектрична система

Розрахунок ФЕС має своєю задачою наступне:

• Визначення номінальної потужності модулів;

• Визначення необхідного числа модулів та схеми з’єднання;

• Вибір типу, умов використання та ємності АКБ;

• Визначення потужності інвертора та контролера заряду-розряду;

• Визначення параметрів з’єднувальних кабелів.

Як правило, розрахунки починаються з кінця, тому перш за все необхідно визначити загальну потужність усіх користувачів, які підключені одночасно. Потужність кожного з них вимірюється в ватах і вказана в паспортах виробів. На цьому етапі вже можна вибрати потужність інвертора, яка повинна бути не менше, ніж 1,25 разів більше від розрахункової. Слід мати на увазі, що, наприклад, компресорний холодильник в момент запуску потребує потужності в 7 разів більще від паспортної. Номінальний ряд інверторів розрахований на 150, 300, 500, 800, 1500, 2500, 5000Вт. Для потужних станцій (більше 1кВт) напруга станції обирається не менше 48В, оскільки при великих потужностях інвертори краще працюють на більш високих початкових напругах.

Наступний етапвизначення ємності АКБ, яка обирається із стандартного ряду – ємності з округленням в бік більший від розрахункового значення. Розрахункова ємність отримується простим діленням загальної потужності користувачів на добуток напруги АКБ та значення глибини розрядження акумулятора в долях. Наприклад, якщо загальна потужність користувачів 1000Вт·годин на добу, а допустима глибина розрядження АКБ 12В – 50%, тоді розрахункова ємність буде мати значення: Ампер·годин.

При розрахунку ємності АКБ в повністю автономному режимі необхідно враховувати очікувану кількість хмарних днів, на протязі періоду коли акумулятор має забезпечувати енергією користувачів.

Останній етап – визначення загальної потужності та кількості сонячних модулів. Для розрахунку необхідне значення сонячного випромінювання, яке обирається в період роботи станції, коли сонячне випромінювання мінімальне.У випадку річного використання – це буде період в місяці: грудень та січень.

Наприклад, в Москві помісячне значення сонячняго випромінювання в кВт·год/м наведено в таблиці 4.2.1 [21].

Помісячне значення сонячного випромінювання кВт·год/м²

Таблиця 4.2.1

Положення Сонячної панелі	Січень	Лютий	Березень	Квітень	Травень	Червень	Липень	Серпень	Вересень	Жовтень	Листопад	Грудень	Всього за рік
Горизонтальне	16,4	34,6	79,4	111,2	161,4	166,7	166,3	130,1	82,9	41,4	18,6	11,7	1020,7
Вертикальне	21,3	57,9	104,9	93,5	108,2	100,8	108,8	103,6	86,5	58,1	38,7	25,8	908,3
Нахил 40°	20,6	53,0	108,4	127,6	166,3	163,0	167,7	145,0	104,6	60,7	34,8	22,0	1173,7
Обертання навколо полярної вісі	21,7	62,3	132,9	161,4	228,0	227,8	224,8	189,2	126,5	71,6	42,2	26,0	1514,3

Як видно з приведених даних (табл. 4.2.1), в Москві найбільше сонячне випромінювання з травня по серпень і за рік досягає значення 1514,3 кВт·год/м, якщо сонячна панель буде обертатися по максимальному сонячному освітленні. Слід чекати, що в Києві потужність сонячного випромінювання буде, як мінімум на 30% більше, ніж в Москві.

Якщо з таблиці 5.2.1 взяти значення сонячного випромінювання за певний період та поділити його на 1000, то отримаємо так звану кількість пікогодин, тобто умовну тривалість, на протязі якої сонце світить з інтенсивністю 1000 Вт/м².

Наприклад, для широти Москви в липні місяці значення сонячного освітлення складає 167 Вт/м² при орієнтуванні площадки на південь під кутом 40º до горизонту. Це буде означати, що середньостатичне сонце світить в липні 167 годин (5,5 годин в день) з інтенсивністю 1000 Вт/м², хоча максимальна освітленість о півдні на площадці, яка орієнтована перпендикулярно світловому потоку перевищує 700–750 Вт/м².

Модуль потужністю P_w на протязі вибраного періоду виробляє наступну кількість енергіїї W:

W=K·P_w·E/1000 (5.2.1)

де Е – значення інсоляції за вибраний період, К– коефіціент, який влітку дорівнює 0,5, а взимку 0,7.

Коефіціент К забезпечує поправку на втрату потужності сонячних елементів при нагріванні на сонці, а також враховує нахил падіння сонячних променів на поверхню модулів на протязі дня.

Різниця значень К взимку і влітку зумовлена меншим нагріванням елементів в зимній період.

Кількість Е падаючого на поверхню, що освітлюється, потенціально корисного сонячного випромінювання називається інсоляцією. Сонячна інсоляція значно змінюється від однієї точки земної поверхні до другої. Наприклад, в Москві Е_м=1,01 МВт, а в Астрахані Е_а=1,3 МВт та інше.

При визначенні Е інсоляції в якому-небудь районі необхідно враховувати декілька факторів:

• Вплив річного сезону, наприклад, більш низьку освітленість та тривалість дня в зимку.

• Характер місцевості, яка освітлюється сонцем (наявність загороджуючих сонце деталей рельєфу).

• Місцеві погодні умови (хмарність, туман, дощ).

• Тривалість сонячного опромінювання, оскільки сонячні промені, які падають на поверхню, що освітлюється під дуже малим кутом, малоздатні для використання.

Виходячи з загальної потужності використовуємої енергії та приведеної вище формули не важко розрахувати загальну потужність модулів. Шляхом ділення цієї величини на потужність одного модуля можна отримати кількість необхідних модулів.

При використанні ФЕС рекомендується понизити потужність користувачів. Наприклад, для освітлення доцільно використовувати люмінісцентні лампи (по можливості). Такі освітлювачі при споживанні електроенергії в п’ять разів менше забезпечують світловим потоком, який еквівалентний світловому потоку лампи накалювання.

Для невеликих ФЕС доцільно установлювати її модулі на поворотному кронштейні для оптимального розвороту відносно падаючих променів, це дозволить збільшити потужність станції на 20–30%.