CC BY
0УДК 620.92:620.97 DOI: 10.24412/2658-6703-2024-2-79-97
EDN: PXHZNI
Методика расчета мощности солнечной системы автономного типа на примере электроснабжения
частного дома
12Махсумов Илхом Бурхонович [oooo-oooi-7985-i3i5] 1,3Одинаев Неккадам Хушкадамович 1,4Давлатзода Абуфазл Нусратулло 1,5Шокиров Кудбиддин Шамсидинович
1Институт энергетики Таджикистана (ИЭТ), р-н Кушониён, Таджикистан
E-mail: 2messi.ilhom@gmail.com, 3onk.tj@mail.ru, 4davlatzoda.8 8@mail.ru, 5messi.ilhom@yandex.ru
Аннотация. Проектирование и строительство автономных и сетевых солнечных электростанций в современном мире становится все более необходимым и актуальным ввиду постоянно растущего спроса на электроэнергию. Однако их эффективное функционирование и экономические выгоды являются технической проблемой, которая в значительной степени зависит от многих климатических и технических параметров, что необходимо учитывать при проектировании солнечных установок. Авторы этой статьи предлагают методику расчета мощности автономной солнечной системы, элементы которой учитывают изменения потребляемой нагрузки в течение дня, чтобы точно установить желаемую мощность аккумуляторов и устранить неоправданную избыточную энергию элементов системы и стоимость самой установки. Предлагаемый в данной работе метод расчета мощности автономной солнечной системы позволяет значительно упростить работу при выборе и расчете основных её элементов и включает в себя следующие пошаговые подходы к расчету: первый шаг - расчет потребляемой мощности автономной солнечной системы, второй шаг - расчет емкости аккумулятора АСС, третий шаг - расчет мощности зарядного устройства АСС, четвертый шаг - расчет мощности основной шины АСС, пятый шаг - расчет мощности солнечных модулей АСС, шаг шестой - оценка солнечной инсоляции, седьмой шаг - расчет эффективности АСС и восьмой шаг - выбор автономных преобразователей напряжения АСС. Для точности расчета
генерируемой мощности автономной системы использованы данные солнечной приходящей инсоляции, в южном регионе Таджикистана из базы данных NASA.
Ключевые слова: автономная солнечная система АСС, инсоляция, импульсный преобразователь постоянного тока, инвертор, солнечный модуль.
1 Введение
Системы генерации на солнечной энергии сокращают выбросы парниковых газов во всем мире при их внедрении в энергоемкие отрасли, что помогает бороться с изменением климата. Солнечная фотоэлектрическая система является одной из известных широко используемых систем возобновляемой энергетики, применяемых для электрификации изолированных территорий по всему миру. Автономные системы - это энергетические системы, в которых электроэнергия производится и потребляется без подключения к централизованной электросети. Таким образом, необходимая энергия производится частным образом, экологически и на местном уровне. Автономная система состоит из одного или нескольких генераторов энергии, обычно фотоэлектрических модулей, которые используют энергию солнца или в сочетании с ветрогенераторами в гибридных системах. [1, 2].
Чтобы использовать электричество, оно берется из аккумулятора и преобразуется из постоянного тока (direct current, DC) в переменный ток (alternating current, AC) с помощью инвертора. Таким образом, можно использовать стандартную бытовую технику так, как если бы электричество поступало из централизованной электросети. Существуют системы, не имеющие инвертора и к которым можно подключать только устройства, рассчитанные на постоянный ток, обычно с напряжением 12 или 24 В постоянного тока. Это самая простая система, подходящая для небольших потребителей [1, 2].
Автономные солнечные системы (АСС), предназначены для обеспечения электроэнергией объектов без использования дополнительных источников. В автономных солнечных системах фотоэлектрические модули часто используются для зарядки батарей, которые, сохраняя производимую модулями электрическую энергию, обеспечивают потребителей электроэнергией по требованию. В случае автономных фотоэлектрических систем, установленных в жилых зданиях, потребность в электроэнергии в основном покрывается этой системой. Излишек подается в аккумулятор для хранения. Для электроснабжения автономного оборудования необходимо преобразовать постоянный ток в переменный ток с помощью инвертора [3, 4]. Важно знать, что домашние системы способны обеспечить питанием, постоянно работающий холодильник, периодически работающий погружной насос, телевизор и систему освещения. Чтобы обеспечить энергией работу бойлера или даже микроволновой печи, требуется более мощное и очень дорогое оборудование [5, 6].
Журнал «Окружающая среда и энерговедение» (ОСЭ) №2(2024) 2 Материалы и методы
Эффективность использования солнечной энергии в современных условиях является предметом исследований в Таджикистане. Это страна, где количество солнечной энергии в 2 раза больше, чем в Европе. Однако следует отметить, что на эффективность солнечных установок в процессе их эксплуатации большое влияние оказывает резко континентальный засушливый климат Таджикистана. При проектировании солнечной установки необходимо учитывать эти условия.
Исходя из этого, основной целью исследований в данной работе является разработка расчета генерации автономной солнечной системы, включающего несколько основных этапов. Подробно рассмотрим предложенный метод поэтапного расчета.
2.1. Первый шаг. Расчет потребляемой мощности автономной системы. Одним из основных важных шагов при проектировании солнечной системы автономного типа является составление перечня электроприемников и определение их установленной потребляемой мощности, напряжения и занесение всего этого в таблицу [30]. Учитывая, что потребители электроэнергии, имеют различную потребляемую мощность и напряжение, необходимо произвести перерасчет их мощности, передав ее на главную шину автономной солнечной системы. Далее рассчитывается мощность каждого потребителя отдельно на главной шине по следующему уравнению:
Poc> i = ph,i Vi; (j)
Здесь ря - мощность потребителя электроэнергии (Вт); р, i - мощность первого потребителя пересчитанной на главную шину автономной системы (Вт); rj¡
- эффективность, КПД инвертора (%) [3].
Если потребитель постоянного тока питается непосредственно от основной шины или напрямую от отдельной батареи с напряжением ниже напряжения самой батареи (№7, табл. 1), то КПД можно принять равным единице по формуле 1 [3]. После этого необходимо рассчитать по времени, сколько часов каждый электроприемник работает в течение суток, и определить потребляемую за сутки электроэнергию и внести это в таблицу. В результате будет создана таблица общего ежедневного потребления энергии. К автономной солнечной системе можно подключить большое количество электроприемников при условии, что их общая потребляемая мощность не превышает установленную мощность автономной системы. Электроприемники, подключаемые к автономной системе, в зависимости от назначения и характера работы могут находиться под периодическими или постоянными нагрузками [3, 4].
Таблица 1. Суммарное потребление электроэнергии потребителями в сутки
№ Потребители Напряжение, В, Мощность, (Вт) Мощность на главной шине, Вт Рабочее время часов/день Энергопотребление Вт*час/день
1 Электрический чайник 220 В, 2200 Вт 2500 0,25 625
2 Холодильник 220 В, 400 Вт 450 12 5400
3 Кондиционер 220 В, 1000 Вт 1200 6 7200
4 Микроволновая печь 220 В, 1500 Вт 1800 0,25 450
5 Телевизор 220 В, 100 Вт 100 7 700
6 Комнатное освещение (4 комнаты), светодиодная лампа LED 220 В, 45 Вт 45 8 360
7 Освещение кухни и душа 12 В, 30 Вт 30 4 120
8 Другие типы потребителей (зарядной блок телефона пылесос и др.) 220 В, 67 Вт 67 2 134
Общий 6192 14989
Электроприемники с периодическими нагрузками бывают плавающие и стабильные, например, холодильник (№2, таблица 1). Пренебрежение этими факторами при проектировании значительно увеличивает генерируемую мощность, что приводит к увеличению стоимости автономной системы. Чтобы избежать это, необходимо правильно определить выдаваемую мощность автономной солнечной системы [30]. Для снижения стоимости АСС важно определить график суточного изменения нагрузки потребителей в зависимости от их установленной мощности и времени работы. Наряду с этим необходимо исключить подключения большой мощности к автономной системе за счет одновременного использования нескольких маломощных потребителей, чтобы потребляемая мощность системы была минимальной [3-5]. Например, только после отключения электрочайника включается микроволновая печь (№ 1, табл. 1). Также для обеспечения бесперебойного подключения и умещения стоимость автономной системы, необходимо подключить электроприемников к одному инвертору автономного типа [35]. Невозможно определить интервал изменения нагрузки с плавающим рабочим интервалом на основе планирования изменения нагрузки (№ 2, холодильник, табл. 1). Принимая во внимание этот фактор, упрощаем график изменения нагрузки, будем иметь в виду, что такие нагрузки, как холодильник, работают постоянно (Табл. 2). Тогда выходную мощность АСС можно определить, как максимальную нагрузочную способность за интервал летнего дня по следующей формуле:
р = у p ■
N
P ■
(2)
Здесь: Н, J - i - количество потребителей, подключенных к сети за интервал времени.
Таблица 2. Изменение суточных нагрузок
№ Электроприёмники Потребляемая мощность во времени, Вт.
с 7:00 до 7:05 с 7:05 до 7:10 с 7:10 до 8:00 с 8:00 до 12:00 с 12:00 до 12:05 с 12:05 до 12:10 с 12:10 до 14:00 с 14:00 до 15:00 с 14:00 до 17:00 с 17:00 до 17:05 с 17:05 до 17:10 с 17:10 до 19:00 с 19:00 до 20:00 с 20:00 до 23:00 с 23:00 до 7:00 Общая
1 Кондиционер 1200 1200 7200
2 Электрический чайник 2500 2500 2500 «О <N 6
3 Телевизоры 100 100 1 00 700
4 Комнатное освещение (4 комнаты) 45 Уп 45 0 40 3
5 Освещение кухни и душа 30 30 120
6 Микроволновая печь 1800 1800 1800 о 5 4
7 Холодильник 450 5400
8 Другие типы потребителей (зарядной блок телефона пылесос и др.) 7 40 7 40 4 m
Общий 4542 2 2 2 2 1300 6050 1750 1245 0 «о 4 6025 1725 1725 1892 5 14989
При расчете мощности системы необходимо учитывать пусковой момент некоторых электроприемников, например, холодильников, электробарабанов и ряда других электроприемников, которые при запуске потребляют в 5-6 раз больше мощности, чем номинальные, указанные в паспорте. Следовательно, необходимо избегать использования большого количества таких указанных электроприемников, чтобы генерируемая мощность не была завышена, что приводит к увеличению стоимости самой автономной системы [3-5].
В течение дня солнечная панель заряжает аккумулятор и обеспечивает питание потребителей [3, 30].
Принимаем во внимание время суток: д/ = 14 чжов летом (с 6.00 до 20.00), Мвс = 8 часов (с 8.00 до 16.00) зимой.
Тогда потребляемая мощность автономной солнечной системы определяется максимальной мощностью нагрузки для интервала летних суток по следующей формуле.
РН = max(PH, J ) Vj е 1,M. (3)
где М - количество временных интервалов, входящих в интервал летних суток, (час).
Согласно табл. 2, потребляемая мощность автономной солнечной системы составляет РН = 14989 Вт, что используется для расчета мощности солнечной батареи АСС.
Вышеупомянутая методика расчета выходной мощности АСС учитывает изменение мощности нагрузки во времени и является нормой [3-5]. В частном случае нагрузка АСС не меняется, т.е. постоянна. К таким потребителям относятся узлы сотовой связи, системы электроснабжения электростанций и подстанций, светофоры и др.
При этом выходная мощность автономной солнечной системы должна соответствовать мощности полной нагрузки.
2.2. Шаг второй. Расчет емкости аккумуляторов автономной системы. Чтобы определить правильную емкость аккумулятора для поддержки нагрузки, необходимо знать общую дневную нагрузку. Следующим шагом является определение емкости и типа аккумуляторов для конкретного применения. Средняя нагрузка является определяющим фактором для расчета размера аккумуляторной батареи. Размер аккумуляторной батареи должен быть таким, чтобы батареи подвергались циклическому использованию (одна полная разрядка с последующей полной перезарядкой) примерно два раза в день. Solar Stik рекомендует максимальную глубину разряда 50 % для свинцово-кислотных аккумуляторов и глубину разряда 80 % для аккумуляторов LiFePO4. Правильный выбор размера аккумулятора снижает стоимость системы, гарантируя, что будет приобретено правильное количество батарей (т. е. не больше батарей, чем необходимо), и что батареи не будут повреждены из-за перезарядки [3-5, 7]. Емкость аккумулятора оценивается в Ач и определяется по следующему уравнению
ДС = р*- ^ = (24 - Д/див) (4)
ном ном
Здесь Рном - номинальная мощность автономной системы (Вт); ином - номинальное напряжение электрической нагрузки (В); Atнив - ночной интервал времени (АНв = 10 часов летом, Atниe = 16 часов зимой); Лtдиe - дневной интервал времени.
Повреждение аккумулятора происходит при его глубоком разряде при длительном использовании. Чтобы избежать этого, производитель аккумулятора устанавливает конечное напряжение разряда, после чего необходимо снять нагрузку с аккумулятора и зарядить его. Чтобы продлить срок службы аккумулятора необходимо снять нагрузку с него при уменьшении его заряда на 70-80%. В
автономной системе уровень разряда аккумулятора можно записать следующим образом [3-5].
5„т = С"ом - СтЬ 100% = -АС 100% (5)
раз ^ ^
ном ном
Объединив выражение 4 и выражение 5, получим следующее уравнение для определения уровня разряда аккумулятора.
с = (6)
ном п Т Т нив
раз ном
Если нагрузка автономной системы постоянна, то, используя уравнение (6), можно будет просто определить нужную емкость аккумуляторов системы. Тяжелыми условиями эксплуатации аккумулятора отличается зимний период, поэтому при определении емкости аккумулятора необходимо использовать значение ночного временного интервала 16 часов и степени разряда 70%. Чем выше выходное напряжение автономной системы, тем ниже емкость, ток разряда
I = Р / и и, в конечном итоге, стоимость самого аккумулятора [3-5].
аккум аккум аккум ** **
Ток разряда аккумулятора зависит от мощности нагрузки. Например, в системе с нагрузкой 10 кВт и напряжением аккумуляторной батареи 48 В максимальный ток разряда аккумуляторной батареи должен достигать 200 Ач [3, 8]. Исходя из этого, можно сказать, что, чем выше вырабатываемая мощность автономной солнечной системы, тем больше выгода от использования высоковольтной аккумуляторной системы по сравнению с низковольтной.
Энергоемкость батареи АСС можно рассчитать по следующей формуле:
№аккум = С, и, (7)
Количество последовательно соединенных отдельных аккумуляторов в ветви можно записать следующим образом:
П = и1/и аккум. (8)
Здесь Паккум. - напряжение отдельной батареи, (В).
Число параллельных ветвей в батарее АСС можно записать следующим образом:
т = аккум. (9)
Здесь Саккум. - емкость отдельной батареи, (Ач).
Тогда общее количество отдельных батарей в АСС будет записано следующим образом:
N=п-т (ю)
Коэффициент для определения общего количества отдельных аккумуляторов в АСС можно получить, подставив уравнения (6) и (9) в (10) следующим образом:
N = ^-^а/ (11)
5 № нив
раз аккум
Здесь №аккум = Саккум. • Паккум - энергоемкость отдельного аккумулятора. Чем выше потребление энергии или емкость при данном напряжении батареи, тем
меньше потребуется отдельных батарей в аккумуляторном блоке АСС. Выражение для определения напряжения батареи АСС можно записать, выбрав батарею заданной емкости из уравнений (6) и (9) следующим образом:
и = 100 Рном М (12)
аккум о нив
Ьраз тСном
Как правило, электрическая нагрузка проектируемой солнечной автономной системы непостоянна, то есть меняется во времени [3-5, 9]. В соответствии с таблицей 2 изменение нагрузки в основном наблюдается в ночном временном интервале, точнее с 15.00 до 23.00 часов, и на основании этого примерно построим суточный график нагрузки потребителей автономной системы, Рис. 1.
6000
н 5000 га
g 4000
и
3
S 3000
S
| 2000
ю
!з 1000 с
0
7:00 7:10 8:00 2:00 12:05 12:10 14
00 15:00 17:00 17:05 17
10 19:00 20:00 23:00 7:00
часы в сутки
Рис. 1. График суточной нагрузки электроприемников в соответствии с расчетной
таблицей 2
2.3. Шаг третий. Расчет мощности зарядного устройства АСС. Чтобы максимально и эффективно использовать солнечную систему, важно иметь эффективную систему зарядки аккумуляторов. Зарядка солнечной батареи - важнейший процесс в использовании энергии Солнца для получения электрической энергии. Понимание этапов этого процесса необходимо для оптимизации производительности и срока службы солнечных модулей и аккумуляторов. Контроллеры заряда солнечных панелей выступают в роли хранителей процесса зарядки, регулируя напряжение и ток солнечных панелей, чтобы предотвратить перезарядку батарей, которая может привести к повреждению или сокращению срока службы.
Кроме того, он защищает аккумулятор от чрезмерной разрядки, которая может привести к необратимому повреждению. Контроллер заряда обеспечивает максимальную отдачу энергии от солнечных панелей и поддерживает оптимальный уровень заряда аккумулятора, улучшая общую производительность солнечной системы. Кроме того, солнечные контроллеры заряда контролируют и управляют различными этапами зарядки аккумуляторов, гарантируя, что аккумуляторы
остаются в работоспособном состоянии и продлевают срок их службы. Солнечные контроллеры также обеспечивают защиту от перенапряжения, обратного тока и чрезмерного выделения газа из аккумуляторной батареи, обеспечивая безопасную и надежную зарядку.
Они регулируют зарядный ток и напряжение в зависимости от уровня заряда аккумулятора, предотвращая перезаряд или недозаряд. Зарядка аккумулятора обычно включает несколько этапов, что обеспечивает эффективную и безопасную зарядку [10].
Большинство контроллеров заряда солнечных батарей обычно имеют три стадии зарядки: объемный заряд, абсорбционный заряд и плавающий заряд. Вот краткий обзор каждого этапа:
Этап массовой зарядки. На этапе массовой зарядки контроллер заряда от солнечной батареи подает на батарею максимально допустимый ток. Целью этого этапа является доведение уровня заряда аккумулятора примерно до 80-90 %. Для свинцово-кислотных аккумуляторов напряжение увеличивается примерно до 14,5 В при номинальном его напряжении 12 В. Этот начальный этап зарядки быстро восполняет заряд аккумулятора, подготавливая его к дальнейшей зарядке.
Этап абсорбционной зарядки. После этапа массовой зарядки аккумулятор переходит в фазу абсорбционной зарядки. На этом этапе контроллер заряда применяет регулирование постоянного напряжения, постепенно уменьшая зарядный ток. Эта контролируемая зарядка предотвращает чрезмерное выделение газа и перегрев аккумулятора. Обычно абсорбционная зарядка доводит аккумулятор до уровня заряда 98% или выше, обеспечивая максимальную емкость и долговечность.
Плавающий этап зарядки. Когда аккумулятор достигает уровня заряда 98%, контроллер заряда переключается на плавающую зарядку. Этот этап, также известный как «капельная зарядка», поддерживает максимальную емкость аккумулятора в течение дня. Во время плавающего заряда зарядный ток еще больше снижается, позволяя напряжению аккумулятора упасть до уровня плавающего напряжения. Это предотвращает перезарядку и продлевает срок службы аккумулятора. Этапы зарядки аккумулятора показаны на рис. 2.
Ток аккумуляторной батареи
Напряжение аккумулятора
Рис. 2. Этапы зарядки аккумулятора
2.4. Четвертый шаг. Расчет мощности основной шины автономной системы. Все электроприборы, аккумуляторы и зарядное устройство автономной системы питаются от основной шины. Необходимо определить пропускную способность основной шины, чтобы выбрать правильное поперечное сечение основной шины и определить мощность солнечных панелей автономной солнечной системы.
Пропускная способность основной шины АСС определяется суммой мощностей всех нагрузок, мощности зарядного устройства и аккумуляторов с учетом ее КПД [3, 4, 5], [11].
Р = Р + Р П2 (13)
ос.шин наг ем.зар.ус / / 4 '
Здесь Рнг - суммарная мощность нагрузки, (Вт); Ремзарус - емкость зарядного устройства АСС, (Вт); ц2 - эффективность зарядного устройства АСС, (%).
2.5. Шаг пятый. Расчет мощности солнечных модулей АСС. Для расчета точной выходной мощности солнечной энергии необходимо учитывать множество факторов, таких, как размер солнечной панели, ее качество и условия окружающей среды. Существует доступная общая формула, позволяющая аппроксимировать результат на основе параметров окружающей среды. Эта формула известна как формула расчета солнечной энергии и записывается как:
Е = А ■ г ■ Н ■ РЯ (14)
Где Е - выходная мощность солнечной панели в ватт (Вт), А - площадь солнечной панели в квадратных метрах, г - ежегодное солнечное излучение, падающее на площадь в кВт ч/м2/год, Н - КПД преобразования солнечной энергии в процентах и РЯ - коэффициент производительности солнечной установки [12].
Коэффициент производительности (также известный как коэффициент качества) является одной из наиболее важных переменных и ключевым показателем для измерения эффективности солнечной фотоэлектрической установки. Коэффициент производительности представляет собой соотношение между фактическим выходом энергии и теоретическим максимальным (возможным) выходом, который может быть получен в оптимальных условиях с учетом потерь энергии.
Существует другое уравнение для расчета требуемой мощности солнечных модулей:
Рсол.мод = Рос.шин/ П1 = Рнаг + Рем.зар.ус/(П1 П2) (15)
Здесь ц1 - эффективность понижающего импульсного преобразователя постоянного тока.
Формула расчета солнечной энергии является лишь приблизительной, и фактическая выходная мощность может меняться в зависимости от изменений условий окружающей среды. Тем не менее, ее все равно можно использовать в качестве грубого ориентира для оценки мощности конкретной системы солнечных батарей. Чтобы точно рассчитать мощность, необходимо понять следующие расчеты: мощность солнечной панели, мощность нагрузки, потребление энергии, время резервного питания солнечной панели, стоимость солнечной панели и эффективность солнечной панели. Каждый из этих расчетов выполняется по определенной формуле, как указано ниже [12].
2.6. Шаг шестой. Оценка солнечной инсоляции. Оценка солнечных ресурсов является необходимым шагом при проектировании фотоэлектрической электростанции, который позволяет понять целесообразность строительства электростанции в данном месте. Одной из конечных целей оценки является определение доступного солнечного потенциала и того, сколько энергии фотоэлектрическая электростанция с типичной фотоэлектрической технологией может производить ежегодно. Существуют определенные факторы, которые меняются от места к месту и со временем, поэтому важно получить знания об этих факторах, прежде чем устанавливать их. Эти факторы включают солнечное излучение в горизонтальной плоскости, излучение в наклонном положении фотоэлектрического модуля и диаграмму пути солнца. Оценка солнечных ресурсов обычно включает сбор метеорологических данных с объекта, таких как данные о погоде, количество солнечного света, получаемого в данном месте, скорость ветра, температура воздуха и т. д [14, 16].
Солнечная инсоляция — это количество солнечной радиации на площадь поверхности с течением времени. Фотоэлектрические элементы, вырабатывают электрическую энергию из поступающего солнечного света. Солнечная инсоляция измеряется как средняя интенсивность излучения в киловаттах на квадратный метр (кВт/м2) [15].
Следует отметит, что солнечный потенциал в любой точке мира также можно определить, используя база данных NASA [16, 17, 18] в реальном времени и с помощью программного пакета RETScreen Expert или другие источники актино-метрических данных. Величина солнечной инсоляции для рассматриваемого региона приведена в табл. 3.
Таблица 3. Ежемесячная оценка приходящей солнечной радиации для города Бохтар (широта 37,872, долгота 68,724)
Месяцы Суммарная сол- Прямая ра- Оптимальный Суммарная солнечная
нечная радиа- диация на угол солнечной радиация на поверх-
ция на горизон- нормаль- радиации, ность с углом наклона
тальную поверх- ную к лучу кВт-ч/м2 400, кВт-ч/м2
ность, кВт-ч/м2 поверхность, кВт-ч/м2
январь 69,49 94,32 107,17 112,96
февраль 92,28 128,88 132,16 137,39
март 123,89 126,06 149,25 150,35
апрель 161,01 168,3 171,06 167,36
май 209,89 214,07 203,68 194,57
июнь 234,68 256,67 216,26 203,58
июль 234,64 260,67 221,05 209,37
август 215,73 259,36 222,69 215,77
сентябрь 176,05 228,68 210,09 210,33
октябрь 132,53 191,55 186,2 192,59
ноябрь 80,61 124,48 126,92 133,95
декабрь 66,62 108,77 112,91 120,56
2.7. Шаг седьмой. Расчет эффективности автономной системы. Коэффициент полезного действия автономной солнечной электростанции характеризует эффективность работы системы: Эффективность АСС измеряется в процентах и рассчитывается следующим образом:
Рнаг = Рнаг ' Ч1'!2 (16)
Р Р л2 + Р
сол.мод наг / ем.зар.ус
Здесь Рнаг - суммарная мощность нагрузки, (Вт); Рсол.мод - мощность солнечного модуля, (Вт); Рем.зар.уст - емкость зарядного устройства АСС, (Вт); щ1 - эффективность понижающего импульсного преобразователя постоянного тока, (%); ц2 - эффективность зарядного устройства АСС, (%).
2.8. Шаг восьмой. Выбор автономных преобразователей напряжения АСС. Инверторы служат связующим звеном между фотоэлектрической системой и устройствами, получающими энергию из вашей системы. Они преобразуют выходной постоянного тока (ОС) в переменный ток (АС), который является стандартом, используемым во всех коммерческих приборах [19]. Прежде чем выбрать инвертор для солнечной системы, необходимо определить требования к питанию. Это предполагает оценку как ежедневного потребления энергии, так и пиковой нагрузки. Важно рассчитать ежедневное потребление энергии, перечислив все приборы и устройства, которые будут питаться от солнечной системы. Анализ пиковой нагрузки имеет решающее значение для обеспечения того, чтобы инвертор мог справиться с периодическими высокими требованиями к мощности некоторых устройств, особенно с двигателями, такими, как холодильники и насосы [20]. В рассматриваемом случае инвертор последовательно питает электрочайник и микроволновую печь через одну розетку. Кроме того, мощность микроволновой печи выше, чем у электрического чайника. Таким образом, мощность инвертора составляет 15 кВт и определяется увеличением мощности микроволновой печи на 30%, пересчитанным для основной шины [3, 5].
3 Результаты и обсуждение
Очевидно, что солнечная энергетика является основным источником возобновляемой энергии и эта отрасль развивается достаточно быстрыми темпами. Чтобы максимально и эффективно использовать солнечную энергию, необходимо правильно рассчитать основные компоненты и выбрать оптимальное место при проектировании солнечных установок.
В данной работе предложена методика расчета мощности автономной фотоэлектрической системы на примере электроснабжения частного дома в резкоконтинентальном засушливом климате города Бохтар. Предложенный метод расчета позволяет учитывать суточные изменения потребляемой нагрузки электроприемников и тем самым исключает необоснованное увеличение мощности элементов автономной системы, приводящее к большим финансовым затратам автономной системы при ее проектировании. Для проектирования и расчета АСС определяется номинальная мощность и количество солнечных панелей, емкость
и количество аккумуляторной батареи, мощность контроллера заряда-разряда и мощность инвертора. Разработанная методики расчета мощности АСС, разделена на восемь основных этапов для удобства представления. В работе также определен потенциал поступления солнечной энергии на горизонтальную поверхность города Бохтар, предложенной территории для проектирования автономной солнечной системы, эффективность которой сильно зависит от солнечной инсоляции, поступающей на горизонтальную поверхность территории. На эффективность солнечной установки влияют многие параметры, особенно климат местности. Данная проблема недостаточно отражена в доступной литературе, а для резко континентального засушливого климата города Бохтар вообще отсутствует, поэтому разработка методики расчета мощности АСС и ее элементов с учетом конкретных условий климат данной местности весьма актуально.
Также следует отметить, что при проектировании солнечных электростанций автономного и сетевого типа, помимо выбора необходимых элементов и их количества, места установки, необходимо учитывать различные факторы, такие как температура воздуха, загрязненность солнечных модулей, влажность воздуха, деградация и интенсивность солнечной инсоляции, влияющие на эффективность солнечных установок. Авторы [21-29] в своих работах использовали различные компьютерные программы и различные подходы к проектированию солнечных электростанций, однако эффективность проектирования компьютерных программ не может учитывать вышеперечисленные факторы, влияющие на эффективность солнечной системы, и нуждается в усовершенствование. Следовательно, предложенный пошаговый подход для расчета солнечных установки является актуальной и целесообразной.
4 Выводы
По результатам методики расчета мощности автономной солнечной системы на примере электроснабжения частного дома можно сделать следующие выводы:
1. Разработана методика расчета мощности автономных солнечных электростанций и их компонентов, позволяющая учитывать изменение нагрузки в течение суток. Методика включает в себе шаговый подход, которой значительно упростить работу при выборе и расчете основных элементов автономной системы.
2. Для выполнения точного расчета мощности автономной системы определялись суммарные суточные расходы электроэнергии потребителем около 15 кВт-ч и их изменение в суточных нагрузках во времени, и на этой основе построен суточный график нагрузки электроприемников.
3. Изменение графика нагрузки в ночное время основной фактор, который необходимо учитывать при расчете и определении необходимой емкости аккумуляторной батареи в проектируемой автономной солнечной системе.
4. Используя базу данных NASA, была произведена оценка ежемесячной солнечной инсоляции, а именно: суммарная солнечная радиация на горизонтальную
поверхность, прямая радиация на нормальную к лучу поверхность, оптимальный угол глобального облучения и суммарная солнечная радиация на поверхность с углом наклона 400 (кВтч/м2) для города Бохтар, предлагаемого для установки солнечной установки.
5. Методика расчета мощности АСС позволяет исключить необоснованное завышение мощностей элементов электростанции и увеличение стоимости электростанции.
Литература
1. AUTONOME SYSTEME. [Электронный ресурс]. URL: https://www.ffsolar.com/index.php?lang=DE&page=autonome-systeme (дата обращения 13.04.2024).
2. Mohammed C. Et al. Extended method for the sizing, energy management, and techno-economic optimization of autonomous solar Photovoltaic/Battery systems: Experimental validation and analysis // Energy Conversion and Management. - 2022. - Vol. 270. - PP. 116267.
3. Охоткин, Г.П. Методика расчета мощности солнечных электростанций / Г.П. Охоткин // Вестник Чувашского университета. - 2013. - № 3. - С. 222-230.
4. Okhotkin, Grigory, et al. "Method for Calculating the Capacity of Solar Power Plants and its Implementation in LabVIEW Environment." E3S Web of Conferences. Vol. 140. EDP Sciences, 2019. https://doi.org/10.1051/e3sconf/201914011007
5. Митрофанов, С.В. Методика расчета мощности фотоэлектрических панелей для объектов микрогенерации / С.В. Митрофанов, В.В. Петров // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. - 2023. - Т. 66, № 4. - С. 80-85. - DOI 10.17213/0136-3360-2023-4-80-85.
6. Off-Grid Solar: independent and clean power supply. [Электронный ресурс]. URL: https://sinovoltaics.com/learning-center/off-grid/off-grid-solar-independent-and-clean-power-supply/ (дата обращения 13.04.2024).
7. Sizing a Battery Bank. Solar stik. [Электронный ресурс]. URL: https://solarstik.com/stikopedia/calculate-battery-capacity/ (дата обращения 02.05.2024).
8. Analysis of key technical parameters of lead-acid batteries. [Электронный ресурс]. URL: https://www.better-tech.net/news/analysis-of-key-technical-parameters-of-lead-acid-batteries (дата обращения 02.05.2024).
9. Тютерев, А.А. Методика расчета мощности солнечной электростанции / А.А. Тютерев, О.Н. Рязанова // Высокие технологии в строительном комплексе. - 2019. -№ 1. - С. 24-26.
10. Solar Charge Controller Battery Charging Stages Explained. [Электронный ресурс]. URL: https://powmr.com/blogs/news/what-are-the-solar-controller-s-battery-charging-stages (дата обращения 02.05.2024).
11. Нтавухоракомейе, Н. Техническая методика расчета мощности солнечных электростанций в тропическом климате, как в республике Бурунди / Н. Нтавухоракомейе, М.П. Белов // Известия СПбГЭТУ ЛЭТИ. - 2019. - № 8. - С. 66-74.
12. Solar Power Calculation Formula. [Электронный ресурс]. URL: https://www.bluettipower.com/blogs/articles/solar-power-calculation-formula (дата обращения 02.05.2024).
13. How to Calculate Solar Panel kWh. [Электронный ресурс]. URL: https://energytheory.com/how-to-calculate-solar-panel-kwh/ (дата обращения 02.05.2024).
14. How to Calculate Solar Insolation. [Электронный ресурс]. URL: https://sciencing.com/calculate-solar-insolation-8435082.html (дата обращения 02.05.2024).
15. Кирпичникова, И.М. Методика оценки потенциала солнечной энергетики в Республике Таджикистан / И.М. Кирпичникова, И.Б. Махсумов, Ю. Нуроллахи // Энергобезопасность и энергосбережение. - 2020. - № 3. - С. 25-34. - DOI 10.18635/2071-2219-2020-3-25-34.
16. Solar Resource Assessment. [Электронный ресурс]. URL: https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/solar-resource-assessment (дата обращения 03.05.2024).
17. PHOTOVOLTAIC GEOGRAPHICAL INFORMATION SYSTEM. [Электронный ресурс]. URL: https://re.jrc.ec.europa.eu/pvg_tools/en/tools.html#PVP (дата обращения03.05.2024).
18. RETScreen Expert Overview. [Электронный ресурс]. URL: https://getintopc.com/softwares/retscreen-expert-free-download/ (дата обращения 03.05.2024).
19. Selecting a solar inverter for your off-grid solar installation. [Электронный ресурс]. URL: https://www.renogy.com/blog/selecting-a-solar-inverter-for-your-offgrid-solar-installation/ (дата обращения 03.05.2024).
20. How to choose the best inverter for off grid solar system. [Электронный ресурс]. URL: https://powmr.com/blogs/news/how-to-choose-inverter-for-solar-system-off-grid/ (дата обращения 03.05.2024).
21. Кирпичникова, И.М. Снижение генерации электрической энергии солнечными модулями в условиях запыленности местности / И.М. Кирпичникова, И.Б. Махсумов, В. В. Шестакова // iPolytech Journal. - 2023. - Т. 27. - № 1. - С. 83-93. DOI: 10.21285/1814-3520-2023-1-83-93.
22. Кирпичникова, И.М. Выбор электрооборудования автономной фотоэлектрической системы с использованием программного обеспечения PVsyst / И.М. Кирпичникова, И.Б. Махсумов // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика. - 2020. - Т. 20 - № 2. - С. 77-88. DOI 10.14529/power200207.
23. Кирпичникова, И.М. Анализ эффективности тепловой защиты фотоэлектрических преобразователей солнечной электростанции / И.М. Кирпичникова, А.С. Мартьянов, И.Б. Махсумов // Промышленная энергетика. - 2021. - № 5. - С. 34-44. DOI 10.34831/EP.2021.83.85.006.
24. Кирпичникова, И.М. Расчет валового технического и экономического потенциала солнечной энергии Республики Таджикистан / И.М. Кирпичникова, И.Б. Махсумов // Энергетик. - 2020. - № 1. - С. 44-47.
25. Кирпичникова, И.М. Методика оценки потенциала солнечной энергетики в Республике Таджикистан / И.М. Кирпичникова, И.Б. Махсумов, Ю. Нуроллахи // Энергобезопасность и энергосбережение. - 2020. - № 3. - С. 25-34. DOI: 10.18635/2071-2219-2020-3-25-34.
26. Махсумов, И.Б. Влияние деградации и высокой температуры воздуха на энергетической эффективности солнечных модулей (литературный анализ) / И.Б. Махсумов // Политехнический вестник. Серия: Инженерные исследования. - 2023. -№ 3(63). - С. 22-28.
27. Махсумов, И.Б. Разработка и методология расчета системы солнечной энергетической генерации для бытового применения / И.Б. Махсумов, С.Н. Ниези, М.М. Вохидов // Политехнический вестник. Серия: Инженерные исследования. -2022. - № 3(59). - С. 26-32.
28. Махсумов, И.Б. Оценка потенциала солнечной энергии с использованием солнечных кадастров / И.Б. Махсумов // Энергетик. - 2024. - № 4. - С. 38-42. DOI: 10.34831/EP.2024.12.35.006
29. Махсумов, И.Б. Оценка эффективности использования солнечной энергетики на территории Хатлонской области Республики Таджикистан / И.Б. Махсумов // Окружающая среда и энерговедение. - 2024. - № 1(21). - С. 62-74. DOI: 10.24412/2658-6703-2024-1 -62-74
30. Polvonov Omonjon Xusanboyo'g'li Method of Calculating Power Capacity of Solar Power Plants / O.P. Polvonov // International Journal of Advanced Research in Science, Engineering and Technology. - Vol. 7, Issue 8. - PP. 14625-14631. 10-abdulatif-17.pdf (ijarset.com)
References
1. AUTONOME SYSTEME. [Electronic resource]. URL: https://www.ffsolar.com/index.php?lang=DE&page=autonome-systeme (accessed on 13.04.2024).
2. Mohammed C. Et al. Extended method for the sizing, energy management, and techno-economic optimization of autonomous solar Photovoltaic/Battery systems: Experimental validation and analysis // Energy Conversion and Management. - 2022. - Vol. 270. - PP. 116267.
3. Okhotkin, G.P. Methodology for calculating the power of solar power plants / G.P. Okhotkin // Bulletin of the Chuvash University. - 2013. - No. 3. - P. 222-230.
4. Okhotkin, Grigory, et al. "Method for Calculating the Capacity of Solar Power Plants and its Implementation in LabVIEW Environment." E3S Web of Conferences. Vol. 140. EDP Sciences, 2019. https://doi.org/10.1051/e3sconf/201914011007
5. Mitrofanov, S.V. Methodology for calculating the power of photovoltaic panels for microgeneration facilities / S.V. Mitrofanov, V.V. Petrov // News of higher educational institutions. Electromechanics. - 2023. - Vol. 66, No. 4. - P. 80-85. - DOI 10.17213/01363360-2023-4-80-85.
6. Off-Grid Solar: independent and clean power supply. [Electronic resource]. URL: https://sinovoltaics.com/learning-center/off-grid/off-grid-solar-independent-and-clean-power-supply/ (accessed on 13.04.2024).
7. Sizing a Battery Bank. Solar stik. [Electronic resource]. URL: https://solarstik.com/stikopedia/calculate-battery-capacity/ (accessed on 02.05.2024).
8. Analysis of key technical parameters of lead-acid batteries. [Electronic resource]. URL: https://www.better-tech.net/news/analysis-of-key-technical-parameters-of-lead-acid-batteries (accessed on 02.05.2024).
9. Tyuterev, A.A. Methodology for calculating the power of a solar power plant / A.A. Tyuterev, O.N. Ryazanova // High technologies in the construction complex. - 2019. - No. 1. - P. 24-26.
10. Solar Charge Controller Battery Charging Stages Explained. [Electronic resource]. URL: https://powmr.com/blogs/news/what-are-the-solar-controller-s-battery-charging-stages (accessed on 02.05.2024).
11. Ntavuhorakomeye, N. Technical methodology for calculating the power of solar power plants in a tropical climate, as in the Republic of Burundi / N. Ntavuhorakomeye, M.P. Belov // News of St. Petersburg Electrotechnical University LETI. - 2019. - No. 8. - P. 66-74.
12. Solar Power Calculation Formula. [Electronic resource]. URL: https://www.bluettipower.com/blogs/articles/solar-power-calculation-formula (accessed on 02.05.2024).
13. How to Calculate Solar Panel kWh. [Electronic resource]. URL: https://energytheory.com/how-to-calculate-solar-panel-kwh/ (accessed on 02.05.2024).
14. How to Calculate Solar Insolation. [Electronic resource]. URL: https://sciencing.com/calculate-solar-insolation-8435082.html (accessed on 02.05.2024).
15. Kirpichnikova, I.M. Methodology for assessing the potential of solar energy in the Republic of Tajikistan / I.M. Kirpichnikova, I.B. Makhsumov, Yu. Nurollahi // Energy safety and energy saving. - 2020. - No. 3. - P. 25-34. - DOI 10.18635/2071-2219-2020-3-25-34.
16. Solar Resource Assessment. [Electronic resource]. URL: https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/solar-resource-assessment (accessed on 03.05.2024).
17. PHOTOVOLTAIC GEOGRAPHICAL INFORMATION SYSTEM. [Electronic resource]. URL: https://re.jrc.ec.europa.eu/pvg_tools/en/tools.html#PVP (accessed on 03.05.2024).
18. RETScreen Expert Overview. [Electronic resource]. URL: https://getintopc.com/softwares/retscreen-expert-free-download/ (accessed on 03.05.2024).
19. Selecting a solar inverter for your off-grid solar installation. [Electronic resource]. URL: https://www.renogy.com/blog/selecting-a-solar-inverter-for-your-offgrid-solar-installation/ (accessed on 03.05.2024).
20. How to choose the best inverter for off grid solar system. [Electronic resource]. URL: https://powmr.com/blogs/news/how-to-choose-inverter-for-solar-system-off-grid/ (accessed on 03.05.2024).
21. Kirpichnikova I.M., Makhsumov I.B., Shestakova V.V. Reduced power generation efficiency of solar panels in dusty locations. iPolytech Journal. 2023;27(1):83-93. (In Russ.) https://doi.org/10.21285/1814-3520-2023-1-83-93.
22. Kirpichnikova, I.M. Selection of electrical equipment for an autonomous photovoltaic system using PVsyst software / I.M. Kirpichnikova, I.B. Makhsumov // Bulletin of the South Ural State University. Series: Energy. - 2020. - Vol. 20 - No. 2. - P. 77-88. DOI 10.14529/power200207.
23. Kirpichnikova, I.M. Analysis of the efficiency of thermal protection of photoelectric converters of a solar power plant / I.M. Kirpichnikova, A.S. Martyanov, I.B. Makhsumov // Industrial energy. - 2021. - No. 5. - P. 34-44. DOI 10.34831/EP.2021.83.85.006.
24. Kirpichnikova, I.M. Calculation of the gross technical and economic potential of solar energy of the Republic of Tajikistan / I.M. Kirpichnikova, I.B. Makhsumov // Energetik. -2020. - No. 1. - P. 44-47.
25. Kirpichnikova, I.M. Methodology for assessing the potential of solar energy in the Republic of Tajikistan / I.M. Kirpichnikova, I.B. Makhsumov, Y. Nurollahi // Energy security and energy saving. - 2020. - No. 3. - P. 25-34. DOI: 10.18635/2071-2219-2020-3-25-34.
26. Makhsumov, I.B. The influence of degradation and high air temperature on the energy efficiency of solar modules (literary analysis) / I.B. Makhsumov // Polytechnic Bulletin. Series: Engineering Research. - 2023. - No. 3(63). - pp. 22-28.
27. Makhsumov, I.B. Development and methodology for calculating a solar energy generation system for household use / I.B. Makhsumov, S.N. Niesi, M.M. Vokhidov // Polytechnic Bulletin. Series: Engineering Research. - 2022. - No. 3(59). - P. 26-32.
28. Makhsumov, I.B. Assessing the potential of solar energy using solar cadastres / I.B. Makhsumov // Energetik. - 2024. - No. 4. - P. 38-42. DOI: 10.34831/EP.2024.12.35.006
29. Makhsumov, I.B. Assessment of the efficiency of solar energy use in the Khatlon region of the Republic of Tajikistan / I.B. Makhsumov // Environment and energy science. - 2024. -No. 1(21). - P. 62-74. DOI: 10.24412/2658-6703-2024-1-62-74
30. Polvonov Omonjon Xusanboyo'g'li Method of Calculating Power Capacity of Solar Power Plants / O.P. Polvonov // International Journal of Advanced Research in Science, Engineering and Technology. - Vol. 7, Issue 8. - PP. 14625-14631. 10-abdulatif-17.pdf (ijarset.com)
Methodology for Calculating the Power of an Autonomous Solar System Using the Example of Power Supply to a Private House
1,2Ilkhom Makhsumov, 1,3Nekkadam Odinaev, 1,4Abufazl Davlatzoda,1,5Kudbiddin Shokirov
1Tajik Power Engineering Institute, Kushoniyon district, Tajikistan
E-mail: 2messi.ilhom@gmail.com, 3onk.tj@mail.ru,
4davlatzoda.8 8@mail.ru, 5messi.ilhom@yandex.ru
Abstract. The design and construction of autonomous and networked solar power plants in the modern world is becoming increasingly necessary and relevant due to the constantly growing demand for electricity. However, their efficient operation and economic benefits are a technical challenge that largely depends on many climatic and technical parameters that must be taken into account when designing solar installations. The authors of this article propose a methodology for calculating the power of an autonomous solar system, the elements of which take into account changes in the consumed load during the day in order to accurately set the desired battery power and eliminate unjustified excess energy of the system elements and the cost of the installation itself. The method for calculating the power of an autonomous solar system proposed in this work can significantly simplify the work when selecting and calculating its main elements and includes the following step-by-step approaches to calculation: the first step is calculating the power consumption of an autonomous solar system, the second step is calculating the capacity of the ASS battery, the third step is calculating the power of the ASS charger, the fourth step is calculating the power of the main ASS bus, the fifth step is calculating the power of the ASS solar modules, the sixth step is assessing solar insolation, the seventh step is calculating the efficiency of the ASS and the eighth step is choosing autonomous devices - ASS
voltage generators. To accurately calculate the generated power of the autonomous system, solar insolation data in the southern region of Tajikistan from the NASA database was used.
Keywords: autonomous solar system ASS, insolation, pulsed DC converter, inverter, solar module.
