Выбор автономной солнечной системы электроснабжения жилого здания.

Выводы
1.Для условий г.Москва минимальная номинальная мощность СБ составляет примерно 1кВт. При этом СУ в автономном режиме будет способна обеспечивать электроснабжение жилого дома только в аварийном режиме в течение 157 дней с середины марта по середину августа. Месячное электропотребление будет на уровне 100кВт*ч.
2.Установка с месячным потреблением 420кВт*ч с СБ номинальной мощностью 5,3…5,5кВт в умеренном режиме будет работать круглогодично. В комфортном режиме – 179 дней с середины февраля по первые числа сентября.

...

Оглавление
Исходные данные……………………………………………………………… 3
Введение…………………………………………………………………………4
1.Целесообразность применения солнечных электроустановок
для различных регионов Российской Федерации…………………………….6
2.Состав системы электроснабжения на уровень годового электропотребления до 5000кВт*ч (420кВт*ч в мес.)……………………….8
2.1.Фотоэлектрические модули………………………………………………..10
2.2.Контроллеры заряда………………………………………………………..10
2.3.Аккумуляторы………………………………………………………………11
2.4.Инверторы…………………………………………………………………..12
2.5.Дополнительные источники электроэнергии для периода
дефицита мощности……………………………………………………………12
2.6.Режимы автономного электроснабжения СЭУ…………………………..13
3.Расчет параметров системы………………………………………………….13
4.Размещение и монтаж системы……………………………………………...26
Выводы…………………………………………………………………………..28
Литература………………………………………………………………………29

Исходные данные
1.Уровень годового электропотребления – 500…5000кВт*ч.
2.Эффективность единичного модуля – не менее 1кВт.


Введение
По оценкам[1] солнечная энергетика (СЭ) является одним из перспективных направлений развития систем электроснабжения, использующих возобновляемые источники энергии и к 2100 году может стать доминирующим на планете. Во многих странах (США, Германия, Нидерланды, Дания, Индия и др.) СЭ имеет активную государственную поддержку и активно развивается. Также активно ведутся разработки в ряде стран (Скандинавия, Норвегия, Канада), где климатические характеристики близки к Средней России, в том числе к Московской области.
В указанных странах разработаны и законодательно установлены экономические стимулы для развития СЭ, в том числе:
- льготный тариф для СЭС;
- субси дии на строительство СЭС;
- различные варианты налоговых льгот;
- компенсация части расходов по обслуживанию кредитов на приобретение оборудования и др.
Все это объясняется пониманием огромных перспектив данного направления электроэнергетики, так как потенциал солнечной энергии , поступающей к поверхности земли, чрезвычайно велик. Каждую минуту земной шар получает световую энергию в количестве, достаточном для удовлетворения текущих глобальных потребностей человечества в течение всего года.
По используемому принципу преобразования солнечной энергии солнечные энергоустановки (СЭУ) делятся на:
- фотоэлектрические (солнечная батарея, солнечный модуль), работающие по принципу прямого преобразования солнечной энергии в электрическую (ФЭП) ;
- термодинамические – с промежуточным преобразованием солнечной энергии в «тепло – механическую энергию – электрическую энергию».
В настоящее время, несмотря на относительно низкий коэффициент полезного действия, наибольшее распространение получили солнечные фотоэлектрические установки (СФЭУ). В настоящее время разработка СФЭУ ведется по двум основным направлениям:
- СЭУ с ограниченным уровнем мощности для энергоснабжения единичных автономных потребителей (рассматриваются в настоящем проекте);
-СЭС - электростанции для сетевых потребителей.

Таблица 1.Технические характеристики и комплектация установки – аналога 1.Технические параметры№Наименование Величина 1Выработка солнечной энергии летомДо 30кВт*ч/сут2Энергоэффективность системы в условиях северо-западного региона5400кВт*ч/год3Мощность электростанции6кВт4Тип солнечного модуля с контроллером зарядаNP200GK5Количество панелей30шт6Пиковая мощность NP200GK200 Вт7Максимальный ток заряда модуля7,63 А8Максимальная мощность комплекса модулей6000 Вт9Угол наклона конструкций30°10Направление расположения панелейЮг11Расположение монтажных конструкций- на крыше - на фасаде - наземное12Срок службы модулей25 лет13Гарантии на систему2 года14Энергетические характеристики приведены для стандартных условий: - энергетическая освещенность – 1кВт/м2 - температура - +25℃2.Комплектация1Сетевой солнечный инвертор6кВт2Монтажная конструкция для PV модулей30шт3Кабель переменного тока (AC)1 комплект4Кабель постоянного тока (DC)1 комплект5Автоматы защиты DC1 комплект6Автоматы защиты АC1 комплект2.1.Фотоэлектрические модули Фотоэлектрические модули (ФЭМ) - это альтернативный источник электроэнергии, получаемой путем преобразования световой энергии солнца в электрический ток. Эту энергию можно применить напрямую или использовать для зарядки аккумуляторов с последующей подачей потребителям в случае необходимости. Выбор ФЭМ производится по следующим параметрам: - требуемая мощность единичного модуля ( в нашем случае 1000 Вт); - геометрия (определяется конкретными условиями монтажа, предпочтительно использовать сборки панелей большего размера – 1х1,5…1х2м2, единичной мощностью 200…250 Вт ); - номинальное выходное напряжение (для индивидуальных жилых зданий с точки зрения безопасности и приемлемых размеров поперечного сечения низковольтных соединительных проводов,оптимальным считается напряжение 24 В); - тип фотоэлементов: - на монокристаллическом кремнии (КПД = 16…18%); - на поликристаллическом кремнии (КПД = 12…14%). Производители солнечных батарей, предлагаемые Российским рынком, см. в таблице 2. Таблица 2.Солнечные батареи для СЭС №Торговая марка (Производитель)Страна производства1Just-solarМировой бренд2BAXTHORГермания BekarРоссия 2.2.Контроллеры заряда Контроллер заряда располагается между СБ и аккумулятором и используется для: - нормирования напряжения , вырабатываемого панелями ФЭ к напряжению, необходимому для зарядки аккумуляторов с учетом текущего состояния последних; - отключения аккумуляторов при их полной зарядке во избежания перезаряда. Современные контроллеры, как правило, имеют функцию задания емкости блока аккумуляторов с непосредственным указанием максимального тока зарядки, что позволяет заряжать аккумуляторы малой мощности без их вскипания и выхода из строя. Распространенными марками контроллеров в России являются: Xantrex XW-MPPT-60(60 A), MORNINGSTAR, OutBack, EPSOLAR, PIP, Rich Electric, Victron Energy, Steca Electronik.2.3.Аккумуляторы Наиболее подходящими для СУ в настоящее время являются: - широко распространенные необслуживаемые гелевые свинцово-кислотные тяговые аккумуляторы (выпускаются в основном на напряжение 12 В, энергетическая емкость – 50% при 20% ой зарядке); - перспективные литий-ионные аккумуляторы (энергетическая емкость – 90% при 20% ой зарядке). Самые известные марки аккумуляторов для СЭС следующие: ROLLS BATTERY , CHALLENDGER, BAE, TROJAN, Becar.Схема сборки блока аккумуляторов СУ на различные номиналы низковольтного напряжения показана на Рис.2. Рис.2.блоки аккумуляторов с запасом энергии до 2кВт*ч на напряжение 12, 24, 48 В. 2.4.Инверторы Основными характеристиками инвертора являются: - выходная мощность переменного тока ; - форма вырабатываемого тока (треуголник, прямоугольник (меандр), модифицированный синус (годится для большинства бытовых приборов), чистый синус; - КПД инвертора (более 90% у современных моделей); - способность работы в режиме зарядке аккумуляторов; - наличие индикации для контроля входного напряжения (напряжения на аккумуляторах), так и выходного – в розетках; - наличие защиты от перегрузки и от короткого замыкания в нагрузке; - возможность кратковременного повышения номинальной нагрузки вплоть 1,5…2х раз для использования электропотребителей с повышенными пусковыми токами; - функция подключения к отдельной линии дополнительной нагрузки (бойлеров и др.) для утилизации избыточной энергии. Для реализации перечисленных характеристик в составе СЭУ используются следующие модели: XANTREX, DC-AC SS-300, Outback Power Systems (USA), Cyber Power Emerrgency Power System (EPS), PIP (Тайвань), SMA, Rich Electric, Victron Energy.2.5.Дополнительные источники электроэнергии для периодадефицита мощности СЭУ Дополнительными источниками электроэнергии для периода дефицита мощности СЭУ, в том числе для подзарядки ее аккумуляторной батареи, являются в основном автономные бензиновые или газовые электростанции (генераторы) относительно небольшой мощности (до 3кВт). Наиболее распространены бензиновые генераторы вследствие простоты конструкции, эксплуатации и доступности топлива . Рассматриваемые генераторы представлены на Российском рынке следующими производителями и торговыми марками, см.таблицу 3. Таблица 3.Автономные источники (генераторы) дополнительной электроэнергии для СЭС№Тип генератораТорговая марка (Производитель)Страна производителя1Бензиновый Endress Япония2ETALON3ELEMAX4ENERGOИталия 5PRAMAC6WAY ENERGYИспания 7STURMKRAFTГермания 8ГазовыйRussian Engineering Group, Bekar Россия 2.6.Режимы автономного электроснабжения СЭУ Различают 6 режимов электроснабжения жилого дома по комфортности и энергопотреблению: режим дефицита - режим, при котором месячной выработки СБ не хватает для постоянного функционирования собственных контроллера и инвертора; аварийный режим – см.таблицу 4; базовый режим – см.таблицу 5; умеренный режим – см.таблицу 6; комфортный режим – см.таблицу 7; полный режим – см.таблицу 8. 3.Расчет параметров системыОценка потенциальной производительности солнечных батарей (количество солнечных модулей, необходимых для работы системы в желаемом режиме) производилась для следующих условий по освещенности (условия для г. Москва, центральная часть России): - худший месяц – январь; - большая часть года – февраль-ноябрь; - летний максимум – июль. Принятая номинальная мощность солнечной панели для стандартного потока света –Nинсmax= 1000 Вт/м2 при температуре воздуха +25℃ и одинаковой мощности солнечного излучения у поверхности Земли (максимальная инсоляция) и в месте установки модулей. Угол наклона панели СФЭУ круглогодичного использования: αп=αгш+15°=72°57΄ , Где αгш=72°57΄ - географическая широта г. Москва (ул.Котельническая Набережная д2.) Ориентация панели: Юг + 10° на Восток. Выработка солнечной батареи (фотоэлектрической панели): NСБ=Nинс∙РСБ∙ηNинсmax,кВт*ч/м2, где: - Nинс - месячная инсоляция 1м2 панели по г. Москве (табличные данные[4].); - РСБ - номинальная мощность солнечной батареи, кВт*ч; - η= 0,91[5] – общий КПД в процессах преобразования низковольтного постоянного напряжения в стандартное, в том числе при передаче тока, в контроллере заряда СБ и ее инверторе. Для определения потребной номинальной мощности солнечных батарей по обеспечению режимов электроснабжения потребителей согласно таблицам 4…8, был проведен расчет помесячной выработки электроэнергии СУс батареями различной номинальной мощности в диапазоне 0,5…31,5кВт.Таблица 4.Потребители, используемые при работе СУ в режиме аварийного электроснабжения1.1.Аварийный режим. (Регулярные потребители)№ПотребительМощн, ВтПродолжит. работы, ч/сутСуточное потреблениеэнергии, кВт*чсреднеемаксимумзималетозималетосреднеемаксимумзималетозималето1Инвертор20всегда240,482Контроллер заряда5всегда240,123Освещение (5лампх20Вт)100611030,60,11,00,34Холодильник500Выкл.2230111,55Насос системы подачи воды800Выкл.Выкл.0,50,5000.40,46Стиральная машина без нагрева воды500Выкл.Выкл.11000,50,57Утюг1500Выкл.Выкл.1100118Телевизор150Выкл.Выкл.44000,60,69Ноутбук100Выкл.Выкл.44000,40,410Итого:0,60,14,94,711Среднее допускаемое электропотребление за сутки: 3,35кВт*ч 12То же за месяц: 100,5кВт*ч1.2.Аварийный режим (Нерегулярные потребители при наличии напряжения во внешней сети)13Кухонные электроприборыДо 2000Выкл.Выкл.11002214Косметические электроприборыДо 2000Выкл.Выкл.0,170,17000,30,315ЭлектроинструментДо 2000Выкл.Выкл.0,2520,250,250,5416Итого:0,250,252,86,3Таблица 5. Потребители, используемые при работе СУ в режиме базового электроснабжения2.1.Базовый режим. (Регулярные потребители)№ПотребительМощн, ВтПродолжит. работы, ч/сутСуточное потреблениеэнергии, кВт*чсреднеемаксимумзималетозималетосреднеемаксимумзималетозималето1Инвертор 20всегда240,482Контроллер заряда5всегда240,123Освещение (5лампх20Вт)100611030,60,11,00,34Холодильник 5001,52230,75111,55Насос системы подачи воды800Выкл.Выкл.0,250,50,20,20.40,46Стиральная машина без нагрева воды500Выкл.Выкл.0,530,250,251,51,57Утюг 1500Выкл.Выкл.0,1710,250,25118Телевизор 150Выкл.Выкл.220,30,30,60,69Ноутбук 100Выкл.Выкл.440,20,20,40,410Итого:3,152,95,66,711Среднее допускаемое электропотребление за сутки: 4,93кВт*ч 12То же за месяц: 147,8кВт*ч2.2.Базовый режим (Нерегулярные потребители при наличии напряжения во внешней сети)13Кухонные электроприборыДо 20000,250,25330,50,52214Косметические электроприборыДо 20000,090,090,340,340,150,150,70,715Электроинструмент До 20000,50,5440,250,254416Газонокосилка (снегоуборщик )150013331,51.54417Пылесос 1800всегда0,3430,60,61,51,518Итого:0,90,96,76,7Таблица 6.