Hoe een zonne-PV-systeem ontwerpen en installeren?

Ontwerp en installatie van zonne-PV-systemen

Vandaag de dag heeft onze moderne wereld energie nodig voor verschillende dagelijkse toepassingen, zoals industriële productie, verwarming, transport, landbouw, verlichtingstoepassingen, enz. Het grootste deel van onze energiebehoefte wordt meestal bevredigd door niet-hernieuwbare energiebronnen zoals steenkool, ruwe olie, aardgas, enz. Maar het gebruik van dergelijke bronnen heeft een zware impact op ons milieu veroorzaakt.

Deze vorm van energiebron is ook niet gelijkmatig over de aarde verdeeld. Er is onzekerheid over de marktprijzen, zoals in het geval van ruwe olie, aangezien deze afhankelijk is van de productie en winning uit de reserves. Door de beperkte beschikbaarheid van niet-hernieuwbare bronnen is de vraag naar hernieuwbare bronnen de laatste jaren toegenomen.

Zonne-energie staat in het middelpunt van de belangstelling als het gaat om hernieuwbare energiebronnen. Het is gemakkelijk verkrijgbaar in een overvloedige vorm en heeft het potentieel om aan de energiebehoefte van onze hele planeet te voldoen. Het stand-alone PV-systeem op zonne-energie zoals weergegeven in figuur 1 is een van de benaderingen als het gaat om het voldoen aan onze energievraag, onafhankelijk van het nutsbedrijf. Daarom zullen we in het volgende kort de planning, het ontwerp en de installatie van een stand-alone PV-systeem voor elektriciteitsopwekking zien.

• Gerelateerde post:een complete gids over de installatie van zonnepanelen. Stapsgewijze procedure met berekening en diagrammen

Planning van een standalone PV-systeem

Site-evaluatie, landmeten &evaluatie van zonne-energiebronnen:

Aangezien de output die door het PV-systeem wordt gegenereerd aanzienlijk varieert, afhankelijk van de tijd en de geografische locatie, is het van het grootste belang om een ​​geschikte locatie te selecteren voor de zelfstandige PV-installatie. Daarom moeten de volgende punten in overweging worden genomen bij de beoordeling en selectie van locaties voor installatie.

1. Minimale schaduw: Er moet voor worden gezorgd dat de geselecteerde locatie op het dak of op de grond geen schaduwen mag hebben of geen structuur mag hebben die de zonnestraling onderschept die op de te installeren panelen valt. Zorg er ook voor dat er binnenkort geen structurele constructie rondom de installatie komt die het probleem van schaduw zou kunnen veroorzaken.
2. Oppervlakte: Het oppervlak van de locatie waar de PV-installatie is bedoeld, moet bekend zijn om een ​​schatting te hebben van de grootte en het aantal panelen dat nodig is om het vereiste vermogen voor de belasting te genereren. Dit helpt ook bij het plannen van de installatie van omvormers, convertors en accubanken.
3. Op het dak: In het geval van een dakinstallatie moet het type dak en de constructie bekend zijn. In het geval van kanteldaken moet de kantelhoek bekend zijn en moet de nodige montage worden gebruikt om ervoor te zorgen dat de panelen meer invallen van zonnestraling hebben, d.w.z. idealiter moet de stralingshoek loodrecht op het PV-paneel staan ​​en praktisch zo dicht als 90 graden .
4. Routes: Mogelijke routes voor de kabels van een omvormer, accubank, laadregelaar en PV-array moeten zo worden gepland dat er een minimaal gebruik van kabels en een lagere spanningsval in kabels is. De ontwerper moet kiezen tussen de efficiëntie en de kosten van het systeem.

Om het uitgangsvermogen te schatten, is de beoordeling van de zonne-energie van de geselecteerde locatie van het grootste belang. Instraling wordt gedefinieerd als de maat voor de energie van de zon die gedurende een bepaalde periode in een bepaald gebied wordt ontvangen. U kunt deze gegevens vinden met behulp van een pyranometer, maar dit is niet nodig omdat u de instralingsgegevens kunt vinden bij het dichtstbijzijnde meteorologische station. Bij het beoordelen van de zonne-energie kunnen de gegevens als volgt op twee manieren worden gemeten:

• Kilowattuur per vierkante meter per dag (KWh/m ² /dag): Het is een hoeveelheid energie gemeten in kilowattuur, vallend op vierkante meter per dag.
• Dagelijkse piekzonuren (PSH): Aantal uren in een dag waarin de bestraling gemiddeld 1000 W/m is ² .

Piekzonuren worden het meest gebruikt omdat ze de berekeningen vereenvoudigen. Raak niet in de war met de "Mean Sunshine Hours ” en “Piekzonuren ” die je zou verzamelen bij het weerstation. De "Gemiddelde zonuren" geeft het aantal uren zonneschijn aan, aangezien de "Piekzonuren" de werkelijke hoeveelheid ontvangen energie is in KWh/m ² /dag. Gebruik van alle maanden over een periode van het jaar de laagste gemiddelde dagelijkse instralingswaarde, omdat dit ervoor zorgt dat het systeem op een betrouwbaardere manier zal werken wanneer de zon het minst is vanwege ongeschikte weersomstandigheden.

• Gerelateerde post:basiscomponenten die nodig zijn voor de installatie van het zonnepaneelsysteem

Overwegingen voor standalone PV-systeem

Berekening van de energievraag

De grootte van het standalone PV-systeem is afhankelijk van de belastingvraag. De belasting en de bedrijfstijd variëren voor verschillende apparaten, daarom moet speciale aandacht worden besteed aan het berekenen van de energievraag. Het energieverbruik van de belasting kan worden bepaald door het vermogen (W) van de belasting te vermenigvuldigen met het aantal bedrijfsuren. De eenheid kan dus worden geschreven als watt × uur of eenvoudigweg Wh.

Energieverbruik Wattuur =Nominaal vermogen in Watt × Bedrijfsduur in uren.

De dagelijkse totale energievraag in Wh wordt dus berekend door de individuele verbruiksvraag van elk apparaat per dag bij elkaar op te tellen.

Totale energiebehoefte Wattuur =∑ (Nominaal vermogen in Watt × Bedrijfsduur in uren).

Een systeem moet worden ontworpen voor het worstcasescenario, d.w.z. voor de dag waarop de energievraag het grootst is. Een systeem ontworpen voor de hoogste vraag zal ervoor zorgen dat het systeem betrouwbaar is. Als het systeem aan de piekvraag voldoet, voldoet het aan de laagste vraag. Maar het systeem ontwerpen voor de hoogste vraag zal de totale kosten van het systeem verhogen. Aan de andere kant zal het systeem alleen volledig worden gebruikt tijdens de piekbelasting. We moeten dus kiezen tussen kosten en betrouwbaarheid van het systeem.

• Gerelateerde post:hoeveel watt zonnepaneel hebben we nodig voor onze elektrische huishoudelijke apparaten?

Inverter &Converter (laadcontroller) Ratings

Voor het kiezen van de juiste omvormer moeten zowel de ingangs- en uitgangsspanning als de nominale stroomsterkte worden gespecificeerd. De uitgangsspanning van de omvormer wordt bepaald door de systeembelasting, deze moet de belastingsstroom en de stroom van de accubank aankunnen. Op basis van de totale aangesloten belasting van het systeem kan het nominale vermogen van de omvormer worden gespecificeerd.

Laten we in ons geval 2,5 kVA in overweging nemen, vandaar dat een omvormer met een vermogen dat 20-30% hoger is dan het vermogen dat de belasting laat draaien, uit de markt moet worden gekozen. In het geval van motorbelasting moet deze 3-5 keer hoger zijn dan het stroomverbruik van een dergelijk apparaat. In het geval van de omvormer wordt de laadregelaar beoordeeld in stroom en spanning. De stroomwaarde wordt berekend door de kortsluitstroomwaarde van de PV-module te gebruiken. De waarde van de spanning is hetzelfde als de nominale spanning van batterijen.

Sizing converter en laadregelaar

De classificatie van de laadregelaar moet 125% van de kortsluitstroom van het fotovoltaïsche paneel zijn. Met andere woorden, het zou 25% groter moeten zijn dan de kortsluitstroom van het zonnepaneel.

Grootte van zonnelaadregelaar in ampère =kortsluitstroom van PV × 1,25 (veiligheidsfactor).

We hebben bijvoorbeeld 6 nummers van elk 160W zonnepanelen nodig voor ons systeem. Hieronder volgen de gerelateerde datums van het PV-paneel.

Stel dat de specificatie van de PV-module als volgt is.

• P_M =160 W_Piek
• V_M =17,9 V_DC
• Ik_M =8,9 A
• V_OC =21,4 A
• Ik_SC =10 A

Het vereiste vermogen van een zonnelaadcontroller is =(4 panelen x 10 A) x 1,25 =50 A

Nu is een 50A laadregelaar nodig voor de 12V DC systeemconfiguratie.

Opmerking:Deze formule is niet van toepassing op MPPT Solar-laders. Raadpleeg de gebruikershandleiding of controleer de gegevens op het naamplaatje voor de juiste maatvoering.

• Gerelateerde post: Hoe sluit ik een automatische UPS/omvormer aan op het thuisvoedingssysteem?

Omvormergrootte

De grootte van de omvormer moet 25% groter zijn dan de totale belasting vanwege verliezen en efficiëntieproblemen in de omvormer. Met andere woorden, het moet een nominale waarde hebben van 125% dan de totale vereiste belasting in watt. Als het vereiste wattage bijvoorbeeld 2400W is, moet de grootte van de omvormer zijn:

2400W x 125%

2400W x 1,25

3000 Watt.

We hebben dus een omvormer van 3 kW nodig bij een belasting van 2400 W.

Dagelijkse energie geleverd aan omvormer

Laten we in ons geval eens kijken naar het dagelijkse energieverbruik van de belasting van 2700 Wh. Merk op dat de omvormer zijn efficiëntie heeft, dus de energie die aan de omvormer wordt geleverd, moet meer zijn dan de energie die door de belasting wordt gebruikt, zodat de verliezen in de omvormer kunnen worden gecompenseerd. Uitgaande van 90% efficiëntie in ons geval, zou de totale energie die door de batterij aan de omvormer wordt geleverd, worden gegeven als;

Energie geleverd door de batterij aan de ingang van de omvormer =2700 / 0,90 =3000 Wh/per dag.

Systeemspanning

De ingangsspanning van de omvormer wordt de systeemspanning genoemd. Het is ook de algehele spanning van het batterijpakket. Deze systeemspanning wordt bepaald door de geselecteerde individuele batterijspanning, lijnstroom, maximaal toelaatbare spanningsval en vermogensverlies in de kabel. Gewoonlijk is de spanning van de batterijen 12 V, net als de systeemspanning. Maar als we een hogere spanning nodig hebben, moet dit veelvouden zijn van 12 V, d.w.z. 12 V, 24 V, 36 V, enzovoort.

Door de stroom te verlagen, kan het vermogensverlies en de spanningsval in de kabel worden verminderd, dit kan door de systeemspanning te verhogen. Hierdoor zal het aantal batterijen in de serie toenemen. Daarom moet men kiezen tussen vermogensverlies en systeemspanning. Laten we nu voor ons geval de systeemspanning van 24 V beschouwen.

• Gerelateerde post:  Wat zijn de blokkeerdiodes en bypass-diodes in een aansluitdoos voor zonnepanelen?

Size van de batterijen

Tijdens het dimensioneren van de batterij moeten enkele parameters als volgt in overweging worden genomen:

1. Ontlaaddiepte (DOD) van de batterij.
2. Spanning en ampère-uur (Ah) capaciteit van de batterij.
3. Het aantal dagen autonomie (het is het aantal dagen dat nodig is om het hele systeem (back-upstroom) zonder zonnepanelen op te starten in geval van volledige schaduw of regenachtige dagen. We zullen dit deel in ons volgende artikel behandelen) om verkrijg de benodigde Ah-capaciteit van batterijen.

Laten we eens aannemen dat we accu's hebben van 12 V, 100 Ah met een DOD van 70%. De bruikbare capaciteit van de is dus 100 Ah × 0,70 =70 Ah. Daarom wordt het benodigde laadvermogen als volgt bepaald;

Vereiste laadcapaciteit =energie geleverd door de batterij aan de ingangs-/systeemspanning van de omvormer

Benodigde laadcapaciteit =3000 Wh/ 24 V =125 Ah

Hieruit kan het aantal benodigde batterijen worden berekend als;

Nee. aantal batterijen nodig =Benodigde laadcapaciteit / (100 × 0,7)

Nee. benodigd aantal batterijen =125 Ah / (100 × 0,7) =1,78 (2 batterijen afronden)

Er zijn dus 2 accu's van 12 V, 100 Ah nodig. Maar vanwege afronding is 140 Ah nodig in plaats van 125 Ah.

Benodigde laadcapaciteit =2 × 100Ah × 0,7 =140 Ah

Daarom zijn twee 12 V, 100 Ah-accu's parallel geschakeld om aan de bovenstaande laadcapaciteit te voldoen. Maar aangezien de individuele batterij 12 V, 100 Ah alleen is en de systeemspanningsvereiste 24 V is, moeten we twee batterijen in serie aansluiten om de systeemspanning van 24 V te krijgen, zoals weergegeven in afbeelding 2 hieronder:

Dus in totaal zullen er vier batterijen van 12V, 100Ah. Twee in serie geschakeld en twee parallel geschakeld.

Ook de vereiste capaciteit van batterijen kan worden gevonden met de volgende formule.

• Gerelateerde post:serie-, parallelle en serie-parallelle aansluiting van batterijen

Size van de PV-array

Verschillende maten PV-modules die op de markt verkrijgbaar zijn, produceren een verschillend uitgangsvermogen. Een van de meest gebruikelijke manieren om de grootte van de PV-array te bepalen, is door de laagste gemiddelde dagelijkse instraling (zonnestraling) in de piekuren van de zon als volgt te gebruiken;

De totale grootte van PV-array (W) =(Energievraag per dag van een belasting (Wh) / T_PH ) × 1,25

Waar T_PH is de laagste daggemiddelde piekzonuren van een maand per jaar &1,25 is de schaalfactor. Hiermee wordt het aantal PV-modules N_modules vereist kan worden bepaald als;

N_modules =Totale grootte van de PV-generator (W) / Beoordeling van geselecteerde panelen in piekwatt.

Stel dat in ons geval de belasting 3000 Wh/per dag is. Om het benodigde totaal te weten W_Piek van een zonnepaneelcapaciteit gebruiken we de PFG-factor, d.w.z.

Totaal W_Piek van PV-paneelcapaciteit =3000 / 3.2 (PFG)

=931 W_Piek

Het vereiste aantal PV-panelen is nu =931 / 160W =5,8.

Op deze manier hebben we 6 aantallen zonnepanelen nodig die elk een vermogen van 160W hebben. U kunt het exacte aantal zonnepanelen vinden door de W_Piek . te delen door een andere classificatie, d.w.z. 100W, 120W 150W enz. op basis van de beschikbaarheid.

Opmerking :De waarde van PFG (Panel Generation Factor) varieert (vanwege klimaat- en temperatuurveranderingen) in verschillende regio's, bijv. PFG in de VS =3,22, EU =293, Thailand =3,43 enz.

Bovendien moeten de extra verliezen in aanmerking worden genomen om de exacte paneelgeneratiefactor (PGF) te vinden. Deze verliezen (in %) treden op als gevolg van:

• Zonlicht valt niet recht op het zonnepaneel (5%)
• Geen energie ontvangen op het maximale stroompunt (uitgesloten in het geval van MPPT-laadcontroller). (10%)
• Vuil op zonnepanelen (5%)
• PV-panelen verouderen en beneden specificatie (10%)
• Temperatuur boven  25°C (15%)

Verwante soorten zonnepanelen en welk type zonnepaneel is het beste?

Size van de kabels

De maat van de kabels hangt van veel factoren af, zoals de maximale stroomcapaciteit. Het moet een minimale spanningsval hebben en minimale weerstandsverliezen hebben. Omdat de kabels buiten worden geplaatst, moeten ze waterbestendig en ultraviolet zijn.

De kabel moet een minimale spanningsval van doorgaans minder dan 2% hebben, omdat er een spanningsval is in het laagspanningssysteem. Ondermaatse kabels leiden tot energieverlies en kunnen soms zelfs tot ongelukken leiden. terwijl de overmaat economisch niet betaalbaar is. De doorsnede van de kabel wordt gegeven als;

A =(ρI_M L / V_D ) × 2

Waar

• ρ is de soortelijke weerstand van het geleidende draadmateriaal (ohm-meters).
• L is de lengte van de kabel.
• V_D is de maximaal toelaatbare spanningsval.
• I_M is de maximale stroom die door de kabel wordt gedragen.

Daarnaast kunt u deze rekenmachine voor kabel- en draadafmetingen gebruiken. Gebruik ook de juiste stroomonderbreker en nominale stekkers en schakelaars.

Laten we een opgelost voorbeeld hebben voor het bovenstaande voorbeeld.

Voorbeeld:

Stel dat we de volgende elektrische belasting in watt hebben, waarbij we een 12V, 120W zonnepaneelsysteemontwerp en installatie nodig hebben.

• Een LED-lamp van 40W voor 12 uur per dag.
• Een koelkast van 80W voor 8 uur per dag.
• Een DC-ventilator van 60 W voor 6 uur per dag.

Laten we nu het aantal zonnepanelen, de classificatie en afmetingen van de laadregelaar, omvormer en batterijen enz. vinden.

De totale belasting vinden

Totale belasting in Wh / dag

=(40W x 12 uur) + (80W x 8 uur) + (60W x 6 uur)

=1480 Wh / per dag

Het vereiste wattage door zonnepanelensysteem

=1480 Wh x 1,3 … (1,3 is de factor die wordt gebruikt voor energieverlies in het systeem)

=1924 Wh/dag

De grootte en het aantal zonnepanelen vinden

W_Piek Capaciteit van zonnepaneel

=1924 Wh /3.2

=601.25 W_Piek

Vereist aantal zonnepanelen

=601,25 / 120W

Aantal zonnepanelen =5 zonnepanelen

Op deze manier kunnen de 5 zonnepanelen van elk 120 W aan onze belastingseisen voldoen.

Vind de classificatie en grootte van de omvormer

Omdat er alleen AC-belastingen in ons systeem zijn voor een bepaalde tijd (d.w.z. geen extra &directe DC-belasting aangesloten op de batterijen) en ons totale vereiste wattage is:

=  40W + 80W + 60W 

=180W

Nu moet de classificatie van de omvormer 25% hoger zijn dan de totale belasting vanwege verliezen in de omvormer.

=180W x 2,5

Omvormerwaarde en grootte =225 W

Vind het formaat, de classificatie en het aantal batterijen

Ons laadvermogen en operationele tijd in uren

=(40W x 12 uur) + (80W x 8 uur) + (60W x 6 uur)

Nominale spanning van deep-cycle batterij =12V

Vereiste dagen autonomie (stroom door batterijen zonder stroom van zonnepanelen) =2 dagen.

[(40W x 12 uur) + (80W x 8 uur) + (60W x 6 uur) / (0,85 x 0,6 x 12V)] x 2 dagen

De vereiste capaciteit van batterijen in Ampère-uur =483,6 Ah

Op deze manier hebben we een batterijcapaciteit van 12V 500Ah nodig voor 2 dagen autonomie.

In dit geval kunnen we 4 batterijen van elk 12 V, 125 Ah parallel gebruiken.

Als de beschikbare batterijcapaciteit 175Ah, 12 V is, mogen we 3 batterijen gebruiken. U kunt het exacte aantal batterijen krijgen door de vereiste capaciteit van batterijen in Ampère-uur te delen door de beschikbare batterij Ah-classificatie.

Vereist aantal batterijen = Vereiste capaciteit van batterijen in Ampère-uur / Beschikbare batterij Ah-classificatie

• Gerelateerde post: Oplaadtijd en laadstroomformule voor batterijen (met voorbeeld van 120Ah-batterij)

Vind de classificatie en grootte van de zonnelaadcontroller

De laadregelaar moet 125% (of 25% groter) zijn dan de kortsluitstroom van het zonnepaneel.

Grootte van zonnelaadregelaar in Amp =Kortsluitstroom van PV × 1,25

specificatie PV-module

• P_M =120 W_Piek
• V_M =15,9 V_DC
• Ik_M =7,5 A
• V_OC =19,4 A
• Ik_SC =8,8 A

De vereiste classificatie van een zonnelaadcontroller is =(5 panelen x 8,8 A) x 1,25 =44 A

U kunt dus de volgende dichtstbijzijnde laadregelaar gebruiken die 45A is.

Houd er rekening mee dat deze methode niet kan worden gebruikt om de exacte grootte van MPPT-zonneladers te vinden. Raadpleeg de gebruikershandleiding van de fabrikant of bekijk de classificatie op het typeplaatje die erop is afgedrukt.

De kabel, CB, schakelaars en stekkercapaciteit vinden

Gebruik de volgende hulpmiddelen en verklarende berichten met grafieken om de exacte stroomsterkte van draden en kabels, schakelaars en stekkers en stroomonderbrekers te vinden.

• Rekenmachine voor kabeldikte of hoe u de juiste kabeldikte kunt vinden met voldoende capaciteit.
• Vind de stroomsterkte van schakelaars en stekkers
• Vind de juiste maat en classificatie van de stroomonderbreker.

Conclusie

Het zelfstandige PV-systeem is een uitstekende manier om gebruik te maken van de direct beschikbare milieuvriendelijke energie van de zon. Het ontwerp en de installatie zijn handig en betrouwbaar voor kleine, middelgrote en grootschalige energiebehoeften. Een dergelijk systeem maakt de beschikbaarheid van elektriciteit bijna overal ter wereld mogelijk, vooral in afgelegen gebieden. Het maakt de energieverbruiker onafhankelijk van het nutsbedrijf en andere energiebronnen zoals steenkool, aardgas, enz.

Zo'n systeem kan geen negatieve impact hebben op ons milieu en kan na installatie nog lange tijd energie leveren. Het bovenstaande systematische ontwerp en de installatie bieden nuttige richtlijnen voor onze behoefte aan schone en duurzame energie in de moderne wereld.

• Door:M. Phansopkar
• Bijgewerkt door:elektrische technologie