כיצד לחשב את התצורה המתאימה למערכת קטנה משלך שאינה מחוברת לחשמל?

האם חשבתם פעם להשתמש במערכת אנרגיה סולארית משלכם בבקתה הררית, בסירת דיג או בקרוואן כדי להשתחרר מהתלות ברשת החשמל הציבורית?

למעשה, זה לא משהו שרק מהנדסים יכולים להשיג. כל עוד אתם שולטים בכמה שלבים ונוסחאות מרכזיות, תוכלו לחשב את התצורה המתאימה למערכת פוטו-וולטאית קטנה משלכם שאינה מחוברת לרשת החשמל.

מערכת סולארית מחוץ לרשת החשמל מתייחסת למערכת עצמאית שאינה מסתמכת על רשת החשמל הציבורית, אלא מסתמכת לחלוטין על ייצור חשמל פוטו-וולטאי ואחסון סוללות כדי לענות על צורכי החשמל. היא אידיאלית לשימוש באזורים הרריים מרוחקים, איים, אזורים פסטורליים, קרוואנים, סירות דיג ומקומות אחרים עם רשת חשמל לא יציבה.

להלן, נדריך אתכם דרך ארבעה שלבים לחישוב התצורה הנדרשת.

שלב 1: קביעת הספק המודול הפוטו-וולטאי

עוצמת הפאנלים הפוטו-וולטאיים (פאנלים סולאריים) קובעת כמה חשמל המערכת שלך יכולה לייצר.

גישת החישוב העיקרית היא: ראשית קבעו את צריכת החשמל היומית, ולאחר מכן שלבו אותה עם תנאי האקלים המקומיים (במיוחד משך אור השמש) כדי לקבוע את ההספק הכולל של הפאנלים הפוטו-וולטאיים.

הנוסחה:

הספק המודול = (צריכת חשמל יומית × גורם עודף ביום מעונן רציף) ÷ (ממוצע שעות שמש מקומי × יעילות המערכת)

* צריכת חשמל יומית: ניתן לחשב זאת על ידי סיכום ההספק המדורג של כל המכשירים כפול זמן השימוש שלהם.

לדוגמה, נורות LED 10W × 5 שעות = 50Wh, מקרר 60W × 24 שעות = 1440Wh.

* גורם עודף ביום מעונן רציף: כדי להתחשב בייצור חשמל לא מספק במהלך ימים מעוננים רצופים, גורם זה נקבע בדרך כלל בין 1.1 ל-1.3.

* ממוצע שעות שמש יומי מקומי: ניתן לקבל נתון זה מנתונים מטאורולוגיים מקומיים. לדוגמה, בבייג'ינג יש ממוצע של כ-4 שעות שמש ביום, בעוד שבחיינאן עשויות להיות מעל 5 שעות.

* יעילות המערכת: ערך זה מתחשב בהפסדי כבלים, יעילות בקר, הפסדי ממיר וכו', ובדרך כלל נקבע בין 0.75 ל-0.8.

לדוגמה:

בהנחה שצריכת החשמל היומית שלך היא 3,000 וואט-שעה, שעות השמש היומיות הממוצעות המקומיות הן 4.5 שעות, יעילות המערכת היא 0.78, ומקדם ימי הגשם הרציפים הוא 1.2:

הספק המודול = (3,000 × 1.2) ÷ (4.5 × 0.78) ≈ 1,026 וואט

משמעות הדבר היא שעליכם להתקין פאנלים פוטו-וולטאיים בעלי הספק כולל של כ-1 קילוואט, כגון ארבעה מודולים של 250 וואט.

שלב 2: קביעת הספק הממיר מחוץ לרשת החשמל

הממיר ממיר את הזרם הישיר (DC) מפאנלים פוטו-וולטאיים או סוללות לזרם חילופין (AC) לשימוש על ידי מכשירי חשמל ביתיים רגילים.

ההספק שלו חייב להיות מספיק כדי לענות על דרישת ההספק הרגעית המרבית שלך, במיוחד בהתחשב בזרם הכניסה של עומסים אינדוקטיביים (ציוד מונע מנוע).

הנוסחה:

הספק ממיר = (הספק עומס התנגדותי כולל + הספק עומס אינדוקטיבי כולל × 5) × גורם שוליים ÷ גורם הספק

* עומסים התנגדותיים: התקנים התנגדותיים כגון נורות, קומקומים חשמליים ותנורים.

* עומסים אינדוקטיביים: ציוד עם מנועים או מדחסים, כגון מקררים, משאבות מים, מזגנים וכו'. ההספק המיידי במהלך ההפעלה עשוי להיות פי 5-7 מההספק המדורג.

* מקדם בטיחות: בדרך כלל נקבע על 1.2–1.5 כדי להבטיח מרווח.

* מקדם הספק: בדרך כלל מוגדר על 0.8–0.9.

דוגמא:

בהנחה שיש לך גוף תאורה של 200W (עומס התנגדותי), מקרר של 100W (עומס אינדוקטיבי), גורם שוליים של 1.3 וגורם הספק של 0.85:

הספק ממיר = (200 + 100 × 5) × 1.3 ÷ 0.85

≈ (200 + 500) × 1.3 ÷ 0.85

≈ 700 × 1.3 ÷ 0.85

≈ 1070 וואט

תזדקק לממיר בעל הספק מינימלי של 1.1 קילוואט, ומומלץ לבחור בדגם של 1.5 קילוואט ליציבות רבה יותר.

שלב 3: קביעת קיבולת הסוללה

הסוללה היא "מאגר האנרגיה" של המערכת הלא מחוברת לרשת החשמל, והחשמל הנצרך בלילה או בימים מעוננים מגיע בעיקר ממנה. הקיבולת תלויה במספר הימים שבהם אתם זקוקים לאספקת חשמל רציפה ובצריכת החשמל היומית.

הנוסחה:

קיבולת סוללה (Ah) = (צריכת חשמל יומית × מספר ימי אספקת חשמל בימים מעוננים) ÷ (עומק פריקה × יעילות טעינה/פריקה × מתח חבילת הסוללה)

* עומק פריקה (DOD): עבור סוללות עופרת-חומצה, מומלץ DOD של 0.5-0.6; עבור סוללות ליתיום, DOD של 0.8-0.9 מקובל.

יעילות טעינה/פריקה: בדרך כלל מוגדרת על 0.85–0.9.

* מתח סוללת הסוללה: מתחים נפוצים כוללים 12V, 24V ו-48V; מומלץ להשתמש במתחים גבוהים יותר עבור דרישות הספק גבוהות יותר.

דוגמא:

בהנחה שאתם משתמשים ב-3000 וואט-שעה מדי יום ורוצים שיהיה לכם חשמל במשך יומיים של מזג אוויר מעונן, באמצעות סוללת ליתיום 2 וולט (DOD=48, יעילות=0.9):

קיבולת סוללה = (3000 × 2) ÷ (0.9 × 0.9 × 48)

≈ 6000 ÷ 38.88

≈ 154 אה

תזדקק לחבילת סוללות 48V 154Ah (כ-7.4 קילוואט-שעה).

שלב 4: קביעת מפרט הבקר

בקר הפוטו-וולטאית מווסת את תהליך הטעינה מהמודולים הפוטו-וולטאיים לסוללה.

המפרט שלו תלוי בעיקר בזרם הקלט המרבי, המחושב באמצעות הנוסחה הבאה:

הנוסחה:

זרם קלט הבקר = הספק מרבי של מודולים פוטו-וולטאיים ÷ מתח חבילת הסוללה

לדוגמה, אם לפאנלים הפוטו-וולטאיים שלכם יש הספק כולל של 1000 וואט ומתח חבילת הסוללה הוא 48 וולט:

זרם קלט הבקר = 1000 ÷ 48 ≈ 20.8A

לכן, עליך לבחור בקר עם זרם קלט גדול מ-21A, בדרך כלל מסוג MPPT (יעילות גבוהה יותר, יתרון יותר בימים מעוננים).

טיפים מעשיים

1. יש לאפשר מרווח: אורך החיים והיציבות התפעולית של הציוד תלויים בתכנון יתירות מתאים; אין לקבוע את הפרמטרים בצורה נוקשה מדי.
2. MPPT עדיף על PWM: למרות שבקרי MPPT יקרים מעט יותר, הם מציעים יעילות ייצור חשמל גבוהה יותר, במיוחד בתנאי תאורה לא יציבים.
3. תנו עדיפות לסוללות ליתיום-יון: הן קומפקטיות, קלות משקל ובעלות יכולת פריקה עמוקה, מה שמציע חיסכון בעלויות לטווח ארוך.
4. תכנון הרחבה עתידית: אם אתם צופים להוסיף מכשירים נוספים בעתיד, ודאו שיש קיבולת ממשק מספקת הן עבור המערכת הפוטו-וולטאית והן עבור סוללות.

הליבה של תכנון מערכת פוטו-וולטאית קטנה שאינה מחוברת לרשת החשמל טמונה בחישוב מדויק של התצורה על סמך הצרכים בפועל, במקום פשוט "לקנות כמה פאנלים וסוללות" ולסיים את היום.

שלטו ב-4 הנוסחאות האלה:

1. נוסחת הספק מודול פוטו-וולטאי
2. נוסחת הספק ממיר
3. נוסחת קיבולת הסוללה
4. נוסחת זרם קלט הבקר

לאחר מכן ניתן לחשב תצורה עבור מערכת קטנה מחוץ לרשת, שהיא גם מספקת וגם יציבה.

בעת תכנון בפעם הראשונה, ניתן להוסיף מרווח נוסף של 10%-20% בהתבסס על תוצאות הנוסחה, מה שמאפשר גמישות רבה יותר בטיפול בשינויי מזג אוויר ובהרחבת הציוד.