Расчёт фотоэлектрической системы

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Кафедра Электроэнергетики и электротехники

 

Андреев Александр Андреевич

Курс 2 группа ЭЭ-б-о-181

РАСЧЁТНО-ГРАФИЧЕСКАЯ РАБОТА

По дисциплине «Солнечные электроэнергетические установки»

 

 

Отметка о зачете___________________ _______________

(дата)

Руководитель___________ ___________ _______________

(должность) (подпись) (Ф.И.О.)

 

Расчёт параметров солнечной батареи.

Вариант 1

Задача 1

Дано: Решение:

I_Э = 0,5 А; U_б = U_Э ∙ N_ПС; U_б = 100 ∙ 0,4 = 40 В;

U_Э = 0,4 В; I_б = I_Э ∙ N_ПР; I_б = 100 ∙ 0,5 = 50 А;

N_ПС = 100; P_б = U_б ∙ I_б = 40 ∙ 50 = 200 Вт;

N_ПР = 100; Ответ: U_б = 40 В; I_б = 50 А; P_б = 200 Вт.

I_б -?

U_б -?

P_б -?

Задача 2

Дано: Решение:

U_Э = 0,5 В; U_б = U_Э ∙ N_ПС => ;

P_Э = 0,2 Вт; P_б = P_Э ∙ N_ПС ∙ N_ПР =>

U_б = 120 В; P_б = U_б ∙ I_б => А;

P_б = 1000 Вт I_б = I_Э ∙ N_ПР => А;

N_ПС -? Ответ: N_ПС = 240, N_ПР = 21, I_б = 8,3 А, I_Э = 0,4 А.

N_ПР -?

I_Э -? I_б -?

Расчёт фотоэлектрической системы

1. Исходные данные для расчёта.

Вариант	Место строительства	Режим работы	Эл. Оборудование, №/количество	Угол установки СБ, град
~ тока	= тока
	АР Крым	С сетью круглогодично	1, 3, 5, 7, 10/2, 13, 14, 15, 16, 21, 22/2, 24/2, 25/3, 27	-

 

1.1 Объект строительства

 

 

1.2 Среднемесячные и среднегодовые суммы поступления прямой (I), рассеянной (II) и суммарной (III) солнечной радиации на горизонтальную поверхность, кВт∙ч/м²

Месяцы	АР Крым
I	II	III
Январь	15,13	24,44	39,57
Февраль	20,95	31,43	52,38
Март	47,72	51,22	98,94
Апрель	77,99	59,36	137,35
Май	96,61	73,33	169,94
Июнь	123,38	69,84	193,22
Июль	145,50	66,35	211,85
Август	123,30	57,04	180,42
Сентябрь	87,30	48,89	136,19
Октябрь	59,30	38,41	97,77
Ноябрь	22,12	27,94	50,06
Декабрь	11,64	20,95	32,59
Год	831,08	569,20	1400,28

 

 

1.3 Электрическое оборудование, установленное в данном объекте, и его мощность.

№	Потребитель	Мощность, Вт
	Микроволновая печь
	Холодильник
	Кофемолка
	Блендер
	Телевизор
	Пылесос
	Фен
	Стиральная машина
	Утюг
	Насос
	Музыкальный центр
	Вытяжка
	Вентилятор
	Бритва

 

2. Проведем расчёт освещения по методу удельной мощности (Для удобства оформления все результаты будут заноситься в соответствующую таблицу).

2.1 Определим требуемую освещенность для данного объекта.

	Помещение	Площадь помещения F, м2	Требуемая освещенность Е, лк
1 этаж	1. Прихожая	5,2
2. Гостиная	22,5
3. Кухня	13,1
4. Котельная	6,1
5. Терраса	12,4
6. Туалет	1,7
7. Вестибюль	2,2
8. Комната	3,7
2 этаж	9. Холл	6,1
10. Ванная
11. Спальня 1
12. Спальня 2	17,6
13. Балкон	4,3
14. Гардероб	6,6
Второй свет	-	-

 

2.2 Определим требуемую удельную мощность при освещении лампами накаливания для каждого помещения.

Помещение

Pуд, Вт/м2

 

2.3 Найдем удельную мощность для требуемого уровня освещенности по формуле:

Помещение
Pуд, Вт/м2
Е, лк
, Вт/м2	8,5			3,4			4,8		8,5	8,5		28,5		12,75

 

2.4 Определим требуемую мощность ламп по формуле:

Помещение
Вт/м2	8,5			3,4			4,8		8,5	8,5
F, м2	5,2	22,5	13,1	6,1	12,4	1,7	2,2	3,7	6,1
Pтр, Вт/м2	44,2		353,7	20,74	669,6	13,6	10,56	88,8	51,85	42,5

 

Помещение
Вт/м2	28,5		12,75
F, м2	17,6	4,3	6,6
Pтр, Вт	501,6	73,1	84,15

 

2.5 Подберем лампы необходимой мощности (согласно ГОСТ 2239-79 «Лампы накаливания общего назначения») и определим требуемое количество.

Помещение	Pтр, Вт	Pлампы, Вт	Тип лампы	N, шт.
	44,2		B215-225-25
			БК215-225-75-1
	353,7		БК215-225-75-1
	20,74		В215-225-25
	669,6		БК215-225-75-1
	13,6		В215-225-25
	10,56		В215-225-25
	88,8		БК215-225-60-1
	51,85		БК215-225-60-1
	41,5		БК215-225-60-1
			БК215-225-75-1
	501,6		БК215-225-75-1
	73,1		БК215-225-75-1
	84,15		БК215-225-60-1

 

 

2.6 Определим суммарную мощность ламп Вт, а также суммарную энергию, расходуемую ими за день , Вт∙ч (где t – время работы лампы в день).

Помещение	Pлампы, Вт	N, шт.	, Вт	t, ч	Вт∙ч
Итого:

 

 

3. Определение энергопотребления и мощности инвертора

3.1 Перечислим всю нагрузку переменного тока с указанием ее номинальной мощности и числа часов работы в неделю.

№	Нагрузка	P, Вт	t, ч/неделя	Wобщ, Вт∙ч/неделя
	Освещение
	Микроволновая печь
	Холодильник
	Кофемолка		3,5
	Блендер		1,75
	Телевизор 1
	Телевизор 2
	Пылесос		3,5
	Фен		1,3
	Стиральная машина
	Утюг
	Насос
	Музыкальный центр 1
	Музыкальный центр 2
	Вытяжка 1		7,5
	Вытяжка 2		7,5
	Вентилятор 1
	Вентилятор 2
	Вентилятор 3
	Бритва		1,16	17,4
			Итого:	177387,4

3.2 Посчитаем требуемое количество энергии постоянного тока с учетом потерь в инверторе.

Вт∙ч/неделя.

3.3 Графики распределения мощности (Ось абсцисс – время суток. Ось ординат – Мощность, Вт):

Будние дни:

Выходные дни:

3.4 Максимальная мощность, требуемая для работы оборудования объекта P = 6330 Вт. Для системы с такой мощностью целесообразно будет использовать Инвертор MAP-DOMINATOR-48-15.

Номинальная выходная мощность – 10 кВт;

Максимальная выходная мощность – 15 кВт;

Пиковая выходная мощность – 19 кВт;

Максимальный рабочий ток реле переключения – 100 А;

Выходное напряжение переменного тока (50 Гц) – 220 В;

Номинальное входное напряжение – 48 В;

Максимальная эффективность – до 96%;

Собственное потребление без нагрузки – не более 24 Вт;

Встроенный контроллер заряда;

Встроенный АВР;

Необходимое количество – 1.

Источник: https://www.solnechnye.ru/invertory-220v/map-dominator-48-15-48V-90A-15kW-220V.htm#prettyPhoto.

3.5 Определим число А∙ч/неделя, требуемое для покрытия нагрузки переменного тока:

А∙ч/неделя.

3.6 Т. к. в системе нет нагрузки постоянного тока, то А∙ч/неделя.

3.7 Определим суточное значение потребляемых А∙ч:

А∙ч.

4. Определение значения необходимой емкости аккумуляторной батареи и их количества.

4.1 Т. к. система работает с общей энергосетью круглогодично, то принимаем значение последовательных «дней без солнца» N_бс = 1.

4.2 Суммарная емкость аккумуляторов с учетом количества дней без солнца: А∙ч.

4.3 Примем допустимую величину разряда АКБ равной γ = 0,5.

4.4 Заряд аккумуляторной батареи с учетом глубина разряда:

A∙ч.

4.5 Для дальнейших расчётов используем коэффициент α = 1,19, соответствующий средней температуре в зимнее время на территории АР Крым.

4.6 Общая требуемая емкость аккумуляторных батарей:

А∙ч.

4.7 Для данной системы будет целесообразно использовать Аккумуляторную батарею HRL12-140.

Тип аккумулятора: AGM;

Номинальное напряжение – 12 В;

Номинальная емкость – 140 А∙ч;

Внутреннее сопротивление – 3,8 мОм;

Срок службы: 10 – 12 лет.

Источник: https://www.solnechnye.ru/akkumulyatory/akkumulyatornaya-batareya-Delta-HRL12-140.htm

4.8 Определим количество АКБ, которые необходимо соединить параллельно для достижения необходимой суммарной емкости:

шт.

4.9 Определим количество АКБ, которые необходимо соединить последовательно для достижения суммарного напряжения равного номинальному напряжению постоянного тока системы:

шт.

4.10 Общее требуемое количество АКБ:

шт.

5. Определение необходимого количества солнечных батарей.

5.1 Определим число пиковых солнце-часов.

Широта местности АР Крым φ = 45^о;

Угол наклона солнечной батареи к горизонту (исходные данные) β = 30^о;

Значение склонения Солнца в средний день месяца δ, град возьмем из следующей таблицы:

Месяц	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII
n
δ, град	-20,9	-13	-2,4	9,4	18,8	23,1	21,2	13,5	2,2	-9,6	-18,9	-23

 

5.1.1 Часовой угол захода (восхода) Солнца для горизонтальной поверхности определяем по формуле:

5.1.2 Часовой угол захода Солнца для наклонной поверхности с южной ориентацией определяется по формуле:

5.1.3 Среднемесячный коэффициент пересчета прямого солнечного излучения с горизонтальной на наклонную поверхность:

Месяц	φ, град	β, град	ωз, град	ωзн, град	Rп
Январь			67,55	84,13	1,48
Февраль	76,65	86,45	1,41
Март	87,6	89,36	1,37
Апрель	99,53	92,54	1,38
Май	109,9	95,23	1,43
Июнь	115,25	96,56	1,48
Июль	112,82	95,97	1,46
Август	103,89	93,69	1,4
Сентябрь	92,2	90,59	1,37
Октябрь	80,26	87,4	1,39
Ноябрь	69,98	84,74	1,46
Декабрь	64,88	83,47	1,51

 

5.1.4 Коэффициент пересчета с горизонтальной плоскости на наклонную с южной ориентацией равен сумме трех составляющих, соответствующих прямому, рассеянному Е_р и отраженному Е солнечному излучению:

где ρ – коэффициент отражения поверхности Земли и окружающих тел, обычно принимаемый равным 0,7 для зимы и 0,2 для лета.

5.1.5 С помощью коэффициента R определим среднемесячное дневное суммарное количество солнечной энергии, поступающее на наклонную поверхность: кВт∙ч/м².

5.1.6 Далее с помощью полученного значения находим значение пиковых солнце-часов в день для заданной местности: где n – число дней месяца.

Оформим результаты вычислений в таблице:

Месяц	n	Rn	Es	Ed	E	ρ	R	Eн	i
Январь		1,48	15,13	24,44	39,57	0,7	1,19	47,04	1,52
Февраль		1,4	20,95	31,43	52,38	0,7	1,17	61,25	2,19
Март		1,37	47,72	51,22	98,94	0,7	1,19	117,72	3,8
Апрель		1,38	77,99	59,36	137,35	0,2	1,2	164,73	5,49
Май		1,43	96,61	73,33	169,94	0,2	1,23	209,16	6,75
Июнь		1,48	123,38	69,84	193,22	0,2	1,3	250,47	8,35
Июль		1,46	145,5	66,35	211,85	0,2	1,31	276,8	8,93
Август		1,4	123,3	57,04	180,42	0,2	1,26	227,87	7,35
Сентябрь		1,37	87,3	48,89	136,19	0,2	1,22	166,68	5,56
Октябрь		1,39	59,3	38,41	97,77	0,7	1,26	122,86	3,96
Ноябрь		1,46	22,12	27,94	50,06	0,7	1,21	60,61	2,02
Декабрь		1,51	11,64	20,95	32,59	0,7	1,19	38,63	1,25
						Среднее:	4,76

 

где: E_s – прямое излучение, кВт∙ч/м²; E_d – рассеянное излучение, кВт∙ч/м²; E – суммарное излучение, кВт∙ч/м².

5.2 Для данной системы целесообразно использовать солнечные батареи SM 200-24 P:

Поликристаллическая;

Номинальная мощность – 200 Вт;

Номинальное напряжение – 24 В;

Ток в точке максимальной мощности – 5,48 А;

Площадь – 1,3167 м²;

Источник: https://www.solnechnye.ru/batareya/solnechnaya-batareya-Delta-SM-200-24P-200W-24V.htm#prettyPhoto

5.3 Учтем потери на заряд-разряд аккумуляторной батареи:

А∙ч;

5.4 Определим значение тока, который должны генерировать солнечные батареи:

A;

5.5 Определим число модулей, которые необходимо соединить параллельно для достижения необходимого значения генерируемого тока I^СБ:

шт.

5.6 Определим число модулей, которые необходимо соединить последовательно для достижения необходимого значения напряжения, равного напряжению постоянного тока системы:

шт.

5.7 Общее количество необходимых фотоэлектрических модулей:

шт.

5.8 Определим суммарную занимаемую площадь:

м².

6. Расчёт капитальных вложений и сроков окупаемости.

6.1 Проведем расчёт капитальных вложений. Для удобства будем использовать таблицу:

Наименование оборудования	Количество	Стоимость единицы, руб.	Общая стоимость K1, руб.	Стоимость текущего ремонта Kfn, руб.	Стоимость капитального ремонта Kfc, руб.
Солнечные батареи		8 940	536 400	5 364	10 728
Аккумуляторы		28 950	1 273 800	12 738	25 476
Инвертор		186 800	186 800	1 868	3 736
Монтажные работы			399 400
Итого:	2 396 400	19 970	39 940

 

Стоимость текущего K_fn ремонта и капитального K_fc ремонта определяется по формулам:

где K_n = 0,005 – 0,01;

где K_c = 0,01 – 0,02.

 

 

6.2 Для расчёта производственных затрат и сроков окупаемости необходимо определить фактическое количество вырабатываемой СЭУ энергии.

6.2.1 Найдем данные о количестве солнечных часов в день в разные месяцы:

Месяц

I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

IX

X

XI

XII

Число дней, n

Число часов в день, T

 

6.2.2 Определим дневное суммарное количество солнечной энергии, поступающее на наклонную поверхность в день:

Месяц	N, дней	T, час	Eн, кВт∙ч/м2	Ен’, Вт/м2
Январь			47,04	252,88
Февраль			61,25	364,60
Март			117,72	542,49
Апрель			164,73	686,38
Май			209,16	843,38
Июнь			250,47	834,91
Июль			276,80	892,91
Август			227,87	735,05
Сентябрь			166,68	694,50
Октябрь			122,86	495,39
Ноябрь			60,61	288,64
Декабрь			38,63	207,71

6.2.3 Определим теоретическую суммарную мощность солнечных батарей и теоретическую суммарную вырабатываемую энергию в месяц:

Вт;

6.2.4 Определим фактическую суммарную мощность солнечных батарей и фактическую суммарную вырабатываемую энергию в месяц:

Месяц	Вт/м2	Вт/м2	Wтеор, Вт∙ч	Wфакт, Вт∙ч
Январь	252,88	3034,53	2 232 000	564 422,1
Февраль	364,60	4375,19	2 016 000	735 031,2
Март	542,49	6509,94	2 604 000	1 412 657
Апрель	686,38	8236,61	2 880 000	1 976 788
Май	843,38	10120,53	2 976 000	2 509 891
Июнь	834,91	10018,88	3 600 000	3 005 663
Июль	892,91	10714,94	3 720 000	3 321 632
Август	735,05	8820,59	3 720 000	2 734 384
Сентябрь	694,50	8334,03	2 880 000	2 000 166
Октябрь	495,39	5944,66	2 976 000	1 474 275
Ноябрь	288,64	3463,67	2 520 000	727 370,8
Декабрь	207,71	2492,51	2 232 000	463 606,4
Итого:	20 925 886

 

6.2.5 Определим КИУМ:

 

 

Месяц	Вт/м2	Вт/м2	КИУМ
Январь		3034,53	0,25
Февраль	4375,19	0,36
Март	6509,94	0,54
Апрель	8236,61	0,69
Май	10120,53	0,84
Июнь	10018,88	0,83
Июль	10714,94	0,89
Август	8820,59	0,74
Сентябрь	8334,03	0,69
Октябрь	5944,66	0,50
Ноябрь	3463,67	0,29
Декабрь	2492,51	0,21

 

 

6.3 Определим количество энергии, которое необходимо закупать из сети, и количество замещенной сетевой энергии:

Вт∙ч;

где: n_н – число недель в году, 52; n_м – число месяцев в году, 12.

Месяц	Вт∙ч	Вт∙ч	W, Вт∙ч
Январь, I	922414,5	564422,1	357992,3
Февраль, II	922414,5	735031,2	187383,3
Март, III	922414,5	1412656,9	-490242,4
Апрель, IV	922414,5	1976787,5	-1054373,1
Май, V	922414,5	2509890,9	-1587476,5
Июнь, VI	922414,5	3005662,8	-2083248,3
Июль, VII	922414,5	3321631,9	-2399217,4
Август, VIII	922414,5	2734383,8	-1811969,3
Сентябрь, IX	922414,5	2000166,3	-1077751,9
Октябрь, X	922414,5	1474274,9	-551860,4
Ноябрь, XI	922414,5	727370,8	195043,7
Декабрь, XII	922414,5	463606,4	458808,03

 

В данной таблице: положительные значения – количество электроэнергии, которое необходимо закупать из сети: W_закуп = W_I + W_II + W_XI + W_XII = 1199,2 кВт∙ч.

Отрицательные значения – излишки вырабатываемой энергии (количество замещенной электроэнергии): W_замещ = W_III + W_IV + W_V + W_VI + W_VII + W_VIII + W_IX + W_X = 11056,14 кВт∙ч.

 

 

6.4 Расчёт производственных затрат:

Количество электроэнергии, кВт∙ч	Стоимость кВт∙ч (по тарифу КрымЭнерго), руб.	Стоимость электроэнергии, руб.
1199,2	5,03	6032,1

 

6.5 Расчёт замещения сетевой электроэнергии:

Количество электроэнергии, кВт∙ч	Стоимость кВт∙ч (по тарифу КрымЭнерго), руб.	Стоимость электроэнергии, руб.
11056,1	5,03	55612,38

 

6.6 Расчёт срока окупаемости системы без дисконтирования финансовых потоков.

Определяем срок окупаемости системы без дисконтирования финансовых потоков:

года

Уточняем значение времени окупаемости с учётом ремонтов и замены оборудования при прекращении срока эксплуатации:

год.