6

ВВЕДЕНИЕ

Производство энергии, как известно, является необходимым средством для существования и развития человечества. В то же время эта отрасль оказывает серьезное воздействие на природу и окружающую человека среду. С одной стороны в быт и производственную деятельность человека настолько твердо вошла тепло- и электроэнергия, что человек даже и не мыслит своего существования без нее и потребляет само собой разумеющиеся ресурсы. С другой стороны, человек все больше и больше заостряет свое внимание на экономическом аспекте энергетики и, как следствие, возникает потребность в экологически чистом производстве электроенергии.

Во второй половине ХХ столетия перед человечеством возникла глобальная проблема - это загрязнение окружающей среды продуктами сгорания органического топлива. Даже если рассматривать отдельно каждую отрасль этой проблемы, то картина будет складываться ужасная. Так же у этой проблемы есть и вторая сторона медали: все ныне используемые источники энергии являются исчерпаемыми ресурсами. То есть, при таких темпах потребления угля, нефти и газа население Земли увязнет в энергетическом кризисе.

Потому ныне перед всеми учеными мира стоит проблема нахождения и разработки новых альтернативных источников энергии. В данной работе будет рассмотрен один из методов перехода к солнечной энергетике, одной из неисчерпаемых и экологически чистых источников энергии.

Целью данного дипломного проекта является разработка электроснабжения офисного здания с помощью солнечных батарей.

Для достижения этой цели необходимо решить ряд задач:

- рассчитать нагрузки;

- выбрать оборудование;

- выбрать место и положение установки оборудования;

- посчитать количество производимой электроэнергии;

- экономически обосновать целесообразность установки таких систем.

В разделе «ОХРАНА ТРУДА» рассматриваются основные мероприятия, необходимые для обеспечения безопасных условий труда при эксплуатации и ремонте электрооборудования.

В разделе «ГРАЖДАНСКАЯ ЗАЩИТА» рассматривается вопрос инженерной обстановки на объекте при чрезвычайных ситуациях.

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

НВИЭ - нетрадиционный возобновляемый источник энергии;

ВИЭ - возобновляемый источник энергии;

ВЭ - возобновляемая энергетика;

ФЭП - фотоэлектрический преобразователь;

КПД - коэффициент полезного действия;

СЭС - солнечная электростанция;

ЭС - электростанция;

СЭ - солнечный элемент;

ЭДС - электродвижущая сила ;

ВАХ - вольтамперная характеристика;

ТММ - точка максимальной мощности;

СБ - солнечная батарея;

АКБ – аккумуляторная батарея;

ЭП – электроприемник.

1. ОБЩАЯ ЧАСТЬ

1.1 Анализ альтернативных источников электроэнергии

Климат нашей планеты определяет солнечная энергия. Потoк ее достаточно существенно меняется на протяжении года в зависимости от широты местности и обуслaвливает климатическую зональность - разницу температур, влажности, давления и ветра на Земле.

Украина расположена в Центрально Восточной Европе, в юго-восточной части Восточноевропейской равнины, между 44° и 52° северной широты и 22° и 41° восточной долготы [4].

В результате обработки статистических метеорологических данных по поступлению солнечной радиации определенны удельные энергетические показатели из поступления солнечной энергии и деление энергетического потенциала солнечного излучения для каждой зоны.

Среднегодовое количество суммарной солнечной радиации, которая поступает на 1 поверхности, на территории Украины находится в границах: от 1000кВтч/в северной части Украины и к 1400кВтч/в АР Крым. Чтобы более детально понять, о чем идет речь, можно эти цифры охарактеризовать так - солнечная энергия, которая реально поступает за три дня на территорию Украины, превышает энергию всего годового потребления электроэнергии в нашей стране. А длительность солнечных часов (не солнечной радиации, а прямого солнечного излучения) в течение года в северо-западной части Украины составляет 1600 - 1700 часов. В лесостепной зоне она растет до 1900 - 2000 часов за год. В степной зоне, на морских побережьях достигает 2300 - 2400 часов за год. Максимальное солнечное сияние в Крымских горах - 2453 часа за год (Караби - Яйла) [5]. Конечно, чем ближе к экватору, тем большее количество солнечных часов в году и в таких странах как Турция, Болгария, Испания, Португалия, Египет и Молдова эффективное использование солнечных систем происходит круглогодично.

Можно констатировать тот факт, что среднегодовой потенциал солнечной энергии в Украине (1235 кВтч/) достаточно высок и намного выше, чем, например, в Германии, - 1000 кВтч//м или даже Польше - 1080 кВтч/. Следовательно, мы имеем хорошие возможности для эффективного использования теплоэнергетического оборудования на территории Украины [6].

Срок «эффективное использование» значит, что гелиоустановка будет работать с отдачей в 50% и больше, а это 9 месяцев в южных областях Украины (с марта по ноября), и 7 месяцев - в северных областях (с апреля по октября). Зимой эффективность работы падает, но не исчезает. Следовательно, и в условиях нашего климата солнечные системы работают круглогодично, правда, только с переменной эффективностью [1].

Для оценки энергетического потенциала солнечной энергии и для установления возможных объемов его практического использования и объемов замещения традиционных топливно-энергетических ресурсов, было проведено деление на три разновидности - общий, технический и целесообразно экономический.

Общий потенциал - это максимально возможно количество энергии, которую получает какая-то конкретная область Украины (рис.1.1).

 Технический потенциал - это частица энергии общего потенциала, которую можно реализовать с помощью современных технических средств. Целесообразно-экономический потенциал - количество энергии, которую целесообразно использовать с целью замещения традиционных топливно-энергетических ресурсов, учитывая при этом следующие факторы: экономический, экологический, технически технологические, социальные и политические. По оценкам целесообразно экономический потенциал солнечной энергии на 2030 г. для производства электроэнергии составляет около 2 млрд. кВтч/год [1].Суммарный годовой потенциал солнечной энергии на территории Украины приведен в таблице 1.1 [1].

Рисунок 1.1- Потенциал солнечной энергии на территории Украины

Таблица 1.1- Суммарный годовой потенциал солнечной энергии на

территории Украины

№ п/п	Области	Потенциал солнечной энергии МВтч/год
		Общий потенциал (´109), МВт	Технический потенциал (´107), МВт	Целесообразно экономический потенциал (´105), МВт
1	Винницкая	30,8	14,8	2,3
2	Волынская	21,8	10,5	1,6
3	Днепропетровская	37,6	18,0	2,8
4	Донецкая	33,0	15,8	2,5
5	Житомирская	32,3	15,5	2,4
6	Закарпатская	15,5	7,5	1,2
7	Запорожская	34,8	16,7	2,6
8	Ивано-Франковская	16,4	7,9	1,2
9	Киевская	31,5	15,5	2,4
10	Кировоградская	28,8	13,8	2,2
11	Луганская	34,0	16,3	2,5
12	Львовская	25,4	12,2	1,9
13	Николаевская	32,5	15,6	2,4
14	Одесская	45,4	21,8	3,4
15	Полтавская	31,9	15,3	2,4
16	Ровенская	21,8	10,5	1,6
17	Сумская	26,0	12,5	2,0
18	Тернопольская	16,3	7,8	1,2
19	Харьковская	35,4	17,0	2,7
20	Херсонская	38,4	18,4	2,9
21	Хмельницкая	24,3	11,6	1,8
22	Черкасская	24,2	11,6	1,8
23	Черновицкая	9,6	4,6	0,7
24	Черниговская	34,2	16,4	2,6
	Всего	718,4	345,1	53,8

Из таблицы видно, что объект, рассматриваемый в данной дипломном проекте и находится в Донецкой области, которая имеет достаточно высокий целесообразно экономический потенциал, равный 2,5, а следовательно, построение системы электроснабжения от солнечной электростанции имеет смысл. 

1.2 Схема подключения фотоэлектрической энергосистемы для здания

Солнечную электрическую энергосистему создают следующие основные элементы: солнечные панели, солнечный инвертер, солнечный контроллер, банк аккумуляторных батарей. Такая схема производства электроэнергии работает в Японии, Америке и Европе. Ее цель - не только обеспечивать электроэнергией жилые дома, школы, предприятия, аэропорты, но и получать значительные доходы, продавая солнечную энергию энергетическим компаниям [6].

Элементы солнечной энергосистемы:

1. Фотоэлектрические панели преобразуют солнечную энергию в электричество.

2. Инвертор преобразует постоянный электрический ток от солнечных батарей в переменный, необходимый для питания электроприборов.

3. Солнечный контроллер - это пульт управления энергетической системой. Контроллер не допускает перегрузки системы или обратного тока в ночное время.

Модули солнечной батареи как правило конструируются для зарядки свинцово-кислотных аккумуляторных батарей с номинальным напряжением 12В. При этом последовательно соединяются 36 солнечных элементов, и далее собираются в модуль. Полученный пакет как правило обрамляют в алюминиевую раму, облегчающую крепление к несущей (опорной) конструкции. Мощность модулей солнечной батареи может достигать 10-300Вт [7].

В случае затенения одного модуля, или части элементов в модуле, в солнечной батарее при последовательном соединении появляется "эффект горячего пятна" - затененный модуль (или элемент) начинает рассеивать всю производимую освещенными модулями (или элементами) мощность, стремительно нагревается и выходит из строя. Для устранения этого эффекта параллельно с каждым модулем (или его частью) устанавливают шунтирующий диод.

Существует две основных схемы подключения фотоэлектрической энергосистемы для здания:

- Автономная солнечная электростанция ( с использованием АКБ);

- Солнечной электростанции, объединенной с промышленной электросетью ( без АКБ, с резервированием от промышленной сети).

Общая схема солнечной электростанции представлена на рисунке 1.2,1.3.

Рисунок 1.2 - Схема автономной солнечной электростанции

Рисунок 1.3 - Схема солнечной электростанции, объединенной с

промышленной электросетью

Опишем основные особенности элементов солнечной электростанции, объединенной с промышленной электросетью.

Регуляторы отбора мощности батареи предназначены для реализации принципа поиска максимума мощности путем коротких периодических изменений положения рабочей точки. Если при этом мощность на выходе прибора возрастает, то положение рабочей точки меняется в этом направлении при последующем шаге. Таким образом, непрерывно оптимизируется нагрузочная характеристика для отбора максимальной мощности, а также обеспечивается возможность регулировки в широком динамическом диапазоне и формирования импульсов тока, способных зарядить аккумуляторную батарею даже в условиях слабой освещенности. Этот достаточно простой алгоритм может быть улучшен запоминанием часто повторяющихся направлений смещения рабочей точки (для устранения шагов смещения в ложных направлениях), что бывает важно в условиях быстро меняющейся освещенности. На выходе регулятора формируются импульсы постоянного тока, ширина и частота следования которых зависят от мощности, производимой солнечной батареей в данный момент. При этом, если рабочее напряжение нагрузки ниже, чем рабочее напряжение модуля, то можно получать большие значения токов в нагрузке, чем ток короткого замыкания батареи. Нужно учитывать, что регуляторы имеют КПД 0,85-0,95 [6].

Аккумуляторы в системе солнечной батареи [8]. Выработанную солнечной батареей энергию можно сохранять в разных формах:

• химическая энергия в электрохимических аккумуляторах;

• потенциальная энергия воды в резервуарах;

• тепловая энергия в тепловых аккумуляторах;

• кинетическая энергия вращающихся масс.

Для солнечных батарей больше подходят электроаккумуляторы, так как солнечные батареи производят, а потребитель потребляет электроэнергию, которая непосредственно и запасается в аккумуляторе.

В большинстве фотоэлектрических систем применяют свинцово-кислотные аккумуляторы. Нужно сразу подчеркнуть, что аккумуляторы специально предназначенные для солнечных батарей (и других подобных систем), существенно отличаются от стартерных автомобильных аккумуляторов, пусть даже имеющих в основе туже технологию.

Главными условиями по выбору аккумуляторов являются:

• стойкость к циклическому режиму работы;

• способность переносить без последствий глубокий разряд;

• низкий саморазряд аккумулятора;

• некритичность к нарушению условий зарядки и разрядки;

• долговечность;

• простота в обслуживании;

• компактность и герметичность (важный критерий для переносных или периодически демонтируемых солнечных батарей).

С целью получения требуемого рабочего напряжения аккумуляторы или аккумуляторные батареи соединяют последовательно. При этом следуют определенным правилам:

• используют аккумуляторы только одного типа, произведенные одним изготовителем;

• эксплуатируют все аккумуляторы одновременно, не делая отводов от отдельных аккумуляторов составляющих аккумуляторную батарею;

• не объединяют аккумуляторы с разницей в дате выпуска более чем на месяц в одну аккумуляторную батарею;

• обеспечивают разницу температур отдельных аккум. не более 3°С.

Ради продления срока службы аккумуляторов при циклическом режиме работы в солнечных батареях важно не допускать глубокого разряда. Уровень разряда характеризуется глубиной разряда, которая выражается в процентах от номинальной емкости аккумулятора. Эксплуатация аккумуляторов при глубоком разряде ведет к их более частой замене и, соответственно, к удорожанию системы. Глубину разряда аккумуляторов солнечных батарей стараются ограничить на уровне 30-40%, что достигается отключением нагрузки (или снижением мощности) либо использованием аккумуляторов большей емкости [9] . Вследствие этого, для управления процессом зарядки и выбора оптимального режима, в состав солнечной электростанции обязательно включают контроллеры зарядки-разрядки аккумуляторной батареи.

Регуляторы зарядки и разрядки аккумуляторов. Стоимость регулятора заряда составляет не выше 5% от стоимости всей системы (однако от качества зарядных регуляторов зависит то, как часто придется менять аккумулятор) [10] .Чтобы предохранить батарею от избыточной разрядки, нагрузка должна быть отключена, когда напряжение батареи опускается ниже напряжения отключения. Нагрузка не должна подключаться до момента, когда напряжение не возрастет до определенного значения (напряжения подключения). Имеются довольно противоречивые стандарты этих значений. Они зависят от конструкции определенных батарей, производственного процесса и срока службы аккумуляторных батарей. В некоторых моделях регуляторов применяется звуковой сигнал, который сообщает пользователю о скором отключении питания.

Чтобы защитить батарею от перезарядки надо ограничить зарядный ток при достижении напряжения завершения зарядки [11]. Напряжение начнет снижаться, пока не достигнет другого порога, называемого напряжением возобновления заряда. Небольшие солнечные электростанции имеют склонность к перепотреблению энергии (а не к перезарядке) вследствие этого допускается перезарядка, и при этом нужно применять более высокое напряжение завершения заряда.

Выше изложенное относится к регуляторам для автономных солнечных электростанций небольшой мощности (до 1кВт). У более мощных системах солнечных батарей функции контроля зарядки и разрядки берет на себя системный контроллер (управляющий также всей системой). Как правило это устройство сопряжено с компьютером (осуществляющим к тому же постоянный мониторинг за работой элементов с записью значений освещенности, температуры, тока и напряжения для дальнейшего анализа).

Солнечный генератор (каким бы сложным и большим он не был) может вырабатывать лишь постоянный ток. К счастью, имеется много потребителей, использующих именно постоянный ток (зарядка аккумуляторов, освещение, радиоаппаратура и т.д.), но потребителей переменного напряжения 220В не меньше. Для преобразования постоянного тока аккумуляторной батареи в переменный синусоидальной формы, нужен инвертор [12].

Инверторы - полупроводниковые приборы. Они могут быть поделены на два типа в соответствии с типом фотоэлектрических систем:

• инверторы для автономных систем солнечных батарей;

• инверторы для сетевого использования.

Выходной каскад у обоих типов во многом похож, а основное отличие в схеме управления. Первый тип имеет генератор частоты, а второй должен работать синхронно с промышленной сетью (и в качестве генератора частоты использует саму сеть).

Для всех типов ключевой параметр – КПД, который должен быть более 90%. Выходное напряжение автономных инверторов, как правило, составляет 220В (50/60 Гц), а в инверторах мощностью 10-100 кВт можно получать трехфазное напряжение 380В. Все автономные инверторы трансформируют постоянный ток аккумуляторных батарей. Вследствие этого входное напряжение выбирается из ряда 12, 24, 48 и 120В. Чем больше входное напряжение, тем проще инвертор и тем выше его КПД [12]. При больших напряжениях существенно меньше потери на передачу энергии от солнечного генератора к аккумуляторной батарее, регулятору зарядки и инвертору, однако при этом усложняется конструкция солнечной электростанции, а также ее эксплуатация при опасных напряжениях (выше 40 В). Важный параметр автономных инверторов - зависимость КПД от мощности подключенной нагрузки. КПД не должен значительно снижаться при подключении нагрузки в десять раз меньшей (по потребляемой мощности), чем номинальная мощность инвертора [13]. Вместе с тем инвертор должен выдерживать перегрузки в выходных цепях (при подключении электродвигателей и прочих динамичных нагрузок). Таким образом, к автономному инвертору предъявляются следующие требования:

• способность переносить без последствий перегрузки (как кратковременные, так и длительные);

• маленькие потери при малых нагрузках и на холостом ходу;

• стабилизация выходного напряжения;

• низкий коэффициент гармоник;

• высокий КПД;

• отсутствие помех на радиочастотах.

Многие фирмы предлагают широкий ассортимент инверторов, специально разработанных для солнечных батарей. Такие инверторы уже имеют блок регулятора отбора максимальной мощности, блок регулятора заряда, а также дополнительный вход подключения дизель-генератора (для экстренной подзарядки аккумуляторной батареи) [11]. К выходному сигналу сетевых инверторов предъявляются наиболее жесткие требования. Для понижения потерь на преобразование такие инверторы работают при высоких входных напряжениях. Поскольку их входные цепи получают питание напрямую от солнечной батареи, инверторы имеют регулятор отбора максимальной мощности (встроенный в инвертор). Сетевые инверторы имеют также блок контроля мощности солнечной батареи (и включаются автоматически, как только мощность солнечной батареи становится достаточной для формирования переменного сигнала).

Попытаемся рассмотреть плюсы и минусы применения автономных источников электроснабжения:

1. Вариант автономного электроснабжения (рисунок 1.4)

2. Вариант электроснабжения с резервом от энергосети (рисунок 1.5)

Рисунок 1.4 - Автономное обеспечение объекта (с аккумуляторами).

Объект питается только от солнечной батареи

Рисунок 1.5- Солнечный фотомодуль (без аккумуляторов) и его

коммутация с сетью

В схеме, представленной на рисунке 1.4, показано исполнение автономной электростанции, которая подразумевает то, что вся нагрузка будет питаться от солнечных батарей, а в ночное время или в пасмурную погоду от аккумуляторных батарей.

В схеме, представленной на рисунке 1.5, общественная электросеть используется вместо аккумуляторов — в нее уходит вся выработанная электроэнергия. Из нее же потребляется электроэнергия для потребителей. Тем самым оплата осуществляется только за разницу между показаниями счетчиков. 

Во втором случае АВР позволяет переключить питание объекта при отсутствии солнечной энергии на электросеть. Эта же схема может использоваться и наоборот – солнечный фотомодуль может служить резервным источником питания.

1.3 Элементы солнечной батареи и их дополнительные компоненты

Модули солнечной батареи наземного применения, как правило, конструируются для зарядки свинцово-кислотных аккумуляторных батарей с номинальным напряжением 12В. При этом последовательно соединяются 36 солнечных элементов, и далее собираются в модуль. Полученный пакет, как правило, обрамляют в алюминиевую раму, облегчающую крепление к несущей (опорной) конструкции. Мощность модулей солнечной батареи может достигать 10-300Вт [7].

Электрические параметры таких модулей отражаются в вольтамперной характеристике, определенной при стандартных условиях (т.е. когда мощность солнечной радиации равняется 1000 Вт/, температура элементов - 25°С и солнечный спектр - на широте 45°) . Точка пересечения кривой с осью напряжения называется напряжением холостого ходаU_х.х., а с осью тока - током короткого замыкания I_к.з. [6].

На этом же графике приведена кривая мощности, получаемой от солнечных элементов в зависимости от нагрузки. Номинальная мощность модуля определяется как наибольшая мощность при стандартных условиях. Значение напряжения, соответствующее максимальной мощности именуется рабочим напряжением U_р, а соответствующий ток - рабочим током I_р. Значение рабочего напряжения для модуля, состоящего из 36 элементов примерно равно 16-17В (0,45-0,47В/элемент) при 25°С. Такой запас по напряжению нужен для того, чтобы компенсировать уменьшение рабочего напряжения при разогреве модуля солнечным излучением. Напряжение холостого хода солнечного модуля мало меняется при изменении освещенности, в то время как ток короткого замыкания прямо пропорционален освещенности. КПД солнечного модуля определяется как отношение максимальной мощности модуля к общей мощности излучения, падающей на его поверхность при стандартных условиях, и составляет 15-40% [6].

Рисунок 1.6 - Вольтамперная характеристика солнечной батареи

С целью получения требуемой мощности и рабочего напряжения модули соединяют последовательно и параллельно. Так получают солнечную батарею. Мощность солнечной батареи всегда ниже, чем сумма мощностей модулей - из-за потерь, обусловленных различием в характеристиках однотипных модулей (потерь на рассогласование). Чем тщательнее подобраны модули в батарее (то есть, чем меньше различие в характеристиках модулей), тем ниже потери на рассогласование. К примеру, при последовательном соединении десяти ФМ с разбросом характеристик 10% потери составляют примерно 6%, а при разбросе 5% - снижаются до 2% [6].

В случае затенения одного модуля, или части элементов в модуле, в солнечной батарее при последовательном соединении появляется "эффект горячего пятна" - затененный модуль (или элемент) начинает рассеивать всю производимую освещенными модулями (или элементами) мощность, стремительно нагревается и выходит из строя. Для устранения этого эффекта параллельно с каждым модулем (или его частью) устанавливают шунтирующий диод. Диод нужен при последовательном соединении более двух модулей. К каждой линейке (последовательно соединенных модулей) также подключается блокирующий диод для выравнивания напряжений линеек. Все эти диоды, как правило, размещаются в соединительной коробке самого модуля.

Вольтамперная характеристика солнечной батареи имеет тот же вид, что и единичного модуля. Рабочая точка батареи, подключенной к нагрузке, не всегда совпадает с точкой максимальной мощности (тем более, что положение последней зависит от условий освещенности и температуры окружающей среды). Подключение таких нагрузок, как, например, электродвигатель, может сдвинуть рабочую точку системы в область минимальной или даже нулевой мощности (и двигатель просто не запустится). Вследствие этого следующий важный компонент солнечной батареи - преобразователи напряжения, способные согласовывать солнечную батарею с нагрузкой.

1.4 Расчет фотоэлектрической системы с аккумулятонрыми батареями.

Расчет системы включает следующие этапы:

1. Определение нагрузки, потребляемой энергии и необходимой мощности инвертора.

2. Определение значения емкости аккумуляторной батареи и их количества.

3. Определение необходимого количества солнечных батарей.

4. Определение энергопотребления и мощности инвертора.

Выполним расчет нагрузок переменного тока и потребляемой энергии. Для этого перечислим всю нагрузку переменного тока с указанием ее номинальной мощности и числа часов работы в неделю. Умножим мощность на число часов работы для каждого прибора и просуммируем получившиеся значения для определения суммарной потребляемой энергии переменного тока в неделю W_пер. Значения мощностей приборов представлены в таблице 1.2.

Таблица 1.2- Нагрузка переменного тока

Нагрузка переменного тока	Pср, кВт	Часов в неделю	кВтч/неделю
Светодиодные лампы	3,28	60	196,56
Лампа ЛД 18	5,50	30	165,11
Кондиционер	36,96	40	1478,40
Компьютер	10,80	40	432,00
МФУ	1,50	40	60,00
Чайник	0,25	5	1,25
Микроволновка	0,09	5	0,47
Холодильник	2,40	100	240,00
Котел	2,40	100	240,00
Лампа эн. Сб.	2,10	60	126,00
Лампа ЛД 36	0,38	60	22,68
Факс	0,004	100	0,40
Плоттер	0,002	60	0,12
Итого	65,67		2962,99

Для расчета требуемого количества энергии W_тр., постоянного тока умножаем получившееся значение суммарной нагрузки переменного тока на коэффициент k=1,2, учитывающий потери в инверторе:

(1.1)

Энергии постоянного тока с учетом потерь в инверторе потребуется:

кВт·ч.

Определяем значение входного напряжения инвертора U_инв. по характеристикам выбранного инвертора. Обычно это 12 или 24 В, для мощных систем 48 В и более. Инвертор выбираем таким образом, чтобы его мощность была выше мощности переменного тока умноженной на k.

Инвертор выбираем по активной мощности Р_инв, для этого разделим значение W_тр. на число часов за неделю, то есть на 7·24=168 ч:

, (1.2)

Вт.

При выборе инвертора для нашей системы мы руководствуемся следующими принципами: простота и надежность конструкции, простота в эксплуатации, невысокая стоимость наряду с такими характеристиками, как высокая точность поддержания частоты и значения выходного напряжения, высокая перегрузочная способность, синусоидальная форма выходного напряжения. При всем этом требуется довольно высокая мощность инвертора, для обеспечения общей нагрузки на инвертор в 21164 кВт. Поэтому предпочтение было отдано инверторам корпорации ABB серии TRIO, а именно инвертору типа TRIO-27.6 паспортные данные которого показаны в таблице 1.3.

Таблица 1.3- Технические данные сетевого инвертора

ABB PowerOne TRIO-27.6-TL-OUTD

Характеристика	Величина
Максимальное входное напряжение, В	1000
Диапазон напряжений MPP, В	500-800
Максимальный входной ток (по входам), А	32 / 32
Номинальное входное напряжение, А	620
Число независимых MPP входов, шт.	2
Номинальная выходная мощность переменного тока, Вт	27600
Номинальное выходное напряжение переменного тока, Вт	400

Продолжение таблицы 1.3

Характеристика	Величина
Максимальный выходной ток, А	45
Диапазон выходных напряжений, В	320-480
Выходная частота переменного тока, Гц	50/60 (+-3)
Количество фаз, шт	3
Максимальный КПД, %	98,2
Размеры (Ш х В х Г) , мм	1061x702x292
Масса, кг	75
Собственное энергопотребление (ночью), Вт	< 0,6
Диапазон рабочих температур, °C	-25...+60
Производитель	Италия
Стоимость, грн	137200

Таким образом, для работы в данной системе принимаем инвертор

ABB PowerOne TRIO-27.6-TL-OUTD, имеющий полную выходную мощность 27,6 кВА, входное напряжение постоянного тока 620 В. Выбор мощности, несколько большей, чем расчетная активная (21,1 кВт), обусловлен необходимостью иметь запас по мощности для обеспечения пусковых токов некоторого оборудования [14].

Число Ампер-часов в неделю , требуемое для покрытия нагрузки переменного тока, определяется по формуле:

, (1.3)

А·ч.

Принимаем, что в доме нет нагрузки постоянного тока W_пост=0.

Суммарная требуемая емкость аккумуляторной батареи, то есть количество А·ч (Ампер-часов), потребляемых в неделю :

, (1.4)

А·ч.

Суточное значение потребляемых ампер-часов , определяется делениемq_нед. на 7 дней:

_{, (1.5)}

А·ч.

1.5 Определение значения необходимой емкости аккумуляторных батареи и их количества

Определяем максимальное число последовательных "дней без солнца" N_бс (то есть, когда солнечной энергии недостаточно для работы нагрузки из-за непогоды или облачности), пользуясь таблицей А.1 (приложение А) и ориентируясь на режим эксплуатации. При круглогодичной эксплуатации фотоэлектрической системы с дублером, в том числе при работе с общей энергосетью, для уменьшения затрат можно выбрать минимально возможное количество дней без солнца – 1. Это обусловлено подзарядкой от резервного источника в любое время. Также принимаем за этот параметр выбранное количество дней, в течение которых аккумуляторные батареи будет питать нагрузку самостоятельно без подзарядки [13].

Принимаем, что максимальное число последовательных "дней без солнца" в связи с круглогодичным режимом работы и использованием общей энергосети, то есть в условиях, когда подзарядка аккумуляторных батарей может осуществляться в любое время суток и в любой день N_бс=1.

Суммарная емкость аккумуляторов , учитывающая количество дней без солнца:

_{, (1.6)}

А·ч.

Задаемся величиной глубины допустимого разряда аккумуляторной батареи 70%. Соответственно коэффициент использования γ=0,7.

Заряд аккумуляторной батареи с учетом глубины разряда :

_{, (1.7)}

Выбираем коэффициент α из таблицы А.2 (приложение А), который учитывает температуру окружающей среды в помещении, где установлены аккумуляторные батареи. Обычно это средняя температура в зимнее время. Коэффициент учитывает уменьшение емкости при понижении температуры.

Выбираем из таблицы А.1 (приложение А) коэффициент, учитывающий температуру окружающей среды в помещении, где установлены аккумуляторные батареи. Если аккумуляторные батареи располагаются в здании, то при 15,6С, α=1,11-температурный коэффициент для аккумуляторной батареи.

Общая требуемая емкость аккумуляторных батарей:

, (1.8)

А·ч.

Номинальное напряжение U_{ном. АКБ} =12 В, емкость q_{ном. АКБ} =200 А·ч.

Разделить общую требуемую емкость батарей q_общ на номинальную емкость выбранной аккумуляторной батареи q_ном и округлить полученное значение до ближайшего большего целого. Это будет количество батарей, соединенных параллельно :

_{, (1.9)}

Разделить номинальное напряжение постоянного тока системы U_инв. на номинальное напряжение аккумуляторной батареи U_{ном. АКБ} (чаще 12 В). Округлить полученное значение до ближайшего большего целого. Результат задаст количество последовательно соединенных батарей :

_{, (1.10)}

_{где Uинв – номинальное, входное напряжение инвертора, В.}

Подсчитать требуемое количество аккумуляторных батарей :

_{, (1.11)}

Выбираем аккумуляторные батареи Sunlight sp12-200, 12в 200 Ач стоимостью 10 793,72 грн. Суммарные капитальные затраты на акб:

_(1.12)

где С – стоимость одной АКБ, грн.

Как показали приведенные расчеты, число полученных АКБ достаточно велико. И капитальные затраты в таком размере нецелесообразны, поэтому мы отказываемся от установки АКБ и переходим к схеме подключения солнечных фотомодулей без аккумуляторов (рис.1.5). Дальнейший расчет ведем без учета батарей.

1.6 Определение необходимого количества солнечных батарей

Для того чтобы определить число пиковых солнце-часов, нужно знать значения среднемесячного поступления солнечного излучения в Мариуполе.

Если солнечные батареи устанавливаются под некоторым углом β к горизонту, то производится перерасчет солнечного излучения с горизонтальной поверхности на наклонную. Значения широты местности, угла наклона солнечных батарей, часового угла захода Солнца для горизонтальной поверхности, часового угла захода Солнца для наклонной поверхности с южной ориентацией, коэффициента пересчета с горизонтальной плоскости на наклонную с южной ориентацией, значения солнечной энергии, поступающей на горизонтальную поверхность, альбедо земной поверхности, среднемесячный коэффициент пересчета прямого солнечного излучения с горизонтальной на наклонную поверхность и число часов солнечного сияния приведены в таблице 1.4.

Расчет производим по среднегодовому количеству пиковых солнце-часов, чтобы уменьшить затраты на фотоэлектрическую систему. Это представляется возможно за счет использования общей энергосистемы в качестве дублера. В теплое время года вырабатываемая энергия может передаваться в общую сеть, а в холодное соответственно забираться[13].

Если солнечные батареи устанавливаются под углом β к горизонту, то среднемесячное дневное суммарное количество солнечной энергии, поступающее на наклонную поверхность Е_н, может быть найдено по формуле:

, (1.13)

где Е – среднемесячное дневное суммарное количество солнечной энергии, поступающей на горизонтальную поверхность;

R – отношение среднемесячных дневных количеств солнечной радиации, поступающей на наклонную и горизонтальную поверхности.

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

_{, (1.14)}

где Е_Р – среднемесячное дневное количество рассеянного солнечного излучения, поступающего на горизонтальную поверхность, кВтч/м²;

– среднемесячная дневная доля рассеянного солнечного излучения, кВтч/м²;

R_п – среднемесячный коэффициент пересчета прямого солнечного излучения с горизонтальной на наклонную поверхность;

β – угол наклона поверхности солнечной батареи к горизонту;

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

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

_{, (1.15)}

где - широта местности, град;

- угол наклона солнечной батареи к горизонту, град;

- склонение Солнца (угол между линией, соединяющей центры Земли и Солнца, и ее проекцией на плоскость экватора) в средний день месяца, град:

_{, (1.16)}

где n – порядковый номер дня, отсчитанный от 1 января (номер среднего расчетного дня для каждого месяца года).

Значение можно взять из таблицы 1.4 [13]

Таблица 1.4 - Угол склонения Солнца

Месяц	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII
n	15	45	75	105	135	165	195	225	255	285	315	345
, град	-23,1	-13,6	-2,4	9,4	18,8	23,3	21,7	14,4	3,4	-8,5	-18,2	-23,1

Часовой угол захода (восхода) Солнца для горизонтальной поверхности определится как:

. (1.17)

Часовой угол захода Солнца для наклонной поверхности с южной ориентацией :

. (1.18)

Выработка электроэнергии солнечной фотоэлектрической батареей (СБ) зависит от угла падения солнечных лучей на СБ. Максимум бывает при угле 90 градусов. При отклонении от этого угла все большее количество лучей отражается, а не поглощается СБ.

Зимой приход радиации значительно меньше из-за того, что дни короче, облачных дней больше, Солнце стоит ниже на небосклоне. Если используете систему только летом, используйте летние значения, если круглый год, используете значения для зимы. Для надежного электроснабжения выбирайте из среднемесячных значений наименьшее для периода, в течение которого будет использоваться ФЭС. [13]

Беря во внимание данные факты, для более рационального использования СБ в нашей системе будут использоваться штативы для батарей с возможностью изменения угла наклона батарей для перехода на зимний или летний период. Выбор оптимального угла наклона будем проводить по среднему значению за периоды года.

Из формулы коэффициента перерасчета с горизонтальной на наклонную поверхность видно, что это коэффициент зависит от угла наклона β, поэтому нужно узнать при каком угле наклона функция примет максимальное значение. Данный расчет выполним в программе MathCad.

Рассмотрим выполнение на примере января месяца. Для этого зададим следующие параметры:

- величину среднемесячной дневной доли рассеянного солнечного излучения, Е_р/Е=0,62 – это отношение рассеянного излучения к полному, среднее за январь месяц;

- коэффициент отражения (альбедо) поверхности Земли и окружающих тел, обычно принимаемый равным ρ = 0,7 для зимы;

- угол между линией, соединяющей центры Земли и Солнца, и ее проекцией на плоскость экватора = -21,3 , град;

- часовой угол захода (восхода) Солнца для горизонтальной поверхности=65;

- часовой угол захода Солнца для наклонной поверхности с южной ориентацией = 69;

- широта местности =47, град;

- условие, по которому определяется оптимальный угол наклона поверхности солнечной батареи к горизонту β, при максимальном R:

- β:=0;

- Given:

;

- β:= Maximize (R, β) = 75.345;

- R(β)=1,997.

Текст программы и пример расчета приведен в приложении Б.

В результате многочисленных проведенных расчетов определены зависимости коэффициента пересчета с горизонтальной плоскости на наклонную от угла наклона поверхности солнечной батареи к горизонту. Для примера, на рис. 1.7 показана зависимость коэффициента пересчета с горизонтальной плоскости на наклонную от угла наклона поверхности солнечной батареи к горизонту в январе для широты местности =47°. Графики зависимостей для остальных месяцев для широты местности=47° представлены в Приложении Б.

Рисунок 1.7 - Зависимость коэффициента пересчета с горизонтальной плоскости на наклонную от угла наклона поверхности солнечной батареи к

горизонту в январе для широты местности =47, град

Таким образом, определим максимальные значения коэффициента пересчета с горизонтальной плоскости на наклонную с южной ориентацией R при угле наклона солнечной батареи к горизонту β. Полученные данные представлены в таблице 1.5.

Таблица 1.5 - Величины оптимальных углов наклона солнечных батарей

Месяц	Угол
Январь	β=750;
Февраль	β=700;
Март	β=560;
Апрель	β=280;
Май	β=160;
Июнь	β=110;
Июль	β=140;
Август	β=230;
Сентябрь	β=380;
Октябрь	β=660;
Ноябрь	β=770;
Декабрь	β=810.

Таким образом, можно сделать следующие выводы. По таблице 1.5 видно, что угол наклона солнечных батарей для холодной поры года (с октября по март) на порядок выше, чем для теплых месяцев. В связи с этим, для оптимизации работы нашей станции целесообразно принять решение об изменении угла наклона панелей при переходе с теплой поры на холодную, и наоборот.

Следовательно, среднее значение по месяцам определится следующим образом:

- теплый период (апрель-сентябрь) β=20⁰;

- холодный период β=75⁰.

Определение пиковых солнце-часов для декабря, в котором среднемесячное значение солнечной радиации города Мариуполь широта 47⁰ , составляет: Р _{сум. изл.}= 50,9 кВтч/м².

Выбранное среднемесячное значение Р _{изл. сум}. для худшего месяца разделим на число дней в месяце. Получаем среднемесячное количество число пиковых солнце-часов i _{пик. часов}, которое будет использоваться для расчета СБ:

Покажем зависимость числа пиковых солнце-часов от месяца года для широты местности =47° на рисунке 1.8.

Рисунок 1.8 - зависимость среднемесячного числа пиковых солнце-часов от месяца года

Результаты расчет числа пиковых солнце-часов для среднего угла наклона г. Мариуполя приведены в таблице 1.6

Таблица 1.6 - Расчет числа пиковых солнце-часов для угла наклона β=75, 20⁰

Месяц	φ, град	β, град			Rп	Прямое излучение кВтч/м2	Рассеянное излучение кВтч/м2	Суммарное излучение кВтч/м2	ρ	R	i
январь	47	75	65	89	3,96	19,34	31,56	50,9	0,7	2,16	3,54
февраль	47	75	75	90	2,45	30,84	46,26	77,1	0,7	1,63	4,49
март	47	75	87	90	1,38	61,82	66,98	128,8	0,7	1,28	5,31
апрель	47	20	100	90	1,16	79,00	59,60	138,6	0,2	1,07	4,96
май	47	20	111	91	1,01	92,80	70,00	162,8	0,2	1,00	5,26
июнь	47	20	117	91	0,95	99,23	58,28	157,5	0,2	0,97	5,09
июль	47	20	115	91	0,97	101,22	45,48	146,7	0,2	0,98	4,65
август	47	20	106	91	1,08	87,38	41,12	128,5	0,2	1,05	4,33
сентябрь	47	20	94	90	1,28	67,78	38,12	105,9	0,2	1,15	4,06
октябрь	47	75	81	90	1,86	47,64	31,76	79,4	0,7	1,66	4,25
ноябрь	47	75	69	89	3,21	21,87	27,83	49,7	0,7	2,03	3,37
декабрь	47	75	63	89	4,54	15,85	25,85	41,7	0,7	2,37	3,18
Сумма								1267,5		Среднее:	4,37

1.7 Выбор солнечных батарей и основного оборудования для варианта электроснабжения с аккумуляторными батареями

Для выбора солнечных батарей, прежде всего, необходимо определить, какой тип целесообразно применять в данном проекте. Существует 3 основных типа солнечных батарей.

Монокристаллические кремниевые пластины являются наиболее эффективными и меньшими по размеру, и следовательно займут меньше места на крыше вашегодома. Но к сожалению монокристаллические солнечные панели и самые дорогие.

Поликристаллические - солнечные батареи из поликристаллического кремния являются довольно эффективным типом солнечных элементов и пожалуй самыми популярными, поскольку обеспечивают превосходный баланс производительности и экономичности. Последние достижения в технологии изготовления поликристаллических панелей передвигают эти модули ближе к монокристаллическим по таким характеристикам как размеры и эффективность. На Европейском рынке в настоящее время в качестве стандарта приняты именно поликристаллические батареи.

Самые дешевые солнечные батареи основаны на тонкопленочном кремнии, они также являются наименее эффективным типом солнечных батарей. Это означает, что они занимают большую площадь, и вырабатывают меньше мощности на квадратный метр, чем предыдущие два типа батарей.

В большинстве случаев, для домашних солнечных энергетических систем рекомендуется использовать качественные поликристаллические солнечные панели.

Прочность и долговечность панелей солнечных батарей имеет важное значение из-за целого ряда причин. Во-первых, если солнечные панели имеют только 10-летнюю гарантию, то они должны производить достаточно энергии, чтобы окупить себя в течение этих 10 лет. Хорошие солнечные панели должны иметь гарантию сроком не менее 25 лет. Покупая, лучше всего выбирать батареи от производителей с известным брэндом, а не какой-то непонятный бренд, который может исчезнуть в одночасье [15].

Выбираем солнечный модуль из чистого кремния украинского производителя «Пролог Семикор» Psm-250, то есть =250 Вт,=24 В, ток в точке максимальной мощности I_mpp = 8,2 А. Площадь солнечной батареи 2,43 м² Модули производятся на промышленном оборудовании в соответствии с требованиями стандартов IEC 61215, IEC 61730. [16].

Для питания инвертора устанавливаем понижающий стабилизатор напряжения и принимаем минимальное напряжение на выходе солнечной батареи = 24 В. Это обеспечит стабильность работы энергосистемы при низких интенсивностях солнечной радиации.

Разделяем значение q_сут. на число пиковых солнце-часов для заданной местности i. В результате получаем значение тока, который должны

генерировать солнечные батареи:

_{, (1.19)}

А.

где - ток, который должны генерировать солнечные батареи;

i - число пиковых солнце-часов.

Общее количество требуемых солнечных батарей :

_{, (1.20)}

где - номинальная мощность солнечных батарей, Вт.

Для определения числа модулей, соединенных последовательно, разделяем напряжение постоянного тока системы U_инв. на номинальное напряжение солнечной батареи (24 В):

_{, (1.21)}

где - минимальное напряжение солнечных батарей, В;

- число последовательно соединенных модулей, шт.

Число модулей, соединенных параллельно:

_{, (1.22)}

где - число параллельно соединенных модулей, шт.

Общее количество требуемых фотоэлектрических модулей:

_{, (1.23)}

Площадь солнечных батарей:

_{, (1.24)}

где - полная площадь солнечных батарей, м²;

- площадь одной солнечной батареи, м².

Здание, электроснабжение которого запланировано в проекте обладает площадью, допустимой для установки солнечных модулей в 555 м² .

Следовательно, выполнить автономное электроснабжение данного объекта с помощью солнечных модулей не представляется возможным.

Рассмотрим вариант подключения солнечный фотомодулей без аккумуляторов и прямой коммутацией с сетью. В этом случае необходимо получение зеленого тарифа для данного объекта.

1.8 Выбор солнечных батарей и основного оборудования для варианта электроснабжения без аккумуляторных батарей

В расчете системы отталкиваемся от количества фотоэлементов, которые возможно расположить на данном здании.

Беря во внимание, что солнце на протяжении почти всего светового дня, а главное во время пиковых солнце часов, будет светить на одну из сторон здания, то мы также установим на нее СЭ, в один ряд поверх окон третьего этажа.

На рисунке 1.9 показано расположение здания относительно солнечной стороны на протяжении дня.

На крыше поместится 6 полос по 24 модуля, с учетом прохода между панелями для их обслуживания и одна полоса на стене, итого 168 модулей.

Число модулей, соединенных последовательно:

.

Число модулей, соединенных параллельно:

Рисунок 1.9 - Солнечная сторона

Общее количество требуемых фотоэлектрических модулей:

Площадь солнечных батарей определим как:

м².

Мощность солнечных элементов:

кВт.

Ток протекающий по элементам:

А.

Суточное значение потребляемых А·ч:

А·ч.

На рисунке 1.10 показан вид здания сверху и места для установки батарей.

Рисунок 1.10 - Расположение модулей

Количество А·ч, потребляемых в неделю

А·ч.

Энергия постоянного тока с учетом потерь в инверторе:

Вт·ч/нед.

Мощность инвертора:

Вт.

По данной мощности выбираем сетевой инвертор ABB Power One

PVI-10.0-TL-OUTD-FS  - комплектация инвертора с выключателем постоянного тока и предохранителем, с характеристиками представленными в таблице 1.7.

Таблица 1.7 - Характеристики сетевого инвертора

Характеристики:	Величина
Максимальное входное напряжение, В	900
Диапазон напряжений MPP, В	300-750
Максимальный входной ток (по входам), А	17 / 17
Номинальное входное напряжение, В	580
Число независимых MPP входов, шт.	2
Номинальная выходная мощность переменного тока, кВт	10
Номинальное выходное напряжение переменного тока, В	400
Диапазон выходных напряжений, В	320-480
Выходная частота переменного тока, Гц	50/60 (+-3)
Максимальный выходной ток, А	16,6
Количество фаз	3
Максимальный КПД	97,8 %
Размеры (Ш х В х Г), мм	716 x 645 x 224
Масса, кг	41
Собственное энергопотребление (ночью), Вт	< 1
Диапазон рабочих температур, °C	-25...+60

Данный сетевой инвертор разработан с учетом особенностей коммерческой выработки солнечной электроэнергии: возможность контроля над производительностью солнечных панелей, особенно в период переменчивых погодных условий.

Инвертор оснащен всеми современными технологиями солнечных инверторов, такими как:

- двойной вход, для возможности объединения с двумя независимыми МРР-треккерами;

- высокоскоростной и эффективный МРРТ (см. приложение В) алгоритм слежки и сбора энергии, работающий в режиме реального времени, повышающий эффективность выработки электроэнергии в любых условиях освещенности;

- возможность контроля над производительностью солнечных панелей, особенно в период переменчивых погодных условий

- бестрансформаторное устройство инвертора обеспечивает высокую эффективность, достигающую 97,8%;

- широкий диапазон входящего напряжения, что позволяет использовать инвертор в системах малой мощности и небольшими батареями последовательно соединенных фотопанелей;

- защищенный герметичный погодоустойчивый корпус позволяет устанавливать инвертор снаружи зданий.

- линейная область высокой эффективности в широком диапазоне мощностей;

- трехфазный выход;

- опционально выключатель постоянного тока предохранитель (-FS);

- система охлаждения с естественной конвекцией, низкий уровень шума;

- отсутствие электрохимических конденсаторов увеличивает срок службы и надежность прибора;

- порт коммутации RS-485 с ноутбуком или системой datalogger.

Технология МPPT заключается в следующем. При использовании обычного зарядного устройства мощность солнечного модуля, в автономных системах, может использоваться не полностью. Примем мощность условного солнечного модуля равной 100Вт. Данная мощность указана производителем с учетом максимального напряжения фотомодуля (напряжение разомкнутой цепи, ок. 18В) и максимального тока (ток короткого замыкания; для данной модели 100/18 = 5,55А). Однако если в автономной системе электроснабжения за вечерний пик потребления и за ночь аккумуляторная батарея полностью разрядилась, то к утру она имеет напряжение 10,5В. Максимальный ток фотомодуля - 5,55А, соответственно мощность, отбираемая батареей от фотомодуля будет равна: 10,5*5,5 = 58Вт. Таким образом, фотомодуль используется всего на 58%. Полностью заряженная батарея имеет напряжение 12,7В, что дает только 12,7*5,55 = 70,5Вт мощности фотомодуля из 100, заявленных производителем.

Производитель вынужден разрабатывать фотомодули с высоким напряжением (ок. 18В) т.к. это напряжение достигается только при максимальной освещенности фотомодуля и стандартной температуре. При облачности и повышении температуры напряжение фотомодуля падает и, в случае отсутствия запаса по напряжению, могло бы падать ниже значений необходимых для заряда аккумулятора.

Для решения выше указанной проблемы были разработаны зарядные устройства с технологией слежения за точкой максимальной мощности (МPPT, Maximum power point tracking).

Суть технологии заключается в том, что контроллер анализирует вольт-амперную характеристику фотомодуля в данных условиях (освещенность и др.) и напряжение аккумуляторного блока. Электроника определяет максимальную мощность фотомодуля в конкретный момент времени и определяет оптимальное значение напряжения, для обеспечения максимального тока заряда аккумулятора.

К примеру, имеем аккумулятор, заряженный до 12В. Зарядное устройство с технологией MPPT получает от вышеописанного условного фотомодуля 18В и 5,55А, понижает напряжение до 12В и получает зарядный ток 8,3А. Таким образом, фотомодуль используется на всю заявленную мощность. Благодаря слежению за максимальной мгновенной мощностью фотомодуля (которая, как известно, зависит от освещенности, погодных и других факторов) и учитывая состояние заряда батарей аккумулятора, происходит преобразование напряжение/ток для оптимального режима заряда и эффективности использования мощности фотомодуля.

Выигрыш использования данной технологии составляет от 20 до 45% по мощности в зимний и, около 10-15% - в летний периоды эксплуатации. [17]

Имвертор разработан с учетом особенностей коммерческой выработки солнечной электроэнергии: возможность контроля над производительностью солнечных панелей, особенно в период переменчивых погодных условий [17].

На рис.1.11 представлена схема инвертора ABB PowerOnePVI-10.0-TL-OUTD-FS.

Рисунок 1.11- Схема инвертора ABB PowerOne PVI-10.0-TL-OUTD-FS

1.8 Выбор кабельных линий.

Сечение жил кабелей цеховой сети выбирают по нагреву длительным расчетным током по условию:

, (1.25)

где расчётный ток, А;

длительно допустимый ток заданного сечения, А.

где номинальная мощность электроприёмника, кВт;

номинальный коэффициент мощности электроприёмника.

Учитывая то, что батареи будут соединены в 24 последовательных группы по 7 параллельно, то мощность для одной из групп равна:

, (1.27)

кВт.

где количество элементов группы, шт;

ток СБ, А;

напряжение СБ, В.

Ток для одной из групп равен:

Ток семи последовательных групп равен:

,

Выбираем кабель с сечением 10 мм².

1.9 Проверка кабелей по потере напряжения

Выполним проверку кабелей по потере напряжения. Потеря напряжения в кабелях не должна превышать от:

(1.27)

номинальный ток электроприемника, А;

длина кабельной линии, м;

погонное активное сопротивление кабеля,

погонное реактивное сопротивление кабеля,

коэффициент мощности электроприёмника.

(1.28)

Кабель такого сечения проверку не проходит, берем кабель сечением

16 мм², его также проверяем по потере напряжения.

Кабель сечением 16 мм² проверку проходит.

1.10 Выбор контроллера заряда, коннекторов, счетчика

Выбираем контроллер заряда для солнечных батарей Y-SOLAR S60A

(12-24V 60А). Данный контроллер устанавливаем на каждую из параллельных групп, для их защиты. Характеристики контроллера заряда представлены в табл.1.8

Особенности контроллера состоят в следующем:

- отображение информации на ЖК дисплее;

- возможность менять параметры;

- разьем USB 5В  до 500mA);

- простое управление кнопками;

- автоматическое определение системы 12 В и 24 В;

- интеллектуальный режим ШИМ заряд;

- автоматическая температурная компенсация;

- защита от перегрузки и от короткого замыкания;

- защита аккумулятора от обратного разряда;

- защита аккумулятора от глубокого разряда;

- защита от переполюсовки при подключении. [18].

Таблица 1.8 - Характеристики контроллера заряда для солнечных батарей

Характеристика	Величина
Тип контроллера	Y-SOLAR S60A 12/24 В
Напряжение, В (автовыбор)	12/24
Напряжение солнечных батарей, В	до 50
Макс. ток на входе, А	60
Максимальный ток на выходе, А	60
Макс. собственное потребление, мА	25
Напряжение подзаряда (float) (устанавливается),В	13,8/27,6
Напряжение повторного подключ. нагрузки автоматически, В	13/26
Напряжение повторного подключения нагрузки вручную, В	12,5/25 В
Защита от низкого напряжения (устанавливается ), В	10,7/21,4
Рабочая температура, °С	-20...+50

Для подключения солнечных батарей принимаем к установке коннекторы типа МС-4.

Для надежного и удобного соединения моделей между собой будем использовать специальный  кабель и разъемы МС-4 для обжима кабеля на концах. Разъемы  разработаны специально для применения в фотоэлектрических станциях и отвечают требованиям всех стандартов в этой отрасли. Конструкция разъемов обеспечивает электробезопасность при случайном воздействии на кабель. Двойная изоляция гарантирует электробезопасность при напряжении в системе до 600 В. Применение специальных материалов при изготовлении кабеля и разъемов обеспечивает долговременную стабильность и стойкость к климатическим воздействиям (влажность, температура, UV-излучение, озон). [19].

Для контроля вырабатываемой и потребляемой из сети мощности используем двунаправленный многотарифный счетчик НИК 2303 с такими функциями:

- измеряет активную и реактивную электрическую энергию;

- установлена защита от хищений энергии (индикация неправильных подключений, обратного направления тока, заниженных и завышенных фазных напряжений);

- усовершенствованная колодка зажимов, обеспечивающая надежность крепления проводов;

- повышенная степень защиты от воздействия постоянных и переменных магнитных полей в соответствии с требованиями СОУ-Н МПЕ 40.1.35.110:2005;

- 2 независимых интерфейса: токовая петля, RS-485 (RS-232, ZigBee) для считывания данных и применения в АСКУЭ;

- технологический запас по классу точности составляет неменее 50 %;

- удобство монтажа (присоединительные размеры и компоновка зажимной платы обеспечивают установку при замене индукционных счетчиков без доработки подключаемых кабельных линий);

- конструкция корпуса соответствует международным стандартам;

- номер в Государственном реестре средств измерительной техники: У2541-11.

1.11 Зеленый тариф, его условия и особенности

В настоящее время в Украине сложилось достаточно благоприятное правовое поле для развития солнечной энергетики – действует относительно высокий зеленый» тариф, который гарантирован государством до 1 января 2030 года. Закон о «зеленом» тарифе (Закон Украины "Про электроэнергетику") является действенным механизмом, стимулирующим привлечение инвестиций в технологии использования возобновляемых источников энергии. Государство гарантирует, что весь объём произведённой электроэнергии из возобновляемых источников будет выкуплен по «зеленому» тарифу. При этом расчеты за электроэнергию производятся в первую очередь с теми производителями, которые используют альтернативные (возобновляемые) источники энергии.

Электроэнергия покупается Оптовым рынком электроэнергии Украины в лице государственного предприятия «Энергорынок». На текущий момент «зеленый» тариф не предусматривает наличие обязательной местной составляющей, т.е. требования, что проекты в своем составе должны иметь определенную законом долю стоимости услуг и материалов украинского происхождения. Закон разрешает устанавливать «зеленый» тариф для отдельных пусковых комплексов и очередей электростанций на возобновляемых источниках. Государство гарантирует инвестору неизменность стимулирующих мер, по сравнению с действующими на момент ввода в эксплуатацию объекта возобновляемой энергетики (например, наземной солнечной электростанции). Смотрите схему "Как получить «зеленый» тариф?"

Ключевые изменения касательно "зеленого" тарифа для солнечных электростанций в Украине с 2015 года состоят в следующем:

1. Ставка «зеленого» тарифа для солнечных электростанций промышленного назначения: построенных в 2016 году — 0,16 евро за кВт-ч; построенных в 2017-2019 годах — 0,15 евро за кВт-ч.

2. «Зеленый» тариф для крышных солнечных электростанций составит: построенных в 2016 году — 0,172 евро за кВт-ч; построенных в 2017-2019 годах — 0,163евро за кВт-ч.

3. Отменено обязательное требование о «местной составляющей» при строительстве солнечных электростанций.

4. Установлена надбавка к «зеленому» тарифу при использовании «местной составляющей», в размере от 5% до 10% в случае применения в проекте 30% или 50% украинских комплектующих, соответственно. Украинское происхождение элементов местной составляющей подтверждается сертификатом происхождения, выданным в установленном порядке Торгово-промышленной палатой Украины или уполномоченным органом иностранного государства для товаров, которые импортируются. Для строительных работ украинское происхождение подтверждается выпиской из Единого государственного регистра юридических лиц и физических лиц-предпринимателей подрядчиков, выполнявших эти работы, или генерального подрядчика работ.

5. «Зеленый» тариф будет привязан к курсу валют EUR/UAH как для промышленных, так и для частных солнечных электростанций.

6. Максимальная мощность частных солнечных электростанций для получения «зеленого» тарифа увеличена до 30 кВт. [21].

На рисунке 1.12 показана пошаговая инструкция для получения зеленого тарифа.

Рисунок 1.12 – Пошаговая схема получения зеленого тарифа

1.12 Экономическое обоснование проекта гелиосистемы с

фотоэлектрическими преобразователями

Расчет капитальных вложений.

По исходным данным, исходя из рассчитанной мощности системы и необходимого количества оборудования, а также оценки строительно-монтажных издержек, составляем таблицу 1.9, в которую вносим необходимые капитальные затраты.

Таблица 1.9 - Капитальные вложения в первый год работы проекта

Наименование	Количество, шт.	Стоимость единицы, грн.	Общая стоимость, грн.
Сетевой инвертор ABB PowerOne PVI-10.0-TL-OUTD-FS	1	78000,00	78000,00
Солнечный модуль PSm-250Вт	168	6000,00	10080000,00
Комплекты крепления для плоской крыши на 24 модуля	7	37 846,00	264922,00

Продолжение таблицы 1.9

Наименование	Количество, шт.	Стоимость единицы, грн.	Общая стоимость, грн.
Кабель IBC FlexiSun 1x16mm² PV1-F	300	102,00	30600,00
Контроллер заряда для солнечных батарей Y-SOLAR S60A (12-24V 60А)	24	2061,00	49464,00
Комплект коннекторов МС4	168	140,00	23520,00
Счетчик электроэнергии двунаправленный многотарифный НИК 2303	1	2900,00	2900,00
АВР-09-85-У3	1	999,00	999,00
АВ2000 3Р С 16А	1	235,00	235,00
Короб для кабеля	300	3,38	1014,00
Установка, % от стоимости оборудования	7	1579160	102089,00
Общая стоимость оборудования			1458420,00
		Итого:	1560509,00

Капитальные вложения осуществляются один раз во время внедрения проекта, а также каждый год для поддержания его работоспособности (капитальный ремонт, текущий ремонт).

Капитальные вложения в 1 год работы проекта определяем по формуле:

, (1.29)

где C_i – стоимость единицы i-оборудования;

N_i – количество i-оборудования.

Расчет ведем для каждой i-ой строки таблицы 1.9.

Капитальные вложения в последующие годы работы проекта для осуществления плановых ремонтов определяем по формулам:

, (1.30)

, (1.31)

где k_n = 0,01 для текущего ремонта;

k_c = 0,05 для капитального ремонта.

Капитальный ремонт проводим каждый 10 год работы проекта. Текущий ремонт – каждый год.

Расчет производственных затрат. Для расчета производственных затрат оцениваем количество обслуживающего персонала и его заработную плату. Данные по заработной плате взяты с сайта Мариупольского городского совета. Данные расчета производственных затрат за 1 год работы системы представлены в табл. 1.10.

Таблица 1.10 - Производственные затраты за 1 год работы системы

Зарплата персонала	Количество человек	Средняя заработная плата 1 человека, грн.	Фонд оплаты труда, грн.
	1	3550	42600
		Итого:	42600

Расчет производственных доходов и замещения сетевой электроэнергии.

Для расчета энергии, которую мы потребляем из сети проводим расчет нагрузки методом расчетного коэффициента. Данный метод расчета позволяет определить электричес­кие нагрузки ЭП напряжением до 1000 В.

Расчет ведем на примере светодиодных ламп.

Алгоритм расчета:

1. Номинальная мощность электроприёмника ;

2. Количество электроприемников, ;

3.По справочнику определяем величину коэффициента использования , а так же;

4.Находим мощность группы ЭП так:

, (1.31)

,

где – номинальная мощностьi-того электроприемника, Вт; n – количество электроприемников, шт; - суммарная мощность группы электроприемников, Вт.

5.Определяем среднюю (активную и реактивную) мощности данной группы электроприемников:

, (1.32)

, (1.33)

,

.

6. Найдём значение величины

.

Аналогичный расчет выполняем для всех остальных видов приемников. Полученные данные сводим в таблицу 1.11.

7.Определяем суммарную мощность

8.Эффективное число электроприемников:

9.Средневзвешенный коэффициент использования:

Расчётный коэффициент определяется в зависимости от значений . Значение определяется для распределительного шинопровода имеем:

При

10.Расчётные значения для групп электропиёмников

где - расчетная активная мощность, кВт;

- расчетная реактивная мощность, квар;

- полная расчетная мощность, кВА;

- расчетный ток, А.

11. Потребляемая энергия равна:

Для расчета доходов и замещения топлива, определяем стоимость произведенной электроэнергии, включая ту энергию, которая была отдана в сеть. Результаты расчета представлены в табл. 1.11.

Таблица 1.12 - Производственные доходы за 1 год работы системы

Электроэнергии	Количество электроэнергии, кВтч	Стоимость 1 кВтч, грн	Стоимость электроэнергии, грн
Продано	70445,0	4,64	326864
Куплено	11032,6	1,45	15997
Разность		Итог:	310867

Разница между проданной и купленной электроэнергией составляет

P_i =310867 грн.

Расчет срока окупаемости системы без дисконтирования финансовых потоков.

Определяем срок окупаемости системы без учета капитальных ремонтов каждые 10 лет работы:

, (1.36)

где K₁ – капитальные затраты в первый год работы системы;

K – капитальные затраты в последующие годы работы системы;

P – доходы от производства за 1 год работы.

Данные расчеты приведены для случая, когда вся нагрузка включена. С учетом того, что в зимнее время кондиционеры не работают, а они потребляют половину нагрузки, время окупаемости может уменьшиться. Также с учетом того, что заработная плата рабочих может изменяться, а также могут измениться цены на оборудование к моменту покупки, появление непредвиденных затрат и т. д. могут увеличить время окупаемости, поэтому можно говорить, что срок окупаемости СЭС может варьироваться от 5 до 8 лет.

Таблица 1.11 – Расчет электрических нагрузок здания

Наименование ЭП	к-во								n∙Pн2
Светодиодные лампы	52,00	0,15	7,80	0,42	0,95	0,33	3,28	1,08	1,17
Лампа ЛД 18	728,00	0,02	13,10	0,42	0,95	0,33	5,50	1,81	0,24
Кондиционер	32,00	3,50	112,00	0,33	0,75	0,88	36,96	32,60	392,00
Компьютер	54,00	0,25	13,50	0,80	0,70	1,02	10,80	11,02	3,38
МФУ	12,00	0,50	6,00	0,25	0,70	1,02	1,50	1,53	3,00
чайник	10,00	2,00	20,00	0,01	0,80	0,75	0,25	0,19	40,00
Микроволновка	5,00	1,50	7,50	0,01	0,80	0,75	0,09	0,07	11,25
Холодильник 6	8,00	0,30	2,40	1,00	0,85	0,62	2,40	1,49	0,72
Котел	1,00	24,00	24,00	0,10	0,90	0,48	2,40	1,16	576,00
Лампа эн. Сб.	25,00	0,20	5,00	0,42	0,95	0,33	2,10	0,69	1,00
Лампа ЛД 36	25,00	0,04	0,90	0,42	0,95	0,33	0,38	0,12	0,03
Факс	2,00	0,10	0,20	0,02	0,85	0,62	0,00	0,00	0,02
Плоттер	1,00	0,10	0,10	0,02	0,85	0,62	0,00	0,00	0,01
Итого	955,00	32,65	212,50	0,31	0,79	0,79	65,67	51,76	1028,8	43,89	1,00	65,67	51,76	83,61	120,6

1.13 Выбор выключателя переменного тока

Выбор выключателя производится по таким параметрам:

- по напряжению установки:

, (1.37)

- по току:

(1.38)