Стъпка 1: Точна оценка на натоварването и прогнозиране на енергийната консумация

Анализ на моделите на консумация за оптимизация на хибридните слънчеви системи и системите за съхранение на енергия

Получаването на ясна представа за дневното енергийно потребление е изключително важно. Анализът на предишните показатели за потребление помага да се идентифицират дневните и сезонните тенденции, с които всички се сблъскваме. Следобедните часове обикновено са периодът, когато повечето системи започват сериозно да увеличават разходите, тъй като търсенето рязко нараства. Вземете за пример търговските сгради — според доклада на Института Понемон за прекъсванията в центровете за обработка на данни миналата година техните енергийни нужди обикновено нарастват с 30–50 % през следобедните часове. Познаването на тези модели ни позволява да преценим дали е по-целесъобразно веднага да използваме собствената си слънчева енергия или да изчакаме и по-късно да използваме енергията от батериите. Следете също така и конкретните уреди, които консумират електричество. Отоплителните, вентилационните и климатичните инсталации, както и различните видове промишлено оборудване, представляват основната част от енергийното потребление при търговските дейности. Детайлизирането на тези аспекти предотвратява закупуването на прекалено големи системи от необходимото, като в същото време гарантира, че ключовите компоненти ще останат захранени дори при неочаквано прекъсване на електроснабдяването някъде.

Основни принципи за размериране: съгласуване на производството на слънчева енергия, капацитета на батерията и номиналната мощност на инвертора с профилите на натоварването

Точно размериране изисква три съгласувания:

• Слънчевите масиви трябва да компенсират годишното потребление, като се вземат предвид регионалната инсоляция и загубите в системата от 14–18 %
• Капацитетът на батерията зависи от часовете автономност — продължителността на резервното захранване, необходима при прекъсвания в мрежата
• Номиналната мощност на инвертора трябва да надвишава пиковото натоварване с 20–25 %, за да се компенсират върховете при стартиране на електродвигатели

Търговски магазин с дневно потребление 40 kWh и пикови натоварвания 8 kW има нужда от:

• 10 kW слънчев масив (при допускане на 4,5 слънчеви часа)
• 20 kWh натрупана енергия за осигуряване на захранване през нощта
• Хибридна инверторна система с мощност 10 kW

Несъвместимите компоненти водят до загуби в ефективността до 23 % (NREL, Доклад за интеграция на хибридни системи , 2023 г.). Винаги моделирайте най-неблагоприятните сценарии — включително производството по време на зимно слънцестоене — за да гарантирате устойчивост през цялата година.

Стъпка 2: Избор на оптимална хибридна архитектура (AC- или DC-свързана)

Сравнение на AC- и DC-свързани конфигурации за хибридни слънчеви и енергийни натрупващи системи

Когато става дума за свързване на слънчеви панели с батерийно натрупване на енергия, има основно два начина да се направи това: системи с AC-свързване и системи с DC-свързване. При AC-свързването слънчевите панели и батериите имат всеки по свой инвертор. Тази конфигурация улеснява модернизацията на съществуващи системи, но води до допълнителни разходи. В системата енергията се преобразува общо три пъти (от DC в AC, след това обратно в DC и най-накрая отново в AC), което намалява общата ефективност между 88 % и 94 %. От друга страна, системите с DC-свързване работят по различен начин — използват само един хибридни инвертор. Това позволява слънчевата енергия да зарежда батериите директно от DC-страната, без всички тези допълнителни преобразувания. В резултат тези системи обикновено постигат по-висока ефективност — от около 94 % до почти 98 %. Сравнение на действителната производителност на тези системи в реални условия е показано в следващата таблица.

Динамика на енергийния поток: генериране, собствено потребление, зареждане на съхранение, експорт към мрежата и резервна работа

Начинът, по който енергията се пренася, се различава значително в зависимост от архитектурата на системата, за която говорим, особено когато натоварването достигне връхни стойности. При AC-свързаните конфигурации излишната слънчева енергия първо се преобразува в променлив ток, след което понякога трябва отново да бъде преобразувана в постоянен ток, за да се съхрани в батериите. Този двойствен процес на преобразуване води до загуби на ефективност при всяко зареждане на батериите. По време на прекъсване на електрозахранването тези AC-системи могат да захранват само определени важни части от къщата чрез специална подразпределителна кутия, така че не всички потребители получават енергия едновременно. От друга страна, DC-свързаните системи функционират по различен начин: те могат директно да зареждат батериите от слънчевите панели, докато едновременно захранват електроуредите, без нужда от многократни преобразувания. Това означава, че по-голяма част от енергията действително достига до съхранението. В аварийни ситуации DC-системите обикновено по-добре осигуряват непрекъснатото захранване на цели жилища или сгради, тъй като могат бързо да се изолират от мрежата. Въпреки това, правилният подбор на мощност е от решаващо значение, тъй като големи електроуреди като климатични инсталации изискват допълнителна мощност при стартиране. И двата типа системи позволяват обратно подаване на енергия към мрежата, но DC-системите като цяло осигуряват по-голямо количество употребима електрическа енергия поради по-малкия брой стъпки при преобразуването ѝ.

Стъпка 3: Прецизно определяне на размерите на компонентите и тяхната интеграция

Правилното определяне на размерите на основните компоненти директно определя производителността, експлоатационния срок и възвръщаемостта на инвестициите за хибридни слънчеви и системи за съхранение на енергия. Несъвместимото оборудване води до загуба на капитал и ограничава оперативната гъвкавост.

Определяне на размерите на слънчевата армировка: вземане предвид на инсоляцията, наклона, засенчването и системните загуби

Слънчевите армировки трябва да генерират достатъчно излишна енергия за зареждане на батериите, като едновременно осигуряват задоволяването на дневните енергийни потребности. Недостатъчно големите армировки увеличават зависимостта от мрежата; прекалено големите армировки претоварват инверторите и намаляват възвръщаемостта на инвестициите. Ключови фактори са:

• Местна инсоляция (кВтч/м²/ден): варира сезонно в зависимост от географската ширина
• Наклон/ориентация : влияе върху добива с ±15 % годишно
• Загуби поради засенчване : дори частичното засенчване може да намали производителността с 20–30 %
• Загуби в системата електропроводка, замърсяване и деградация (обикновено общо 14–23%)

Масивите с ориентация към север в Южното полукълбо, например, изискват капацитет, който е с 10–15% по-голям от този на оптимално наклонените системи, за да се компенсират неефективностите.

Определяне на капацитета на батерията за хибридни слънчеви и енергийни съхраняващи системи: балансиране на автономността, цикловия живот и потенциала за арбитраж

Капацитетът на батерията трябва да съответства на три ключови цели :

1. Автономност : часове или дни резервно захранване по време на прекъсвания в мрежата (напр. 8–24 часа)
2. Цикловият живот : Дълбочината на разреждане (DoD) директно влияе върху продължителността на живота — ограничаването на DoD до 80 % спрямо 100 % може да утрои броя на циклите
3. Арбитраж : Съхраняване на излишна слънчева енергия за последващо връщане в мрежата по време на часовете с най-високи тарифи изисква по-големи капацитети

За домакинство, което потребява 20 kWh дневно и има нужда от резервно захранване в продължение на 12 часа, батерия с капацитет 20 kWh при 80 % дълбочина на разреждане (DoD) осигурява достатъчна автономност, като в същото време запазва броя на циклите на зареждане/разреждане. Системите, ориентирани към арбитраж, може да изискват капацитет от 1,5 пъти дневната консумация.

Стъпка 4: Избор на инвертор и оптимизация на ефективността

Съгласуване на техническите характеристики на инвертора с изискванията за хибридни слънчеви и системи за съхранение на енергия (непрекъснат / връхов ток, двупосочен, функции за поддръжка на мрежата)

Когато става въпрос за избор на инвертори за хибридни слънчеви системи със складиране на енергия, има три основни технически характеристики, на които трябва да се обърне внимание. Първо, номиналната непрекъсната мощност трябва да е достатъчна за задоволяване на ежедневните потребности, но също така е необходима достатъчна върхова мощност, за да се справи с кратковременните пикове при стартиране на електродвигатели. Второ, двупосочната функционалност позволява на системата да се зарежда от слънчевите панели и едновременно да подава електроенергия към потребителите в момента, когато тя е необходима. Тази двупосочна работа не е просто удобна — тя е абсолютно задължителна за правилна интеграция на системи за складиране на енергия (ESS). С оглед на надеждността, качествените инвертори разполагат с функции за поддръжка на мрежата, като регулиране на честотата и способност за преодоляване на спадове в напрежението. Тези функции помагат да се поддържа съответствие с нормативните изисквания дори при нарушения в електрическата мрежа. Повечето монтажници всъщност установяват, че използването на леко недоразмерени инвертори е по-изгодно финансово в повечето случаи. Обичайният диапазон, който се взема предвид, е DC/AC съотношение между 0,8 и 1,1, тъй като реално слънчевите панели рядко достигат максималната си мощност поради сенчестост, промени в атмосферните условия и други практически фактори.

Минимизиране на загубите на ефективност: намаляване на мощността, влияние на цикъла на зареждане и разреждане и най-добрите практики за термичен мениджмънт

Загубите на ефективност в хибридните системи се дължат предимно на три източника: намаляване на мощността при високи температури, неефективност на батериите при цикъла на зареждане и разреждане (обикновено 8–12 %) и лош термичен мениджмънт. Стратегиите за намаляване включват:

• Поддържане на температурата на околната среда под 45 °C (113 °F) чрез пасивна вентилация или монтиране на сянка
• Избор на инвертори на базата на карбид на кремний (SiC), които постигат ефективност при преобразуване над 98 %
• Ограничаване на дълбочината на разреждане до 80 % за литиеви батерии, за да се намалят загубите при цикъла на зареждане и разреждане
• Внедряване на трите фази инвертори за търговски системи, за да се минимизират загубите в трансформаторите

Анализът на отрязването остава задължителен — приемането на <3 % годишни загуби на енергия поради случайно наситяване на инвертора често оправдава намаляването на разходите за оборудване с 15–20 %.

Често задавани въпроси

Каква е разликата между системи с AC-свързване и системи с DC-свързване?

Системите с AC-свързване използват отделни инвертори за слънчевите панели и батериите, което изисква множество енергийни преобразувания и може да намали ефективността. Системите с DC-свързване използват един хибридни инвертор, който позволява директно зареждане на батериите от слънчевата енергия, което води до по-висока ефективност.

Как размерът на батерията влияе върху хибридната слънчева система?

Размерът на батерията влияе върху автономността по време на прекъсвания в мрежата, цикличния живот на батерията и възможността за енергиен арбитраж чрез съхраняване на излишната слънчева енергия за по-късно използване.

Защо правилното размериране на компонентите е от решаващо значение за хибридните слънчеви системи?

Правилното размериране гарантира оптимална производителност на системата, нейната продължителност на експлоатация и възвръщаемост на инвестициите, като се избягват несъвместими компоненти, които пропиляват капитал и ограничават гъвкавостта.