Солнечные панели вырабатывают электроэнергию, когда есть солнечный свет, но выработка солнечной энергии не всегда совпадает с моментом, когда она необходима. Высокоэффективная солнечная батарея решает эту проблему, накапливая избыточную солнечную энергию и предоставляя ее позже, например, ночью, в периоды низкой выработки солнечной энергии или во время отключения электроэнергии.
Но как работает солнечная батарея с солнечными панелями и инвертором?
В типичной системе «солнечная энергия плюс накопитель» солнечные панели генерируют постоянный ток, инвертор управляет и преобразует этот ток, а батарея накапливает избыточную энергию для последующего использования. Точный способ взаимодействия этих компонентов зависит от того, является ли система сетевой, автономной или гибридной, а также от конфигурации системы.
1. Ключевые вынос
- Солнечные панели преобразуют солнечный свет в постоянный ток.
- A солнечный инвертор Преобразует и управляет электроэнергией для потребителей, аккумуляторной батареи и, где это применимо, электросети.
- Солнечная батарея накапливает избыточную солнечную энергию для использования в тех случаях, когда выработки солнечной энергии недостаточно.
- Гибридные и автономные инверторы могут управлять потоком энергии между солнечными панелями, батареями, нагрузками и электросетью.
- LiFePO4 батареи Благодаря длительному сроку службы, высокой полезной емкости и хорошей термической стабильности, они широко используются для хранения солнечной энергии.
- Современные литий-железо-фосфатные (LiFePO4) батареи способны выдерживать более 6,000 циклов зарядки и разрядки при заданных условиях эксплуатации.
- Глубина разряда (DoD) Определяет, какая часть номинальной емкости батареи может быть использована.
- Аккумулятор и инвертор должны быть правильно согласованы по напряжению, мощности, пределам зарядки и разрядки, а также совместимости средств связи.
- Правильно спроектированная гибридная солнечная энергосистема может обеспечивать резервное электропитание во время отключений или перебоев в электросети, при условии правильной настройки инвертора и резервной системы.
2. Основные типы SPS
Прежде чем понять, как работает солнечная батарея, полезно разобраться в трех основных типах солнечных энергетических систем — сетевых, автономных и гибридных — и в роли учета электроэнергии по принципу нетто-учета в системах, подключенных к сети.
2.1. Сетевая солнечная система
Солнечная энергосистема, подключенная к централизованной электросети, вырабатывает электроэнергию в течение дня, а инвертор преобразует ее в переменный ток для бытовых или коммерческих нужд.
Когда выработка солнечной энергии превышает потребность здания в электроэнергии, излишки электроэнергии могут экспортироваться в энергосеть. В регионах, где действует система нетто-учета или аналогичная программа экспорта электроэнергии из сети, экспортируемая электроэнергия может быть зачтена в соответствии с правилами местной энергокомпании.
Когда выработки солнечной энергии недостаточно, для удовлетворения потребностей здания можно использовать электроэнергию из сети.
Традиционные сетевые системы, как правило, не требуют аккумулятора, поскольку электросеть может обеспечивать электроэнергией даже при недостаточной выработке солнечной энергии. Однако стандартная сетевая система без резервного аккумулятора обычно не может продолжать питать нагрузки во время отключения или перебоев в электроснабжении.
2.2. Автономная солнечная система
Автономная солнечная энергосистема работает независимо от централизованной электросети. Она широко используется в отдаленных районах, где электроснабжение от сети недоступно или нестабильно.
Поскольку после захода солнца или в периоды низкой выработки солнечной энергии отсутствует централизованная электросеть, автономная система обычно требует использования солнечных панелей, аккумуляторов и инвертора.
Аккумулятор накапливает энергию, вырабатываемую в периоды хорошего солнечного света, и подает электроэнергию, когда солнечные панели не могут вырабатывать достаточно энергии.
Для регионов без надежного доступа к электросети автономная солнечная энергосистема соответствующего размера может обеспечить более независимый источник электроэнергии.
2.3. Гибридная Солнечная система
Гибридная солнечная энергосистема сочетает в себе солнечные панели, аккумуляторные батареи, инвертор и подключение к электросети.
В течение дня солнечная энергия может обеспечивать питание нагрузок и заряжать аккумулятор. Когда выработки солнечной энергии недостаточно, система может использовать накопленную в аккумуляторе энергию или электроэнергию из сети, в зависимости от конфигурации системы и настроек работы.
Гибридная система может обеспечить большую гибкость в энергоснабжении, а также служить резервным источником питания во время отключений или перебоев в электросети, при условии использования соответствующего инвертора и резервной конфигурации.
3. Типы SPS вкратце
Сравнение сетевых, автономных и гибридных солнечных энергетических систем, демонстрирующее роль солнечных панелей, аккумуляторов, инверторов и электросети.
Среди этих трех типов систем батареи играют особенно важную роль в автономных и гибридных солнечных системах.
Итак, как же на самом деле работает батарея в связке с солнечными панелями и инвертором?
4. Как работает каждая часть?
Систему, сочетающую солнечную энергию и накопители энергии, можно понять на примере потока электричества:
Solar panels → Inverter → Electrical loads
Когда солнечные панели вырабатывают больше электроэнергии, чем требуется потребителям в данный момент:
Excess solar energy → Battery → Stored energy
Позже, когда выработка солнечной энергии снизится:
Battery → Inverter → Electrical loads
Инвертор выступает в качестве центрального компонента управления энергией, контролируя перемещение электроэнергии между солнечными панелями, аккумулятором, нагрузками и, при необходимости, сетью.
4.1. Производство электроэнергии
Солнечные панели используют фотоэлектрические элементы для преобразования солнечного света в электрическую энергию. Электричество, вырабатываемое фотоэлектрическими панелями, представляет собой постоянный ток (DC). Однако большинство бытовых и коммерческих приборов используют переменный ток (AC).
Мощность солнечных панелей и фактическое производство энергии зависят от нескольких факторов, в том числе:
- Мощность фотоэлектрической системы
- Солнечное облучение
- Пиковые солнечные часы
- Ориентация и наклон панели
- затенение
- Температура
- Эффективность системы и потери
Например, в бытовой солнечной энергосистеме может использоваться несколько высокоэффективных солнечных панелей для выработки достаточного количества электроэнергии для бытовых приборов в дневное время, а также для производства избыточной энергии для зарядки аккумуляторов.
Однако простая установка большего количества солнечных панелей не гарантирует автоматического повышения производительности системы. Фотоэлектрическая батарея должна быть правильно согласована с инвертором и аккумулятором.
4.2. Преобразование энергии
Инвертор — один из важнейших компонентов системы хранения солнечной энергии.
Обычный сетевой инвертор в основном преобразует постоянный ток от солнечных панелей в переменный. Однако гибридный инвертор может выполнять дополнительные функции управления энергией.
В зависимости от конструкции системы, гибридный инвертор может управлять потоком электроэнергии между:
- Солнечные панели
- Солнечная батарея
- Бытовые или коммерческие нагрузки
- Коммунальная сеть
Например, когда солнечные панели вырабатывают достаточно энергии, инвертор может отдавать приоритет солнечной энергии для питания нагрузок. Если вырабатывается избыток солнечной энергии, он может направить эту избыточную электроэнергию в аккумулятор для зарядки.
Когда выработка солнечной энергии снижается, инвертор может получать электричество из батареи и преобразовывать его в пригодный для использования переменный ток.
Многие гибридные и автономные инверторы также используют технологию MPPT (отслеживание точки максимальной мощности) для оптимизации рабочей точки солнечных панелей и эффективного извлечения доступной солнечной энергии.
4.3. Накапливает избыточную энергию
Солнечная батарея — это компонент системы, предназначенный для хранения энергии. В солнечные дни солнечные панели могут вырабатывать больше электроэнергии, чем потребляет здание. Вместо того чтобы использовать всю эту электроэнергию сразу, излишки можно использовать для зарядки батареи.
Например:
Solar panels generate 6 kW → Loads use 3 kW → Approximately 3 kW is available for battery charging
Фактическая мощность зарядки будет зависеть от инвертора, аккумулятора, выходной мощности фотоэлектрических панелей и конфигурации системы.
Позже вечером:
Solar production decreases → Battery discharges → Inverter supplies the loads
Это позволяет использовать электроэнергию, вырабатываемую в дневное время, после захода солнца.
5. Батарея ночью?
После захода солнца солнечные панели обычно перестают вырабатывать значительное количество электроэнергии. В системе хранения энергии на основе аккумуляторов инвертор может извлекать накопленную энергию из батареи и преобразовывать ее в переменный ток для подключенных нагрузок.
Например, в доме можно использовать накопленную в аккумуляторе энергию для работы таких важных бытовых приборов, как:
- Светодиодное освещение
- Холодильники и морозильники
- Поклонники
- Кондиционеры
- Wi-Fi роутеры
- компьютеры
- Телевизоры
- Другая бытовая техника
При расчете мощности системы солнечных батарей особое внимание следует уделить кондиционерам. В жарком климате и летом кондиционер может стать одним из крупнейших потребителей электроэнергии в доме. Кроме того, его компрессору может потребоваться больше энергии при запуске, поэтому следует учитывать как непрерывную и пиковую выходную мощность инвертора, так и разрядную способность батареи.
Возможность и продолжительность работы кондиционера от солнечной батареи зависят от потребляемой мощности кондиционера, времени его работы, емкости батареи, мощности инвертора и энергии, получаемой от солнечных панелей.
Продолжительность работы батареи, обеспечивающей питание других нагрузок, также зависит от её ёмкости, КПД инвертора, мощности нагрузки, полезной ёмкости батареи и условий эксплуатации. Именно поэтому ёмкость батареи не следует выбирать, основываясь только на количестве подключенных устройств. Важное значение имеют также их фактическое энергопотребление и время работы.
6. Отключение или кратковременное отключение электроэнергии?
Одна из главных причин, по которой домовладельцы и предприятия добавляют аккумуляторы к солнечным системам, — это резервное электропитание.
В подходящей гибридной солнечной системе инвертор может изолировать заданные резервные нагрузки от электросети во время отключения или перебоев в подаче электроэнергии и продолжать обеспечивать их солнечной энергией и энергией из аккумуляторов.
В дневное время солнечные панели могут обеспечивать электроэнергией потребителей, одновременно заряжая аккумулятор. Ночью или при недостаточном производстве солнечной энергии аккумулятор может обеспечивать накопление электроэнергии.
Однако не каждый солнечный инвертор автоматически обеспечивает резервное питание. Инвертор должен поддерживать резервное или автономное питание, а система должна быть спроектирована с учетом соответствующих резервных цепей и защитного оборудования.
Важно также понимать, что система резервного питания от батарей не обязательно означает, что все электроприборы в здании смогут продолжать работать во время отключения электроэнергии. Во многих системах используется резервная или основная цепь питания, благодаря которой приоритетные приборы получают питание, а второстепенные или мощные нагрузки остаются отключенными.
7. Популярные ли батареи для систем экстренного реагирования?
Литий-железо-фосфатные (LiFePO4) батареи широко используются в современных бытовых и коммерческих системах хранения солнечной энергии. По сравнению с традиционными свинцово-кислотными батареями, правильно спроектированные системы на основе LiFePO4 могут предложить такие преимущества, как:
- Срок службы длительного цикла: Современные литий-железо-фосфатные (LiFePO4) батареи способны выдерживать более 6,000 циклов зарядки и разрядки, в зависимости от конструкции батареи, условий эксплуатации и глубины разряда (DoD).
- Высокая полезная вместимость: Литий-железо-фосфатные (LiFePO4) батареи, как правило, могут работать при высокой температуре. Глубина разряда (DoD)это позволяет использовать большую часть номинальной емкости батареи.
- Стабильная производительность: Химический состав LiFePO4 обеспечивает стабильную работу на протяжении многих циклов заряда и разряда.
- Хорошая термическая стабильность: LiFePO4 известен своей стабильной химической структурой и хорошими тепловыми характеристиками.
- Низкие требования к обслуживанию: В отличие от свинцово-кислотных аккумуляторов, литий-железо-фосфатные аккумуляторы, как правило, требуют минимального планового технического обслуживания.
- Компактное хранилище энергии: Они способны обеспечить значительную емкость для хранения энергии в относительно компактном и легком корпусе.
8. Что такое глубина сброса?
Глубина разряда (DoD) — это процент полезной емкости батареи, которая была разряжена.
Например, если батарея емкостью 10 кВт·ч работает при 80% глубины разряда, то до подзарядки можно использовать примерно 8 кВт·ч от ее номинальной емкости.
Более высокая полезная глубина разряда означает, что можно использовать больше накопленной энергии батареи без необходимости увеличения емкости аккумуляторного блока. Поэтому литий-железо-фосфатные батареи хорошо подходят для хранения солнечной энергии, где батареи регулярно заряжаются в течение дня и разряжаются ночью или в периоды низкой выработки солнечной энергии.
Срок службы батареи и глубина разряда также тесно взаимосвязаны. В целом, работа батареи при более низкой глубине разряда может помочь снизить нагрузку на элементы и потенциально продлить срок ее службы. Поэтому фактический срок службы литий-железо-фосфатной батареи зависит не только от номинального количества циклов, но и от таких факторов, как глубина разряда, температура, скорость зарядки и разрядки, а также управление батареей.
Для работы литий-ионного аккумулятора также необходима система управления батареей (BMS). Система BMS отслеживает важные параметры батареи, такие как напряжение элементов, температура, а также условия зарядки и разрядки, помогая защитить батарею и обеспечить безопасную и надежную работу.
Для надежной работы батарея также должна быть совместима с выбранным инвертором. В зависимости от оборудования для мониторинга батареи, передачи данных о состоянии заряда и координации зарядки и разрядки может потребоваться связь через CAN или RS485.
Компания Sungreat Energy поставляет литий-железо-фосфатные (LiFePO4) солнечные батареи для бытового и коммерческого использования в системах хранения энергии, предлагая батареи различной емкости для удовлетворения различных системных требований.
9. Подходящая солнечная батарея и инвертор?
Правильный подбор размеров системы имеет решающее значение для надежного хранения солнечной энергии.
- Рассчитайте ежедневное потребление энергии: Определите, сколько электроэнергии потребляет дом или предприятие каждый день, обычно измеряемое в киловатт-часах (кВт·ч). Ежедневное потребление энергии помогает определить, сколько энергии должны вырабатывать солнечные панели и какой объем аккумуляторной батареи может потребоваться.
- Рассчитайте пиковую нагрузку: Определите максимальную мощность, которая может потребоваться при одновременной работе нескольких электроприборов. Обычно она измеряется в киловаттах (кВт) и особенно важна при выборе инвертора. Кондиционеры, холодильники, насосы и другое оборудование с электроприводом также могут иметь более высокую пусковую мощность, поэтому следует учитывать пиковую мощность инвертора.
- Определите необходимое время резервного копирования: Определите, на какое время батарея должна обеспечивать питание основных потребителей в ночное время или во время отключения электроэнергии. Например, домовладельцу может потребоваться достаточно накопленной энергии для работы основных бытовых приборов в течение 5, 8 или 12 часов.
- Расчет размеров солнечной фотоэлектрической системы: Солнечные панели должны вырабатывать достаточно энергии для обеспечения дневных нагрузок и подзарядки аккумулятора в пределах доступного солнечного окна. При оценке необходимой мощности фотоэлектрической системы следует учитывать местное солнечное излучение и пиковые часы солнечного света.
- Выберите подходящий инвертор: Непрерывная выходная мощность и пиковая мощность инвертора должны быть достаточными для подключенных нагрузок. Инвертор также должен подходить для выбранного типа системы, будь то сетевая, автономная или гибридная.
- Проверьте совместимость аккумулятора и инвертора: Перед установкой необходимо проверить напряжение батареи, параметры зарядки, максимальный ток заряда и разряда, протоколы связи и совместимость с системой управления батареей (BMS). Использование батареи и инвертора, не соответствующих друг другу, может повлиять на производительность системы и связь.
10. Единая интегрированная система
Система хранения солнечной энергии работает благодаря тому, что каждый компонент выполняет свою, но взаимосвязанную функцию:
- Солнечные панели вырабатывают электроэнергию.
- Инвертор преобразует и регулирует электроэнергию.
- Аккумулятор накапливает избыточную энергию.
- Инвертор подает накопленную энергию к нагрузкам по мере необходимости.
В большинстве случаев сетевые системы могут работать без батарей, в то время как батареи необходимы для большинства автономных систем и являются важным компонентом гибридных систем, предназначенных для хранения энергии и резервного питания.
При правильном подборе и согласовании размеров солнечная панель, литий-железо-фосфатный аккумулятор и гибридная инверторная система могут помочь домохозяйствам и предприятиям более эффективно использовать возобновляемую энергию, снизить зависимость от электроэнергии из сети и обеспечить доступ к электроэнергии в периоды, когда солнечная генерация или подключение к сети недоступны.
Если вы планируете установить систему хранения солнечной энергии, начните с оценки вашего ежедневного потребления энергии, пиковой нагрузки, необходимого количества часов резервного питания, доступных солнечных ресурсов и состояния сети. Эти факторы послужат основой для выбора подходящей мощности солнечных панелей, размера батареи и инвертора.
11. Рекомендации
- Международное агентство по возобновляемым источникам энергии (IRENA). Стоимость производства электроэнергии из возобновляемых источников в 2023 году. Абу-Даби: IRENA.
- Международное энергетическое агентство (МЭА). Возобновляемые источники энергии 2023: анализ и прогноз до 2028 года. Париж: Издательство МЭА.
- Национальная лаборатория возобновляемой энергии (NREL). Ориентировочные показатели стоимости солнечных фотоэлектрических систем и систем хранения энергии в США. Голден, Колорадо: Технический отчет NREL.
- SolarPower Europe. Глобальный обзор рынка солнечной энергетики на 2024–2028 годы. Брюссель: SolarPower Europe.
- BloombergNEF (BNEF). Перспективы развития систем хранения энергии и обзор цен на литий-ионные батареи. Лондон: Bloomberg Finance LP.
