Предисловие
В условиях обостряющегося глобального энергетического кризиса и продолжающегося снижения стоимости фотоэлектрических технологий все больше семей рассматривают возможность установки солнечных энергетических систем. Однако первый вопрос, с которым сталкиваются многие при подготовке к установке, звучит так: насколько большая система мне нужна? Сколько солнечных панелей следует установить? Какой инвертор выбрать? Какая емкость аккумулятора мне нужна? Эти вопросы кажутся сложными, но, освоив основные методы расчетов, даже обычные люди могут составить предварительный план. Установка солнечной энергетической системы — это значительные инвестиции, от десятков до сотен тысяч юаней. Избыточная конфигурация приводит к ненужным потерям; недостаточная конфигурация не удовлетворяет потребности в электроэнергии. Научные и рациональные расчеты конфигурации не только позволяют избежать инвестиционных потерь, но и обеспечивают стабильную работу системы в различных условиях. В этой статье мы предоставим обычным семьям полный и простой метод расчета конфигурации солнечной энергетической системы, от анализа потребности в электроэнергии и расчетов конфигурации компонентов системы до оценки стоимости и анализа периода окупаемости инвестиций. Даже не имея никаких знаний в области электротехники или фотовольтаики, терпеливо читая, вы сможете освоить базовые навыки составления плана солнечной энергетической системы для своего дома.
I. Анализ спроса на электроэнергию
Прежде чем устанавливать солнечную энергосистему, необходимо сначала понять фундаментальный вопрос: сколько электроэнергии требуется вашему дому каждый день? Этот вопрос кажется простым, но на самом деле требует анализа с разных точек зрения.
Первый шаг — рассчитать энергопотребление и предполагаемое время использования бытовой техники в вашем доме. В каждом доме есть множество бытовых приборов, но частота и продолжительность их использования сильно различаются. Давайте начнем со списка распространенных приборов для типичной семьи из трех человек: осветительные приборы обычно потребляют от 50 до 150 Вт, используются около 4–6 часов в день и потребляют около 0,2–0,9 кВт·ч в день; телевизор потребляет от 100 до 200 Вт, смотрится около 3–5 часов в день и потребляет около 0,3–1 кВт·ч в день; холодильник работает круглосуточно, потребляет от 150 до 300 Вт и потребляет около 1–2 кВт·ч в день; стиральная машина потребляет от 300 до 500 Вт и используется около 1 часа каждый раз. При использовании для принятия душа суточное потребление электроэнергии составляет около 0,3–0,5 кВт·ч; электрические водонагреватели имеют более высокую мощность, около 1500–3000 Вт, и если использовать их для принятия душа в течение 0,5–1 часа каждый раз, суточное потребление электроэнергии составляет около 1–3 кВт·ч; кондиционеры являются крупнейшими потребителями электроэнергии, их мощность составляет около 1000–3000 Вт при охлаждении и еще выше при обогреве. Если они работают около 8 часов в день, суточное потребление электроэнергии составляет около 8–24 кВт·ч; кухонные приборы, включая рисоварки, микроволновые печи, индукционные плиты и т. д., имеют суммарную мощность около 1000–3000 Вт и потребляют около 2–5 кВт·ч в день.
Суммируя суточное потребление электроэнергии всеми приборами, мы получаем предварительную оценку среднего суточного потребления электроэнергии. Для типичной семьи из трех человек, за исключением кондиционера, среднее суточное потребление электроэнергии составляет около 10–15 кВт·ч; с учетом использования кондиционера летом или зимой среднее суточное потребление может достигать 20–40 кВт·ч или даже больше. Конечно, это лишь приблизительная оценка. Более точный метод — проверить ежемесячное потребление электроэнергии в счете за электроэнергию и разделить его на количество дней, чтобы получить среднее суточное потребление. Если у вас есть счета за электроэнергию за последние 12 месяцев, и вы можете рассчитать среднее месячное потребление электроэнергии и потребление за месяц с самым высоким потреблением, вы получите более точные данные. Рекомендуется использовать среднее суточное потребление электроэнергии за месяц с самым высоким потреблением в качестве ориентира для настройки системы, чтобы убедиться, что система может полностью покрывать пиковые периоды потребления электроэнергии.
Далее необходимо рассмотреть временное распределение потребления электроэнергии. Солнечная энергетика обладает выраженной временной закономерностью: она вырабатывает электроэнергию днем, а не ночью, при этом пик выработки обычно приходится на период с полудня до 14:00. Это означает, что если ваша семья более активна и потребляет больше электроэнергии днем, коэффициент использования солнечной энергии будет выше; если большинство членов вашей семьи работают днем и потребляют много электроэнергии только ночью, коэффициент использования солнечной энергии будет относительно ниже. Для домохозяйств с высоким дневным потреблением электроэнергии можно выбрать систему меньшей установленной мощности или установить аккумуляторные батареи для хранения электроэнергии, вырабатываемой днем, для использования в ночное время; для домохозяйств с низким дневным потреблением электроэнергии можно рассмотреть систему большей мощности для продажи избыточной электроэнергии обратно в сеть.
Также крайне важно учитывать потенциальный рост спроса на электроэнергию в будущем. Зарядные станции для электромобилей, системы отопления с воздушным охлаждением и электрификация систем горячего водоснабжения — все это направления модернизации электроснабжения домов. Если вы планируете приобрести электромобиль в ближайшее время, вам следует зарезервировать достаточную мощность при проектировании вашей солнечной энергетической системы. Для зарядки электромобиля мощностью 60 кВт·ч от 20% до 100% с помощью домашней зарядной станции требуется примерно 40 кВт·ч. При ежедневной зарядке это означает дополнительные 40 кВт·ч в день, что является значительным увеличением. Учет роста спроса на электроэнергию в течение следующих трех-пяти лет при проектировании системы может предотвратить неприятную ситуацию, когда потребуется расширение мощности в краткосрочной перспективе.
II. Расчет конфигурации системы
Бытовая солнечная энергетическая система в основном состоит из солнечных панелей, инвертора, аккумуляторных батарей (если это система, подключенная к сети), монтажных кронштейнов и кабелей. Давайте рассчитаем параметры конфигурации каждого компонента по отдельности.
Для начала рассчитаем мощность солнечных панелей. Единицей измерения мощности солнечных панелей является пиковый ватт (Вт), который представляет собой максимальную выходную мощность панели в стандартных условиях тестирования. Установленная мощность солнечных панелей определяет, сколько электроэнергии система может генерировать в день. В качестве примера возьмем большинство регионов Китая: средняя годовая продолжительность солнечного сияния составляет около 2000–3000 часов, и каждый ватт солнечной панели может генерировать в среднем от 1 до 1,5 кВт·ч электроэнергии в год. Предположим, что среднесуточное потребление электроэнергии в вашем домохозяйстве составляет 20 кВт·ч. В этом случае требуемая установленная мощность солнечных панелей составляет приблизительно 20 кВт·ч, разделенные на 5 часов (при условии эффективной выработки электроэнергии около 5 часов в день), что равно 4 киловаттам, или 4000 Вт. Однако в реальных конфигурациях мощность солнечных панелей обычно немного превышает мощность инвертора, поскольку фактическая выходная мощность солнечных панелей редко достигает номинальной мощности; разумной практикой является наличие определенного запаса.
Давайте проиллюстрируем процесс расчета конфигурации на конкретном примере. Предположим, типичная семья из трех человек, потребляющая примерно 20 кВт·ч электроэнергии в день, хочет установить солнечную энергосистему, подключенную к сети. Мощность солнечных панелей может быть сконфигурирована на 5 кВт, или 5000 Вт. Для этого потребуется примерно от 8 до 12 солнечных панелей мощностью от 400 Вт до 550 Вт, в зависимости от выходной мощности каждой панели. С учетом площади крыши и угла установки фактическое количество устанавливаемых панелей может быть ограничено. Если площадь крыши достаточно велика, можно отдать приоритет панелям мощностью 550 Вт, чтобы уменьшить количество панелей и стоимость кронштейнов; если площадь крыши ограничена, может потребоваться большее количество панелей меньшей мощности. Эффективность преобразования солнечных панелей также является важным параметром. В настоящее время эффективность основных продуктов составляет от 21% до 23%. Панели с более высокой эффективностью занимают меньшую площадь, что делает их подходящими для сценариев с ограниченным пространством.
Далее следует выбор мощности инвертора. Мощность инвертора должна соответствовать установленной мощности солнечных панелей, обычно от 80% до 100% от мощности панелей. Продолжая приведенный выше пример, для солнечной панели мощностью 5000 Вт можно выбрать инвертор мощностью от 4 до 5 кВт. Выбор инвертора мощностью 4 кВт позволяет добиться определенной избыточной конфигурации, обеспечивая работу почти при полной нагрузке даже при умеренном солнечном свете; выбор инвертора мощностью 5 кВт подразумевает более консервативную конфигурацию, потенциально не позволяющую в полной мере использовать всю вырабатываемую электроэнергию при отличном солнечном свете. Оба варианта имеют свои преимущества и недостатки, в зависимости от местных условий солнечного света и характеристик потребления электроэнергии. Для систем, подключенных к сети, мощность инвертора, немного меньшая, чем установленная мощность солнечных панелей, может повысить общую эффективность системы, поскольку инверторы наиболее эффективны при полной нагрузке. Для гибридных систем, поскольку необходимо учитывать также потребности в энергии для зарядки и разрядки аккумуляторов, может потребоваться более высокая мощность инвертора.
Расчет емкости батареи зависит от необходимости хранения энергии и желаемого времени резервного питания. Если это система, подключенная к сети, но без батарей, она может генерировать и потреблять электроэнергию только при наличии солнечного света; ночью и в пасмурные дни ей все равно необходимо покупать электроэнергию из сети. В этом случае расчет емкости батареи не требуется, но функциональность системы будет ограничена. Если батареи необходимы, первым шагом является определение того, как долго система должна обеспечивать электропитание в случае полного отключения электроэнергии. Для типичного домохозяйства обеспечение основных потребностей в электроэнергии в ночное время является распространенным требованием, например, для питания основных нагрузок, таких как освещение, холодильники, роутеры и телевизоры, которые потребляют примерно от 3 до 5 кВт·ч. Если вы хотите обеспечить электропитание в течение более длительного периода, например, в течение нескольких дождливых дней подряд, емкость батареи необходимо соответственно увеличить. Обычно рекомендуется поддерживать 20% запас полезной емкости батареи; она не должна быть полностью разряжена. Таким образом, батарея с номинальной емкостью 10 кВт·ч может фактически обеспечить около 8 кВт·ч полезной емкости. Что касается типа батарей, то литий-железо-фосфатные батареи являются основным выбором для бытового хранения энергии благодаря длительному сроку службы, высокой безопасности и пригодности для ежедневной зарядки и разрядки.
Хотя конфигурация кабелей и опор не требует сложных расчетов, их все же необходимо выбирать соответствующим образом, исходя из технических характеристик системы. Площадь поперечного сечения кабеля необходимо рассчитывать исходя из силы тока и расстояния прокладки; чем выше сила тока и чем больше расстояние, тем больше требуемая площадь поперечного сечения кабеля для снижения падения напряжения и риска перегрева. Опоры необходимо выбирать с учетом материала кровли (черепица, металлическая кровля, плоский бетон и т. д.) и местных погодных условий, таких как ветер и снеговое давление, чтобы обеспечить достаточную прочность и долговечность.
III. Оценка затрат и анализ окупаемости инвестиций
После завершения расчетов конфигурации системы следующим шагом является оценка затрат и анализ окупаемости инвестиций. Эта часть имеет решающее значение для принятия пользователями решения об установке.
Стоимость солнечной энергетической системы в основном состоит из следующих компонентов. Во-первых, солнечные панели, на которые приходится примерно 30–40% от общей стоимости системы. Например, система мощностью 5 кВт обойдется примерно в 15 000–20 000 юаней за солнечные панели, в зависимости от марки и эффективности. Во-вторых, инвертор, на который приходится примерно 15–25% от общей стоимости системы. Фирменный инвертор мощностью 5 кВт стоит примерно 5 000–10 000 юаней, а импортные бренды могут быть дороже. В-третьих, батареи (если это система хранения энергии), на которые приходится примерно 30–40% от общей стоимости системы. Литий-железо-фосфатный аккумуляторный блок емкостью 10 кВт·ч стоит примерно 20 000–30 000 юаней. В-четвертых, монтажная конструкция и монтажные материалы, на которые приходится примерно 5–10% от общей стоимости. В-пятых, затраты на монтажные работы и транспортировку составляют приблизительно 10–15% от общей стоимости. В итоге, стандартная система мощностью 5 кВт, подключенная к сети, стоит приблизительно 40 000–60 000 юаней; система хранения энергии мощностью 5 кВт, подключенная к сети, с батареей емкостью 10 кВт·ч стоит приблизительно 60 000–100 000 юаней.
Расчет срока окупаемости является первостепенной задачей для многих пользователей. Системы, подключенные к сети, в первую очередь полагаются на экономию на электроэнергии: при средней суточной выработке электроэнергии 20 кВт·ч и годовой выработке примерно 7000 кВт·ч, годовая экономия на электроэнергии составляет около 3500 юаней (при цене 0,5 юаня/кВт·ч). Если стоимость системы составляет 50 000 юаней, и не учитываются затраты на техническое обслуживание и снижение выработки электроэнергии, статический срок окупаемости составляет приблизительно 14 лет. Однако, если учесть ежегодное повышение цен на электроэнергию на 5%, фактический срок окупаемости может сократиться до 10–12 лет. В районах с пиковыми и спадовыми ценами на электроэнергию отдача может быть еще выше, если для зарядки используется электроэнергия вне пиковых часов, а для разрядки — электроэнергия в пиковые и спадовые часы.
Расчет срока окупаемости для подключенных к сети систем хранения энергии является более сложной задачей. Рассмотрим в качестве примера систему мощностью 5 кВт с батареей емкостью 10 кВт⋅ч. Предположим, что 10 кВт⋅ч собственного потребления приходится на солнечную энергию, а 10 кВт⋅ч — на разряд батареи (ночное использование). В этом случае ежедневная экономия на электроэнергии составляет приблизительно 10 юаней (за счет собственного потребления). Добавим экономию в размере приблизительно 5 юаней за счет арбитража пиковых и минимальных цен (разница в ценах на зарядку/разрядку батареи). Таким образом, общая ежедневная экономия составит около 15 юаней, а годовая — около 5500 юаней. Если стоимость системы составляет 80 000 юаней, то статический срок окупаемости составит приблизительно 14–15 лет. Однако ценность систем хранения энергии проявляется не только в прямых экономических выгодах, но и в резервном питании во время отключений в сети, гибкости зарядки по низким ценам ночью и использования по более высоким ценам днем, а также в других преимуществах, которые трудно поддаются количественной оценке, но которые, несомненно, реальны.
На окупаемость инвестиций влияет множество факторов. Ключевое значение имеют условия солнечного освещения. Южный Китай получает примерно от 2000 до 2500 часов солнечного света в год, в то время как северный Китай может достигать 2500–3000 часов и даже больше. Регионы с более интенсивным солнечным освещением имеют более короткие сроки окупаемости. Цены на электроэнергию также напрямую влияют на окупаемость; регионы с более высокими ценами на электроэнергию имеют большую замещающую ценность для солнечной энергии. Коэффициент самопотребления также важен; чем больше электроэнергии производится и используется, тем выгоднее это. Продажа большей части электроэнергии в сеть снизит окупаемость. Цена системы — еще один ключевой фактор. В последние годы цены на фотоэлектрические модули и элементы продолжают снижаться. Та же самая конфигурация, которая пять-шесть лет назад могла стоить десятки или сотни тысяч юаней, теперь стоит всего несколько десятков тысяч. Наконец, необходимо учитывать затраты на техническое обслуживание системы и снижение выработки электроэнергии. Системы от известных производителей, как правило, изнашиваются медленно, примерно на 0,5% в год в первые несколько лет, затем примерно на 0,3–0,4% в год, и могут сохранять более 80% своей мощности по выработке электроэнергии даже после 25 лет.
IV. Практические рекомендации и часто задаваемые вопросы
После завершения расчетов конфигурации и составления сметы расходов, следует ознакомиться с некоторыми практическими рекомендациями и часто задаваемыми вопросами, которые помогут вам лучше завершить весь процесс планирования.
Чтобы определить, подходит ли ваша крыша для установки солнечных батарей, можно использовать несколько простых методов. Что касается ориентации крыши, Китай расположен в Северном полушарии, поэтому оптимальная ориентация — строго на юг. Отклонение до 30 градусов на восток или запад оказывает незначительное влияние, но отклонение, превышающее 60 градусов, значительно снизит выработку электроэнергии. Что касается угла наклона крыши, идеальным является угол, близкий к местной широте. Например, широта Шанхая составляет приблизительно 31 градус, и угол наклона крыши около 30 градусов является идеальным. Если есть как наклонные, так и плоские установки, большая точность не требуется. Препятствия являются важным фактором. Деревья, дымоходы или здания над крышей сильно повлияют на выработку электроэнергии, поэтому таких мест следует избегать. Что касается несущей способности крыши, солнечные панели и опоры весят приблизительно от 15 до 20 килограммов на квадратный метр. Плоские крыши должны учитывать свою несущую способность, в то время как скатные крыши, как правило, не имеют этой проблемы. Что касается занимаемой площади, то для установки системы мощностью 5 киловатт требуется приблизительно от 30 до 40 квадратных метров, а для системы мощностью 10 киловатт — от 60 до 80 квадратных метров.
Что касается заявок на подключение к сети и политики субсидирования, следует понимать следующие моменты. С 2019 года в Китае отменена национальная субсидия за киловатт-час для новых фотоэлектрических проектов, однако в некоторых регионах все еще действуют местные правила субсидирования; подробную информацию следует получить в местном управлении электроснабжения. Процесс подачи заявки на подключение к сети для бытовых распределенных фотоэлектрических систем значительно упрощен; как правило, подключение к сети осуществляется без проблем, если мощность системы не превышает 25% от мощности трансформатора. Выбор установщика имеет решающее значение; следует выбрать квалифицированного и авторитетного специалиста. Он отвечает не только за установку оборудования, но и за обработку заявки на подключение к сети. Скорость и качество послепродажного обслуживания имеют решающее значение в течение длительного срока службы системы, составляющего от двух до трех десятилетий.
Техническое обслуживание и срок службы системы также являются важными вопросами для многих пользователей. Сами солнечные панели практически не требуют обслуживания; для их очистки достаточно дождевой воды. Однако, если местоположение пыльное или находится рядом с промышленными зонами, их можно промывать ежегодно для поддержания эффективности выработки электроэнергии. Инверторы обычно имеют срок службы около 10 лет и требуют замены по достижении этого возраста. Срок службы батарей составляет приблизительно от 3000 до 6000 циклов; высококачественные литий-железо-фосфатные батареи могут прослужить от 8 до 15 лет при ежедневных циклах зарядки-разрядки. Срок службы монтажных кронштейнов и кабелей, как правило, сопоставим со сроком службы самого здания; при надлежащей антикоррозионной обработке во время установки они могут прослужить более 25 лет. Регулярно проверяйте данные о выработке электроэнергии системой. Если в какой-либо день наблюдается внезапное и значительное падение выработки электроэнергии, следует незамедлительно проверить систему на наличие препятствий или неисправностей.
Наконец, вот несколько распространенных заблуждений, которые следует помнить. Во-первых, не стоит переоценивать важность большей установленной мощности системы. Продажа избыточной электроэнергии в сеть сверх ваших потребностей по гораздо более низкой цене за единицу экономически нецелесообразна. Во-вторых, не выбирайте низкокачественную продукцию, основываясь исключительно на первоначальной цене. Солнечные системы рассчитаны на 20-30 лет и более; качество и послепродажное обслуживание гораздо важнее, чем разница в цене. В-третьих, не следует недооценивать важность хорошо структурированной системы. Солнечные панели, инверторы, батареи и системы крепления должны быть правильно подобраны; слабость любого из компонентов повлияет на общую производительность. В-четвертых, не следует пренебрегать качеством монтажа. Даже при использовании одного и того же оборудования разные установщики могут добиться совершенно разных результатов; выбор опытного установщика имеет решающее значение.
Заключение
Расчет конфигурации солнечной энергосистемы для жилого дома включает в себя некоторые технические параметры и формулы, но основная логика несложна. Вкратце: сначала определите потребности вашего дома в электроэнергии; затем определите размер системы, исходя из условий солнечного света и бюджета; подберите мощность инвертора в соответствии с мощностью солнечных панелей; настройте батареи в соответствии с потребностями в резервном питании; и, наконец, рассчитайте период окупаемости, чтобы оценить, оправданы ли инвестиции.
Солнечная энергетическая система — это долгосрочная инвестиция, которая не только экономит на счетах за электроэнергию и приносит прибыль, но и отражает экологическую ответственность и определенный образ жизни. Освоение основных методов расчета конфигурации придаст вам больше уверенности при общении с поставщиками и поможет избежать навязывания излишних услуг или введения в заблуждение. Надеемся, эта статья помогла вам спланировать базовую солнечную энергетическую систему для вашего дома. Если расчеты кажутся вам слишком сложными или у вас есть более индивидуальные потребности, вы можете обратиться к профессиональному поставщику солнечных энергетических систем, который предоставит более подробные проектные решения и анализ инвестиций.
Пожалуйста, свяжитесь с Саймоном как можно скорее, чтобы обсудить ваш проект:
• WeChat: TY530643572
• Телефон: +86 137 1166 0041
