Предисловие
«Учитывая прогнозируемую на неделю дождливую погоду, будет ли моя солнечная энергетическая система работать исправно?»
Это одна из самых больших проблем для многих пользователей солнечной энергии. Особенно в сезон дождей, в период перехода от осени к зиме или в периоды продолжительных дождей, выработка электроэнергии солнечными панелями значительно снижается, что заставляет пользователей беспокоиться: достаточно ли вырабатывается электроэнергии? Разрядятся ли батареи? Придётся ли нам снова полагаться на покупку электроэнергии, чтобы сводить концы с концами?
Это беспокойство вполне объяснимо. Солнечные энергетические системы по сути зависят от погодных условий; снижение выработки электроэнергии неизбежно в периоды длительной облачной или дождливой погоды. Однако это не означает, что солнечные системы непригодны для использования в облачные или дождливые дни — ключ к успеху кроется в конфигурации системы и готовности пользователя. В этой статье будет подробно проанализирована степень влияния длительных облачных или дождливых дней на солнечные системы и способы обеспечения непрерывной и стабильной работы системы за счет соответствующей конфигурации накопителей энергии.
I. Насколько существенно влияние дождливых дней на системы солнечной энергетики?
Прежде чем обсуждать стратегии преодоления трудностей, необходимо уточнить вопрос о том, «насколько снижается выработка электроэнергии в дождливые дни».
Солнечные панели вырабатывают электроэнергию на основе фотоэлектрического эффекта, который, по сути, заключается в возбуждении электронов фотонами для создания электрического тока. В пасмурные дни солнечный свет проникает сквозь плотные облака, значительно уменьшая количество фотонов; интенсивность солнечного света, достигающего солнечных панелей, составляет всего 10–30% от интенсивности в солнечный день. Точное снижение зависит от толщины и типа облачности. В пасмурный день с тонкими облаками выработка электроэнергии может составлять 30–50% от выработки в солнечный день; в пасмурный день с плотными облаками выработка электроэнергии может составлять всего 10–20% от выработки в солнечный день.
Чтобы это было нагляднее, рассмотрим некоторые конкретные цифры. В Восточном Китае система мощностью 5 кВт может вырабатывать от 20 до 25 кВт·ч электроэнергии в сутки в солнечный день; в слегка облачный день выработка может упасть до 8–12 кВт·ч; а в течение периода непрерывных дождливых дней выработка может составлять всего 3–6 кВт·ч. Если неделя выдается непрерывно в дождливые дни, выработка за эту неделю может составлять лишь одну пятую от выработки в солнечный день, или даже меньше.
Однако влияние пасмурных и дождливых дней не ограничивается только снижением выработки электроэнергии; существует еще один легко упускаемый из виду фактор — температура. Многие знают, что эффективность выработки электроэнергии солнечными панелями снижается с повышением температуры. И наоборот, низкие температуры также влияют на эффективность солнечных панелей, но этот эффект положительный — эффективность выработки электроэнергии фактически выше при более низких температурах. Поэтому, хотя пасмурные и дождливые дни уменьшают количество солнечного света, повышение эффективности за счет более низких температур не может компенсировать потерю солнечного света, и общая выработка электроэнергии все равно снижается.
Кроме того, после серии дождливых дней на поверхности солнечных панелей может скапливаться пыль и грязь. После улучшения погоды эффективность выработки электроэнергии панелями может снизиться еще на 10-15%. Это еще одно скрытое последствие дождливой погоды для солнечных энергетических систем.
В целом, влияние продолжительных дождливых дней на системы солнечной энергетики проявляется главным образом в трех аспектах: выработка электроэнергии снижается до 10–30% от уровня солнечных дней, накопление пыли на панелях может повлиять на эффективность выработки электроэнергии после солнечных дней, а пользователи станут более экономно расходовать электроэнергию.
II. Как работают системы хранения энергии в дождливые дни
В пасмурные или дождливые дни выработка солнечной энергии снижается, но бытовые приборы по-прежнему необходимо использовать и заряжать. Кто заполнит этот пробел? Ответ – аккумуляторные батареи для хранения энергии.
Роль систем хранения энергии в дождливую погоду можно рассматривать в трех этапах.
Первый этап происходит в дневное время в пасмурные или дождливые дни. Солнечные панели продолжают вырабатывать электроэнергию, но в меньших количествах, чем в солнечные дни. В это время батареи находятся в состоянии «заряд-разряд» — электроэнергия, вырабатываемая панелями, в первую очередь используется для бытовых нужд; если есть избыток, он заряжает батареи; если выработки панелей недостаточно, батареи разряжаются для ее восполнения. Это процесс динамического равновесия. Состояние заряда-разряда батареи в пасмурные или дождливые дни в основном зависит от двух факторов: остаточного заряда батареи (SOC) и текущей электрической нагрузки домохозяйства.
Второй этап приходится на пасмурные или дождливые ночи. Солнечные панели перестают вырабатывать электроэнергию, и всё потребление энергии переходит на батареи. Если ёмкость батареи достаточно велика, она может обеспечить основную нагрузку ночью — холодильник, роутер, освещение и некоторые электрические розетки. Ключевым моментом на этом этапе является концепция «основной нагрузки». Не все электроприборы должны работать ночью; важно сознательно корректировать время потребления электроэнергии, планируя использование мощных приборов в дневное время, насколько это возможно.
Третий этап — это заключительная часть периода непрерывных дождей. Если дождливая погода длится много дней, батарея может постепенно разряжаться. В это время есть несколько возможных способов решения проблемы: во-первых, сократить использование некритичных электроприборов, чтобы уменьшить электрическую нагрузку; во-вторых, запустить резервный источник питания, например, дизель-генератор (если это гибридная система); в-третьих, временно возобновить закупку электроэнергии из сети и вернуться к режиму накопления энергии после полной зарядки батареи, когда погода улучшится.
Как только вы поймете эти три этапа, вы оцените преимущества систем хранения энергии в пасмурные или дождливые дни — они действуют как «буфер», сглаживая колебания выработки солнечной энергии и позволяя пользователям использовать электроэнергию, вырабатываемую солнечными системами, обычно в пасмурные или дождливые дни, вместо того, чтобы полностью полагаться на электросеть.
III. Сколько дней могут работать аккумуляторные батареи различной емкости?
Больше всего всех волнует вопрос: «На сколько дождливых дней хватит заряда моей батареи?»
Чтобы ответить на этот вопрос, нам сначала нужно выяснить два показателя: сколько электроэнергии требуется каждый день в дождливые дни и сколько чистой электроэнергии потребляет батарея каждый день.
Рассмотрим в качестве примера типичную семью из трех человек. Их базовое ночное потребление электроэнергии (холодильник, роутер, освещение, зарядка телефона и т. д.) составляет примерно 1–2 кВт⋅ч. Если солнечные панели вырабатывают ровно столько электроэнергии, сколько нужно семье в течение дня, и не заряжают аккумулятор, то после потребления 2 кВт⋅ч ночью в аккумуляторе емкостью 10 кВт⋅ч останется 8 кВт⋅ч. Если же панели вырабатывают только 5 кВт⋅ч на следующий день (в пасмурный день), и семья потребляет 2 кВт⋅ч, то чистый заряд составит 3 кВт⋅ч, и емкость аккумулятора вернется к 11 кВт⋅ч. Таким образом, в этом сценарии аккумулятор емкостью 10 кВт⋅ч может обеспечить электроэнергией семью в течение нескольких пасмурных или дождливых дней подряд.
Однако в домохозяйствах с гораздо более высоким потреблением электроэнергии или в тех, где необходимо использовать мощные электроприборы, такие как кондиционеры и водонагреватели, ночью, батарея будет разряжаться гораздо быстрее. Домохозяйство с центральным кондиционированием воздуха может потреблять от 5 до 8 киловатт-часов электроэнергии для охлаждения ночью летом, поэтому батареи емкостью 10 киловатт-часов может хватить всего на один-два дня.
Ниже приведена информация о «сроке службы батареи» различной емкости при различных электрических нагрузках:
Конфигурация с батареей на 10 кВт⋅ч: базовая нагрузка (1-2 кВт⋅ч/ночь) обеспечивает работу в течение 5-7 дней; средняя нагрузка (3-4 кВт⋅ч/ночь) — в течение 2-3 дней; высокая нагрузка (5-8 кВт⋅ч/ночь) — в течение 1-2 дней.
Конфигурация с батареей 20 кВт⋅ч: при базовой нагрузке заряда хватает на 10-14 дней; при средней нагрузке — на 5-7 дней; при высокой нагрузке — на 2-4 дня.
Конфигурация с батареей 30 кВт⋅ч: при базовой нагрузке заряда хватает на 15-21 день; при средней нагрузке — на 7-10 дней; при высокой нагрузке — на 3-5 дней.
Эти цифры рассчитаны исходя из предположения об отсутствии зарядки в течение дня. В действительности, даже в пасмурные или дождливые дни солнечные панели будут вырабатывать некоторое количество электроэнергии (10-30% в солнечные дни), поэтому фактический срок службы будет больше теоретического значения. Кроме того, если у вас дома медленная зарядная станция для электромобиля, зарядка автомобиля от батареи ночью приведет к гораздо более быстрому разряду батареи.
IV. Практические рекомендации по конфигурации систем хранения энергии в дождливые дни
Теперь, когда мы рассмотрели теорию, перейдем к практике — как следует настраивать и использовать системы хранения энергии в дождливую погоду?
Во-первых, я рекомендую рассчитывать емкость аккумулятора таким образом, чтобы его хватало как минимум на три дня. Это моя основная рекомендация. Для большинства семей три дождливых дня подряд — это разумный базовый показатель. Если в вашем районе много дождей, или если зимой сильный смог и очень мало солнца, можно рассчитать емкость на четыре-пять дней. Аккумулятора емкостью 10 кВт⋅ч обычно достаточно для базовой нагрузки средней семьи из трех человек; для семей с центральным кондиционированием воздуха или мощными бытовыми приборами я рекомендую аккумулятор емкостью не менее 20 кВт⋅ч.
Во-вторых, необходимо согласовать мощность фотоэлектрических панелей и аккумулятора. Некоторые считают, что если емкость аккумулятора достаточна, то панели не имеют значения. На самом деле, конфигурация фотоэлектрических панелей не менее важна — выработка электроэнергии в пасмурные или дождливые дни и так низкая. Если конфигурация панелей недостаточна, аккумулятор будет ежедневно находиться в состоянии «только потребляет энергию, но не полностью заряжается», и запас хода будет неуклонно сокращаться. Рекомендуется, чтобы мощность фотоэлектрических панелей была немного больше, чем мощность инвертора. Таким образом, хотя выработка электроэнергии панелями в пасмурные или дождливые дни будет ниже, она, по крайней мере, сможет компенсировать недостаток емкости аккумулятора.
В-третьих, старайтесь планировать использование мощных электроприборов на дневное время. Хотя солнечные панели вырабатывают меньше электроэнергии в пасмурные или дождливые дни, они все равно производят электричество, пока есть солнечный свет. Использование мощных электроприборов, таких как стиральные машины, сушилки и посудомоечные машины, в течение дня может снизить потребление заряда батареи ночью и продлить срок ее службы.
В-четвертых, обращайте внимание на прогноз погоды и планируйте потребление электроэнергии заранее. Это полезный совет, который многие упускают из виду. Сегодня прогнозы погоды на мобильных телефонах могут показывать погодные условия на следующую неделю или даже на более длительный срок. Если вы видите, что в ближайшие несколько дней будет облачно и дождливо, вы можете намеренно полностью зарядить аккумулятор в солнечные дни и использовать больше электроприборов в течение дня, чтобы заранее накопить электроэнергию.
В-пятых, рассмотрите возможность создания гибридной дизельной резервной системы электропитания. Для пользователей, которым важна бесперебойная подача электроэнергии, можно рассмотреть гибридное решение, сочетающее солнечную энергию, систему хранения энергии и дизельный генератор. Дизельный генератор может служить резервным источником питания, когда батарея разряжена и наблюдаются продолжительные пасмурные дни, либо заряжая батарею, либо обеспечивая прямое электропитание. Такая конфигурация дороже, но способна справиться с экстремальными ситуациями.
Шестое, регулярно очищайте солнечные панели. После череды пасмурных или дождливых дней на панелях может скапливаться пыль, листья, птичий помет и другой мусор. Эта грязь может блокировать солнечный свет и снижать эффективность выработки электроэнергии. Своевременная очистка панелей после прояснения погоды может восстановить эффективность выработки электроэнергии. В засушливых районах с небольшим количеством осадков рекомендуется чистить их раз в месяц; в районах с частым смогом или сильной запыленностью частоту очистки можно соответственно увеличить.
Заключение
Несколько дождливых дней подряд оказывают влияние на работу солнечных энергетических систем, но это не означает, что они «непригодны для использования», а скорее, что они «работают хуже, чем обычно». Выработка электроэнергии снизится до 10-30% от уровня солнечных дней, что потребует использования аккумуляторных батарей для компенсации дефицита.
Ключ к решению этой проблемы заключается в разумной конфигурации системы хранения энергии. Основные принципы таковы: емкость батареи должна быть достаточной, чтобы ее хватало как минимум на три дня; конфигурация фотоэлектрических панелей должна предусматривать запас мощности, чтобы батарея могла пополняться энергией даже в пасмурные или дождливые дни; а также необходимо согласовывать привычки потребления электроэнергии, по возможности планируя использование мощных электроприборов на дневное время.
Наконец, поговорим о настрое. После установки солнечной системы многие люди начинают чрезмерно беспокоиться о каждой выработанной единице электроэнергии. Они тревожатся, когда выработка электроэнергии низкая, и нервничают, когда падает уровень заряда батареи. Такой настрой понятен, но излишний. Солнечные системы рассчитаны на работу в зависимости от погоды; несколько пасмурных или дождливых дней — это нормально. При правильной настройке системы, достаточной емкости батареи и спокойном настрое даже пасмурные или дождливые дни можно успешно пережить.
В конце концов, небо всегда прояснится.
Пожалуйста, свяжитесь с Саймоном как можно скорее, чтобы обсудить ваш проект:
WeChat: TY530643572
Телефон: +86 137 1166 0041
