Võrguvälise elektrisüsteemi projekteerimine: põhjalik ülemaailmne juhend

Energiasõltumatuse poole püüdlemine võrguvälise elektrisüsteemi abil võib olla nii võimestav kui ka keeruline. See põhjalik juhend pakub detailset tegevuskava vastupidava ja usaldusväärse võrguvälise elektrisüsteemi projekteerimiseks, mis sobib erinevatesse asukohtadesse ja rakendustesse üle maailma. Olenemata sellest, kas toidate elektriga kauget onni Kanada metsikus looduses, säästvat talu Costa Ricas või uurimisjaama Austraalia sisemaal, on võrguvälise süsteemi projekteerimise aluste mõistmine ülioluline.

Oma energiavajaduste mõistmine

Esimene ja kõige olulisem samm on oma energiavajaduste täpne hindamine. See hõlmab kõigi elektriliste koormuste üksikasjalikku analüüsi, mida kavatsete toita. Vajaduste üle- või alahindamine võib põhjustada ebaefektiivsust, suuremaid kulusid ja süsteemi rikkeid.

1. Koormuse audit: seadmete ja tarvikute tuvastamine

Koostage põhjalik nimekiri kõigist elektriseadmetest ja tarvikutest, mida plaanite kasutada. Lisage sinna kõik alates valgustusest ja külmkapist kuni arvutite, elektritööriistade ja meelelahutussüsteemideni. Märkige iga eseme kohta järgmine teave:

• Võimsus (W): Seadme energiatarbimine töötamise ajal. See teave on tavaliselt leitav seadme sildilt või kasutusjuhendist.
• Pinge (V): Pinge, millel seade töötab (nt 120V, 230V). See on oluline sobiva inverteri valimisel.
• Igapäevane kasutus (tundi): Keskmine tundide arv päevas, mil eeldate seadet kasutavat.

Näide:

Seade	Võimsus (W)	Pinge (V)	Igapäevane kasutus (tundi)
Külmik	150	230	24 (Lülitub sisse ja välja)
LED-valgustus (5 pirni)	10	230	6
Sülearvuti	60	230	4
Veepump	500	230	1

2. Igapäevase energiatarbimise arvutamine

Kui olete iga seadme kohta vajaliku teabe kogunud, arvutage igapäevane energiatarbimine vatt-tundides (Wh), kasutades järgmist valemit:

Igapäevane energiatarbimine (Wh) = Võimsus (W) x Igapäevane kasutus (tundi)

Näide:

• Külmik: 150W x 24 tundi = 3600 Wh
• LED-valgustus: 10W x 5 pirni x 6 tundi = 300 Wh
• Sülearvuti: 60W x 4 tundi = 240 Wh
• Veepump: 500W x 1 tund = 500 Wh

3. Kogu igapäevase energiatarbimise kindlaksmääramine

Liitke kõigi seadmete igapäevane energiatarbimine, et määrata kindlaks oma kogu igapäevane energiatarbimine. Meie näites:

Kogu igapäevane energiatarbimine = 3600 Wh + 300 Wh + 240 Wh + 500 Wh = 4640 Wh

4. Inverteri kasuteguriga arvestamine

Inverterid, mis muundavad akude alalisvoolu (DC) teie seadmete jaoks vahelduvvooluks (AC), ei ole 100% tõhusad. Tavaliselt on inverterite kasutegur umbes 85-95%. Selle kao arvessevõtmiseks jagage oma kogu igapäevane energiatarbimine inverteri kasuteguriga:

Korrigeeritud igapäevane energiatarbimine (Wh) = Kogu igapäevane energiatarbimine (Wh) / Inverteri kasutegur

Eeldades inverteri kasuteguriks 90%:

Korrigeeritud igapäevane energiatarbimine = 4640 Wh / 0.90 = 5155.56 Wh

5. Hooajaliste erinevustega arvestamine

Energiatarbimine võib varieeruda sõltuvalt aastaajast. Näiteks võite talvel kasutada rohkem valgustust või suvel rohkem kliimaseadet. Arvestage nende erinevustega oma energiavajaduste arvutamisel. Võimalik, et peate oma süsteemi projekteerima nii, et see tuleks toime kõrgeima energiatarbimisega hooajal.

Oma energiaallika valimine

Kui teil on oma energiavajadustest selge ülevaade, on järgmine samm valida oma võrguvälise süsteemi peamine energiaallikas. Kõige tavalisemad valikud on päike, tuul, vesi ja generaatorid.

1. Päikeseenergia

Päikeseenergia on paljudes võrguvälistes rakendustes sageli kõige praktilisem ja kulutõhusam variant. See on puhas, usaldusväärne ning suhteliselt lihtne paigaldada ja hooldada. Siin on, mida peate kaaluma:

• Päikesepaneeli tüüp: Peamised tüübid on monokristallilised, polükristallilised ja õhukese kilega paneelid. Monokristallilised paneelid on üldiselt tõhusamad, kuid ka kallimad. Polükristallilised paneelid on hea tasakaal hinna ja jõudluse vahel. Õhukese kilega paneelid on vähem tõhusad, kuid võivad teatud rakendustes olla paindlikumad ja kulutõhusamad.
• Paneeli võimsus: Valige paneelid, mille võimsus vastab teie energiavajadustele ja saadaolevale ruumile. Suurema võimsusega paneelid vajavad sama võimsuse saavutamiseks vähem ruumi.
• Päikesekiirguse intensiivsus: Teie asukohas saadaoleva päikesevalguse hulk on päikesepaneelide massiivi suuruse määramisel ülioluline. Kasutage oma piirkonna päikesekiirguse andmete leidmiseks veebiressursse, nagu Global Solar Atlas (mida haldab Maailmapank). Neid andmeid mõõdetakse tavaliselt kilovatt-tundides ruutmeetri kohta päevas (kWh/m²/päevas).
• Paneeli orientatsioon ja kalle: Optimeerige oma paneelide nurka ja suunda, et maksimeerida päikesevalguse püüdmist. Üldiselt tagab paneelide suunamine lõunasse (põhjapoolkeral) või põhja (lõunapoolkeral) teie laiuskraadiga võrdse nurga all optimaalse jõudluse. Kuid kohalikud tingimused ja varjutus võivad nõuda kohandusi.

Näide: Päikesepaneelide vajaduse arvutamine

Oletame, et vajate 5155.56 Wh energiat päevas ja teie asukoht saab keskmiselt 5 kWh/m²/päevas päikesekiirgust. Kasutate 300 W päikesepaneele.

1. Määrake efektiivsete päikesetundide arv: Efektiivsed päikesetunnid = Päikesekiirguse intensiivsus (kWh/m²/päevas) = 5 tundi

2. Arvutage ühe paneeli poolt päevas toodetud energia: Energia paneeli kohta = Paneeli võimsus (W) x Efektiivsed päikesetunnid (tundi) = 300 W x 5 tundi = 1500 Wh

3. Määrake vajalike paneelide arv: Paneelide arv = Korrigeeritud igapäevane energiatarbimine (Wh) / Energia paneeli kohta (Wh) = 5155.56 Wh / 1500 Wh = 3.44 paneeli

Kuna te ei saa paigaldada paneeli murdosa, vajaksite vähemalt 4 päikesepaneeli.

2. Tuuleenergia

Tuuleenergia võib olla elujõuline variant piirkondades, kus on püsivad tuuleolud. Siin on mõned peamised kaalutlused:

• Tuuleturbiini suurus: Valige turbiini suurus, mis vastab teie energiavajadustele ja teie piirkonna tuuleoludele. Väikseid tuuleturbiine (1-10 kW) kasutatakse tavaliselt elamute rakendustes.
• Tuule kiirus: Keskmine tuule kiirus on kriitiline tegur. Tuuleenergia toodang suureneb eksponentsiaalselt tuule kiirusega, seega võib isegi väike keskmise tuule kiiruse suurenemine energiatootmist märkimisväärselt suurendada. Kasutage oma piirkonna tuulevarude hindamiseks veebiressursse ja kohalikke ilmateateid.
• Turbiini paigutus: Paigutage turbiin kohta, kus on minimaalselt takistusi tuulevoolule. Arvestage puude, hoonete ja muude takistuste kõrgusega. Üldiselt, mida kõrgemal on turbiin, seda parem on tuulevaru.
• Müra ja esteetika: Arvestage turbiini tekitatava müraga ja selle visuaalse mõjuga ümbritsevale keskkonnale. Konsulteerige kohalike omavalitsustega lubade nõuete osas.

3. Hüdroenergia

Kui teil on juurdepääs usaldusväärsele ojale või jõele, võib hüdroenergia olla väga tõhus ja püsiv energiaallikas. Hüdroenergia nõuab aga keskkonnaalaste eeskirjade tõttu hoolikat planeerimist ja lubade hankimist.

• Veevool: Turbiini läbiva vee hulk on ülioluline. Mõõtke oja või jõe vooluhulk, tavaliselt kuupjalgades sekundis (CFS) või liitrites sekundis (LPS).
• Rõhukõrgus: Vertikaalne vahemaa, mille vesi langeb sissevõtust turbiinini, on tuntud kui rõhukõrgus. Suurem rõhukõrgus tähendab üldiselt rohkem võimsust.
• Turbiini tüüp: Valige turbiini tüüp, mis sobib teie veeallika rõhukõrguse ja vooluhulgaga. Levinud tüübid on Peltoni, Turgo ja Francise turbiinid.
• Keskkonnamõju: Hinnake oma hüdroenergiasüsteemi keskkonnamõju. Minimeerige veeökosüsteemide häirimist ja tagage vastavus kõigile kehtivatele eeskirjadele.

4. Generaatorid

Generaatorid võivad toimida varutoiteallikana aegadel, mil taastuvenergiaallikad on piiratud, näiteks pikkade pilviste ilmade või madala tuule korral. Neid saab kasutada ka taastuvenergiaallikate täiendamiseks tippnõudluse perioodidel.

• Generaatori tüüp: Valige generaatori tüüp, mis sobib teie vajadustele. Levinud valikud on bensiini-, propaani- ja diiselgeneraatorid. Arvestage selliste teguritega nagu kütuse saadavus, maksumus ja heitkogused.
• Generaatori suurus: Valige generaatori suurus, mis suudab toime tulla teie süsteemi tippkoormusega. Parem on generaatorit veidi üle dimensioneerida kui ala dimensioneerida, kuna ala dimensioneeritud generaatorid võivad üle koormata ja kahjustuda.
• Automaatne ümberlüliti (ATS): ATS lülitab automaatselt generaatori ja taastuvenergiaallika vahel, tagades sujuva toite katkestuste ajal või kui taastuvenergia pole saadaval.

Akusalvestus

Akusalvestus on enamiku võrguväliste elektrisüsteemide oluline komponent. Akud salvestavad taastuvenergiaallikate toodetud liigse energia, võimaldades teil seda kasutada siis, kui päike ei paista või tuul ei puhu. Õige akutüübi ja suuruse valimine on süsteemi jõudluse ja pikaealisuse jaoks ülioluline.

1. Aku tüüp

• Pliiakud: Vedel elektrolüüdiga (FLA), absorbeeriva klaasmatiga (AGM) ja geelakud on kõige levinumad pliiakude tüübid, mida kasutatakse võrguvälistes süsteemides. FLA-akud on kõige taskukohasemad, kuid nõuavad regulaarset hooldust. AGM- ja geelakud on hooldusvabad, kuid kallimad.
• Liitiumioonakud: Liitiumioonakud pakuvad suuremat energiatihedust, pikemat eluiga ja paremat jõudlust kui pliiakud. Need on kallimad, kuid sageli on nende eluea jooksul tsükli kohta madalam kulu. Liitium-raudfosfaat (LiFePO4) akud on populaarne valik nende ohutuse ja stabiilsuse tõttu.

2. Aku mahtuvus

Aku mahtuvus määrab, kui palju energiat saate salvestada. Aku mahtuvust mõõdetakse ampertundides (Ah) kindla pinge juures (nt 12V, 24V või 48V). Vajaliku aku mahtuvuse määramiseks arvestage järgmisega:

• Autonoomia päevad: Päevade arv, mil soovite oma koormusi toita ilma taastuvenergiaallikate sisendita. Tavaliselt soovitatakse 2-3 päeva autonoomiat.
• Tühjendussügavus (DoD): Aku mahtuvuse protsent, mida saab tühjendada ilma akut kahjustamata. Pliiakudel on tavaliselt DoD 50%, samas kui liitiumioonakusid saab sageli tühjendada kuni 80% või rohkem.

Näide: Aku mahtuvuse arvutamine

Peate salvestama 5155.56 Wh energiat päevas ja soovite 2 päeva autonoomiat. Kasutate 48V süsteemi liitiumioonakudega, mille DoD on 80%.

1. Arvutage vajalik kogu energiasalvestus: Kogu energiasalvestus (Wh) = Korrigeeritud igapäevane energiatarbimine (Wh) x Autonoomia päevad = 5155.56 Wh x 2 päeva = 10311.12 Wh

2. Arvutage kasutatav energiasalvestus: Kasutatav energiasalvestus (Wh) = Kogu energiasalvestus (Wh) x Tühjendussügavus = 10311.12 Wh x 0.80 = 8248.9 Wh

3. Arvutage vajalik aku mahtuvus ampertundides: Aku mahtuvus (Ah) = Kasutatav energiasalvestus (Wh) / Süsteemi pinge (V) = 8248.9 Wh / 48V = 171.85 Ah

Vajaksite akupanka, mille mahtuvus on vähemalt 172 Ah pingel 48V.

Inverteri valik

Inverter muundab akude alalisvoolu (DC) teie seadmete jaoks vahelduvvooluks (AC). Õige inverteri valimine on teie võrguvälise süsteemi ühilduvuse ja tõhusa töö tagamiseks ülioluline.

1. Inverteri suurus

Inverter peab suutma toime tulla teie süsteemi tippkoormusega. Liitke kokku kõigi seadmete võimsus, mis võivad samaaegselt töötada, ja valige inverter, mille pidev võimsus ületab seda väärtust. Samuti on oluline arvestada inverteri hetkevõimsusega, mis on võime tulla toime lühiajaliste võimsuspiikidega seadmetest nagu mootorid ja kompressorid.

2. Inverteri tüüp

• Puhta siinuslaine inverterid: Need inverterid toodavad puhast ja stabiilset vahelduvvoolu lainekuju, mis on ideaalne tundlikule elektroonikale ja seadmetele. Nad on kallimad kui modifitseeritud siinuslaine inverterid, kuid pakuvad paremat jõudlust ja ühilduvust.
• Modifitseeritud siinuslaine inverterid: Need inverterid toodavad astmelist vahelduvvoolu lainekuju, mis on vähem puhas kui puhas siinuslaine. Nad on odavamad, kuid ei pruugi ühilduda kõigi seadmetega, eriti nendega, millel on mootorid või taimerid.

3. Inverteri kasutegur

Inverteri kasutegur on protsent alalisvoolust, mis muundatakse vahelduvvooluks. Kõrgema kasuteguriga inverterid raiskavad vähem energiat ja aitavad vähendada teie üldist energiatarbimist. Otsige invertereid, mille kasutegur on 90% või kõrgem.

Laadimiskontrollerid

Laadimiskontrollerid reguleerivad energiavoogu taastuvenergiaallikast akudesse, vältides ülelaadimist ja pikendades akude eluiga. On kaks peamist tüüpi laadimiskontrollereid:

1. PWM (Pulse Width Modulation) laadimiskontrollerid

PWM laadimiskontrollerid on odavamad, kuid vähem tõhusad kui MPPT laadimiskontrollerid. Need sobivad väiksematele süsteemidele, kus päikesepaneelide pinge on lähedal akude pingele.

2. MPPT (Maximum Power Point Tracking) laadimiskontrollerid

MPPT laadimiskontrollerid on tõhusamad ja suudavad päikesepaneelidest rohkem energiat ammutada, eriti vähese valguse tingimustes. Need on kallimad, kuid on üldiselt soovitatavad suurematele süsteemidele ja süsteemidele, kus päikesepaneelide pinge on oluliselt kõrgem kui akude pinge.

Juhtmestik ja ohutus

Nõuetekohane juhtmestik ja ohutuspraktikad on ohutu ja usaldusväärse võrguvälise elektrisüsteemi jaoks hädavajalikud. Konsulteerige kvalifitseeritud elektrikuga, et tagada teie süsteemi õige paigaldamine ja vastavus kõigile kehtivatele elektrinormidele.

• Juhtmete ristlõike valik: Kasutage sobiva suurusega juhtmeid, et tulla toime voolutugevusega teie süsteemis. Alamõõdulised juhtmed võivad üle kuumeneda ja põhjustada tuleohtu.
• Kaitsmed ja kaitselülitid: Paigaldage kaitsmed ja kaitselülitid, et kaitsta oma süsteemi ülekoormuste ja lühiste eest.
• Maandus: Maandage oma süsteem nõuetekohaselt, et kaitsta elektrilöögi eest.
• Lahutuslülitid: Paigaldage lahutuslülitid, et eraldada oma süsteemi erinevaid komponente hoolduseks ja remondiks.

Koormuse juhtimine ja energiasääst

Isegi hästi projekteeritud võrguvälise elektrisüsteemi puhul on oluline praktiseerida koormuse juhtimist ja energiasäästu, et minimeerida energiatarbimist ja pikendada akude eluiga.

• Kasutage energiatõhusaid seadmeid: Valige kõrge energiatõhususe reitinguga seadmeid (nt Energy Star).
• Lülitage tuled ja seadmed välja, kui neid ei kasutata: Harjutage tulede ja seadmete väljalülitamist, kui te neid ei kasuta.
• Kasutage LED-valgustust: LED-valgustus on palju tõhusam kui traditsiooniline hõõg- või luminofoorlampidega valgustus.
• Minimeerige fantoomkoormusi: Eemaldage elektroonikaseadmed vooluvõrgust, kui neid ei kasutata, kuna need võivad jätkata voolu tarbimist isegi siis, kui need on välja lülitatud.
• Planeerige suure energiakuluga tegevusi: Planeerige suure energiakuluga tegevusi nagu pesupesemine ja vee soojendamine aegadele, mil taastuvenergiat on külluses.

Järelevalve ja hooldus

Regulaarne järelevalve ja hooldus on teie võrguvälise elektrisüsteemi pikaajalise jõudluse ja usaldusväärsuse tagamiseks hädavajalikud.

• Jälgige aku pinget ja laetuse taset: Kontrollige regulaarselt oma akude pinget ja laetuse taset, et tagada nende nõuetekohane toimimine.
• Kontrollige päikesepaneele: Puhastage oma päikesepaneele perioodiliselt, et eemaldada mustus ja praht, mis võivad nende tõhusust vähendada. Kontrollige kahjustuste või lagunemise märke.
• Kontrollige juhtmestikku ja ühendusi: Kontrollige kõiki juhtmestikke ja ühendusi korrosiooni või lahtiste ühenduste märkide suhtes.
• Hooldage akusid: Järgige tootja soovitusi akude hoolduseks, näiteks vedel elektrolüüdiga pliiakude veega täitmiseks.

Ülemaailmsed kaalutlused

Võrguvälise süsteemi projekteerimine ülemaailmseks kasutuselevõtuks nõuab mitmesuguste tegurite mõistmist, mis mõjutavad seadistuse jõudlust ja pikaealisust. Siin on mõned peamised aspektid, mida kaaluda:

Keskkonnategurid

Keskkonnategurid mängivad igas võrguvälises elektritootmissüsteemis tohutut rolli. Kaaluge järgmist:

• Temperatuur: Äärmuslikud temperatuurid võivad oluliselt mõjutada akude ja muude elektrooniliste komponentide jõudlust. Valige komponendid, mis on mõeldud teie asukoha temperatuurivahemikule. Kuumades kliimades kaaluge varjutuse või ventilatsiooni kasutamist, et hoida komponente jahedana. Külmades kliimades kaaluge isoleeritud korpuste või kütteelementide kasutamist, et hoida komponente soojana.
• Niiskus: Kõrge niiskus võib põhjustada korrosiooni ja kahjustada elektroonilisi komponente. Kasutage korrosioonikindlaid materjale ja tagage, et korpused oleksid korralikult tihendatud.
• Kõrgus merepinnast: Kõrgus merepinnast võib mõjutada generaatorite ja muude sisepõlemismootorite jõudlust madalama õhutiheduse tõttu. Konsulteerige tootja spetsifikatsioonidega kõrguse vähendustegurite osas.
• Tolm ja liiv: Kõrbekeskkondades võib tolm ja liiv koguneda päikesepaneelidele ja vähendada nende tõhusust. Kasutage sileda, isepuhastuva pinnaga paneele ja puhastage neid regulaarselt.
• Äärmuslikud ilmastikunähtused: Arvestage äärmuslike ilmastikunähtuste, nagu orkaanid, tsüklonid, üleujutused ja maavärinad, riskiga. Projekteerige oma süsteem nii, et see peaks vastu nendele sündmustele ja kaitseks kriitilisi komponente.

Regulatiivsed ja loadega seotud nõuded

Kohalikud eeskirjad ja loadega seotud nõuded võivad riigiti ja isegi sama riigi eri piirkondades oluliselt erineda. Uurige ja järgige kõiki kohaldatavaid eeskirju enne oma võrguvälise elektrisüsteemi paigaldamist.

• Ehitusnormid: Tagage, et teie süsteem vastab kõigile kohaldatavatele ehitusnormidele.
• Elektrinormid: Tagage, et teie süsteem vastab kõigile kohaldatavatele elektrinormidele.
• Keskkonnaeeskirjad: Järgige kõiki kohaldatavaid keskkonnaeeskirju müra, heitkoguste ja veekasutuse kohta.
• Lubade nõuded: Hankige kõik vajalikud load enne oma süsteemi paigaldamist.

Sotsiaal-majanduslikud tegurid

Sotsiaal-majanduslikud tegurid võivad samuti mõjutada võrguväliste elektrisüsteemide projekteerimist ja rakendamist, eriti arengumaades.

• Taskukohasus: Valige komponendid, mis on kohalikule elanikkonnale taskukohased ja kättesaadavad.
• Varuosade ja hoolduse kättesaadavus: Tagage, et varuosad ja hooldus on teie asukohas kergesti kättesaadavad.
• Kohalik ekspertiis: Koolitage kohalikke tehnikuid oma süsteemi paigaldama, hooldama ja parandama.
• Kogukonna kaasamine: Kaasake kohalik kogukond oma süsteemi planeerimisse ja rakendamisse, et tagada selle pikaajaline edu.

Kokkuvõte

Võrguvälise elektrisüsteemi projekteerimine on keeruline ettevõtmine, mis nõuab hoolikat planeerimist, täpseid arvutusi ning olemasolevate ressursside ja tehnoloogiate põhjalikku mõistmist. Järgides selles juhendis toodud samme, saate luua usaldusväärse ja säästva võrguvälise elektrisüsteemi, mis vastab teie energiavajadustele ja tagab teile energiasõltumatuse. Pidage meeles, et esmatähtis on ohutus, järgige kohalikke eeskirju ning arvestage oma süsteemi pikaajalise hoolduse ja tööga. Nõuetekohase planeerimise ja teostusega võib teie võrguväline elektrisüsteem pakkuda teile puhast ja usaldusväärset energiat aastateks.