Saulės ir vėjo panaudojimas: Pasaulinis vadovas, kaip sukurti autonomines elektros energijos sistemas

Vis labiau susietame, tačiau dažnai nenuspėjamame pasaulyje, energetinės nepriklausomybės troškimas auga. Nesvarbu, ar tai lemia susirūpinimas aplinka, patikimos tinklo elektros energijos trūkumas, ar tiesiog noras būti savarankiškesniems, autonominės elektros energijos sistemos siūlo patrauklų sprendimą. Šiame vadove nagrinėjami pagrindiniai principai, technologijos ir geriausios praktikos, kaip projektuoti, statyti ir prižiūrėti autonomines elektros energijos sistemas, tinkamas namams, bendruomenėms ir net mažoms įmonėms visame pasaulyje.

Autonominės elektros energijos samprata

Autonominė elektros energija – tai sistema, kuri gamina ir kaupia elektros energiją nepriklausomai nuo pagrindinio elektros tinklo. Tai reiškia, kad reikia pasikliauti atsinaujinančiaisiais energijos šaltiniais, tokiais kaip saulės, vėjo, hidroenergija ar jų deriniu, kartu su akumuliatorių saugyklomis ir, kai kuriais atvejais, atsarginiais generatoriais.

Kodėl verta rinktis autonominę sistemą?

• Energetinė nepriklausomybė: Valdykite savo energijos tiekimą ir sumažinkite priklausomybę nuo komunalinių paslaugų įmonių.
• Išlaidų taupymas: Pašalinkite arba ženkliai sumažinkite sąskaitas už elektrą, ypač vietovėse, kur energijos kainos yra aukštos.
• Nauda aplinkai: Sumažinkite savo anglies pėdsaką naudodami švarius, atsinaujinančius energijos šaltinius.
• Patikimumas: Užtikrinkite elektros energijos tiekimą net ir tinklo gedimų ar stichinių nelaimių metu.
• Prieinamumas: Tiekite elektrą į atokias vietas, kur prieiga prie tinklo yra ribota arba jos nėra.

Savo energijos poreikių įvertinimas

Prieš pradedant projektuoti sistemą, labai svarbu suprasti savo energijos vartojimo įpročius. Tam reikia išsamiai įvertinti visus elektros prietaisus ir įrenginius, kuriuos ketinate maitinti.

1 žingsnis: Nustatykite visus elektros prietaisus

Sukurkite išsamų sąrašą visų elektros prietaisų, kuriuos planuojate naudoti, įskaitant šviestuvus, buitinius prietaisus (šaldytuvus, skalbimo mašinas, orkaites), elektroniką (kompiuterius, televizorius) ir bet kokią kitą įrangą. Prie kiekvieno prietaiso pažymėkite:

• Galia (W): Prietaiso suvartojama galia, kai jis veikia. Paprastai tai nurodyta etiketėje ant paties prietaiso.
• Veikimo valandos: Vidutinis valandų skaičius per dieną, kiek prietaisas yra naudojamas.
• Įtampa (V): Įtampa, kuria veikia prietaisas (daugumoje šalių paprastai 120 V arba 240 V).

2 žingsnis: Apskaičiuokite dienos energijos suvartojimą

Kiekvienam prietaisui jo galią padauginkite iš veikimo valandų, kad nustatytumėte dienos energijos suvartojimą vathalandėmis (Wh). Tada padalinkite iš 1000, kad konvertuotumėte į kilovatvalandes (kWh). Pavyzdžiui:

100 W lemputė, naudojama 4 valandas per dieną, sunaudoja (100 W x 4 val.) = 400 Wh arba 0,4 kWh per dieną.

Suskaičiuokite visų prietaisų dienos energijos suvartojimą, kad nustatytumėte bendrą dienos energijos poreikį. Nepamirškite atsižvelgti į sezoninius svyravimus – pavyzdžiui, šildymas ar oro kondicionavimas tam tikru metų laiku gali sunaudoti žymiai daugiau energijos.

3 žingsnis: Įvertinkite didžiausią apkrovą

Apsvarstykite maksimalią galios paklausą bet kuriuo metu. Tai svarbu nustatant inverterio dydį. Jei dažnai vienu metu naudojate kelis didelės galios prietaisus (pvz., oro kondicionierių, mikrobangų krosnelę ir elektrinį virdulį), jūsų inverteris turi gebėti atlaikyti tą didžiausią apkrovą.

Tinkamo atsinaujinančios energijos šaltinio pasirinkimas

Atsinaujinančios energijos šaltinių pasirinkimas priklauso nuo kelių veiksnių, įskaitant geografinę vietą, turimus išteklius, biudžetą ir energijos poreikius.

Saulės energija

Saulės energija yra populiariausias pasirinkimas autonominėms sistemoms dėl jos plataus prieinamumo ir gana mažų priežiūros reikalavimų. Saulės moduliai paverčia saulės šviesą elektra per fotovoltinį efektą.

Saulės modulių tipai:

• Monokristaliniai: Labai efektyvūs ir ilgaamžiai, bet brangesni.
• Polikristaliniai: Mažiau efektyvūs nei monokristaliniai, bet pigesni.
• Plonasluoksniai: Lankstūs ir lengvi, bet paprastai mažiau efektyvūs ir turi trumpesnį tarnavimo laiką.

Saulės modulių masyvo dydžio nustatymas:

Jūsų saulės modulių masyvo dydis priklauso nuo jūsų energijos poreikių ir saulės šviesos kiekio jūsų vietovėje. Naudokitės internetinėmis saulės skaičiuoklėmis ir atsižvelkite į tokius veiksnius kaip modulių efektyvumas, šešėliavimas ir pasvirimo kampas, kad nustatytumėte optimalų dydį. Regionuose su didele saulės spinduliuote (pvz., pietvakarių JAV, Australijos dalyse ir Artimuosiuose Rytuose) reikės mažesnių masyvų nei tuose, kur spinduliuotė mažesnė (pvz., šiaurės Europoje ar Pietryčių Azijos dalyse).

Pavyzdys:

Namų ūkiui Arizonoje, JAV, kuriam per dieną reikia 10 kWh energijos, gali prireikti 5 kW saulės modulių masyvo, o panašiam namų ūkiui Škotijoje gali prireikti 7 kW masyvo, kad būtų kompensuotas mažesnis saulės šviesos lygis.

Vėjo energija

Vėjo turbinos paverčia vėjo energiją elektra. Vėjo energija yra perspektyvus pasirinkimas vietovėse, kuriose nuolat pučia stiprūs vėjai.

Vėjo turbinų tipai:

• Horizontalios ašies vėjo turbinos (HAWT): Labiausiai paplitęs tipas, kurio mentės sukasi aplink horizontalią ašį.
• Vertikalios ašies vėjo turbinos (VAWT): Mažiau efektyvios nei HAWT, bet gali pagauti vėją iš bet kurios krypties.

Vėjo turbinos vietos parinkimas:

Tinkamas vietos parinkimas yra labai svarbus norint maksimaliai išnaudoti vėjo energiją. Atsižvelkite į tokius veiksnius kaip vėjo greitis, vyraujanti vėjo kryptis ir kliūtys, kurios galėtų užstoti vėją. Aukštesni bokštai paprastai pagauna stipresnius, pastovesnius vėjus. Tačiau atsižvelkite į vietos reglamentus dėl bokšto aukščio ir triukšmo taršos.

Pavyzdys:

Pajūrio regionai Airijoje ir Škotijoje yra gerai pritaikyti vėjo energijai, o miškingos vidaus teritorijos gali būti ne tokios efektyvios.

Hidroenergija

Hidroenergija naudoja tekančio vandens energiją elektrai gaminti. Ši galimybė tinka vietovėms, kuriose yra patikimas upelis ar upė.

Hidroenergetinių sistemų tipai:

• Mikrohidroelektrinės: Mažo masto sistemos, gaminančios kelis kilovatus galios.
• Pikohidroelektrinės: Labai mažos sistemos, gaminančios kelis šimtus vatų galios.

Svarstymai dėl hidroenergijos:

Hidroenergijai reikalingas pastovus vandens srautas. Leidimai ir aplinkosaugos reglamentai yra svarbūs aspektai, nes užtvankos gali paveikti vietos ekosistemas. Prieš įdiegiant hidroenergetinę sistemą, reikia atidžiai įvertinti poveikį aplinkai.

Pavyzdys:

Bendruomenės Himalajuose ir Andų kalnuose dažnai naudoja mikrohidroelektrines sistemas atokiems kaimams aprūpinti elektra.

Akumuliatorių saugykla: Autonominės sistemos širdis

Akumuliatorių saugykla yra būtina norint kaupti perteklinę energiją, pagamintą iš atsinaujinančių šaltinių, ir tiekti energiją, kai saulė nešviečia ar vėjas nepučia.

Akumuliatorių tipai:

• Rūgštiniai švino akumuliatoriai: Pigiausias variantas, bet turi trumpesnį tarnavimo laiką ir reikalauja reguliarios priežiūros. Skysto elektrolito rūgštiniai švino akumuliatoriai reikalauja daugiau priežiūros nei sandarūs AGM (sugertos stiklo vatos) ar geliniai akumuliatoriai.
• Ličio jonų akumuliatoriai: Brangesni nei rūgštiniai švino akumuliatoriai, bet pasižymi didesniu energijos tankiu, ilgesniu tarnavimo laiku ir reikalauja mažiau priežiūros. Ličio geležies fosfato (LiFePO4) akumuliatoriai yra populiarus ir saugus pasirinkimas autonominėms sistemoms.

Akumuliatorių banko dydžio nustatymas:

Jūsų akumuliatorių banko dydis priklauso nuo jūsų energijos suvartojimo įpročių, pagaminamos atsinaujinančios energijos kiekio ir norimos autonomijos (dienų skaičiaus, kiek norite, kad sistema veiktų be jokio atsinaujinančios energijos tiekimo). Gera taisyklė yra nustatyti akumuliatorių banko dydį taip, kad jis užtikrintų bent 2-3 dienų autonomiją.

Iškrovimo gylis (DoD):

Atsižvelkite į savo akumuliatorių iškrovimo gylį (DoD). Rūgštinių švino akumuliatorių negalima iškrauti daugiau nei 50 %, norint prailginti jų tarnavimo laiką, o ličio jonų akumuliatorius paprastai galima iškrauti iki 80 % ar net 90 %.

Pavyzdys:

Jei per dieną suvartojate 10 kWh energijos ir norite 2 dienų autonomijos, jums reikės akumuliatorių banko, kurio talpa būtų bent 20 kWh. Atsižvelgiant į 50 % DoD rūgštiniams švino akumuliatoriams, jums reikėtų 40 kWh akumuliatorių banko.

Inverteriai: Nuolatinės srovės keitimas į kintamąją

Dauguma buitinių prietaisų ir įrenginių veikia naudodami kintamosios srovės (AC) elektrą. Inverteriai paverčia nuolatinės srovės (DC) elektrą, pagamintą saulės modulių, vėjo turbinų ir sukauptą akumuliatoriuose, į kintamosios srovės (AC) elektrą.

Inverterių tipai:

• Grynos sinusinės bangos inverteriai: Gamina švarią, stabilią kintamosios srovės bangos formą, kuri yra suderinama su visų tipų prietaisais. Rekomenduojama jautriai elektronikai.
• Modifikuotos sinusinės bangos inverteriai: Pigesni nei grynos sinusinės bangos inverteriai, bet gali būti nesuderinami su visais prietaisais, ypač su tais, kurie turi variklius ar jautrią elektroniką.

Inverterio dydžio nustatymas:

Jūsų inverteris turi gebėti atlaikyti didžiausią galios paklausą. Pasirinkite inverterį, kurio nuolatinė galia viršija jūsų maksimalią numatomą apkrovą. Taip pat atsižvelkite į viršįtampio galią, reikalingą varikliams ir kitiems didelės galios prietaisams paleisti.

Įkrovimo valdikliai: Akumuliatoriaus įkrovimo valdymas

Įkrovimo valdikliai reguliuoja įtampą ir srovę, tekančią iš jūsų atsinaujinančios energijos šaltinio į akumuliatorius, apsaugodami nuo perkrovimo ir prailgindami akumuliatorių tarnavimo laiką.

Įkrovimo valdiklių tipai:

• Impulsų pločio moduliacijos (PWM) įkrovimo valdikliai: Pigesni, bet mažiau efektyvūs, ypač šaltame klimate.
• Maksimalios galios taško sekimo (MPPT) įkrovimo valdikliai: Efektyvesni nei PWM valdikliai, ypač kintančiomis saulės šviesos sąlygomis. MPPT valdikliai optimizuoja jūsų saulės modulių galią nuolat reguliuodami įtampą ir srovę.

Laidai ir saugos aspektai

Tinkami laidai ir saugos priemonės yra labai svarbūs bet kuriai autonominei elektros energijos sistemai. Pasikonsultuokite su kvalifikuotu elektriku, kad įsitikintumėte, jog jūsų sistema yra įdiegta saugiai ir atitinka vietos elektros kodeksus.

Pagrindinės saugos priemonės:

• Naudokite tinkamo dydžio laidus ir saugiklius.
• Įdiekite viršįtampių apsaugas, kad apsaugotumėte savo įrangą nuo galios šuolių.
• Tinkamai įžeminkite savo sistemą.
• Aiškiai paženklinkite visus laidus ir komponentus.
• Reguliariai tikrinkite savo sistemą, ar nėra pažeidimų ar nusidėvėjimo požymių.
• Periodiškai leiskite kvalifikuotam elektrikui patikrinti jūsų sistemą.

Sistemos stebėjimas ir priežiūra

Reguliarus stebėjimas ir priežiūra yra būtini norint užtikrinti ilgalaikį jūsų autonominės elektros energijos sistemos veikimą ir patikimumą.

Stebėjimas:

• Stebėkite akumuliatoriaus įtampą ir įkrovos būseną.
• Sekite energijos gamybą ir suvartojimą.
• Stebėkite inverterio ir įkrovimo valdiklio veikimą.

Priežiūra:

• Reguliariai valykite saulės modulius, kad pašalintumėte nešvarumus ir šiukšles.
• Tikrinkite vėjo turbinos mentes, ar nėra pažeidimų.
• Tikrinkite akumuliatoriaus gnybtus, ar nėra korozijos.
• Palaikykite tinkamą akumuliatoriaus elektrolito lygį (skysto elektrolito rūgštiniams švino akumuliatoriams).
• Prireikus pakeiskite akumuliatorius.

Leidimai ir reglamentai

Prieš įrengdami autonominę elektros energijos sistemą, ištirkite vietinius leidimų reikalavimus ir reglamentus. Kai kuriose jurisdikcijose gali prireikti leidimų saulės modulių įrengimui, vėjo turbinoms ar akumuliatorių saugyklų sistemoms. Šių reglamentų laikymasis yra labai svarbus norint išvengti baudų ar teisinių problemų.

Kainos ir finansavimo galimybės

Autonominės elektros energijos sistemos kaina gali labai skirtis priklausomai nuo sistemos dydžio ir sudėtingumo, naudojamos įrangos tipo ir vietos. Nors pradinė investicija gali būti didelė, ilgalaikis išlaidų taupymas dėl sumažintų arba panaikintų sąskaitų už elektrą gali būti reikšmingas. Išnagrinėkite galimas finansavimo galimybes, tokias kaip vyriausybės paskatos, mokesčių kreditai ir paskolos, kad autonominė elektros energija taptų labiau prieinama.

Pasauliniai autonominių sistemų sėkmės pavyzdžiai

Autonominės elektros energijos sistemos keičia bendruomenių gyvenimą visame pasaulyje. Štai keli pavyzdžiai:

• Kaimiškosios Afrikos vietovės: Saulės energijos sistemos namams teikia elektrą milijonams žmonių kaimiškose Afrikos vietovėse, neturintiems prieigos prie tinklo, leidžiančios jiems naudoti apšvietimą, krauti telefonus ir vykdyti smulkųjį verslą.
• Atokios salos: Daugelis salų bendruomenių pereina prie atsinaujinančiųjų energijos šaltinių, siekdamos sumažinti priklausomybę nuo brangių ir teršiančių dyzelinių generatorių.
• Autonominės bendruomenės Šiaurės Amerikoje: Bendruomenės atokiose Aliaskos ir Kanados vietovėse naudoja saulės, vėjo ir hidroenergijos derinį, kad patenkintų savo energijos poreikius.
• Australija: Atokios galvijų fermos ir atokios bendruomenės elektrai naudoja autonomines saulės ir akumuliatorių sistemas.

Išvada: energetinės nepriklausomybės siekis

Sukurti autonominę elektros energijos sistemą yra didelis įsipareigojimas, tačiau tai gali būti naudinga patirtis, suteikianti energetinę nepriklausomybę, išlaidų taupymą ir naudą aplinkai. Atidžiai įvertinę savo energijos poreikius, pasirinkę tinkamus atsinaujinančios energijos šaltinius ir įgyvendinę tinkamas sistemos projektavimo ir priežiūros praktikas, galite panaudoti saulės ir vėjo galią, kad sukurtumėte tvarią ir patikimą energetinę ateitį sau ir savo bendruomenei. Technologijoms toliau tobulėjant ir kainoms mažėjant, autonominės elektros energijos sistemos taps vis labiau prieinamos ir patrauklios asmenims ir bendruomenėms visame pasaulyje.

Ištekliai

• Tarptautinė atsinaujinančios energijos agentūra (IRENA): https://www.irena.org/
• Vietinės atsinaujinančios energijos asociacijos: Patikrinkite regionines ar nacionalines organizacijas savo šalyje.
• Internetinės saulės energijos skaičiuoklės: Daugelis svetainių siūlo įrankius saulės energijos potencialui jūsų vietovėje įvertinti.
• Elektros kodeksai ir standartai: Pasikonsultuokite su vietiniais elektros kodeksais dėl saugos ir atitikties reikalavimų.

Atsakomybės apribojimas

Šis vadovas skirtas tik informaciniams tikslams ir nėra profesionali konsultacija. Prieš projektuodami ar įrengdami bet kokią autonominę elektros energijos sistemą, pasikonsultuokite su kvalifikuotais specialistais. Saugumas yra svarbiausia, o netinkamas įrengimas gali sukelti rimtų pavojų.