Beyond Diesel: hybride back-up met zonne-energie en batterij op Afrikaanse off-grid locaties

Artikel

8 oktober 2019

Off-grid-locaties in het noorden van Nigeria, Niger, Mali, Burkina Faso, Ethiopië en Turkana draaien op diesel, waarbij brandstofkosten, transport en diefstal een groot deel van de OPEX opslokken. Dit artikel behandelt de drie topologieën en, wanneer elk van toepassing is, de werkelijke levensduur van de batterij bij dagelijks fietsen, de onderschatte stofvariabele en een terugverdienformule met vier inputs die u ter plaatse kunt meten.

Een dag op een off-grid-locatie

Rond Kano en Kaduna in het noorden van Nigeria, op het platteland van Niger, Mali en Burkina Faso, op de Ethiopische hooglanden, in de dorre Turkana-regio van Kenia en in de afgelegen provincies van Zambia, verloopt een typische dag als volgt: de dieselgenerator start vóór zonsondergang en draait de nacht in met een belasting van ongeveer 1 tot 3 kW; het wordt 's nachts uitgeschakeld en de batterij draagt ​​basisband en transmissie; Overdag blijft de batterij het terrein tot de avond dragen en wordt alleen opgeladen als er gedurende een paar uur netstroom is. Het probleem is niet de generator zelf, maar drie verborgen kosten: het leveren van brandstof op de locatie, waar vervoer van motorfietsen of kamelen nodig is, kan meer dan tweemaal de prijs aan de pomp bedragen; brandstofdiefstal, die in sommige gebieden 10% tot 30% van het gekochte volume bedraagt; en onderhoud en revisie afgeschreven per draaiuur. Het doel van zonne-energie is niet milieuvriendelijk; het is om de dagbelasting van de generator af te halen en alle drie de kosten direct te verlagen.

Kiezen uit drie topologieën

Hybride op zonne-energie is niet één ontwerp, maar drie, en als u ten onrechte kiest, wordt de terugverdientijd verdubbeld. De eerste is zonne-energie plus accu plus diesel-stand-by, ook wel zonne-prioriteit genoemd: PV dient de belasting en laadt de accu overdag op, stopt zodra de accu vol is, en diesel start pas na langdurige bewolking of als de accu leeg is. Het minimaliseert de generatoruren en is geschikt voor locaties met een goede jaarlijkse instraling en een geconcentreerde belasting overdag – de meest voorkomende keuze in Afrika bezuiden de Sahara. De tweede is diesel-primair met ondersteuning door zonne-energie, waarbij PV slechts een deel van de belasting draagt, doorgaans 30% tot 50%, en de generator net als voorheen werkt met een lager brandstofverbruik. Het is het eenvoudigst achteraf aan te passen en het goedkoopst in kapitaal, en is geschikt voor grotere belastingen of locaties met een relatief nieuwe generator. De derde is pure zonne-energie plus een batterij zonder enige generator, die alleen haalbaar is als de belasting minder dan 500 W bedraagt ​​en het risico van drie dagen bewolkt acceptabel is. De doorslaggevende factor bij alle drie is niet de bestralingsbron, maar hoe goed de belastingscurve de zonnecurve overlapt: een hoge overlap is in het voordeel van de eerste, een lage overlap maakt de tweede veiliger.

Echte batterijduur bij dagelijks fietsen

In een zonne-hybride voltooit de batterij elke dag een volledige cyclus, wat in niets lijkt op float-stand-by en dit is waar veel projecten mislukken: ze specificeren een float-batterij en vervangen deze binnen twee jaar. De keuze is afhankelijk van drie cijfers, niet van de capaciteit op het typeplaatje. Ten eerste de levensduur van de cyclus, en specifiek de levensduur van een bepaalde ontladingsdiepte; zonnesystemen werken doorgaans op 50% tot 70% DOD, dus vraag om gegevens in die band. Ten tweede, acceptatie van lading: het laadvermogen van PV-systemen varieert afhankelijk van de instraling, de stroom is laag in de ochtend en laat in de middag, en of de batterij effectief kan absorberen bij lage stroom bepaalt de dagelijkse energieterugwinning. De lood-koolstofserie (LLC, 300–1.000 Ah, zes modellen) levert vier tot vijf keer de levensduur van conventionele producten in PSoC-gebruik met ongeveer 30% betere laadacceptatie, en is precies hiervoor ontworpen. Ten derde, gedrag bij hoge temperaturen: kasttemperaturen boven de 40°C zijn routine in Afrika, dus de cycluslevensduur moet worden gecorrigeerd voor de temperatuur. De deep-cycle-serie (FTC, 100–170 Ah, 1.500 cycli of meer) is ook een goede keuze bij kleine en middelgrote capaciteiten.

Stof: de onderschatte variabele

In de Sahel en het droge Oost-Afrika wordt stof ernstig onderschat. Ten eerste vervuiling: elke laag stof op het glas vermindert de transmissie met enkele procentpunten, en na een stofstorm kan de array dik genoeg bedekt zijn om de output te halveren. In Niger, Mali en Tsjaad kan het overslaan van schoonmaken meer dan 20% van de jaarlijkse opbrengst kosten. Ten tweede, thermisch: stof op de achterplaat verhindert de warmteafvoer, waardoor de celtemperatuur en de snijefficiëntie stijgen, waardoor het verlies nog groter wordt. Ten derde, mechanisch en elektrisch: stof dat in aansluitdozen en connectoren binnendringt, veroorzaakt slecht contact en boogrisico, en stof in de luchtkanalen van de omvormer blokkeert de koeling. Er volgen vier ontwerpreacties: verhoog de kanteling van de array, zodat stof gemakkelijker wordt weggeblazen of weggespoeld; specificeer aansluitdozen en connectoren met een hogere penetratiegraad; gebruik natuurlijk gekoelde omvormers of plaats stoffilters en voeg deze toe aan het inspectietraject; en het schoonmaken met een bepaalde frequentie in het O&M-contract opnemen – maandelijks in het stofseizoen, anders driemaandelijks – in plaats van ‘zoals vereist’.

Berekening van de terugverdientijd

Voor de terugverdientijd is geen complex model nodig, slechts vier inputs, en alle vier kunnen ter plaatse worden gemeten. Ten eerste de huidige jaarlijkse dieselkosten: gemiddeld dagelijks verbruik in liters × 365 × geleverde brandstofprijs inclusief transport. Gebruik de geleverde prijs, niet de steigerprijs. Ten tweede, de dieselkosten na de retrofit: schaalvergroting door de vermindering van het aantal draaiuren van de generator, wat bij ontwerpen met prioriteit voor zonne-energie doorgaans 20% tot 40% van het origineel bedraagt. Ten derde, jaarlijkse PV-opbrengst: capaciteit van de array in kWp × lokaal equivalent piekzonuren × 365 × systeemefficiëntie van 0,75 tot 0,8 × vervuilings- en degradatiefactor van 0,85 tot 0,9. Ten vierde de totale investering inclusief modules, montage, controller, batterij, transport en installatie. Terugverdientijd = investering ÷ (jaarlijkse dieselkosten vóór retrofit − jaarlijkse dieselkosten na retrofit − jaarlijkse onderhoudskosten). De meest overdreven input is de derde: mensen gebruiken ideale zonne-uren en vergeten vervuiling en afbraak. Neem de conservatieve coëfficiënten en de terugverdientijd die u berekent, is er een die daadwerkelijk kan worden gerealiseerd.

De array en de batterij samen dimensioneren

De twee meest voorkomende fouten bij het ontwerpen van hybride zonne-energie zijn een te kleine array en een te kleine batterij, en deze komen meestal samen voor. Het principe is om de bewolkte periode als beperking en de dagelijkse energiebalans als doelstelling te beschouwen, in drie stappen. Ten eerste het dagelijks verbruik: belasting in kW × 24 uur, afzonderlijk berekend waarbij de dag- en nachtbelasting verschillen. Ten tweede de gemiddelde dagelijkse PV-opbrengst: capaciteit van de array in kWp × equivalente maximale zonne-uren × systeemefficiëntie van 0,75 tot 0,8 × vervuilingsfactor van 0,85. Dat resultaat moet het dagelijkse verbruik overtreffen, normaal gesproken met 20% tot 30% vrije ruimte om seizoensvariaties, degradatie van modules en incidentele schaduw op te vangen. Ten derde de capaciteit van de batterij: dagelijks verbruik × bewolkte dagen ÷ diepte van de ontlading, met bewolkte dagen ontleend aan lokale weergegevens – twee tot drie in de Sahel, nog één in de Oost-Afrikaanse hooglanden. Voer na de drie stappen een omgekeerde controle uit: aan het einde van de langste bewolkte periode mag de resterende accucapaciteit niet onder de 20% komen, anders zal het starten van de generator aanzienlijk toenemen en zal de zuinigheid van de hybride verdwijnen. Die controle wordt vaak overgeslagen, maar is toch de enige harde indicatie of de verhouding goed is. Een ander detail dat vaak over het hoofd wordt gezien, is de kanteling van de array: in stoffige gebieden zorgt het toevoegen van 5 tot 10 graden boven de optimale generatiekanteling ervoor dat stof gemakkelijker wordt weggeblazen en in de loop van de tijd meer opbrengsten oplevert. View Telecom Backup Power Selection