Beyond Diesel: Solar-Plus-Battery Hybrid Backup på afrikanske off-grid-nettsteder

Artikkel

8. oktober 2019

Off-grid-nettsteder over hele Nord-Nigeria, Niger, Mali, Burkina Faso, Etiopia og Turkana kjører på diesel, med drivstoffkostnader, transport og tyveri som bruker mye av OPEX. Denne artikkelen dekker de tre topologiene og når hver gjelder, reell batterilevetid under daglig sykling, den undervurderte støvvariabelen og en tilbakebetalingsformel med fire innganger du kan måle på stedet.

En dag på en off-grid side

Rundt Kano og Kaduna i Nord-Nigeria, på landsbygda i Niger, Mali og Burkina Faso, på det etiopiske høylandet, i Kenyas tørre Turkana-region og i Zambias ytre provinser, går en typisk dag slik: Dieselgeneratoren starter før skumringen og går inn i natten mot en belastning på omtrent 3kW; den slår seg av over natten og batteriet bærer basebånd og overføring; om dagen fortsetter batteriet å bære nettstedet til kvelden, og lades bare hvis strømnettet tilfeldigvis vises i noen timer. Problemet er ikke selve generatoren, men tre skjulte kostnader: å levere drivstoff til stedet, som der motorsykkel- eller kameltransport er nødvendig kan overstige det dobbelte av pumpeprisen; drivstofftyveri, som i noen områder går på 10% til 30% av kjøpt volum; og vedlikehold og overhaling amortiseres etter driftstime. Formålet med solenergi er ikke miljømessig - det er å flytte belastningen på dagtid av generatoren og kutte alle tre kostnadene direkte.

Velge blant tre topologier

Solhybrid er ikke ett design, men tre, og å velge feil dobler tilbakebetalingen. Den første er solenergi pluss batteri pluss diesel standby, også kalt solenergiprioritet: PV betjener belastning og lader batteriet om dagen, reduseres når batteriet er fullt, og diesel starter først etter langvarig overskyet eller utladet batteri. Den minimerer generatortimer og passer til steder med god årlig innstråling og dagtidskonsentrert belastning - det vanligste valget i Afrika sør for Sahara. Den andre er diesel-primær med solar assist, der PV bærer bare en del av lasten, typisk 30% til 50%, og generatoren går som før med lavere drivstofforbruk. Enklest å ettermontere og billigst i kapital, den passer til større laster eller steder med en relativt ny generator. Den tredje er ren solenergi pluss batteri uten generator i det hele tatt, levedyktig bare der belastningen er under 500W og tre dager med overskyet risiko er akseptabelt. Den avgjørende faktoren på tvers av alle tre er ikke innstrålingsressurs, men hvor godt belastningskurven overlapper solkurven: høy overlapping favoriserer den første, lav overlapping gjør den andre tryggere.

Virkelig batterilevetid under daglig sykling

I en solcellehybrid fullfører batteriet en hel syklus hver dag, noe som ikke ligner flytende standby og er der mange prosjekter mislykkes - de spesifiserer et flytebatteri og erstatter det om to år. Valget avhenger av tre tall, ikke av navneskiltets kapasitet. Først, syklusliv, og spesifikt syklusliv ved en oppgitt utladningsdybde; solsystemer kjører vanligvis på 50 % til 70 % DOD, så be om data i det båndet. For det andre, ladeaksept: PV-ladeeffekten varierer med innstråling, strømmen er lav om morgenen og sent på ettermiddagen, og hvorvidt batteriet kan absorbere effektivt ved lav strøm, avgjør daglig energigjenvinning. Bly-karbon-serien (LLC, 300–1000 Ah, seks modeller) leverer fire til fem ganger så lang levetid enn konvensjonelle produkter i PSoC-bruk med omtrent 30 % bedre ladeaksept, og er designet for akkurat dette. For det tredje, høytemperaturatferd: skaptemperaturer over 40°C er rutine i Afrika, så sykluslivet må korrigeres for temperatur. Deep-cycle-serien (FTC, 100–170Ah, 1500 sykluser eller mer) er også et godt valg ved liten og middels kapasitet.

Støv: Den undervurderte variabelen

Over hele Sahel og det tørre Øst-Afrika er støv sterkt undervurdert. For det første, tilsmussing: hvert lag med støv på glasset reduserer transmittansen med flere prosentpoeng, og etter en støvstorm kan matrisen dekkes tykt nok til å halvere produksjonen. I Niger, Mali og Tsjad kan det å hoppe over rengjøring koste mer enn 20 % av den årlige avlingen. For det andre, termisk: støv på baksidearket hindrer varmeavvisning, øker celletemperaturen og kutteeffektiviteten, noe som forsterker tapet. For det tredje, mekanisk og elektrisk: støv som kommer inn i koblingsbokser og koblinger forårsaker dårlig kontakt og lysbuerisiko, og støv i omformerens luftveier blokkerer kjøling. Fire designresponser følger: Øk array-tilt slik at støv blåser eller vaskes av lettere; spesifiser koblingsbokser og koblinger med høyere inntrengningsgrad; bruk naturlig avkjølte invertere eller monter støvfiltre og legg dem til inspeksjonsruten; og sette rengjøring inn i drifts- og vedlikeholdskontrakten med en definert frekvens - månedlig i støvsesongen, ellers kvartalsvis - i stedet for "etter behov".

Beregner tilbakebetaling

Tilbakebetaling trenger ingen kompleks modell, bare fire innganger, og alle fire kan måles på stedet. For det første gjeldende årlig dieselkostnad: gjennomsnittlig daglig forbruk i liter × 365 × levert drivstoffpris inkludert transport. Bruk levert pris, ikke bryggepris. For det andre, dieselkostnader etter ettermontering: skaleres med reduksjonen i generatorens driftstimer, som for solenergi-prioriterte design er typisk til 20 % til 40 % av originalen. For det tredje, årlig PV-utbytte: arraykapasitet i kWp × lokal ekvivalent topp soltimer × 365 × systemeffektivitet på 0,75 til 0,8 × tilsmussing og nedbrytningsfaktor på 0,85 til 0,9. For det fjerde, total investering inkludert moduler, montering, kontroller, batteri, transport og installasjon. Tilbakebetaling = investering ÷ (årlig dieselkostnad før ettermontering − årlig dieselkostnad etter ettermontering − årlig vedlikeholdskostnad). Innspillet som oftest overvurderes er det tredje: folk bruker ideelle soltimer og glemmer tilsmussing og nedbrytning. Ta de konservative koeffisientene og tilbakebetalingen du beregner er en som faktisk kan leveres.

Dimensjonering av matrisen og batteriet sammen

De to vanligste feilene i solcellehybriddesign er et underdimensjonert array og et underdimensjonert batteri, og de oppstår vanligvis sammen. Prinsippet er å behandle den overskyede perioden som begrensningen og daglig energibalanse som målet, i tre trinn. For det første, daglig forbruk: belastning i kW × 24 timer, beregnet separat der dag- og nattbelastninger er forskjellige. For det andre, gjennomsnittlig daglig PV-utbytte: arraykapasitet i kWp × ekvivalente toppsoltimer × systemeffektivitet på 0,75 til 0,8 × tilsmussingsfaktor på 0,85. Dette resultatet må overstige daglig forbruk, normalt med 20 % til 30 % takhøyde for å dekke sesongvariasjoner, modulforringelse og sporadisk skyggelegging. For det tredje, batterikapasitet: daglig forbruk × overskyet dager ÷ utladningsdybde, med overskyede dager hentet fra lokale værrekorder - to til tre i Sahel, en til på det østafrikanske høylandet. Etter de tre trinnene, kjør en omvendt sjekk: ved slutten av den lengste overskyede perioden bør gjenværende batterikapasitet ikke falle under 20 %, ellers vil generatorstartene stige markant og hybridens økonomi forsvinner. Den sjekken hoppes ofte over, men det er den eneste vanskelige indikatoren på om forholdet er forsvarlig. En annen detalj som ofte savnes er array-tilt: i støvete områder, legger 5 til 10 grader utover den optimale generasjonstilten, slik at støv blåser av lettere og gir mer over tid. View Telecom Backup Power Selection