За пределами дизеля: гибридное резервное копирование на основе солнечной батареи и автономной батареи на автономных объектах в Африке

Статья

8 октября 2019 г.

Автономные объекты в северной Нигерии, Нигере, Мали, Буркина-Фасо, Эфиопии и Туркане работают на дизельном топливе, при этом затраты на топливо, транспорт и кражи занимают большую часть операционных затрат. В этой статье рассматриваются три топологии и, когда применима каждая из них, реальный срок службы батареи при ежедневной езде на велосипеде, недооцененная переменная пыли и формула окупаемости с четырьмя входными параметрами, которые можно измерить на месте.

День на автономной площадке

В окрестностях Кано и Кадуны на севере Нигерии, в сельской местности Нигера, Мали и Буркина-Фасо, на эфиопском нагорье, в засушливом регионе Туркана в Кении и в отдаленных провинциях Замбии типичный день проходит следующим образом: дизель-генератор запускается перед сумерками и работает до ночи с нагрузкой примерно от 1 до 3 кВт; он выключается на ночь, и батарея поддерживает полосу частот и передачу; днем батарея продолжает нести объект до вечера, заряжаясь только в том случае, если в сети появляется питание на несколько часов. Проблема не в самом генераторе, а в трех скрытых расходах: доставка топлива на объект, стоимость которого, если требуется транспорт на мотоцикле или верблюде, может в два раза превышать стоимость насоса; воровство топлива, которое в некоторых регионах составляет от 10% до 30% от закупаемого объема; а также техническое обслуживание и капитальный ремонт, амортизируемые по часам работы. Цель солнечной энергии не экологическая — она состоит в том, чтобы снять дневную нагрузку с генератора и напрямую сократить все три затраты.

Выбор среди трех топологий

Солнечный гибрид – это не одна конструкция, а три, и неправильный выбор удваивает окупаемость. Первый - это солнечная батарея плюс резервный аккумулятор плюс дизельный двигатель, который также называется приоритетом солнечной энергии: фотоэлектрические батареи обслуживают нагрузку и заряжают батарею в течение дня, отключаются, когда батарея полностью заряжена, а дизельное топливо запускается только после продолжительной пасмурной погоды или истощения батареи. Он сводит к минимуму время работы генератора и подходит для объектов с хорошей годовой освещенностью и концентрированной нагрузкой в ​​дневное время — наиболее распространенный выбор в странах Африки к югу от Сахары. Второй — дизельный с солнечной энергией, где фотоэлектрические батареи несут только часть нагрузки, обычно от 30% до 50%, а генератор работает, как и раньше, с меньшим расходом топлива. Самый простой в модернизации и дешевый в капиталовложениях, он подходит для больших нагрузок или объектов с относительно новым генератором. Третий вариант — чистая солнечная батарея плюс батарея вообще без генератора, жизнеспособная только при нагрузке менее 500 Вт и допустимом риске пасмурной погоды в течение трех дней. Решающим фактором для всех трех является не ресурс излучения, а то, насколько хорошо кривая нагрузки перекрывает солнечную кривую: высокое перекрытие благоприятствует первому, низкое перекрытие делает второе более безопасным.

Реальное время автономной работы при ежедневной езде на велосипеде

В солнечном гибриде батарея совершает полный цикл каждый день, что не имеет ничего общего с плавающим режимом ожидания, и именно здесь многие проекты терпят неудачу — они выбирают плавающую батарею и заменяют ее через два года. Выбор зависит от трех цифр, а не от паспортной мощности. Во-первых, срок службы и, в частности, срок службы на установленной глубине разряда; Солнечные системы обычно работают с DOD от 50% до 70%, поэтому запросите данные в этом диапазоне. Во-вторых, прием заряда: мощность фотоэлектрической зарядки варьируется в зависимости от освещенности, ток низкий утром и ближе к вечеру, и от того, может ли батарея эффективно поглощать малый ток, зависит ежедневное восстановление энергии. Серия «Свинец-углерод» (LLC, 300–1000 Ач, шесть моделей) обеспечивает в четыре-пять раз больший срок службы по сравнению с обычными продуктами в режиме PSoC, примерно на 30 % лучше воспринимая заряд, и предназначена именно для этого. В-третьих, поведение при высоких температурах: температура в шкафу выше 40°C является обычным явлением в Африке, поэтому срок службы необходимо корректировать с учетом температуры. Серия с глубоким циклом (FTC, 100–170 Ач, 1500 циклов и более) также является разумным выбором для малой и средней емкости.

Пыль: недооцененная переменная

В Сахеле и засушливой Восточной Африке уровень пыли сильно недооценивается. Во-первых, загрязнение: каждый слой пыли на стекле снижает пропускание на несколько процентных пунктов, а после пыльной бури массив может покрыться достаточно толстым слоем, что вдвое уменьшит выходную мощность. В Нигере, Мали и Чаде пропуск уборки может стоить более 20% годового урожая. Во-вторых, термический: пыль на заднем листе препятствует отводу тепла, повышая температуру элемента и эффективность резки, что усугубляет потери. В-третьих, механические и электрические: попадание пыли в распределительные коробки и разъемы приводит к ухудшению контакта и риску возникновения дуги, а пыль в воздушных путях инвертора блокирует охлаждение. Далее следуют четыре реакции конструкции: увеличить наклон массива, чтобы пыль легче сдувалась или смывалась; укажите распределительные коробки и разъемы с более высоким классом проникновения; используйте инверторы с естественным охлаждением или установите пылевые фильтры и добавьте их в маршрут проверки; и включить уборку в контракт на эксплуатацию и техническое обслуживание с определенной периодичностью — ежемесячно в пыльный сезон, ежеквартально в противном случае — а не «по мере необходимости».

Расчет окупаемости

Окупаемость не требует сложной модели, достаточно четырех входных данных, и все четыре можно измерить на месте. Во-первых, текущая годовая стоимость дизельного топлива: среднесуточный расход в литрах × 365 × стоимость доставленного топлива, включая транспортировку. Используйте цену доставки, а не цену причала. Во-вторых, стоимость дизельного топлива после модернизации: масштабируется за счет сокращения часов работы генератора, которое для проектов с приоритетом солнечной энергии обычно составляет от 20% до 40% от исходного. В-третьих, годовая мощность фотоэлектрических систем: мощность массива в кВтп × местный эквивалент пиковых солнечных часов × 365 × эффективность системы от 0,75 до 0,8 × коэффициент загрязнения и коэффициент деградации от 0,85 до 0,9. В-четвертых, общий объем инвестиций, включая модули, монтаж, контроллер, батарею, транспортировку и установку. Окупаемость = инвестиции ÷ (годовые затраты на дизельное топливо до модернизации − ежегодные затраты на дизельное топливо после модернизации − ежегодные затраты на техническое обслуживание). Чаще всего преувеличивают третий вывод: люди используют идеальные солнечные часы и забывают о загрязнении и деградации. Возьмите консервативные коэффициенты и вычислите, что окупаемость действительно может быть достигнута.

Совместное определение размеров массива и батареи

Две наиболее распространенные ошибки при проектировании солнечных гибридов — это массив батареи недостаточного размера и батарея недостаточного размера, и они обычно возникают вместе. Принцип состоит в том, чтобы рассматривать пасмурный период как ограничение, а ежедневный энергетический баланс как цель в три этапа. Во-первых, суточное потребление: нагрузка в кВт × 24 часа, рассчитывается отдельно, если дневная и ночная нагрузки различаются. Во-вторых, среднесуточная фотоэлектрическая мощность: мощность массива в кВт-пик × эквивалентные пиковые солнечные часы × эффективность системы от 0,75 до 0,8 × коэффициент загрязнения 0,85. Этот результат должен превышать ежедневное потребление, обычно с запасом от 20% до 30%, чтобы покрыть сезонные колебания, деградацию модуля и случайное затенение. В-третьих, емкость аккумулятора: ежедневное потребление × пасмурные дни ÷ глубина разряда, причём пасмурные дни взяты из местных погодных данных — два-три в Сахеле, ещё один в горах Восточной Африки. После трех шагов запустите обратную проверку: по окончании самого продолжительного периода пасмурной погоды остаточная емкость аккумулятора не должна падать ниже 20%, иначе запуски генератора заметно увеличатся и экономичность гибрида пропадет. Эту проверку часто пропускают, однако это единственный надежный индикатор того, является ли соотношение правильным. Еще одна деталь, которую часто упускают из виду, — это наклон массива: в пыльных регионах добавление угла наклона на 5–10 градусов к оптимальному для генерации позволяет пыли сдуваться быстрее и со временем дает больше урожайности. View Telecom Backup Power Selection