Beyond Diesel: การสำรองข้อมูลแบบไฮบริดพร้อมพลังงานแสงอาทิตย์และแบตเตอรี่ที่ไซต์ Off-Grid ของแอฟริกา

บทความ

8 ตุลาคม 2019

ไซต์งานนอกระบบทั่วภาคเหนือของไนจีเรีย ไนเจอร์ มาลี บูร์กินาฟาโซ เอธิโอเปีย และเตอร์กานาใช้น้ำมันดีเซล โดยมีค่าใช้จ่ายเชื้อเพลิง การขนส่ง และการโจรกรรมใช้ OPEX เป็นจำนวนมาก บทความนี้ครอบคลุมโทโพโลยีสามโทโพโลยีและเมื่อใช้แต่ละโทโพโลยี อายุการใช้งานแบตเตอรี่จริงภายใต้การหมุนเวียนในแต่ละวัน ตัวแปรฝุ่นที่ประเมินต่ำเกินไป และสูตรการคืนทุนพร้อมอินพุตสี่รายการที่คุณสามารถวัดได้ในสถานที่ทำงาน

หนึ่งวันในไซต์นอกระบบ

บริเวณคาโนและคาดูนาทางตอนเหนือของไนจีเรีย ในชนบทของไนเจอร์ มาลี และบูร์กินาฟาโซ บนที่ราบสูงเอธิโอเปีย ในเขตเตอร์กานาที่แห้งแล้งของเคนยา และในจังหวัดห่างไกลของแซมเบีย วันปกติจะทำงานดังนี้: เครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลเริ่มทำงานก่อนพลบค่ำและวิ่งไปในเวลากลางคืนด้วยโหลดประมาณ 1 ถึง 3 กิโลวัตต์; มันจะปิดตัวลงข้ามคืนและแบตเตอรี่จะส่งเบสแบนด์และการส่งผ่าน ในแต่ละวัน แบตเตอรี่จะยังคงส่งไปยังไซต์งานจนถึงตอนเย็น โดยจะชาร์จเฉพาะในกรณีที่ไฟฟ้าจากกริดปรากฏเป็นเวลาสองสามชั่วโมงเท่านั้น ปัญหาไม่ได้อยู่ที่ตัวเครื่องกำเนิดไฟฟ้า แต่ยังมีต้นทุนแอบแฝงอยู่สามประการ ได้แก่ การส่งเชื้อเพลิงไปยังไซต์งาน ซึ่งจำเป็นต้องขนส่งรถจักรยานยนต์หรืออูฐ อาจสูงกว่าราคาปั๊มสองเท่า การโจรกรรมน้ำมันเชื้อเพลิงซึ่งในบางพื้นที่ดำเนินการที่ 10% ถึง 30% ของปริมาณการซื้อ และการบำรุงรักษาและยกเครื่องตัดจำหน่ายตามชั่วโมงการทำงาน จุดประสงค์ของพลังงานแสงอาทิตย์ไม่ใช่สิ่งแวดล้อม — คือเพื่อย้ายภาระในเวลากลางวันออกจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้า และลดต้นทุนทั้งสามประการโดยตรง

การเลือกระหว่างสามโทโพโลยี

พลังงานแสงอาทิตย์ไฮบริดไม่ใช่การออกแบบเดียว แต่มีสามแบบ และการเลือกผิดจะเพิ่มการคืนทุนเป็นสองเท่า ประการแรกคือแบตเตอรี่พลังงานแสงอาทิตย์บวกกับการสแตนด์บายดีเซล หรือที่เรียกว่า Solar-priority: PV ทำหน้าที่โหลดและชาร์จแบตเตอรี่ในแต่ละวัน ตัดทอนลงเมื่อแบตเตอรี่เต็ม และดีเซลจะเริ่มทำงานหลังจากมืดครึ้มเป็นเวลานานหรือแบตเตอรี่หมดเท่านั้น โดยจะลดชั่วโมงการทำงานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าให้เหลือน้อยที่สุดและเหมาะสมกับไซต์ที่มีการฉายรังสีรายปีที่ดีและมีปริมาณความเข้มข้นในเวลากลางวันที่ดี ซึ่งเป็นทางเลือกที่พบบ่อยที่สุดในแถบตอนใต้ทะเลทรายซาฮาราของแอฟริกา อย่างที่สองคือดีเซลหลักพร้อมระบบช่วยพลังงานแสงอาทิตย์ โดยที่ PV รับภาระเพียงบางส่วนเท่านั้น ซึ่งโดยทั่วไปคือ 30% ถึง 50% และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะทำงานเหมือนเดิมโดยสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงน้อยลง ง่ายต่อการติดตั้งเพิ่มเติมและมีต้นทุนถูกที่สุด เหมาะกับโหลดขนาดใหญ่หรือไซต์งานที่มีเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ค่อนข้างใหม่ ประการที่สามคือแบตเตอรี่พลังงานแสงอาทิตย์บวกบริสุทธิ์ที่ไม่มีเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเลย ใช้งานได้เฉพาะในกรณีที่โหลดต่ำกว่า 500W และมีความเสี่ยงที่มืดครึ้มสามวันก็ยอมรับได้ ปัจจัยในการตัดสินใจของทั้งสามไม่ใช่ทรัพยากรของการฉายรังสี แต่กราฟโหลดซ้อนทับกับกราฟสุริยะได้ดีเพียงใด การทับซ้อนสูงจะเอื้อประโยชน์ต่ออันแรก การทับซ้อนต่ำจะทำให้อันที่สองปลอดภัยยิ่งขึ้น

อายุการใช้งานแบตเตอรี่จริงภายใต้การปั่นจักรยานทุกวัน

ในโซลาร์ไฮบริด แบตเตอรี่จะครบวงจรทุกวัน ซึ่งไม่เหมือนกับโฟลตสแตนด์บายและเป็นจุดที่หลายโครงการล้มเหลว พวกเขาระบุแบตเตอรี่โฟลตและเปลี่ยนใหม่ภายในสองปี การเลือกขึ้นอยู่กับตัวเลขสามหลัก ไม่ใช่ความจุของป้ายชื่อ ขั้นแรก วงจรชีวิต และโดยเฉพาะวงจรชีวิตที่ระดับความลึกของการคายประจุที่ระบุ โดยทั่วไประบบสุริยะจะทำงานที่ 50% ถึง 70% DOD ดังนั้นโปรดสอบถามข้อมูลในย่านความถี่นั้น ประการที่สอง การยอมรับการชาร์จ: กำลังการชาร์จ PV จะแตกต่างกันไปตามการฉายรังสี กระแสไฟต่ำในตอนเช้าและช่วงบ่าย และการที่แบตเตอรี่สามารถดูดซับได้อย่างมีประสิทธิภาพที่กระแสไฟต่ำจะเป็นตัวกำหนดการนำพลังงานกลับมาใช้ในแต่ละวัน ซีรีส์ตะกั่ว-คาร์บอน (LLC, 300–1,000Ah, หกรุ่น) มีอายุการใช้งานยาวนานกว่าผลิตภัณฑ์ทั่วไปในหน้าที่ PSoC ถึงสี่ถึงห้าเท่า พร้อมการรับประจุที่ดีกว่าประมาณ 30% และได้รับการออกแบบมาเพื่อสิ่งนี้โดยเฉพาะ ประการที่สาม พฤติกรรมที่อุณหภูมิสูง: อุณหภูมิตู้ที่สูงกว่า 40°C เป็นเรื่องปกติในแอฟริกา ดังนั้นจึงต้องแก้ไขอายุการใช้งานของวงจรสำหรับอุณหภูมิ ซีรีส์รอบลึก (FTC, 100–170Ah, 1,500 รอบขึ้นไป) ยังเป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับความจุขนาดเล็กและขนาดกลางอีกด้วย

ฝุ่น: ตัวแปรที่ประเมินต่ำเกินไป

ทั่วทั้ง Sahel และแอฟริกาตะวันออกที่แห้งแล้ง ฝุ่นถูกประเมินต่ำไปมาก ประการแรก ความสกปรก: ฝุ่นทุกชั้นบนกระจกลดการส่องผ่านลงหลายเปอร์เซ็นต์ และหลังจากเกิดพายุฝุ่น อาเรย์อาจถูกปกคลุมอย่างหนาพอที่จะลดเอาท์พุตลงครึ่งหนึ่ง ในไนเจอร์ มาลี และชาด การไม่ทำความสะอาดอาจทำให้เสียผลตอบแทนมากกว่า 20% ต่อปี ประการที่สอง ความร้อน: ฝุ่นบนแผ่นรองด้านหลังขัดขวางการปฏิเสธความร้อน ทำให้อุณหภูมิของเซลล์เพิ่มขึ้นและประสิทธิภาพในการตัด ทำให้เกิดการสูญเสียมากขึ้น ประการที่สาม เครื่องกลและไฟฟ้า: ฝุ่นที่เข้าไปในกล่องรวมสัญญาณและขั้วต่อทำให้เกิดการสัมผัสที่ไม่ดีและความเสี่ยงต่อส่วนโค้ง และฝุ่นในเส้นทางอากาศของอินเวอร์เตอร์จะขัดขวางการระบายความร้อน การตอบสนองการออกแบบสี่ประการมีดังนี้: เพิ่มความเอียงของอาร์เรย์เพื่อให้ฝุ่นถูกเป่าหรือชะล้างออกได้ง่ายขึ้น ระบุกล่องรวมสัญญาณและตัวเชื่อมต่อที่มีระดับทางเข้าที่สูงกว่า ใช้อินเวอร์เตอร์ระบายความร้อนตามธรรมชาติหรือติดตั้งตัวกรองฝุ่นและเพิ่มลงในเส้นทางการตรวจสอบ และดำเนินการทำความสะอาดในสัญญา O&M โดยมีความถี่ที่กำหนดไว้ — ทุกเดือนในฤดูฝุ่น หรือรายไตรมาส มิฉะนั้น — แทนที่จะเป็น 'ตามความจำเป็น'

การคำนวณการคืนทุน

การคืนทุนไม่จำเป็นต้องมีโมเดลที่ซับซ้อน มีเพียงสี่อินพุต และสามารถวัดทั้งสี่ได้ที่ไซต์งาน ประการแรก ต้นทุนน้ำมันดีเซลต่อปีในปัจจุบัน: ปริมาณการใช้เชื้อเพลิงเฉลี่ยต่อวันเป็นลิตร × 365 × ราคาน้ำมันที่ส่งมอบรวมค่าขนส่ง ใช้ราคาที่จัดส่ง ไม่ใช่ราคาท่าเทียบเรือ ประการที่สอง ต้นทุนดีเซลหลังการปรับปรุง: ปรับขนาดตามการลดชั่วโมงการทำงานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ซึ่งโดยทั่วไปสำหรับการออกแบบที่เน้นพลังงานแสงอาทิตย์จะอยู่ที่ 20% ถึง 40% ของเวลาเดิม ประการที่สาม อัตราผลตอบแทน PV ต่อปี: ความจุอาเรย์ในหน่วย kWp × ชั่วโมงแสงอาทิตย์สูงสุดที่เทียบเท่าในท้องถิ่น × 365 × ประสิทธิภาพของระบบ 0.75 ถึง 0.8 × ปัจจัยความสกปรกและการย่อยสลาย 0.85 ถึง 0.9 ประการที่สี่ การลงทุนทั้งหมดซึ่งรวมถึงโมดูล การติดตั้ง ตัวควบคุม แบตเตอรี่ การขนส่ง และการติดตั้ง คืนทุน = การลงทุน ۞ (ต้นทุนดีเซลรายปีก่อนการปรับปรุง − ต้นทุนดีเซลรายปีหลังการปรับปรุง − ค่าบำรุงรักษารายปี) ข้อมูลที่พบบ่อยที่สุดที่กล่าวเกินจริงคือข้อที่สาม: ผู้คนใช้เวลาดวงอาทิตย์ในอุดมคติและลืมความสกปรกและความเสื่อมโทรมไป ใช้ค่าสัมประสิทธิ์แบบอนุรักษ์นิยมและการคืนทุนที่คุณคำนวณคือค่าที่สามารถส่งมอบได้จริง

การปรับขนาดอาร์เรย์และแบตเตอรี่เข้าด้วยกัน

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยที่สุดสองประการในการออกแบบโซลาร์ไฮบริดคืออาร์เรย์ขนาดเล็กและแบตเตอรี่ขนาดเล็ก และมักเกิดขึ้นพร้อมกัน หลักการคือให้ถือว่าช่วงเวลาที่มืดครึ้มเป็นข้อจำกัดและสมดุลพลังงานในแต่ละวันเป็นเป้าหมายในสามขั้นตอน ประการแรก ปริมาณการใช้รายวัน: โหลดเป็นกิโลวัตต์ × 24 ชั่วโมง คำนวณแยกกันโดยที่โหลดกลางวันและกลางคืนต่างกัน ประการที่สอง อัตราผลตอบแทน PV เฉลี่ยรายวัน: ความจุอาเรย์ในหน่วย kWp × ชั่วโมงดวงอาทิตย์สูงสุดที่เทียบเท่า × ประสิทธิภาพของระบบ 0.75 ถึง 0.8 × ปัจจัยความสกปรกที่ 0.85 ผลลัพธ์นั้นจะต้องเกินการบริโภครายวัน โดยปกติจะมีพื้นที่เหลือ 20% ถึง 30% เพื่อครอบคลุมการเปลี่ยนแปลงตามฤดูกาล การเสื่อมสภาพของโมดูล และการแรเงาเป็นครั้งคราว ประการที่สาม ความจุของแบตเตอรี่: ปริมาณการใช้รายวัน × วันที่มืดครึ้ม KW ความลึกของการคายประจุ โดยวันที่มืดครึ้มนำมาจากบันทึกสภาพอากาศในท้องถิ่น - สองถึงสามวันที่ Sahel และอีกหนึ่งวันบนที่ราบสูงแอฟริกาตะวันออก หลังจากสามขั้นตอนแล้ว ให้ดำเนินการตรวจสอบย้อนกลับ: เมื่อสิ้นสุดช่วงที่มีเมฆมากยาวนานที่สุด ความจุแบตเตอรี่ที่เหลือไม่ควรลดลงต่ำกว่า 20% มิฉะนั้นการสตาร์ทเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นอย่างเห็นได้ชัด และความประหยัดของไฮบริดจะหายไป การตรวจสอบดังกล่าวมักถูกข้ามไป แต่ก็เป็นเพียงตัวบ่งชี้ที่แน่ชัดว่าอัตราส่วนนั้นเป็นเสียงหรือไม่ รายละเอียดอีกประการหนึ่งที่มักจะพลาดคือการเอียงแบบอาร์เรย์: ในพื้นที่ที่เต็มไปด้วยฝุ่น การเพิ่มมุมเอียงรุ่นที่เหมาะสมที่สุดอีก 5 ถึง 10 องศาจะทำให้ฝุ่นพัดออกไปได้สะดวกยิ่งขึ้น และจะพัดออกมามากขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป View Telecom Backup Power Selection