Обзор проекта

Солнечная электростанция мощностью 50 МВт промышленного масштаба в пустыне Невада потребовала тщательной разработки системы сбора постоянного тока для минимизации потерь напряжения в условиях экстремально высоких температур. Расположенная в пустыне Мохаве в Калифорнии, эта установка занимает более 300 акров с более чем 125 000 солнечных панелей, организованных примерно в 4200 солнечных строк, питающих 200 центральных инверторов.

В отличие от распределения переменного тока, где падение напряжения является рекомендацией, падение напряжения постоянного тока в солнечных установках напрямую снижает производство энергии и доход проекта. Каждый процентный пункт падения напряжения представляет собой мощность, генерируемую солнечными панелями, но теряемую в виде тепла в проводке до преобразования в переменный ток и продажи в сеть. Для проекта мощностью 50 МВт, работающего более 25 лет, даже небольшое улучшение эффективности сбора постоянного тока превращается в миллионы долларов дополнительного дохода.

Инженерной задачей этого проекта была оптимизация размеров проводников для тысяч строковых магистралей при балансировке затрат на установку с пожизненными потерями энергии. Это тематическое исследование демонстрирует систематический подход к разработке экономически оптимальной конструкции сбора постоянного тока.

Конфигурация системы и технические характеристики

Параметры системы сбора постоянного тока

Конфигурация строки

• Модулей на строку: 30
• Напряжение холостого хода строки: 1200 В пост. тока
• Напряжение максимальной мощности строки: 1020 В пост. тока
• Ток короткого замыкания строки: 12,5 А
• Ток максимальной мощности строки: 11,8 А
• Эффективность модуля: 21,3%

Конфигурация комбайнера

• Строк на комбайнер: 24
• Выходной ток комбайнера: 283 А
• Комбайнеров на инвертор: 21
• Всего комбайнеров: 175
• Всего строк: 4200

Система сбора постоянного тока играет критическую роль в экономике солнечной электростанции. Каждая строка требует отдельной пары проводников до ближайшего комбайнера, с расстояниями от 50 футов до более 500 футов. В пустынной среде температура окружающей среды превышает 45°C (113°F), а температура проводников может достигать 75°C (167°F), значительно увеличивая сопротивление проводников и усугубляя проблемы падения напряжения.

Проблемы падения напряжения и факторы окружающей среды

Проектные ограничения и условия окружающей среды

• Температурная среда: максимальная температура окружающей среды 45°C, температура проводника 75°C
• Расстояние строки: диапазон от 50 футов до более 500 футов
• Бюджет падения напряжения: строгий лимит 2% для соответствия гарантиям производительности
• Выбор проводника: компромисс между стоимостью и производительностью меди и алюминия
• Ограничения установки: пустынный ландшафт и ограничения существующей планировки

Финансовая модель проекта требовала ограничения общих потерь сбора постоянного тока до 2,0% или менее. Это ограничение исходило из гарантий производительности инвесторов, необходимых для соответствия гарантированным уровням производства энергии. Использование одного размера проводника для всех строк приведет либо к расточительству материала на коротких участках, либо к чрезмерным потерям энергии на длинных участках.

Стратегия оптимизации падения напряжения

Вместо использования одного размера проводника для всех строк (что приведет к расточительству меди на коротких участках или потере энергии на длинных), инженерная команда разработала матрицу выбора проводников на основе расстояния. Этот подход оптимизирует как стоимость материалов, так и потери энергии.

Матрица выбора проводников на основе расстояния

0-45м (0-150 футов)10 AWG медьмакс. 1,1% падение35% строк

45-90м (150-300 футов)8 AWG медьмакс. 1,3% падение40% строк

90-150м (300-500 футов)6 AWG медьмакс. 1,5% падение25% строк

Эта многоуровневая система выбора проводников позволила команде достичь средневзвешенных потерь сбора постоянного тока в 1,8%, что значительно ниже целевого показателя в 2,0%. Расчеты падения напряжения с использованием температурного коэффициента коррекции 75°C обеспечили производительность даже в самых суровых рабочих условиях.

Подробные расчеты падения напряжения

Расчет представительной строки (300 футов, 8 AWG)

Ток строки: I = 11,8 А (точка максимальной мощности)

Расстояние в одну сторону: L = 300 футов

Сопротивление меди 8 AWG (75°C): R = 0,778 Ом/1000 футов

Падение напряжения: Vd = (2 × 11,8 А × 300 футов × 0,778) / 1000

Vd = 5,50 В

Рабочее напряжение строки: 1020 В пост. тока

Падение напряжения % = (5,50 / 1020) × 100 = 0,54%

Расчет самой длинной строки (500 футов, 6 AWG)

Ток строки: I = 11,8 А

Расстояние в одну сторону: L = 500 футов

Сопротивление меди 6 AWG (75°C): R = 0,491 Ом/1000 футов

Падение напряжения: Vd = (2 × 11,8 А × 500 футов × 0,491) / 1000

Vd = 5,80 В

Падение напряжения % = (5,80 / 1020) × 100 = 0,57%

Экономический анализ и возврат инвестиций

Финансовое влияние оптимизированной конструкции сбора постоянного тока является значительным. Каждое процентное снижение падения напряжения приводит к прямому увеличению доходов от энергии в течение всего срока службы проекта.

1,050

МВтч экономии в год

Захваченная дополнительная энергия

$180,000

Годовой прирост дохода

При ставке PPA $0,17/кВтч

$4,5M

Выгода за 25 лет

Дополнительный доход за срок службы

Дополнительные затраты на оптимизированный выбор проводников составили $95 000 и окупились за 18 месяцев за счет дополнительного годового дохода от энергии. В течение 25-летнего срока службы проекта эта конструкция превысила гарантии производительности и превзошла ожидания инвесторов.

Реализация и проверка производительности

Результаты ввода в эксплуатацию

• Измеренные общие потери сбора постоянного тока: 1,75% (ниже целевого показателя 2,0%)
• Все строки соответствуют индивидуальным спецификациям падения напряжения
• Превышение гарантий производительности даже в условиях высокой температуры
• Достижение ROI за 18 месяцев
• Производство энергии в первый год превысило прогнозы на 2,3%

Фактические измерения производительности во время ввода в эксплуатацию подтвердили расчеты проектирования. Даже в экстремальных летних условиях (температура окружающей среды 47°C) система оставалась в пределах 2,0% лимита падения напряжения, соответствуя критериям производительности инвесторов.

Оптимизация солнечных проектов

Планируете солнечную установку? Наш калькулятор падения напряжения постоянного тока помогает оптимизировать размер строки и выбор проводников для максимизации сбора энергии. Правильная конструкция системы сбора постоянного тока может генерировать миллионы долларов дополнительного дохода в течение срока службы проекта.

Солнечный калькулятор постоянного тока

Система сбора постоянного тока солнечной электростанции

Задача

Решение