Ghid pentru proiectarea sistemelor de panouri fotovoltaice hibride și off-grid

Pași de bază pentru proiectarea unui sistem solar care nu e racordat rețea

Înainte de a achiziționa orice tip de echipament necesar pentru un sistem solar cu baterii (hibrid) sau un sistem de alimentare off-grid, este foarte important să înțelegi elementele de bază ale proiectării și dimensionării sistemelor de stocare a energiei. Prima parte a procesului este utilizarea unui tabel de sarcină sau a unui calculator de sarcină pentru a estima cantitatea de energie necesară pentru a fi generată și stocată zilnic. Dacă nu poți elabora un tabel de sarcini, trebuie consultat un instalator de panouri fotovoltaice certificat de ANRE sau un proiectant de sisteme.

Pasul I Estimarea sarcinilor

Cea mai importantă parte a proiectării oricărui sistem solar off-grid sau cu baterii este calcularea cantității de energie necesare pe zi în kWh. Pentru site-urile conectate la rețea, datele detaliate privind sarcina pot fi adesea obținute direct de la distribuitorul de energie electrică sau prin utilizarea contoarelor pentru măsurarea directă a sarcinilor. Pentru sistemele de alimentare autonome sau în afara rețelei, se va începe întotdeauna prin utilizarea unui calculator de sarcină în afara rețelei  pentru vară și iarnă. Tabelul de sarcină poate fi, de asemenea, utilizat pentru a estima sarcinile de vârf, factorii de putere și cererea maximă necesară pentru dimensionarea unui invertor off-grid adecvat.

Pasul II – Configurarea bateriei

Capacitatea bateriei se măsoară în Ah (amperi-ore) sau Wh (wați-ore). Bateriile plumb-acid (cu ciclu adânc) sunt dimensionate în Ah, în timp ce capacitatea bateriilor cu litiu este în general măsurată în kWh (kilowați-oră). După utilizarea unui calculator de sarcină pentru a estima sarcinile zilnice medii în kWh, trebuie să se determine numărul de zile de autonomie (zile continue fără soare) pe care trebuie să le aibă bateria. De obicei, două zile este minimul pentru sistemele de baterii cu litiu, în timp ce bateriile plumb-acid mai puțin eficiente sunt în general dimensionate pentru trei sau mai multe zile.

În plus, trebuie să se ia în considerare toți factorii de pierdere pentru a se asigura că dimensiunea bateriei este adecvată pentru a face față sarcinilor, inclusiv pierderile invertorului, reducerea temperaturii pentru bateriile plumb-acid, adâncimea maximă admisibilă a descărcării (DoD) și eficiența dus-întors. De asemenea, ia în considerare tipul și compoziția chimică a bateriei, intervalul de tensiune al bateriei și rata maximă de încărcare a bateriei, după cum se explică în secțiunea 6 – Selectarea și dimensiunea potrivită a bateriei.

Pasul III – Configurarea grupului solar fotovoltaic

Un grup solar dimensionat corect este necesar pentru a încărca bateria și, în același timp, pentru a alimenta sarcinile. Recomandat este să te asiguri că panoul solar este suficient de mare, luând în considerare condițiile locale, inclusiv iradierea solară medie pe tot parcursul anului (orele de vârf ale soarelui), problemele legate de umbrire, orientarea panourilor și unghiul de înclinare, pierderile de cablu și reducerea temperaturii (factori de pierdere). Calculatorul solar  poate ajuta la estimarea producției solare pe tot parcursul anului, în funcție de orientarea panoului, de locație și de pierderile de umbrire.

Pasul IV – Selectarea invertorului

După stabilirea etapelor 1 – 3, poți selecta un invertor solar sau un regulator de încărcare fotovoltaică MPPT adecvat pentru a se potrivi matricei solare în funcție de lungimea panoului și a șirului, care va determina tensiunea șirului. Pentru a calcula tensiunile maxime și minime ale șirului, se utilizează întotdeauna un calculator de tensiune a șirului pentru a ne asigura că tensiunea nu depășește valoarea nominală de intrare. În continuare, trebuie selectat invertorul primar hibrid sau off-grid pentru a face față sarcinilor continue și de vârf, luând în considerare reducerea temperaturii și alți factori de pierdere explicați mai detaliat dedesubt.

Pasul V – Sursa de generare de rezervă

După ce sistemul tău solar este dimensionat corect și ai estimat o capacitate adecvată a bateriei, trebuie să iei în considerare o sursă de generare de rezervă, cum ar fi un generator diesel, mai ales dacă locuiești într-o zonă temperată (mai rece). Chiar dacă un generator de rezervă poate fi necesar doar pentru utilizare ocazională în timpul iernii, acesta trebuie să fie dimensionat corect pentru a alimenta sarcinile și a reîncărca simultan bateria, după cum se explică în secțiunea 8.

Cum să proiectezi un sistem hibrid sau off-grid

Sistemele moderne hibride și off-grid de stocare a energiei au multe specificații de luat în considerare înainte de a selecta și dimensiona un invertor sau un sistem de baterii adecvat. Sunt disponibile multe tipuri diferite de sisteme, inclusiv invertoare-încărcătoare interactive cu rețeaua, invertoare hibride, sisteme complete cu stocare integrată în baterii (cunoscute sub denumirea de BESS) și sisteme de baterii AC. La acest subpunct, te ghidăm pentru acest proces și evidențiem cerințele cheie care trebuie luate în considerare la selectarea și dimensiunea echipamentului.

Puterea nominală a invertorului

Invertoarele de baterie, hibride sau în afara rețelei, sunt disponibile într-o gamă largă de dimensiuni determinate de puterea nominală de ieșire continuă măsurată în kW sau kVA. Puterea nominală a invertorului depinde de tipologia sau designul invertorului, de tipul circuitului de conversie a puterii, de utilizarea sau nu a unui transformator, de sistemul de răcire și de temperatura de funcționare. Mai jos sunt prezentate două tipuri principale de invertoare hibride și off-grid disponibile.

1. Invertoare off-grid utilizează transformatoare de mare putere, care sunt mai scumpe, dar asigură o putere mare de vârf și de supratensiune și pot suporta sarcini inductive mari. Aceste invertoare conțin(de obicei) sisteme active de răcire forțată cu ventilator pentru a menține performanța la temperaturi ridicate. După cum se explică mai jos, majoritatea acestor invertoare au încărcătoare integrate și sunt interactive cu rețeaua, ceea ce înseamnă că pot fi utilizate și pentru a crea micro-rețele sau sisteme hibride.
2. Invertoare hibride și sistemele de baterii cuplate la curent alternativ utilizează, în general, invertoare fără transformator cu „tranzistori de comutare”. Aceste invertoare compacte, all-in-one, au puteri de vârf și de supratensiune mai mici, dar sunt mai rentabile deoarece combină invertorul solar (MPPT) și invertorul-încărcător la baterie într-o singură unitate integrată. De asemenea, acestea sunt de cele mai multe ori complet rezistente la intemperii, ceea ce înseamnă că pot fi instalate în siguranță în locuri mai expuse, dar lumina directă a soarelui trebuie evitată întotdeauna.

Puterea nominală continuă

Invertorul trebuie să fie adaptat (dimensionat) ușor mai mare decât sarcinile sau cererea maximă a aparatelor pe care le va alimenta. Din cauza reducerii temperaturii în medii fierbinți, invertorul trebuie să fie de cel puțin 1,2 ori mai mare decât cererea maximă continuă de vară. În funcție de plasare, aceasta este cea mai importantă specificație care trebuie luată în considerare la selectarea unui invertor hibrid, în special atunci când se utilizează un invertor hibrid ca sursă de alimentare de rezervă pentru sarcini dedicate sau esențiale. Dacă sarcinile sunt inductive sau rezistive este, de asemenea, foarte important și trebuie luat în calcul.

Explicarea cererii maxime

Cererea maximă a invertorului este cea mai mare sarcină continuă așteptată de la invertor, de obicei pe o perioadă de 30 de minute. Dacă este posibil, cererea maximă trebuie să se bazeze pe datele măsurate cu ajutorul unui dispozitiv de contorizare. În cazul în care datele privind sarcina nu sunt disponibile, cererea maximă trebuie estimată pe baza sarcinilor selectate într-un tabel de sarcini, incluzând, de obicei, sarcinile cu puterea nominală cea mai mare și orice alte sarcini susceptibile de a fi utilizate simultan. Selecția ar trebui să se bazeze pe o înțelegere aprofundată a modelelor de utilizare a sarcinii pentru a asigura acuratețea.

Dimensionarea invertorului în kW sau kVA

Un lucru de care trebuie să ții cont este dacă puterea nominală a invertorului este listată în kW sau kVA (kilo Volt-Amperi). Kilowatts este, în general, valoarea nominală mai precisă. Acest lucru poate fi puțin confuz atunci când configurezi un invertor pentru nevoile tale, deoarece mulți producători listează ratingul kVA datorită faptului că este mai mare decât ratingul echivalent în kW. Raportul general de conversie utilizat pentru kVA în kW este:

kVA x 0,8 = kW

5,0 kVA x 0,8 = 4,0 kW

De exemplu, un invertor de 5,0 kVA echivalează aproximativ cu o putere nominală a invertorului de 4,0 kW. Un alt exemplu este un invertor cu putere de ieșire continuă de 3000VA (3 kVA), care, în general, produce doar 2400 de wați (2,4 kW) continuu, deci aproximativ 80% din puterea nominală „aparentă”.

Dimensionarea invertorului în afara rețelei

Pentru instalațiile off-grid, configurarea invertorului este critică și trebuie să fie dimensionată pentru a satisface sarcina totală (cererea maximă) în toate condițiile. După cum s-a menționat, reducerea temperaturii este deosebit de importantă, deoarece puterea invertorului este redusă la temperaturi ambientale mai ridicate. De exemplu, un invertor de 6 kW la o temperatură de 25°C poate produce o putere continuă de numai 4,8 kW la 40°C. Acest factor de reducere trebuie luat în considerare, în special în climatele mai calde.

Supratensiunea sau puterea de vârf a invertorului

Puterea nominală de vârf este foarte importantă pentru sistemele în afara rețelei, dar nu întotdeauna critică pentru un sistem hibrid (conectat la rețea). Dacă intenționezi să alimentezi aparate cu supratensiuni mari, cum ar fi pompe de apă, compresoare, mașini de spălat și unelte electrice, invertorul trebuie să fie capabil să facă față supraîncărcărilor inductive mari, adesea denumite LRA sau Amperi cu rotor blocat.

Ratingul LRA este valoarea maximă absolută a ampermetrilor pe care un invertor îi poate furniza la pornirea unui motor, cum ar fi un compresor sau o pompă mare, din staționare. Este mai ușor să înțelegem valoarea nominală LRA ca fiind valoarea nominală maximă posibilă a supratensiunii de scurtă durată. Spre deosebire de puterea nominală de vârf, care poate fi susținută în general timp de până la 10 secunde, puterea maximă absolută de supratensiune sau LRA este de obicei mai mică de 0,5 secunde. Nu toți producătorii de invertoare vor lista valoarea nominală LRA, dar se presupune adesea că aceasta este de 1,5 până la 2 ori valoarea nominală a puterii de supratensiune. Consultă producătorul pentru clarificări.

* Tabel comparativ al puterii nominale a invertoarelor hibride și off-grid de top. A se utiliza doar ca ghid – consultați specificațiile producătorului pentru detalii complete.

Durata de timp în care invertorul poate menține puterea de vârf este, de asemenea, foarte importantă, dar poate induce în eroare în funcție de modul în care este descrisă de producător. De exemplu, unele invertoare pot specifica o putere de supratensiune de 8 kW, în timp ce altele pot specifica 8 kW timp de 60 de secunde. Atunci când nu este specificat un timp de supratensiune (în secunde), valoarea nominală de supratensiune poate fi menținută doar pentru 1 sau 2 secunde. În general, invertoarele high-end interactive cu rețeaua – au cea mai mare putere de supratensiune pentru cea mai lungă perioadă de timp.

Energie de rezervă

Tabelul de mai sus evidențiază faptul că unele sisteme cu baterii au o putere de rezervă redusă sau limitată atunci când funcționează în modul de rezervă sau de alimentare de urgență (EPS). În funcție de bateria utilizată, aceasta poate fi limitată în continuare de capacitatea bateriei și de puterea nominală de ieșire a bateriei. Cu toate acestea, mai multe sisteme și invertoare nu au o putere de ieșire redusă în modul de rezervă.

Configurație – cuplaj CA sau CC

Pe măsură ce sistemele de baterii solare au devenit mai mari și mai avansate, sistemele cuplate în CA au devenit una dintre cele mai bune configurații datorită invertoarelor solare de tip string, ieftine și ușor de instalat.

Majoritatea sistemelor moderne off-grid, având un cuplaj de curent alternativ utilizează invertoare bidirecționale cuplate cu unul sau mai multe invertoare fotovoltaice compatibile.

Sistemele cuplate în curent alternativ sunt, în general, mai eficiente în timpul zilei, când există o cerere mare de curent alternativ, cum ar fi sistemele de aer condiționat, aparatele de bucătărie moderne și pompele pentru piscină.

Cu toate acestea, sistemele de baterii cuplate la curent continuu de înaltă tensiune (HV) devin din ce în ce mai populare datorită gamei tot mai mari de invertoare hibride HV avansate de pe piață.

Capacitatea de încărcare a invertorului

Efect asupra amplificatorilor totali

Capacitatea maximă de încărcare a invertorului bateriei, măsurată în amperi, trebuie luată în considerare pentru a se asigura că capacitatea acumulatorului și invertorul sunt „echilibrate” corect. De exemplu, în sistemele cuplate la curent alternativ, asigură-te că invertorul-încărcătorul are o capacitate de încărcare suficientă pentru a permite bateriei să atingă tensiunea de încărcare de absorbție. Dacă banca de baterii este prea mare și capacitatea de încărcare a invertorului este prea mică, bateria nu va realiza un ciclu complet de încărcare. Acest lucru va duce la dezechilibrarea celulelor, performanțe slabe, degradare și posibila sulfatare (dacă sunt utilizate baterii plumb-acid).

Majoritatea sistemelor moderne de baterii cu litiu pot accepta un curent de încărcare ridicat și pot fi încărcate la o rată C mai mare. În cazul în care se utilizează un grup solar supradimensionat și rata de încărcare a invertorului este insuficientă, generarea solară poate fi limitată (redusă), iar sistemul nu va funcționa la fel de eficient. Sistemul solar cuplat la curent continuu poate ajuta la depășirea acestei probleme, deoarece panoul solar este conectat direct la sistemul de baterii și nu este limitat de rata de încărcare a invertorului.

Ghid de configurare a instalației solare

După ce ai stabilit consumul mediu zilnic de energie (kWh), următorul pas este să determini dimensiunea grupului solar în kW, luând în considerare iradierea solară locală și orice pierderi de umbrire. Capacitatea bateriei (kWh) ar trebui, de asemenea, să fie luată în considerare pentru sistemele off-grid atunci când se configurează rețeaua fotovoltaică. Acest lucru nu este simplu, deoarece sunt multe variabile de luat în considerare.

Explicarea orelor de soare de vârf

Un ghid general este acela de a utiliza orele solare de vârf minime (PSH) ale locației tale în timpul iernii. Orele de vârf ale soarelui nu sunt orele de zi, ci orele combinate în care insolația soarelui ajunge la 1 000 W/m2. Acesta este momentul în care panourile tale solare generează cea mai mare cantitate de electricitate, la fel ca și măsurarea orei optime pentru generarea de energie solară într-o anumită zonă. Cifrele oficiale PSH sunt unice pentru fiecare locație și sunt furnizate în general de organizațiile meteorologice.

Valoarea Peak Sun Hours sau PSH de iarnă este utilizată de obicei pentru a se asigura că panoul solar este suficient de mare pentru a încărca complet bateria în timpul celei mai scurte zile însorite.

De exemplu, dacă ai un sistem off-grid cu o baterie de 16 kWh, trebuie să generezi minimum 20 kWh în timpul celei mai scurte zile, presupunând că sarcinile din timpul zilei sunt foarte scăzute. Dacă sarcinile din timpul zilei sunt de 10kWh, atunci va trebui să generezi până la 30 kWh într-o zi însorită de iarnă. Poți utiliza instrumentul de proiectare solară pentru a determina câți kWh va produce un sistem solar pe tot parcursul anului, pe baza PSH local, a orientării și a unghiului de înclinare a sistemului.

Datorită costului relativ scăzut al panourilor fotovoltaice, supradimensionarea grupului solar este o practică obișnuită pentru a se asigura că bateria este încărcată chiar și în condiții meteorologice nefavorabile sau intermitente. În sistemele fără rețea, supradimensionarea va contribui la reducerea timpului de funcționare a generatorului de rezervă.

Tensiunea de șir MPPT

Calcularea precisă a tensiunilor de șir este esențială atunci când se proiectează un sistem solar folosind invertoare solare de șir sau regulatoare de încărcare MPPT. Sistemele trebuie să funcționeze într-o mare varietate de condiții meteorologice și climaterice, iar temperatura ambiantă afectează în mod semnificativ tensiunea de șir, care, la rândul său, afectează performanța, siguranța și fiabilitatea sistemului.

Limitele mărimii energiei solare

Invertoarele hibride au MPPT-uri (trackere) integrate cu limite de dimensiune solară bazate pe tensiunea de intrare și curentul nominal al șirului. Invertoarele hibride mai mici (4-6 kW) sunt în general limitate la 10 kW de energie solară, în timp ce invertoarele hibride mai mari, de 10-12 kW, pot găzdui adesea panouri solare de până la 20 kW. Prin comparație, invertoarele off-grid interactive cu rețeaua pot funcționa cu invertoare fotovoltaice sau regulatoare de încărcare solară MPPT atât în configurații cuplate AC, cât și DC. Din punct de vedere tehnic, aceste sisteme nu au limite de mărime și pot găzdui panouri solare mult mai mari, care pot fi extinse ulterior, dacă este necesar.

Dimensionarea sistemelor fotovoltaice cuplate în CA

În sistemele off-grid cuplate în CA, dimensiunea invertorului solar este adesea limitată de puterea nominală (kW) a invertorului-încărcător. De exemplu, invertoarele-încărcătoare pot fi cuplate în CA numai cu un raport de invertor de 1:1, ceea ce înseamnă că puterea nominală a invertorului solar (c.a.) trebuie să fie aceeași cu puterea nominală CA a invertorului-încărcător. Un invertor solar de 5 kW este cea mai mare dimensiune și poate fi cuplat CA cu un încărcător cu invertor de 5 kW. Reține că se poate adăuga mai multă energie solară utilizând cuplarea CC cu un sistem.

IMPORTANT: Atunci când se proiectează sisteme cuplate la curent alternativ în afara rețelei folosind un invertor solar, invertorul trebuie să fie compatibil cu invertorul bateriei pentru a se asigura că puterea de ieșire poate fi redusă atunci când bateria este plină, iar sarcinile sunt reduse. De exemplu, în sistemele Selectronic cuplate la curent alternativ în afara rețelei (off-grid), este necesar un invertor „Scert” modificat pentru a permite controlul precis al încărcării bateriei utilizând comunicarea directă. Prin comparație, sistemele cuplate la curent alternativ în afara rețelei utilizează în general schimbarea frecvenței pentru a gestiona puterea de ieșire a invertorului solar. Acest lucru este adecvat, dar nu la fel de precis și poate afecta unele aparate electronice sensibile.

Configurarea sistemelor fotovoltaice cuplate în curent continuu

Spre deosebire de energia solară cuplată în CA, cuplarea în CC nu are aceleași limitări de dimensiune, iar grupul solar poate fi supradimensionat în mod semnificativ pentru a ține cont de condițiile meteorologice nefavorabile și de schimbările în iradierea solară sezonieră.

Cuplarea solară în curent continuu cu ajutorul regulatoarelor de încărcare solară MPPT este o modalitate foarte eficientă și fiabilă de a adăuga energie fotovoltaică și are multe avantaje față de cuplarea în curent alternativ, explicate mai detaliat în continuare.

Cuplarea în curent continuu a energiei solare cu ajutorul regulatoarelor de încărcare MPPT externe nu este posibilă în majoritatea sistemelor hibride sau a invertoarelor hibride all-in-one. Motivul este că bateria trebuie să fie gestionată de invertorul hibrid pentru a asigura încărcarea precisă și sigură a bateriei. Dacă se utilizează un controler de încărcare extern, invertorul hibrid nu poate controla regulatorul MPPT atunci când bateria este complet încărcată și există un risc serios de supraîncărcare și deteriorare. Cu toate acestea, mai multe sisteme off-grid pot fi utilizate ca sisteme hibride cu energie solară cuplată atât cu curent alternativ, cât și cu curent continuu, cu condiția ca regulatoarele de încărcare să fie compatibile și conectate corect.

Alimentarea prin trecere a invertorului

Funcția de alimentare prin trecere, denumită și „comutator de transfer integrat”, permite invertorului să furnizeze energie suplimentară de la rețea sau de la generatorul de rezervă în cazul unor sarcini mari, atunci când bateriile sunt descărcate sau când energia solară nu este disponibilă.

Capacitatea de a transfera energie suplimentară de la rețea (sau de la generator într-un sistem off-grid) poate simplifica foarte mult instalarea prin faptul că nu este necesară separarea sarcinilor esențiale de cele neesențiale.

În general, doar invertoarele high-end interactive cu rețeaua și off-grid pot transmite energie suplimentară de la rețea sau pot porni automat și pot utiliza un generator de rezervă conectat.

Selectarea și configurarea bateriei

Înainte de lansarea sistemelor accesibile de baterii cu litiu, majoritatea invertoarelor de baterii au fost proiectate să funcționeze cu bateriile plumb-acid disponibile pe scară largă. Bateriile plumb-acid sunt mai mari și mai grele și pot emite gaze care necesită ventilație.

În schimb, bateriile litiu-ion sunt mai ușoare, compacte, mai eficiente și sigure pentru a fi depozitate într-o carcasă etanșă. Marea majoritate a producătorilor de baterii cu litiu utilizează acum celule LFP (litiu fero (fier) fosfat) datorită duratei de viață mai lungi și stabilității termice ridicate.

Unele dintre cele mai populare sisteme de baterii LFP cu litiu, cum ar fi cele de la BYD, Pylontech și EG4, sunt baterii gestionate cu sisteme integrate de gestionare a bateriei (BMS), care necesită un invertor cu comunicații compatibile (protocol de rețea CANbus) pentru a funcționa.

Pe de altă parte, numeroase sisteme de baterii LFP cu litiu autogestionabile dispun, de asemenea, de un BMS, dar nu necesită comunicații cu invertorul și vor funcționa la fel ca un sistem de baterii plumb-acid.

Baterii plumb-acid

Pentru sistemele fără rețea(off-grid), bateriile plumb-acid sunt încă o tehnologie fiabilă și bine dovedită, cu o durată de viață de până la 15 ani, atunci când sunt dimensionate și gestionate corect. Unul dintre cele mai mari avantaje ale bateriilor plumb-acid este că, spre deosebire de bateriile moderne cu litiu, acestea nu se vor opri la o tensiune scăzută sau la un SOC scăzut. Acest lucru este important în situații de urgență sau atunci când un generator de rezervă nu funcționează sau nu este disponibil.

Tensiune mai mare a bateriei = eficiență crescută

Toate invertoarele hibride și off-grid sunt proiectate pentru a utiliza o anumită tensiune nominală DC a bateriei, cea mai comună fiind 48V. Deoarece majoritatea sistemelor de baterii cu litiu sunt de 48V, aceasta nu este o problemă. Cu toate acestea, multe invertoare de capacitate mică utilizează 12V sau 24V, astfel încât acestea sunt compatibile numai cu bancuri de baterii de aceeași tensiune.

Sistemele de baterii de înaltă tensiune sau HV de la 150 la 500 V sunt din ce în ce mai frecvente pentru sistemele de baterii casnice conectate la rețea, iar multe invertoare hibride funcționează toate cu sisteme de baterii de înaltă tensiune. Cu toate acestea, este demn de remarcat faptul că sistemele de baterii HV nu sunt universale și, în general, sunt compatibile doar cu un anumit invertor hibrid.

Tensiunea optimă pentru sistemele off-grid

Pentru sistemele off-grid, tensiunile bateriilor de 48V oferă multe avantaje față de bateriile de 12V sau 24V, în special pentru sistemele mai mari. În primul rând, acestea au ca rezultat un consum redus de curent pentru aceeași putere de ieșire, ceea ce duce la o rezistență mai mică, pierderi de cablu și cădere de tensiune. Acest lucru îmbunătățește eficiența tuturor echipamentelor de conversie a energiei, inclusiv a invertoarelor și MPPT-urilor.

Sistemele de baterii de 12 V sunt, în general, potrivite doar pentru aplicații mici, cum ar fi rulotele, caravanele sau magaziile; acestea nu sunt recomandate pentru consumuri de curent alternativ mai mari de 2 400 W din cauza cerințelor ridicate de curent. Creșterea curentului în sistemele electrice duce la o generare mai mare de căldură, provocând dilatarea și contracția termică care pot supune la stres componentele și plăcile de circuite, ceea ce duce adesea la defecțiuni electronice.

Sistemele de baterii de 48V oferă numeroase beneficii în comparație cu sistemele cu tensiune mai mică, inclusiv mai multă energie solară per MPPT, ceea ce duce la o capacitate solară per MPPT mult mai mare în sistemele cuplate la curent continuu. În plus, șansele de defectare sunt reduse, deoarece tensiunea mai mare și curentul mai mic minimizează efectul de încălzire cauzat de rezistența din conexiuni și terminale.

În cele din urmă, sistemele de 48 V au un avantaj semnificativ în ceea ce privește costurile în comparație cu cele de 12 V și 24 V, datorită numărului mai mare de opțiuni și a concurenței sporite; există mult mai multe opțiuni de baterii de 48 V, care sunt, în general, mai ieftine decât versiunile cu o capacitate echivalentă (kWh) de tensiune mai mică. În plus, invertoarele de 48V costă mai puțin per kW la cumpărare.

Avantajele sistemelor de 48V în comparație cu cele de 12/24V

• Capacitate mai mare de energie solară per MPPT datorită curentului redus
• Eficiență sporită prin reducerea căderii de tensiune și a pierderilor asociate.
• Costuri mai mici de cablare cu cabluri de calibru mai mic datorită curentului mai mic.
• Tensiunea mai mare și curentul mai mic minimizează efectul de încălzire în conexiuni.
• Reducerea riscului de supraîncălzire și a potențialelor defecțiuni.
• Mai multe opțiuni și concurență sporită – multe opțiuni de baterii LFP de 48V.
• Costuri inițiale reduse – achiziționarea invertoarelor de 48V costă mai puțin per kW.

Capacitatea bateriei – kWh

Sistem modular de baterii cu litiu, montat pe raft

Capacitatea bateriei se măsoară în kWh (kilowați/oră) sau amperi/oră (plumb-acid), care reprezintă energia totală pe care un sistem de baterii o poate stoca. Cu toate acestea, nu toată capacitatea disponibilă este utilizabilă, în funcție de tipul și specificațiile bateriei.

Bateriile obișnuite cu plumb-acid cu ciclu adânc ar trebui descărcate zilnic doar până la 20-40% din capacitatea totală, în timp ce bateriile litiu-ion și bateriile de nouă generație pot fi descărcate până la 80-90% SOC. Prin urmare, chimia și capacitatea bateriei trebuie selectate cu atenție pentru a răspunde cerințelor energetice ale utilizatorului.

Hibrid vs. Off-grid – Pentru o locuință tipică conectată la rețea cu o utilizare de energie de vârf (seara) de 10 kWh de la ora 17:00 până la miezul nopții, o baterie cu litiu de 12-15 kWh ar fi suficientă. Cu toate acestea, pentru sistemele fără rețea, sistemul de baterii va trebui să stocheze suficientă energie pentru câteva zile consecutive de vreme rea.

În cazul unei locuințe medii (eficiente) care utilizează 10-15 kWh pe parcursul unei zile întregi, va fi nevoie de un sistem de baterii mult mai mare și mai scump, de 30-60 kWh, în funcție de zilele de autonomie necesare și de dimensiunea rețelei solare.

Cum să-ți configurezi un sistem de baterii off-grid

Pentru a dimensiona corect un sistem de baterii off-grid, trebuie luați în considerare mai mulți factori, inclusiv sarcina zilnică (kWh), puterea nominală a invertorului, sarcinile de vârf și numărul de zile de autonomie. Mai jos sunt prezentați pașii pentru a te asigura că sistemul de baterii este potrivit pentru aceste cerințe importante.

1. Calculează cerințele privind sarcina zilnică:
   • Determină consumul mediu zilnic de energie în kilowați-oră (kWh) pe zi utilizând un tabel de sarcină. Aceasta include toate aparatele, sarcinile și dispozitivele care vor fi alimentate de sistem. În general, sarcina de iarnă este utilizată atunci când zilele sunt mai scurte, iar sarcinile sunt (de obicei) mai mari.
2. Determină numărul de zile de autonomie:
   • Decide de câte zile ar fi nevoie ca sistemul tău de baterii să fie capabil să susțină sarcinile tale fără reîncărcare din energie solară sau din alte surse (zile de autonomie). Acest lucru este crucial pentru perioadele cu soare limitat sau în timpul vremii nefavorabile. Recomandarea generală este de două zile pentru sistemele de baterii cu litiu, în timp ce bateriile plumb-acid mai puțin eficiente sunt în general făcute să reziste pentru trei sau patru zile.
3. Capacitatea de stocare a bateriei (kWh):
   • Dimensionează sistemul de baterii pe baza energiei totale necesare pe zi (kWh/zi) înmulțită cu numărul de zile de autonomie dorite. Se obține astfel capacitatea totală de stocare a energiei necesară în kWh. Capacitate necesară a bateriei = Sarcina zilnică (kWh/zi) × Zile de autonomie
4. Sarcini de vârf și cerințe de putere
   • Cu ajutorul unui tabel de sarcini, poți estima cererea de putere de vârf (kW) pe care invertorul și sistemul de baterii trebuie să o gestioneze simultan. Pierderile invertorului trebuie să fie luate în considerare la calcularea cererii de curent continuu de vârf (A). De exemplu, dacă sarcina de vârf a cererii tale a fost de 8500 W CA, iar eficiența invertorului de 48 V a fost de 92% (pierderi de 8%), atunci cererea de vârf de curent continuu a bateriei va fi calculată după cum urmează: 8500 W × 1,08 = 9180 W (sarcină DC)9180W / 48V = 191 Amperi (curentul bateriei)
5. Puterea nominală de ieșire a bateriei:
   • Bateria trebuie să fie proiectată pentru a face față atât cererii de sarcină de vârf, cât și consumului total de energie al dispozitivelor conectate. Asigură-te că are suficientă putere de ieșire (în Amperi) pentru a face față cererii de vârf fără a supraîncărca sistemul de baterii sau izolatorul/întrerupătorul principal cu siguranțe. Dacă numărul de baterii nu poate susține cererea de sarcină maximă, trebuie adăugate mai multe baterii sau, în caz contrar, trebuie ales un sistem de baterii care poate satisface cererea de putere.
   • De asemenea, asigură-te că principalele cabluri ale bateriei sunt calibrate pentru a suporta curentul maxim cu un factor de siguranță de cel puțin 20% pentru a permite temperaturi mai ridicate.

Sisteme de baterii cu litiu modulare, cu montare pe raft

Sistemele modulare de baterii cu litiu constau în module individuale de baterii care pot fi interconectate pentru a crește capacitatea în funcție de necesități. Aceste sisteme permit flexibilitate în proiectare și extinderi viitoare.

Ele se pot adapta schimbărilor în consumul de energie fără a necesita o revizuire completă a sistemului. Cu ajutorul sistemelor de baterii cu litiu cu montare pe raft, poți determina cu exactitate dimensiunea sistemului de baterii off-grid pentru a satisface nevoile actuale, permițând în același timp extinderea viitoare și schimbările de situație în timp.

Software și gestionarea energiei

Un nivel ridicat de gestionare a energiei și de monitorizare a sistemului este necesar pentru a permite sistemelor de alimentare hibride sau fără rețea să optimizeze utilizarea energiei și să prelungească durata de viață a bateriei.

Software-ul utilizat pentru funcționarea sistemelor hibride și off-grid necesită, prin urmare, capacități avansate de gestionare și monitorizare a energiei, iar aici se remarcă invertoarele high-end interactive cu rețeaua. Aceste invertoare puternice dispun de cele mai avansate pachete software cu sisteme de control integrate, relee, intrări și ieșiri digitale.

Sistemele respective încorporează, de asemenea, senzori specializați de monitorizare a bateriei și senzori de temperatură pentru a prelungi durata de viață a bateriei și pentru a optimiza încărcarea cu bancuri de baterii plumb-acid sau VRLA.

Generatoare de rezervă

Un generator diesel de rezervă modern, tipic, cu pornire automată

Regiunile cu zile scurte de iarnă, vreme nefavorabilă sau strat de zăpadă fac dificilă alimentarea unei case fără rețea în întregime din energie solară pe tot parcursul anului. În acest caz, este necesară o sursă de energie de rezervă.

Cu toate acestea, majoritatea gospodăriilor au nevoie de un generator de rezervă pentru câteva zile sau săptămâni. Dacă ai o casă bine izolată și eficientă și un panou solar supradimensionat (fără strat de zăpadă), este posibil să te poți lipsi de un generator de rezervă dacă ești prudent în ceea ce privește consumul de energie și deconectarea sarcinilor (oprirea unor sarcini neesențiale precum apa caldă pentru perioade scurte de timp).

Persoanele care locuiesc în afara rețelei în climatele temperate și reci vor avea nevoie de un generator de rezervă, cel mai comun tip fiind cel diesel cu pornire automată. O funcție de pornire automată cu două fire va permite invertorului off-grid să controleze și să gestioneze automat funcționarea generatorului pe baza setărilor de control programate.

Eficiența și durata de funcționare a generatorului

Ca regulă generală, toate generatoarele cu combustie (diesel/petrol) sunt mai eficiente dacă funcționează la o sarcină de 70-80%. De exemplu, dacă dispui de un generator de 10kVA, ar trebui să funcționezi la o sarcină de 7kVA până la 8kVA, ceea ce echivalează cu 6 – 7 kW.

Funcționarea la sarcina optimă va îmbunătăți dramatic eficiența combustibilului și va reduce timpul de funcționare. Acest lucru va îmbunătăți, de asemenea, durata de viață a generatorului și va asigura că acesta nu este subîncărcat, ceea ce poate provoca uzură prematură și emisii crescute.

Un alt factor pe care trebuie să îl iei în considerare este tipul băncii de baterii, capacitatea și sarcina pe timp de noapte (kWh). De exemplu, dacă ai o baterie cu litiu, este posibil să fie nevoie să pornești generatorul doar pentru o perioadă suficientă de timp pentru a încărca bateria cu suficientă vei încărca bateria 100% sau chiar 90%.

S-ar putea să fie nevoie să pornești generatorul doar pentru o perioadă suficientă de timp pentru a încărca bateria cu destulă energie încât să ajungă până a doua zi. În acest caz, nu vei încărca bateria la 100% sau nici măcar la 90%.

La încărcarea bateriilor plumb-acid, nu se recomandă încărcarea bateriei la 100% cu ajutorul unui generator, deoarece curentul de încărcare necesar pentru ultimele 10% de încărcare este foarte scăzut și va sub încărca generatorul.

Energie de rezervă utilizând tehnologia Vehicul la sarcină (V2L)

Tehnologia vehicul-încărcare (V2L) este, de asemenea, explorată în sistemele fără rețea, putând reduce sau înlocui generatoarele de rezervă în anumite scenarii.

Un vehicul electric (VE) echipat cu tehnologia V2L ar putea servi ca sursă de alimentare de rezervă datorită capacității mari a bateriei sale, de obicei 70 kWh, aproximativ dublă față de cea a unui sistem solar rezidențial mediu fără rețea.

Această capacitate mare permite vehiculelor electrice cu capacitate V2L suficientă să stocheze surplusul de energie solară și să furnizeze energie de rezervă atunci când este necesar.

Fezabilitatea utilizării V2L se bazează pe doi factori principali:

1. În general, EV trebuie să aibă o capacitate suficientă a bateriei pentru alimentarea de rezervă, care poate fi limitată în cazul în care este utilizat în mod regulat pentru călătorii pe distanțe lungi. Alternativ, dacă vehiculul electric este utilizat pentru călătorii mai scurte și rămâne parcat la domiciliu în timpul zilei, o parte din capacitatea bateriei sale ar putea fi alocată pentru alimentarea de rezervă.
2. Eficacitatea utilizării V2L se bazează pe disponibilitatea solară adecvată, în special iarna, când energia solară poate fi insuficientă din cauza unor factori precum umbrirea, acoperirea cu zăpadă sau vremea nefavorabilă. Supradimensionarea grupului solar poate atenua aceste provocări, asigurând o producție suficientă de energie pentru nevoile casnice și încărcarea vehiculelor electrice.