Cum funcționează calculatorul off-grid
Un sistem fotovoltaic off-grid nu are o rețea pe care să se sprijine, așa că trebuie dimensionat pentru cele mai grele condiții pe care le va întâlni, nu pentru anul mediu. Calculatorul urmează metoda clasică de proiectare a sistemelor autonome din IEEE 1562 și din ghidul de proiectare Sandia, cu date climatice reale pentru locația ta.
- Consumatorii. Listează-ți aparatele (sau introdu un total zilnic). Se adună în wați-oră pe zi, împreună cu o estimare a sarcinii maxime simultane și a vârfului de pornire al motoarelor, cum sunt pompele și compresoarele frigiderelor.
- Lanțul energetic. Energia în curent alternativ se împarte la randamentul invertorului și se adaugă consumul invertorului în gol pe 24 de ore. Partea din energie folosită seara și noaptea trece prin baterie și suportă pierderile ei la încărcare și descărcare.
- Soarele. Iradianța, temperatura și vântul lunare pe termen lung din NASA POWER pentru locația ta sunt proiectate pe înclinarea panourilor și transformate în kWh pe care fiecare kWp îi livrează efectiv bateriei pe zi, lună de lună, inclusiv pierderile din temperatura celulelor și randamentul regulatorului de încărcare.
- Luna de calcul. Sistemul de panouri se dimensionează pentru luna cea mai întunecată (sau pentru a patra cea mai întunecată, dacă un generator acoperă iarna grea, ori pentru cea mai întunecată lună de vară, la o cabană sezonieră), plus o marjă de siguranță.
- Bateria, invertorul, regulatorul. Bateria de acumulatori trebuie să acopere zilele de autonomie alese în limita adâncimii de descărcare a chimiei respective și ținând cont de pierderea de capacitate la cea mai joasă temperatură a bateriei. Apoi se împarte în unități legate în serie și în paralel.
Formulele
Exemplu de calcul: o cabană locuită tot anul, lângă București
Lista implicită de consumatori ajunge la 3,18 kWh/zi: opt becuri LED, un frigider eficient, un televizor, un laptop, un router, o pompă de apă de 750 W care merge o oră pe zi și două spălări de rufe pe săptămână. Cu un invertor cu randament de 92% și un consum în gol de 15 W, bara de curent continuu a bateriei trebuie să livreze 3,81 kWh/zi. Dacă 60% din această energie trece printr-o baterie LFP cu randament de 95%, panourile trebuie să dea 3,94 kWh/zi.
Pe panouri înclinate la 55°, decembrie aduce 2,12 kWh/m²/zi de lumină solară, iar fiecare kWp livrează doar 1,76 kWh/zi după pierderile din temperatură, murdărie, cabluri și regulator. Cu o marjă de 10%, asta înseamnă 2,46 kWp, deci șase panouri de 450 W (2,70 kWp). În august, același sistem recoltează 10,7 kWh/zi și lasă vara un surplus de circa 1.670 kWh pe an.
Pentru două zile de autonomie la 80% DoD și 10 °C, bateria are nevoie de circa 10,4 kWh nominali. La 48 V, asta înseamnă patru baterii de 12,8 V 100 Ah în serie, în trei șiruri paralele: 15,4 kWh (300 Ah), adică aproape trei zile de autonomie reală. Sarcina maximă (pompa, frigiderul și rezistența mașinii de spălat, pornite deodată) cere un invertor de 4 kW cu un vârf de cel puțin 4,4 kW și un regulator MPPT de 80 A. Estimarea aproximativă pentru echipamente plus montaj este de circa 10.900 €.
Cum citești rezultatele
- Luna de calcul și orele ei de soare explică dimensiunea sistemului de panouri. Uită-te la graficul dimensiunea sistemului pe luni. Dacă una sau două luni impun dimensiunea, un generator sau ajustarea sezonieră a înclinării pot ieși mai ieftin decât mai multe panouri.
- Autonomia reală poate depăși ținta, pentru că bateriile se cumpără în unități întregi.
- Lunile care au nevoie de rezervă sunt zero când dimensionezi pentru luna cea mai întunecată. Cu opțiunea de generator, arată câți kWh trebuie să furnizeze generatorul.
- Durata de viață a bateriei combină numărul de cicluri garantat cu îmbătrânirea în timp. Bateriile LFP din sistemele off-grid rareori se uzează din cauza ciclurilor; cele cu plumb-acid mor adesea din cauza subîncărcării cronice de peste iarnă.
Valori tipice
| Locație | Soare în decembrie pe panouri la 55° | kWh/kWp/zi (dec.) | kWp pentru ≈ 3 kWh/zi de consum |
|---|---|---|---|
| Helsinki, Finlanda | 0,3–0,6 kWh/m² | 0,3–0,5 | 10+ (de obicei un generator e mai ieftin) |
| Berlin, Germania | 0,9–1,2 kWh/m² | 0,7–1,0 | 4,5–6 |
| București, România | 2,0–2,3 kWh/m² | 1,6–1,9 | 2,3–2,7 |
| Madrid, Spania | 3,5–4,2 kWh/m² | 2,8–3,3 | 1,3–1,6 |
Cifrele provin din modelul acestui calculator, cu lista implicită de consumatori, pierderi fotovoltaice de 12%, regulator MPPT și o marjă de 10%.
Sfaturi pentru un sistem off-grid de încredere
- Redu mai întâi consumul. Fiecare kWh/zi economisit îți scutește circa 0,5–0,8 kWp de panouri și 2–3 kWh de baterie în iernile de la latitudini medii. Cumpără un frigider eficient, folosește iluminat LED și evită încălzirea electrică. Gătește și încălzește apa cu gaz, lemne sau un colector solar termic.
- Înclină panourile mult. 55–65° în Europa cresc producția din decembrie și lasă zăpada să alunece. Verifică calculatorul unghiului de înclinare cu opțiunea iarnă.
- Alege LFP. Bate plumb-acidul la capacitate utilă, randament și număr de cicluri. Doar nu o încărca sub 0 °C.
- Treci la 48 V pentru orice e mai mare decât o cabană mică și dimensionează cablurile pentru pierderi mici cu calculatorul de secțiune a cablurilor.
- Potrivește șirurile cu regulatorul. Tensiunea în gol a panourilor pe vreme rece trebuie să rămână sub tensiunea maximă de intrare a regulatorului MPPT. Calculatorul de dimensionare a șirurilor verifică asta.
- Ia în calcul un generator mic pentru săptămânile cele mai întunecate. În climatele nordice, dimensionarea pentru a patra cea mai întunecată lună înjumătățește adesea costul panourilor și al bateriei.
Limitări
Datele climatice medii lunare nu surprind seriile de zile înnorate la rând sau variațiile de la un an la altul, de aceea există câmpurile pentru zilele de autonomie și pentru marjă. Consumul este presupus constant pe tot anul; consumatorii sezonieri, cum sunt ventilatoarele de încălzire sau răcirea de vară, trebuie introduși pentru luna pentru care dimensionezi. Umbrirea, stratul de zăpadă și autodescărcarea bateriei nu sunt modelate separat. Costurile sunt estimări grosiere, care variază mult de la o țară și de la un instalator la altul.
Metodă și ipoteze
Energia zilnică E = Σ (putere × ore) pentru toți consumatorii AC. La bornele bateriei: E_dc = E ÷ η_inverter + consum în gol × 24 h. Energia pe care trebuie s-o livreze panourile: E_pv = E_dc × [(1 − f) + f ÷ RTE], unde f este cota folosită noaptea, prin baterie.
Câmpul de panouri = E_pv ÷ (Y_design) × (1 + marjă), unde Y_design reprezintă kWh pe kWp pe zi în luna de calcul, obținuți din iradianța lunară NASA transpusă pe înclinarea ta, cu temperatura celulelor și pierderile, înmulțiți cu randamentul regulatorului (MPPT 97%, PWM ≈ 80%).
Bateria: Wh nominal = E_dc × zile de autonomie ÷ √RTE ÷ DoD ÷ factorul de temperatură; Ah = Wh ÷ tensiunea sistemului; unități în serie = V_system ÷ V_unit, ramuri în paralel = ⌈Ah ÷ Ah_unit⌉. Invertorul ≥ 1,25 × sarcina de vârf, cu suprasarcină ≥ cea mai mare pornire de motor. Curentul regulatorului = W panouri ÷ V_system × 1,25.
Întrebări frecvente
Cât de mare trebuie să fie un sistem fotovoltaic off-grid?
De câte baterii am nevoie pentru un sistem fotovoltaic off-grid?
Să aleg un sistem off-grid de 12 V, 24 V sau 48 V?
Ce sunt zilele de autonomie?
Regulator de încărcare MPPT sau PWM?
De ce iese sistemul de panouri atât de mare față de ce îmi trebuie vara?
Surse și referințe
- IEEE Std 1562: Guide for Array and Battery Sizing in Stand-Alone Photovoltaic (PV) Systems
- IEC TS 62257: Recommendations for renewable energy and hybrid systems for rural electrification
- NASA POWER: climatologie lunară pe termen lung pentru radiația solară și datele meteorologice
- Sandia National Laboratories: Stand-Alone Photovoltaic Systems, A Handbook of Recommended Design Practices (SAND87-7023)
Integrează acest calculator
Gratuit pentru bloguri, instalatori, școli și ONG-uri. Copiază codul de mai jos; se actualizează singur.