Как подобрать солнечную батарею для реальных нагрузок

Большинство руководств по размерам сообщают вам формулу и на этом останавливаются. Формула — это самая простая часть. Что сбивает людей с толку в реальных установках, так это все вокруг - полезной мощности, которая меняется в зависимости от химического состава и температуры, инвертор, который не может обеспечить помпаж, необходимый для скважинного насоса, или показатель автономности, который выглядел хорошо на бумаге, пока трех--дневный пасмурный период не опустошил банк к обеду на второй день.

В этом руководстве рассматривается определение размера аккумуляторной батареи так, как подходит к этому проектировщик системы: начните с реальных нагрузок, примените основную формулу, а затем скорректируйте ее с учетом инженерных реалий, которые не учитываются в уравнениях из учебника. К концу у вас будет диапазон мощностей, за который вы действительно сможете совершать покупки за -, а не просто число на доске.

Насколько большим должен быть банк солнечных батарей?

Основные соотношения размеров:

Требуемая полезная мощность (Втч)=Суточное потребление энергии (Втч) × Дни автономной работы

Затем разделите на целевую глубину разряда (DoD), чтобы получить номинальную емкость, которую вам действительно нужно купить:

Номинальная мощность (Втч)=Требуемая полезная мощность ÷ полезная доля

Если номинал ваших аккумуляторов указан в ампер-часах, а не в ваттах-часах, выполните преобразование с помощью:

Ач=Втч ÷ напряжение системы

Это даст вам надежную отправную точку. Что превращает его в настоящую конструкцию, так это учет химического состава аккумуляторов, эффективности туда и обратно-, ограничений инвертора, импульсных нагрузок, температуры и периода солнечной подзарядки. Остальная часть этой статьи объясняет, как это сделать.

Примечание к формуле: в некоторых руководствах написано «ежедневное использование × время резервного копирования в часах», что работает только в том случае, если вы разделите обратно. С использованиемдни автономииобеспечивает единообразие единиц измерения и позволяет избежать наиболее распространенной ошибки определения размера, которую мы видим на форумах DIY.

Емкость аккумулятора в зависимости от выходной мощности

Прежде чем какое-либо число что-либо значит, полезно разделить две вещи, которые люди часто смешивают:

• Емкость (Втч или кВтч)- сколько энергии хранит банк. Это то, что рассчитывают формулы определения размеров.
• Мощность (Вт или кВт)- насколько быстро эта энергия может быть доставлена ​​в данный момент. Это ограничивается емкостью батареи -и, чаще всего, инвертором.

Банк на 10 кВтч с инвертором на 3 кВт может работать на ноутбуке несколько дней, но не может запустить 5-сильный скважинный насос. Если это различие вам незнакомо, торазница между кВт и кВтчстоит быстро прочитать, прежде чем продолжить - здесь часто начинаются ошибки с размером.

Номинальная мощность и полезная мощность

Аккумулятор емкостью 10 кВтч почти никогда не дает вам 10 кВтч полезной энергии в день. То, что вы на самом деле получите, зависит от:

• Безопасная глубина разряда химических веществ - Производители LiFePO4 обычно указывают 80–95 % DoD для использования на велосипеде, тогда как залитая свинцово-кислотная- кислота обычно поддерживается на уровне 50 %, чтобы продлить срок службы цикла.
• КПД-перехода туда и обратно - литиевых систем обычно составляет 90–95 %; свинцовая-кислота около 80–85 %
• Температура - емкости лития падает при низких температурах, и зарядка при температуре ниже нуля обычно запрещена без нагревателя. Это стоит рассмотреть подробнее, если вы устанавливаете на открытом воздухе (Диапазон температур литиевой батареизакрывает пороги)
• Самопотребление инвертора-и накладные расходы BMS

Сложите их вместе, и «номинальные 10 кВтч» могут легко превратиться в 7–8 кВтч реальной, полезной ежедневной энергии для литиевой системы и ближе к 4 кВтч для свинцово-кислотной батареи. Именно здесь большинство установок маленького размера идут не так, как надо: люди выбирают размер по номеру наклейки и пропускают снижение характеристик.

Шаг 1

Прежде чем что-либо определять, решите, для чего предназначена батарея. Реальные варианты использования выглядят так:

• Необходимая резервная копия- холодильник, освещение, интернет, несколько розеток, возможно, медицинское устройство.
• Частичное-домашнее резервное копирование- несколько критических цепей во время сбоя
• Вся резервная копия-дома- гораздо более крупная цель, часто требуется поддержка генератора
• Место проживания вне-сети- ежедневное использование плюс хранение в ночное время и-плохую погоду
• Дом на колесах, фургон, лодка- компактное хранилище для мобильных грузов

Эти сценарии имеют очень разные размеры конвертов, и окончательный ответ зависит от того, какой из них применим к вам - больше, чем любая формула -. Если вы еще не решили, являетесь ли вы сетевым,-подключенным к сети, автономным-сетевым или гибридным, самое время начать с этого (включенные-сетевые или выключенные-сетевые или гибридные солнечные системыустраняет различия).

Расчет ежедневного потребления энергии

Для каждой загрузки:

Ватт × часы в день=Втч в день

Две вещи, которые новички обычно упускают здесь:

1. Мощность, указанная на паспортной табличке, не является мощностью во время работы.Холодильник мощностью 120 Вт не потребляет 120 Вт постоянно -, он работает циклично. Использование паспортной таблички в качестве непрерывного измерения приводит к завышению суточной мощности примерно в 2–3 раза. Гораздо более точным будет подключение-счетчика кВтч к реальному устройству на день или два.
2. Сезонные колебания имеют значение.Кондиционирование-кондиционеров, отопление помещений, колодезные насосы и электрические водонагреватели сильно варьируются от-к-зимы. Размер наихудшего месяца, который вас волнует, а не среднегодового значения.

Типичный список загрузки-резервных копий может выглядеть так:

Шаг 2. Решите, сколько дней автономности вам нужно

Автономность — это количество дней, в течение которых банк должен перевозить ваши грузы с минимальным потреблением солнечной энергии или без нее. Типичные цели:

• 0,5 дня (только ночь)-сетевая-система с дневной солнечной энергией, компенсирующая большую часть нагрузок
• 1 день- обычно используется в солнечном климате и конструкциях,-ориентированных на резервное копирование.
• 2–3 дня- отключены-дома от электросети в районах с надежной солнечной энергетикой или в регионах, где периодически бывают облачные периоды
• 3–5+ дня- северные широты, сильные зимние нагрузки или места с длительной облачностью.

Калькулятор NREL PVWattsдает оценку выработки солнечной энергии для-конкретного местоположения по месяцам, и чтение худшей-выработки за месяц обычно более полезно, чем среднегодовое значение, когда вы решаете, какую автономность следует проектировать.

Здесь есть реальный компромисс-. Каждый дополнительный день автономной работы увеличивает стоимость и вес, а более крупные банки также нуждаются в более крупных солнечных батареях для их подзарядки в течение доступных солнечных часов. Установщики автономной сети обычно соединяют аккумулятор на 2–3 дня с генератором, а не выбирают его на 5+ дней, поскольку генератор дешевле, чем дополнительная емкость аккумулятора, которую он заменяет.

Шаг 3: Преобразуйте потребности в энергии в емкость аккумулятора

Приняв решение о ежедневном использовании и автономности, подключите формулы:

Требуемый доступный объем памяти=Ежедневные Вт·ч × дни автономной работы

Номинальная емкость=Требуемый полезный объем ÷ полезная доля

Используемая фракция зависит от химического состава и того, насколько консервативно вы хотите действовать:

• ЛиФеПО4:80–90% — разумный показатель планирования для большинства жилых помещений; всегда проверяйте техническое описание производителя
• AGM/герметизированный свинцово--кислотный:обычно планируется около 50%
• Затопленная свинцово--кислотная среда:50%, с периодическим выравниванием

Рабочий пример: 3000 Втч/день × 1,5 дня автономной работы=4, 500 Втч можно использовать. На LiFePO4 при полезной нагрузке 85% это составляет 4500 ÷ 0,85 ≈ 5300 Втч номинально. На общем собрании при 50 % та же цель составляет 9 000 Втч номинальной - почти вдвое. Химия – это не сноска; это примерно 2-кратный множитель суммы, которую вам нужно купить.

Преобразование Вт в Ач

Большинство литиевых аккумуляторов для бытовых нужд сейчас продаются в кВтч, но номинальные значения в ампер-часах по-прежнему распространены для систем с напряжением 12 В и 24 В. Преобразование:

Ач=Втч ÷ напряжение системы

• 5000 Втч при 12 В=417 Ач
• 5000 Втч при 24 В=208 Ач
• 5000 Втч при 48 В=104 Ач

Если единица Ач незнакома,что означает «А» на батарееохватывает определение и то, как оно связано со временем выполнения.

Шаг 4: 12 В, 24 В или 48 В - Выберите правильное напряжение системы

Напряжение системы — это не просто характеристика -, оно определяет размер кабеля, параметры инвертора, эффективность и степень масштабируемости системы.

• 12V:Дома на колесах, фургоны, небольшие каюты, системы с одним-инвертором до ~1,5 кВт. Доступны простые и дешевые аксессуары постоянного тока. При постоянной нагрузке свыше ~2 кВт проводка 12 В становится непрактично толстой.
• 24V:Каюты среднего-размера и небольшие автономные-дома с постоянной мощностью примерно до 3–4 кВт. Разумная золотая середина, когда инверторы на 48 В излишни, а напряжение на 12 В слишком ограничено.
• 48V:Стандарт резервного питания всего дома-для большинства современных гибридных инверторов и любых серьезных автономных-систем. Меньший ток означает более тонкие кабели, более высокую эффективность и совместимость с самым широким спектром оборудования.

Общее практическое правило: если ваша постоянная нагрузка превышает 3 кВт, по умолчанию используется напряжение 48 В. Большинство современных бытовых гибридных инверторов и высоковольтных аккумуляторов LFP рассчитаны на номинальное напряжение 48 В илиМногоуровневая батарея с более высоким-напряжениемтопологии, в частности потому, что напряжение 12 В и 24 В не полностью масштабируется для всей-домашней нагрузки.

Шаг 5: Сопоставьте химический состав с применением

Честное сравнение, лишенное маркетинга:

Что касается расчета затрат на многолетней-годовой основе, LFP за последние пять лет одержала победу в сегментах жилого и коммунального хозяйства, а такие организации, какМинистерство энергетики СШАзадокументировали резкое снижение стоимости, из-за которого литий стал стандартом для новых установок. Для более глубокого рассмотрения того, как химические вещества сравниваются при хранении, см.различные типы батарей для хранения энергии.

Выбор размера по варианту использования

Это начальные диапазоны для оценки, а не расчетные значения - ваш климат, нагрузки и выбор инвертора сместят цифры в обе стороны.

Что не учитывается при простом определении размеров

Формула предполагает чистый мир. Реальные инсталляции имеют грани:

• Скачки нагрузок.Двигатели (скважинные насосы, компрессоры, агрегаты переменного тока) могут потреблять мощность, превышающую номинальную в 3–7 раз, в течение секунды или двух при запуске. Батарея должна подавать этот ток, а инвертор должен его пропускать. Инверторы недостаточной мощности отключаются; низкорослые банки проседают.
• Эффективность-перелета туда и обратно.Энергия на входе – это не энергия на выходе. Литиевые системы теряют примерно 5–10 % при передаче туда и обратно-; свинцовая-кислота теряет 15–20%. Если вам нужно 3 кВтч, нужно было вложить 3,3–3,6 кВтч.
• Температурное снижение номинальных характеристик.LFP теряет полезную емкость при температуре ниже 0 градусов и, как правило, не может заряжаться при температуре ниже нуля без внутреннего нагревателя. Жаркая среда (35 градусов и выше) ускоряет календарное старение. Если установка производится в гараже, трейлере или уличном шкафу, это изменит запас по размеру.
• Окно солнечной подзарядки.Аккумулятору мощностью 15 кВтч, который зимой получает только 3 полезных часа солнечного света, требуется достаточная мощность фотоэлектрических систем и контроллера заряда, чтобы фактически заменить эту энергию. Негабаритный банк с низкорослым массивом – это банк, который медленно тонет.
• Соединение переменного и постоянного тока.Меняется архитектура, где происходят потери и какие компоненты вам нужны. (Аккумуляторная батарея,-связанная по переменному току и-постоянному токуподробно об этом рассказывает.)

Полезное правило: после того, как вы наберете число с помощью формулы, добавьте запас в 15–25 % для реальных-мировых условий, если вы явно не смоделировали все вышеперечисленное.

Два рабочих примера

Пример 1: Необходимое резервное копирование в мягком климате

Нагрузки: 2120 Втч/день (из таблицы выше). Цель: 1 день автономности во время сбоев. Химический состав: LFP пригоден к использованию на 85%.

Требуемый полезный=2,120 × 1=2,120 Втч
Номинальная=2,120 ÷ 0,85 ≈ 2500 Втч
С реальной-мировой маржой в 20 %: ~3000 Втч (3 кВтч).

При 48 В это около 62 Ач. Большинство бытовых аккумуляторов LFP начинаются с емкости 5 кВтч, поэтому практичным приобретением является блок 48 В мощностью 5 кВтч -, который также дает вам возможность покрыть более длительное отключение или добавить небольшую нагрузку.

Пример 2: Кабина вне-сети

Нагрузка: 3600 Втч/день (освещение, холодильник, ноутбук, водяной насос и прочее). Цель: 2 дня автономной работы для покрытия типичного облачного участка. Химический состав: LFP на уровне 85%.

Требуемый полезный=3,600 × 2=7,200 Втч
Номинальная=7,200 ÷ 0,85 ≈ 8500 Втч
С 20% запасом на зимнее снижение мощности и будущий рост: ~10 200 Втч.

Таким образом, блок LFP мощностью 10 кВт, напряжением 48 В — это разумная цель -, и на практике большинство специалистов по установке автономных сетей предпочитают сочетать его с небольшим генератором для много-дневных штормов, а не с размером для 4+ дней автономной работы, поскольку генератор дешевле за кВтч, чем дополнительные батареи.

Распространенные ошибки при выборе размера

• Использование паспортной мощности вместо измеренного потребления во время работы.Самый крупный источник списков негабаритной загрузки.
• Выбор номинальной мощности без учета Министерства обороны.Обычно применяется в свинцово-кислотных установках-, где покупатели ожидают, что 100 Ач будут означать 100 Ач при ежедневном использовании.
• Забыл инвертор.Огромный блок, стоящий за инвертором мощностью 3 кВт, все еще не может работать с нагрузкой в ​​5 кВт. Сопоставьте их.правильное сочетание инвертора и аккумулятора для домашнего использованияСтоит подумать, прежде чем покупать какой-либо из них.
• Плана солнечной подзарядки нет.Если ваш PV не может заменить дневное потребление в течение доступных солнечных часов, автономия продлится только до тех пор, пока банк не упадет.
• Размеры рассчитаны только на сегодняшние нагрузки.Зарядка электромобилей, тепловые насосы и индукционное приготовление пищи — распространенные дополнения,-которые появятся в течение трех лет. Оставьте место для головы.