Com calcular la configuració adequada per al vostre propi petit sistema aïllat de la xarxa?

Has pensat mai en utilitzar el teu propi sistema d'energia solar en una cabana de muntanya, un vaixell de pesca o una autocaravana per alliberar-te de la dependència de la xarxa pública?

De fet, això no és una cosa que només els enginyers puguin aconseguir. Sempre que dominis uns quants passos i fórmules clau, podràs calcular la configuració adequada per al teu propi petit sistema fotovoltaic aïllat.

Un sistema solar aïllat de la xarxa fa referència a un sistema independent que no depèn de la xarxa pública, sinó que depèn completament de la generació d'energia fotovoltaica i l'emmagatzematge de bateries per satisfer les necessitats d'electricitat. És ideal per al seu ús en zones muntanyoses remotes, illes, regions pastorals, autocaravanes, vaixells de pesca i altres llocs amb una xarxa elèctrica inestable.

A continuació, us guiarem a través de quatre passos per calcular la configuració necessària.

Pas 1: Determineu la potència del mòdul fotovoltaic

La potència dels panells fotovoltaics (panells solars) determina quanta electricitat pot generar el vostre sistema.

El mètode de càlcul bàsic és: primer determinar la demanda diària d'electricitat i després combinar-la amb les condicions climàtiques locals (especialment la durada de l'insolació) per determinar la potència total dels panells fotovoltaics.

Fórmula:

Potència del mòdul = (Demanda d'electricitat diària × Factor excedent de dia ennuvolat continu) ÷ (Mitjana d'hores de sol locals × Eficiència del sistema)

* Consum diari d'electricitat: es pot calcular sumant la potència nominal de tots els dispositius multiplicada pel seu temps d'ús.

Per exemple, llums LED de 10 W × 5 hores = 50 Wh, nevera de 60 W × 24 hores = 1440 Wh.

* Factor excedent de dia ennuvolat continu: Per tenir en compte la generació insuficient d'energia durant dies ennuvolats consecutius, aquest factor s'estableix normalment entre 1.1 i 1.3.

* Mitjana local d'hores de sol diàries: Això es pot obtenir a partir de dades meteorològiques locals. Per exemple, Pequín té una mitjana d'aproximadament 4 hores de sol al dia, mentre que Hainan pot tenir-ne més de 5.

* Eficiència del sistema: Això té en compte les pèrdues dels cables, l'eficiència del controlador, les pèrdues de l'inversor, etc., i generalment s'estableix entre 0.75 i 0.8.

Per exemple:

Suposant que el vostre consum diari d'electricitat és de 3,000 Wh, la mitjana local d'hores de sol diàries és de 4.5 hores, l'eficiència del sistema és de 0.78 i el coeficient de dies de pluja continus és d'1.2:

Potència del mòdul = (3,000 × 1.2) ÷ (4.5 × 0.78) ≈ 1,026 W

Això vol dir que cal instal·lar panells fotovoltaics amb una potència total d'aproximadament 1 kW, com ara quatre mòduls de 250 W.

Pas 2: Determineu la potència de l'inversor fora de xarxa

L'inversor converteix el corrent continu (CC) dels panells fotovoltaics o bateries en corrent altern (CA) per al seu ús en electrodomèstics ordinaris.

La seva potència ha de ser suficient per satisfer la vostra demanda màxima de potència instantània, sobretot tenint en compte el corrent d'irrupció de les càrregues inductives (equips accionats per motor).

Fórmula:

Potència de l'inversor = (Potència total de la càrrega resistiva + Potència total de la càrrega inductiva × 5) × Factor de marge ÷ Factor de potència

* Càrregues resistives: dispositius resistius com ara bombetes, bullidors elèctrics i forns.

* Càrregues inductives: Equips amb motors o compressors, com ara refrigeradors, bombes d'aigua, aparells d'aire condicionat, etc. La potència instantània durant l'arrencada pot ser de 5 a 7 vegades la potència nominal.

* Factor de seguretat: Normalment s'estableix entre 1.2 i 1.5 per garantir un marge.

* Factor de potència: Normalment s'estableix entre 0.8 i 0.9.

Exemple:

Suposant que teniu una lluminària de 200 W (càrrega resistiva), una nevera de 100 W (càrrega inductiva), un factor de marge d'1.3 i un factor de potència de 0.85:

Potència de l'inversor = (200 + 100 × 5) × 1.3 ÷ 0.85

≈ (200 + 500) × 1.3 ÷ 0.85

≈ 700 × 1.3 ÷ 0.85

≈ 1070 W

Necessitareu un inversor amb una capacitat mínima d'1.1 kW, i es recomana triar un model d'1.5 kW per a una major estabilitat.

Pas 3: Determineu la capacitat de la bateria

La bateria és l'"emmagatzematge d'energia" del sistema aïllat, i l'electricitat que es fa servir a la nit o en dies ennuvolats prové principalment d'ella. La capacitat depèn del nombre de dies que es necessita subministrament d'energia continu i del consum diari d'electricitat.

Fórmula:

Capacitat de la bateria (Ah) = (Consum diari d'electricitat × Nombre de dies de subministrament elèctric en dies ennuvolats) ÷ (Profunditat de descàrrega × Eficiència de càrrega/descàrrega × Voltatge de la bateria)

* Profunditat de descàrrega (DOD): Per a bateries de plom-àcid, es recomana una DOD de 0.5–0.6; per a bateries de liti, s'accepta una DOD de 0.8–0.9.

* Eficiència de càrrega/descàrrega: Normalment s'estableix entre 0.85 i 0.9.

* Voltatge del banc de bateries: Els voltatges habituals inclouen 12V, 24V i 48V; es recomanen voltatges més alts per a requisits de potència més elevats.

Exemple:

Suposant que feu servir 3000 Wh diàriament i voleu tenir energia per a 2 dies de temps ennuvolat, utilitzant una bateria de liti de 48 V (DOD = 0.9, eficiència = 0.9):

Capacitat de la bateria = (3000 × 2) ÷ (0.9 × 0.9 × 48)

≈ 6000 ÷ 38.88

≈ 154 Ah

Necessitareu una bateria de 48V i 154Ah (aproximadament 7.4kWh).

Pas 4: Determineu les especificacions del controlador

El controlador fotovoltaic regula el procés de càrrega des dels mòduls fotovoltaics fins a la bateria.

Les seves especificacions depenen principalment del corrent d'entrada màxim, calculat mitjançant la fórmula següent:

Fórmula:

Corrent d'entrada del controlador = Potència màxima dels mòduls fotovoltaics ÷ Voltatge de la bateria

Per exemple, si els vostres panells fotovoltaics tenen una potència total de 1000 W i el voltatge de la bateria és de 48 V:

Corrent d'entrada del controlador = 1000 ÷ 48 ≈ 20.8 A

Per tant, cal seleccionar un controlador amb un corrent d'entrada superior a 21A, normalment un tipus MPPT (major eficiència, més avantatjós en dies ennuvolats).

Consells pràctics

1. Cal tenir en compte un marge: la vida útil i l'estabilitat operativa de l'equip depenen d'un disseny de redundància adequat; no fixeu els paràmetres de manera massa rígida.
2. L'MPPT és superior al PWM: tot i que els controladors MPPT són lleugerament més cars, ofereixen una major eficiència de generació d'energia, especialment en condicions d'il·luminació inestables.
3. Prioritzeu les bateries de liti-ió: són compactes, lleugeres i amb capacitat de descàrrega profunda, cosa que ofereix un estalvi de costos a llarg termini.
4. Planificar l'expansió futura: si es preveu afegir més aparells en el futur, cal assegurar-se que hi hagi prou capacitat d'interfície tant per al sistema fotovoltaic com per a les bateries.

El nucli del disseny d'un petit sistema fotovoltaic aïllat rau en calcular amb precisió la configuració en funció de les necessitats reals, en lloc de simplement "comprar uns quants panells i bateries" i acabar-ho tot.

Domina aquestes 4 fórmules:

1. Fórmula de potència del mòdul fotovoltaic
2. Fórmula de potència de l'inversor
3. Fórmula de capacitat de la bateria
4. Fórmula del corrent d'entrada del controlador

Aleshores podeu calcular una configuració per a un petit sistema aïllat que sigui suficient i estable.

Quan dissenyeu per primera vegada, podeu afegir un marge addicional del 10% al 20% basat en els resultats de la fórmula, cosa que permet més flexibilitat a l'hora de gestionar els canvis meteorològics i l'expansió dels equips.