Wie plant und installiert man eine Solar-PV-Anlage?

Design und Installation von Solar-PV-Systemen

Heute benötigt unsere moderne Welt Energie für verschiedene alltägliche Anwendungen wie industrielle Fertigung, Heizung, Transport, Landwirtschaft, Beleuchtungsanwendungen usw. Der größte Teil unseres Energiebedarfs wird normalerweise durch gedeckt nicht erneuerbare Energiequellen wie Kohle, Rohöl, Erdgas usw. Aber die Nutzung solcher Ressourcen hat schwere Auswirkungen auf unsere Umwelt.

Außerdem ist diese Form der Energiequelle nicht gleichmäßig auf der Erde verteilt. Es besteht eine Unsicherheit der Marktpreise, wie im Fall von Rohöl, da es von der Produktion und Entnahme aus seinen Reserven abhängt. Aufgrund der begrenzten Verfügbarkeit von nicht erneuerbaren Quellen ist die Nachfrage nach erneuerbaren Quellen in den letzten Jahren gestiegen.

Solarenergie steht im Mittelpunkt der Aufmerksamkeit, wenn es um erneuerbare Energiequellen geht. Es ist in reichlicher Form leicht verfügbar und hat das Potenzial, den Energiebedarf unseres gesamten Planeten zu decken. Die in Bild 1 dargestellte PV-Inselanlage ist einer der Ansätze, wenn es darum geht, unseren Energiebedarf unabhängig vom Versorger zu decken. Daher werden wir im Folgenden kurz auf die Planung, Auslegung und Installation einer autarken PV-Anlage zur Stromerzeugung eingehen.

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Planung einer autarken PV-Anlage

Standortbewertung, Vermessung und Bewertung von Solarenergieressourcen:

Da die von der PV-Anlage erzeugte Leistung je nach Zeit und geografischem Standort stark schwankt, ist eine geeignete Auswahl des Standorts für die PV-Inselanlage von größter Bedeutung. Daher sind bei der Beurteilung und Auswahl der Einbauorte folgende Punkte zu beachten.

1. Mindestschatten: Es muss darauf geachtet werden, dass der ausgewählte Standort weder auf dem Dach noch auf dem Boden keine Verschattung oder keine Struktur aufweist, die die auf die zu installierenden Paneele fallende Sonnenstrahlung abfängt. Stellen Sie außerdem sicher, dass sich bald keine bauliche Konstruktion um die Installation herum befindet, die das Problem der Verschattung verursachen könnte.
2. Oberfläche: Die Fläche des Standorts, an dem die PV-Anlage geplant ist, sollte bekannt sein, um eine Schätzung der Größe und Anzahl der Module zu erhalten, die erforderlich sind, um die erforderliche Ausgangsleistung für die Last zu erzeugen. Dies hilft auch bei der Planung der Installation von Wechselrichtern, Konvertern und Batteriebänken.
3. Dach: Bei der Aufdachanlage muss die Art des Daches und dessen Aufbau bekannt sein. Bei geneigten Dächern muss der Neigungswinkel bekannt sein und es muss eine notwendige Befestigung verwendet werden, damit die Module mehr Sonneneinstrahlung erhalten, d .
4. Routen: Mögliche Kabelwege von einem Wechselrichter, einer Batteriebank, einem Laderegler und einer PV-Anlage müssen so geplant werden, dass die Kabel möglichst wenig genutzt werden und der Spannungsabfall in den Kabeln geringer ist. Der Designer sollte zwischen der Effizienz und den Kosten des Systems wählen.

Zur Abschätzung der Ausgangsleistung ist die solare Energiebilanz des ausgewählten Standorts von größter Bedeutung. Die Sonneneinstrahlung ist definiert als das Maß der Sonnenenergie, die in einem bestimmten Bereich über einen bestimmten Zeitraum empfangen wird. Sie können diese Daten mit einem Pyranometer ermitteln, dies ist jedoch nicht erforderlich, da Sie die Einstrahlungsdaten bei Ihrer nächsten meteorologischen Station finden können. Bei der Bewertung der Sonnenenergie können die Daten wie folgt auf zwei Arten gemessen werden:

• Kilowattstunden pro Quadratmeter pro Tag (KWh/m ² /Tag): Es ist eine in Kilowattstunden gemessene Energiemenge, die auf Quadratmeter pro Tag fällt.
• Tägliche Sonnenspitzenstunden (PSH): Anzahl der Stunden an einem Tag, während denen die Bestrahlung durchschnittlich 1000 W/m ² beträgt .

Sonnenstunden werden am häufigsten verwendet, da sie die Berechnungen vereinfachen. Nicht mit den „mittleren Sonnenscheinstunden verwechseln “ und „Spitzensonnenstunden “, die Sie von der Wetterstation abholen würden. Die „mittleren Sonnenstunden“ geben die Anzahl der Sonnenstunden an, während die „höchsten Sonnenstunden“ die tatsächlich empfangene Energiemenge in KWh/m ² ist /Tag. Verwenden Sie unter allen Monaten über einen Zeitraum des Jahres den niedrigsten mittleren täglichen Sonneneinstrahlungswert, da dies sicherstellt, dass das System zuverlässiger arbeitet, wenn die Sonne aufgrund ungeeigneter Wetterbedingungen am wenigsten scheint.

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Überlegungen für ein eigenständiges PV-System

Berechnung des Energiebedarfs

Die Größe der autarken PV-Anlage hängt vom Lastbedarf ab. Die Last und die Betriebsdauer sind bei verschiedenen Geräten unterschiedlich, daher ist bei der Berechnung des Energiebedarfs besondere Sorgfalt geboten. Der Energieverbrauch des Verbrauchers kann ermittelt werden, indem die Nennleistung (W) des Verbrauchers mit seiner Betriebsstundenzahl multipliziert wird. So kann die Einheit auch als Watt × Stunde oder einfach Wh geschrieben werden.

Energiebedarf Wattstunde =Nennleistung in Watt × Betriebsdauer in Stunden.

Daher errechnet sich der tägliche Gesamtenergiebedarf in Wh, indem der individuelle Lastbedarf jedes Gerätes pro Tag addiert wird.

Gesamtenergiebedarf Wattstunde =∑ (Nennleistung in Watt × Betriebsdauer in Stunden).

Ein System sollte für das Worst-Case-Szenario ausgelegt sein, d. h. für den Tag, an dem der Energiebedarf am höchsten ist. Ein System, das für höchste Anforderungen ausgelegt ist, stellt sicher, dass das System zuverlässig ist. Wenn das System den Spitzenlastbedarf erfüllt, wird es den niedrigsten Bedarf decken. Das Entwerfen des Systems für den höchsten Bedarf wird jedoch die Gesamtkosten des Systems erhöhen. Andererseits wird das System nur während des Spitzenlastbedarfs voll ausgelastet. Wir müssen uns also zwischen Kosten und Zuverlässigkeit des Systems entscheiden.

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Bewertungen von Wechselrichtern und Konvertern (Laderegler)

Für die Auswahl des richtigen Wechselrichters sollten sowohl die Eingangs- als auch die Ausgangsspannung und der Nennstrom angegeben werden. Die Ausgangsspannung des Wechselrichters wird durch die Systemlast bestimmt, sie sollte in der Lage sein, den Laststrom und den aus der Batteriebank entnommenen Strom zu verarbeiten. Basierend auf der gesamten angeschlossenen Last an das System kann die Nennleistung des Wechselrichters angegeben werden.

Betrachten wir in unserem Fall 2,5 kVA , daher sollte ein Wechselrichter mit einer um 20–30 % höheren Stromaufnahmekapazität als die Leistung, mit der die Last betrieben wird, auf dem Markt ausgewählt werden. Bei Motorlast sollte er 3-5 mal höher sein als der Leistungsbedarf eines solchen Gerätes. Beim Konverter wird der Laderegler in Strom und Spannung bewertet. Seine Stromstärke wird anhand der Kurzschlussstromstärke des PV-Moduls berechnet. Der Spannungswert entspricht der Nennspannung der Batterien.

Dimensionierung von Konverter und Laderegler

Die Nennleistung des Ladereglers sollte 125 % des Kurzschlussstroms des Photovoltaikmoduls betragen. Mit anderen Worten, es sollte 25 % größer sein als der Kurzschlussstrom des Solarpanels.

Größe Solarladeregler in Ampere =Kurzschlussstrom PV × 1,25 (Sicherheitsfaktor).

Zum Beispiel benötigen wir für unser System 6 Stück 160-W-Solarmodule. Im Folgenden sind die zugehörigen Daten des PV-Panels aufgeführt.

Angenommen, die PV-Modulspezifikationen lauten wie folgt.

• P_M =160 W_Spitze
• V_M =17,9 V_DC
• Ich_M =8,9 A
• V_OC =21,4 A
• I_SC =10 A

Die erforderliche Leistung des Solarladereglers beträgt =(4 Panels x 10 A) x 1,25 =50 A

Jetzt wird ein 50-A-Laderegler für die 12-V-DC-Systemkonfiguration benötigt.

Hinweis:Diese Formel gilt nicht für MPPT-Solarladegeräte. Bitte lesen Sie das Benutzerhandbuch oder überprüfen Sie die Nenndaten des Typenschilds auf die richtige Größe.

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Größe des Wechselrichters

Die Größe des Wechselrichters sollte aufgrund von Verlusten und Effizienzproblemen im Wechselrichter 25 % größer sein als die Gesamtlast. Mit anderen Worten, es sollte 125% der erforderlichen Gesamtlast in Watt betragen. Wenn die erforderliche Wattleistung beispielsweise 2400 W beträgt, sollte die Größe des Wechselrichters wie folgt sein:

2400 W x 125 %

2400 W x 1,25

3000 Watt.

Also brauchen wir einen 3kW Wechselrichter bei 2400W Last.

An den Wechselrichter gelieferte tägliche Energie

Betrachten wir in unserem Fall den täglichen Energieverbrauch der Last als 2700 Wh. Beachten Sie, dass der Wechselrichter seinen Wirkungsgrad hat, daher sollte die dem Wechselrichter zugeführte Energie höher sein als die von der Last verbrauchte Energie, damit die Verluste im Wechselrichter kompensiert werden können. Geht man in unserem Fall von einem Wirkungsgrad von 90 % aus, würde die Gesamtenergie, die von der Batterie an den Wechselrichter geliefert wird, wie folgt angegeben:

Energie, die von der Batterie an den Wechselrichtereingang geliefert wird =2700 / 0,90 =3000 Wh/pro Tag.

Systemspannung

Die Eingangsspannung des Wechselrichters wird als Systemspannung bezeichnet. Es ist auch die Gesamtspannung des Akkupacks. Diese Systemspannung wird durch die ausgewählte individuelle Batteriespannung, den Leitungsstrom, den maximal zulässigen Spannungsabfall und den Leistungsverlust im Kabel bestimmt. Üblicherweise beträgt die Spannung der Batterien 12 V und damit auch die Systemspannung. Aber wenn wir eine höhere Spannung benötigen, sollte es ein Vielfaches von 12 V sein, also 12 V, 24 V, 36 V und so weiter.

Durch Verringern des Stroms können Verlustleistung und Spannungsabfall im Kabel reduziert werden, dies kann durch Erhöhen der Systemspannung erreicht werden. Dadurch wird die Anzahl der Batterien in der Serie erhöht. Daher muss zwischen Verlustleistung und Systemspannung gewählt werden. Betrachten wir nun für unseren Fall die Systemspannung von 24 V.

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Größe der Batterien

Bei der Dimensionierung der Batterie müssen einige Parameter wie folgt berücksichtigt werden:

1. Entladetiefe (DOD) der Batterie.
2. Spannung und Amperestunden (Ah)-Kapazität der Batterie.
3. Die Anzahl der Tage der Autonomie (Dies ist die Anzahl der Tage, die erforderlich sind, um das gesamte System (Notstromversorgung) ohne Sonnenkollektoren bei vollständiger Beschattung oder Regentagen hochzufahren. Wir werden diesen Teil in unserem nächsten Artikel behandeln). Holen Sie sich die benötigte Ah-Kapazität der Batterien.

Nehmen wir an, wir haben Batterien von 12 V, 100 Ah mit einer DOD von 70 %. Somit beträgt die nutzbare Kapazität des 100 Ah × 0,70 =70 Ah. Daher wird die erforderliche geladene Kapazität wie folgt bestimmt:

Benötigte Ladekapazität =von der Batterie gelieferte Energie an den Wechselrichtereingang/Systemspannung

Benötigte Ladekapazität =3000 Wh/ 24 V =125 Ah

Daraus errechnet sich die Anzahl der benötigten Batterien wie folgt:

Nein. der benötigten Batterien =benötigte Ladekapazität / (100 × 0,7)

Nein. benötigte Batterien =125 Ah / (100 × 0,7) =1,78 (auf 2 Batterien aufrunden)

Daher werden 2 Batterien mit 12 V, 100 Ah benötigt. Aber wegen Rundung werden 140 Ah statt 125 Ah benötigt.

Erforderliche Ladekapazität =2 × 100 Ah × 0,7 =140 Ah

Daher zwei 12-V-, 100-Ah-Akkus parallel schalten, um die oben genannte Ladekapazität zu erreichen. Aber da die einzelne Batterie nur 12 V, 100 Ah hat und die Systemspannungsanforderung 24 V beträgt, müssen wir zwei Batterien in Reihe schalten, um die Systemspannung von 24 V zu erhalten, wie in Abbildung 2 unten gezeigt:

Also, insgesamt werden es vier Batterien sein 12 V, 100 Ah. Zwei in Reihe geschaltet und zwei parallel geschaltet.

Auch die erforderliche Kapazität der Batterien kann anhand der folgenden Formel ermittelt werden.

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Größe des PV-Generators

Verschiedene Größen von PV-Modulen, die auf dem Markt erhältlich sind, erzeugen eine unterschiedliche Ausgangsleistung. Eine der gebräuchlichsten Methoden zur Bestimmung der Größe der PV-Anlage besteht darin, die niedrigste mittlere tägliche Sonneneinstrahlung (Sonneneinstrahlung) in Spitzensonnenstunden wie folgt zu verwenden:

Die Gesamtgröße der PV-Anlage (W) =(Energiebedarf pro Tag einer Last (Wh) / T_PH ) × 1,25

Wo T_PH ist die niedrigste tägliche durchschnittliche Sonnenstundenzahl eines Monats pro Jahr &1,25 ist der Skalierungsfaktor. Damit ergibt sich die Anzahl der PV-Module N_Module erforderlich kann wie folgt bestimmt werden:

N_Module =Gesamtgröße des PV-Arrays (W) / Bewertung ausgewählter Module in Spitzenwatt.

Angenommen, in unserem Fall beträgt die Last 3000 Wh/pro Tag. Um den benötigten Gesamt-W_Peak zu kennen einer Solarmodulkapazität verwenden wir den PFG-Faktor, d.h.

Gesamt-W_Peak der PV-Modulkapazität =3000 / 3,2 (PFG)

=931 W_Peak

Nun ist die erforderliche Anzahl von PV-Modulen =931 / 160W =5,8.

Auf diese Weise benötigen wir 6 Solarmodule mit einer Nennleistung von jeweils 160 W. Sie können die genaue Anzahl der Solarmodule ermitteln, indem Sie den W_Peak teilen nach anderen Nennwerten, d. h. 100 W, 120 W, 150 W usw., je nach Verfügbarkeit.

Hinweis :Der Wert von PFG (Panel Generation Factor) variiert (aufgrund von Klima- und Temperaturänderungen) in verschiedenen Regionen, z. B. PFG in den USA =3,22, EU =293, Thailand =3,43 usw.

Darüber hinaus sollten die zusätzlichen Verluste berücksichtigt werden, um den genauen Panel Generation Factor (PGF) zu ermitteln. Diese Verluste (in %) entstehen durch :

• Sonnenlicht fällt nicht direkt auf das Solarpanel (5 %)
• Keine Energieaufnahme am maximalen Leistungspunkt (ausgenommen bei MPPT-Laderegler). (10 %)
• Schmutz auf Sonnenkollektoren (5 %)
• Alterung der PV-Module und unter der Spezifikation (10 %)
• Temperatur über 25 °C (15 %)

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Dimensionierung der Kabel

Die Dimensionierung der Kabel hängt von vielen Faktoren ab, wie z. B. der maximalen Strombelastbarkeit. Es sollte einen minimalen Spannungsabfall und minimale Widerstandsverluste haben. Da die Kabel im Außenbereich verlegt würden, sollten sie wasserfest und UV-beständig sein.

Das Kabel muss einen minimalen Spannungsabfall von typischerweise weniger als 2 % aufweisen, da in Niederspannungssystemen ein Problem mit Spannungsabfall auftritt. Eine Unterdimensionierung der Kabel führt zu Energieverlust und kann manchmal sogar zu Unfällen führen. wohingegen die Überdimensionierung wirtschaftlich nicht tragbar ist. Die Querschnittsfläche des Kabels wird angegeben als;

A =(ρI_M L / V_D ) × 2

Wo

• ρ ist der spezifische Widerstand des leitenden Drahtmaterials (Ohmmeter).
• L ist die Länge des Kabels.
• V_D ist der maximal zulässige Spannungsabfall.
• I_M ist der maximale Strom, der durch das Kabel geführt wird.

Außerdem können Sie diesen Kabel- und Drahtgrößenrechner verwenden. Verwenden Sie außerdem einen Schutzschalter in der richtigen Größe und Stecker und Schalter mit Nennleistung.

Lassen Sie uns ein gelöstes Beispiel für das obige Beispiel haben.

Beispiel:

Angenommen, wir haben die folgende elektrische Last in Watt, wo wir ein 12-V-, 120-W-Solarmodulsystem entwerfen und installieren müssen.

• Eine LED-Lampe mit 40 W für 12 Stunden pro Tag.
• Ein Kühlschrank mit 80 W für 8 Stunden pro Tag.
• Ein DC-Lüfter mit 60 W für 6 Stunden pro Tag.

Lassen Sie uns nun die Anzahl der Solarmodule, die Leistung und Dimensionierung von Laderegler, Wechselrichter und Batterien usw. herausfinden.

Ermitteln der Gesamtlast

Gesamtlast in Wh/Tag

=(40 W x 12 Stunden) + (80 W x 8 Stunden) + (60 W x 6 Stunden)

=1480 Wh / pro Tag

Die erforderliche Wattleistung des Solarmodulsystems

=1480 Wh x 1,3 … (1,3 ist der Faktor, der für die im System verlorene Energie verwendet wird)

=1924 Wh/Tag

Ermitteln der Größe und Anzahl von Solarmodulen

W_Peak Kapazität des Solarpanels

=1924 Wh /3,2

=601,25 W_Peak

Erforderliche Anzahl von Solarmodulen

=601,25 / 120W

Anzahl der Solarmodule =5 Solarmodule

Auf diese Weise werden die 5 Solarmodule mit jeweils 120 W in der Lage sein, unsere Lastanforderungen zu erfüllen.

Ermitteln Sie die Leistung und Größe des Wechselrichters

Da es in unserem System für eine bestimmte Zeit nur Wechselstromlasten gibt (d. h. keine zusätzliche und direkte Gleichstromlast, die an die Batterien angeschlossen ist) und unsere erforderliche Gesamtwattleistung beträgt:

=  40 W + 80 W + 60 W 

=180W

Nun sollte die Nennleistung des Wechselrichters aufgrund von Verlusten im Wechselrichter 25 % höher sein als die Gesamtlast.

=180 W x 2,5

Wechselrichterleistung und -größe =225 W

Größe, Leistung und Anzahl der Batterien finden

Unsere Wattleistung und Betriebszeit in Stunden

=(40 W x 12 Stunden) + (80 W x 8 Stunden) + (60 W x 6 Stunden)

Nennspannung der Tiefzyklusbatterie =12 V

Erforderliche Autonomietage (Stromversorgung durch Batterien ohne Solarpanelstrom) =2 Tage.

[(40 W x 12 Stunden) + (80 W x 8 Stunden) + (60 W x 6 Stunden) / (0,85 x 0,6 x 12 V)] x 2 Tage

Die erforderliche Kapazität der Batterien in Amperestunden =483,6 Ah

Auf diese Weise benötigen wir eine Batteriekapazität von 12 V und 500 Ah für 2 Tage Autonomie.

In diesem Fall können wir 4 parallel geschaltete Batterien mit jeweils 12 V und 125 Ah verwenden.

Wenn die verfügbare Batteriekapazität 175 Ah, 12 V beträgt, können wir 3 Batterien verwenden. Sie können die genaue Anzahl der Batterien erhalten, indem Sie die erforderliche Kapazität der Batterien in Amperestunden durch die verfügbare Batteriekapazität in Ah dividieren.

Erforderliche Anzahl an Batterien =Erforderliche Batteriekapazität in Amperestunden / Verfügbare Batterie-Ah-Leistung

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Finden Sie die Bewertung und Größe des Solarladereglers

Der Laderegler sollte 125 % (oder 25 % größer) als der Kurzschlussstrom des Solarpanels sein.

Größe des Solarladereglers in Ampere =Kurzschlussstrom PV × 1,25

Spezifikation des PV-Moduls

• P_M =120 W_Spitze
• V_M =15,9 V_DC
• Ich_M =7,5 A
• V_OC =19,4 A
• I_SC =8,8 A

Die erforderliche Leistung des Solarladereglers beträgt =(5 Module x 8,8 A) x 1,25 =44 A

Also können Sie den nächsten Laderegler mit Nennleistung von 45 A verwenden.

Beachten Sie, dass diese Methode nicht verwendet werden kann, um die genaue Größe von MPPT-Solarladegeräten zu ermitteln. Bitte schlagen Sie in der Bedienungsanleitung des Herstellers nach oder sehen Sie sich die auf dem Typenschild aufgedruckte Bewertung an.

Ermitteln der Kabel-, CB-, Schalter- und Steckerstrombelastbarkeit

Verwenden Sie die folgenden Tools und erklärenden Posts mit Diagrammen, um die genaue Amperezahl von Drähten und Kabeln, Schaltern und Steckern sowie Leistungsschaltern zu finden.

• Kabeldrahtgrößenrechner oder So finden Sie die richtige Drahtgröße mit Strombelastbarkeit.
• Hier finden Sie die Stromstärke von Schaltern und Steckern
• Finden Sie die geeignete Größe und Nennleistung des Leistungsschalters.

Fazit

Das eigenständige PV-System ist eine hervorragende Möglichkeit, die leicht verfügbare umweltfreundliche Energie der Sonne zu nutzen. Das Design und die Installation sind bequem und zuverlässig für kleine, mittlere und große Energieanforderungen. Ein solches System macht Strom fast überall auf der Welt verfügbar, insbesondere in abgelegenen Gebieten. Es macht den Energieverbraucher unabhängig vom Versorger und anderen Energiequellen wie Kohle, Erdgas etc.

Ein solches System darf keine negativen Auswirkungen auf unsere Umwelt haben und kann nach seiner Installation lange Zeit Energie liefern. Das obige systematische Design und die Installation bieten nützliche Richtlinien für unseren Bedarf an sauberer und nachhaltiger Energie in der modernen Welt.

• Von:M. Phanopkar
• Aktualisiert von:Elektrotechnik