Expertenleitfaden zum Entwerfen & Installieren von Solar-PV-Systemen

Planung und Installation von Solar-PV-Systemen

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

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

Solarenergie stand im Mittelpunkt der Aufmerksamkeit, wenn es um erneuerbare Energiequellen geht. Sie ist in reichlicher Form verfügbar und hat das Potenzial, den gesamten Energiebedarf unseres Planeten zu decken. Das netzunabhängige PV-System (Standalone PV System) wie in Abb. 1 gezeigt, ist einer der Ansätze, wenn es darum geht, unseren Energiebedarf unabhängig vom Versorgungsnetz zu decken. Daher werden wir im Folgenden kurz die Planung, das Design und die Installation eines netzunabhängigen PV-Systems zur Stromerzeugung betrachten.

• Weiterführender Beitrag: Vollständiger Leitfaden zur Solarmodul-Installation. Schritt-für-Schritt-Verfahren mit Berechnung & Diagrammen

Planung eines netzunabhängigen PV-Systems

Standortbewertung, Vermessung & Solareinstrahlungsbewertung:

Da die Ausgabe des PV-Systems erheblich je nach Zeit und geografischem Standort variiert, ist es von größter Bedeutung, den Standort für die netzunabhängige PV-Installation適切 auszuwählen. Daher müssen die folgenden Punkte für die Bewertung und Auswahl von Installationsstandorten berücksichtigt werden.

1. Minimaler Schatten: Es muss sichergestellt werden, dass der ausgewählte Standort, ob auf dem Dach oder am Boden, keine Schatten haben sollte oder keine Struktur, die die auf die zu installierenden Paneele fallende Sonnenstrahlung abfängt. Stellen Sie auch sicher, dass es in absehbarer Zeit keine baulichen Veränderungen in der Umgebung der Installation geben wird, die Schattenprobleme verursachen könnten.
2. Fläche: Die Fläche des Standorts, an dem die PV-Installation vorgesehen ist, sollte bekannt sein, um eine Schätzung der Größe und Anzahl der benötigten Paneele zur Erzeugung der erforderlichen Leistung für die Last zu haben. Dies hilft auch bei der Planung der Installation von Wechselrichtern, Konvertern und Batteriebänken.
3. Dach: Bei Dachinstallationen müssen die Art des Daches und seine Struktur bekannt sein. Bei Satteldächern muss der Neigungswinkel bekannt sein und die notwendige Montage verwendet werden, damit die Paneele mehr Sonnenstrahlung erhalten, d. h. idealerweise muss der Einstrahlungswinkel senkrecht zum PV-Paneel stehen und praktisch so nah wie möglich an 90 Grad.
4. Wege: Mögliche Wege für die Kabel von Wechselrichter, Batteriebank, Laderegler und PV-Array müssen so geplant werden, dass sie minimale Kabelnutzung und geringeren Spannungsabfall in den Kabeln aufweisen. Der Designer muss zwischen Effizienz und Kosten des Systems abwägen.

Um die Ausgangsleistung zu schätzen, ist die Solareinstrahlungsbewertung des ausgewählten Standorts von größter Bedeutung. Einstrahlung ist definiert als das Maß der Sonnenenergie, die in einem bestimmten Bereich über einen bestimmten Zeitraum empfangen wird. Diese Daten können mit einem Pyranometer ermittelt werden, dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich, da Sie die Einstrahlungsdaten an Ihrer nächstgelegenen meteorologischen Station finden können. Bei der Bewertung der Solarenergie können die Daten auf zwei Arten gemessen werden:

• Kilowattstunden pro Quadratmeter pro Tag (kWh/m²/Tag): Es ist eine Energiemenge, gemessen in Kilowattstunden, die pro Quadratmeter und Tag auftrifft.
• Tägliche Spitzen-Sonnenstunden (PSH): Anzahl der Stunden pro Tag, während derer die Bestrahlungsstärke im Durchschnitt 1000 W/m² beträgt.

Spitzen-Sonnenstunden werden am häufigsten verwendet, da sie die Berechnungen vereinfachen. Verwechseln Sie nicht „Mittlere Sonnenstunden“ und „Spitzen-Sonnenstunden“, die Sie von der meteorologischen Station erhalten würden. Die „Mittleren Sonnenstunden“ geben die Anzahl der Stunden an, in denen die Sonne schien, während „Spitzen-Sonnenstunden“ die tatsächlich empfangene Energiemenge in kWh/m²/Tag ist. Unter allen Monaten über einen Zeitraum von einem Jahr verwenden Sie den niedrigsten mittleren täglichen Einstrahlungswert, da dies sicherstellt, dass das System auch bei ungünstigen Wetterbedingungen zuverlässiger arbeitet, wenn die Sonne am wenigsten scheint.

• Weiterführender Beitrag: Grundlegende Komponenten für Solarmodul-System-Installation

Überlegungen für netzunabhängige PV-Systeme

Berechnung des Energiebedarfs

Die Größe des netzunabhängigen PV-Systems hängt vom Lastbedarf ab. Die Last und ihre Betriebszeit variieren für verschiedene Geräte, daher muss bei Energiebedarfsberechnungen besondere Sorgfalt walten. Der Energieverbrauch der Last kann durch Multiplikation der Leistungsaufnahme (W) der Last mit ihrer Betriebsstundenzahl bestimmt werden. Somit kann die Einheit als Watt × Stunde oder einfach Wh geschrieben werden.

Energiebedarf Wattstunden = Leistungsaufnahme in Watt × Betriebsdauer in Stunden.

Somit wird der tägliche Gesamtenergiebedarf in Wh berechnet, indem der individuelle Lastbedarf jedes Geräts pro Tag addiert wird.

Gesamtenergiebedarf Wattstunden = ∑ (Leistungsaufnahme in Watt × Betriebsdauer in Stunden).

Ein System sollte für den Worst-Case-Szenario ausgelegt werden, d. h. für den Tag, an dem der Energiebedarf am höchsten ist. Ein für den höchsten Bedarf ausgelegtes System stellt sicher, dass das System zuverlässig ist. Wenn das System den Spitzenlastbedarf deckt, deckt es auch den geringsten Bedarf. Aber die Auslegung für den höchsten Bedarf erhöht die Gesamtkosten des Systems. Andererseits wird das System nur während des Spitzenlastbedarfs voll ausgenutzt. Also müssen wir zwischen Kosten und Zuverlässigkeit des Systems wählen.

• Weiterführender Beitrag: Wie viel Watt Solarmodule wir für unsere Haushaltsgeräte benötigen?

Wechselrichter & Konverter (Laderegler) Bewertungen

Für die Auswahl des richtigen Wechselrichters sollten sowohl die Eingangs- als auch die Ausgangsspannung und Stromstärke spezifiziert sein. Die Ausgangsspannung des Wechselrichters wird durch die Systemlast spezifiziert; er sollte in der Lage sein, den Laststrom und den aus der Batteriebank entnommenen Strom zu handhaben. Basierend auf der gesamten an das System angeschlossenen Last kann die Leistungsbewertung des Wechselrichters spezifiziert werden.

Nehmen wir in unserem Fall 2,5 kVA an, daher sollte ein Wechselrichter mit einer Leistungsfähigkeit gewählt werden, die 20-30% höher ist als die Leistung, die die Last betreibt. Im Fall von Motorlast sollte er 3-5 mal höher sein als der Leistungsbedarf eines solchen Geräts. Im Fall des Konverters wird der Laderegler in Strom und Spannung bewertet. Seine Strombewertung wird mit dem Kurzschlussstrom der PV-Module berechnet. Der Spannungswert ist derselbe wie die Nennspannung der Batterien.

Konverter und Laderegler Dimensionierung

Die Bewertung des Ladereglers sollte 125% des Kurzschlussstroms des Photovoltaik-Moduls betragen. Mit anderen Worten: Er sollte 25% größer sein als der Kurzschlussstrom des Solarmoduls.

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

Beispielsweise benötigen wir 6 Stück jeweils 160W Solarmodule für unser System. Folgende sind die zugehörigen Daten des PV-Moduls.

Angenommen, die PV-Modulspezifikationen sind wie folgt:

• P_M = 160 W_Peak
• V_M = 17,9 V_DC
• I_M = 8,9 A
• V_OC = 21,4 V
• I_SC = 10 A

Die erforderliche Bewertung des Solarladereglers ist = (4 Module × 10 A) × 1,25 = 50 A

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

Hinweis: Diese Formel ist nicht auf MPPT-Solarlader anwendbar. Bitte beachten Sie das Benutzerhandbuch oder prüfen Sie die Typenschilddaten für die korrekte Dimensionierung.

• Weiterführender Beitrag: Wie man automatische USV / Wechselrichter an das Hausstromnetz anschließt?

Wechselrichter Dimensionierung

Die Größe des Wechselrichters sollte 25% größer sein als die Gesamtlast aufgrund von Verlusten und Effizienzproblemen im Wechselrichter. Mit anderen Worten: Er sollte 125% der gesamten in Watt benötigten Last bewertet sein. Beispielsweise, wenn die erforderliche Wattzahl 2400W beträgt, dann sollte die Größe des Wechselrichters sein:

2400W × 125%

2400W × 1,25

3000 Watt.

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

Tägliche dem Wechselrichter zugeführte Energie

Nehmen wir in unserem Fall an, der tägliche Energieverbrauch der Last beträgt 2700 Wh. Beachten Sie, dass der Wechselrichter seine Effizienz hat, daher sollte die dem Wechselrichter zugeführte Energie höher sein als die von der Last genutzte Energie, damit die Verluste im Wechselrichter kompensiert werden können. Bei angenommenen 90% Effizienz in unserem Fall wäre die gesamte von der Batterie an den Wechselrichter-Eingang gelieferte Energie wie folgt gegeben:

Von der Batterie an den Wechselrichter-Eingang gelieferte Energie = 2700 / 0,90 = 3000 Wh/Tag.

Systemspannung

Die Eingangsspannung des Wechselrichters wird als Systemspannung bezeichnet. Sie ist auch die Gesamtbatteriepaket-Spannung. Diese Systemspannung wird durch die ausgewählte einzelne Batteriespannung, den Leitungsstrom, den maximal zulässigen Spannungsabfall und den Leistungsverlust im Kabel bestimmt. Normalerweise beträgt die Spannung der Batterien 12 V, so wird auch die Systemspannung 12 V betragen. Wenn wir jedoch höhere Spannung benötigen, sollte es Vielfache von 12 V sein. D. h. 12 V, 24 V, 36 V usw.

Durch Verringerung des Stroms können Leistungsverlust und Spannungsabfall im Kabel reduziert werden, dies kann durch Erhöhung der Systemspannung erreicht werden. Dies erhöht die Anzahl der in Reihe geschalteten Batterien. Daher muss man zwischen Leistungsverlust und Systemspannung wählen. Für unseren Fall nehmen wir eine Systemspannung von 24 V an.

• Weiterführender Beitrag: Was sind Sperrdiode und Bypass-Dioden in einem Solarmodul-Anschlusskasten?

Dimensionierung der Batterien

Bei der Dimensionierung der Batterien müssen einige Parameter berücksichtigt werden:

1. Entladetiefe (DOD) der Batterie.
2. Spannung und Amperestunden (Ah) Kapazität der Batterie.
3. Die Anzahl der Autonomietage (es ist die Anzahl der Tage, die erforderlich sind, um das gesamte System (Backup-Strom) ohne Solarmodule bei vollständiger Beschattung oder Regentagen zu betreiben. Diesen Teil werden wir in unserem kommenden Artikel behandeln) um die benötigte Ah-Kapazität der Batterien zu erhalten.

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

Erforderliche Ladekapazität = von der Batterie an den Wechselrichter-Eingang gelieferte Energie / Systemspannung

Erforderliche Ladekapazität = 3000 Wh / 24 V = 125 Ah

Daraus kann die Anzahl der benötigten Batterien berechnet werden als:

Anzahl benötigter Batterien = Erforderliche Ladekapazität / (100 × 0,7)

Anzahl benötigter Batterien = 125 Ah / (100 × 0,7) = 1,78 (aufgerundet 2 Batterien)

Daher werden 2 Batterien von 12 V, 100 Ah benötigt. Aber aufgrund der Aufrundung werden 140 Ah statt 125 Ah benötigt.

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

Daher zwei 12 V, 100 Ah Batterien parallel, um die oben genannte Ladekapazität zu erfüllen. Da die einzelne Batterie jedoch nur 12 V, 100 Ah beträgt und die Systemspannungsanforderung 24 V ist, müssen wir zwei Batterien in Reihe schalten, um die Systemspannung von 24 V zu erhalten, wie in Abbildung 2 unten gezeigt:

Insgesamt werden also vier Batterien von 12 V, 100 Ah benötigt. Zwei in Reihe und zwei parallel geschaltet.

Außerdem kann die erforderliche Kapazität der Batterien durch die folgende Formel gefunden werden.

• Weiterführender Beitrag: Reihen-, Parallel- und Reihenparallel-Schaltung von Batterien

Dimensionierung des PV-Arrays

Verschiedene Größen von PV-Modulen, die auf dem Markt erhältlich sind, erzeugen unterschiedliche Ausgangsleistungsniveaus. Eine der gängigsten Methoden zur Bestimmung der Dimensionierung des PV-Arrays ist die Verwendung der niedrigsten mittleren täglichen Einstrahlung (Solareinstrahlung) in Spitzen-Sonnenstunden wie folgt:

Gesamtgröße des PV-Arrays (W) = (Täglicher Energiebedarf der Last (Wh) / T_PH) × 1,25

Wobei T_PH die niedrigste tägliche durchschnittliche Spitzen-Sonnenstunden eines Monats pro Jahr ist & 1,25 der Skalierungsfaktor. Damit kann die Anzahl der benötigten PV-Module N_Module bestimmt werden als:

N_Module = Gesamtgröße des PV-Arrays (W) / Bewertung der ausgewählten Module in Peak-Watt.

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

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

= 931 W_Peak

Nun beträgt die benötigte Anzahl an PV-Modulen = 931 / 160W = 5,8.

Auf diese Weise benötigen wir 6 Stück Solarmodule, jeweils bewertet für 160W. Sie können die genaue Anzahl der Solarmodule finden, indem Sie den W_Peak durch andere Bewertungen teilen, d. h. 100W, 120W, 150W etc., basierend auf der Verfügbarkeit.

Hinweis: Der Wert von PFG (Panel Generation Factor) variiert (aufgrund von Klima- und Temperaturänderungen) in verschiedenen Regionen, z. B. PFG in USA = 3,22, EU = 2,93, Thailand = 3,43 etc.

Zusätzlich sollten zusätzliche Verluste berücksichtigt werden, um den genauen Panel Generation Factor (PGF) zu finden. Diese Verluste (in %) treten auf aufgrund von:

• Sonnenlicht trifft nicht senkrecht auf das Solarmodul (5%)
• Keine Energie am Maximum Power Point erhalten (ausgeschlossen bei MPPT-Laderegler). (10%)
• Schmutz auf Solarmodulen (5%)
• PV-Module Altern und unter Spezifikation (10%)
• Temperatur über 25°C (15%)

Weiterführender Beitrag: Arten von Solarmodulen und welcher Solarmodultyp ist der beste?

Dimensionierung der Kabel

Die Dimensionierung der Kabel hängt von vielen Faktoren ab, wie der maximalen Stromtragfähigkeit. Es sollte einen minimalen Spannungsabfall und minimale Widerstandsverluste haben. Da die Kabel in der Außenumgebung verlegt werden, sollten sie wasserbeständig und UV-beständig sein.

Das Kabel muss einen minimalen Spannungsabfall von typischerweise weniger als 2% aufweisen, da es in Niederspannungssystemen ein Problem mit Spannungsabfall gibt. Unterdimensionierung der Kabel führt zu Energieverlust und kann manchmal sogar zu Unfällen führen. Überdimensionierung ist nicht wirtschaftlich tragbar. Der Querschnittsbereich des Kabels ist gegeben als:

A = (ρ × I_M × L / V_D) × 2

Wobei

• ρ ist der spezifische Widerstand des Leitermaterials (Ohm-Meter).
• L ist die Kabellänge.
• V_D ist der maximal zulässige Spannungsabfall.
• I_M ist der maximale vom Kabel getragene Strom.

Zusätzlich können Sie diesen Kabel- und Leitungsquerschnittsrechner verwenden. Verwenden Sie auch passend dimensionierte Leitungsschutzschalter und bewertete Stecker und Schalter.

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

Beispiel:

Angenommen, wir haben die folgende elektrische Last in Watt, wo wir ein 12V, 120W Solarmodul-System-Design und Installation benötigen.

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

Jetzt lassen Sie uns die Anzahl der Solarmodule, Bewertung und Dimensionierung von Laderegler, Wechselrichter und Batterien etc. ermitteln.

Ermittlung der Gesamtlast

Gesamtlast in Wh / Tag

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

= 1480 Wh / pro Tag

Die erforderliche Wattzahl durch Solarmodul-System

= 1480 Wh × 1,3 … (1,3 ist der Faktor für Energieverluste im System)

= 1924 Wh/Tag

Ermittlung der Größe und Anzahl der Solarmodule

W_Peak Kapazität des Solarmoduls

= 1924 Wh / 3,2

= 601,25 W_Peak

Benötigte Anzahl Solarmodule

= 601,25 / 120W

Anzahl Solarmodule = 5 Solarmodul-Module

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

Ermittlung der Bewertung und Größe des Wechselrichters

Da in unserem System nur AC-Lasten für bestimmte Zeit vorhanden sind (d. h. keine zusätzlichen & direkten DC-Lasten an die Batterien angeschlossen) und unsere gesamte benötigte Wattzahl ist:

= 40W + 80W + 60W

= 180W

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

= 180W × 1,25

Wechselrichter Bewertung & Größe = 225 W

Ermittlung der Größe, Bewertung & Anzahl der Batterien

Unsere Lastleistung und Betriebszeit in Stunden

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

Nennspannung der Deep-Cycle-Batterie = 12V

Erforderliche Autonomietage (Strom durch Batterien ohne Solarmodul-Leistung) = 2 Tage.

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

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

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

In diesem Fall können wir 4 Stück Batterien jeweils 12 V, 125Ah parallel geschaltet verwenden.

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

Benötigte Anzahl Batterien = Erforderliche Kapazität der Batterien in Amperestunden / Verfügbare Batterie Ah-Bewertung

• Weiterführender Beitrag: Ladezeit und Ladestromformel für Batterien (Mit Beispiel 120Ah Batterie)

Ermittlung der Bewertung und Größe des Solarladereglers

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

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

PV-Modul-Spezifikation

• P_M = 120 W_Peak
• V_M = 15,9 V_DC
• I_M = 7,5 A
• V_OC = 19,4 V
• I_SC = 8,8 A

Die erforderliche Bewertung des Solarladereglers ist = (5 Module × 8,8 A) × 1,25 = 44 A

Sie können also den nächstgelegenen bewerteten Laderegler verwenden, der 45A beträgt.

Beachten Sie, dass diese Methode nicht verwendet werden kann, um die genaue Größe von MPPT-Solarladern zu finden. Bitte beachten Sie das vom Hersteller bereitgestellte Benutzerhandbuch oder sehen Sie die aufgedruckte Typenschildbewertung.

Ermittlung der Kabel, LS, Schalter & Stecker Belastbarkeit

Verwenden Sie die folgenden Tools und erklärenden Beiträge mit Diagrammen, um die genaue Stromstärkebewertung von Drähten und Kabeln, Schaltern & Steckern und Leitungsschutzschaltern zu finden.

• Kabel-Leitungsquerschnittsrechner oder Wie man die richtige Drahtgröße mit Belastbarkeit findet.
• Ermittlung der Stromstärkebewertung von Schaltern & Steckern
• Ermittlung der passenden Größe und Bewertung von Leitungsschutzschaltern.

Fazit

Das netzunabhängige PV-System ist eine hervorragende Möglichkeit, die leicht verfügbare umweltfreundliche Energie der Sonne zu nutzen. Sein Design und seine Installation sind für kleine, mittlere und große Energieanforderungen bequem und zuverlässig. Ein solches System macht die Verfügbarkeit von Elektrizität fast überall auf der Welt möglich, insbesondere in abgelegenen Gebieten. Es macht den Energieverbraucher unabhängig vom Versorgungsnetz und anderen Energiequellen wie Kohle, Erdgas usw.

Ein solches System kann keine negativen Auswirkungen auf unsere Umwelt haben und kann über lange Zeiträume nach seiner Installation Energie liefern. Die oben beschriebene systematische Planung und Installation bietet nützliche Richtlinien für unseren Bedarf an sauberer und nachhaltiger Energie in der modernen Welt.

• Von: M. Phansopkar
• Aktualisiert von: Electrical Technology