4 kW 24 V võrguvälise süsteemi dimensioneerimine: päikesepaneelid, aku ja kaablid GSIKE abil

GSIKE abil saab 4200 W 24 V võrguvälise süsteemi õigesti dimensioneerida: arvutame G4200EU24V põhjal läbi päikesepaneelide võimsuse, aku mahtuvuse ja kaablite ristlõike.

Võrguvälise süsteemi mõõtmeid ei määrata kõhutunde järgi, vaid kolme näitaja põhjal: päevane energiavajadus Wh-des, sellele vastav aku mahtuvus ja aku laadimiseks vajalik päikesepaneelide võimsus. Sellel lehel arvutame need näitajad GSIKE G4200EU24V põhjal läbi, kasutades üldiste rusikareeglite asemel tegelikke andmeid.

Päevase umbes 2200 Wh energiavajaduse korral ja kui süsteem peab toime tulema ka kahe kuni kolme pilvise päevaga, soovitatakse umbes 200 Ah 24 V akut: see annab 25,6 V × 200 Ah = 5120 Wh brutoenergiat, millest olenevalt akutüübist saab 50–80-protsendilise tühjendussügavuse korral kasutada umbes 2600–4100 Wh. Nii on energiavaru tagatud ka pilvistel päevadel.

Päikesevõimsus kooskõlas kontrolleriga

GSIKE võtab 120 A MPPT kaudu vastu kuni 6200 W päikesevõimsust pingega 60-500 V alalisvoolu. Päevase 2200 Wh vajaduse katmiseks piisab realistlikult 2000–3000 W paneelivõimsusest, sest Kesk-Euroopas arvestatakse keskmiselt 3–4 saagikustundi ühe tippvõimsuse tunni kohta. Kui aga soovitakse kasutada kogu 120 A MPPT võimsust ja laadida kiiresti ka sügisel, tasub planeerida 4000–6000 W.

Oluline: Paneelide tühijooksupinge ei tohi kunagi ületada 500 V alalisvoolu, isegi mitte külmal talvehommikul, mil pinge tõuseb. Samal ajal peab päikeselisel ajal päikesepaneelide hooajal ületama MPPT 60 V käivituspinge, et jälgimisseade üldse tööle hakkaks. Kui paneelid ühendatakse jadamisi nii, et pinge jääb nende piiride vahele, on kõik õigesti tehtud.

Kaabli ristlõige 24 V juures

24 V juures on voolutugevus 4200 W võimsuse korral umbes 175 A – seepärast peab aku asuma inverterile võimalikult lähedal ning juhtmed peavad olema lühikesed ja jämedad. Pikad peened kaablid kuumenevad ja raiskavad energiat. Aku juures asuv alalisvoolu peakaitse kaitseb lühise korral kaablipõlengu eest.

Miks paralleeltöö siin ei aita

Paljud küsivad, miks mitte lihtsalt paigaldada GSIKE kõrvale teine, et saada 8400 W. See mudel ei sobi sõnaselgelt paralleeltööks – sellel puudub paralleeltööks vajalik sideühendus. Kui on vaja üle 4200 W, ei pääse 48 V süsteemist. See ausus on oluline: kahest omavahel suhtlemisvõimetust seadmest ehitatud autonoomne süsteem ei tööta stabiilselt.

Kolm läbi arvutatud süsteeminäidet

Muster A – nädalavahetuse suvila: 2000 W päikesepaneele, 100 Ah 24 V aku, koormus 800 Wh päevas. GSIKE sobib, sest pidevkoormus jääb selgelt alla 4200 W. Muster B – aastaringne suvila: 3500 W päikesepaneele, 200 Ah aku, koormus 2200 Wh päevas. Siin näitab 120 A MPPT oma tugevust ja laeb kiiresti ka sügisel. Muster C – väike maamaja varutoitega: 4500 W päikesepaneele, 300 Ah aku, koormus 3500 Wh päevas. GSIKE katab põhikoormuse, 8000 VA tippvõimsus käivitab külmiku ja pumba usaldusväärselt.

Kõigi kolme kasutusviisi puhul kehtib sama: pidev võimsus 4200 W on korraga töötavate tarbijate range ülempiir. Kes lülitab sisse 2000 W elektrilise soojapuhuri ja samal ajal 1500 W ahju, läheneb piirile ning peaks tarbijaid järgemööda kasutama. Tänu 8000 VA käivitusvõimsusele käivituvad mootorid probleemideta, kui nende töökoormus jääb piirist allapoole.

Kõige sagedasemad süsteemi dimensioneerimise vead

Esiteks: Aku liiga väikeseks dimensioneerimine, et raha säästa – siis ei jätku varu öiseks tarbimiseks. Teiseks: Liiga väikese päikesevõimsuse valimine, sest arvestatakse ainult päikeseliste päevadega – siis ei saa aku sügisel kunagi täiesti täis. Kolmandaks: Liiga peenikeste kaablite valimine, sest 24 V tundub esmapilgul ohutu – siis kaob teekonnal akust seadmeni 5–10 protsenti energiast. Neljandaks: Paralleeltöö ootamine – GSIKE puhul seda ei ole.

Praktiline planeerimise kontrollnimekiri

Esiteks: Pane kirja kõik tarbijad koos nende pideva võimsuse ja igapäevase tööajaga ning liida need kokku. Teiseks: Vali aku mahtuvus nii, et see kataks päevase vajaduse ja jätaks kahe-kolme päeva varu. Kolmandaks: Vali päikesepaneelide võimsus nii, et need laeksid aku heal päikesepaistelisel päeval täis ja kataksid samal ajal koormuse. Neljandaks: Vali päikesepaneelide kaablid 60-500 V jadapinge jaoks ja akukaablid 175 A jaoks. Viiendaks: Jäta ruumi alalisvoolukaitsmele ja pealülitile.

Kes järgib neid viit sammu, ehitab stabiilse süsteemi, mis töötab ka siis, kui ilm on mitu päeva kehv. GSIKE G4200EU24V on selleks sobiv inverterseade: see muudab salvestatud 24 V energia puhtaks 230 V vahelduvvooluks, laeb akut päikeseenergiast 120 A vooluga ja hoiab samal ajal kaod alla 6 protsendi.

Aastaaegade ja suuna mõju

Sama päikesevõimsus annab päikeselisel hooajal umbes kaks korda rohkem energiat kui talvel, olenevalt suunast ja kaldenurgast. Lõuna suunas 30-kraadise kaldega süsteem annab maksimumi; ida-lääne suunaline paigutus jaotab tootluse päeva peale ühtlasemalt. Süsteemi mõõtmete kavandamisel arvestatakse alati kõige kehvema kuuga, mitte parima sooja ja päikeselise päevaga – muidu ei jätku talvel energiat.

Rootsis, Taanis ja kaugel põhjas on talvine tootlus märksa väiksem kui Lõuna-Euroopas, mistõttu tuleb kas paigaldada rohkem päikesepaneele või leppida sellega, et pimedal ajal tuleb appi generaator või võrk. GSIKE saab oma vahelduvvoolusisendi kaudu võtta vastu välise toiteallika ja laadida akut, nii et süsteem jääb paindlikuks.

Võrgulahenduse majanduslik võrdlus

Eraldiseisev süsteem 4200 W inverteri, 3000 W päikesepaneelide ja 200 Ah akuga maksab kokku vaid murdosa sellest, mida paigaldaja küsiks võrku ühendatud süsteemi eest, millel on arvesti ja võrguga liitumise teatis. Seevastu tuleb loobuda võrku müüdud elektri toetusest ja ise oma tarbimist juhtida. Suvila, maakodu ja varutoite jaoks tasub see arvutus end aga peaaegu alati ära.

GSIKE ise maksab 189,99 EUR, võrreldes 380,00 EUR-i soovitusliku jaehinnaga, ning on seega kogu süsteemi odavaim komponent. Kui selle pealt kokku hoida, hoitaks vales kohas kokku – odav tundmatu tootja inverter ilma 120 A MPPT-ta pärsiks kogu päikeseenergia võimsuse kasutamist.

Arvestatud on hoolduse ja kasutuseaga

Planeerimisel tuleks arvestada ka kasutuseaga: BMS-iga liitiumaku peab vastu 3000–6000 tsüklit, päikesepaneelid 25 aastat ja inverter 10–15 aastat. Kui neid eeldusi realistlikult arvesse võtta, ei ehita õhulossi. GSIKE vajab peale kruviklemmide ja ventilatsiooni iga-aastase ülevaatuse vähe hooldust.

Kui kavandada süsteem nende põhimõtete järgi, saab usaldusväärse, iseseisva 230 V toiteallika, mis peab vastu ka mitmele kehvale päevale. GSIKE G4200EU24V on süsteemi keskne osa: 4200 W pidevvõimsust, 8000 VA tippvõimsust, 120 A MPPT ja 24 V juures kuni 6200 W päikesepaneelide võimsust.

Iseseisva süsteemi dimensioneerimine on lõppkokkuvõttes kompromiss kolme näitaja vahel: päevane vajadus, salvestusmaht ja päikeseenergia toodang. Kui jätta üks neist arvestamata, võib lahendus kriisi ajal pettumuse valmistada. GSIKE G4200EU24V puhul ei tee mõõdukas aladimensioneerimine suurt kahju, sest see on 4200 W pidevvõimsuse, 8000 VA tippvõimsuse ja 120 A MPPT-ga avaralt dimensioneeritud. Kui arvestada puhvervaruga ja rakenduse kaudu regulaarselt süsteemi jälgida, töötab see aastaid katkestusteta.

Viimane praktiline nõuanne: mõõda oma tegelikku tarbimist ühe nädala jooksul lihtsa pistikupesasse ühendatava mõõturiga, selle asemel et seda hinnata. Enamik kasutajaid üle- või alahindab oma vajadust poole võrra. Mõõdetud näidu põhjal saab päikesepaneelide pindala ja aku suuruse palju täpsemalt välja arvutada kui kõhutunde järgi. Just see mõõtmine on kõige olulisem samm tõeliselt sobiva süsteemi rajamisel.

Ka pinge valik väärib eraldi kommentaari. Paljud algajad küsivad, miks mitte valida lihtsalt 12 V, et aku pealt kokku hoida. Vastus on, et 12 V korral on vool sama võimsuse juures kaks korda suurem – 4200 W puhul umbes 350 A, mistõttu kaablid peavad olema ebaproportsionaalselt jämedad ja kaod suured. Seega on 24 V teadlik kompromiss: voolutugevus on hallatav, kuid akutehnika on endiselt lihtne. 48 V on mõistlik alles terve majapidamise täiskoormuse korral.

120 A:n laadimisvooluga GSIKE jaoks on sobiva BMS-iga liitiumaku ideaalne paariline: see talub suurt laadimisvoolu probleemideta ja saab päikesepaistelisel hommikupoolikul kiiresti jälle täis. Nõrgem BMS piiraks laadimisvoolu ja nulliks 120 A MPPT kiire laadimise eelise. Seetõttu tuleks aku ostmisel kontrollida, et BMS taluks vähemalt 150 A pidevat voolu.

Tabeli viimane rida näitab algajate kõige levinumat viga: liiga palju paneele jadamisi, mistõttu ületatakse 500 V piir. Külmal talvepäeval tõuseb tühijooksupinge veel umbes kümme protsenti, nii et 546 V muutub kiiresti 600 V-ks ja see kahjustab kontrollerit. Kes pole kindel, peaks pigem valima vähemate paneelidega jadaühenduse ja jätma varu.

Kõigis kolmes suurusklassis sobib endiselt inverter GSIKE G4200EU24V, sest selle 4200 W pidevvõimsus ja 8000 VA tippvõimsus katavad põhikoormused usaldusväärselt. Kui vajadus kasvab, näiteks pere sissekolimise ja soojuspumba lisandumise tõttu, tuleb üle minna 48 V süsteemile. Enamiku Euroopa autonoomsete võrguväliste projektide jaoks on 24 V ja 4 kW klass siiski õige suurusjärk.

Oluline inverteri dimensioneerimise reegel on see, et inverterit ei tohiks kunagi kasutada selle ülempiiril. Seade, mis töötab pidevalt 4200 W võimsusel, eraldab soojust, kulub kiiremini ega jäta mootorite käivitamiseks võimsusvaru. Seetõttu soovitatakse dimensioneerida eeldatav pidev koormus 60–70 protsendile 4200 W-st ehk umbes 2500–3000 W-ni. Nii jääb varu 8000 VA tippkoormuse jaoks, seade töötab oma tõhusas vahemikus ja ventilaator lülitub sisse vaid harva.

Päikese suund mõjutab samuti saagikust. Kesk-Euroopas annab lõunapoolne 30–35-kraadise kaldega katus maksimaalse saagikuse; ida-lääne suund jaotab saagikuse päeva peale ühtlasemalt, kuid tipptoodang on väiksem. Päikeseelektrijaama puhul, mis peab aku ühe päevaga täis laadima, tasub selgelt eelistada lõunasuunda. Kes saab kasutada ainult lagedat maad või ida poole suunatud katust, peaks väiksema tipptoodangu kompenseerimiseks paigaldama rohkem päikesepaneele.

Lõpetuseks üks praktiline arvutusnäide: 24 V 200 Ah aku sisaldab brutoarvestuses 5120 Wh. Kui võtta arvesse 80-protsendilist tühjendussügavust ja 94-protsendilist kasutegurit, jõuab pistikupesasse umbes 3850 Wh. 2200 Wh suuruse päevase vajaduse korral jätkub akust peaaegu kaheks autonoomiapäevaks ka ilma päikeseta. Kui lisada päikeseenergia, mis laeb heal päeval akusse tagasi 2200 Wh, saavutatakse stabiilne tsükkel. Kes sellest lihtsast arvutusest aru saab, võib ise hinnata, kas tema süsteemi mõõtmed on õiged.

Ära unusta kaitsmeid: otse aku juurde paigaldatud DC-peakaitse, maandatud paigaldis ja kergesti ligipääsetav hädaseiskamislüliti pole valikulised. 24 V aku vooluahela lühise korral tekivad väga suured voolud ning kaitsme puudumine võib kaabli süüdata. Kes paigaldab need algusest peale, kasutab oma süsteemi ohutult. GSIKE-l on vajalikud temperatuuri- ja ülekoormuskaitsmed juba olemas; välise DC-kaitsme paigaldamine jääb aga paigaldaja ülesandeks.

Sageli tähelepanuta jääv detail on pingelang akukaablites. 24 V ja 175 A juures tekitab isegi mõni meeter liiga väikese ristlõikega kaablit märkimisväärse takistuse, mis nii eraldab soojust kui ka raiskab energiat. Seetõttu kehtib rusikareegel: mida lühem ja jämedam akukaabel, seda parem. Paljud algajad hoiavad kaablite pealt kokku ning avastavad siis, et pinge langeb koormuse all ja inverter annab alapingest märku. Mõni meeter lisapaksu vaskkaablit on stabiilse töö eest väike hind.

Päikese suund ja kaldenurk mõjutavad samuti märgatavalt toodangut. Kesk-Euroopas annab lõuna poole suunatud umbes 30-kraadise kaldega süsteem kõige rohkem energiat, samas kui maapinnale horisontaalselt paigaldamine võib talvepoolaastal vähendada toodangut kümme kuni kakskümmend protsenti. Aastaringselt toimiva võrguvälise süsteemi puhul tasub päikese suunda arvestada juba algusest peale, selle asemel et hiljem väikese toodangu üle imestada. Vältida tuleks ka puude või hoonete tekitatud varje, sest need võivad vähendada terve paneelirea tootlikkust.

Ka aku valik väärib tähelepanu. LiFePO4-akust võib probleemideta kasutada 80 protsenti selle mahutavusest ning see peab vastu tuhandeid laadimistsükleid, samas kui tavalisest pliiakust tuleks kasutada vaid pool mahutavusest ja see peab vastu märksa vähem tsükleid. Igapäevaseks iseseisvaks kasutamiseks on liitiumaku mõistlik valik, sest see on kergem, väiksem ja vastupidavam. Harva kasutatavas nädalalõpu-suvilas võib pliiaku siiski olla ökonoomne valik, kui lepid selle lühema kasutuseaga.

Lõpuks on oluline meeles pidada kaitsmeid. Aku juures olev pealüliti, klemmide lähedal paiknev kaitse ja kergesti ligipääsetav hädaseiskamislüliti pole luksus, vaid suure voolutugevusega 24 V süsteemi puhul hädavajalikud ohutusmeetmed. GSIKE-l on sisseehitatud temperatuuri-, ülekoormus- ja lühisekaitse, kuid välise kaitsme ja lüliti paigaldamine on paigaldaja enda vastutusel. Tund aega lisaplaneerimist säästab hiljem palju peavalu.

Vajamine päikeseenergia hulk sõltub päevasest vajadusest. 2000–3000 W süsteem katab väikese suvila vajadused, samas kui külmkapi, pesumasina ja elektriautoga talukoht peaks arvestama 4000–4500 W. GSIKE kontroller talub kuni 6200 W, nii et kasvuruumi on piisavalt ja inverterit pole vaja välja vahetada. See on eelis, kui pole täpselt teada, kuidas vajadused aja jooksul muutuvad.

Aku mahutavus valitakse selle järgi, mitu päeva soovite ilma päikeseta hakkama saada. Kahe kuni kolme järjestikuse pilvise päeva jaoks tuleks arvestada 200 Ah akuga, sest see salvestab piisavalt energiat põhikoormuse katmiseks. Väikeste majade jaoks võib piisata 100 Ah-st, kuid siis tuleb arvestada, et pikkade vihmaperioodide ajal on vaja välist energiaallikat. Ühtainsat õiget arvu pole, kuid vajaduste, salvestusmahu ja päikeseenergia vahel on õige tasakaal.

Kaablite pealt hoiavad algajad sageli vales kohas kokku. 24 V korral on voolutugevus suur ning liiga jämedad kaablid on paremad kui liiga peenikesed. Aku poolel tuleks kasutada lühikesi, vähemalt 25–35 ruutmillimeetri ristlõikega juhtmeid, eelistatavalt 50–70 ruutmillimeetriseid, kui võimsus läheneb 4200 W-le. Päikesepaneelide poolel, kus pinge on 60–500 V, on voolutugevus seevastu väike ja seal piisab tavalisest päikesekaablist. Seda erinevust on oluline mõista enne kaablite paigaldamist.

Lõpuks tasub meeles pidada, et päikesesüsteem on investeering, mis tasub end aja jooksul ära. Mida rohkem elektrit ise toodate, seda vähem sõltute elektrivõrgust ja kasvavatest elektrihindadest. Maja jaoks, mille võrku ühendamine oleks muidu kulukas, on saarelahendus nii odavam kui ka paindlikum. GSIKE on selle lahenduse keskne osa, sest muudab salvestatud alalisvoolu stabiilseks 230 V vahelduvvooluks ja laeb samal ajal akut päikeseenergiaga.

Kui süsteemi mõõtmed on paigas, on kasutuselevõtt üsna lihtne: ühendage aku õige polaarsusega, ühendage päikesepaneelid MPPT-sisendiga, lülitage seade sisse, valige ekraanilt aku tüüp ja ühendage tarbijad. Seejärel töötab süsteem ise. Just see lihtsus teeb GSIKE sobivaks kodusele isetegijale, kes ei soovi keerukat paigaldust.

Pidage meeles arvestada teatava ohutusvaruga. Täpselt vajadusele mõõdetud süsteemil pole hingamisruumi, kui ilm on halb või ühendatakse veel mõni seade. Lisades veidi päikesepaneele või veidi suurema aku, väldite enamikku pettumusi.

Lõpuks on oluline valida selliste mõõtmetega süsteem, millega saab tegelikkuses hakkama. Liiga väike süsteem tekitab muret; liiga suur süsteem maksab tarbetult palju. GSIKE pakub mõistlikku keskteevarianti, mis kasvab koos vajadustega.

Lõplik otsus süsteemi mõõtmete kohta

Isemajandava 4 kW 24 V saarelahenduse jaoks Kesk-Euroopas on GSIKE G4200EU24V arvutuste järgi puhtaim valik: 2000–4500 W päikesepaneele, 100–300 Ah 24 V aku ja lühikesed jämedad kaablid – nii mõõdetuna katab see külmkapi, valgustuse, pesumasina ja ruuteri vajadused. Kes soovib üle 4200 W võimsust või paralleeltööd, peab valima 48 V süsteemi. Lisateavet akuta praktilise kasutuselevõtu kohta leiate WiFi-juhendist.

Lõplik otsus

Korduma kippuvad küsimused

Allikad ja andmed

1. MPPT-laadija tööpõhimõte — https://en.wikipedia.org/wiki/Maximum_power_point_tracking
2. Puhas siinuslaine — https://en.wikipedia.org/wiki/Power_inverter
3. Võrguväline päikesesüsteem — https://en.wikipedia.org/wiki/Off-grid_electricity_system
4. 24V LiFePO4 aku — https://en.wikipedia.org/wiki/Lithium_iron_phosphate_battery
5. CE ja RoHS — https://ec.europa.eu/environment/topics/waste-and-recycling/rohs-directive_en
6. Hübriidinverteri ehitus — https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_inverter

Juhendid ja võrdlused

Otse mudeli juurde: GSIKE G4200EU24V 4200W 24V.

Võrdle pidevat võimsust 4200W, 8000VA impulssvõimsust, üht 120A MPPT-d, ~6200W PV-võimsust ja hinda, enne kui valid 24V 4kW hübriidinverteri.