4 kW:n 24 V:n omavaraisen sähköjärjestelmän mitoitus: aurinko, akku ja kaapelit GSIKEn avulla

Näin mitoitat 4200 W:n 24 V:n omavaraisen sähköjärjestelmän oikein GSIKEllä: aurinkoteho, akkukapasiteetti ja kaapelin poikkipinta-ala laskettuna G4200EU24V:n perusteella.

Omavaraisen sähköjärjestelmän mitoitus ei perustu mututuntumaan, vaan kolmeen suureeseen: päivittäiseen energiantarpeeseen Wh-yksiköissä, sitä vastaavaan akkukapasiteettiin ja auringon säteilytehoon, joka lataa akun uudelleen. Tässä laskelmassa nämä suureet käydään läpi GSIKE G4200EU24V:n avulla – todellisia lukuja käyttäen yleisten nyrkkisääntöjen sijaan.

Kun päivittäinen tarve on noin 2200 Wh, ja järjestelmän on selvittävä myös kahdesta kolmeen aurinkoa vailla olevasta päivästä, suositellaan noin 200 Ah:n 24 V:n akkua: se vastaa 25,6 V × 200 Ah = 5120 Wh:n bruttokapasiteettia, josta akkutyypistä riippuen noin 2600–4100 Wh on käytettävissä, kun purkaussyvyys on 50–80 prosenttia. Näin yöaikainen varakapasiteetti riittää myös pilvisinä päivinä.

Aurinkoteho sovitettu säätimelle

GSIKE vastaanottaa jopa 6200 W aurinkosähköä 120A MPPT:llä jännitealueella 60–500 V DC. Päivittäiseen 2200 Wh:n kulutukseen riittää realistisesti 2000–3000 W paneelitehoa, sillä Keski-Euroopassa arvioidaan keskimääräiseksi päivätuotoksi 3–4 tuntia huipputeholla. Jos taas halutaan hyödyntää 120A MPPT:n koko kapasiteetti ja ladata nopeasti myös syksyllä, paneelitehoksi kannattaa suunnitella 4000–6000 W.

Tärkeää: Paneelien tyhjäkäyntijännite ei saa koskaan ylittää 500 V DC:tä, ei edes kylmänä talviaamuna, jolloin jännite nousee. Samalla MPPT:n 60 V:n käynnistysjännitteen on aurinkokaudella aurinkoisella säällä ylitettävä, jotta säädin ylipäätään käynnistyy. Kun paneelit kytketään sarjaan näiden rajojen sisällä, järjestelmä toimii oikein.

Kaapelin poikkipinta-ala 24 V:llä

24 V:n jännitteellä 4200 W aiheuttaa noin 175 A:n virran – siksi akun on oltava mahdollisimman lähellä invertteriä ja johtimien lyhyitä ja paksuja. Pitkät, ohuet kaapelit kuumenevat ja hukkaavat energiaa. Suoraan akun viereen asennettu DC-pääsulake suojaa kaapelipalolta oikosulun sattuessa.

Miksi rinnankäyttö ei auta tässä

Monet kysyvät, miksi ei vain aseteta GSIKE-yksikköä toisen viereen, jotta saataisiin 8400 W. Tätä mallia ei ole nimenomaisesti suunniteltu rinnankytkentään – siinä ei ole tiedonsiirtoa varten tarkoitettua rinnankytkentäliitäntää. Yli 4200 W:n tehontarpeeseen tarvitaan 48 V:n järjestelmä. Tämä on tärkeää sanoa suoraan: kahdesta keskenään kommunikoimattomasta laitteesta rakennettu saarekejärjestelmä ei toimi vakaasti.

Kolme yksityiskohtaisesti laskettua esimerkkijärjestelmää

Malli A – viikonloppumökki: 2000 W aurinkopaneeleita, 100 Ah 24 V akku, kuorma 800 Wh/päivä. GSIKE riittää, koska jatkuva kuorma jää selvästi alle 4200 W. Malli B – ympärivuotinen mökki: 3500 W aurinkopaneeleita, 200 Ah akku, kuorma 2200 Wh/päivä. Tässä 120A MPPT pääsee oikeuksiinsa ja lataa nopeasti myös syksyllä. Malli C – pieni maatila varavirralla: 4500 W aurinkopaneeleita, 300 Ah akku, kuorma 3500 Wh/päivä. GSIKE kattaa peruskuorman, 8000 VA:n huipputeho käynnistää jääkaapin ja pumpun luotettavasti.

Kaikissa kolmessa käyttötavassa pätee sama: jatkuva 4200 W teho on samanaikaisesti käynnissä olevien laitteiden ehdoton yläraja. Jos käynnistät 2000 W sähkölämmittimen ja samalla 1500 W uunin, lähestyt rajaa, joten laitteiden käyttöä kannattaa porrastaa. Moottorit käynnistyvät ongelmitta 8000 VA:n hetkellisen tehon ansiosta, kunhan niiden täyden kuormituksen aikainen teho pysyy rajan alla.

Yleisimmät mitoitusvirheet

Ensimmäinen virhe: Akun alimitoitus säästämiseksi – silloin yöllä käytettävä varaus ei riitä. Toinen virhe: Aurinkopaneelien alimitoitus, koska suunnitellaan vain aurinkoisten päivien mukaan – silloin akku ei lataudu koskaan täyteen syksyllä. Kolmas virhe: Liian ohuiden kaapeleiden valinta, koska 24 V vaikuttaa ensi silmäyksellä harmittomalta – silloin 5–10 prosenttia energiasta häviää matkalla akusta laitteelle. Neljäs virhe: Rinnakkaiskäytön odottaminen – sitä ei ole GSIKEssä.

Käytännön suunnittelutarkistuslista

Ensimmäiseksi: Listaa kaikki sähkölaitteet niiden jatkuvan tehon ja päivittäisen käyttöajan kanssa ja laske kulutus yhteen. Toiseksi: Valitse akkukapasiteetti niin, että se kattaa päivittäisen tarpeen ja kahden tai kolmen päivän varan. Kolmanneksi: Valitse aurinkopaneeliteho niin, että akku latautuu hyvänä aurinkoisena päivänä ja samalla katetaan kulutus. Neljänneksi: Valitse aurinkopaneelikaapelit 60-500 V:n ketjujännitteelle ja akkukaapelit 175 A:lle. Viidenneksi: Varaa tila DC-sulakkeelle ja pääkytkimelle.

Kun nämä viisi vaihetta käydään läpi, rakennetaan vakaa järjestelmä, joka toimii myös silloin, kun sää on huono useita päiviä. GSIKE G4200EU24V on siihen sopiva invertteriyksikkö: se muuntaa varastoidun 24 V:n energian puhtaaksi 230 V:n vaihtovirraksi, lataa akun auringosta 120A:lla ja sen hyötysuhde on samalla yli 94 prosenttia.

Vuodenaikojen ja suuntauksen vaikutus

Sama aurinkopaneeliteho tuottaa aurinkokaudella kaksinkertaisesti talveen verrattuna suuntauksesta ja kulmasta riippuen. Etelään suunnattu järjestelmä, jonka kallistuskulma on 30 astetta, tuottaa eniten; itä-länsisuuntaus jakaa tuotannon tasaisemmin päivän mittaan. Mitoituksessa suunnitellaan aina heikoimman kuukauden, ei parhaan lämpimän ja aurinkoisen päivän mukaan – muuten energia ei riitä talvella.

Ruotsissa, Tanskassa ja pohjoisilla alueilla talvituotto on selvästi pienempi kuin Etelä-Euroopassa, joten aurinkopinta-alaa lisätään tai hyväksytään, että generaattori tai sähköverkko auttaa pimeään aikaan. GSIKE voi AC-tulonsa kautta ottaa vastaan ulkoisen virtalähteen ja ladata akun, joten järjestelmä pysyy joustavana.

Taloudellinen vertailu verkkoratkaisuun

Omavarainen järjestelmä, jossa on 4200 W invertteri, 3000 W aurinkopaneelit ja 200 Ah akku, maksaa yhteensä vain murto-osan siitä, mitä asentaja veloittaisi verkkoon kytketystä järjestelmästä mittareineen ja ilmoituksineen. Vastineeksi luovut sähkön verkkoon syötöstä saatavasta tuesta ja joudut itse hallitsemaan omaa kulutustasi. Mökille, maatilalle ja varavoimaksi tämä laskelma kannattaa kuitenkin lähes aina.

GSIKE itsessään maksaa 189,99 EUR, kun suositushinta on 380,00, joten se on koko järjestelmän edullisin osa. Jos siitä säästäisi, säästäisi väärässä paikassa: halpa, tuntemattoman valmistajan invertteri ilman 120A MPPT:tä rajoittaisi koko aurinkovoimaa.

Huolto ja käyttöikä huomioitu

Suunnittelussa kannattaa huomioida myös käyttöikä: BMS:llä varustettu litiumakku kestää 3000–6000 sykliä, aurinkopaneelit 25 vuotta ja invertteri 10–15 vuotta. Kun nämä odotukset asettaa realistisesti, ei rakenna pilvilinnoja. GSIKE itse vaatii vain vähän huoltoa: ruuviliittimien ja ilmanvaihdon vuosittaisen tarkastuksen.

Näiden periaatteiden mukaan suunnittelemalla saa luotettavan omavaraisen 230 V:n sähkönsyötön, joka kestää myös useita huonoja päiviä. GSIKE G4200EU24V on järjestelmän sydän: jatkuva teho 4200 W, huipputeho 8000 VA, 120A MPPT ja jopa 6200 W aurinkotehoa 24 V:n jännitteellä.

Omavaraisen järjestelmän mitoituksessa on viime kädessä kyse kolmen tekijän tasapainottamisesta: päivittäisen kulutuksen, varastointikapasiteetin ja aurinkotuoton. Jos jokin näistä jää huomiotta, tuloksena on ratkaisu, joka pettää kriisitilanteessa. GSIKE G4200EU24V antaa tässä hieman liikkumavaraa, sillä sen mitoitus on reilu: jatkuva teho 4200 W, huipputeho 8000 VA ja 120A MPPT. Kun huomioi varakapasiteetin ja seuraa järjestelmää säännöllisesti sovelluksella, se toimii vuosia keskeytyksettä.

Vielä yksi käytännön vinkki: mittaa todellinen kulutuksesi viikon ajan yksinkertaisella pistorasiaan kytkettävällä kulutusmittarilla sen sijaan, että arvioisit sitä. Useimmat käyttäjät yli- tai aliarvioivat tarpeensa puolella. Mitatun lukeman perusteella aurinkopaneelien pinta-alan ja akun koon voi määrittää paljon tarkemmin kuin mutu-tuntumalla. Juuri tämä mittaus on tärkein askel kohti todella sopivaa järjestelmää.

Myös jännitevalinta ansaitsee erityishuomion. Monet aloittelijat kysyvät, miksei vain valita 12 V:ta akun hinnan säästämiseksi. Vastaus on, että 12 V:n järjestelmässä virta on samalla teholla kaksinkertainen: 4200 W:lla se on noin 350 A, mikä tekee kaapeleista suhteettoman paksuja ja häviöistä suuria. 24 V on siis harkittu kompromissi: virta on hallittavissa, mutta akkutekniikka on silti yksinkertaista. 48 V on järkevä vasta, kun koko talouden kuormaa käytetään täydellä teholla.

GSIKE 120A -latausvirralle sopiva BMS:llä varustettu litiumakku on ihanteellinen kumppani: se kestää suuren latausvirran ongelmitta ja latautuu aurinkoisena aamupäivänä nopeasti täyteen. Heikompi BMS rajoittaisi latausvirtaa ja tekisi tyhjäksi 120A MPPT:n nopean toiminnan. Siksi akkua ostettaessa kannattaa varmistaa, että BMS kestää vähintään 150 A:n jatkuvan virran.

Taulukon viimeinen rivi kertoo yleisimmästä aloittelijan virheestä: liian monta paneelia sarjassa ja siten 500 V:n rajan ylittäminen. Kylmänä talvipäivänä tyhjäkäyntijännite kasvaa vielä noin kymmenen prosenttia, jolloin 546 V nousee nopeasti 600 volttiin – se rikkoo seurantajärjestelmän. Jos olet epävarma, valitse mieluummin lyhyempi sarja ja jätä varaa.

Kaikissa kolmessa kokoluokassa GSIKE G4200EU24V on sopiva invertteri, sillä sen 4200 W:n jatkuva teho ja 8000 VA:n huipputeho kattavat luotettavasti peruskuormat. Jos kuormitus kasvaa esimerkiksi perheen muuttaessa taloon ja lämpöpumpun tullessa käyttöön, on siirryttävä 48 volttiin. Suurimmalle osalle Euroopan omavaraisista off-grid-hankkeista 24 V:n 4 kW:n luokka on kuitenkin oikea kokoluokka.

Tärkeä mitoitussääntö on, ettei invertteriä pidä koskaan käyttää sen ylärajalla. Laite, joka käy jatkuvasti teholla 4200 W, tuottaa lämpöä, kuluu nopeammin eikä jätä varaa moottorin käynnistykseen. Siksi odotettu jatkuva kuorma kannattaa mitoittaa 60–70 prosenttiin 4200 W:sta eli noin 2500–3000 W:iin. Näin jää varaa 8000 VA:n huipputeholle, laite toimii tehokkaalla toiminta-alueellaan ja tuuletin käynnistyy vain harvoin.

Myös auringon suunta vaikuttaa tuottoon. Keski-Euroopassa etelään suunnattu katto, jonka kaltevuus on 30–35 astetta, tuottaa eniten. Itä-länsisuuntaus jakaa tuotannon päivän ajalle, mutta huipputeho jää pienemmäksi. Saarekkeeseen, jonka akun on tarkoitus latautua yhden päivän aikana, eteläsuuntaus on selvästi paras. Jos käytettävissä on vain tasainen alue tai itään suunnattu katto, aurinkopaneelipinta-alaa kannattaa lisätä pienemmän huipputehon kompensoimiseksi.

Lopuksi käytännöllinen laskuesimerkki: 24 V:n 200 Ah:n akku sisältää bruttona 5120 Wh. Kun huomioidaan 80 prosentin purkaussyvyys ja 94 prosentin hyötysuhde, pistorasiaan saadaan noin 3850 Wh. Kun päivittäinen tarve on 2200 Wh, akku riittää siis lähes kahdeksi päiväksi itsenäiseen käyttöön ilman aurinkoenergiaakin. Kun mukaan lisätään aurinkosähkö, joka hyvänä päivänä lataa akkuun uudelleen 2200 Wh, saadaan aikaan vakaa kierto. Yksinkertaisen laskutoimituksen ymmärtävä voi itse arvioida, onko mitoitus oikea.

Älä unohda suojauksia: akun viereen asennettava DC-pääsulake, maadoitettu asennus ja helposti käytettävä hätäkytkin eivät ole valinnaisia. Oikosulussa 24 V:n akkupiirissä kulkee erittäin suuri virta, ja sulakkeen puuttuminen voi sytyttää kaapelin. Kun nämä asennetaan alusta alkaen, järjestelmää voi käyttää turvallisesti. GSIKEssa on valmiina tarvittavat lämpötila- ja ylikuormitussuojaukset, mutta ulkoisen DC-sulakkeen asennus on asentajan vastuulla.

Akun kaapeleiden jännitehäviö jää usein huomaamatta. Kun jännite on 24 V ja virta 175 A, jo muutaman metrin liian ohuesta kaapelista aiheutuu huomattavaa vastusta, joka sekä tuottaa lämpöä että hukkaa energiaa. Nyrkkisääntö onkin: mitä lyhyempi ja paksumpi akkukaapeli, sitä parempi. Monet aloittelijat säästävät kaapeleissa ja huomaavat sitten, että jännite laskee kuormituksen aikana ja invertteri ilmoittaa alijännitteestä. Muutama metri paksua kuparikaapelia on pieni hinta vakaasta toiminnasta.

Aurinkopaneelien suunta ja kallistus vaikuttavat myös selvästi tuottoon. Keski-Euroopassa etelään suunnattu järjestelmä, jonka kallistus on noin 30 astetta, tuottaa eniten, kun taas maahan tasaisesti asennettuna tuotto voi jäädä talvipuoliskolla kymmenestä kahteenkymmeneen prosenttia pienemmäksi. Ympäri vuoden omavaraisena toimivassa kohteessa aurinkopaneelien suunta kannattaa huomioida alusta alkaen, ettei myöhemmin tarvitse ihmetellä heikkoa tuottoa. Myös puiden ja rakennusten varjoja kannattaa välttää, sillä ne voivat heikentää koko paneeliketjun tehoa.

Myös akun valintaan kannattaa kiinnittää huomiota. LiFePO4-akusta voi purkaa 80 prosenttia ongelmitta, ja se kestää tuhansia lataussyklejä, kun taas perinteisestä lyijyakusta tulisi purkaa vain puolet ja se kestää huomattavasti vähemmän lataussyklejä. Päivittäiseen omavaraiseen käyttöön litiumakku on järkevä valinta, sillä se on kevyempi, pienempi ja kestävämpi. Harvoin käytetyssä viikonloppumökissä lyijyakku voi silti olla taloudellisesti hyväksyttävä vaihtoehto, kunhan sen lyhyemmän käyttöiän hyväksyy.

Lopuksi on tärkeää muistaa suojaukset. Akun pääkytkin, napojen lähelle asennettu sulake ja helposti käytettävä hätäkytkin eivät ole ylellisyyttä, vaan välttämätön turvallisuusominaisuus suurivirtaisessa 24 V:n järjestelmässä. GSIKEssa on sisäänrakennettu lämpötila-, ylikuormitus- ja oikosulkusuojaus, mutta ulkoinen sulake ja kytkin ovat asentajan vastuulla. Tähän käytetty ylimääräinen tunti säästää myöhemmin monelta harmilta.

Tarvittava aurinkosähkön määrä riippuu päivittäisestä tarpeesta. 2000–3000 W:n järjestelmä riittää pienelle mökille, kun taas maatilalla, jossa on jääkaappi, pesukone ja kevyt sähköajoneuvo, kannattaa tähdätä 4000–4500 W:iin. GSIKEn säädin kestää jopa 6200 W, joten kapasiteettia voi kasvattaa hyvin ilman invertterin vaihtamista. Tästä on hyötyä, kun tarpeen tarkkaa kehitystä ei vielä tiedä.

Akun koko mitoitetaan sen mukaan, kuinka monta päivää haluat pärjätä ilman aurinkoa. Jos pilvisiä päiviä on peräkkäin kaksi tai kolme, kannattaa mitoittaa 200 Ah:n akku, sillä siinä on riittävästi energiaa peruskuormituksen ylläpitämiseen. Pienille mökeille 100 Ah voi riittää, mutta silloin on myös hyväksyttävä, että pitkät sadejaksot edellyttävät ulkoista energianlähdettä. Yhtä oikeaa lukua ei ole, mutta tarpeiden, varaston ja aurinkotehon välillä on oltava oikea suhde.

Kaapeleissa aloittelijat tekevät usein vääränlaista säästöä. 24 V:n jännitteellä virta on suuri, ja liian paksut kaapelit ovat parempia kuin liian ohuet. Akkupuolella kannattaa käyttää lyhyitä, vähintään 25–35 neliömillimetrin kaapeleita, mieluiten 50–70 neliömillimetrin kaapeleita, kun teho lähestyy 4200 W:a. Aurinkopuolella jännite on 60–500 V, joten virta on puolestaan pieni ja tavallinen aurinkokaapeli riittää. Tämä ero on tärkeää ymmärtää ennen kaapelien vetämistä.

Muista myös, että aurinkojärjestelmä on investointi, joka maksaa itsensä takaisin ajan myötä. Mitä enemmän sähköä tuotat itse, sitä vähemmän olet riippuvainen sähköverkosta ja nousevista sähkön hinnoista. Mökillä, johon verkkoliittymän hankkiminen muuten tulisi kalliiksi, saarekeratkaisu on sekä edullisempi että joustavampi. GSIKE on tämän ratkaisun keskeinen osa, sillä se muuntaa varastoidun tasavirran vakaaksi 230 V:n vaihtovirraksi ja lataa samalla akun aurinkoenergialla.

Kun mitoitus on valmis, käyttöönotto on melko suoraviivaista: kytke akku oikealla napaisuudella, liitä aurinkopaneelit MPPT-tuloon, käynnistä laite, valitse akun tyyppi näytöstä ja kytke kulutuslaitteet. Sen jälkeen järjestelmä toimii itsenäisesti. Juuri tämä yksinkertaisuus tekee GSIKEstä sopivan kotinikkarille, joka ei halua monimutkaista asennusta.

Muista varata mitoitukseen turvamarginaali. Täsmälleen tarpeen mukaan mitoitettu järjestelmä ei jätä pelivaraa huonon sään tai ylimääräisen laitteen liittämisen varalle. Lisäämällä hieman aurinkotehoa tai valitsemalla hieman suuremman akun vältyt useimmilta pettymyksiltä.

On tärkeää valita mitoitus, jonka kanssa pärjää käytännössä. Liian pieni järjestelmä aiheuttaa huolta, kun taas liian suuri maksaa turhaan. GSIKE tarjoaa sopivan keskitien, joka kasvaa tarpeiden mukaan.

Mitoituksen lopullinen arvio

Omavaraiseen 4 kW:n, 24 V:n saarekekohteeseen Keski-Euroopassa GSIKE G4200EU24V on laskennallisesti selkein valinta: aurinkotehoa 2000–4500 W, 24 V:n akku 100–300 Ah, lyhyet ja paksut kaapelit – oikein mitoitettuna se kattaa jääkaapin, valaistuksen, pesukoneen ja reitittimen kulutuksen. Jos tarvitset yli 4200 W tai rinnakkaiskäyttöä, valitse 48 V. WiFi-oppaasta saat lisätietoja käytännön käyttöönotosta ilman akkua.

Lopullinen tuomio

Usein kysytyt kysymykset

Lähteet ja tiedot

1. MPPT-lataussäätimen toimintaperiaate — https://en.wikipedia.org/wiki/Maximum_power_point_tracking
2. Puhdas siniaalto — https://en.wikipedia.org/wiki/Power_inverter
3. Verkon ulkopuolinen aurinkojärjestelmä — https://en.wikipedia.org/wiki/Off-grid_electricity_system
4. 24 V:n LiFePO4-akku — 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. Hybridinvertterin rakenne — https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_inverter

Oppaat ja vertailut

Siirry suoraan malliin: GSIKE G4200EU24V 4200W 24V.

Vertaa jatkuvaa tehoa 4200 W, pulssitehoa 8000 VA, yhtä 120 A:n MPPT-lataussäädintä, noin 6200 W:n aurinkopaneelitehoa ja hintaa ennen kuin valitset 24 V:n 4 kW:n hybridinvertterin.