Ako dimenzovať ostrovný solárny systém s výkonom 6,2 kW a napätím 48 V v Európe s GSIKE: fotovoltika, LiFePO4 batéria a výpočty káblov 48 V

Najdrahšou chybou pri inštalácii mimo siete je dimenzovať komponenty podľa čísla v brožúre namiesto skutočného súčasného zaťaženia. Pred akýmkoľvek výpočtom si všimnite, že jednotka GSIKE používa zbernicu 48 V (fyzicky 51,2 V LiFePO4 blok so 16 článkami), nie 12 V ani 24 V.

Pravidlo výberu napätia sa opakuje v každom sprievodcovi dimenzovaním solárneho systému: približne 1–2 kW je vhodných pre 12 V, približne 2–4 kW pre 24 V a od zhruba 6 kW vyššie potrebujete 48 V. Pri 6,2 kW by 24 V zbernica prenášala takmer 350 A, čo si vyžaduje prípojnice hrubé ako vodovodné potrubie a medené káble s prierezom 70 mm². Pri 48 V sa prúd zníži približne na polovicu, čo je hlavný technický dôvod, prečo táto trieda používa 48 V.

Porovnajte si to: pri plnom výstupnom výkone 6200 W je prúd v 48 V zbernici I = P ÷ V = 6200 W ÷ 48 V = 129.2 A (ideálne, bez započítania účinnosti). Pri zbernici s napätím 24 V by pri rovnakom výkone dosahoval 6200 ÷ 24 = 258.3 A — takmer presne dvojnásobok. Polovičný prúd znamená polovičný potrebný prierez kábla a polovičné tepelné straty vo vedení.

To je zároveň reálny limit: zbernica s napätím 48 V a prúdom ~137 A vysvetľuje, prečo je systém s výkonom 6.2 kW pohodlne dimenzovaný, zatiaľ čo jednu jednotku 48 V nemožno zapojiť paralelne — ak vaša súčasná špičková spotreba opakovane prekračuje 6200 W, správnym riešením je iná trieda meniča alebo model umožňujúci paralelné zapojenie, nie hrubšie 48 V káble na tejto jednej jednotke.

Všetkých päť rovnakých vzorcov sa používa v každom z nasledujúcich krokov. Môžete dosadiť vlastné spotrebiče a celý systém znova skontrolovať v tabuľkovom procesore.

1. Denná energia [Wh] = výkon spotrebiča [W] × hodiny používania za deň [h].

2. Energia batérie [Wh] = menovité napätie [V] × kapacita [Ah].

3. Využiteľná energia vo Wh = menovitá energia vo Wh × hĺbka vybitia (pri LiFePO4 počítame s hodnotou 0.8).

4. Menovitá kapacita [Ah] = denná spotreba Wh × počet nocí autonómie ÷ DoD ÷ napätie zbernice [V].

5. Prierez kábla: A = (2 × jednosmerná dĺžka [m] × prúd [A]) ÷ (κ × ΔV), kde vodivosť medi κ = 56 m/(Ω·mm²) a ΔV je povolený úbytok napätia vo voltoch.

Limit nabíjania zo solárnych panelov: jediný regulátor nabíjania MPPT má menovitý prúd 120 A, takže teoretický nabíjací výkon zo solárnych panelov je 120 A × 48 V = 5760 W (pri udržiavacom napätí 54 V je to ~6480 W). Nad túto hodnotu ďalšie panely nezvyšujú nabíjací prúd — prebytok prúdi priamo do denných spotrebičov.

V európskej domácnosti, vo veľkom rekreačnom dome, na malej fungujúcej farme alebo v domácej kancelárii bez elektrického vykurovania celého domu sa zvyčajne spotrebuje 8–12 kWh denne. V tomto návode vychádzame z príkladu s hodnotou 10 kWh/deň — chladničky s mrazničkou a truhlicovej mrazničky, LED osvetlenia, práčky a umývačky riadu, elektroniky, občasného použitia rýchlovarnej kanvice alebo mikrovlnnej rúry, vodného čerpadla a jedného vareného jedla denne.

Denná bilancia spotreby (referenčná zostava s 10 kWh/deň)

Dôležitá je noc bez slnka. Po západe slnka fotovoltické pole prestane vyrábať energiu a batéria sa stane jediným zdrojom. Pri tejto zostave s výkonom 10 kWh je nočná spotreba (približne od 19:00 do 07:00) asi 3,5–5 kWh — väčšinu spotrebujú dve mrazničky a chladnička, zvyšok pohotovostná elektronika.

Sledujte okamžitý výkon, nielen denný priemer. Rýchlovarná kanvica s príkonom 1200 W, varná doska s príkonom 1800 W a kompresor chladničky spúšťajúci sa v rovnakom okamihu sa rýchlo priblížia k limitu 6200 W. Preto majitelia systémov nezávislých od siete rozkladajú varenie v čase a nikdy nepoužívajú kanvicu a rúru súčasne. Špičkový výkon 12400 VA (2,0×) je určený na rozbeh motorov, napríklad kompresorových čerpadiel a motorov chladničiek, nie na nepretržité varenie.

Menič GSIKE sa kombinuje s 48 V LiFePO4 blokmi (fyzicky 51,2 V) a komunikáciou s BMS cez RS485. Lítium-železo-fosfátová chémia je navrhnutá na hĺbku vybitia 80 % — túto hranicu umožňuje dodržiavať pri zachovaní dlhej životnosti v nabíjacích cykloch. Počas jedného cyklu nikdy nevyčerpáte viac než 80 % energie nominálnej kapacity bloku.

Výpočtový príklad — 10 kWh/deň, autonómia na dve noci

1. Potrebná využiteľná energia = 10 kWh × 2 noci = 20 kWh. Pri dvoch nociach musí banka zvládnuť celý zamračený deň a následnú nočnú spotrebu.

2. Nominálna kapacita pri DoD 0,8 = 20 kWh ÷ 0,8 = 25 kWh nominálne. Keďže využiteľných je len 80 %, nominálna energia nainštalovanej banky musí byť vyššia než požadovaná využiteľná kapacita.

3. Prepočet na ampérhodiny pri napätí zbernice 48 V = 25 000 Wh ÷ 48 V ≈ 520,8 Ah.

4. Pri skutočnom nominálnom napätí LiFePO4 51,2 V: 25 000 Wh ÷ 51,2 V ≈ 488,3 Ah. Uvádzame použité napätie: hodnota 520,8 Ah v nadpise je vypočítaná pri zaokrúhlenej hodnote 48 V; skutočná LiFePO4 banka s napätím 51,2 V uchová rovnakých 25 kWh pri kapacite približne 488,3 Ah. Pri nákupe skontrolujte nominálne napätie akumulátora na štítku a použite túto hodnotu pri výpočte.

Ako to vyzerá pri skutočnom paralelnom zapojení modulov v racku

Pre referenčnú zostavu s kapacitou 10 kWh je praktickou konfiguráciou tri rackové moduly LiFePO4 s parametrami 51,2 V a 200 Ah zapojené paralelne: približne 600 Ah a nominálne 30,7 kWh, teda zhruba 24,6 kWh využiteľnej energie. To s rezervou pokrýva plánovaný cieľ 20 kWh využiteľnej energie aj počas krátkych zimných dní.

Moduly v racku zapojte paralelne, nikdy nie sériovo — napätie zbernice musí zostať 48 V. Ku každému modulu veďte káble rovnakej dĺžky, aby sa prúd rozdelil rovnomerne, a nechajte pripojený kábel BMS RS485, aby menič získaval údaje o stave nabitia, teplote a prúdových limitoch. Menič automaticky rozpozná bežné profily Pylon/lítiových BMS cez RS485 a dokáže prebudiť neaktívny LiFePO4 blok z fotovoltických panelov alebo zo sieťového vstupu.

Kontrola nabíjacieho prúdu: MPPT nabíjačka s prúdom 120 A predstavuje pri batériovej banke s kapacitou 600 Ah mierny nabíjací prúd 0,20 C, pri banke s kapacitou 400 Ah je to 0,30 C. Obe hodnoty sú pre LiFePO4 vhodné — nabíjací stupeň s prúdom 120 A bez problémov zodpovedá 48 V banke s kapacitou 400–600 Ah a v kombinácii s týmto meničom by ste nemali kupovať banku s kapacitou menšou ako približne 200 Ah.

Táto jednotka má jednu solárnu nabíjačku MPPT (jeden sledovací kanál, 120 A, vstup 1×27 A), nie dva MPPT. Rozsah vstupného napätia FV je FV 60–500 V DC (pracovný rozsah MPPT 30–500 V DC), maximálne Voc 500 V DC a technický limit povoľuje na strane poľa až 6500 W panelov. Ide o maximálny výkon panelov, nie cieľovú hodnotu. (V niektorých marketingových textoch sa uvádza 9000 W, ale v návode, infografike aj tabuľke výberu FV panelov sa uvádza 6500 W — plánujte podľa hodnoty 6500 W.)

Vo väčšine Európy je celoročný priemer efektívnych hodín špičkového slnečného svitu (PSH) približne 3.0–3.5 hodiny denne — na ďalekom severe menej, v oblasti Stredozemného mora viac. Zohľadnite korekčný faktor približne 0.75 pre straty spôsobené teplotou, prachom, MPPT a kabelážou.

Výpočtový príklad — FV systém pre spotrebu 10 kWh/deň

Potrebný výkon v kWp = denná spotreba vo Wh ÷ (PSH × korekčný faktor) = 10000 Wh ÷ (3.5 × 0.75) = 10 ÷ 2.625 ≈ 3.81 kWp. Pre zimnú rezervu nainštalujte o niečo viac, preto plánujte ~4 kWp — napríklad osem 500 W panelov alebo desať až dvanásť 400 W panelov.

Počet panelov pri absolútnom limite poľa 6500 W

Počet panelov pri maximálnom výkone: 6500 W ÷ 550 W = 11.8 → 12 panelov (6600 W) alebo 6500 W ÷ 450 W = 14.4 → 14 panelov (6300 W). Pole s výkonom 6500 W teda tvorí 12–14 štandardných modulov s výkonom 450–550 W, pričom sa dodrží limit Voc 500 V a vstupný limit 27 A na každý MPPT. Pre domácnosť so spotrebou 10 kWh/deň potrebujete len ~4 kWp — približne osem 500 W panelov — takže maximálny výkon 6500 W nie je hodnota, podľa ktorej treba systém dimenzovať.

Pri výkone ~4 kWp a účinnosti 0.95 by sa do nabíjacieho stupňa teoreticky dostalo približne 3800 W — bezpečne pod limitom solárneho nabíjania 120 A × 48 V = 5760 W. To potvrdzuje, že pole je vhodne dimenzované: na napájanie domácnosti so spotrebou 10 kWh/deň nepotrebujete plných 6500 W panelov.

V strednej Európe vyrobí 1 kWp za rok približne 850–1050 kWh (orientačne). Štyri kWp vyrobia približne 3600 kWh ročne, v priemere ~10 kWh/deň — čo sa blíži k cieľovej hodnote a ponecháva malú sezónnu rezervu.

Kontrola napätia stringu: zimné napätie naprázdno udržujte pod 500 V. Pri typickom teplotnom koeficiente Voc −0,30 %/°C a teplote strechy −15 °C použite pre Voc stringu korekčný faktor ×1.12 na chlad. Počet panelov v sérii zvoľte tak, aby napätie studeného stringu zostalo pod 500 V a Vmp v horúcom počasí nad spodnou hranicou 60 V.

Pri plnom výstupnom výkone 6200 W je prúd na 48 V zbernici I = P ÷ V = 6200 W ÷ 48 V = 129.2 A (ideálne). Špičková účinnosť je 94 %, takže skutočný prúd na strane batérie je I = 6200 W ÷ (48 V × 0.94) = 6200 ÷ 45.12 ≈ 137.4 A. Batériový kábel musí pri plnom zaťažení viesť prúd 137.4 A. Pri 48 V je povolený úbytok napätia dostatočný: 1 % z 48 V = 0.48 V a voľnejší limit 3 % = 1.44 V.

Pri použití vodivosti medi κ = 56 m/(Ω·mm²) je minimálny prierez A = (2 × L × I) ÷ (κ × ΔV), kde činiteľ 2 zohľadňuje prúd tečúci tam a späť kladným a záporným vodičom.

Zjednodušene: keď je batéria vedľa meniča (1–2 m), medený batériový kábel s prierezom 25 mm² udrží pri takmer plnom zaťažení úbytok pod 1 %. Ak je stojan v samostatnej miestnosti a kábel má dĺžku 5 m, môžete pripustiť 3 % úbytok pri ideálnom prúde 129.2 A a zvoliť prierez 16 mm²; keďže skutočný prúd pri plnom zaťažení je 137.4 A (účinnosť 94 %), bezpečnejšou voľbou pri 5 m zostáva 25 mm², čo poskytuje rezervu a chladnejšiu prevádzku.

Porovnajte to s 24 V zbernicou: rovnakých 6200 W by odoberalo ~258 A a vyžadovalo prívodné vodiče s prierezom 70 mm²+. Pri 48 V je prúd pri plnom zaťažení ~137 A polovičný a povolený úbytok napätia je v absolútnych voltoch dvojnásobný (0.48 V oproti 0.24 V pri 1 %). Preto sa prierez batériového kábla znižuje na ~25 mm² namiesto veľkého prierezu potrebného pri zbernici s nižším napätím — to je hlavný technický dôvod, prečo systém s výkonom 6.2 kW pracuje pri 48 V.

Dimenzovanie poistky: umiestnite hlavnú DC poistku čo najbližšie ku kladnej svorke batérie, do utesneného krytu. Základné pravidlo je 1.25 × maximálny prúd vedenia. Pri plnom zaťažení s prúdom 137.4 A to vychádza na približne 172 A, takže štandardnou voľbou je 175–200 A DC poistka (so zodpovedajúcim DC odpínačom). Medené kruhové káblové oká lisujte správnym nástrojom — bez medzikonektorov — pretože pri 48 V zbernici a 137 A sa každý uvoľnený spoj stáva miestom prehrievania.

Menič má dva výstupy AC (hlavný a sekundárny, každý dimenzovaný na plných 6200 W), 230 V / 50 Hz. Hlavným výstupom pri 6200 W preteká približne 6200 ÷ 230 ≈ 27 A, preto je pre napájací prívod vhodný istič typu C s prúdom 32 A a prúdový chránič 30 mA. Sekundárny výstup sa zvyčajne vyhradzuje pre kritické spotrebiče (chladničku, router, osvetlenie), ktoré majú zostať napájané počas prepnutia.

Vstup AC (sieť alebo generátor) nabíja batériu prúdom až 80 A a celkový kombinovaný nabíjací prúd (solárny + AC) je obmedzený na 120 A. Porovnanie dvoch zdrojov nabíjania: solárny MPPT s prúdom 120 A (~5760 W pri 48 V) je bezplatný, ale závisí od počasia, zatiaľ čo nabíjačka AC s prúdom 80 A (~3840 W pri 48 V) stojí peniaze, no funguje na požiadanie. Väčšina majiteľov ostrovných systémov nabíja každý deň solárnou energiou a vstup AC využíva iba na dobitie po dlhšom zamračenom období. Pozor na správne rozdelenie: tvrdenie „PV a AC po 120 A“ nie je správne — solárny vstup má 120 A, AC má 80 A a celkový prúd je 120 A.

Limity, s ktorými treba počítať. Toto zariadenie je určené len na samostatnú prevádzku — nemožno ich zapojiť paralelne ani stohovať. Pevný trvalý výstupný výkon je 6200 W (12400 VA špičkového výkonu je dostupných iba krátkodobo pri rozbehu motorov). Má jeden kanál MPPT. Má krytie IP21, preto je určené len na inštaláciu v interiéri alebo na chránenom mieste. Podpora cez chat komunikuje po anglicky a monitorovanie cez Wi-Fi je voliteľný doplnok. Rozmery sú 438 × 312 × 122 mm a hmotnosť 11 kg.

Referenčná zostava pre rodinný dom: jeden menič GSIKE 6.2 kW 48 V; tri paralelne zapojené rackové moduly LiFePO4 s parametrami 51.2 V, 200 Ah (≈600 Ah / 30.7 kWh nominálne / 24.6 kWh využiteľne na dve noci); približne osem panelov s výkonom 500 W = ~4 kWp na jedinom MPPT (možno rozšíriť až po limit 6500 W, teda na 12–14 panelov); batériový kábel s prierezom 25 mm² pri dĺžke 2 m (alebo 16–25 mm² pri dĺžke 5 m) s jednosmernou poistkou 175–200 A v blízkosti batérie; ističe AC 32 A a prúdový chránič 30 mA; vstup AC 80 A na dobíjanie zo siete alebo generátora počas zamračených týždňov.

Samotný menič stojí 309.99 EUR (pôvodne 380.00 EUR, zľava približne 39.9 %) a doprava do 15 európskych krajín je zdarma (spracovanie 1–3 dni, doručenie 2–7 dní); tovar možno vrátiť do 30 dní.

Nižšie sú uvedené parametre a zdroje údajov použité pri výpočtoch. Hodnoty spotreby a klímy sú orientačným priemerom za všetkých 15 krajín doručenia v Európe.

• Stránka produktu GSIKE 6,2 kW 48 V (trvalý výkon 6200 W, špičkový výkon 12400 VA, jeden MPPT s prúdom 120 A, fotovoltický vstup 60–500 V, maximálny výkon poľa 6500 W, nabíjanie zo siete 80 A / celkovo 120 A, cena 309,99 EUR): gesike.com.

• Európska norma pre jednofázové napájanie 230 V / 50 Hz (EN 50160) a orientačný výnos fotovoltiky v Európe 850–1050 kWh na kWp ročne; priemerne 3,0–3,5 hodiny špičkového slnečného svitu počas celého roka.

• Vodivosť medi κ = 56 m/(Ω·mm²) a vzorec na výpočet úbytku napätia A = (2·L·I) ÷ (κ·ΔV); overené v porovnaní s publikovanými odporúčaniami na dimenzovanie jednosmerných káblov, podľa ktorých je pri výkone nad ~2–3 kW preferovaná zbernica 48 V.

• Chémia LiFePO4 navrhnutá na hĺbku vybitia 80 % pre dlhú životnosť; menovité napätie bloku 51,2 V (16S), udržiavacie napätie 54 V, ochrana proti prebitiu pri 63 V.

Pred nákupom si zistite viac: