Kako dimenzionirati otočni sistem z močjo 2 kW in napetostjo 12 V z napravo GSIKE

Pravilna zasnova majhnega 2-kW, 12-V otočnega sistema odloča o tem, ali bo tvoja naprava zanesljivo delovala ali pa bo zmanjkalo elektrike. Pokažemo, kako pravilno izračunati baterijo, PV in kable za GSIKE G2500EU12V.

Prvi korak pri vsakem načrtovanju otočnega sistema je popis porabe. Zapiši vse naprave na 230 V, ki jih želiš uporabljati, in njihovo običajno moč. LED-žarnica porabi 5–10 W, usmerjevalnik 10–15 W, hladilnik neprekinjeno 80–150 W, prenosnik 30–60 W, televizor 40–80 W. Seštej jih in pusti precejšnjo rezervo pod 2000 W, da se izogneš izklopom.

Baterija: kakšno kapaciteto potrebuješ?

Litijeva baterija z napetostjo 12,8 V in kapaciteto 100 Ah z BMS shrani približno 1280 Wh; pri uporabni 80-odstotni globini praznjenja je na voljo približno 1024 Wh. Pri polni obremenitvi 2 kW to zadošča le za približno trideset minut, v praksi pa se uporablja kombinacija bremen s porabo od približno 500 do 1000 W, in sicer pol dneva ali ves dan. Za avtodome in počitniške hiše je kapaciteta od 100 do 200 Ah pri 12 V realističen razpon, pri katerem sta poraba energije in teža še vedno uravnoteženi.

Število možnih ciklov polnjenja je v veliki meri odvisno od BMS in globine praznjenja: kdor baterijo le redko izprazni pod 80 %, doseže precej več ciklov kot nekdo, ki jo vsak dan povsem izprazni. To je eden od razlogov, zakaj majhna baterija ob skrbni uporabi zdrži dlje kot velika, ki je nenehno na meji zmogljivosti.

Izračunani primer za vrtno uto, ki jo uporabljamo ob koncih tedna

Vzemimo tipično vrtno uto: hladilnik z močjo 80 W deluje približno tretjino časa, kar pomeni okoli 30 Wh na uro; dodajmo še razsvetljavo (20 W dve uri = 40 Wh), prenosnik in usmerjevalnik (30 W štiri ure = 120 Wh). Skupaj je to približno 400 Wh na dan. Baterija z zmogljivostjo 100 Ah in 1024 Wh uporabne kapacitete zdrži dan in pol, preden jo je treba ponovno napolniti. Trije moduli z močjo 250 W na dober sončen dan zlahka proizvedejo 2,5 do 3 kWh, kar več kot zadostuje za ponovno polnjenje baterije. Ob zmanjšanem zimskem sevanju, pri 30–40 %, še vedno zadošča za osnovno porabo.

Kdor ne pozna svoje porabe, naj en teden uporablja števec električne energije in beleži dejansko porabo. Iz izmerjenih dnevnih Wh izračuna zmogljivost baterije, nato pa ustrezno dimenzionira PV-sistem, tako da se na povprečen sončen dan proizvede več energije, kot se je porabi na oblačen dan. Ta preprost korak nadomesti celoten predimenzioniran sistem in prepreči, da bi na koncu plačevali za neuporabno zmogljivost shranjevanja.

PV-moduli in usmeritev v Španiji

Na Iberskem polotoku je sončno sevanje obilno skozi vse leto, trije moduli z močjo 250 W, usmerjeni proti jugu, pa zlahka zadostujejo za vrtno uto ali avtodom. Delovna napetost regulatorja MPPT je med 30 in 160 VCC, zato je treba module vezati zaporedno do te vrednosti, pri čemer napetost v odprtem krogu ne sme preseči 160 VCC. Naklon približno 30–45 stopinj glede na obzorje in usmerjenost proti jugu omogočata boljši izkoristek sončnega sevanja; pozimi strmejši kot pomaga snegu zdrsniti s površine.

Preseki kablov DC za 12 V in 170 A

Tu je ena najpogostejših stvari, ki zmede začetnike: pri 2000 W in 12 V tok ni 8 A kot pri 230 V, temveč približno 170 A. Zato morajo biti kabli med baterijo in razsmernikom kratki in zelo debeli. Pretanek kabel se segreva, izgublja energijo in povzroči padec napetosti pod obremenitvijo. Pri tem ne varčujte: prav to je razlika med zanesljivo napeljavo in izpadom ob prvi obremenitvi.

Zaščita in varovalke

Med pozitivni pol baterije in inverter je treba namestiti ustrezno dimenzionirano varovalko DC, čim bliže bateriji, da prekine tok v primeru kratkega stika v kablu. Priporočljiva sta tudi miniaturni odklopnik ali vidno nameščeno ločilno stikalo, da lahko napravo varno izklopite med čiščenjem ali pregledom. Na strani AC majhen odklopnik ščiti izhod. Ta zaščita je poceni in preprečuje požare; ni neobvezna.

Mesečna energetska bilanca, ne le dnevna

Dimenzioniranje na podlagi enega tipičnega dne je pogosta napaka. Lopa, ki jo uporabljate samo ob koncih tedna, ima drugačen profil porabe kot tista, v kateri bivajo vsak dan, kmetijsko poslopje pa ima sredi zime le delček poletnega sončnega obsevanja. Zato je bolje upoštevati najmanj ugoden mesec v letu, ne pa najbolj sončnega. Če sistem dimenzionirate tako, da baterija zadostuje za noč tudi v oblačnem decembru, bo presežek iz julija ostal neizkoriščen; če ga dimenzionirate za julij, boste decembra ostali v temi.

Na Iberskem polotoku lahko decembrsko sončno obsevanje na jugu znaša od tretjine do polovice junijskega, na severu pa nekoliko manj. To pomeni, da lahko trije moduli z močjo 250 W poleti zlahka zadostujejo, pozimi pa morda proizvedejo ravno dovolj za osnovno porabo, ne pa tudi za polno napolnitev baterije s 200 Ah. Zato naj tisti, ki lopo uporabljajo vse leto, razmislijo o dodajanju še enega ali več panelov oziroma se sprijaznijo s tem, da bodo v najhujših mesecih uporabljali generator ali električno omrežje. GSIKE je s svojim breznapetostnim kontaktom za ATS pripravljen na samodejno rezervno napajanje.

Nočna avtonomija: izračun po korakih

Če želite izračunati, koliko energije vam zadostuje za noč, začnite z uporabno energijo baterije. Litijeva baterija z napetostjo 12,8 V in kapaciteto 100 Ah zagotavlja 1280 Wh bruto energije; ker je ni priporočljivo izprazniti pod 20 %, lahko dejansko uporabite približno 1024 Wh. Zdaj seštejte porabo od sončnega zahoda do sončnega vzhoda: LED-svetila (15 W za 5 h = 75 Wh), hladilnik v nočnem ciklu (30 Wh), usmerjevalnik in polnilniki (20 W za 8 h = 160 Wh). Skupna nočna poraba ≈ 265 Wh. Teh 1024 Wh uporabne energije zadostuje za več zaporednih noči brez sonca, če se porabljena energija čez dan znova napolni.

Če pa vaša nočna poraba preseže 800 Wh, ena sama baterija s 100 Ah ne zadostuje, zato potrebujete dve vzporedno vezani bateriji (200 Ah) ali pa se sprijaznite z vsakodnevnim polnjenjem. Tu se pokaže, kako pomembno je meriti dejansko porabo: površna ocena vas privede do nakupa premajhne baterije, razočaranje pa vas čaka že drugo noč, ko luči ugasnejo še pred zajtrkom.

Zaporedna in vzporedna vezava panelov: kako povezati nize

MPPT naprave GSIKE deluje v območju od 30 do 160 VDC. To določa, kako združiti module. Paneli z močjo 250 W, ki pri največji moči dosežejo približno 30–38 V, v serijski vezavi dveh modulov dosežejo 60–76 V, trije pa 90–114 V: vse vrednosti so znotraj območja. Ne povežite štirih modulov zaporedno, saj bi napetost odprtega tokokroga v mrazu presegla 160 V, MPPT pa se ne bi zagnal ali bi se zaščitil. Za doseganje 900 W uporabite tri vzporedno vezane nize, v vsakem pa dva ali tri zaporedno povezane module.

Vzporedno vezavo nizov je treba izvesti z varovalko na vsakem nizu, da kratek stik v eni veji ne izprazni drugih. Če v niz povežete dva ali tri module, preverite, da napetost odprtega tokokroga v najhladnejšem vremenu ne preseže 160 VDC: v mrzlem zimskem dnevu napetost odprtega tokokroga naraste, regulator pa mora zdržati takšne razmere brez poškodb.

Kdaj je smiselno preiti na 24 V

Vsak otočni sistem mora poznati svojo mejo: ko želena moč redno presega 2000 W neprekinjene moči ali dnevna poraba energije preseže 2–3 kWh, začne sistem z napetostjo 12 V delovati z zelo velikimi tokovi (nad 170 A), izgube v kablih pa postanejo nesprejemljive. Takrat je pametneje preiti na pretvornik z napetostjo 24 V ali 48 V, namesto da GSIKE obremenjujete do skrajnih meja. Pri enaki moči je tok tako precej manjši, kabli pa obvladljivejši.

GSIKE se ne sramuje svojega razreda: je odlično orodje za majhne otočne sisteme in ne želi biti vsestranska rešitev. Če ga uporabljate znotraj njegovih omejitev, z zmogljivo baterijo in kratkimi kabli, bo sistem zanesljiv in tih. Prekoračitev teh omejitev samo zato, da bi se izognili prehodu na 24 V, je recept za nenehne izpade. Poznavanje meja je prav tako pomembno kot poznavanje prednosti opreme.

Napake pri dimenzioniranju, ki se jim morate izogniti

Napaka številka ena je, da pozabite na zagonski tok motorjev. Hladilnik, ki med delovanjem porablja 100 W, ob zagonu za trenutek potrebuje tri- do štirikrat več; zato ima GSIKE konično moč 3000 VA in zato ne smete hkrati priključiti dveh induktivnih bremen. Napaka številka dva je dimenzioniranje baterije glede na moč pretvornika namesto glede na dnevno porabo energije: pretvornik zmore 2000 W, vendar baterija določa, koliko časa. Napaka številka tri je spregled izgub: dolgi kabli, slabi spoji in napačno dimenzioniran MPPT zmanjšajo razpoložljivo moč za 10–20 %.

Popraviti jih je preprosto, če pred nakupom opravite meritve: en teden beležite dejansko porabo, pošteno ocenite obsevanje v mesecu z najmanj sonca in uporabite dovolj debele kable na 12-V strani. Ko imate te tri podatke, dimenzioniranje GSIKE-ja ni več stvar vere, temveč neposreden izračun.

Resnični primeri treh različnih projektov

Da dimenzioniranje ne ostane le pri številkah, si oglejte, kako se GSIKE obnese v treh tipičnih projektih. Prvi je lovska koča v Extremaduri brez električnega omrežja: hladilnik z močjo 80 W, dve LED-luči in usmerjevalnik, ki se vklopi le zvečer. Dejanska dnevna poraba je približno 350 Wh. S tremi paneli po 250 W in baterijo z zmogljivostjo 100 Ah je energije dovolj tudi pozimi, GSIKE pa deluje vse leto brez posegov. Drugi projekt je avtodom, ki poleti potuje po severni Španiji: sistem je mobilen, kompresorski hladilnik deluje neprekinjeno, ponoči pa se uporabljata prenosnik in kavni aparat. Baterija z zmogljivostjo 100 Ah se deloma polni iz alternatorja med vožnjo, GSIKE pa preklopi v 10 ms, ne da bi se naprava znova zagnala.

Tretji projekt je majhna vrtna delavnica ob hiši, ki ima električno omrežje: uporabnik želi napajati delovno mizo, luč in občasno še majhen kompresor, ne da bi napeljal drag nov priključni vod. GSIKE tu deluje kot otočni sistem za dnevno rabo, suhi kontakt pa lahko ob zelo oblačnih dneh zažene majhen generator. V vseh treh primerih bi bila napaka dimenzioniranje za več kot 2000 W zaradi morebitne prihodnje širitve; prava rešitev je bila začeti z majhnim in zanesljivim sistemom ter ga povečati le, če to narekujejo dejanske potrebe.

Kako temperatura vpliva na dimenzioniranje

Začetniki pogosto pozabijo na temperaturo. Litijeva baterija v mrazu izgublja zmogljivost: pri −10 °C lahko zagotavlja le 70–80 % nazivne zmogljivosti, polnjenje pri nizki temperaturi pa poškoduje celice. Zato je treba baterijo namestiti na zaščiteno mesto, kjer ne zmrzuje, ne pa na tla neogrevane ute. Paneli pa v mrazu delujejo bolje kot v vročini: ob jasnem zimskem dnevu proizvedejo več, kot bi pričakovali, če jih ne prekrije sneg. Ta razlika pojasni, zakaj je treba pri dimenzioniranju upoštevati delovno temperaturo baterije, ne le sončnega obsevanja.

GSIKE deluje pri temperaturah med −10 in +50 °C, kar je širok razpon za večino španskega ozemlja. V krajih z zelo vročimi poletji ga preprosto ne namestite v zaprto omaro brez prezračevanja, saj se naprava segreva, njen ventilator pa potrebuje pretok zraka. V praksi večini težav s temperaturo prepreči že dovolj prostora za kroženje zraka okoli ohišja.

Priporočen seznam za nakup za otočni sistem z močjo 2 kW

Za konkretno izbiro je to najmanjši smiseln seznam, skladen z GSIKE G2500EU12V: sam hibridni razsmernik; litijeva baterija 12,8 V in 100–200 Ah z BMS; dva ali trije solarni moduli z močjo 250–300 W, skupaj do 900 W; kratki kabli DC s presekom od 25 do 50 mm²; varovalka DC blizu pozitivnega pola; majhen odklopnik na izhodu AC; po želji pa še izbirni modul WiFi. Kupiti samo razsmernik in vse drugo pustiti za pozneje je najdražja napaka, saj oprema medtem neuporabna obleži na polici.

Če gre za vašo prvo namestitev, začnite z baterijo 100 Ah in dvema moduloma po 250 W ter pustite prostor za razširitev do 900 W in 200 Ah. S tem zmernim začetkom lahko sistem preizkusite za razumno ceno, GSIKE pa omogoča razširitev brez menjave inverterja. Ne omogoča pa vzporedne vezave dveh enot, zato ne kupujte druge z mislijo, da ju boste zložili skupaj; če potrebujete več moči, je rešitev v napetosti, ne v dodajanju naprav.

Če imate še kakšno vprašanje glede preseka kabla, števila panelov ali kapacitete baterije, primerjava z napravama EASUN in PowMr ter vodič za delovanje brez baterije dopolnjujeta pregled. Za dimenzioniranje otočnega sistema ni treba biti inženir, vendar je treba upoštevati tri številke: moč, energijo in tok. Ko so te tri jasne, GSIKE poskrbi za vse drugo. Če vam izračun ne ustreza, pred nakupom preverite tehnični list, v katerem so podatki iz priročnika navedeni v tabelah brez zaokroževanja za trženjske namene.

Nazadnje ne pozabite, da pravilno dimenzioniranje ne pomeni čim boljše optimizacije, temveč izogibanje dvema napakama, ki najpogosteje pokvarita sistem: premajhni bateriji ali preveliki moči, zaradi katere naprava ves čas deluje na meji zmogljivosti. GSIKE nagrajuje zmernost: majhen, a dobro dimenzioniran otočni sistem vsak dan prinaša več miru kot velik in prenatrpan. Ko so baterija, PV in kabli ustrezno izbrani, vam preostane le še uživanje v energiji, ki jo proizvedete sami.

Sklep

Pri načrtovanju 2-kW, 12-V otočnega sistema z GSIKE gre v bistvu za tri številke: seštejte porabo, da ostane pod 2000 W neprekinjene moči, izberite baterijo s kapaciteto 100–200 Ah, ki bo zdržala čez noč, in priključite do 900 W PV z debelimi, kratkimi kabli. Če upoštevate te tri omejitve, boste zgradili samostojen vir napajanja z 230 V, ki vam bo služil več let. Vodič za delovanje brez baterije in WiFi dopolnjujeta sliko.

Končna presoja

Pogosta vprašanja

Viri in referenčni podatki

1. Podatkovni list izdelka GSIKE G2500EU12V 2kW 12V (149,99 EUR, brezplačna dostava v Španiji) — https://gesike.com/es-es/products/gsike-g2500eu12v-inversor-hibrido-2000w-12v-900w-mppt-wifi-spain
2. EASUN 2kW 12V, referenčna trgovina EU — https://eu.easunpower.com/
3. Vodnik za MPPT 60A in razpon 30–160 VCC — tehnična referenca — https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_charge_controller
4. Baterija 12V in vodilo DC — referenca za ožičenje — https://en.wikipedia.org/wiki/Deep-cycle_battery

Vodniki in primerjave