Come calcolare la configurazione appropriata per il tuo piccolo sistema off-grid?

Hai mai pensato di utilizzare un impianto di energia solare in una baita di montagna, in una barca da pesca o in un camper per liberarti dalla dipendenza dalla rete elettrica pubblica?

In realtà, non è un compito che solo gli ingegneri possono realizzare. Basta padroneggiare alcuni passaggi e formule chiave per calcolare la configurazione appropriata per il proprio piccolo impianto fotovoltaico off-grid.

Un impianto solare off-grid è un sistema indipendente che non dipende dalla rete elettrica pubblica, ma si affida interamente alla produzione di energia fotovoltaica e all'accumulo di energia tramite batterie per soddisfare il fabbisogno elettrico. È ideale per l'uso in aree montuose remote, isole, regioni rurali, camper, pescherecci e altre località con rete elettrica instabile.

Di seguito ti guideremo attraverso quattro passaggi per calcolare la configurazione richiesta.

Fase 1: Determinare la potenza del modulo fotovoltaico

La potenza dei pannelli fotovoltaici (pannelli solari) determina la quantità di elettricità che il tuo sistema può generare.

L'approccio di calcolo fondamentale è il seguente: determinare innanzitutto il fabbisogno giornaliero di elettricità, quindi combinarlo con le condizioni climatiche locali (in particolare la durata del soleggiamento) per determinare la potenza totale dei pannelli fotovoltaici.

Formula:

Potenza del modulo = (Domanda giornaliera di elettricità × Fattore di surplus continuo in giornate nuvolose) ÷ (Ore medie locali di sole × Efficienza del sistema)

* Consumo giornaliero di elettricità: può essere calcolato sommando la potenza nominale di tutti i dispositivi moltiplicata per il tempo di utilizzo.

Ad esempio, luci LED 10W × 5 ore = 50Wh, frigorifero 60W × 24 ore = 1440Wh.

* Fattore di surplus continuo nei giorni nuvolosi: per tenere conto della produzione di energia insufficiente durante i giorni nuvolosi consecutivi, questo fattore è in genere impostato tra 1.1 e 1.3.

* Ore medie di sole giornaliere locali: questo dato può essere ricavato dai dati meteorologici locali. Ad esempio, Pechino ha una media di circa 4 ore di sole al giorno, mentre Hainan potrebbe averne più di 5.

* Efficienza del sistema: tiene conto delle perdite dei cavi, dell'efficienza del controller, delle perdite dell'inverter, ecc. ed è generalmente impostata tra 0.75 e 0.8.

Per esempio:

Supponendo che il consumo giornaliero di elettricità sia di 3,000 Wh, la media locale di ore di sole giornaliere è di 4.5 ore, l'efficienza del sistema è di 0.78 e il coefficiente di giorni di pioggia continua è di 1.2:

Potenza del modulo = (3,000 × 1.2) ÷ (4.5 × 0.78) ≈ 1,026 W

Ciò significa che è necessario installare pannelli fotovoltaici con una potenza complessiva di circa 1 kW, ad esempio quattro moduli da 250 W.

Fase 2: determinare la potenza dell'inverter fuori rete

L'inverter converte la corrente continua (CC) proveniente dai pannelli fotovoltaici o dalle batterie in corrente alternata (CA) utilizzabile dai normali elettrodomestici.

La sua potenza deve essere sufficiente a soddisfare la massima richiesta di potenza istantanea, in particolare considerando la corrente di spunto dei carichi induttivi (apparecchiature azionate da motore).

Formula:

Potenza dell'inverter = (Potenza totale del carico resistivo + Potenza totale del carico induttivo × 5) × Fattore di margine ÷ Fattore di potenza

* Carichi resistivi: dispositivi resistivi come lampadine, bollitori elettrici e forni.

* Carichi induttivi: apparecchiature con motori o compressori, come frigoriferi, pompe dell'acqua, condizionatori d'aria, ecc. La potenza istantanea durante l'avviamento può essere 5-7 volte superiore alla potenza nominale.

* Fattore di sicurezza: in genere impostato su 1.2–1.5 per garantire un margine.

* Fattore di potenza: in genere impostato su 0.8–0.9.

Esempio:

Supponendo di avere un apparecchio di illuminazione da 200 W (carico resistivo), un frigorifero da 100 W (carico induttivo), un fattore di margine di 1.3 e un fattore di potenza di 0.85:

Potenza dell'inverter = (200 + 100 × 5) × 1.3 ÷ 0.85

≈ (200 + 500) × 1.3 ÷ 0.85

≈ 700 × 1.3 ÷ 0.85

≈ 1070 W

Sarà necessario un inverter con una capacità minima di 1.1 kW; per una maggiore stabilità si consiglia di scegliere un modello da 1.5 kW.

Fase 3: determinare la capacità della batteria

La batteria è l'"accumulo di energia" del sistema off-grid e da essa proviene principalmente l'elettricità utilizzata di notte o nelle giornate nuvolose. La capacità dipende dal numero di giorni in cui è necessaria un'alimentazione elettrica continua e dal consumo giornaliero di elettricità.

Formula:

Capacità della batteria (Ah) = (Consumo elettrico giornaliero × Numero di giorni di alimentazione in giornate nuvolose) ÷ (Profondità di scarica × Efficienza di carica/scarica × Tensione del pacco batteria)

* Profondità di scarica (DOD): per le batterie al piombo-acido, si consiglia una DOD compresa tra 0.5 e 0.6; per le batterie al litio, è accettabile una DOD compresa tra 0.8 e 0.9.

* Efficienza di carica/scarica: in genere impostata su 0.85-0.9.

* Tensione della batteria: le tensioni più comuni sono 12 V, 24 V e 48 V; per requisiti di potenza più elevati si consigliano tensioni più elevate.

Esempio:

Supponendo di utilizzare 3000 Wh al giorno e di voler disporre di energia per 2 giorni di tempo nuvoloso, utilizzando una batteria al litio da 48 V (DOD=0.9, efficienza=0.9):

Capacità della batteria = (3000 × 2) ÷ (0.9 × 0.9 × 48)

≈ 6000 ÷ 38.88

≈ 154Ah

Avresti bisogno di un pacco batteria da 48 V 154 Ah (circa 7.4 kWh).

Fase 4: determinare le specifiche del controller

Il regolatore fotovoltaico regola il processo di carica dai moduli fotovoltaici alla batteria.

Le sue specifiche dipendono principalmente dalla corrente massima di ingresso, calcolata utilizzando la seguente formula:

Formula:

Corrente di ingresso del controller = Potenza massima dei moduli fotovoltaici ÷ Tensione del pacco batteria

Ad esempio, se i tuoi pannelli fotovoltaici hanno una potenza totale di 1000W e la tensione del pacco batteria è di 48V:

Corrente di ingresso del controller = 1000 ÷ 48 ≈ 20.8 A

Pertanto, è necessario selezionare un controller con una corrente di ingresso superiore a 21 A, in genere di tipo MPPT (maggiore efficienza, più vantaggioso nelle giornate nuvolose).

Consigli pratici

1. Lasciare un margine: la durata e la stabilità operativa dell'apparecchiatura dipendono da una progettazione di ridondanza adeguata; non fissare i parametri in modo troppo rigido.
2. MPPT è superiore a PWM: sebbene i controller MPPT siano leggermente più costosi, offrono una maggiore efficienza nella generazione di energia, soprattutto in condizioni di illuminazione instabili.
3. Dare priorità alle batterie agli ioni di litio: sono compatte, leggere e in grado di scaricarsi completamente, garantendo risparmi sui costi a lungo termine.
4. Pianificare l'espansione futura: se si prevede di aggiungere altri elettrodomestici in futuro, assicurarsi di avere una capacità di interfaccia sufficiente sia per l'impianto fotovoltaico che per le batterie.

Il fulcro della progettazione di un piccolo impianto fotovoltaico off-grid sta nel calcolare con precisione la configurazione in base alle reali esigenze, anziché limitarsi ad "acquistare alcuni pannelli e batterie" e poi smettere.

Padroneggia queste 4 formule:

1. Formula di potenza del modulo fotovoltaico
2. Formula della potenza dell'inverter
3. Formula della capacità della batteria
4. Formula della corrente di ingresso del controller

È quindi possibile calcolare una configurazione per un piccolo sistema off-grid che sia sufficiente e stabile.

Quando si progetta per la prima volta, è possibile aggiungere un margine extra del 10%-20% in base ai risultati della formula, consentendo una maggiore flessibilità nella gestione dei cambiamenti meteorologici e dell'espansione delle attrezzature.