Como calcular a configuración axeitada para o teu propio pequeno sistema illado da rede?

Algunha vez pensaches en usar o teu propio sistema de enerxía solar nunha cabana de montaña, nun barco de pesca ou nunha autocaravana para liberarte da dependencia da rede pública?

De feito, isto non é algo que só os enxeñeiros poidan facer. Sempre que domines algúns pasos e fórmulas clave, podes calcular a configuración axeitada para o teu propio pequeno sistema fotovoltaico illado.

Un sistema solar illado pola rede refírese a un sistema independente que non depende da rede pública, senón que depende totalmente da xeración de enerxía fotovoltaica e do almacenamento en baterías para satisfacer as necesidades de electricidade. É ideal para o seu uso en zonas montañosas remotas, illas, rexións pastorais, autocaravanas, barcos de pesca e outros lugares con enerxía da rede inestable.

A continuación, guiarémosche a través de catro pasos para calcular a configuración requirida.

Paso 1: Determinar a potencia do módulo fotovoltaico

A potencia dos paneis fotovoltaicos (paneis solares) determina canta electricidade pode xerar o teu sistema.

O método principal de cálculo é: primeiro determinar a demanda diaria de electricidade e, a continuación, combinala coas condicións climáticas locais (especialmente a duración da insolación) para determinar a potencia total dos paneis fotovoltaicos.

Fórmula:

Potencia do módulo = (Demanda diaria de electricidade × Factor excedente de día nubrado continuo) ÷ (Media de horas de sol locais × Eficiencia do sistema)

* Consumo diario de electricidade: pódese calcular sumando a potencia nominal de todos os dispositivos multiplicada polo seu tempo de uso.

Por exemplo, unhas lámpadas LED de 10 W × 5 horas = 50 Wh, un frigorífico de 60 W × 24 horas = 1440 Wh.

* Factor excedente para días nubrados continuos: para ter en conta a xeración insuficiente de enerxía durante días nubrados consecutivos, este factor adoita establecerse entre 1.1 e 1.3.

* Media local de horas de sol diarias: Isto pódese obter a partir de datos meteorolóxicos locais. Por exemplo, Pequín ten unha media aproximada de 4 horas de sol ao día, mentres que Hainan pode ter máis de 5 horas.

* Eficiencia do sistema: Isto ten en conta as perdas nos cables, a eficiencia do controlador, as perdas do inversor, etc., e xeralmente establécese entre 0.75 e 0.8.

Por exemplo:

Supoñendo que o seu consumo diario de electricidade é de 3,000 Wh, a media local de horas de sol diarias é de 4.5 horas, a eficiencia do sistema é de 0.78 e o coeficiente de días de choiva continua é de 1.2:

Potencia do módulo = (3,000 × 1.2) ÷ (4.5 × 0.78) ≈ 1,026 W

Isto significa que cómpre instalar paneis fotovoltaicos cunha potencia total aproximada de 1 kW, como catro módulos de 250 W.

Paso 2: Determinar a potencia do inversor illado

O inversor converte a corrente continua (CC) dos paneis fotovoltaicos ou das baterías en corrente alterna (CA) para o seu uso por electrodomésticos comúns.

A súa potencia debe ser suficiente para satisfacer a súa demanda máxima de enerxía instantánea, especialmente tendo en conta a corrente de arranque das cargas indutivas (equipos accionados por motor).

Fórmula:

Potencia do inversor = (Potencia total da carga resistiva + Potencia total da carga indutiva × 5) × Factor de marxe ÷ Factor de potencia

* Cargas resistivas: dispositivos resistivos como lámpadas, chaleiras eléctricas e fornos.

* Cargas indutivas: equipos con motores ou compresores, como frigoríficos, bombas de auga, aparellos de aire acondicionado, etc. A potencia instantánea durante o arranque pode ser de 5 a 7 veces a potencia nominal.

* Factor de seguridade: Normalmente establécese entre 1.2 e 1.5 para garantir unha marxe.

* Factor de potencia: Normalmente axustado en 0.8–0.9.

Exemplo:

Supondo que tes unha lámpada de 200 W (carga resistiva), un frigorífico de 100 W (carga indutiva), un factor de marxe de 1.3 e un factor de potencia de 0.85:

Potencia do inversor = (200 + 100 × 5) × 1.3 ÷ 0.85

≈ (200 + 500) × 1.3 ÷ 0.85

≈ 700 × 1.3 ÷ 0.85

≈ 1070 W

Necesitarás un inversor cunha capacidade mínima de 1.1 kW e recoméndase escoller un modelo de 1.5 kW para unha maior estabilidade.

Paso 3: Determinar a capacidade da batería

A batería é o "almacenamento de enerxía" do sistema illado da rede, e a electricidade que se usa pola noite ou en días nubrados provén principalmente dela. A capacidade depende do número de días que se precise subministración eléctrica continua e do consumo diario de electricidade.

Fórmula:

Capacidade da batería (Ah) = (Consumo diario de electricidade × Número de días de subministración eléctrica en días nubrados) ÷ (Profundidade de descarga × Eficiencia de carga/descarga × Tensión da batería)

* Profundidade de descarga (DOD): Para baterías de chumbo-ácido, recoméndase unha DOD de 0.5–0.6; para baterías de litio, acéptase unha DOD de 0.8–0.9.

* Eficiencia de carga/descarga: Normalmente axustada en 0.85–0.9.

* Voltaxe do banco de baterías: As voltaxes habituais son 12 V, 24 V e 48 V; recoméndanse voltaxes máis altas para requisitos de potencia máis elevados.

Exemplo:

Supondo que usas 3000 Wh ao día e queres ter enerxía para 2 días de tempo nubrado, usando unha batería de litio de 48 V (DOD = 0.9, eficiencia = 0.9):

Capacidade da batería = (3000 × 2) ÷ (0.9 × 0.9 × 48)

≈ 6000 ÷ 38.88

≈ 154 Ah

Necesitarías unha batería de 48 V e 154 Ah (aproximadamente 7.4 kWh).

Paso 4: Determinar as especificacións do controlador

O controlador fotovoltaico regula o proceso de carga dos módulos fotovoltaicos á batería.

As súas especificacións dependen principalmente da corrente de entrada máxima, calculada mediante a seguinte fórmula:

Fórmula:

Corrente de entrada do controlador = Potencia máxima dos módulos fotovoltaicos ÷ Tensión da batería

Por exemplo, se os teus paneis fotovoltaicos teñen unha potencia total de 1000 W e a tensión da batería é de 48 V:

Corrente de entrada do controlador = 1000 ÷ 48 ≈ 20.8 A

Polo tanto, cómpre seleccionar un controlador cunha corrente de entrada superior a 21 A, normalmente un tipo MPPT (maior eficiencia, máis vantaxoso en días nubrados).

Consellos prácticos

1. Deixe unha marxe: a vida útil e a estabilidade operativa do equipo dependen dun deseño de redundancia axeitado; non fixe os parámetros de forma demasiado ríxida.
2. O MPPT é superior ao PWM: aínda que os controladores MPPT son lixeiramente máis caros, ofrecen unha maior eficiencia de xeración de enerxía, especialmente en condicións de iluminación inestables.
3. Priorizar as baterías de ións de litio: son compactas, lixeiras e capaces de descargarse profundamente, o que ofrece aforro de custos a longo prazo.
4. Planificar a expansión futura: se prevé engadir máis electrodomésticos no futuro, asegúrese de que haxa suficiente capacidade de interface tanto para o sistema fotovoltaico como para as baterías.

A esencia do deseño dun pequeno sistema fotovoltaico illado reside en calcular con precisión a configuración en función das necesidades reais, en lugar de simplemente "mercar uns cantos paneis e baterías" e dar por rematado o día.

Domina estas 4 fórmulas:

1. Fórmula de potencia do módulo fotovoltaico
2. Fórmula de potencia do inversor
3. Fórmula da capacidade da batería
4. Fórmula da corrente de entrada do controlador

Despois podes calcular unha configuración para un pequeno sistema illado que sexa suficiente e estable.

Ao deseñar por primeira vez, podes engadir unha marxe adicional do 10 % ao 20 % baseada nos resultados da fórmula, o que permite unha maior flexibilidade á hora de xestionar os cambios meteorolóxicos e a expansión dos equipos.