Planung und Installation von Solar-PV-Systemen
Die moderne Gesellschaft ist auf Energie für tägliche Bedürfnisse wie Industrie, Heizung, Verkehr und Landwirtschaft angewiesen, die hauptsächlich durch nicht erneuerbare Energien (Kohle, Öl, Gas) gedeckt werden. Diese verursachen jedoch Umweltschäden, sind ungleichmäßig verteilt und unterliegen aufgrund begrenzter Vorräte Preisschwankungen, was die Nachfrage nach erneuerbarer Energie anheizt.
Solarenergie, die reichlich vorhanden und in der Lage ist, globale Bedürfnisse zu decken, steht dabei im Vordergrund. Standalone PV-Systeme (Abbildung 1) bieten Unabhängigkeit von Versorgungsunternehmen. Im Folgenden finden Sie eine Übersicht zur Planung, Gestaltung und Installation für die Stromerzeugung.
Planung eines Standalone PV-Systems
Standortbewertung & Erkundung:
Schattenminimierung: Stellen Sie sicher, dass der Installationsstandort (Dach oder Boden) frei von Schattenwerfenden Strukturen ist und zukünftige Bauarbeiten die Sonneneinstrahlung nicht blockieren.
Fläche: Bestimmen Sie die Standortfläche, um die Anzahl/Größe der PV-Module zu schätzen, und planen Sie die Platzierung für Inverter, Konverter und Batteriebänke.
Dachüberlegungen: Für geneigte Dächer notieren Sie den Neigungswinkel und verwenden geeignete Montage, um die Sonneneinstrahlung zu maximieren (idealerweise senkrecht zu den Modulen).
Kabelverlegung: Planen Sie die Kabelrouten (Verbindung des Inverters, Batteriebank, Laderegelung und PV-Array), um den Kabelverbrauch und Spannungsabfall zu minimieren, wobei Effizienz und Kosten abgewogen werden.
Bewertung der Solarenergieressourcen:
Einsolationsdaten: Messen Sie oder erhalten Sie (von meteorologischen Stationen) die eingespeiste Solarenergie, entweder in Kilowattstunden pro Quadratmeter pro Tag (kWh/m²/Tag) oder in täglichen Peak-Sonnenstunden (PSH, Stunden mit durchschnittlicher Einstrahlung von 1000 W/m²).
Kernmetrik: Verwenden Sie PSH für vereinfachte Berechnungen (unterscheiden Sie dies von „durchschnittlichen Sonnenstunden“, die die Dauer und nicht die Energie widerspiegeln). Nehmen Sie den niedrigsten monatlichen Durchschnittswert der Einsolation, um die Systemzuverlässigkeit während Perioden mit geringer Sonneneinstrahlung zu gewährleisten.
Überlegungen für Standalone PV-Systeme
1. Berechnung des Energiebedarfs
Die Systemgröße hängt vom Lastbedarf ab, der wie folgt berechnet wird:
Täglicher Energiebedarf (Wh) = Summe (Leistungsaufnahme des Geräts in Watt × tägliche Betriebsstunden).
Verwenden Sie den höchsten täglichen Bedarf, um Zuverlässigkeit und Kosten auszugleichen (garantiert den Betrieb während Spitzenzeiten, erhöht jedoch die Systemkosten).
2. Dimensionierung von Inverter und Ladekontrolleinheiten
Inverter: 25% höher als die gesamte Last (um Verluste zu berücksichtigen).
Beispiel: Für eine 2400W-Last ist ein 3000W-Inverter (2400W × 1.25) erforderlich.
Ladekontrolleinheit: Stromstärkenennwert = 125% des Kurzschlussstroms der PV-Module (Sicherheitsfaktor).
Beispiel: 4 Module mit 10A Kurzschlussstrom erfordern einen 50A-Controller (4×10A ×1.25).
Hinweis: MPPT-Controller folgen den Herstellerangaben.
3. Tägliche Energie zum Inverter
Berücksichtigen Sie die Wirkungsgrad des Inverters (z.B. 90%):
4. Systemspannung
Bestimmt durch die Batteriespannung (üblicherweise 12V, 24V usw.), wobei höhere Spannungen Kabelverluste reduzieren. Beispiel: 24V-System.
5. Batteriedimensionierung
Kernparameter: Entladetiefe (DOD), Autonomietage und Systemspannung.
Nutzbares Kapazität = Batterie Ah × DOD.
Erforderliches Ladekapazität = Energie von der Batterie / Systemspannung.
Beispiel: 3000Wh von der Batterie in einem 24V-System → 125Ah erforderlich.
Für 12V, 100Ah-Batterien (70% DOD):
Anzahl der Batterien = 125Ah / (100Ah × 0.7) ≈ 2 (aufgerundet).
Verbinden Sie 2 Batterien in Serie, um eine 24V-Systemspannung zu erreichen.
Insgesamt gibt es also vier Batterien von 12 V, 100 Ah. Zwei verbunden in Serie und zwei verbunden parallel. Die erforderliche Kapazität der Batterien kann auch mit der folgenden Formel ermittelt werden.
Dimensionierung des PV-Arrays
Gesamtkapazität des PV-Arrays (W): Berechnet mit den geringsten täglichen Peak-Sonnenstunden (oder Panel Generation Factor, PFG) und dem täglichen Energiebedarf:
Gesamt Wₚₑₐₖ = (Täglicher Energiebedarf (Wh) / PFG) × 1.25 (Skalierungsfaktor für Verluste).
Anzahl der Module: Teilen Sie das gesamte Wₚₑₐₖ durch die Nennleistung eines einzelnen Moduls (z.B. 160W).
Beispiel: Für einen täglichen Bedarf von 3000Wh und PFG = 3.2, ergibt sich Wₚₑₐₖ = 3000 / 3.2 ≈ 931W. Mit 160W-Modulen sind 6 Module erforderlich (931 / 160 ≈ 5.8, aufgerundet).
Verlustfaktoren (zur Anpassung des PFG): Beinhalten Sonnenwinkel (5%), Nicht-Maximum-Leistungs-Punkt (10%, ausgeschlossen für MPPT), Verschmutzung (5%), Alterung (10%) und hohe Temperatur (>25°C, 15%).
Dimensionierung der Kabel
Kernüberlegungen: Stromkapazität, minimaler Spannungsabfall (<2%), Widerstandsverluste, Wetterbeständigkeit (wasser- und UV-beständig).
Formel für die Querschnittsfläche:
A = (ρ × Iₘ × L / VD) × 2
(ρ = Widerstandszahl, Iₘ = Maximalstrom, L = Kabellänge, VD = zulässiger Spannungsabfall).
Ausgewogenheit: Vermeiden Sie Unterdimensionierung (Energieverlust/Unfälle) oder Überdimensionierung (Kosteneffizienz). Verwenden Sie geeignete Sicherungen und Steckverbinder.
