Autonomia solare (“off-grid”), la guida pratica!

Prima di acquistare qualsiasi attrezzatura necessaria per un sistema energetico solare (ibrido) o off-grid, è fondamentale padroneggiare i fondamenti della progettazione e del dimensionamento dei sistemi di accumulo dell'energia. Come illustrato di seguito, il primo passo è sviluppare a profilo di ricarica tramite il nostro calcolatore, per stimare la quantità di energia che consumerai quotidianamente sul posto. 

Esempi (clicca su questo link per accedere al calcolatore Excel online) :

Passo 1 – Valutazione del consumo in kWh:

 L'elemento più cruciale nella progettazione di un sistema solare off-grid è la stima dell'energia richiesta su base giornaliera in kWh. Per i siti connessi alla rete, è possibile ottenere dati accurati sul profilo di carico utilizzando contatori per misurare direttamente i carichi. Per i sistemi off-grid o autonomi, inizia sempre utilizzando il nostro calcolatore del carico off-grid per le esigenze estive e invernali. La tabella di carico aiuterà inoltre a calcolare i carichi di picco, i fattori di potenza e la domanda massima necessari per dimensionare il sistema appropriato. Fare attenzione a distinguere tra le nozioni di kW (potenza) e kWh (energia)!

Passaggio 2: dimensionamento della batteria:

La capacità della batteria è misurata in Ah o Wh. IL Batterie al nichel-ferro sono dimensionate in Ah (per ottenere la capacità in KwH bisogna moltiplicare la capacità in Ah x la tensione, ad esempio 200Ahx48V = 9.6 kWh di energia nominale), mentre la capacità delle batterie il litio si misura in kWh. È necessario considerare tutti i fattori di perdita per garantire che la dimensione della batteria sia sufficiente a soddisfare i carichi, incluso il profondità di scarico massima consentita (DoD), che avrà un impatto anche sulla durata della vita. Considerare anche il tipo e la composizione chimica della batteria, l'intervallo di tensione della batteria, i giorni di autonomia minimi (giorni continui senza luce solare) e la velocità massima di carica della batteria (classificazione C), come spiegato più dettagliatamente in seguito.

Fase 3 – Dimensionamento dell'impianto solare

 È necessario disporre di un impianto solare correttamente dimensionato per caricare la batteria alimentando i carichi. Per garantire che l'installazione solare sia sufficientemente grande, considerare le condizioni locali, tra cui l'irradiazione solare media durante tutto l'anno (ore di punta della luce solare), problemi di ombreggiamento, orientamento e angolo di inclinazione del pannello, perdite di cavi e degrado termico (fattori di perdita). Lo strumento di progettazione solare PVGIS può aiutare a stimare la produzione solare durante tutto l'anno, in base all'orientamento e alla posizione dei pannelli.

Passo 4 – Selezione dell'inverter-caricabatterie

Una volta completati i passaggi da 1 a 3, è necessario scegliere un caricabatterie inverter adatto, nonché un regolatore di carica solare MPPT da abbinare all'installazione solare in base alla lunghezza dei pannelli e delle stringhe, che determineranno le catene di tensione. Utilizzare un calcolatore della tensione della catena per stimare le tensioni massime e minime della catena, che ti aiuteranno a determinare la scelta del caricabatterie MPPT più adatto (ho usato l'esempio del calcolatore MPPT Victron in questo caso). Quindi, è possibile selezionare l'inverter-caricabatterie per soddisfare le vostre esigenze di carico continuo e di picco.

Come scegliere il giusto inverter per batterie?

LGli inverter a batteria per applicazioni off-grid hanno numerose specifiche da tenere in considerazione prima di scegliere e dimensionare un inverter a batteria adatto. Sono disponibili diversi tipi di sistemi, inclusi inverter-caricabatterie interattivi con la rete, inverter ibridi, sistemi completi con accumulo di batterie integrato (noto come BESS) e sistemi di batterie con accoppiamento CA. Di seguito delineo alcuni concetti chiave da considerare nella scelta dell'inverter adatto, analizzando la scheda tecnica di un inverter a batteria che utilizziamo frequentemente, le Victron Multiplus-II. Ecco i criteri che devono essere presi in considerazione:

 

– Potenza di uscita continua dell'inverter e potenza di picco (kVA e kW)

– Capacità di carica dell’inverter-caricabatterie alle batterie (in A)

– Capacità di trasferimento 

– Compatibilità batteria (a seconda della tecnologia)

– Tipo di architettura (accoppiamento DC o AC?)

– Telemetria e monitoraggio del sistema locale e/o remoto

 

  

1. Potenza in uscita dell'inverter – valori massimi continui e di picco (kW)

 

Gli inverter a batteria (ibridi o off-grid) sono disponibili in un'ampia gamma di dimensioni, determinate dalla potenza continua misurata in kW o kVA. La potenza dell'inverter dipende dalla sua topologia o progettazione, dal tipo di circuito di conversione dell'energia, dalla presenza o meno di un trasformatore, dal sistema di raffreddamento e dalla temperatura di funzionamento. Di seguito sono disponibili due tipi principali di inverter ibridi e off-grid.

 

 

Linverter con batteria ad isola impiegare Trasformatori toroidali per carichi pesanti, che sono più costosi, ma forniscono picchi e picchi di potenza elevati e possono gestire carichi induttivi elevati. Questi inverter in genere contengono sistemi di raffreddamento con ventola attiva per mantenere le prestazioni a temperature elevate. Come spiegato di seguito, la maggior parte di questi inverter hanno caricabatterie integrati e sono anche interattivi in ​​rete (è il caso del Victron Multiplus-II)

 

LInverter ibridi e sistemi di batterie accoppiate in CA utilizzare inverter senza trasformatore con "transistor di commutazione" (esempio: inverter ibridi Fronius GEN24, GROWATT o DEYE, ecc...) Questi inverter compatti e leggeri hanno valori di potenza di picco e sovratensione inferiori, ma sono più economici, essendo più economici e più facili da produrre. Di solito sono anche completamente resistenti alle intemperie, il che significa che possono essere installati in sicurezza in luoghi più esposti, anche se l'esposizione diretta alla luce solare dovrebbe sempre essere evitata. Tuttavia, non sono progettati per il funzionamento off-grid tutto l’anno, ma possono benissimo svolgere funzioni di backup occasionali.

 

   

 

È fondamentale comprendere la potenza massima che l'inverter può fornire in modo continuo, nonché la potenza di picco che può gestire per brevi periodi di tempo, che è spesso necessaria quando si avviano carichi induttivi come i motori. Non essere costretto a scegliere se accendere il phon o il tostapane! 

 

 

Ppotenza in KVA o kW? Cosa scegliamo?

 

È importante notare se la potenza erogata dall'inverter è indicata in kW o kVA. I kilowatt sono generalmente la misura più accurata. Ciò può creare confusione quando si dimensiona un inverter per le proprie esigenze. Il rapporto di conversione generale utilizzato per convertire da kVA a kW è mostrato di seguito:

 

kVA x 0.8 = kW

 

Ad esempio, un inverter Victron da 5kVA equivale approssimativamente a un inverter da 4kW. Un altro esempio è un inverter con una potenza continua di 3000 VA (3 kVA) che in genere genera solo 2400 Watt continui, ovvero circa l'80% della potenza "apparente" dichiarata.

 

 

 

2. Capacità di carica dell'inverter (generalmente espressa in A):

 

Questa è la capacità dell'inverter di caricare la batteria da una fonte cosiddetta “shore” (un generatore). Una velocità di carica più elevata significa che la batteria può essere ricaricata più rapidamente, il che può essere vantaggioso in aree con periodi limitati di luce solare o quando sei costretto a far funzionare il generatore. Esempio con l'inverter per batterie Multiplus-II:

 

 

3. Dimensioni dell'impianto fotovoltaico (kW)
 

La dimensione (intesa come potenza) dell'impianto fotovoltaico deve essere compatibile con la capacità dell'inverter. Un inverter sovradimensionato o sottodimensionato rispetto all'impianto fotovoltaico può comportare una perdita di efficienza e rendimento. SSe ad esempio prendi un Multiplus-3000VA e aggiungi due caricabatterie Victron RS 450/100 da 5 kWp ciascuno, potrai utilizzare solo la potenza del Multiplus, ovvero 3KVA su una potenza potenziale totale di 10KVA (se i tuoi pannelli producono in condizioni ideali!).

 

 

4. Potenza di passaggio/trasferimento (A):

 

La potenza passante si riferisce alla capacità dell'inverter di trasferire potenza dalla rete o da una fonte di generazione ai carichi senza passare attraverso le batterie. Questo è importante per mantenere l'alimentazione durante le interruzioni o quando la batteria è scarica. Questa nozione è particolarmente importante nelle configurazioni ibride, lo è meno in un sito isolato (infatti, con 32A * 230V = 6000W, che corrisponde già a un generatore abbastanza comodo).

 

 

 

5.Compatibilità della batteria: tensione del sistema e tipo di batteria
 
È fondamentale garantire che l'inverter batteria sia compatibile con la tensione del sistema e con il tipo di batteria utilizzata, sia essa al litio, al nichel-ferro o altre batterie. Ad esempio, un Multiplus-II 48V dovrà essere dotato di un pacco batterie da 48V, ovviamente, ecc.

 

6. Tipo di architettura del sistema: accoppiamento DC o AC?

 

Gli inverter possono essere accoppiati con corrente alternata (CA) o corrente continua (CC), ciascuna configurazione presenta vantaggi e svantaggi. La scelta dipenderà dal vostro sistema specifico e dalle vostre esigenze.

 

En Architettura dell'accoppiamento CC, il più diffuso in off-grid, un caricabatteria “MPPT”. controlla i pannelli solari durante il giorno per massimizzare la produzione solare, che verrà reimmessa nelle batterie. Il rendimento è ottimo (92-96%), tuttavia, se l'autoconsumo di energia avviene durante la produzione, la conversione DC/DC/AC (poiché l'MPPT fornisce corrente continua, a sua volta ondulata dall'inverter di batteria per alimentare la vostra rete 230V carichi), causerà ulteriori perdite:

 

 

 

En Schema di accoppiamento CA, meno comune e spesso presente sui sistemi di potenza superiore, un inverter solare (Fronius) è collegato all'uscita dell'inverter a batteria Multiplus. Quest'ultimo ha il compito di controllarla in base al fabbisogno di potenza istantanea, in modo che l'energia prodotta da Fronius sia indirizzata prioritariamente ai consumatori, SENZA passare attraverso le batterie:

 

 

 

 

Questo tipo di architettura presenta due notevoli vantaggi:

 

- Prestazioni migliori se la maggior parte dei tuoi consumi avviene durante il giorno (consumerai letteralmente “mentre il sole passa”).

- Potenza cumulativa dell'uscita Fronius E dell'inverter batteria. In altre parole, se il tuo Fronius produce 3KWP di potenza istantanea, e hai un Multiplus da 3KVA, teoricamente puoi raggiungere i 6KVA!

 

Questo tipo di sistema presenta però due svantaggi:

 

- Il Fronius deve essere controllato tramite modulazione di frequenzae dal Multiplus, che può spostare gli orologi digitali e risultare problematico per alcune apparecchiature sensibili (elettrodomestici, ecc.). Parliamo del fenomeno dello “sfarfallio”.

- Le prestazioni di ricarica della batteria sono mediocri, perché c'è una conversione DC/AC/DC e le perdite sono maggiori.

 

Quindi quale sarebbe la migliore architettura per un robusto sistema off-grid? 

Infine, possiamo avere un'architettura mista, combinando accoppiamento AC e DC. Questo ha il vantaggio di essere robusto e ridondante (se Fronius è in servizio post-vendita, hai la produzione solare del caricabatterie Victron MPPT e viceversa)! 

Esempio di un sistema misto ad isola, che combina l'accoppiamento DC e AC (tramite Fronius): 

 

 

7. Telemetria e gestione locale (supervisione):  

 

La possibilità di monitorare e controllare il proprio impianto localmente e da remoto rappresenta un notevole vantaggio, consentendo una gestione ottimale del consumo energetico, della produzione solare e dello stoccaggio energetico. Questo permette anche di avere un monitoraggio preciso giorno dopo giorno delle diverse variabili del sistema (produzione solare, consumo in kWh, picchi di potenza, stato di carica della batteria), ed eventualmente individuare anomalie. È quindi uno strumento essenziale da integrare in un sistema off-grid.