Wie berechnet man die passende Konfiguration für das eigene kleine Inselsystem?

Haben Sie schon einmal darüber nachgedacht, eine eigene Solarstromanlage in einer Berghütte, einem Fischerboot oder einem Wohnmobil zu nutzen, um sich von der Abhängigkeit vom öffentlichen Stromnetz zu lösen?

Tatsächlich ist dies nicht nur etwas, was Ingenieure leisten können. Wenn Sie ein paar wichtige Schritte und Formeln beherrschen, können Sie die passende Konfiguration für Ihre eigene kleine netzunabhängige Photovoltaikanlage berechnen.

Ein netzunabhängiges Solarsystem ist ein unabhängiges System, das nicht an das öffentliche Stromnetz angeschlossen ist, sondern seinen Strombedarf ausschließlich durch Photovoltaik und Batteriespeicherung deckt. Es eignet sich ideal für den Einsatz in abgelegenen Bergregionen, auf Inseln, in ländlichen Gebieten, für Wohnmobile, Fischerboote und an anderen Orten mit instabiler Netzversorgung.

Nachfolgend führen wir Sie in vier Schritten zur Berechnung der erforderlichen Konfiguration.

Schritt 1: Photovoltaikmodulleistung ermitteln

Die Leistung der Photovoltaik-Module (Solarmodule) bestimmt, wie viel Strom Ihre Anlage erzeugen kann.

Der zentrale Berechnungsansatz besteht darin, zunächst den täglichen Strombedarf zu ermitteln und diesen dann mit den lokalen Klimabedingungen (insbesondere der Sonnenscheindauer) zu kombinieren, um die Gesamtleistung der Photovoltaikmodule zu bestimmen.

Formel:

Modulleistung = (Täglicher Strombedarf × Überschussfaktor an kontinuierlich bewölkten Tagen) ÷ (Durchschnittliche lokale Sonnenstunden × Systemleistung)

* Täglicher Stromverbrauch: Dieser lässt sich berechnen, indem man die Nennleistung aller Geräte mit ihrer Nutzungsdauer multipliziert.

Beispiel: LED-Leuchten 10 W × 5 Stunden = 50 Wh, Kühlschrank 60 W × 24 Stunden = 1440 Wh.

* Überschussfaktor für kontinuierlich bewölkte Tage: Um die unzureichende Stromerzeugung an aufeinanderfolgenden bewölkten Tagen zu berücksichtigen, wird dieser Faktor normalerweise zwischen 1.1 und 1.3 festgelegt.

* Durchschnittliche tägliche Sonnenstunden vor Ort: Diese können den lokalen Wetterdaten entnommen werden. So hat Peking beispielsweise durchschnittlich etwa 4 Sonnenstunden pro Tag, während Hainan über 5 Stunden erreichen kann.

* Systemeffizienz: Diese berücksichtigt Kabelverluste, Reglereffizienz, Wechselrichterverluste usw. und wird im Allgemeinen zwischen 0.75 und 0.8 eingestellt.

Beispielsweise:

Angenommen, Ihr täglicher Stromverbrauch beträgt 3,000 Wh, die durchschnittliche tägliche Sonneneinstrahlung beträgt 4.5 Stunden, die Systemeffizienz beträgt 0.78 und der Koeffizient für kontinuierliche Regentage beträgt 1.2:

Modulleistung = (3,000 × 1.2) ÷ (4.5 × 0.78) ≈ 1,026 W

Das bedeutet, dass Sie Photovoltaikmodule mit einer Gesamtleistung von etwa 1 kW installieren müssen, beispielsweise vier 250-W-Module.

Schritt 2: Leistung des Inselnetz-Wechselrichters ermitteln

Der Wechselrichter wandelt den Gleichstrom (DC) von Photovoltaikmodulen oder Batterien in Wechselstrom (AC) zur Verwendung durch normale Haushaltsgeräte um.

Seine Leistung muss ausreichen, um Ihren maximalen momentanen Strombedarf zu decken, insbesondere unter Berücksichtigung des Einschaltstroms induktiver Lasten (motorbetriebene Geräte).

Formel:

Wechselrichterleistung = (Gesamtleistung der ohmschen Last + Gesamtleistung der induktiven Last × 5) × Margin-Faktor ÷ Leistungsfaktor

* Ohmsche Lasten: Ohmsche Geräte wie Glühbirnen, Wasserkocher und Öfen.

* Induktive Lasten: Geräte mit Motoren oder Kompressoren, wie Kühlschränke, Wasserpumpen, Klimaanlagen usw. Die Momentanleistung beim Start kann das 5- bis 7-fache der Nennleistung betragen.

* Sicherheitsfaktor: Normalerweise auf 1.2–1.5 eingestellt, um einen Spielraum zu gewährleisten.

* Leistungsfaktor: Normalerweise auf 0.8–0.9 eingestellt.

Ejemplo:

Angenommen, Sie haben eine 200-W-Leuchte (ohmsche Last), einen 100-W-Kühlschrank (induktive Last), einen Reservefaktor von 1.3 und einen Leistungsfaktor von 0.85:

Wechselrichterleistung = (200 + 100 × 5) × 1.3 ÷ 0.85

≈ (200 + 500) × 1.3 ÷ 0.85

≈ 700 × 1.3 ÷ 0.85

≈ 1070 W

Sie benötigen einen Wechselrichter mit einer Mindestleistung von 1.1 kW. Für eine höhere Stabilität wird empfohlen, ein 1.5-kW-Modell zu wählen.

Schritt 3: Batteriekapazität ermitteln

Die Batterie ist der „Stromspeicher“ des Inselsystems und wird vorwiegend nachts oder an bewölkten Tagen für den Strombedarf genutzt. Die Kapazität hängt von der Anzahl der Tage ab, an denen eine kontinuierliche Stromversorgung benötigt wird, sowie vom täglichen Stromverbrauch.

Formel:

Batteriekapazität (Ah) = (Täglicher Stromverbrauch × Anzahl der Tage mit Stromversorgung an bewölkten Tagen) ÷ (Entladetiefe × Lade-/Entladeeffizienz × Batteriepackspannung)

* Entladetiefe (DOD): Für Blei-Säure-Batterien wird eine DOD von 0.5–0.6 empfohlen; für Lithium-Batterien ist eine DOD von 0.8–0.9 akzeptabel.

* Lade-/Entladeeffizienz: Normalerweise auf 0.85–0.9 eingestellt.

* Batteriebankspannung: Gängige Spannungen sind 12 V, 24 V und 48 V; bei höherem Leistungsbedarf werden höhere Spannungen empfohlen.

Ejemplo:

Angenommen, Sie verbrauchen täglich 3000 Wh und möchten mit einer 2-V-Lithiumbatterie (DOD = 48, Wirkungsgrad = 0.9) zwei Tage lang bei bewölktem Wetter Strom haben:

Batteriekapazität = (3000 × 2) ÷ (0.9 × 0.9 × 48)

≈ 6000 ÷ 38.88

≈ 154 Ah

Sie benötigen einen 48-V-Akku mit 154 Ah (ca. 7.4 kWh).

Schritt 4: Ermitteln der Controller-Spezifikationen

Der Photovoltaik-Regler regelt den Ladevorgang von den Photovoltaik-Modulen zur Batterie.

Seine Spezifikationen hängen in erster Linie vom maximalen Eingangsstrom ab, der mit der folgenden Formel berechnet wird:

Formel:

Eingangsstrom des Controllers = Maximale Leistung der Photovoltaikmodule ÷ Batteriepackspannung

Wenn Ihre Photovoltaikmodule beispielsweise eine Gesamtleistung von 1000 W haben und die Batteriepackspannung 48 V beträgt:

Eingangsstrom des Controllers = 1000 ÷ 48 ≈ 20.8 A

Daher müssen Sie einen Controller mit einem Eingangsstrom von mehr als 21 A auswählen, normalerweise einen MPPT-Typ (höhere Effizienz, vorteilhafter an bewölkten Tagen).

Praktische Tipps

1. Planen Sie einen Spielraum ein: Die Lebensdauer und Betriebsstabilität der Geräte hängen von einer entsprechenden Redundanzauslegung ab; legen Sie die Parameter nicht zu starr fest.
2. MPPT ist PWM überlegen: Obwohl MPPT-Regler etwas teurer sind, bieten sie eine höhere Effizienz bei der Stromerzeugung, insbesondere bei instabilen Lichtverhältnissen.
3. Bevorzugen Sie Lithium-Ionen-Batterien: Sie sind kompakt, leicht und tiefentladefähig, was langfristig Kosteneinsparungen ermöglicht.
4. Planen Sie zukünftige Erweiterungen ein: Wenn Sie in Zukunft weitere Geräte hinzufügen möchten, stellen Sie sicher, dass sowohl für die Photovoltaikanlage als auch für die Batterien ausreichend Schnittstellenkapazität vorhanden ist.

Der Kern der Planung einer kleinen netzunabhängigen Photovoltaikanlage besteht darin, die Konfiguration anhand des tatsächlichen Bedarfs genau zu berechnen, und nicht darin, einfach „ein paar Module und Batterien zu kaufen“ und das war’s dann.

Meistern Sie diese 4 Formeln:

1. Formel zur Berechnung der Leistung von Photovoltaikmodulen
2. Wechselrichter-Leistungsformel
3. Formel für die Batteriekapazität
4. Formel für den Eingangsstrom des Controllers

Anschließend können Sie eine Konfiguration für ein kleines Inselnetzsystem berechnen, die ausreichend und stabil ist.

Wenn Sie zum ersten Mal entwerfen, können Sie basierend auf den Formelergebnissen eine zusätzliche Marge von 10–20 % hinzufügen, was mehr Flexibilität bei der Handhabung von Wetteränderungen und Geräteerweiterungen ermöglicht.