Cum se calculează un sistem fotovoltaic off grid, pas cu pas

Răspunsul rapid

• Un sistem fotovoltaic off grid (solar, fără racord la rețea) se calculează pornind de la consum, nu de la panouri. Aduni wați-orele consumate într-o zi obișnuită; toate celelalte cifre se calculează din acest număr.
• Tensiunea bancului o impune puterea invertorului: 12 V sub circa 1 kW, 24 V între 1 și 3 kW, 48 V peste 3 kW. Motivul e curentul: tensiune dublă înseamnă jumătate de curent și pierderi pe cablu de patru ori mai mici.
• Bateria se calculează în energie, nu în amperi-oră: consum zilnic x zile de autonomie, împărțit la adâncimea de descărcare (80% la LiFePO4, 50% la plumb) și la randamentul de la baterie până la priză.
• Panourile se dimensionează pe luna cea mai slabă pe care chiar vrei s-o acoperi. În România, decembrie cere de aproape patru ori mai multe panouri decât iunie; un sistem calculat pe media anuală te lasă fără curent exact când ai nevoie de el.
• Invertorul se alege în wați, la temperatura reală din încăpere, nu în VA de pe etichetă. Un model de 3.000 VA livrează în jur de 2.400 W continuu la 25 de grade și mai puțin la 40 sau 65 de grade.
• Protecțiile și monitorizarea nu sunt opționale: siguranță pe cablul de baterie, deconector, secțiuni calculate și un shunt care arată starea reală de încărcare.

Componentele sunt în energie solară; dacă ai deja tensiunea bancului stabilită, mergi direct la invertoarele de 24 V sau la cele de 48 V.

Dimensionare pe scenarii: stocare și producție

Consumul zilnic merge de la circa 600 Wh la o rulotă până la 12.000 Wh la o locuință permanentă, iar tensiunea bancului urcă de la 12 V la 48 V odată cu el. Cifrele din tabel presupun aproximativ 1,5 zile de autonomie și acoperire din primăvară până în toamnă; sunt un punct de plecare, nu un înlocuitor al calculului tău.

Dimensionare pe scenarii: conversie și control

Puterea invertorului crește odată cu consumul: 800-1.200 VA la o rulotă, 1.600-3.000 VA la o cabană de weekend și 5.000 VA sau mai mult la o locuință permanentă. Regulatorul MPPT se alege în aceeași ordine de mărime cu puterea panourilor.

Ultima coloană e partea pe care majoritatea configuratoarelor o ascund. Un sistem pur solar care ține o locuință permanentă prin decembrie în România cere fie o supradimensionare masivă a panourilor, fie o a doua sursă de energie; dacă există racord la rețea, un sistem hibrid cu stocare costă de câteva ori mai puțin pentru același confort.

Cabana de weekend e singura care iese mai ieftin decât arată calculul: bancul se reîncarcă în cele cinci zile în care nu consumi nimic, deci poate fi mai mic decât la o casă locuită continuu. La rulotă, constrângerea nu e bugetul, ci suprafața de plafon.

Pasul 1: cum calculezi consumul zilnic în wați-oră

Consumul zilnic se măsoară în wați-oră (Wh): puterea aparatului în wați înmulțită cu orele lui de funcționare pe zi, adică 60 W x 5 ore = 300 Wh. Notează fiecare consumator, puterea lui și orele de funcționare, apoi adună coloana.

Două detalii schimbă rezultatul cu 20% sau mai mult:

• Frigiderul nu se estimează din putere. Compresorul pornește și se oprește, deci orele de funcționare sunt o ghiceală. Ia consumul anual de pe eticheta energetică și împarte la 365: un frigider de 150 kWh pe an înseamnă circa 410 Wh pe zi.
• Invertorul consumă și când nu faci nimic. Un invertor-încărcător mediu ia în jur de 10 W în gol, adică peste 240 Wh pe zi, deci aproape 90 kWh pe an. La o cabană, consumul propriu al invertorului poate fi al doilea sau al treilea post din tabel.

Notează separat și puterea maximă simultană: energia dimensionează bateria și panourile, iar puterea instantanee dimensionează invertorul.

Pasul 2: ce tensiune alegi pentru bancul de baterii

Tensiunea bancului o decide curentul care circulă prin cablul dintre baterie și invertor, nu preferința ta. La aceeași putere, curentul se înjumătățește când dublezi tensiunea, iar pierderea pe cablu, proporțională cu pătratul curentului, scade de patru ori.

Pentru un invertor care livrează 2.400 W continuu, curentul cerut bancului este aproximativ:

• la 12 V: peste 200 A, cu vârfuri de peste 450 A la pornirea unui motor;
• la 24 V: circa 110 A, cu vârfuri în jur de 250 A;
• la 48 V: circa 55 A, cu vârfuri în jur de 125 A.

Regula practică: 12 V până la circa 1 kW de invertor, 24 V între 1 și 3 kW, 48 V peste 3 kW. Sub 1 kW, 12 V e comod pentru că majoritatea aparatelor de rulotă, a pompelor și a bateriilor mici sunt pe 12 V. Peste 3 kW, 48 V nu mai e o opțiune, ci singura variantă rezonabilă: la 12 V ai avea nevoie de cabluri și siguranțe de dimensiuni industriale, iar căderea de tensiune ar mânca o parte din putere.

Tensiunea se alege o singură dată: trecerea ulterioară de la 12 V la 24 V înseamnă schimbarea invertorului, a regulatorului și, de obicei, a bateriilor.

Pasul 3: cât de mare trebuie să fie bancul de baterii

Bancul se calculează în energie, nu în amperi-oră: consumul zilnic înmulțit cu zilele de autonomie, împărțit la adâncimea de descărcare și la randamentul de la baterie la priză. Pentru 2.270 Wh pe zi și 1,5 zile de autonomie rezultă un banc LiFePO4 de 200 Ah la 25,6 V.

Formula, în text simplu:

Energie brută necesară (Wh) = Consum zilnic (Wh) x Zile de autonomie / (Adâncime de descărcare x Randament de la baterie la priză)

Capacitate (Ah) = Energie brută (Wh) / Tensiunea nominală a bancului (V)

Ce pui în ea:

• Zile de autonomie. Una singură la un sistem cu generator sau racord de rezervă, 1,5 sau 2 la o cabană izolată, 3 doar dacă îți permiți bancul. Fiecare zi în plus costă liniar.
• Adâncimea de descărcare. La LiFePO4, producătorii dimensionează durata de viață pe 80%, iar fișele Victron dau ordinul de mărime de câteva mii de cicluri la această adâncime. La plumb, acid liber, AGM sau GEL, se lucrează cu 50%, altfel numărul de cicluri scade rapid.
• Randamentul de la baterie la priză. Aproximativ 0,85 la un sistem cu litiu: circa 0,92 randamentul dus-întors al bateriei, înmulțit cu circa 0,92 randamentul invertorului. La plumb coboară spre 0,75, pentru că randamentul de încărcare al chimiei cu plumb e mai mic.

Exemplul nostru, o cabană bine echipată, deci partea de sus a intervalului din tabel: 2.270 Wh pe zi, 1,5 zile de autonomie, banc de 24 V.

Cu LiFePO4: 2.270 x 1,5 = 3.405 Wh. Împărțit la 0,8 x 0,85 = 0,68, rezultă 5.007 Wh brut. Împărțit la 25,6 V, rezultă 196 Ah, deci un banc de 200 Ah la 25,6 V, adică două baterii de 12,8 V și 200 Ah legate în serie sau o baterie de 25,6 V.

Cu plumb: aceleași 3.405 Wh împărțite la 0,5 x 0,75 = 0,375 dau 9.080 Wh brut, deci 378 Ah la 24 V. Aproape dublu ca amperi-oră și de câteva ori mai mult ca greutate, plus două constrângeri: capacitatea nominală e dată la descărcare lentă și scade la curenți mari, iar curentul de încărcare recomandat, de ordinul a 10-20% din capacitate, împinge în sus și regulatorul, și panourile.

Comparația completă a chimiilor e în ghidul despre baterii solare LiFePO4, GEL și AGM, iar modelele sunt în acumulatori și baterii solare și în selecția de baterii deep cycle.

Un detaliu de catalog care produce comenzi greșite: în gama Victron, bateriile LiFePO4 Smart cer un BMS extern, iar modelele SuperPack au BMS integrat, dar nu se leagă în serie. Verifică pe fișă înainte să comanzi, mai ales dacă vizezi un banc de 24 sau 48 V.

Pasul 4: de câte panouri fotovoltaice ai nevoie

Puterea panourilor rezultă din consumul zilnic împărțit la orele de soare echivalente ale lunii pe care vrei s-o acoperi și la un randament de sistem de 0,75-0,80. Producția se calculează în ore de soare echivalente, prescurtat PSH: numărul de ore pe zi în care panoul ar produce la putere nominală dacă radiația ar fi constantă la 1.000 W pe metru pătrat. Nu are legătură cu numărul de ore de lumină.

Valori orientative pentru România, la înclinare rezonabilă și fără umbrire. Pentru locația ta exactă, cifrele se scot din PVGIS, instrumentul gratuit al Comisiei Europene, coloana de producție zilnică medie pe lună.

Formula, în text simplu:

Putere panouri (Wp) = Consum zilnic (Wh) / (Ore de soare echivalente x Randament de sistem)

Randamentul de sistem este 0,75-0,80 și acoperă pierderile care nu apar pe eticheta panoului: încălzirea celulelor vara, praful și polenul, căderea pe cabluri, conversia din regulator, unghiul care nu e niciodată ideal tot anul.

Exemplul nostru, la 2.270 Wh pe zi:

• pentru sezonul cald, la 4,5 ore și randament 0,78: 2.270 / 3,51 = 650 Wp;
• pentru primăvară și toamnă, la 3 ore: 2.270 / 2,34 = 970 Wp;
• pentru decembrie, la 1,2 ore și randament 0,75: 2.270 / 0,9 = 2.520 Wp.

Aceasta e cifra pe care majoritatea ghidurilor o ocolesc: decembrie cere de aproape patru ori mai multe panouri decât iunie pentru același consum. Ai trei variante oneste, care se pot combina: supradimensionezi panourile și accepți surplusul nefolosit din vară, reduci consumul de iarnă la iluminat și comunicații, sau adaugi un generator ori un racord la rețea pentru cele opt-zece săptămâni critice. Panourile sunt de obicei componenta cea mai ieftină pe watt, deci supradimensionarea are sens până la limita de spațiu și de buget.

O ajustare practică: iarna, o înclinare mai mare, în jur de 55-65 de grade față de orizontală, prinde mai bine soarele jos și ajută zăpada să alunece, în timp ce vara 30-35 de grade sunt mai potrivite, iar un compromis anual fix se așează pe la 35-40 de grade.

Modelele de 12 V, cum e panoul monocristalin de 185 W, sunt gândite pentru rulote și sisteme mici. Pentru cabane și case, gama completă e în panouri fotovoltaice, iar dacă vrei componentele preasamblate, în kituri solare.

Cum alegi regulatorul MPPT

Regulatorul MPPT (Maximum Power Point Tracking) coboară tensiunea panourilor la tensiunea bancului și urmărește punctul de putere maximă al șirului. Curentul necesar se obține împărțind puterea panourilor la tensiunea nominală a bancului: 900 Wp pe un banc de 24 V înseamnă circa 38 A, deci un regulator din clasa 150 V și 35 A sau imediat peste.

Al doilea număr din denumire este acest curent, primul este tensiunea fotovoltaică maximă admisă la intrare, iar aceasta se verifică la temperatura minimă din zonă, nu la 25 de grade, pentru că panourile reci produc tensiune mai mare și depășirea limitei distruge etajul de intrare. Calculul complet al tensiunii la ger, diferența față de un regulator PWM și alegerea între serie și paralel sunt detaliate în ghidul despre regulatoare solare MPPT și PWM; modelele sunt în regulatoare solare și în selecția de regulatoare MPPT Victron.

Pasul 5: dimensionarea invertorului solar

Invertorul se dimensionează în wați la temperatura reală din încăpere, nu în VA de pe etichetă: un model de 3.000 VA livrează circa 2.400 W continuu la 25 de grade. Puterea continuă acoperă consumatorii care merg în același timp, iar vârful acoperă pornirea celui mai mare motor.

VA nu înseamnă wați

Eticheta unui invertor dă puterea aparentă, în VA. Puterea reală, în wați, e mai mică și scade cu temperatura. Pe fișa unui MultiPlus-II 48/3000, de exemplu, apar 3.000 VA, dar 2.400 W continuu la 25 de grade, 2.200 W la 40 de grade și 1.700 W la 65 de grade, cu un vârf de 5.500 W și un randament maxim de circa 95%. Modelele de 3.000 VA din gamă au valori apropiate, dar verifică fișa modelului exact înainte să comanzi.

Practic: dacă invertorul stă într-o cameră tehnică neventilată care ajunge vara la 40 de grade, dimensionezi pe valoarea de la 40 de grade.

Vârful de pornire contează mai mult decât puterea continuă

Motoarele asincrone monofazate, adică hidroforul, compresorul frigiderului sau pompa de recirculare, cer la pornire de câteva ori curentul nominal, pentru o fracțiune de secundă. Ordinul de mărime uzual e de trei până la șase ori puterea nominală, în funcție de motor și de tipul de pornire: un hidrofor de 750 W poate cere astfel câteva mii de wați pentru mai puțin de o secundă.

Regula de dimensionare are două condiții simultane: puterea continuă a invertorului acoperă suma consumatorilor care merg în același timp, iar vârful acoperă pornirea celui mai mare motor peste consumul de bază. În exemplul nostru, un model de 3.000 VA pe banc de 24 V satisface ambele condiții.

Invertor simplu sau invertor-încărcător

Un invertor simplu, cum sunt modelele Phoenix, transformă curentul continuu din baterie în 230 V și atât. Are sens când sistemul e pur solar, fără rețea și fără generator, iar încărcarea vine exclusiv prin regulatorul MPPT: e mai ieftin, mai mic și consumă mai puțin în gol. Pentru o rulotă, un invertor Phoenix de 12 V și 800 VA acoperă laptopul, un televizor mic și încărcătoarele.

Un invertor-încărcător, cum sunt MultiPlus și MultiPlus-II, adaugă trei funcții care contează dacă ai o a doua sursă de energie:

• Încărcător de baterie integrat, care folosește generatorul sau racordul de rețea când soarele lipsește.
• Comutator de transfer cu timp de comutare sub 20 de milisecunde, suficient de scurt cât routerul, calculatorul sau centrala să nu se restarteze la căderea rețelei.
• Asistență la sursa slabă, funcția prin care invertorul completează din baterie diferența de putere pe care generatorul sau un racord limitat nu o poate livra, în loc să declanșeze protecția.

Denumirea codifică datele importante: la un MultiPlus-II 48/3000/35-32, cifrele sunt tensiunea bancului, puterea aparentă în VA, curentul maxim de încărcare în amperi și curentul comutatorului de transfer, tot în amperi. Pentru o casă de vacanță pe 48 V, un MultiPlus-II de 3.000 VA e configurația uzuală: gama e în invertoare Victron MultiPlus, iar sistemele mici în invertoare de 12 V.

Pasul 6: protecții, cabluri și monitorizare

Siguranța pe cablul de baterie, deconectorul de curent continuu, secțiunile calculate la curentul de vârf, protecția pe partea fotovoltaică și shuntul de baterie nu sunt opțiuni. Aici se pierd cele mai multe sisteme, nu la calculul panourilor.

• Siguranța pe cablul de baterie. Un scurtcircuit între banc și invertor e alimentat de sute de amperi. Siguranța, tipic de tip MEGA pe suport dedicat, se montează cât mai aproape de borna plus, la valoarea din manualul invertorului.
• Deconector de baterie. Un întrerupător pe partea de curent continuu, ca să izolezi bancul fără să desfaci borne sub sarcină.
• Secțiunile de cablu. Pe partea de baterie decid căderea de tensiune admisă și curentul de vârf, nu cel continuu. Secțiunea și lungimea maximă sunt în manualul fiecărui model; la un 3.000 VA pe 24 V vorbim de zeci de milimetri pătrați, cu papuci sertizați, nu răsuciți.
• Protecția pe partea fotovoltaică. De la trei șiruri în paralel, producătorii cer siguranță pe fiecare șir. Descărcătoarele de supratensiune și legarea la pământ se execută conform normelor în vigoare, iar la o instalație fixă sunt treaba unui electrician autorizat.
• Un shunt de baterie. Regulatorul știe cât a produs, nu cât ai consumat, iar la LiFePO4 tensiunea e aproape plată între 20% și 90% din capacitate. Un shunt măsoară curentul care intră și iese și îți dă starea reală de încărcare.

La case în care vrei acces de la distanță, un dispozitiv de monitorizare centralizată adună datele de la invertor, regulator și shunt într-un singur ecran. Accesoriile de conectare și protecție sunt în componente și accesorii pentru sisteme solare.

Checklist înainte de a comanda

Șapte verificări separă un sistem care funcționează de o listă de componente care nu se potrivesc.

1. Consumul zilnic e calculat de la etichete, include consumul propriu al invertorului și nu e estimat din memorie.
2. Tensiunea bancului se potrivește cu invertorul. Un invertor de 24 V lucrează exclusiv cu banc de 24 V, nu există adaptare.
3. Bateria are BMS, integrat sau extern, iar schema de legare aleasă e permisă de producător pentru modelul respectiv.
4. Tensiunea șirului a fost verificată la temperatura minimă din zonă, nu la valoarea de pe fișa panoului.
5. Invertorul acoperă vârful de pornire al celui mai mare motor, peste consumul de bază.
6. Siguranța, deconectorul și secțiunile de cablu sunt cele din manualele echipamentelor.
7. Există un plan pentru decembrie: panouri suplimentare, consum redus sau a doua sursă.

Greșeli frecvente

Cele mai scumpe greșeli la un sistem off grid sunt dimensionarea pe media anuală și alegerea invertorului după VA, nu după wați.

1. Dimensionarea pe media anuală. Media nu se consumă. Sistemul trebuie să funcționeze în luna cea mai slabă pe care ai decis s-o acoperi.
2. Alegerea invertorului după VA. 3.000 VA nu înseamnă 3.000 W, iar la 40 de grade în cameră înseamnă și mai puțin.
3. Banc de 12 V la un invertor de 3 kW. Peste 200 A continuu: cabluri scumpe, căderi de tensiune și siguranțe care declanșează la fiecare pornire de motor.
4. Ignorarea consumurilor în gol. Invertorul, routerul, camerele și încărcătoarele lăsate în priză pot însuma mai mult decât frigiderul.
5. Baterii auto de pornire în loc de baterii cu ciclu profund, sau baterii noi amestecate cu unele vechi ori de capacități diferite. În al doilea caz, bancul se comportă ca elementul cel mai slab.
6. Sistem fără shunt. Fără măsurarea curentului fie descarci bancul prea adânc, fie nu îl folosești niciodată complet.
7. Panourile montate unde e comod, nu unde bate soarele. O umbră de coș sau de copac pe un singur panou trage în jos întregul șir legat în serie.

Pe scurt

• Ordinea corectă la dimensionarea unui sistem off grid e consum, tensiune de banc, baterie, panouri, invertor, protecții. Orice altă ordine duce la componente care nu se potrivesc între ele.
• Tensiunea bancului urmează puterea invertorului: 12 V sub circa 1 kW, 24 V între 1 și 3 kW, 48 V peste 3 kW.
• Bateria: consum zilnic x zile de autonomie, împărțit la adâncimea de descărcare (0,8 la LiFePO4, 0,5 la plumb) și la randamentul de la baterie la priză (circa 0,85 la litiu, 0,75 la plumb).
• Panourile: consum zilnic împărțit la orele de soare echivalente ale lunii țintă și la un randament de sistem de 0,75-0,80. În România, decembrie cere de aproape patru ori mai multe panouri decât iunie.
• Invertorul se alege în wați la temperatura reală și după vârful de pornire al motoarelor. Un invertor-încărcător are rost doar dacă ai generator sau racord.
• Fără siguranță pe baterie, deconector, secțiuni calculate și un shunt de baterie, restul calculului nu contează.