Panouri solare în serie sau în paralel: schema de montaj off grid

Răspunsul rapid

• Într-o schemă de montaj a panourilor fotovoltaice off grid cu regulator MPPT (urmăritorul punctului de putere maximă), seria e alegerea implicită. Tensiunile se adună, curentul rămâne cât al unui panou, iar un cablu de 4 sau 6 mmp (milimetri pătrați) acoperă zeci de metri. Paralelul rămâne pentru panouri orientate diferit, pentru regulatoarele PWM, care leagă panoul aproape direct la baterie, și pentru șirurile peste tensiunea admisă.
• Limita seriei e tensiunea în gol la ger, nu cea de pe etichetă. Cu un coeficient de 0,30 la sută pe grad și minus 20 de grade, șirul urcă cu 13,5 la sută peste fișă: un regulator din clasa 100 V acceptă cel mult 88 V la 25 de grade, unul din clasa 150 V cel mult 132 V.
• Într-un șir serie panourile trebuie să aibă același curent, în paralel aceeași tensiune. Ideal, panouri identice: un șir serie se aliniază la panoul cel mai slab.
• La baterii, seria dă tensiunea, paralelul dă capacitatea, iar energia e aceeași. Două baterii de 12 V și 100 Ah dau 2.400 Wh în ambele scheme; diferă curentul, 200 A la 12 V față de 50 A la 48 V pentru un consumator de 2.400 W.
• Ordinea de conectare nu e negociabilă: întâi bateria, apoi panourile. Regulatorul își citește tensiunea de sistem de la baterie, iar la demontare se procedează invers.

Ce se adună în serie și ce se adună în paralel

Legarea în serie adună tensiunile panourilor și păstrează curentul unui singur panou; paralelul adună curenții și păstrează tensiunea unui singur panou. Patru cifre de pe eticheta panoului decid schema, măsurate la iradiere standard și 25 de grade: Voc, tensiunea în gol, Isc, curentul de scurtcircuit, plus Vmp și Imp, tensiunea și curentul în punctul de putere maximă.

În practică, seria înseamnă borna plus a unui panou la borna minus a următorului, cu capetele libere, plusul primului și minusul ultimului, spre regulator. Paralelul înseamnă toate plusurile prinse împreună și toate minusurile la fel, de unde pleacă o singură pereche de fire.

Diferența decide aproape tot restul: pierderea de căldură în cablu crește cu pătratul curentului, deci aceeași putere la tensiune dublă lasă pe drum de patru ori mai puțină energie.

De ce seria câștigă aproape întotdeauna cu un regulator MPPT

Seria transportă aceeași putere la tensiune mare și curent mic, deci cere mult mai puțin cupru: pe același traseu, patru panouri cer 4 mmp în serie și 50 mmp în paralel. Exemplul: patru panouri identice, cu Vmp de 18 V și Imp de 12 A, adică 864 W, la 10 metri de regulator, cu o cădere admisă de 3 la sută.

Legate în paralel dau 18 V și 48 A. Trei la sută din 18 V înseamnă 0,54 V, iar secțiunea necesară e de 37,3 mmp, deci un cablu de 50 mmp pentru mai puțin de un kilowatt.

Legate în serie dau 72 V și 12 A. Trei la sută din 72 V înseamnă 2,16 V, iar secțiunea scade la 2,33 mmp, adică se rezolvă cu cablul solar obișnuit de 4 mmp. Formula și tabelele complete sunt în ghidul despre secțiunea cablului solar și căderea de tensiune.

Al doilea motiv e pornirea de dimineață: un MPPT începe încărcarea abia când tensiunea panourilor depășește tensiunea bateriei cu circa 5 V, adică în jur de 34 V pe un banc de 24 V, prag pe care un panou de 12 V abia îl atinge în lumina slabă, iar două în serie îl trec devreme. Al treilea e mai banal: un singur șir nu cere ramificații, fuzibile de ramură și cutie de conexiuni, deci are mai puține contacte care se oxidează.

Câte panouri poți lega în serie: calculul tensiunii la ger

Numărul de panouri dintr-un șir e limitat de tensiunea în gol la ger, nu de puterea lor: la minus 20 de grade suma valorilor Voc de pe fișe urcă cu circa 13,5 la sută și trebuie să rămână sub tensiunea maximă de intrare a regulatorului. Siliciul are un coeficient de temperatură negativ, deci un panou rece dă mai multă tensiune decât scrie pe etichetă, iar cazul defavorabil e o dimineață senină de ianuarie.

Calculul are doi pași:

Creștere (%) = coeficientul Voc din fișă, în valoare absolută x (25 - temperatura minimă din zona ta)

Tensiunea șirului la ger (V) = Număr de panouri x Voc x (1 + Creștere / 100)

Coeficientul e în fișa panoului, tipic între 0,25 și 0,35 la sută pe grad. Tabelul folosește 0,30 și minus 20 de grade, adică o creștere de 13,5 la sută; refă-l cu cifrele panoului tău.

Un exemplu. Trei panouri cu Voc de 37,4 V și un coeficient de 0,28 la sută pe grad dau 112,2 V la 25 de grade. Creșterea la minus 20 de grade e 0,28 x 45 = 12,6 la sută, deci șirul urcă la 126,3 V: confortabil pe hârtie, dar peste orice regulator din clasa 100 V și admis doar în clasa 150 V.

Două precizări. Unele fișe trec două praguri, o tensiune maximă absolută și una de lucru, mai mică cu câțiva volți: dimensionezi la cea mai mică. Iar cifra de comparat e Voc, nu Vmp, fiindcă la regulator oprit la borne ajunge tensiunea în gol. Depășirea distruge etajul de intrare și e tratată de regulă ca eroare de dimensionare, nu ca defect de fabricație.

Alegerea regulatorului, MPPT sau PWM și ce amperaj, e în ghidul despre regulatorul solar MPPT sau PWM.

Când paralelul e alegerea corectă

Paralelul e alegerea corectă în patru situații: orientări diferite, regulator PWM pe un banc de 12 V, un șir serie peste tensiunea maximă de intrare și sistemele mici extinse cu un panou identic.

Panourile privesc în direcții diferite. Un acoperiș în două ape le pune sub iradiere diferită în același moment, iar într-un șir serie curentul e dictat de panoul cel mai slab luminat. Cât pierzi pe fiecare orientare e în ghidul despre unghiul de înclinare.

Regulator PWM pe un banc de 12 V. Tensiunea panourilor trebuie să rămână apropiată de cea a bancului, deci extinderea se face în paralel.

Tensiunea în serie ar depăși regulatorul. Cu panouri de 72 de celule și un regulator din clasa 100 V, două panouri în serie sunt deja peste limită.

Sisteme mici, la care adaugi un panou. În rulote și cabane pui un panou identic în paralel, fără să atingi restul.

Paralelul aduce însă trei obligații. Curenții de scurtcircuit se adună, iar regulatorul are o limită proprie pentru curentul de scurtcircuit al câmpului solar, diferită de curentul de încărcare din denumire. De la trei șiruri în sus, fiecare are nevoie de fuzibil propriu: la un defect intern, celelalte pompează curent prin panoul defect, peste siguranța de șir de pe eticheta lui, tipic 15 sau 20 A. Iar cablul comun se dimensionează pentru curentul însumat.

Ramificațiile în Y pe conectori MC4, standardul de legare a panourilor, rezolvă curat două șiruri. De la trei în sus, locul corect e o cutie de conexiuni cu fuzibile gPV, alese după ghidul de secțiune și protecție a cablului solar.

Serie-paralel: cum grupezi de la patru panouri în sus

De la patru panouri în sus, schema uzuală e mixtă: grupezi panourile în șiruri identice legate în serie, apoi legi șirurile între ele în paralel. Notația se citește simplu: 2S2P înseamnă două șiruri a câte două panouri, 3S2P două șiruri a câte trei.

Un exemplu: patru panouri cu Vmp de 35 V și Imp de 11 A. În 2S2P, fiecare șir dă 70 V, iar cele două împreună dau 22 A. Tensiunea încape într-un regulator din clasa 150 V chiar și după corecția de ger, iar 22 A trec lejer prin cablu de 6 mmp.

Regula care se încalcă cel mai des: șirurile legate în paralel trebuie să fie identice, cu același număr de panouri, același model și, pe cât posibil, aceeași orientare. Un șir de două panouri legat în paralel cu unul de trei nu merge pe jumătate, ci prost de tot: ambele sunt forțate la aceeași tensiune, iar șirul scurt aproape că nu mai contribuie. Pentru două orientări sau două tipuri de panou, soluția e două intrări independente, un regulator cu două urmăritoare sau două regulatoare pe același banc.

Umbrire: ce fac diodele de bypass și ce nu

Un panou intrat în umbră nu oprește șirul legat în serie: diodele de bypass din cutia de joncțiune lasă curentul să ocolească grupul de celule afectat, iar panoul pierde tensiune, nu curent.

Celulele unui panou sunt legate în serie între ele, iar o celulă umbrită nu doar că nu mai produce, ci devine o rezistență care se încălzește, fenomenul numit punct fierbinte. De aceea cutia de joncțiune are de regulă trei diode, câte una pentru fiecare treime din celule: cu una în conducție, panoul pierde o treime sau două treimi din tensiune.

Mecanismul are două limite. O umbră pe diagonală, care atinge toate cele trei grupuri, scoate panoul aproape complet din joc, iar umbrirea parțială creează mai multe vârfuri pe curba de putere, pe care un regulator ieftin se poate bloca; modelele bune scanează periodic toată curba.

Umbrirea trecătoare, de la o antenă sau o creangă, nu e un argument împotriva seriei. Cea permanentă, de la un coș de fum sau o clădire vecină, se rezolvă mutând panoul, nu schimbând schema; un panou care stă câteva ore pe zi în umbră merită un șir separat, la fel ca unul cu murdărie depusă neuniform, tratată în ghidul despre curățarea panourilor fotovoltaice.

Panouri diferite în același șir: ce pierzi de fapt

Panouri de puteri diferite în același șir produc cât cel mai slab dintre ele: în serie te limitează curentul, în paralel tensiunea.

În serie contează curentul. Un panou vechi de 200 W cu Imp de 6 A legat în serie cu unul nou de 400 W cu Imp de 11 A plafonează șirul la 6 A: panoul mare produce aproape jumătate din cât ar putea.

În paralel contează tensiunea. Toate panourile sunt trase la tensiunea impusă de regulator, deci unul cu Vmp de 18 V și altul cu 35 V nu pot lucra simultan în punctul lor de putere maximă.

Soluția e același model în același șir; panourile deja diferite se grupează pe tipuri, cu intrări sau regulatoare separate. Ce înseamnă tipul celulei pentru randament e în ghidul despre panouri monocristaline, policristaline sau bifaciale.

Baterii: seria dă tensiunea, paralelul dă capacitatea

La baterii, seria ridică tensiunea, paralelul ridică capacitatea, iar energia stocată e aceeași în ambele scheme. Două baterii de 12 V și 100 Ah legate în serie dau 24 V și 100 Ah, adică 2.400 Wh. Legate în paralel dau 12 V și 200 Ah, adică tot 2.400 Wh. Diferă doar curentul prin cabluri, siguranțe și invertor.

Un consumator de 2.400 W cere 200 A la 12 V, 100 A la 24 V și 50 A la 48 V. De aici regula din ghidul de dimensionare a unui sistem off grid: 12 V până la circa un kilowatt de invertor, 24 V între unu și trei, 48 V peste.

Patru baterii de 12 V în serie fac 48 V, iar pentru capacitate dublă legi în paralel două astfel de șiruri; mai curată decât patru cutii stivuite e însă o baterie construită direct la tensiunea bancului, cu un singur sistem de management.

Trei condiții, la orice chimie. Bateriile unui banc se iau identice, același model, aceeași capacitate, aceeași vechime, fiindcă setul se comportă ca cea mai obosită. La litiu, citește în manual dacă seria e omologată și în câte unități: multe module de 12,8 V de tip înlocuitor direct sunt admise doar în paralel. Tot la litiu, încarci fiecare baterie până la 100 la sută înainte de prima legare, altfel diferența de tensiune dă un curent mare la contact.

La plumb, bateriile legate în serie derivează în timp, din cauza rezistenței interne diferite. Un echilibrator mută curent între ele: modelul uzual pornește la o diferență peste 0,1 V și dă alarmă peste 0,2 V, iar pe un banc de 48 V se montează trei bucăți. Comparația între chimii, cu cicluri și cost real, e în ghidul despre baterii solare LiFePO4, GEL și AGM.

Cum legi corect un banc în paralel: diagonala și barele colectoare

Un banc de baterii în paralel se leagă astfel încât fiecare baterie să vadă aproximativ aceeași rezistență: în diagonală la două baterii, cu plusul principal de pe prima și minusul de pe ultima, și pe bare colectoare de la trei în sus.

Greșeala tipică e să prinzi ambele cabluri groase ale invertorului pe bornele primei baterii: curentul alege traseul cu rezistența cea mai mică, deci ea livrează cel mai mult, se încarcă prima și, în câteva luni de cicluri asimetrice, trage în jos tot bancul.

• Punți identice. Cablurile dintre baterii se taie la aceeași lungime și aceeași secțiune, nu unul de 20 și altul de 35 de centimetri.
• Bare colectoare de la trei baterii în sus. Fiecare baterie primește un cablu propriu, identic ca lungime, până la o bară de plus și una de minus, care ține și siguranțele, și separatorul.
• Maximum trei sau patru șiruri în paralel, recomandarea uzuală a producătorilor. Peste, ridici tensiunea bancului, nu numărul de ramuri.
• Papuci sertizați cu clește hidraulic. La 150 A, un contact prost de un miliohm disipă 22,5 W într-o bornă de câțiva centimetri cubi, iar rezistența crește pe măsură ce se oxidează.

Ordinea de conectare, pas cu pas

Schema de montaj a unui sistem fotovoltaic off grid e mereu aceeași: panouri, separator și protecții pe curent continuu, regulator, baterie, invertor. Ordinea de punere sub tensiune e fixă și contează la fel de mult ca desenul: întâi bateria la regulator, apoi panourile.

1. Montezi panourile și lași șirul separat de regulator. La soare, cablurile sunt sub tensiune din momentul ultimei punți.
2. Închei bancul de baterii: punți de aceeași lungime, siguranța principală la 20 sau 30 de centimetri de borna plus, papuci sertizați, apoi măsori cu voltmetrul tensiunea la capete.
3. Conectezi bateria la regulator, cu polaritatea verificată de două ori: regulatorul pornește și își detectează tensiunea de sistem, motiv pentru care producătorii cer această ordine.
4. Măsori șirul de panouri la conectorul dinspre regulator: tensiunea trebuie să fie aproape de suma valorilor Voc, cu polaritatea așteptată; mult mai mică înseamnă un panou legat invers sau un contact prost.
5. Conectezi panourile, prin separatorul de curent continuu. Regulatorul intră în încărcare în câteva secunde.
6. La demontare, exact invers: întâi deschizi separatorul dinspre panouri, apoi deconectezi bateria.
7. Invertorul și consumatorii mari se leagă la baterie sau la bara colectoare, prin siguranța lor proprie, niciodată la ieșirea de sarcină a regulatorului, dimensionată pentru curenți mici.

Minimul de protecții al unei instalații fixe: un separator marcat pentru curent continuu, fuzibile gPV, marcajul celor făcute pentru șiruri fotovoltaice, de la trei șiruri în sus, o siguranță principală lângă borna plus a bateriei, un descărcător de supratensiune de tip 2 și ramele metalice legate la împământare. Alegerea siguranțelor față de cablu e în ghidul de secțiune a cablului solar, iar priza de pământ o face un electrician autorizat.

Un gest de evitat, indiferent de schemă: nu deconecta un conector MC4 sub sarcină. În curent continuu arcul nu se stinge de la sine și topește contactul.

Ce verifici pe fișa tehnică înainte de a comanda

Șase cifre din fișele tehnice decid dacă schema funcționează, așa că le verifici înainte de a comanda panourile, regulatorul și bateriile din gama de energie solară.

1. Voc și coeficientul de temperatură al panoului, cifrele din care iese tensiunea șirului la ger.
2. Tensiunea maximă de intrare a regulatorului, ambele valori dacă fișa dă și un maxim de lucru.
3. Curentul maxim de scurtcircuit admis la intrare, cifra care limitează câte șiruri poți pune în paralel.
4. Valoarea maximă a siguranței de șir, de pe eticheta panoului, după care alegi fuzibilele gPV.
5. Imp și Vmp ale panourilor, ca să se potrivească între ele în șirul pe care îl construiești.
6. La baterii, dacă montajul în serie e omologat și în câte unități, plus curenții maximi de încărcare și descărcare.

Greșeli care ard regulatorul sau bancul

• Ai calculat tensiunea șirului la 25 de grade. Trece limita în prima dimineață geroasă și distruge etajul de intrare.
• Ai conectat panourile înaintea bateriei. Regulatorul nu are de unde să afle pe ce banc lucrează.
• Ai amestecat panouri cu curenți diferiți în același șir. Plătești pentru o putere pe care nu o vei vedea niciodată.
• Trei sau mai multe șiruri în paralel, fără fuzibil pe fiecare. Un panou cu defect intern primește curentul celorlalte.
• Ambele cabluri ale invertorului pe prima baterie din banc. Cicluri asimetrice, o baterie moartă înaintea celorlalte.
• Baterii de vârste sau capacități diferite legate împreună. Bancul se comportă ca cea mai slabă dintre ele.
• Siguranțe automate obișnuite, marcate pentru curent alternativ, pe partea de curent continuu. Nu sting arcul.

Trei configurații tipice

Trei scheme acoperă majoritatea instalațiilor casnice.

Pe scurt

• Seria adună tensiunile și păstrează curentul mic: mai puțin cupru, pierderi mai mici, pornire mai devreme dimineața. E schema implicită cu un regulator MPPT.
• Numărul de panouri dintr-un șir îl decide tensiunea în gol la ger: cu 0,30 la sută pe grad și minus 20 de grade adaugi 13,5 la sută peste fișă, iar rezultatul trebuie să rămână sub limita regulatorului.
• Paralelul rămâne pentru orientări diferite, pentru regulatoare PWM și pentru șirurile peste tensiunea admisă; de la trei șiruri în sus, fiecare cere fuzibil propriu, iar șirurile în paralel trebuie să fie identice ca număr de panouri și model.
• La baterii, seria dă tensiunea și paralelul capacitatea, cu aceeași energie stocată; tensiunea bancului se alege după puterea invertorului, iar bancul se leagă în diagonală sau pe bare colectoare, din baterii identice.
• Ordinea de montaj: întâi bateria la regulator, apoi panourile. La demontare, invers.