Das netzunabhängige photovoltaische Stromerzeugungssystem für den Hausgebrauch besteht aus dem Photovoltaikmodul, der Halterung, dem Regler, dem Solarwechselrichter, dem Akku und dem Stromverteilungssystem. Die elektrische Planung des Systems sollte die Auswahl und Berechnung der Module, Wechselrichter (Regler) und Akkumulatoren berücksichtigen. Vor der Planung sollten notwendige Vorbereitungen getroffen werden, da das netzunabhängige System individuell ohne einheitlichen Plan angepasst wird. Daher sollten zuerst der Lasttyp und die Leistung des Nutzers, der Stromverbrauch tagsüber und abends sowie die klimatischen Bedingungen des Installationsortes ermittelt werden. Die Stromversorgung des netzunabhängigen Photovoltaiksystems hängt vom Wetter ab, das nicht zu 100 % zuverlässig ist.
Das netzunabhängige Solarsystem muss mit einem Akku ausgestattet sein, der 30 % bis 50 % der Kosten des Stromerzeugungssystems ausmacht. Die durchschnittliche Lebensdauer eines Blei-Säure-Akkus liegt zwischen 3 und 5 Jahren. Nach Ablauf der Lebensdauer ist ein Austausch erforderlich. Aus wirtschaftlicher Sicht findet der Akku kaum breite Anwendung und ist nur an Orten mit Strommangel sinnvoll einsetzbar.
Das netzunabhängige System unterscheidet sich vom netzgekoppelten System. Komponenten und Wechselrichter werden nicht in einem bestimmten Verhältnis konfiguriert, sondern entsprechend der Last des Nutzers, dem Stromverbrauch und den lokalen Wetterbedingungen ausgelegt:
1. Bestimmung der Leistung des netzunabhängigen Wechselrichters entsprechend dem Lasttyp und der Leistung des Nutzers
Im Allgemeinen kann die Last für den Hausgebrauch in induktive und ohmsche Lasten unterteilt werden. Lasten mit Motor, wie Waschmaschine, Klimaanlage, Kühlschrank, Wasserpumpe und Rauchabzugsventilator, sind induktive Lasten. Die Anlaufleistung des Motors beträgt das Drei- bis Fünffache der Nennleistung. Bei der Berechnung der Wechselrichterleistung muss die Anlaufleistung der Last berücksichtigt werden. Die Ausgangsleistung des netzunabhängigen Wechselrichters ist höher als die Lastleistung. Für einkommensschwache Familien ist es jedoch unmöglich, alle Lasten gleichzeitig zu starten. Um Kosten zu sparen, kann daher die Summe der Lastleistung mit einem Faktor von 0,7 bis 0,9 multipliziert werden. Nachfolgend eine Liste der Leistung elektrischer Haushaltsgeräte als Referenz für die Planung.
2. Bestimmung der Modulleistung entsprechend dem täglichen Stromverbrauch des Nutzers
Verfügbare Energie für das netzunabhängige System = Gesamtleistung der Module * durchschnittliche Sonnenstunden * Wirkungsgrad des Reglers * Wirkungsgrad des Akkus. Grundsätzlich sollte das Modul so ausgelegt sein, dass es den täglichen Stromverbrauch der Last unter normalen Wetterbedingungen deckt. Das heißt, die tägliche Stromerzeugung des Solarmoduls sollte größer sein als der tägliche Stromverbrauch der Last. Da die Wetterbedingungen unter- oder über dem Durchschnitt liegen können, sollte das Solarmodul grundsätzlich für die Jahreszeit mit der geringsten Sonneneinstrahlung ausgelegt sein. Das bedeutet, der Akku sollte in der Jahreszeit mit der geringsten Sonneneinstrahlung vollständig geladen werden können. In manchen Regionen ist die geringste saisonale Sonneneinstrahlung jedoch deutlich niedriger als der Jahresdurchschnitt. Wenn die Modulleistung weiterhin nach den schlechtesten Bedingungen ausgelegt wird, kann die jährliche Stromerzeugung die tatsächliche Nachfrage weit übersteigen und somit zu großem Verschwendung führen. In diesem Fall sollte die Auslegungskapazität des Akkus entsprechend erhöht werden, um die Energiespeicherung zu vergrößern und den Akku in einem flachen Entladezustand zu halten. So kann der Mangel an Stromerzeugung in der Jahreszeit mit der geringsten Sonneneinstrahlung ausgeglichen und eine Beschädigung der Akkuzellen verhindert werden. Die vom Modul erzeugte Leistung kann nicht vollständig in nutzbare Energie umgewandelt werden, da auch der Wirkungsgrad des Reglers, Maschinenverluste und Akkuverluste berücksichtigt werden müssen.
Der Installationswinkel des Moduls sollte den geografischen Standort des Nutzers berücksichtigen, um die Anforderungen im Sommer und Winter zu erfüllen. Die Solarmodule sind in der Regel nach Süden ausgerichtet, um die Stromerzeugung pro Kapazitätseinheit zu maximieren. Der ideale Neigungswinkel maximiert die jährliche Stromerzeugung und minimiert die Differenz zwischen Winter- und Sommerertrag.
Der Stromverbrauch von Lasten wie Glühbirnen, Ventilatoren und Haartrocknern entspricht der Leistung multipliziert mit der Nutzungsdauer. Bei Lasten wie Klimaanlagen und Kühlschränken hängt der Stromverbrauch der Klimaanlage stark von der Temperaturdifferenz zwischen Innen- und Außenbereich, der Wohnfläche und der Energieeffizienz der Klimaanlage ab. Eine 1-PS-Klimaanlage verbraucht bei achtstündigem Betrieb pro Nacht 1 bis 5 Kilowattstunden Strom.
3. Bestimmung der Akkukapazität entsprechend dem nächtlichen Stromverbrauch oder der erwarteten Standby-Zeit des Nutzers
Die Aufgabe des Akkus ist es, den normalen Stromverbrauch der Last sicherzustellen, wenn die Sonneneinstrahlung unzureichend ist. Wichtige Lasten sollten den Betrieb des Systems über mehrere Tage gewährleisten, wobei die Anzahl aufeinanderfolgender bewölkter und regnerischer Tage berücksichtigt werden muss. Für allgemeine Lasten wie Solarstraßenlampen sollte die Akkukapazität erfahrungsgemäß oder nach Bedarf für zwei bis drei Tage ausgelegt werden. Für einkommensschwache Familien ist der Preis ein entscheidender Faktor. Der Akku wird an bewölkten und regnerischen Tagen nicht benötigt und nur bei ausreichender Sonneneinstrahlung verwendet. Bei unzureichendem oder fehlendem Sonnenlicht wird der Akku nicht genutzt. Bei der Auswahl der Last sollte energiesparende Ausrüstung wie LED-Leuchten und frequenzgeregelte Klimaanlagen bevorzugt werden. Die Akkudesigner berücksichtigen die Auslegung der Akkukapazität sowie die Reihenschaltung und Parallelschaltung der Akkuzellen. Im photovoltaischen Stromerzeugungssystem werden häufig Blei-Säure-Akkus verwendet. Unter Berücksichtigung der Lebensdauer wird die Entladungstiefe in der Regel auf 0,5 bis 0,7 festgelegt. Ausgelegte Akkukapazität = (durchschnittlicher täglicher Stromverbrauch der Last * Anzahl aufeinanderfolgender bewölkter und regnerischer Tage) / Entladungstiefe des Akkus.
4. Plan für ein 4000-Watt-System für den Hausgebrauch
Stromverbrauch des Kunden: Beleuchtung (200 W, 6 Stunden täglich), Kühlschrank (50 W, 24 Stunden täglich), frequenzgeregelte Klimaanlage (1 PS, 12 Stunden täglich), Fernseher (50 W, 10 Stunden täglich). Weitere Haushaltsgeräte mit variabler Nutzungsdauer, darunter Waschmaschine, Desktop-PC, Elektroherd, Ventilator usw.
(1) Erfassung der Gesamtlastleistung
Die Beleuchtung beträgt 200 W, der Kühlschrank 50 W, die Klimaanlage 750 W, der Fernseher 50 W, die Waschmaschine 300 W, der Desktop-PC 200 W, der Elektroherd 1200 W und der Ventilator 100 W. Insgesamt sind das 2.850 W. Daher wird der 4000-Watt-netzunabhängige Solarwechselrichter ausgewählt.
(2) Erfassung des täglichen Stromverbrauchs
Die Beleuchtung verbraucht 1,2 kWh, der Kühlschrank 1 kWh, die Klimaanlage 2 kWh, der Fernseher 0,5 kWh, die Waschmaschine 1 kWh, der Desktop-PC 0,5 kWh, der Elektroherd 1 kWh, der Ventilator 0,5 kWh. Insgesamt sind das 7,7 kWh. Tatsächlich liegt der durchschnittliche tägliche Stromverbrauch bei etwa 6 bis 10 kWh. In einigen Regionen sind die Lichtverhältnisse günstig und ermöglichen täglich 4,5 Sonnenstunden. Für die Planung werden 9 Module mit je 280 W verwendet, deren Gesamtleistung 2,52 kW beträgt und 11,34 kWh erzeugen kann. Die Effizienz des netzunabhängigen Systems ist gering, etwa 0,8, sodass die durchschnittlich verfügbare tägliche Stromversorgung 9 kWh beträgt. Dies kann in der Regel mehr als 99 % des Strombedarfs decken.
(3) Berechnung des Akkus
Die elektrischen Geräte im Haushalt werden meist abends genutzt, tagsüber nur zu 20 %. Um die Lebensdauer des Akkus zu verlängern, kann die Akkukapazität entsprechend erhöht werden, da die tägliche Entladungstiefe gering ist. Dieses Projekt verwendet vier 12V 250AH Gel-Blei-Säure-Akkus, deren Gesamtkapazität 12.000 VAH beträgt. Die nutzbare Strommenge liegt bei etwa 8,4 kWh, der durchschnittliche Stromverbrauch in der Nacht bei 6 kWh. Die Entladungstiefe beträgt etwa 50 %.
