So dimensionieren Sie die Batteriebank

Batteriebank für netzunabhängiges Solarsystem

Nachdem Sie den Stromverbrauch an einem durchschnittlichen Tag kennen, müssen Sie diesen in die im Batteriespeicher gespeicherte Energiemenge, auch bekannt als Batteriespeicherkapazität, umrechnen. Die folgende Tabelle bestimmt die benötigte Batteriespeicherkapazität:

• Der Wirkungsgrad des Wechselrichters
• Die Anzahl der Tage, die die Batteriebank voraussichtlich ohne Aufladen hält
• Die Betriebstemperatur und Spannung der Batterien
• Wie viel von der Batteriebank möchten Sie nutzen?
• Die Spannung, mit der die Batterie betrieben werden soll

Lassen Sie uns nun näher auf diese Variablen eingehen und erklären, wie Sie sie alle zusammenfügen, damit Sie die benötigte Batteriekapazität genau bestimmen und den Batteriespeicher für Ihr Solarsystem erstellen können.

Beim Kauf von Solarbatterien für den gesamten Batteriespeicher stehen Ihnen verschiedene Optionen zur Verfügung. Der gängigste Batterietyp für netzunabhängige PV-Systeme ist eine 12-V-Solarbatterie. Diese Batterien werden seriell-parallel geschaltet, um die gewünschten Spannungs- und Kapazitätseigenschaften zu erreichen.

Wechselrichtereffizienz

Die Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom ist immer mit Verlusten verbunden. Deshalb kann kein Wechselrichter 100 Prozent der Energie eines Batteriespeichers an die Verbraucher liefern. Wenn der Wechselrichter jedoch effizienter invertiert, kann der Batteriespeicher kleiner ausfallen. Berücksichtigen Sie die an den Wechselrichter angeschlossenen Wechselstromverbraucher und seine Größe (gemessen an der Leistungsabgabe), um den Wirkungsgrad zu maximieren. Damit meine ich: Setzen Sie keinen 5-kW-Wechselrichter ein, wenn der Kunde nur 1 kW verbraucht. Versuchen Sie stattdessen, die Verbraucher und den Wechselrichter aufeinander abzustimmen.

Wechselrichterhersteller geben die Wirkungsgrade ihrer Geräte in allen Datenblättern an. Wichtig ist, dass die angegebene Zahl den Spitzenwirkungsgrad angibt. Dieser liegt fast immer bei beeindruckenden 97 Prozent. Ein Wirkungsgrad von 97 Prozent ist zwar möglich, aber nicht immer erreichbar. Die meisten batteriebasierten Systeme erreichen regelmäßig einen Wirkungsgrad von knapp 90 Prozent. Wie alle Variablen variiert auch dieser Prozentsatz, aber 90 Prozent sind ein fairer Wert, der den typischen Betriebswirkungsgrad eines Wechselrichters darstellt.

Die Tage der Autonomie

Die Anzahl der Tage, an denen die Batteriebank Ihren elektrischen Lebensstil aufrechterhalten soll, wird als Autonomietage bezeichnet. Anders ausgedrückt: Es ist die Anzahl der Tage, an denen die Batteriebank Ihren durchschnittlichen täglichen Energiebedarf decken soll, ohne dass sie von der Solaranlage, dem Laderegler, dem Generator oder dem Energieversorger aufgeladen werden muss.

Das lokale Klima spielt bei dieser Entscheidung in der Regel eine wichtige Rolle, ebenso wie das verfügbare Budget für das Projekt. Wie Sie sich vorstellen können, werden mit zunehmender Autonomiezeit mehr Batterien benötigt und die Systemkosten steigen.

Viele netzunabhängige Anwendungen im privaten Bereich basieren auf einer Autonomie von zwei oder drei Tagen, während die meisten netzgekoppelten Systeme nur einen Tag benötigen. Bei gewerblichen Anwendungen ist das Netz in der Regel vorhanden, sodass ein Tag Autonomie ausreichen sollte. Sie können weitere Tage Autonomie in Betracht ziehen, müssen dann aber die Größe des Batteriespeichers und der PV-Anlage berücksichtigen.

Die für den Batteriebetrieb verwendete Temperatur

Die Betriebstemperatur von Batterien beeinflusst ihre Kapazität. Je kälter eine Batterie ist, desto geringer ist ihre Kapazität. Warum? Weil die Effizienz der chemischen Reaktion im Inneren der Batterie bei unterschiedlichen Temperaturen zu- und abnimmt. Batteriehersteller veröffentlichen die genauen Temperaturauswirkungen auf ihre Batterien. Sie sollten diese Daten daher für die von Ihnen in Betracht gezogene Batterie finden können, um den richtigen Temperatur-Derate-Faktor (den Prozentsatz der Kapazität, die Sie je nach Temperatur von einer Batterie erwarten können) anzuwenden.

Da die meisten Systeme Blei-Säure-Batterien verwenden und die Technologie bei den verschiedenen Herstellern weitgehend einheitlich ist, empfehlen wir Ihnen, einen einheitlichen Temperatur-Derate-Faktor zu verwenden: 90 Prozent. Dieser Prozentsatz entspricht einer Batterietemperatur von etwa 15,5 Grad Celsius und gibt an, dass die Batterie bei dieser Temperatur nur noch 90 Prozent ihres Nennwerts liefern kann (die Kapazität der Batterie bei 25 Grad Celsius).

Entladetiefe (DoD) der Batteriebank

Die Entladetiefe (DOD) ist die Menge an Energie, die dem Batteriespeicher entnommen wird. Sie wird im Allgemeinen als Prozentsatz angegeben. Je höher der DOD-Wert, desto mehr Energie hat der Batteriespeicher verlassen. Wie bei den Tagen der Autonomie kann (und sollte) die DOD im Systemdesignprozess vorgegeben werden, da sie die Gesamtgröße des Batteriespeichers beeinflusst. Bei Betrachtung eines typischen Diagramms der Batteriehersteller, das die Anzahl der Zyklen im Vergleich zur DOD darstellt, wird deutlich: Je kleiner die DOD ist, desto größer ist die Anzahl der Zyklen (ein Zyklus ist der Zeitraum zwischen der Entladung der Batteriekapazität und ihrer Wiederaufladung). Obwohl diese Tatsache vermutlich nicht überraschend ist, bedeutet sie nicht, dass Sie versuchen sollten, die Batterien zu verhätscheln und ein System um eine kleine DOD herum zu konstruieren.

Entscheidend ist, zu ermitteln, an welcher Stelle der Kurve die maximale Energiemenge über die Lebensdauer der Batteriebank abgegeben wird. Um die ideale Entladetiefe (DOD) einer Batteriebank zu bestimmen, betrachten Sie das Gesamtbild in grafischer Form. Ein Diagramm zeigt die Zyklenzahl einer Batteriebank im Verhältnis zum prozentualen Entladegrad. Die folgende Abbildung zeigt ein Beispiel.

Wenn die Batteriebank in der obigen Tabelle eine Nennleistung von 400 Amperestunden (Ah) hat, können Sie anhand dieser Information die über die Lebensdauer der Batteriebank gelieferte Energie abschätzen. Aus der Tabelle geht hervor, dass diese Batteriebank bei einer Entladetiefe von nur 30 Prozent etwa 2000 Zyklen hält. Bei einer Entladetiefe von 70 Prozent reduziert sich die Zyklenzahl auf etwa 600. Welche Entladetiefe liefert also über die Lebensdauer der Batteriebank mehr Energie? Rechnen Sie es aus:

• 400 Ah × 30% DOD pro Zyklus × 2000 Zyklen = 240.000 Ah
• 400 Ah × 50% DOD pro Zyklus × 1000 Zyklen = 200.000 Ah
• 400 Ah × 70% DOD pro Zyklus × 600 Zyklen = 168.000 Ah

Auch wenn die Reduzierung der Entladetiefe auf den ersten Blick attraktiv erscheint, da sie die Gesamtlebensdauer des Batteriespeichers verlängert, führt sie zu einer geringeren Anzahl gelieferter Amperestunden. Da die Aufgabe des Batteriespeichers darin besteht, Energie zu speichern und abzugeben, sollten Sie die Batterien häufiger entladen, um Ihre Investition zu maximieren (und die Anschaffungskosten des Systems zu senken). Bei der Bewertung der Entladetiefe verwenden die meisten Batteriespeicher einen Wert zwischen 50 und 80 Prozent. Es gibt jedoch keine eindeutige „richtige“ Antwort. Sie müssen die Optionen prüfen und einen Vorschlag basierend auf den Informationen in den Diagrammen des Herstellers der im Speicher verwendeten Batterien machen.

Achten Sie darauf, dass Ihr Design niemals einen Entladewiderstand von 80 Prozent (bei Blei-Säure-Batterien) überschreitet. Eine wiederholte Reduzierung der Kapazität einer Batteriebank um mehr als 80 Prozent schadet den Batterien und führt zu einem vorzeitigen Ausfall der Bank.

Nennspannung

Bei der Installation batteriebasierter Systeme müssen Sie die Nennspannungen der Batteriebänke von 12, 24 oder 48 V DC berücksichtigen. Diese Spannungen entsprechen den Eingangsanforderungen der meisten handelsüblichen Wechselrichter.

Systeme mit Wechselrichtern, die relativ geringe Wechselstromleistungen (weniger als 2.000 W) erzeugen, könnten den Einsatz eines 24-V-Batteriespeichers rechtfertigen. Dank der Fortschritte in der Wechselrichter- und Ladereglertechnologie erfreuen sich jedoch 48-V-Batteriespeicher zunehmender Beliebtheit. (Beachten Sie, dass die hier aufgeführten Wattzahlen keine absoluten Werte darstellen. Es handelt sich vielmehr um allgemeine Richtlinien. Sie dienen dem Ziel, die Leiterquerschnitte durch Erhöhung der Spannungen und Reduzierung der Stromstärken gering zu halten.)

Ermitteln Sie die benötigte Batteriekapazität

Schritt 1. Bestimmen Sie den durchschnittlichen täglichen AC-Verbrauch in Wattstunden (oder Kilowattstunden).

Als Beispiel nehmen wir 5 kWh als durchschnittlichen täglichen Energieverbrauch an.

Schritt 2. Teilen Sie den Wattstundenwert aus Schritt 1 durch die geschätzte Wechselrichtereffizienz.

Dieser Schritt erhöht die benötigte Kapazität, da ein Wechselrichter bei der Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom einen Teil seiner gespeicherten Kapazität verliert (ein Verlust von 10 Prozent ist üblich). Im Beispiel ergibt sich: 5 kWh ÷ 0,9 = 5,56 kWh (90 Prozent ist ein angemessener Wirkungsgrad).

Schritt 3. Addieren Sie den Energieverbrauch von Gleichstromlasten zum Wattstundenwert in Schritt 2.

Dieser Wert stellt den täglichen Gesamtenergieverbrauch aller an die Batteriebank angeschlossenen Verbraucher dar. Bei drei 20-W-DC-LED-Leuchten, die täglich fünf Stunden leuchten, beträgt der gesamte DC-Energieverbrauch 3 Leuchten × 20 W × 5 Stunden = 300 Wh oder 0,3 kWh. Der Gesamtenergieverbrauch beträgt somit 5,56 kWh + 0,3 kWh = 5,86 kWh.

Schritt 4. Multiplizieren Sie den Energiewert aus Schritt 3 mit den gewünschten Autonomietagen.

Dadurch erfahren Sie, wie viel Energie die Batteriebank speichern muss (zwei oder drei Tage sind ein typischer Wert). In meinem Beispiel wird eine Autonomie von drei Tagen angestrebt, sodass der neue Energiewert 5,86 kWh × 3 Tage = 17,58 kWh beträgt.

Schritt 5. Teilen Sie den in Schritt 4 berechneten Wert durch den vom Batteriehersteller angegebenen Temperaturkompensationswert.

90 % der Hersteller schätzen die angepasste Kapazität auf 15,5 °C (60 °F). Wenden Sie hier den Herstellerwert auf die geschätzte Temperatur des betreffenden Batteriespeichers an. Wenn der Beispiel-Batteriespeicher also bei 15,5 °C (60 °F) gelagert wird, berechnen Sie: 17,58 kWh ÷ 0,9 = 19,54 kWh.

Schritt 6. Teilen Sie den Wert aus Schritt 5 durch die zulässige Entladetiefe.

Je höher der Entladegrad, desto kleiner kann der Batteriespeicher sein, da Sie einen größeren Teil der Kapazität nutzen (etwa 50 bis 80 Prozent). In diesem Beispiel verwenden wir einen Entladegrad von 50 Prozent, daher ergibt sich folgende Rechnung: 19,54 kWh ÷ 0,5 = 39,08 kWh.

Schritt 7. Teilen Sie den Wert aus Schritt 6 durch die gewünschte Nennspannung für die Batteriebank.

Batterien werden in Amperestunden, nicht in Wattstunden angegeben. Anhand der Nennspannung des Batteriespeichers können Sie die benötigten Amperestunden bestimmen (verwenden Sie hier einen Wert von 12 V, 24 V oder 48 V). Das System in diesem Beispiel wird mit 48 V installiert, um die Stromwerte möglichst gering zu halten und die Leiterquerschnitte zu reduzieren. Die Rechnung: 39,08 kWh ÷ 48 V = 0,815 kAh oder 815 Ah.

Verkabelung der Batteriebank

Sobald Sie wissen, welche Kapazität und Nennspannung der Batteriebank haben soll, können Sie die verschiedenen Batterieoptionen prüfen und entscheiden, welche für die von Ihnen gebaute Batteriebank am besten geeignet ist.

Um die Anzahl der in einem String erforderlichen Batterien zu ermitteln, teilen Sie die Nennspannung der Batteriebank durch die Nennspannungen der einzelnen Batterien.

Aus dem Beispiel haben wir berechnet, dass die Batteriebank eine Kapazität von 815 Ah bei 48 V haben muss. Nehmen wir an, wir möchten zwei Batteriestränge in unserer Bank unterbringen. Dann benötigen wir eine Batterie mit 408 Ah (die schwer zu finden ist, sodass wir uns möglicherweise für eine Batterie mit 400 Ah entscheiden müssen). Batterien mit dieser Kapazität sind üblicherweise in 6-V-Ausführungen erhältlich. Wenn Sie also eine Bank für 48 V verdrahten und jede Batterie 6 V hat, wissen Sie, dass die Batteriestränge acht Batterien lang sein sollten. Die Rechnung lautet: 48 V ÷ 6 V = 8 Batterien pro Strang.

Beste Batterien für Solar-PV-Systeme

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