Como dimensionar um banco de baterias solares (fórmula + exemplos)

Qual fórmula de dimensionamento de bateria solar você deve usar?

O ponto de partida correto depende do que se espera que a bateria faça. Antes de selecionar um produto, identifique se o projeto é para backup de interrupções, operação-fora-da rede ou autoconsumo solar diário. Para uma comparação mais ampla-no nível do sistema, reviseconfigurações de sistema solar-na rede, fora{1}}da rede e híbrido.

Fórmula para o tamanho da bateria reserva doméstica

Primeiro calcule a energia CA que as cargas protegidas devem receber:

Energia de carga necessária (kWh)=carga crítica média (kW) × tempo de backup (horas)

Em seguida, calcule a capacidade nominal da bateria:

Capacidade nominal da bateria (kWh)=energia de carga necessária × margem de projeto ÷ fração utilizável da bateria ÷ eficiência de entrega

Fórmula para dimensionamento-de banco de baterias solares fora da rede

Para um sistema-fora da rede que deve operar durante noites ou períodos de produção solar fraca:

Capacidade nominal da bateria (kWh)=carga diária de projeto (kWh/dia) × dias de autonomia × margem de projeto ÷ fração utilizável da bateria ÷ eficiência de entrega

Fórmula para autoconsumo solar-

Estime a quantidade de energia solar diurna que pode ser armazenada e a quantidade de carga noturna ou noturna que pode utilizá-la. A meta prática-de mudança de energia geralmente é o menor desses dois valores:

Meta de energia alterada=o menor excedente solar esperado ou planejado após a-carga do pôr do sol

Em seguida, ajuste a meta para a capacidade utilizável da bateria e as perdas de conversão aplicáveis. A arquitetura do sistema é importante porqueArmazenamento de bateria acoplado-CA e CC{1}}acopladocolocar perdas de conversão em diferentes pontos no caminho da energia.

Variáveis ​​e unidades da fórmula do banco de baterias solares

Use um termo para cada quantidade física. Misturar potência de carga com energia de carga é uma das causas mais comuns de resultados incorretos.

A potência em kW determina quanta carga o sistema pode suportar em um determinado momento. A energia em kWh determina quanto tempo ela pode suportar essa carga. A distinção é explicada mais detalhadamente neste guia parakW versus kWh no armazenamento de energia da bateria.

Defina o que a bateria deve fazer

Backup residencial de emergência

Um sistema de backup doméstico deve começar com uma lista de carga-protegida, e não com o consumo anual ou diário total de eletricidade da residência. Identifique os circuitos que devem permanecer disponíveis, a duração prevista da interrupção e os aparelhos que podem funcionar ao mesmo tempo.

Os painéis solares não fornecem energia de reserva automaticamente durante uma interrupção da rede. O sistema necessita de equipamentos projetados para se desconectar com segurança da rede e formar um sistema elétrico ilhado. O Departamento de Energia dos EUA explica este requisito operacional em seuorientação solar e resiliência.

Total-tempo livre-da rede elétrica

Uma bateria-fora da rede deve cobrir períodos em que a geração solar está abaixo da carga. O projeto normalmente considera a demanda durante a noite, reduções solares sazonais, períodos nublados consecutivos, consumo em espera do inversor, bombas intermitentes, disponibilidade do gerador e opções de redução de-carga.

O armazenamento e a geração solar devem ser dimensionados em conjunto. Uma bateria maior não melhora a resiliência se o painel solar ou gerador não puder substituir a energia removida dela. Para contexto adicional, veja como umsistema de armazenamento de energia solar coordena geração, armazenamento e cargas.

Autoconsumo solar diário-

Uma bateria de auto{0}consumo armazena o excesso de energia solar diurna para uso posterior. A capacidade útil é limitada tanto pela quantidade de excedente solar disponível para carregamento como pela quantidade de procura nocturna ou nocturna disponível para descarga. Vários dias de armazenamento podem permanecer subutilizados num sistema que produz apenas um excedente diário modesto.

Calcule as cargas que você realmente precisa

Crie uma tabela de carga antes de selecionar uma bateria. Use energia medida sempre que possível, especialmente para equipamentos que ligam e desligam.

Esta tabela é um fluxo de trabalho ilustrativo-baseado em medição, e não um perfil familiar universal. Substitua todos os valores pelos dados do projeto.

Use um protocolo de medição prático

1. Meça dispositivos plug-por pelo menos 24 a 72 horas, quando possível.
2. Use o monitoramento do inversor ou dados de intervalo da concessionária para identificar a carga base de 24 horas e a demanda sustentada mais alta.
3. Registre as cargas sazonais separadamente, incluindo aquecimento, resfriamento, desumidificação e bombeamento de água.
4. Verifique a-corrente de partida do motor na documentação do equipamento ou peça a medição por um profissional qualificado.
5. Use um período representativo de alta-carga em vez de um dia conveniente de baixo-consumo.

O DOEMétodo de avaliação do sistema de armazenamento de energia da bateriaenfatiza o valor dos dados de séries temporais-medidas para avaliar o desempenho real do armazenamento de energia. O mesmo princípio melhora a estimativa preliminar de carga: os perfis medidos são geralmente mais úteis do que um total mensal.

Cargas críticas, flexíveis e excluídas separadas

• Cargas críticas:equipamento que deve operar durante todo o período de projeto.
• Cargas flexíveis:equipamentos que podem funcionar por menos horas ou apenas enquanto a geração solar estiver disponível.
• Cargas excluídas:equipamentos que permanecerão desligados durante uma interrupção ou período-de baixa energia.

Aquecimento por resistência elétrica, ar condicionado central, grandes aquecedores de água, cozinha elétrica, secadoras de roupas e carregamento de veículos elétricos podem dominar os requisitos de armazenamento. Remover ou programar uma carga-de alta energia pode reduzir o tamanho da bateria mais do que eliminar muitos dispositivos eletrônicos pequenos.

Escolha horas de backup ou dias de autonomia

Horário de backup para uma rede{0}}casa conectada

Selecione uma meta com base nos padrões locais de interrupção e no serviço que a bateria deve fornecer: uma interrupção curta, uma noite, uma interrupção noturna, um dia inteiro ou uma emergência mais longa. Decida se o carregamento solar estará disponível enquanto a rede estiver desligada e se o sistema atende a um painel de carga-protegido ou a todo o edifício.

Dias de autonomia para um sistema-fora da rede

Autonomia é o período durante o qual a bateria pode atender à carga projetada sem carga suficiente. Escolha-o usando condições solares sazonais, períodos nublados esperados, confiabilidade do gerador, disponibilidade de combustível,-opções de redução de carga, acesso ao local e as consequências de ficar sem energia.

Um local remoto sem fonte de backup confiável pode precisar de mais armazenamento do que uma propriedade com gerador automático. O número correto de dias de autonomia é, portanto, uma decisão do projeto e não uma percentagem fixa da indústria.

Use um perfil de carga de intervalo quando disponível

Duas casas podem consumir 10 kWh por dia cada, mas requerem baterias e inversores diferentes. Pode-se usar a energia gradualmente; o outro pode ligar uma bomba, um micro-ondas e um ar condicionado ao mesmo tempo. O kWh diário pode ser semelhante, enquanto o kW de pico e a corrente de pico são muito diferentes.

Calcule a capacidade utilizável da bateria usando DoD, eficiência e reserva

Use a capacidade utilizável do fabricante

A profundidade de descarga descreve quanto da capacidade nominal é removida durante um ciclo. Para dimensionamento preliminar, use a faixa operacional permitida pelo fabricante da bateria ou a energia utilizável declarada, em vez de aplicar uma porcentagem universal.

Se uma bateria de 10 kWh for operada em uma faixa utilizável de 90%, ela fornecerá 9 kWh de energia útil da bateria CC antes que outras perdas posteriores sejam consideradas:

10 kWh × 0.90=9 kWh

As condições de garantia, o estado{0}}de-limites de carga, a taxa de descarga, a idade da bateria, a temperatura, as configurações de firmware e o ciclo de vida desejado podem alterar a janela operacional prática.

Use a métrica de eficiência correta

Para o tempo de execução de interrupção, o valor relevante geralmente é a eficiência-unidirecional da energia armazenada da bateria para as cargas protegidas. A eficiência-de ida e volta inclui carga e descarga e não deve ser substituída automaticamente em um cálculo-de tempo de execução unidirecional.

Verifique também se a energia utilizável publicada de um produto é medida no lado CC ou fornecida no lado CA. Se o fabricante já declarar energia CA utilizável, subtrair novamente as perdas do inversor poderá duplicar-a mesma perda.

Os Laboratórios Nacionais SandiaManual de armazenamento de eletricidade DOE/EPRIfornece um contexto técnico mais amplo sobre desempenho de armazenamento, energia, eficiência e design específico-de aplicativos.

Aplicar uma margem de design transparente

Uma margem de projeto pode cobrir incertezas modestas, pequenas cargas futuras, redução de capacidade ao longo do tempo e pequenos erros nas estimativas de tempo de execução. Declare-o explicitamente como um multiplicador, como 1,10 para um subsídio de 10%.

A margem não deve ocultar dados de carga deficientes. Melhore primeiro a estimativa de carga e depois adicione uma reserva deliberada.

Verifique a temperatura e as condições de instalação

A temperatura pode afetar a capacidade utilizável, a aceitação da carga, a potência de descarga, o comportamento do BMS e a vida útil. Revise a temperatura mínima de carga e descarga do produto, as curvas de redução, o aquecimento-incorporado, a classificação do gabinete, os requisitos de resfriamento ou ventilação e os limites de instalação interna ou externa.

Não aplique um fator climático-frio a cada bateria de lítio. A química, o design da célula, o gerenciamento térmico e as configurações do BMS são diferentes. Esta visão geral defaixas de temperatura operacional da bateria de lítiopode ajudar a identificar os dados do produto que devem ser verificados.

Converta kWh em Ah e escolha 12V, 24V ou 48V

A energia da bateria pode ser especificada em quilowatts{0}}horas, enquanto alguns sistemas são descritos em amp-horas. A relação é:

Energia (Wh)=tensão (V) × capacidade (Ah)

Portanto:

Capacidade (Ah)=energia (kWh) × 1.000 ÷ tensão nominal do sistema

Esses valores de amp{0}}hora representam aproximadamente a mesma energia nominal. Tensão mais alta reduz a corrente necessária para fornecer a mesma potência, o que pode reduzir o tamanho do condutor e a queda de tensão quando o sistema é projetado corretamente.

Como selecionar a tensão do sistema

• 12V:comum em pequenos sistemas DC e aplicações móveis modestas.
• 24V:frequentemente usado em sistemas móveis médios, cabines, sistemas marítimos e instalações de inversores menores.
• 48V:comum em sistemas estacionários maiores porque a mesma energia pode ser fornecida com corrente mais baixa do que 12V ou 24V.

A tensão é uma decisão de arquitetura. A bateria, o inversor, o controlador de carregamento, os dispositivos de proteção, os condutores, as comunicações e quaisquer cargas de corrente-contínua devem ser compatíveis. Sistemas maiores também podem usar recursos-projetados especificamentebaterias de alta-tensão para armazenamento de energia, que não devem ser tratados como simples extensões de um banco DIY de 48V.

Verifique a potência do inversor, o surto de partida e os limites do BMS

Um banco de baterias pode ter kWh suficientes e ainda assim não ser capaz de iniciar ou operar o equipamento necessário. A capacidade determina o tempo de execução. Os limites de potência e corrente determinam se o sistema pode atender à carga.

Verifique a alimentação contínua

Adicione as cargas que podem operar simultaneamente. A saída CA contínua do inversor deve exceder a demanda esperada sob as condições de temperatura e operação aplicáveis.

Estime a corrente do lado-da bateria com:

Corrente CC (A) ≈ Potência de carga CA (W) ÷ tensão da bateria (V) ÷ eficiência do inversor

Por exemplo, uma carga CA de 4.000 W alimentada por uma bateria de 48 V através de um inversor com eficiência de 92% requer aproximadamente:

4,000 ÷ 48 ÷ 0.92 ≈ 90.6 A

O banco de baterias, BMS, barramentos, cabos, fusíveis, seccionadores e terminais devem ser projetados para a corrente aplicável.

Verifique o surto de partida do motor e do compressor

Bombas de poço, refrigeradores, freezers, condicionadores de ar, ferramentas de oficina e compressores de ar podem consumir substancialmente mais energia durante a inicialização do que durante a operação normal. Verificar:

• Potência de pico do inversor
• Duração permitida do surto
• Pico de bateria BMS-limite de corrente e duração
• Queda de tensão durante a inicialização
• Classificações de condutor e{0}dispositivo de proteção
• Se várias cargas podem iniciar ao mesmo tempo

Um número de pico sem duração não é suficiente. Um sistema que pode produzir uma saída muito alta por uma fração de segundo ainda pode falhar na partida de um motor que precisa de corrente elevada por vários segundos.

Verifique o BMS da bateria e os limites paralelos

Para cada módulo proposto, revise a corrente máxima de descarga contínua, a corrente de descarga de pico, a duração de pico permitida, a corrente de carga máxima, a faixa recomendada do inversor, a contagem paralela máxima, o layout de fiação aprovado e a compatibilidade de comunicações.

Os módulos paralelos nem sempre compartilham a corrente perfeitamente. O comprimento do cabo, a resistência do terminal, a temperatura, o estado da carga e a condição do módulo podem afetar o compartilhamento de corrente. Use o barramento aprovado pelo fabricante ou um arranjo de fiação de{2}comprimento igual.

Calcule a contagem de módulos de bateria e a capacidade de recarga

Calcule o número de módulos de bateria

Uma vez conhecida a capacidade nominal necessária:

Número de módulos=capacidade nominal necessária ÷ capacidade nominal por módulo compatível

Arredonde para uma configuração-de módulo inteiro aprovada.

Se o projeto exigir 14,2 kWh e um módulo compatível for avaliado em 5,12 kWh:

14.2 ÷ 5.12 = 2.77

O cálculo da capacidade requer, portanto, pelo menos três módulos, fornecendo 15,36 kWh de energia nominal. A seleção final ainda deve passar nas verificações de potência, BMS, paralelo, inversor, tensão, comunicações e instalação.

Verifique a rapidez com que a bateria pode ser recarregada

Primeiro estime a energia que deve ser devolvida à bateria:

Recarregue a energia da bateria ≈ energia da bateria retirada ÷ eficiência de carregamento

Em seguida, estime o melhor-tempo de carregamento:

Tempo de recarga (horas) ≈ energia de recarga (kWh) ÷ potência média de carga da bateria (kW)

Para um sistema-carregado por energia solar, não use a energia nominal do array como se ela estivesse disponível continuamente. Verifique a produção mensal ou sazonal esperada, cargas diurnas, recorte, sombreamento, temperatura e limites do-controlador de carga. OCalculadora NREL PVWattspode fornecer uma estimativa-com base na localização da produção de energia fotovoltaica para esta etapa de triagem.

Para um projeto-fora da rede, a produção solar esperada deve cobrir tanto as cargas diurnas quanto a energia necessária para restaurar a bateria após a descarga. Se a bateria não puder se recuperar antes do próximo-período solar fraco, aumentar o armazenamento por si só não resolverá o problema de confiabilidade.

Tabela de dimensionamento de banco de baterias solares

O gráfico a seguir usa um dia de autonomia, uma fração de bateria utilizável de 90%, eficiência de entrega de 92% e uma margem de design de 10%. É apenas um exemplo.

Alterar qualquer suposição altera o resultado. Uma fração utilizável menor, menor eficiência, maior período de autonomia ou maior margem aumentam a capacidade nominal necessária.

Exemplos de dimensionamento de baterias solares funcionais

Exemplo 1: Cabine pequena-fora da rede

Assumir:

• Carga diária projetada: 2,8 kWh
• Autonomia: 1,5 dias
• Fração de bateria utilizável: 90%
• Eficiência de entrega: 92%
• Margem de projeto: 10%

Capacidade nominal necessária=2.8 × 1,5 × 1,10 ÷ 0,90 ÷ 0,92 ≈ 5,58 kWh

Em 24V nominal:

5,58 × 1.000 ÷ 24 ≈ 233 Ah

O próximo passo é selecionar uma configuração de módulo aprovada acima de 5,58 kWh e verificar se o inversor, os limites de corrente da bateria e a fonte de carregamento sazonal podem suportar as cargas da cabine.

Exemplo 2: Backup doméstico essencial

Suponha que as cargas protegidas tenham uma média de 1,2 kW e devam operar por oito horas.

Energia de carga necessária=1.2 kW × 8 horas=9.6 kWh

Usando uma fração utilizável de 90%, eficiência de entrega de 92% e margem de 10%:

Capacidade nominal necessária=9.6 × 1,10 ÷ 0,90 ÷ 0,92 ≈ 12,75 kWh

Este resultado aborda o tempo de execução da energia. Isso não prova que a bateria e o inversor possam dar partida no maior motor ou suportar a carga máxima simultânea.

Exemplo 3: De uma tabela de carga medida à contagem de módulos

Usando a tabela ilustrativa de carga medida acima:

• Energia de carga-crítica diária: 3,71 kWh
• Autonomia: 1,5 dias
• Fração de bateria utilizável: 90%
• Eficiência de entrega: 92%
• Margem de projeto: 10%

Capacidade nominal necessária=3.71 × 1,5 × 1,10 ÷ 0,90 ÷ 0,92 ≈ 7,39 kWh

Se o módulo de bateria aprovado tiver capacidade nominal de 5,12 kWh:

7,39 ÷ 5.12=1.44 módulos

O projeto precisa de pelo menos dois módulos por capacidade, para 10,24 kWh nominais. Antes de aceitar essa configuração, verifique a corrente contínua dos dois-módulos, o surto de inicialização, a corrente de carga, a aprovação paralela e as comunicações do inversor.

Quanto tempo durará uma bateria de 10 kWh?

O tempo de funcionamento depende da energia utilizável entregue às cargas, não apenas da classificação nominal. Com uma bateria nominal de 10 kWh, uma fração utilizável de 90% e uma eficiência de entrega de 92%:

Energia CA utilizável ≈ 10 × 0,90 × 0.92=8.28 kWh

Esses valores pressupõem uma carga média constante e não incluem redução adicional de temperatura, envelhecimento, reserva de BMS ou limitações específicas-do equipamento.

LiFePO4 vs. Chumbo{2}}Dimensionamento do banco de baterias ácidas

A química da bateria afeta como a capacidade nominal, a taxa de descarga, os requisitos de carga, a manutenção e as condições de instalação se traduzem no desempenho utilizável do sistema. Para uma comparação mais ampla, revise estesdiferentes tipos de baterias para armazenamento de energia.

Para baterias de-chumbo-ácido, use as curvas de descarga e a capacidade nominal de-horas do fabricante. Uma simples conversão de Ah na tensão nominal pode superestimar a energia disponível quando a corrente de descarga for alta.

Erros comuns de dimensionamento de baterias solares

• Multiplicando pelo tempo duas vezes:se a energia de carga já estiver em kWh, não multiplique novamente pelas horas de reserva.
• Confundindo kW com kWh:a energia armazenada e a potência entregue são especificações separadas.
• Usando o consumo total da família para backup essencial:tamanho de cargas protegidas quando o projeto não é um backup-doméstico completo.
• Usando watts de placa como consumo médio:o equipamento de ciclismo geralmente usa menos energia do que sugere seu consumo máximo.
• Ignorando o consumo em espera:uma carga contínua de 40 W consome 0,96 kWh por dia.
• Usando a eficiência-de ida e volta em um cálculo-unidirecional sem verificação:combinar o valor da eficiência com o caminho de energia que está sendo calculado.
• Ignorando o pico de partida-do motor:kWh suficiente não garante a inicialização bem-sucedida da bomba ou do compressor.
• Projetando para condições solares-médias anuais:a confiabilidade-fora da rede geralmente é controlada pela estação menos favorável.
• Supondo que as baterias sempre possam ser adicionadas posteriormente:a expansão pode ser restrita por idade, estado de carga, firmware, comunicações, limites do inversor ou política do fabricante.
• Ignorando o tempo de recarga:uma bateria que não consegue se recuperar antes do próximo período de descarga não é um projeto resiliente.

Segurança, Escopo e Metodologia Editorial

Este artigo fornece uma estrutura de cálculo preliminar para comparar os requisitos de capacidade da bateria. Ele não é um desenho de projeto elétrico, um manual de instalação, uma revisão de conformidade-de código ou um substituto para a engenharia-específica do produto.

O método de cálculo separa potência de carga, energia de carga, capacidade nominal, capacidade utilizável, eficiência de entrega e margem de projeto para que cada suposição possa ser verificada. Os exemplos resolvidos revelam os seus pressupostos e não devem ser tratados como recomendações universais de produtos.

A seleção e instalação finais do equipamento devem ser revisadas por um profissional qualificado e familiarizado com os requisitos locais aplicáveis ​​de eletricidade, construção e incêndio. Nos Estados Unidos, a UL explica queUL 9540 avalia sistemas e equipamentos de armazenamento de energia como sistemas integrados, incluindo baterias, conversão de energia, controles, proteção e comunicações.

Perguntas frequentes