Pourquoi les installations solaires hors réseau ne sont-elles que 12, 24, 48 VDC?

Je cherche à produire 50kW pour un projet solaire hors réseau. Idéalement, j'aimerais avoir un système de batterie CC haute tension avec un onduleur de batterie haute puissance et un contrôleur de charge.

Je n'ai trouvé que quelques onduleurs et contrôleurs de charge à VDC élevé (384 V), et ils proviennent de fabricants chinois. J'hésite un peu à acheter chez eux.

Toutes les grandes entreprises n'utilisent que 12, 24 et 48 VDC. Je comprends que c'est le plus courant et que vous n'avez pas besoin de beaucoup d'énergie pour une maison, mais si je veux produire 50kW à 48 VDC c'est plus de 1000A! Si je fais fonctionner cela en parallèle avec des onduleurs 48V, j'aurais besoin de 10 onduleurs ou plus. C'est beaucoup de fil et de travail.

Y a-t-il une raison électrique pour laquelle ils plafonneraient ces produits à 48 VCC?

60VDC est la coupure pour la très basse tension de sécurité, ou SELV, comme indiqué dans UL 60950-1. En plus d'être une tension plus basse, les circuits TBTS sont également isolés du réseau par une isolation renforcée , qui a des exigences spécifiques d'espacement et de matériaux.

D'une manière générale, les tensions TBTS sont «sécurisées au toucher», ce qui signifie qu'elles ne présentent pas de risque de choc par contact direct. 48V tombe en dessous de ce seuil SELV avec une certaine marge. Il s'agit également de quatre batteries au plomb-acide de 12 V connectées en série (jusqu'à environ 58,8 V à pleine charge).

Les tensions supérieures au niveau SELV sont considérées dans la même classe que la tension de ligne et nécessitent généralement l'installation d'un électricien. Raison? Les électriciens connaissent les codes et les techniques de protection contre les contacts accidentels avec des tensions potentiellement mortelles, y compris l'utilisation de matériaux appropriés, la fusion, la protection contre les défauts, les boîtiers et le cheminement des câbles.

Plus ici: https://www.edn.com/electronics-blogs/power-supply-notes/4414411/What-does-SELV-mean-for-power-supplies

Le matériel de batterie assemblé sur place ne peut pas sortir du SELV sans aide

La principale limitation de la tension du bus CC de la plupart des systèmes hors réseau est en effet due aux limites de sécurité tactile (limite SELV 60VDC / 42.4VAC), mais ce n'est pas dû à qui l'installe. Au lieu de cela, le problème est la disponibilité des pièces: les cellules simples au plomb et les monoblocs des tailles utilisées dans les systèmes hors réseau ne sont généralement pas disponibles avec des terminaux tactiles en raison de problèmes de fabrication et de diversité des applications. Cela peut être quelque peu surmonté, selon l'environnement, en utilisant une armoire de batterie ou un local de batterie comme limite de sécurité tactile, ou en utilisant un système de stockage d'énergie assemblé et répertorié en usine, mais cela nous amène à notre prochain problème.

L'appareillage DC est difficile

Les appareillages secteur BT légers (MCB et systèmes de montage / bus associés, ainsi que les interrupteurs / sectionneurs fusibles, les fusibles secteur jardin, etc.) sont bien entendu facilement disponibles pour les tensions d'utilisation typiques. Cependant, seul un sous-ensemble limité de cet équipement est évalué pour le service CC du tout , et si c'est le cas, ses valeurs seront limitées à environ 48-60VDC. De plus, les sectionneurs et ceux destinés au service solaire , bien que conçus pour des tensions CC élevées, ont des valeurs nominales de court-circuit / d'interruption très faibles dans le grand schéma des choses. En effet, les panneaux solaires sont intrinsèquement sources limitées actuelles: quelle que soit la longueur de votre chaîne, elle ne produira pas beaucoup plus que son Isc évalué, peu importe ce que vous lui ferez, et les valeurs Isc des panneaux solaires sont de l'ordre des ampères, pas des kiloampères.

Cela signifie que vous avez besoin d' un appareillage beaucoup plus robuste pour le service CC à des tensions CC équivalentes à la tension secteur, car les chaînes de batterie sont capables de courants de défaut de classe kiloampère (facilement équivalents à une source secteur à cet égard), et les arcs CC sont indéfiniment autosuffisant une fois frappé par rapport aux arcs alternatifs qui s'éteindront automatiquement à zéro passage. En outre, même les équipements plus lourds tels que les disjoncteurs MCCB de type industriel et les interrupteurs à fusible robustes sont souvent limités à 125 V CC pour les disjoncteurs unipolaires et à 250 V CC pour la commutation omnipolaire dans les dispositifs multipolaires. Bien qu'il existe quelques commutateurs fusibles qui ont des valeurs nominales allant jusqu'à 600 V CC, ceux-ci sont également limités par l'incapacité d'obtenir des fusibles conçus pour le service OCPD secteur à des tensions supérieures à 300 V CC, à quelques exceptions près.

L'interruption des notations est un autre problème; atteindre des valeurs nominales de court-circuit du système CC supérieures à 10 kA nécessite une sélection minutieuse des composants, et même les modèles de disjoncteurs et de fusibles les plus robustes disponibles n'atteignent que 100 kA ou moins de la valeur d'interruption CC.

TLDR: Les industries utilisent des équipements industriels et les maisons n'ont pas de demande de 50 kW. Vraiment.

Cela ne peut pas être suffisamment souligné:

DC est un méchant client.

Il est facile de faire preuve de complaisance après avoir passé une jeunesse et une carrière à travailler avec des tensions dociles et inoffensives de 5-24 volts CC ou bien 100-240 V CA en raison de ses fréquentes traversées de zéro.

DC dans cette même gamme est un ivrogne moyen. Vous avez peut-être été dans de très vieilles maisons et des interrupteurs en feutre qui avaient un SNAP définitif lorsqu'ils étaient allumés ou éteints. Ce sont des retours en arrière lorsque l'alimentation de la maison était en courant continu, et ils enclenchent les contacts assez largement, pour assurer qu'un arc est éteint. Au-dessus de cela, vous avez besoin d'éruptions magnétiques ou pneumatiques conçues pour tirer l'arc vers le haut dans une goulotte d'arc pour le souffler. ,

Parce que si un arc DC se met en place, il brûlera presque tout. (notez dans cette vidéo de feu de tram comment l'arc met un certain temps à démarrer, puis déchire le tram. Continuez à regarder, il se rallume plusieurs fois.)

Regardez les valeurs nominales DC pour les contacteurs et les relais. Vous verrez des tensions nominales très différentes pour DC et AC.

Par conséquent, les différentes réglementations traitent les tensions CC plus élevées différemment des tensions basses, et les maximales admissibles sont généralement comprises entre 30 et 50 volts.

Arrêt rapide

Deux seuils particulièrement intéressants pour les installateurs de panneaux solaires (qui travaillent sur les toits) sont les règles d'arrêt rapide de 2017. Vous devez maintenant laisser des "allées" entre les groupes de panneaux solaires pour que les pompiers accèdent au toit. Cela signifie qu'il existe des groupes de panneaux qui sont toujours adjacents.

Pour les installations de toiture, il doit y avoir un interrupteur accessible aux pompiers qui fera deux choses. a) Réduisez la tension dans un groupe de panneaux à 80 volts CC ou moins. b) Réduisez la tension entre les groupes à 30 volts sont moins.

Si la tension du système est inférieure à 30 volts, aucune disposition particulière n'est nécessaire.

Ceci est un reflet direct des dangers des tensions plus élevées.

Pour une installation sans toit, ce n'est pas un problème; nourriture pour la pensée.

Les piles hautes sont moins fiables

Les batteries sont une série de cellules de 1,2 à 3 volts par cellule. En tant que tel, une pile haute tension a beaucoup de cellules. Plus il y a de cellules, plus le risque de défaillance d'une cellule limite ou arrête la pile entière. Les véhicules électriques ont largement conquis cela avec des batteries exotiques, mais vous n'aurez pas la même chance avec de vieux plomb-acides.

La tension de la batterie ne doit pas nécessairement correspondre à la tension solaire

Il n'y a rien de mal à la haute tension sur les panneaux solaires (en notant qu'elle est intrinsèquement limitée en courant) et à la basse tension sur la batterie (qui n'a littéralement pas de limite de courant et explosera joyeusement). Le contrôleur de charge solaire devrait être converti , mais il le fait de toute façon.

Avez-vous vraiment besoin de 50 kW?

Oui, si vous faisiez cela commercialement, par exemple pour gérer une batterie de serveurs ou faire pousser des lumières, alors oui - vous diviseriez le projet en plus petits morceaux qui correspondent au matériel de l'onduleur disponible. Gardez à l'esprit que plusieurs onduleurs ne peuvent pas avoir leurs sorties en parallèle car ils ne peuvent pas se synchroniser. S'ils tombent en décalage les uns avec les autres, cela équivaut à un court - circuit entre eux. Si vous vous attendez à ce que les onduleurs se synchronisent automatiquement entre eux ou avec la grille, réinitialisez cette attente.

S'il s'agit d'une entreprise commerciale, par exemple en faisant fonctionner des ventilateurs et des pompes dans une mine éloignée, vous vous lancez dans des équipements de niveau industriel et vous en payez le prix. Le fait même que vous envisagiez du fromage bon marché semble présenter cela comme un problème de propriétaire.

Maisons ne pas faire cette

L'un des grands sophismes du mouvement «éco» est la substitution d'unités afin que vous puissiez garder vos processus exactement les mêmes. Retirez l'engrais nitrate et insérez le guano de chauve-souris, retirez le Roundup et remplacez-le par la marque X, mais cultivez toujours exactement de la même manière . Élevez un bâtiment avec des pièces de marque X au lieu de la marque Y et revendiquez la certification LEED (car les pièces sont LEED), tout en ignorant complètement la protection solaire, la conception solaire passive et d'autres vrais gagnants dans le domaine. Cette approche est erronée. Tragiquement commun, mais mal dirigé.

Et honnêtement, nous obtenons cela de plus en plus des opposants: en regardant leur disjoncteur du panneau principal de 200A, en multipliant par 240 et en déclarant qu'ils ont besoin d'un système solaire de 48 kW, et le contrevenant jette immédiatement quelques chiffres pour prouver qu'un système solaire de 48 kW est totalement impraticable. Pas de merde Sherlock . Dans ce cas, le naysayer se tourne malicieusement vers la substitution d'unités spécifiquement pour assassiner l'idée d'une vie hors réseau même en étant pratique .

Bien sûr, maintenant, un système solaire de 50 kW est réellement imaginable, mais c'est toujours aussi ridicule que lorsque le contre-auteur l'a "proposé" .

Une maison au hasard sans mesures de conservation consomme en moyenne 1 000 watts. C'est selon les compagnies d'électricité, qui évaluent les centrales électriques en termes de nombre de maisons desservies. C'est un système assez gros (100 kWh de batterie pour traverser 100 heures de tempête), alors vous pensez aux charges et comment les minimiser, en particulier les charges de vampires qui sont 24x7.

L'onduleur est la plus grande charge de vampires dans toute votre maison. Même sans charge, il brûle 1% de sa puissance simplement en étant "filé". Donc, à 50 kW, c'est 500 watts de puissance - rappelez-vous ce qu'une maison moyenne non optimisée prend? Vous êtes donc déjà là - à quel point est-ce inutile!? Il est donc important de conserver les onduleurs en toute sécurité.

Et vous le faites en réfléchissant soigneusement aux charges et en n'ayant pas un client géant qui contrôle le dimensionnement de l'onduleur.

Conception de charge soignée

Voici ce que vous ne faites pas: évitez un nouveau réfrigérateur de 600 $ en gardant votre ancien, ce qui vous oblige à fournir une capacité PV supplémentaire de 3000 $ pour alimenter la chose inefficace.

Ainsi, par exemple, la chaleur des plinthes électriques est à droite. Four électrique, non; utiliser du gaz. La chaleur du bâtiment doit être une conception solaire passive puis un système solaire thermique actif. Eau chaude, solaire thermique avec réservoirs de stockage.

Il y a une exception: le pompage thermique est parfaitement raisonnable, car le rendement de 20% du panneau solaire x le rendement de 300 à 1 000% de la pompe à chaleur> ce que vous pourriez obtenir du solaire thermique.

Le résultat est la seule charge électrique vraiment importante que vous attendez d'une maison hors réseau est le climatiseur. L'onduleur serait dimensionné en conséquence .

En tant que tel, 48V est beaucoup de batterie.

Eau chaude sur demande

Cela fait très peu de temps que je réfléchis à la charge qui nécessite exactement 50 kW et ma conclusion est «la chaleur de l'eau chaude à la demande». Je les aime, mais oui. Non, juste non.

Cela viole deux principes: produire de la chaleur avec du PV et faire fonctionner un onduleur pour une charge qui ne se soucie pas du courant alternatif.

À tout le moins, vous le feriez directement depuis DC, peut-être en utilisant de simples convertisseurs de boost par canal qui ne tournent que lorsque le radiateur demande de la chaleur sur ce canal. Mais comme vous utiliseriez de toute façon 3 ou 4 canaux sur un grand radiateur, vous ne feriez que 3 radiateurs plus petits - situés juste au bout du robinet, donc vous éliminez ce temps d'attente très long et très cher pour que l'eau chaude atteigne le robinet (avec l'eau chaude du tuyau maintenant rempli étant abandonnée).

La bonne façon d'y parvenir est d'utiliser l'énergie solaire thermique avec un grand réservoir de stockage, éventuellement complété par une pompe à chaleur. Le réservoir de stockage est chauffé aussi chaud que possible (90 ° C si possible), puis il est soit échangé pour produire de l'eau chaude sanitaire, soit utilisé comme dissipateur de chaleur pour un chauffe-eau à pompe à chaleur (à réservoir). Les pompes à chaleur sont plus efficaces lors du pompage "en descente", de sorte que le grand réservoir solaire-thermique d'eau chaude économise beaucoup d'énergie PV même si elle n'est pas utilisée directement.

La tension CC optimale dépend également du type de piles que vous allez installer. Le plomb-acide est plus abordable mais s'use après environ 1000 cycles de charge-décharge, et pour un système haute tension, vous devez en câbler en série un grand nombre d'entre eux. Les batteries Li-Ion existent dans des configurations à haute tension (environ 500 V CC) qui réduisent considérablement les pertes de câblage car les courants sont alors proportionnellement plus faibles et ont une durée de vie beaucoup plus longue.

L'année dernière, j'ai installé un onduleur "blueplanet hybrid 10.0 TL3", 10KW, avec une plage de 200 à 900 V DC côté photovoltaïque et une batterie Li-Ion 500 V DC. La batterie est en effet de Chine (Byd-HV), l'onduleur est fabriqué en Allemagne. L'inconvénient est que le firmware pour activer le mode îlot ne vient que fin septembre 2019 en raison de retards de certification ... Sinon, cela fonctionne parfaitement depuis un an en mode interactif avec le réseau, et le câblage peut être fait avec Câbles solaires de 10 mm2 (pour mon installation de 10 KW).

Vous pouvez certainement obtenir des onduleurs CA hors réseau plus grands. Par exemple, SMA Sunny Island monte à 100 kW.

https://www.sma-america.com/products/battery-inverters/sunny-island-4548-us-6048-us.html

Et oui, j'hésiterais également sur les onduleurs fabriqués en Chine, si vous avez des alternatives. Heureusement, dans ce cas, je pense que oui.