太陽電池バンクのサイズを決定する方法 (計算式と例)

どの太陽電池のサイジング公式を使用する必要がありますか?

正しい開始点は、バッテリーが何を期待しているかによって異なります。製品を選択する前に、そのプロジェクトが停電バックアップ、-常時オフの系統運用-、または毎日の太陽光発電の自家消費のいずれであるかを特定してください。-より広範なシステム レベルの比較については、-を参照してくださいオングリッド、オフグリッド、ハイブリッド ソーラー システム構成-、オフ{1}}.

家庭用バックアップバッテリーのサイズの計算式

まず、保護された負荷が受け取る必要がある AC エネルギーを計算します。

必要な負荷エネルギー (kWh)=平均臨界負荷 (kW) × バックアップ時間 (時間)

次に、公称バッテリー容量を計算します。

公称バッテリー容量 (kWh)=必要な負荷エネルギー × 設計マージン ÷ 使用可能なバッテリーの割合 ÷ 供給効率

オフグリッド太陽電池バンクのサイジングの公式-

夜間や太陽光発電が弱い期間を通じて稼働する必要があるオフグリッド システムの場合:{0}

公称バッテリー容量 (kWh)=日次設計負荷 (kWh/日) × 自立日数 × 設計マージン ÷ 使用可能なバッテリーの割合 ÷ 配信効率

太陽光発電の自己消費量の計算式-

貯蔵できる日中の太陽エネルギーの量と、それを使用できる夕方または夜間の負荷の量を見積もります。実際のエネルギーシフト目標は、通常、次の 2 つの値のうち小さい方になります。-

目標シフト エネルギー=は、予想される太陽光余剰または日没後の負荷の低い方-

次に、使用可能なバッテリー容量と該当する変換損失の目標を調整します。システム アーキテクチャは重要です。AC{0}}結合およびDC-結合バッテリーストレージ変換損失をエネルギー経路のさまざまなポイントに配置します。

太陽電池バンクの式の変数と単位

物理量ごとに 1 つの項を使用します。負荷電力と負荷エネルギーの混合は、不正確な結果を引き起こす最も一般的な原因の 1 つです。

kW 単位の電力により、システムが一度にどれだけの負荷をサポートできるかが決まります。エネルギー (kWh) は、その負荷をどれだけ長くサポートできるかを決定します。この違いについては、このガイドで詳しく説明します。バッテリーエネルギー貯蔵におけるkWとkWhの比較.

バッテリーが何をしなければならないかを定義する

緊急時の自宅バックアップ

家庭用バックアップ システムは、家庭の年間または毎日の総電力消費量ではなく、保護された負荷リストから始める必要があります。{0}利用可能な状態を維持する必要がある回線、予想される停止期間、同時に稼働する可能性のあるアプライアンスを特定します。

ソーラーパネルは、送電網の停止時に自動的にバックアップ電力を供給しません。このシステムには、送電網から安全に切り離し、独立した電気システムを形成するように設計された機器が必要です。米国エネルギー省は、この動作要件について次のように説明しています。太陽光発電とレジリエンスのガイダンス.

完全な-休暇-系統電力

オフグリッド バッテリーは、太陽光発電が負荷を下回っている期間をカバーする必要があります。-設計では通常、夜間の需要、季節的な太陽光発電の減少、連続する曇りの期間、インバータのスタンバイ消費、断続的なポンプ、発電機の可用性、負荷制限オプションが考慮されます。-

ストレージと太陽光発電は合わせてサイジングする必要があります。太陽電池アレイや発電機がそこから除去されたエネルギーを置き換えることができない場合、バッテリーを大きくしても回復力は向上しません。追加のコンテキストについては、「太陽エネルギー貯蔵システムは、発電、貯蔵、負荷を調整します.

毎日の太陽光発電自己消費量-

自己消費型バッテリーは、日中の余分な太陽エネルギーを後で使用できるように蓄えます。-有効容量は、充電に利用できる太陽光の余剰量と、放電に利用できる夜間または夜間の需要量の両方によって制限されます。 1 日あたりわずかな余剰しか生成しないシステムでは、数日間のストレージが十分に活用されないままになる可能性があります。

実際に必要な荷重を計算する

バッテリーを選択する前に負荷テーブルを作成してください。特にオンとオフを繰り返す機器の場合は、実際的な場合は常に測定されたエネルギーを使用してください。

この表は測定ベースのワークフローを説明するものであり、一般的な世帯プロファイルではありません。{0}すべての値をプロジェクト データに置き換えます。

実用的な測定プロトコルを使用する

1. 可能であれば、プラグイン家電を少なくとも 24～72 時間測定します。-
2. インバータ監視または電力会社間隔データを使用して、24 時間のベースロードと最大の持続需要を特定します。
3. 暖房、冷房、除湿、揚水などの季節負荷を個別に記録します。
4. モーターの始動電流を機器の説明書で確認するか、資格のある専門家に測定してもらいます。{0}
5. 都合の良い低消費日ではなく、代表的な高負荷期間を使用してください。{0}{1}{1}

DOE の電池蓄電システムの評価方法実際のエネルギー貯蔵パフォーマンスを評価するために、計測された時系列データの価値を強調しています。-同じ原理により、予備的な負荷推定が改善されます。測定されたプロファイルは、通常、月ごとの合計よりも役立ちます。

クリティカル負荷、フレキシブル負荷、および除外負荷を分離する

• 重要な負荷:設計期間全体にわたって稼働しなければならない機器。
• 柔軟な荷重:より短い時間、または太陽光発電が利用可能な間のみ稼働できる機器。
• 除外される負荷:停電または低エネルギー期間中に電源がオフのままになる機器。{0}}

電気抵抗加熱装置、セントラルエアコン、大型給湯器、電気調理器、衣類乾燥機、EV の充電がストレージ要件の大半を占める可能性があります。 1 つの高エネルギー負荷を削除またはスケジュール設定すると、多数の小型電子機器を削除するよりもバッテリー サイズが削減される可能性があります。-

バックアップ時間または自律日数を選択してください

グリッド接続された住宅のバックアップ時間-

ローカルの停電パターンと、バッテリが提供する必要があるサービス (短時間の停電、夜間、夜間の停電、丸 1 日、またはそれ以上の緊急事態) に基づいてターゲットを選択します。送電網が停止しているときに太陽光充電を利用できるかどうか、またシステムが保護された負荷パネルに電力を供給するか建物全体に電力を供給するかを決定します。-

オフグリッド システムの自律日-

自律性とは、バッテリーが十分な充電を行わなくても設計負荷に対応できる期間です。季節の太陽条件、予想される曇りの期間、発電機の信頼性、燃料の入手可能性、負荷制限オプション、サイトへのアクセス、エネルギー切れの影響を考慮して選択してください。-

信頼できるバックアップ ソースがないリモート サイトでは、自動発電機を備えた物件よりも多くのストレージが必要になる場合があります。したがって、自律日数の正確な日数は、業界で固定された割合ではなく、プロジェクトによって決定されます。

利用可能な場合はインターバル負荷プロファイルを使用する

2 つの家庭はそれぞれ 1 日あたり 10 kWh を消費できますが、異なるバッテリーとインバーターが必要です。人は徐々にエネルギーを消費するかもしれません。もう 1 つはポンプ、電子レンジ、エアコンを同時に作動させることができます。 1 日あたりの kWh はほぼ同じですが、ピーク kW とサージ電流は大きく異なります。

DoD、効率、予備を使用して使用可能なバッテリー容量を計算する

メーカーの使用可能な容量を使用する

放電深度は、サイクル中に定格容量のどれだけが除去されるかを表します。予備的なサイジングには、1 つの普遍的なパーセンテージを適用するのではなく、バッテリー メーカーの許容動作範囲または指定された使用可能エネルギーを使用します。

10 kWh のバッテリが 90% の使用可能範囲で動作した場合、他の下流損失が考慮される前に、9 kWh の使用可能な DC バッテリ エネルギーが供給されます。

10kWh×0.90=9kWh

保証条件、充電限界の状態、放電率、バッテリーの使用年数、温度、ファームウェアの設定、および希望のサイクル寿命はすべて、実際の動作ウィンドウを変更する可能性があります。

正しい効率指標を使用する

停止実行時間の場合、関連する値は通常、保存されたバッテリー エネルギーから保護された負荷までの一方向の効率です。{0}}往復効率には充電と放電の両方が含まれるため、一方向の実行時間の計算に自動的に置き換えるべきではありません。-

また、製品の公表されている使用可能エネルギーが DC 側で測定されているのか、AC 側で供給されているのかも確認してください。メーカーがすでに使用可能な AC エネルギーを記載している場合、インバータ損失を再度差し引くと、同じ損失が 2 倍にカウントされる可能性があります。-

サンディア国立研究所DOE/EPRI 蓄電ハンドブックストレージのパフォーマンス、電力、エネルギー、効率、アプリケーション固有の設計に関するより広範な技術的コンテキストを提供します。{0}

透明なデザインマージンを適用する

設計マージンは、適度な不確実性、将来の小さな負荷、時間の経過による容量の減少、および実行時間見積もりの​​軽微な誤差をカバーできます。 10% の許容値の場合は 1.10 など、乗数として明示的に指定します。

マージンによって不十分な負荷データが隠蔽されてはいけません。まず負荷推定値を改善してから、意図的な予備を追加します。

温度と設置条件を確認する

温度は、使用可能な容量、充電受け入れ、放電電力、BMS の動作、および耐用年数に影響を与える可能性があります。製品の最低充電温度、最低放電温度、ディレーティング曲線、内蔵ヒーター、エンクロージャの定格、冷却または換気の要件、屋内または屋外の設置制限を確認してください。-

すべてのリチウム電池に 1 つの寒冷気候要因を適用しないでください。-化学的性質、セル設計、熱管理、BMS 設定が異なります。この概要は、リチウム電池の動作温度範囲チェックすべき製品データを特定するのに役立ちます。

kWh を Ah に変換し、12V、24V、または 48V を選択します

バッテリーのエネルギーはキロワット時-で指定される場合がありますが、一部のシステムはアンペア時-で説明されます。関係は次のとおりです。

エネルギー (Wh)=電圧 (V) × 容量 (Ah)

したがって：

容量 (Ah)=エネルギー (kWh) × 1,000 ÷ 公称システム電圧

これらのアンペア時値は、ほぼ同じ公称エネルギーを表します。電圧が高くなると、同じ電力を供給するのに必要な電流が減少するため、システムが正しく設計されていれば、導体サイズと電圧降下を減らすことができます。

システム電圧の選択方法

• 12V:小規模の DC システムや小規模なモバイル アプリケーションで一般的です。
• 24V:中型モバイル システム、キャビン、船舶システム、小型インバータ設備でよく使用されます。
• 48V:12V や 24V よりも低い電流で同じ電力を供給できるため、大規模な定置システムでは一般的です。

電圧はアーキテクチャ上の決定です。バッテリー、インバーター、充電コントローラー、保護装置、導体、通信、および直流負荷は互換性がある必要があります。-大規模なシステムでは、目的に応じて設計されたものを使用することもあります。-エネルギー貯蔵用の高電圧バッテリー-、48V DIY バンクの単純な拡張として扱うべきではありません。

インバータ電力、始動サージ、BMS 制限を確認する

バッテリーバンクには十分なkWhがあっても、必要な機器を起動または操作できない場合があります。容量によって実行時間が決まります。電力と電流の制限により、システムが負荷に対応できるかどうかが決まります。

連続電力をチェックする

同時に動作する可能性のある負荷を追加します。インバータの連続 AC 出力は、該当する温度と動作条件下で予想される需要を上回る必要があります。

次の方法でバッテリー-側の電流を推定します。

直流電流(A) ≒ 交流負荷電力(W) ÷ バッテリ電圧(V) ÷ インバータ効率

たとえば、効率 92% のインバータを介して 48V バッテリから供給される 4,000 W AC 負荷には、およそ次のものが必要です。

4,000 ÷ 48 ÷ 0.92 ≈ 90.6 A

バッテリーバンク、BMS、バスバー、ケーブル、ヒューズ、断路、および端子はすべて、該当する電流に合わせて設計されている必要があります。

モーターとコンプレッサーの始動サージを確認してください

井戸ポンプ、冷蔵庫、冷凍庫、エアコン、作業場ツール、エアコンプレッサーは、起動時に通常の動作時よりも大幅に多くの電力を消費する可能性があります。チェック：

• インバータサージ電力
• 許容サージ持続時間
• バッテリー BMS のピーク電流制限と持続時間-
• 起動時の電圧降下
• 導体と保護-デバイスの評価
• 複数のロードを同時に開始できるかどうか

期間のないピーク数値だけでは十分ではありません。ほんの一瞬の間非常に高い出力を生成できるシステムであっても、高い電流を必要とするモーターを数秒間起動できない可能性があります。

バッテリーの BMS と並列制限を確認する

提案されたモジュールごとに、最大連続放電電流、ピーク放電電流、許容ピーク持続時間、最大充電電流、推奨インバーター範囲、最大並列数、承認された配線レイアウト、および通信の互換性を確認します。

並列モジュールは常に電流を完全に共有するとは限りません。ケーブルの長さ、終端抵抗、温度、充電状態、およびモジュールの状態は、電流共有に影響を与える可能性があります。メーカーが承認したバスバーまたは等しい長さの配線配置を使用してください。-

バッテリーモジュール数と再充電能力を計算する

バッテリーモジュールの数を計算する

必要な公称容量がわかったら、次のようにします。

モジュール数=必要な公称容量 ÷ 互換性のあるモジュールごとの定格容量

承認されたモジュール全体の構成に切り上げます。-

設計に 14.2 kWh が必要で、1 つの互換モジュールの定格が 5.12 kWh の場合:

14.2 ÷ 5.12 = 2.77

したがって、容量の計算には、15.36 kWh の定格エネルギーを提供する少なくとも 3 つのモジュールが必要です。最終的な選択は、電力、BMS、並列、インバーター、電圧、通信、および設置のチェックに合格する必要があります。

バッテリーの充電速度を確認する

まず、バッテリーに戻さなければならないエネルギーを推定します。

バッテリーに再充電するエネルギー ≈ 消費されるバッテリー エネルギー ÷ 充電効率

次に、最良の場合の充電時間を推定します。-

再充電時間 (時間) ≈ 再充電エネルギー (kWh) ÷ バッテリーの平均充電電力 (kW)

太陽光で充電されたシステムの場合、アレイのネームプレートの電力を、継続的に利用できるかのように使用しないでください。-予想される毎月または季節の生産量、日中の負荷、クリッピング、シェーディング、温度、および充電コントローラの制限を確認します。-のNREL PVワット計算機このスクリーニング ステップでは、場所に基づいた太陽光発電量の推定値を提供できます。{0}

オフグリッド設計の場合、予想される太陽光発電量は、日中の負荷と放電後のバッテリーの回復に必要なエネルギーの両方をカバーする必要があります。-次の日照不足期までにバッテリーが回復できない場合、ストレージを増やすだけでは信頼性の問題は解決できません。-

太陽電池バンク サイズ表

次のグラフは、1 日の自律性、使用可能なバッテリーの割合 90%、配信効率 92%、および設計マージン 10% を使用しています。これは単なる一例です。

仮定を変更すると結果も変わります。使用可能な割合が低い、効率が低い、自立期間が長い、またはマージンが大きいほど、必要な公称容量が増加します。

動作した太陽電池のサイジング例

例 1: 小さなオフグリッドキャビン-

仮定する：

• 1日あたりの設計負荷: 2.8kWh
• 自律性: 1.5 日
• 使用可能なバッテリー割合: 90%
• 配送効率: 92%
• 設計マージン: 10%

必要な公称容量=2.8 × 1.5 × 1.10 ÷ 0.90 ÷ 0.92 ≈ 5.58 kWh

公称 24V の場合:

5.58×1,000÷24≒233Ah

次のステップは、5.58 kWh を超える承認済みのモジュール構成を選択し、インバーター、バッテリー電流制限、および季節充電源が客室の負荷をサポートできることを確認することです。

例 2: 必須のホーム バックアップ

保護された負荷は平均 1.2 kW で、8 時間動作する必要があると仮定します。

必要な負荷エネルギー=1.2 kW × 8 時間=9.6 kWh

90% の使用可能な部分、92% の配信効率、10% のマージンを使用すると、次のようになります。

必要な公称容量=9.6 × 1.10 ÷ 0.90 ÷ 0.92 ≈ 12.75 kWh

この結果はエネルギーランタイムに対処します。バッテリーとインバーターが最大のモーターを始動できること、または最大同時負荷をサポートできることを証明するものではありません。

例 3: 測定された負荷テーブルからモジュール数まで

上記の例示的な測定負荷テーブルを使用すると、次のようになります。

• 1 日あたりの重要-負荷エネルギー: 3.71 kWh
• 自律性: 1.5 日
• 使用可能なバッテリー割合: 90%
• 配送効率: 92%
• 設計マージン: 10%

必要な公称容量=3.71 × 1.5 × 1.10 ÷ 0.90 ÷ 0.92 ≈ 7.39 kWh

承認されたバッテリー モジュールの定格が 5.12 kWh の場合:

7.39 ÷ 5.12=1.44 モジュール

この設計には、公称 10.24 kWh の容量ごとに少なくとも 2 つのモジュールが必要です。この構成を受け入れる前に、2 つのモジュールの連続電流、起動サージ、充電電流、並列承認、およびインバータ通信を確認してください。-

10kWhのバッテリーはどのくらい持続しますか?

実行時間は、公称定格だけでなく、負荷に供給される使用可能なエネルギーによって決まります。公称 10 kWh のバッテリー、使用可能な割合が 90%、配送効率が 92% の場合:

利用可能なACエネルギー ≈ 10 × 0.90 × 0.92=8.28 kWh

これらの値は安定した平均負荷を想定しており、追加の温度ディレーティング、経年劣化、BMS 予備、または機器固有の制限は含まれていません。{0}}

LiFePO4 と鉛-酸バッテリーバンクのサイジング

バッテリーの化学的性質は、公称容量、放電率、充電要件、メンテナンス、設置条件が使用可能なシステム性能にどのように反映されるかに影響します。より広範な比較については、これらを確認してくださいエネルギー貯蔵のためのさまざまなバッテリータイプ.

鉛酸バッテリーの場合は、メーカーの放電曲線と定格時間容量を使用してください。-公称電圧での単純な Ah 変換は、放電電流が高い場合に利用可能なエネルギーを過大評価する可能性があります。

太陽電池のサイズ設定でよくある間違い

• 時間を 2 回掛けると、次のようになります。負荷エネルギーがすでに kWh 単位である場合は、再度バックアップ時間で乗算しないでください。
• kWとkWhを混同する:蓄積エネルギーと供給可能な電力は別の仕様です。
• 必須のバックアップに世帯の総消費量を使用:設計が家全体のバックアップではない場合、保護された負荷からのサイズ。{0}}
• 銘板のワット数を平均消費量として使用:サイクリング機器は多くの場合、その最大入力が示唆するよりも少ないエネルギーを消費します。
• スタンバイ消費を無視する:40 W の連続負荷は 1 日あたり 0.96 kWh を消費します。
• チェックを行わずに片道計算で往復効率を使用する場合:{0}:{1}効率値を計算中のエネルギー経路と一致させます。
• モーターの-始動サージを無視します:十分な kWh があれば、ポンプやコンプレッサーの正常な起動が保証されるわけではありません。
• 年間平均太陽条件を考慮した設計:{0}オフグリッドの信頼性は通常、最も不利な季節によって左右されます。{0}}
• バッテリーはいつでも後で追加できると仮定します。拡張は、使用年数、充電状態、ファームウェア、通信、インバータの制限、またはメーカーのポリシーによって制限される場合があります。
• 充電時間を無視した場合:次の放電期間までに回復できないバッテリーは、回復力のある設計とは言えません。

安全性、範囲、編集方法

この記事では、バッテリー容量要件を比較するための予備的な計算フレームワークを提供します。これは、電気設計図、設置マニュアル、規格準拠性のレビュー、-製品固有のエンジニアリングの代替品ではありません。{2}}

計算方法は、負荷電力、負荷エネルギー、公称容量、使用可能容量、配送効率、設計マージンに分けて、各前提を確認することができます。実例はその仮定を明らかにするものであり、普遍的な製品の推奨として扱うべきではありません。

最終的な機器の選択と設置は、該当する地域の電気、建築、火災の要件に精通した資格のある専門家によって検討される必要があります。米国では、UL が次のように説明しています。UL 9540 はエネルギー貯蔵システムと機器を統合システムとして評価します、バッテリー、電力変換、制御、保護、通信を含みます。

よくある質問