Scelta della capacità del banco di batterie

Il secondo parametro da determinare quando si dimensiona il banco di batterie è la sua capacità.
La capacità è un indicatore che permette di valutare la quantità di energia accumulata in una batteria. Di solito è espresso in Ah. Questa unità non è proprio un’unità di energia, ma è sufficiente moltiplicare per la tensione per ottenere un numero omogeneo a un’energia.

Parametri di calcolo

Prima, bisogna definire i seguenti 2 concetti importanti.
=> Autonomia di riserva/>Il concetto di autonomia di riserva è definito come il numero desiderato di giorni durante i quali il banco batterie è in grado di fornire, senza alcun back-up dal campo fotovoltaico, tutte le necessità elettriche. In questo documento, noteremo NJ, il numero di giorni di autonomia della riserva. La scelta di NJ dipende dalle condizioni climatiche del sito, e più in particolare dal numero di giorni consecutivi senza sole. Questo parametro è definito dal progettista dell’impianto.
=> Profondità massima di scarica/> Si consiglia di evitare la ripetizione di scariche troppo profonde delle batterie. Questo perché scaricando troppo profondamente si tende a produrre solfato di piombo che si aggrega agli elettrodi. Questo fenomeno si sviluppa durante i cicli di carica/scarica e aumenta con la profondità della scarica. Alla fine, appare uno strato isolante di solfato di piombo che impedisce lo svolgimento delle reazioni chimiche. La batteria diventa quindi inutilizzabile, o almeno vede la sua capacità diminuire bruscamente.

Fotografia di un banco di batterie con solfato di piombo ai terminali'un parc de batteries présentant du sulfate de plomb au niveau des bornes
Fotografia di un banco di batterie con solfato di piombo ai terminali

La profondità massima di scarica di una batteria sarà indicata come PD. In pratica, si sceglie una profondità massima di scarico del 70%.
La scelta del parametro PD gioca un ruolo importante per quanto riguarda la vita delle batterie, perché limitando la profondità di scarica, si evita il fenomeno della solfatazione degli elettrodi, che migliora la vita delle batterie. Tuttavia, nella progettazione, è necessario scegliere batterie con una capacità maggiore, il che aumenta il costo. Infatti, per scegliere il valore del PD, è necessario trovare il giusto equilibrio tra la durata delle batterie da un lato e il costo dall’altro. Per fare questo, è necessario analizzare quanto spesso le batterie possono essere scaricate. In generale, questo dipende dalla gamma di riserve richieste, come spiegato nella tabella seguente.

Campo di riserva, NJ Profondità massima di scarico, PD
Reserve range (NJ) ≥ 8 giorni
In questo caso, una successione di 8 giorni senza luce solare deve verificarsi per la batteria per scaricarsi completamente (PD=100%). Questo accade al ritmo di 2 o 3 volte all’anno. Non è quindi necessario imporre una profondità massima di scarica troppo bassa.
80% ≤ PD ≤ 100%
3 giorni ≤ Autonomia di riserva (NJ) ≤ 7 giorni
Se l’autonomia di riserva è di 3 giorni, occorre una successione di 3 giorni senza sole perché le batterie si scarichino completamente (PD=100%). Questo accade relativamente spesso, da 10 a 50 volte all’anno (a seconda della regione). Questa frequenza di scarica completa è pericolosa per la vita delle batterie. È quindi consigliabile scegliere una profondità massima di scarica inferiore al 100%.
60% ≤ PD ≤ 80%
Intervallo di riserva (NJ) ≤ 3 giorni
Quando l’intervallo di riserva è breve, è molto probabile che le batterie subiscano scariche profonde abbastanza regolarmente durante l’anno. In questo senso, è consigliabile diminuire ulteriormente il parametro PD.
50% ≤ PD ≤ 60%
Aiuto nella scelta del parametro PD (Massima profondità di scarica della batteria)

Formula di calcolo della capacità nominale

Quando si dimensiona la capacità di un banco batterie, si applica la seguente regola di dimensionamento:
=>Regola di dimensionamento della capacità del banco batterie
La capacità del banco batterie deve essere in grado di coprire il fabbisogno elettrico totale (EBesoin):

  • per tutta la durata dell’intervallo di riserva (NJ),
  • senza alcun apporto di energia solare,
  • mai superando la profondità massima di scarico (PD),
  • e nelle condizioni di temperatura del sito (KT).

> Di quale capacità stiamo parlando?
Come specificato nel capitolo sulle batterie, la capacità dipende dal regime di scarica della batteria. Per esempio, la capacità C20 è uguale all’energia fornita dalla batteria quando viene scaricata in 20 ore (ad una corrente uguale a C20/20). Allo stesso modo, la capacità C100 è uguale all’energia fornita dalla batteria quando viene scaricata in 100 ore (con una corrente uguale a C100/100). Teoricamente (per una batteria ideale), C20 e C100 dovrebbero essere identici. In pratica, questo non è il caso e si scopre che C20 è inferiore a C100. In altre parole, più velocemente si scarica una batteria, minore è la quantità di energia fornita. In questo senso, quando si parla della capacità di una batteria, è essenziale specificare il regime di scarica. Stiamo parlando di C10, C20, C100, C120, C240, ecc? Queste informazioni devono essere specificate. Pertanto, quando si calcola la capacità di un banco di batterie, si deve prendere in considerazione il tasso di scarica. Questo viene fatto attraverso la gamma di riserva. Il tempo di standby NJ è il tempo (in giorni) dopo il quale le batterie si scaricheranno. È quindi sufficiente convertire questo tempo in ore moltiplicando per 24. La capacità che sarà calcolata sarà quindi CNj×24.
Quindi, questa regola è formalizzata matematicamente dalla seguente relazione:

Formula per il calcolo della capacità di un banco di batterie'un parc de batteries

Esempio di applicazione

Prendiamo l’esempio precedente. Le apparecchiature elettriche che consumano elettricità sono le seguenti:

  • Un televisore con una potenza di 80 W.
  • L’illuminazione con una potenza totale di 90 W.
  • Un frigorifero con una potenza di 150 W.
  • Un forno a microonde con una potenza di 600 W.
  • Un aspirapolvere con una potenza di 500 W.

> Determinazione dell’energia giornaliera consumata
La formula per calcolare la capacità della batteria prevede l’energia giornaliera espressa in Ah. Poiché l’energia è il prodotto della potenza e della durata di utilizzo, è quindi necessario conoscere la durata di utilizzo di ogni apparecchiatura.
Per il nostro esempio, considereremo le seguenti durate:

Apparecchiature elettriche Durata di utilizzo giornaliero (in ore) Energia giornaliero (in Wh/giorno) Energia giornaliera (in Ah/giorno)*
Televisione (80 W) 5 ore 400 Wh/giorno 16.7 Ah/giorno
Illuminazione (90 W) 6 ore 540 Wh/giorno 22.5 Ah/giorno
Frigorifero (150 W) 8 ore 1.200 Wh/giorno 50 Ah/giorno
Forno microondeWave (600 W) 1 ora 600 Wh/giorno 25 Ah/giorno
Aspiratore (500 W) 1 ora 500 Wh/giorno 20.8 Ah/giorno
TOTALE 3.240 Wh/giorno 135 Ah/giorno
*Tensione della batteria: 24 V

=> Determinazione dell’autonomia di riserva NJ desiderata
Vogliamo un’autonomia di 5 giorni. Questo significa che la batteria può alimentare, indipendentemente dal campo fotovoltaico, le apparecchiature elettriche definite nella tabella precedente per 5 giorni di seguito.
=> Determinazione della profondità massima di scarica PD
Le scariche profonde sono dannose per la vita delle batterie piombo-acido. In accordo con le raccomandazioni della tabella precedente, scegliamo una profondità massima di scarica del 70%, cioè PD = 70%.
=> Determinazione del coefficiente di temperatura
Se consideriamo, in questo esempio, che la batteria sarà fatta funzionare a 0°C (in inverno per esempio), è consigliabile applicare il coefficiente correttivo KT(C) = 0.90, secondo la seguente tabella (dati del produttore):

Temperatura di funzionamento della batteria -20 °C -10°C 0°C 10°C 20°C 30°C 40°C 50°C
Coefficiente correttivo (applicato a C120) 0.80 0,85 0,90 0,95 1 1,04 1,1 1.13

> Calcolo della capacità nominale del banco batterie (a 24 V)
Applichiamo semplicemente la formula precedente:

Esempio di calcolo della capacità del banco batterie'un parc de batteries
Quindi, la capacità C120 del banco batterie deve essere di almeno 1071 Ah. Possiamo quindi dedurre il valore della capacità nominale C10 dalla relazione: C10 ≈ 71% × C120, cioè C10 ≈ 760 Ah (a 24 V).

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