Warum sind netzunabhängige Solaranlagen nur 12, 24, 48 VDC?

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Ich möchte 50 kW für ein netzfernes Solarprojekt produzieren. Idealerweise hätte ich gerne ein Hochspannungs-Gleichstrom-Batteriesystem mit einem Hochleistungs-Batteriewechselrichter und Laderegler.

Ich habe nur ein paar Wechselrichter und Laderegler mit hohem VDC (384 V) gefunden, die von chinesischen Herstellern stammen. Ich zögere ein wenig, bei ihnen zu kaufen.

Alle großen Unternehmen verwenden nur 12, 24 und 48 VDC. Ich verstehe, dass es das häufigste ist und Sie nicht viel Strom für ein Haus benötigen, aber wenn ich 50 kW bei 48 VDC produzieren möchte, ist das mehr als 1000 A! Wenn ich das parallel zu 48V Wechselrichtern betreiben würde, bräuchte ich 10 oder mehr Wechselrichter. Das ist viel Draht und Arbeit.

Gibt es einen elektrischen Grund, warum diese Produkte mit 48 VDC gedeckt werden?

Verlorenes Hündchen
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Weniger elektrisch und regulatorisch (legal) würde ich denken. Unterhalb von 48 V gilt dies im Allgemeinen als Niederspannung, und es gelten andere Vorschriften (weniger strenge Normen, keine Elektriker usw.). Aber das ist nur eine Vermutung.
JRE
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Die von mir installierten PV-Panels versorgen den Wechselrichter mit 380 V Gleichspannung, halten die Verluste niedrig ... Das System, das ich für meinen Sohn entwerfe, wird eine 24-V-Batteriebank haben. Gleichstrom kann von manchen als gefährlicher angesehen werden, da er im Gegensatz zu Wechselstrom die Muskeln blockiert. Andere haben bereits darauf hingewiesen, selv ...
Solar Mike
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12V, 24V und 48V sind schöne runde Zahlen, wenn Sie versuchen, ein Batteriesystem (normalerweise 12V auf Blei-Säure-Basis) zu bauen, das mit dem Solar-Array kompatibel ist. Aus diesem Grund werden in der Regel sogar Vielfache von 12 V angeboten.
J ...
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50kW ist ein RIESIGES netzunabhängiges System!
PJC50
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Dies ist wirklich eine sehr große Installation. Wofür ist das? Sie planen hier genügend Sonnenenergie für mehrere Haushalte, die Strom verbrauchen. Ist das für eine kommerzielle Installation? Ich meine, Sie suchen bei $ 40-50.000 nur für Panels und einen Wechselrichter. Ja, Sie brauchen viel Draht und Kabel, um das alles anzuschließen. Die Zahlen sind groß, ja, aber auch Ihr Projekt. Sie können ein 50-kW-System nicht einfach mit einem verbleibenden Lautsprecherkabel und ein paar Autobatterien zusammenbauen.
J ...

Antworten:

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60 VDC ist der Grenzwert für Sicherheitskleinspannung (SELV) gemäß UL 60950-1. SELV-Stromkreise sind nicht nur spannungsärmer, sondern auch durch eine verstärkte Isolierung vom Netz getrennt , die bestimmte Abstände und Materialanforderungen erfüllt.

Im Allgemeinen sind SELV-Spannungen berührungssicher, was bedeutet, dass sie bei direktem Kontakt keine Stromschlaggefahr darstellen. 48 V unterschreiten diese SELV-Schwelle mit einem gewissen Spielraum. Es ist auch bequem vier '12V' Blei-Säure-Batterien in Reihe geschaltet (wirklich bis zu etwa 58,8 V bei voller Erhaltungsladung.)

Spannungen über dem SELV-Wert entsprechen der Netzspannung und müssen normalerweise von einem Elektriker installiert werden. Grund? Elektriker sind mit Codes und Techniken zum Schutz vor versehentlichem Kontakt mit potenziell tödlichen Spannungen vertraut, einschließlich der Verwendung geeigneter Materialien, Sicherungen, Fehlerschutz, Gehäuse und Kabelführung.

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

hacktastisch
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Digitale Telefone in den USA verwenden -48vdc. PoE (Power over Ethernet) ist auf 48 DC begrenzt. Dieser SELV-Standard und ältere Versionen gibt es schon seit vielen Jahrzehnten. Freiliegende Terminals in PKW und LKW dürfen SELV-Werte nicht überschreiten.
Sparky256
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@ Sparky256 Falsch, POE 802.3af und BT sind auf 57 VDC begrenzt.
Jack Creasey
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@JackCreasey Ok, dann stehe ich korrigiert da ich es nicht zusammen mit einer Unmenge anderer spezifischer Standards hinzugefügt habe.
Sparky256,
Gute Forschung. Hinweis: DC-Abschaltungen kommen mir etwas albern vor. 120V bei 100kHZ sind viel sicherer als 50VDC. Ersteres funktioniert mit vielen Standardgeräten, obwohl die Hersteller es möglicherweise nur zertifizieren, wenn Sie einen (sehr kostengünstigen) Gleichrichter an den Stecker anschließen.
personal_cloud
Es ist erwähnenswert, dass Sie in Australien immer noch ein Elektriker sein müssen, um diese Art von Einrichtungen legal zu installieren. Es gab sogar eine kurze Zeit, in der man Elektriker sein musste, um eine Glühbirne auszutauschen.
nick012000
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Vor Ort montierte Batterie-Hardware kann SELV nicht ohne Hilfe verlassen

Die hauptsächliche Begrenzung der Zwischenkreisspannung der meisten netzfernen Systeme beruht in der Tat auf Berührungssicherheitsgrenzwerten (60 VDC / 42,4 VAC SELV-Grenzwert), aber dies hängt nicht davon ab , wer sie installiert. Stattdessen geht es um die Teileverfügbarkeit: Blei-Säure-Einzelzellen und Monoblöcke der in netzfernen Systemen verwendeten Größen sind bei berührungssicheren Terminals aus Gründen der Herstellbarkeit und der Anwendungsvielfalt im Allgemeinen nicht verfügbar. Dies kann je nach Umgebung durch Verwendung eines Batterieschranks oder Batterieraums als Berührungssicherheitsgrenze oder durch Verwendung eines werksseitig montierten und gelisteten Energiespeichersystems etwas überwunden werden. Dies führt uns jedoch zu unserer nächsten Ausgabe.

DC-Schaltanlage ist schwer

Für typische Betriebsspannungen stehen natürlich auch leichte Niederspannungs-Wechselstrom-Netzschaltanlagen (MCBs und zugehörige Montage- / Bussysteme sowie schmelzbare Schalter / Trennschalter, Netzsicherungen für verschiedene Gartentypen usw.) zur Verfügung. Jedoch nur eine begrenzte Teilmenge dieses Getriebes ist für DC - Service bewertet überhaupt , und wenn ja, werden ihre Ratings auf rund 48-60VDC begrenzt werden. Darüber hinaus weisen Trennschalter und solche, die für den Solarbetrieb vorgesehen sind ,, obwohl sie für hohe Gleichspannungen ausgelegt sind, im großen Maßstab sehr niedrige Kurzschluss- / Unterbrechungswerte auf. Dies liegt daran, dass Sonnenkollektoren inhärent sindDerzeit gibt es nur begrenzte Quellen: Egal wie lang Ihre Saite ist, sie gibt nicht viel mehr als die Nenn-Isc aus, unabhängig davon, was Sie damit machen. Die Isc-Werte der Solarpanele liegen in der Größenordnung von Ampere, nicht in Kiloampere.

Dies bedeutet, dass Sie für den Gleichstrombetrieb bei netzspannungsäquivalenten Gleichspannungen eine viel leistungsstärkere Schaltanlage benötigen , da Batteriestränge in der Lage sind, Fehlerströme in Kiloampere-Klasse zu liefern (dies entspricht in dieser Hinsicht leicht einer Netzquelle), und Gleichstromlichtbögen auf unbestimmte Zeit autark, sobald gegen Wechselstrom-Lichtbögen geschlagen, die an Nulldurchgängen selbstlöschend sind. Darüber hinaus sind auch Hochleistungsgetriebe wie industrielle DC-Schutzschalter und Hochleistungs-Schmelzsicherungsschalter häufig auf 125 VDC für einpolige Leistungsschalter und 250 VDC für allpolige Schaltungen in mehrpoligen Geräten beschränkt. Es gibt zwar einige schmelzbare Schalter mit Nennwerten bis zu 600 V Gleichstrom, diese sind jedoch mit wenigen Ausnahmen auch durch die Unfähigkeit begrenzt, Sicherungen für den Netz-OCPD-Betrieb bei Spannungen über 300 V Gleichstrom zu erhalten.

Unterbrechen von Bewertungen ist ein weiteres Problem. Um Gleichstromkurzschlusswerte über 10 kA zu erreichen, ist eine sorgfältige Auswahl der Komponenten erforderlich, und selbst die robustesten verfügbaren Leistungsschalter- und Sicherungskonstruktionen erreichen nur einen Gleichstromunterbrechungswert von 100 kA oder weniger.

Dreiphasenaal
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TLDR: Branchen verwenden Industriegetriebe und Häuser nicht haben 50kW Nachfrage. Ja wirklich.

Dies kann nicht genug betont werden:

DC ist ein böser Kunde.

Es ist leicht, selbstgefällig zu werden, nachdem man eine Jugend und eine Karriere damit verbracht hat, mit harmlosen 5-24-Volt-Gleichspannungen oder gut erzogenen 100-240-V-Wechselspannungen wegen ihrer häufigen Nulldurchgänge zu arbeiten.

Gleichstrom in diesem Bereich ist ein Mittelwert betrunken. Sie waren vielleicht in sehr alten Häusern und fühlten Schalter, die eine definitive hatten Ein- oder Ausschalten SNAP-Effekt hatten. Dies sind Rückschläge zu Zeiten, als die Stromversorgung im Haus noch mit Gleichstrom betrieben wurde, und sie lösen die Kontakte ziemlich weit aus, um sicherzustellen, dass ein Lichtbogen gelöscht wird. Darüber hinaus benötigen Sie magnetische oder pneumatische "Ausblasvorrichtungen", die den Lichtbogen in einen Lichtbogenschacht ziehen, um ihn auszublasen. ,

Denn wenn ein Gleichstrom-Lichtbogen entsteht, brennt er fast alles durch. (notiere in diesem Straßenbahn-Feuer-Video, wie lange es dauert, bis der Lichtbogen beginnt, und zerreißt dann die Straßenbahn. Schauen Sie weiter, sie wird ein paarmal neu beleuchtet.)

Sehen Sie sich die DC-Nennwerte für Schütze und Relais an. Du wirst sehen sehr unterschiedliche Spannungswerte für Gleichstrom als für Wechselstrom.

Infolgedessen behandeln die verschiedenen Vorschriften Gleichspannungen mit höherer Spannung anders als Niederspannungen, und zulässige Maximalwerte liegen typischerweise im Bereich von 30 bis 50 Volt.

Schnelles Herunterfahren

Zwei Schwellenwerte, die für Installateure von Solarmodulen (die auf Dächern arbeiten) von besonderem Interesse sind, sind die Regeln für das schnelle Herunterfahren von 2017. Sie müssen jetzt "Gänge" zwischen Gruppen von Sonnenkollektoren lassen, damit Feuerwehrleute auf das Dach zugreifen können. Das heißt, es gibt Gruppen von Paneelen, die noch benachbart sind.

Für Dachinstallationen muss es einen Schalter geben, der für Feuerwehrleute zugänglich ist und zwei Aufgaben erfüllt. a) Reduzieren Sie die Spannung innerhalb einer Gruppe von Panels auf 80 Volt Gleichspannung oder weniger. b) Reduzieren Sie die Spannung zwischen den Gruppen auf 30 Volt.

Wenn die Systemspannung weniger als 30 Volt beträgt, sind keine besonderen Vorkehrungen erforderlich.

Dies spiegelt direkt die Gefahren höherer Spannungen wider.

Bei einer Installation ohne Dach ist dies kein Problem. Denkanstoß.

Hohe Batteriestapel sind weniger zuverlässig

Batterien sind eine Reihe von Zellen mit 1,2 bis 3 Volt pro Zelle. Ein Hochspannungsstapel hat daher viele Zellen. Je mehr Zellen vorhanden sind, desto größer ist das Risiko, dass ein Zellenfehler den gesamten Stapel einschränkt oder beeinträchtigt. Elektrofahrzeuge haben dies größtenteils mit Exotica-Batterien besiegt, aber mit einfachen alten Blei-Säuren haben Sie nicht das gleiche Glück.

Die Batteriespannung muss nicht mit der Solarspannung übereinstimmen

Es ist nichts falsch an der Hochspannung an den Solarmodulen (dies ist von Natur aus strombegrenzt) und der Niederspannung am Batteriepack (die buchstäblich keine Strombegrenzung hat und fröhlich explodieren wird). Der Solarladeregler müsste abwärtswandeln , aber das macht er trotzdem.

Benötigen Sie wirklich 50 kW?

Ja, wenn Sie dies kommerziell tun würden, z. B. um eine Serverfarm zu betreiben oder Lichter zu züchten, würden Sie das Projekt in kleinere Teile unterteilen, die zur verfügbaren Wechselrichterhardware passen. Beachten Sie, dass bei mehreren Wechselrichtern die Ausgänge nicht parallel geschaltet werden können, da sie nicht synchronisiert werden können. Wenn sie außer Phase geraten, ist das ein toter Kurzschluss zwischen ihnen. Wenn Sie erwarten, dass Wechselrichter automatisch miteinander oder mit dem Netz synchronisiert werden, setzen Sie diese Erwartung zurück.

Wenn dies ein kommerzielles Unterfangen ist, z. B. das Betreiben von Ventilatoren und Pumpen in einer abgelegenen Mine, dann haben Sie sich an Industrieausrüstungen gewöhnt und zahlen für diese die Nasenbluten-Preise. Die bloße Tatsache, dass Sie über billigen Käse nachdenken, scheint dies als Problem für Hausbesitzer zu betrachten.

Homes nicht tun dies

Einer der großen Trugschlüsse in der "Öko" -Bewegung ist die Substitution von Einheiten, damit Sie Ihre Prozesse genau gleich halten können. Nitratdünger entfernen und Fledermausguano einsetzen, Roundup entfernen und durch Marke X ersetzen, aber immer noch genauso bewirtschaften . Erhöhen Sie ein Gebäude mit Teilen der Marke X anstelle von Teilen der Marke Y und fordern Sie die LEED-Zertifizierung an (da die Teile LEED sind), während Sie Erdschutz, passives Solardesign und andere echte Gewinner auf dem Gebiet völlig ignorieren . Dieser Ansatz ist falsch. Tragischerweise üblich, aber unkorrekt.

Und ehrlich gesagt bekommen wir das mehr von Neinsägern: Betrachten Sie ihren 200A-Hauptschalter, multiplizieren Sie ihn mit 240 und erklären Sie, dass sie eine 48-kW-Solaranlage benötigen. Kein Mist Sherlock . In diesem Fall mischt sich der Neinsager in böswilliger Weise in die Einheitensubstitution ein , um die Idee zu töten, dass ein Leben außerhalb des Stromnetzes sogar praktisch ist .

Natürlich ist jetzt ein 50-kW-Sonnensystem vorstellbar, aber es ist immer noch genauso lächerlich, wie es der Neinsager "vorgeschlagen" hat .

Ein zufälliges Haus ohne Schutzmaßnahmen verbraucht im Durchschnitt 1000 Watt. Das sagen die Energieversorger, die Kraftwerke nach Anzahl der versorgten Häuser bewerten. Das ist ein ziemlich großes System (100 kWh Batterie, um 100 Stunden Sturm zu überstehen), also überlegt man sich, wie man Lasten minimiert, insbesondere Vampirlasten, die rund um die Uhr verfügbar sind.

Die größte Vampirlast in Ihrem ganzen Haus ist der Wechselrichter. Sogar ohne Last verbrennt es 1% seiner Bewertung, indem es einfach "hochgedreht" wird. Bei 50 kW sind das also 500 Watt. Erinnern Sie sich, was ein durchschnittliches, nicht optimiertes Haus kostet? Sie sind also schon da - wie verschwenderisch ist das? Daher ist es wichtig, dass die Wechselrichter ausreichend dimensioniert sind.

Und das tun Sie, indem Sie viel durchdenken sorgfältig durchdenken und keinen großen Kunden haben, der die Dimensionierung des Wechselrichters steuert.

Sorgfältige Ladungsgestaltung

Folgendes tun Sie nicht: Vermeiden Sie einen neuen Kühlschrank im Wert von 600 US-Dollar, indem Sie Ihren alten behalten. Daher müssen Sie zusätzliche PV-Kapazitäten im Wert von 3000 US-Dollar bereitstellen, um den ineffizienten Kühlschrank zu betreiben.

So ist zum Beispiel die elektrische Heizleiste direkt aus. Elektrobackofen, nein; Verwenden Sie Gas. Wärme Aufbau soll passives Solar Design sein dann ein aktives solarthermisches System. Warmwasser, Solarthermie mit Speichern.

Es ist eine faire Ausnahme: Wärmepump durchaus sinnvoll ist, weil das 20ish% Wirkungsgrad des Solarkollektors das 300-1000% Wirkungsgrad der Wärmepumpe x> , was Sie möglicherweise von solarthermischen konnten.

Das Ergebnis ist, dass die Klimaanlage die einzige wirklich große elektrische Last ist, die Sie von einem netzunabhängigen Haus erwarten würden. Der Wechselrichter würde entsprechend dimensioniert .

Daher sind 48 V ausreichend für eine Batterie.

Warmwasser nach Bedarf

Ich habe mir überlegt, welche Last genau 50 kW für eine kurze Zeit benötigt , und mein Fazit lautet "bedarfsgerechte Warmwasserheizung". Ich liebe sie, aber ja. Nein einfach nein.

Das verstößt gegen zwei Grundsätze: Erhitzen mit PV und Betrieb eines Wechselrichters für eine Last, die sich nicht um Wechselstrom kümmert.

Zumindest würden Sie den Gleichstrom direkt abschalten, vielleicht mit einfachen Hochsetzstellern pro Kanal, die nur hochdrehen, wenn die Heizung auf diesem Kanal Wärme anfordert. Da Sie jedoch bei einem großen Heizgerät ohnehin 3-4 Kanäle benötigen, benötigen Sie nur 3 kleinere Heizgeräte. Diese befinden sich direkt am Zapfen, sodass Sie die lange, sehr teure Wartezeit auf das Erreichen des Zapfens mit heißem Wasser auf Null reduzieren (mit dem jetzt gefüllten heißen Wasser des Rohrs wird aufgegeben).

Der richtige Weg, dies zu tun, ist die Nutzung der Solarthermie mit einem großen Speicher, möglicherweise ergänzt durch eine Wärmepumpe. Der Speichertank wird so heiß wie möglich (möglichst 90 ° C), dann wird er entweder zur Warmwasserbereitung ausgetauscht oder als Wärmesenke für einen Warmwasserbereiter mit Wärmepumpe verwendet. Wärmepumpen sind effizienter, wenn "bergab" gepumpt wird, sodass ein großer solarthermischer Warmwasserspeicher viel PV-Energie spart, auch wenn er nicht direkt verwendet wird.

Harper - Setzen Sie Monica wieder ein
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50 kWp sind enorm - das kann man nicht genug übertreiben. Es ist groß genug, um 3-4 netzunabhängige Haushalte zu versorgen, selbst bei erheblichem Stromverbrauch. Dies grenzt an eine kommerzielle Installation.
J ...
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@J ... 3-4 Häuser, die nicht einmal versuchen, effizient zu sein, oder die ziemlich groß und luxuriös sind.
Harper - Setzen Sie Monica wieder ein
Ich würde zustimmen, nicht wirklich zu versuchen, effizient zu sein, aber nicht unbedingt groß. 50 kWp sollten im Jahresdurchschnitt eine Energie von etwa 50 kWh erzeugen (unter Verwendung meines Standardertrags in Großbritannien von ~ 1 kWh / kWp / Jahr - konservativ), vorausgesetzt, ein Batteriesystem kann dies auf die Zeiten verteilen, in denen es benötigt wird. Der durchschnittliche US-Haushalt verbraucht ungefähr 10 kWh / Jahr. Man könnte also sagen, dass es näher an 5 durchschnittlichen Haushalten liegt, die im Vergleich zu einem Haus mit Netzanschluss nichts Atypisches tun. Überall in den sonnigen USA würde sich der Ertrag wahrscheinlich um 50-70% erhöhen, also ja, in diesem Fall näher an 7-8 Haushalten, die Strom verbrauchen.
J ...
@J ... Vergessen Sie nicht, dass der Wechselrichter spezifiziert werden muss, um eine Spitzenleistung zu erzielen, die oft das 10-fache der durchschnittlichen Leistung beträgt. Sehen Sie sich die Schaltungsdaten Ihrer Großgeräte an. Ein 50-kW-Wechselrichter kann 4 große Haushalte nicht versorgen. Möglicherweise nicht einmal eine Klimaanlage. (Das letzte Mal, als ich mich mit erdgasbetriebener Klimaanlage befasste, war das nicht wirtschaftlich, obwohl ich 35 Cent pro kWh bezahle. Auf jeden Fall möchte niemand, dass ein Motor die ganze Zeit in der Nähe ihres Hauses läuft.)
personal_cloud
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@personal_cloud Offensichtlich ist der Punkt, dass eine 50-kW-Solaranlage WIE viel mehr Energie erzeugt, als ein einzelner Haushalt verbrauchen kann. Wenn OP dies für eine netzferne Wohnanwendung in Betracht zieht, werden sie am Ende etwa 80% mehr Strom erzeugen, als sie benötigen. Und da sie nicht am Stromnetz angeschlossen sind, können sie den Überschuss nicht ans Stromnetz anschließen und verkaufen, um das gesamte Projekt zu finanzieren. Das macht es entweder dumm oder ist für eine Art kommerzielles Unternehmen außerhalb des Stromnetzes gedacht.
J ...
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Die optimale Gleichspannung hängt auch vom Typ der zu installierenden Batterien ab. Blei-Säure ist günstiger, nutzt sich jedoch nach ca. 1000 Lade- und Entladezyklen ab, und für ein Hochspannungssystem müsste eine große Anzahl von ihnen in Reihe geschaltet werden. Li-Ion-Akkus gibt es in Hochspannungskonfigurationen (ca. 500 V DC), die die Verdrahtungsverluste erheblich reduzieren, da die Ströme dann proportional niedriger sind und eine viel längere Lebensdauer haben.

Letztes Jahr habe ich einen Wechselrichter "blueplanet hybrid 10.0 TL3" mit einer Leistung von 10 kW und einem Gleichspannungsbereich von 200 bis 900 V auf der Photovoltaik-Seite sowie einen 500-V-Li-Ionen-Akku installiert. Die Batterie kommt in der Tat aus China (Byd-HV), der Wechselrichter wird in Deutschland hergestellt. Der Nachteil ist, dass die Firmware für die Aktivierung des Island-Modus aufgrund von Verzögerungen bei der Zertifizierung erst Ende September 2019 verfügbar ist. Ansonsten funktioniert sie seit einem Jahr einwandfrei im netzinteraktiven Modus, und die Verkabelung kann durchgeführt werden 10mm2 Solarkabel (für meine 10 KW Installation).

Robert Imhoff
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Gute Forschung! Ich bin damit einverstanden, einen Wechselrichter zu erwerben, der sowohl den netzinternen als auch den netzfernen Modus unterstützt. Du bezahlst es trotzdem. Gute Arbeit auf Ihrem System.
personal_cloud
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Sie können definitiv größere netzunabhängige Wechselrichter erwerben. SMA Sunny Island zum Beispiel leistet bis zu 100 kW.

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

Und ja, ich würde auch bei den in China hergestellten Wechselrichtern zögern, wenn Sie Alternativen haben. Glücklicherweise denke ich, dass Sie dies in diesem Fall tun.

personal_cloud
quelle
Danke für die Antwort! Aber ich würde 12 Sunny Island-Einheiten brauchen, um 100 kW zu erreichen. Ich versuche, eine große Anzahl von Wechselrichtern zu vermeiden, da es mehr Fehlerquellen gibt und viel mehr Verkabelung und Aufwand erforderlich sind.
Lost Puppy