www.victronenergy.com Podstawowe systemy zasilania 1
1. Wstęp 2. Trzy alternatywne systemy 2.1. VE Storage Hub-1 2.2. VE Storage Hub-2 2.3. VE Storage Hub-3 3. Isotne cechy wybranych systemów zasilania: GridAssist 4. Krótki opis głównych elementów systemów VE Storage Hub 4.1. Akumulator: kwasowo-ołowiowy lub litowo-jonowy. 4.2. MultiPlus i Quattro przetwornica/ładowarka 4.3. Kontroler ładowaniabluesolar MPPT 4.4. Przetwornica PV 2
1. Wstęp Energia produkowana w panelach fotowoltaicznych i generatorach wiatrowych oraz energia zużywana przez podłączone bezpośrednio do nich odbiorniki prądu nigdy nie są sobie równe. Efektem tego jest zwrot energii do sieci energetycznej kiedy wytwarzany jest nadmiar energii, oraz pobór energii z sieci kiedy wytwarzana energia jest niewystarczająca. Im więcej energii słonecznej lub energii uzyskanej z wiatru jest pozyskiwane, tym większa trudność i rosnące koszty związane z zapewnieniem stabilności sieci. Dlatego też pośrednie magazynowanie energii staje się podstawowym narzędziem aby ograniczyć wahania energii w sieci a także zapewnić niezależność i bezpieczeństwo energetyczne użytkownika. Ponadto, gdy taryfy gwarantowane nie zapewniają szybkiego zwrotu inwestycji, a z drugiej strony rośnie zapotrzebowanie na energię w domu, system zasilania z magazynowaniem energii zapewnia pewniejsze stabilne zasilanie każdego dnia. Pośrednie magazynowanie zwiększa wykorzystanie pozyskiwanej energii słonecznej lub wiatrowej. Naturalnym kolejnym krokiem jest 100% samowystarczalność i niezależnośc od siec zewnętrznej. The Victron Energy Storage Hub oferuje gotowe rozwiąznie z dodatkowymi korzyściami Dzięki dziesiątkom tysięcy niezależnych systemów wyspowych off-grid oraz systemów on-grid w sieciach interaktywnych instalowanych na całym świecie, Victron Energy posiada ogromne doświadczenie i gotowe produkty zaprojektowane w celu optymalizacji działania układów zasilania wykorzystujących odnawialne źródła energii. Akumulator Jądrem systemu HUB jest akumulator, który ładowany jest w przypadku nadwyżki energii i rozładowywany gdy konsumpcja przewyższa produkcję. Tubowe płyty akumulatorów kwasowo-ołowiowych OPzS i OPzV a także akumulatory żelowe przystosowane do pracy cyklicznej i głębokiego rozładowania znajdują idealne zastosowanie zarówno w interaktywnych sieciach jak i w niezależnych systemach wyspowych. Alternatywnie, akumulatory litowo-jonowe LiFePO4 są preferowane do zastosowań gdy konieczna jest wysoka efektywność ładowania i rozładowywania, a także gdy istotny jest mały rozmiar oraz waga. Niezależność od zewnętrznej sieci energetycznej Z wystarczającą pojemnością akumulatorów lub dodatkowym agregatem prądotwórczym, można osiągnąć całkowitą niezależność od zewnętrznej sieci energetycznej. Dzięki odpowiedniej konfiguracji połączeń i zaprogramowaniu urządzeń wielofunkcyjnych Victron Energy Multiplus i Quatro możliwe jest budowanie systemów, które korzystają z sieci w celu uzupełnienia niedoboru energii całkowicie blokując jednocześnie możliwość przekazywania do sieci energii wyprodukowanej przez instalację fotowoltaiczną. Można również skonfigurować system w taki sposób aby nadmiar wyprodukowanej energii odsprzedawać operatorowi sieci zewnętrznej. Niezauważalne przejście w trakcie awarii zasilania Zmagazynowana w akumulatorach energia może być użyta aby zapewnić ciągłe zasilanie w energię podstawowym urządzeniom podczas awarii zasilania. Przełączenie pomiędzy zasilaniem z zewnętrznej sieci energetycznej a zasilaniem z akumulatorów jest na tyle szybkie, że pozostaje niezauważalne dla większości urządzeń. Przyjazne sieci System Victron Energy Storage HUB mo e by u ywany do zmniejszenia szczytowego zapotrzebowania na energi pobieran z sieci. Realizowane jest to poprzez okresowe zasilanie odbiorników w instalacji wewn trznej z energii zmagazynowanej w akumulatorach, tak samo jak i poprzez przekazywanie nadmiaru produkowanej przez panele fotowoltaiczne energii podczas szczytu z powrotem do sieci. 3
Elastyczne Firma Victron Energy nie oferuje jednego systemu HUB, ale kilka alternatywnych konfiguracji, gdzie każda może być dopasowana do specyficznych wymagań. Odpowiednie skonfigurowanie systemu przez profesjonalnego sprzedawcę lub instalatora zapewnia uzyskanie optymalnych, najbardziej efektywnych rozwiązań. Możliwość rozbudowy Dodatkowe moduły fotowoltaiczne pozyskujące energię słoneczną lub turbiny wiatrowe oraz akumulatory i inne dodatkowe urządzenia przetwarzające i kontrolujące mogą być podłączone istniejącego systemu w dowolnym późniejszym czasie. Istniejący system można rozbudowywać o kolejne urządzenia zwiększając np moc całego systemu lub np. zmieniając system jednofazowy w system 3 fazowy. Zainstalowanie paneli kontrolnych np. Color Control GX, BMV-70x lub MPPT Control oraz ewentualnie dodatkowych modułów komunikacyjnych pozwala na pełną kontrolę układów z każdego miejsca z dostępem do internetu. 2. Trzy alternatywne systemy 2.1. VE Storage Hub-1 Hub-1 jest najbardziej efektywnym rozwiązaniem kiedy większość energii wyprodukowanej jest magazynowana w akumulatorach w celu przyszłego wykorzystania. Jest ro rozwiązanie również proste, najbardziej wytrzymałe i najtańsze. Kontroler ładowania Victron Energy BlueSolar MPPT wykorzystuje energię słoneczną do ładowania akumulatora. Zmagazynowana energia jest używana przez przetwornicę/ładowarkę MultiPlus lub Quattro do zasilania prądem zmiennym AC obciążenia oraz ewentualnie aby zwrócić nadmiar energii do sieci. W przypadku awarii sieci, system HUB odłączy się od niej i będzie dalej działał jako niezależny system (w przypadku większości "zwykłych" systemów z inwerterami solarnymi awaria sieci powoduje automatyczne wyłączenie inwertera i pozostawienie użytkownika bez zasilani). Jeżeli energia ma być zwracana do sieci, zgodnie z lokalnym regulacjami prawnymi, w systemie trzeba zamontować dodatkowe urządzenie antywyspowe tzw. anty-islanding (właściwość zwracania energii do sieci energetycznej można zablokować programowo). 4
2.2. VE Storage Hub-2 Jest to najbardziej praktyczne rozwiązanie do dodawania akumulatorów do istniejącej sieci połączonej z systemem fotowoltaicznym. Prąd stały DC generowany przez baterie słoneczne jest konwertowany na prąd zmienny AC przez inwerter fotowoltaiczny PV połączony do wyjścia AC przetwornicy/ładowarki MultiPlus lub Quatro. Wejście AC urządzenia wielofunkcyjnego MultiPlus lub Quatro jest podłączone do zewnętrznej sieci energetycznej. Energia z inwertera solarnego PV zasila bezpośrednio obciążenie. W przypadku niewystarczającej energii z paneli fotowoltaicznych, przetwornica/ ładowarka wspomoże system dodatkową energią z akumulatora lub z sieci zewnętrznej. W przypadku pojawienia się nadmiaru energii z systemu fotowoltaicznego przetwornica/ ładowarka, użyje dodatkową energię w pierwszej kolejności na doładowanie akumulatora i zwróci nadwyżkę energii do sieci zewnętrznej. W przypadku awarii sieci, HUB odłączy się od niej i będzie dalej działał jako niezależny system. Zaprojektowanie i uruchamianie rozwiązania jest bardziej skomplikowane niż dla HUB-1 z powodu interakcji pomiędzy przetwornicą/ładowarką MultiPlus lub Quatro oraz solarnym inwerterem sieciowym stosowanym w instalacji fotowoltaicznej. Przetwornico/ładowarki MultiPlus i Quatro firmy Victron Energy współpracują z dowolnymi inwerterami fotowoltaicznymi, jednak ze względu na możliwość optymalizacji i wymiany danych pomiędzy urządzeniami zalecane jest stosowanie inwerterów firmy FRONIUS. Jeżeli energia będzie zwracana do sieci urządzenie antywyspowe musi być użyte w systemie zgodnie z lokalnymi regulacjami prawnymi. 5
2.3. VE Storage Hub-3 Prąd DC generowany przez moduły słoneczne jest konwertowany na prąd zmienny AC przez inwerter solarny PV podłączony do wejścia AC przetwornicy/ładowarki MultiPlus lub Quatro. Energia z sieciowego inwertera solarnego PV zasila obciążenie poprzez przetwornicę/ ładowarkę Victron Energy MultiPlus lub Quatro. W przypadku niedoboru energii z instalacji fotowoltaicznej, przetwornica/ładowarka zasili system dodatkowo z akumulatora lub z sieci. W przypadku nadmiaru energii wytworzonej przez baterie słoneczne przetwornica/ładowarka wykorzysta nadmiar do naładowania akumulatora. Kiedy akumulator będzie już całkowicie naładowany, energia z PV będzie przekazywana do zewnętrznej sieci energetycznej. Jeżeli inwerter PV ma wbudowane urządzenie anti-island w związku z regulacjami prawnymi, dodatkowe urządzenie nie jest wymagane. W przeciwieństwie do rozwiązań HUB-1 i HUB-2 inwerter fotowoltaiczny wyłączy się w przypadku awarii zasilania. HUB będzie nadal zasilał obciążenie dopóki nie rozładuje się akumulator. 3. Istotne cechy wybranych systemów zasilania: GridAssist Dzięki funkcji Victron Energy GridAssist przetwornica/ładowarka MultiPlus lub Quatro nie musi dorównywać oczekiwanemu szczytowemu poborowi prądu wymaganego przez obciążenie. Dzięki funkcji GridAssist, przetwornica/ładowarka jest stale zsynchronizowana z siecią i gdy obciążenie tego wymaga, dodatkowa energia jest pozyskiwana z sieci, co zapobiega wyłączeniu systemu z powodu zbyt wysokiego obciążenia.. GridAssist-1 To rozwiązanie służy do synchronizacji przetwornicy/ładowarki, ale nie połączonej na stałe z siecią. Połączenie z siecią (przez zamknięcie zabezpieczającego przekaźnika w przetwornicy/ładowarce) jest stosowane w przypadku: - zbyt dużego obciążenia. Dodatkowa energia jest z pobierana sieci dopóki obciążenie nie zostanie zredukowane do poziomu, który może zapewnić przetwornica/ładowarka MultiPlus lub Quatro. - nadmiar energii z PV jest wysyłany do sieci (jeżeli zezwalają na to regulacje prawne) GridAssist-2 Alternatywą jest podłączenie HUB na stałe do sieci. Przetwornica/ładowarka będzie zarządzać swoją mocą tak, aby dopasować obciążenie i aby średnia pobierana energia z sieci była równa zero, z wyjątkiem przypadku gdy dochodzi do przeciążenia lub nadmiaru energii wysyłanej do sieci z powrotem. 6
4. Krótki opis głownych elementów systemu VE Storage Hub 4.1. Akumulator: kwasowo-ołowiowy lub litowo-jonowy Z powodu małych rozmiarów i wagi akumulatory litoowo-jonowe (LiFePO₄ lub LFP) są atrakcyjną alternatywą dla kwasowo-ołowiowych z powodu efektywności i żywotności. Efektywność Wydajność cyklu (rozładowywanie od 100% do 0% i powtórne naładowanie do 100%) przeciętnego akumulatora kwasowo-ołowiowego wynosi od 70 do 80%. Proces ładowania akumulatorów kwasowo-ołowiowych staje się nieefektywny gdy zostaje osiągnięty stna naładowania równy 80%. Pomiedzy 80 i 100% efektywnośc ładowania jest często mniejsza niż 50%. Te wartości są jeszcze gorsze w przypadku wysokiego prądu ładowania lub rozładowywania. Sprawość akumulatorów kwasowo-ołowiowych, nigdy nie dorówna akumulatorom litowo-jonowym. Sprawność akumulatorów LFP wynosi około 92%, we wszystkich warunkach pracy. http://www.almaden.ibm.com/institute/2009/resources/2009/presentations/chetsandberg- AlmadenInstitute2009-panel.pdf http://people.duke.edu/~kjb17/tutorials/energy_storage_technologies.pdf Sparwność systemu magazynującego energię pochodzi z http://catedrasempresa.esi.us.es/endesared/documentos/jornada_almacenamiento/pet_hall.pdf Żywotność Akumulatory w sieci wyspowej (niezależnej) fotowoltaicznej lub wiatrowej mogą być niedoładowane przez tygodnie lub miesiące w okresie zimowym. Jest to bardzo niekorzystne dla akumulatorów kwasowo-ołowiowych. Akumulator przedwcześnie zniszczy się w ten sposób z powodu zasiarczenia. W przypadku systemu wyspowego z akumulatorami kwasowo-ołowiowymi ciągłym zmartwieniem powinien więc być stan naładowania akumulatorów: cokolwiek się stanie, akumulatory muszą być regularnie całkowicie ładowane, i nigdy nie mogą być pozostawione rozładowane przez dni lub tygodnie. W przypadku systemu podłączonego do sieci, akumulatory mogą być łatwo ładowane do 100% regularnie. 7
Żywotnośc akumulatorów LFP nie zależy od stanu naładowania, tak długo jak napięcie na ogniwo akumulatora jest utrzymywane w szerokim zakresie. Zarządzanie systemem litowo- jonowym( Battery Management System) będzie właśnie to robiło i dzięki temu system nie potrzebuje dodatkowej troski. 4.2. Przetwornice/ładowarki MultiPlus i Quattro Różne modele przetwornic/ładowarek VE w zakresie od 800VA do 10kVA Aż do sześciu modułów 10kVA może być połączonych równolegle. Wszystkie modele mogą być skonfugurowane na tryb trójfazowy. Wszystko MultiPlus i Quattro przetwornice/ ładowarki mogą być zaprogramowane tak, aby zintegrować system Hub-1, -2 lub -3. 4.3. Kontroler ładowania BlueSolar MPPT Kontroler konwertuje napięcie DC z modułów słonecznych na napięcie odpowiednie do ładowania akumulatora. Kontrolery BlueSolar mogą być połączone równolegle, jedynym ograniczeniem jest maksymalny prąd ładowania akumulatora (który jest bardzo wysoki w przypadku akumulatorów litowo-jonowych). Sprawność kontrolerów ładowania BlueSolar MPPT osiąga 98%. 4.4. Przetwornica PV Przetwornica PV konwertuje napięcie DC z modułów fotowoltaicznych na napięcie AC odpowiednie do obciążenia AC. W systemach bez akumulatora, cały nadmiar energii będzie zwracany do sieci, a w przypadku niedoboru energia będzie pobierana z sieci. Przetwornice PV nie mogą działać bez zewnętrznego źródła energii (ACpss). Dlatego przetwornica wyłączy się jeżeli nie jest dostępny ACpss (stabilna sieć, odpowiedni przetwornik lub przetwonik/ ładowarka). 8