Izgradnja hibridnega solarnega sistema brez oddajanja v omrežje
Avtor: Gregor Maček
Sončna elektrarna je sistem elementov, s katerimi pretvarjamo sončno sevanje v električno energijo. Učinkovitost pretvorbe PV (solarnih) modulov se iz leta v leto viša, njihova cena pa zaradi velike proizvodnje niža, kar nam omogoča relativno poceni izgradnjo domačega sistema delne samooskrbe z električno energijo. Sonce za Zemljo predstavlja najpomembnejši energetski vir. Že podatek, da vsako uro na Zemljo iz Sonca pride toliko energije, kot jo človeštvo porabi v enem letu, nam da vedeti da je energije dovolj, le izkoristiti jo moramo.
Tipi sončnih elektrarn
Najbolj razširjena rešitev je t.i. netmetering – vračanje električne energije v omrežje (tudi on-grid sistem, samooskrbni sistem), kjer imamo na objektu nameščene solarne module ter preko DC-AC razsmernikov (inverterjev) viške pridobljene električne energije pošiljamo v omrežje elektro distributerja. Prevzeta električna energija se nam obračuna enkrat letno ob zaključku leta kot razlika med prevzeto in oddano delovno električno energijo (kWh), pri čemer se uporabi eno-tarifno merjenje električne energije. Največja oddajna moč naprave je omejena na 80 % priključne moči merilnega mesta oz. pogojena s strani elektro distributerja glede na stanje lokalnega električnega omrežja. Glede na skokovit porast izgradnje sončnih elektrarn pri praktično nespremenjenem elektro distribucijskem omrežju v zadnjih desetletjih ponekod sploh ni več mogoča priključitev sončne elektrarne ali pa je oddajna moč omejena na par kW.
Na drugi strani poznamo otočne solarne sisteme (off-grid sistem), kjer gre za samozadosten sistem, ki ni priključen v omrežje. Posebej primeren je za počitniške objekte, planinske koče, kamp prikolice, plovila – skratka za primer, ko ni možnosti dostopa do elektroenergetskega omrežja. Pri otočnih sistemih znaten strošek predstavljajo akumulatorji električne energije, ki poskrbijo, da je ta na voljo tudi ko sonce zaide.
Vmesna varianta so t.i. hibridni sistemi, kjer gre v osnovi za otočni solarni sistem, ki pa lahko energijo jemlje tudi iz električnega omrežja. Skladno z nastavitvami razsmernik primarno energijo zagotavlja iz PVmodulov, če pa te ni dovolj, pa primanjkljaj zagotovi iz akumulatorjev in nato, če so prazni tudi ti (ali jih v sistemu sploh ni – nekateri razsmerniki omogočajo tudi to!) iz električnega omrežja. Ker v primeru hibridnega sistema v omrežje ne oddajamo ničesar, tako ne potrebujemo posebnih soglasij za priklop tovrstnega sistema s strani elektro distributerja. S labost takšne rešitve je višja cena zaradi akumulatorjev oz. nižji izkoristki, če akumulatorjev nimamo, saj v tem primeru viškov energije ne moremo skladiščiti.
Finančni vidik
Dandanes je velika večina sončnih elektrarn omrežnega (on-grid) tipa in običajne moči za enodružinsko hišo se gibljejo okrog 5 – 15 kW . Takšni sistemi se trenutno delajo »na ključ« po ceni približno 1 – 1,3 € na watt. Trenutno povpraševanje bistveno presega ponudbo, tako da je večina izvajalcev zasedena več mesecev vnaprej. Svoje prida še čakanje na potrebno soglasje elektro distributerja in kasneje še pregled in vklop sistema v omrežje, kar trenutno pomeni čas izgradnje sončne elektrarne na pol leta do leto dni. Potrebna površina za sončne celice je seveda odvisna od tipa (izkoristka) celic in se okvirno giblje okrog 200 W/m2 . Običajno jih namestimo na streho objekta, pa tudi na nadstreške itd. V slednjem primeru se lahko PV module uporabi tudi kot primarno kritino, kar bistveno poceni izvedbo, saj pritrdilni material ni zanemarljiv strošek in lahko pri določenih tipih strehe predstavlja tudi dve tretjini cene PV modula!
V primeru manjših površin se cena elektrarne na ključ (na kW) bistveno poveča, saj potrebni postopki (potrebna soglasja, projekt za izvedbo del, zamenjava števca, izvedba uradnih meritev inštalacij itd.) niso nič drugačni, če se dela 3 kW ali pa 20 kW on-grid sončno elektrarno, pa tudi samega dela z inštalacijami itd. ni bistveno manj. Tako sem se tudi avtor srečal s problemom rentabilnosti postavitve elektrarne manjše moči (dobre 3 kW), saj za več PV modulov na hiši dvojčku pač ni prostora.
Izbira komponent sistema
Po nekaj raziskovanja vseh možnih rešitev ter preračunavanju vseh opcij sem se odločil za izvedbo hibridnega sistema na osnovi hibridnega razsmernika GrowattSPF 5000, ki omogoča delovanje tudi brez akumulatorjev (običajno razsmerniki ne omogočajo tovrstnega delovanja, to dovoljujeta zgolj modela SPF 3500 in SPF 5000). Podnevi lahko koristimo energijo sonca, po potrebi pa razsmernik manjkajočo energijo dodaja iz omrežja. Na izhod razsmernika sem priklopil hišne porabnike, ki so konstantni porabniki energije (hladilnik, zamrzovalna skrinja, akvariji, pralni, sušilni in pomivalni stroj …), vso razsvetljavo ter seveda toplotno črpalko in klimatsko napravo.
Omenjeni Growatt razsmernik obstaja v dveh izvedbah, 3,5 kW in 5 kW trajne moči. Omogoča tudi vzporeden priklop na isto fazo ali tudi v trofazni sistem, pri čemer si delijo akumulator. Vsak posamezni razsmernik pa v takem primeru potrebuje svoje PV module in sicer 5 (raje 6) do 10 modulov zaporedno, saj smo na MPPT vhodu omejeni z napetostnim območjem, ki ga razsmernik dovoljuje.
Dobil sem dobro priložnost za nakup akumulatorskih celic in izdelal sem paket iz 16 zaporedno zvezanih celic EVE 280 Ah (EVE280K), kar znese približno 15 kilovatnih ur. To omogoča že tudi precejšnjo avtonomijo vseh porabnikov, priklopljenih na izhod razsmernika. Deklarirana življenjska doba izbranih LiFePO4 celic je čez 6.000 ciklov, kar v praksi pomeni med 10 in 15 let delovanja (v tem času kapaciteta pade na 70 % deklarirane).
Akumulatorske celice nadzira RecBMS enota, ki preko CAN-BUS vodila komunicira z razsmernikom in mu sporoča napolnjenost v odstotkih (SOC), prav tako pa lahko tudi krmili polnilni tok. Razsmernik lahko sicer brez BMS enote nastavimo tudi po CC/CV krivulji in limite polnjenja ter praznjenja nastavimo na fiksno napetost. V primeru kritičnih napak BMS seveda tudi odklopi glavni kontaktor, da zaščiti akumulatorske celice.
Praktična izvedba
Najprej je seveda potrebno nakupiti vse komponente sistema. Razsmernik sem dobil pri »sosedih«, v podjetju Velog, ki se sicer pretežno ukvarja s prodajo akumulatorjev. Dodatno sem dokupil še WIFIvmesnik, ki omogoča daljinski pregled nad sistemom, pa tudi spreminjanje nastavitev, kar se je v fazi testiranja izkazalo kot odlična funkcija.
PV module sem naročil pri slovenskem proizvajalcu Bisol, kjer se da včasih kupiti manjše količine modulov po izredno konkurenčnih cenah (dejansko ceneje kot s Kitajske) – smiselno je spremljati njihovo akcijsko ponudbo v njihovi spletni trgovini.
Akumulatorje sem naročil direktno s Kitajske in zaradi težav s COVIDom v Shanghaiju (in posledičnih zamud v pristanišču) so k nam prispeli po približno dveh mesecih. Sistem za nadzor akumulatorjev (BMS) je plod slovenskega znanja podjetja REC iz Postojne.
Seveda se v praksi izkaže, da je potrebno še več »malenkosti«: varovalke za dovod in odvod z inverterja, DC odklopnik, s katerim odklopimo dovod elektrike s PC modulov v primeru posegov na razsmerniku, UV-obstojni kabli in namenski konektorji za povezavo PVmodulov, kar sem ugotavljal sproti, tekom montaže.
Ko sem se že hotel lotiti montaže, pa ugotovim, da sem pozabil na en »majhen« detajl: način montaže PVmodulov na streho. Montažni material mi je priskrbel kolega Aleš iz podjetja Tehnosol, kjer se ukvarjajo s postavljanjem sončnih elektrarn, ampak kljub »prijateljski« ceni so bili nosilci nemškega proizvajalca K2 še vedno v vrednosti dveh tretjin cene PVmodulov. Najcenejša je montaža na valovito ali pločevinasto streho, montaža na betonsko ali opečnato kritino pa zahteva bolj kompleksen sistem pritrjevanja in s tem gre cena konkretno v višave. Moram pa priznati, ceni navkljub, da so nosilci tako optimalno zasnovani, da je sestavljanje na strehi (ko že tako skrbiš, da ne padeš iz nje …) izredno efektivno in enostavno, možnost napak pa minimalna. Ko sem videl nekatere »sisteme« pritrjevanja iz južnih in vzhodnih krajev, se mi je le še potrdilo, da K2 nosilci ne stanejo zaman toliko, kot pač stanejo.
Predhodno sem pripravil kabelsko inštalacijo. PV module se na razsmernik priključuje z namenskimi UV obstojnimi kabli z dvojno izolacijo in presekom bakra 6 mm2 ter namenskimi konektorji. Povezavo med glavno elektro omarico in razsmernikom sem izvedel s 4 mm2mehkožilnim kablom, pri čemer je potrebno pripeljati tako dovod kot odvod in seveda ozemljitev. Kabel do akumulatorjev je zaradi visokih tokov (do 80 A) najbolj kritičen in bi moral biti praviloma čim krajši, vendar v mojem primeru to še vedno pomeni dobrih 10 metrov. Računsko bi bil idealen presek 35 mm2, dobavljiv pa je bil tedaj le denarnici bolj prijazen 25 mm2. Tolažim se s tem, da so tokovne špice relativno kratkotrajne in da je povprečna moč okrog 0,5 – 1 kW. Pri teh tokovih je izredno pomembno, da so vsi spoji narejeni perfektno, zato je treba delati natančno in s pravim orodjem (ustrezne tulke, klešče …)
Razsmernik sem se zaradi vgrajenih ventilatorjev, ki znajo pri večjih tokovih biti kar glasni, odločil montirati zunaj hiše, na pokrit balkon, ki gleda na severovzhod. Poleg sem zmontiral še manjšo elektro omarico, kamor sem vgradil DC odklopnik za PV module ter dovodno in odvodno varovalko, da lahko v primeru dela na razsmerniku odklopim napajanje. Kabli z izjemo solarnih povečini niso odporni na UV sevanje, zato jih je priporočljivo zaščititi z UV obstojno kabelsko cevjo.
Življenj ska doba LiFePO4 celice je v veliki meri odvisna od temperature, zato sem se odločil za montažo celic v notranjost hiše, kjer sem idealen prostor našel nad prekladama vrat. Poleg je ravno še dovolj prostora za BMS enoto, močnostni odklopnik in shunt upor za merjenje toka. Kasneje bom omenjen sklop zaprl s suhomontažnimi ploščami in pustil le revizijska vratca na strani elektronike.
Kot je razvidno iz grafa proizvajalca, se v primeru pregrevanja celic njihova življenjska doba več kot razpolovi, kar pri njihovi ceni vsekakor opraviči montažo v notranjost objekta , če za to le obstaja možnost.
Druga stvar, ki tudi vpliva na življenjsko dobo in ni splošno znana je kompresija celic. Velike LiFePO4 celice se tekom ciklov rahlo širijo in krčijo (»dihajo«) in to gibanje vpliva na razslojevanje internih slojev. Pri manjših celicah to ni tako občutno, saj ohišje le-teh zadovoljivo stiska sloje, pri velikih ploščatih celicah pa ohišje tega ne zmore več. Proizvajalci tako definirajo potrebno silo, s katero naj bi bile celice stisnjene skupaj, da tovrstno razslojevanje v veliki meri preprečimo. To sem izvedel tako, da en osmerček celic povezujejo navojne palice, ki celice stiskajo skupaj . Osem celic sem izbral zato, da je tak sklop še možno normalno dvigniti – tehta cca. 45 kg.
Rezultati
Dnevno omenjeni sistem moči 3,1 kW pridela dnevno med 10 in 20 kWh električne energije, kar je od aprila dalje dovolj za napajanje toplotne črpalke, klime, hladilnika, dveh hladilnih skrinj, pralnega, pomivalnega in sušilnega stroja , vseh luči in še nekaj manjših porabnikov. Kapaciteta akumulatorja brez kakršnihkoli varčevanj zadostuje za nekje 24 ur brezprekinitvenega napajanja v primeru, da ni na voljo ne sonca ne elektrike.
Žal še ne vem, koliko energije bo na voljo v zimskem času, bo pa račun za elektriko tudi v tem času občutno nižji – omenjeni razsmernik namreč omogoča tudi polnjenje akumulatorja iz omrežja v času nizke tarife in oddajo le-te bremenom v času visoke tarife, kar bom zagotovo vsaj delno uporabljal v zimskem času.
Strošek celotnega sistema je bil okrog 4.000 EUR, pri tem da je dobra polovica stroška strošek akumulatorjev s pripadajočo elektroniko, ki v principu ni nujen del takšnega hibridnega sistema, ampak brez njega izgubimo vse viške električne energije (razliko med produkcijo in trenutno porabo) in – v mojem primeru bistveno pomembneje – ostanemo brez funkcije brezprekinitvenega napajanja za primer izpada primarnega dovoda električne energije.
Po trenutnem ceniku plačujem ponudniku GenI 1 kWh 14,3 centa (10,11+4,182) oz. 10,04 centa (6,82 + 3,215), kar pomeni da se na dan povprečno pridela okrog 2 do 3 EUR elektrike. Seveda to zgolj ob sončnih dnevih, pozimi bo izplen se razume manjši, a še vedno občuten, saj sistem omogoča tudi polnjenje akumulatorjev ponoči v času nizke tarife in praznjenje podnevi, ko je elektrika dražja.
V poplavi vseh mogočih on-grid ponudnikov fotovoltaičnih sistemov se mi zdi opisani sistem dobrodošla alternativa, ki je cenovno sprejemljiva (akumulator, ki predstavlja nekje polovico investicije, se lahko doda kasneje), enostavno razširljiva (možno povečanje števila PV modulov in/ali razsmernikov) in zanjo ni potrebno pridobivanje nikakršnih soglasij. Takšen sistem za razliko od klasičnih on-grid sončnih elektrarn primarno električno omrežje še dodatno razbremeni in tega se v določeni meri zavedajo tudi zakonodajalci, saj se končno napovedujejo spremembe v smeri sofinanciranja domačih hranilnikov energije, saj glavna težava »zelene« energije (fotovoltaika, vetrne elektrarne …) ni njena količina, pač pa dobavljivost takrat, ko energijo dejansko potrebujemo.
Sonce in veter ne delujeta na ukaz in tega bi se morali zavedati tudi določeni »ekološko ozaveščeni« akterji, ki brez poznavanja osnovnih elektroenergetskih sistemov propagirajo solarno in vetrno energijo v eni sapi, v drugi sapi pa zahtevajo zaprtje termo in jedrskih elektrarn (pa, Bog ne daj, še postaviti kakšno hidroelektrarno), ki trenutno edino lahko zagotavljajo kolikor toliko stabilno električno omrežje.
Viri in reference:
www.iksor.si
www.akumulator.si
www.bisol.si
www.ece.si
www.ginverter.com
www.kenbrooksolar.com
www.rec-bms.com
www.tehnosol.si
