Logotyp

Analiza pracy parametrów laboratoryjnej instalacji PV z magazynem energii

data publikacji: 06 grudnia 2022

Ocena

0
(0)

W artykule przedstawiono działanie laboratoryjnej instalacji PV z magazynem energii w postaci akumulatorów litowo-jonowych. Opisano budowę takiej instalacji i możliwości aplikacji monitorującej parametry jej pracy. Przedstawiono wyniki monitoringu w okresie dwu lat. Poza klasycznym magazynem energii zaprezentowano alternatywny wariant zwiększenia autokonsumpcji instalacji PV w postaci podgrzewania ciepłej wody użytkowej.

Autorzy: Anastasiia Zelenska + Zespół

Wprowadzenie

Magazyn energii to urządzenie lub grupa urządzeń, których zadaniem jest przechowanie energii elektrycznej, aby wykorzystać ją w czasie zwiększonego zapotrzebowania. Jedną z głównych niedoskonałości fotowoltaiki jest zmienność produkcji energii w ciągu doby, a potem nierównomierne jej wykorzystywanie przez użytkowników. W tej sytuacji domowy magazyn energii zapewnia optymalne wykorzystanie efektów pracy instalacji PV. Poza tym chroni on nas także przed chwilowymi zanikami prądu w sieci. Ze względu na ryzyko tzw. blackoutu w okresie letnim (oznaczającym awarię systemu, skutkującą utratą bądź znacznym ograniczeniem napięcia na dużym obszarze) przy dużej niewydolności państwowych sieci przesyłowych, możliwość skorzystania z domowego powerbanku wydaje się rozsądnym podejściem. Specjaliści przewidują, że dzięki temu użytkownicy mogą uzyskać nawet 90% samowystarczalność energetyczną. W efekcie nie muszą obawiać się w przyszłości podwyżek cen prądu [1][2][6][7].

Według danych Polskiej Izby Magazynowania Energii, istniejące u nas magazyny energii mają zainstalowanych łącznie około 1450 MW mocy (z czego tylko 20 MW w technologii elektrochemicznej). To nadal za mało, aby spełnić unijne regulacje wymagające, aby 2% łącznej mocy w polskiej energetyce zainstalowane było w magazynach energii [2][7][6].

Budowa laboratoryjnej instalacji PV z magazynem energii

Badana instalacja fotowoltaiczna znajduje się na dachu budynku Wydziału Inżynierii Mechanicznej Politechniki Bydgoskiej. Energia elektryczna produkowana przez ten system pokrywa część zapotrzebowania na energię w Laboratorium Inżynierii OŹE. Zespół fotowoltaiczny składa się z:

  • 20 modułów monokrystalicznych IBC MonoSol 280 ZX,
  • trójfazowego inwertera FRONIUS Symo Hybrid 5.0-3-S,
  • magazynu energii w postaci akumulatorów Fronius Solar Battery,
  • licznika energii Fronius Smart Meter.
Rys. 1. Schemat budowy instalacji z magazynem energii

Moduły fotowoltaiczne o mocy całkowitej 5,6 kW zamontowane są pod kątem 21° do poziomu na dachu budynku uczelni. Według producenta wartość mocy powinna spaść o około 10% po około 12 latach, natomiast po 25 latach wartość mocy będzie około 20% mniejsza w porównaniu do wartości wyjściowej.

Rys. 2. Moduły fotowoltaiczne na dachu budynku 3.2 WIM UTP w Bydgoszczy

Inwerter znajdujący się w zespole instalacji laboratoryjnej posiada system kontroli ładowania akumulatorów, który jest bezpośrednio wbudowany. Współpracuje on z bateriami akumulatorów [20] o pojemności od 4,5 do 12 kWh. System w pełni integruje się z systemem oferowanym przez producenta. Posiada interfejs, który pozwala na wysyłanie danych za pomocą Internetu.

Fronius Smart Meter jest to dwukierunkowy licznik, który dzięki swej pracy optymalizuje zużycie energii elektrycznej na własny użytek oraz monitoruje krzywą obciążenia. W połączeniu z portalem internetowym Fronius Solar.web pozwala obserwować zużycie energii przez użytkownika.

Rys. 3. Magazyn energii Fronius Solar Battery oraz Trójfazowy inwerter FRONIUS Symo Hybrid 5.0-3-S

Wyniki pomiarów pracy instalacji laboratoryjnej

Narzędzie dedykowane dla systemu instalacji fotowoltaicznej, która znajduje się na budynku Politechniki Bydgoskiej pozwala na przegląd produkcji energii elektrycznej przez zespół PV, wysokości oszczędności etc. dzięki przeglądarkowej aplikacji Solar.web dostępnej na stronie www.solarweb.com. Indywidualny profil użytkownika i połączona z kontem instalacja wyświetlają w czasie rzeczywistym pomiary bieżącej mocy, przedstawia bilans energetyczny z obecnego dnia oraz skupia informacje dotyczące redukcji CO2 jaka zachodzi dzięki pracy instalacji.

Aplikacja ta jest o tyle prosta, że przeciętny użytkownik jest w stanie obserwować pracę instalacji bez dodatkowych narzędzi związanych z instalacją na własnym komputerze, a monitorowane pomiary są przechowywane w archiwum i dostępne są w zakresie dziennym, miesięcznym, rocznym oraz łącznym (całe archiwum). Wszystkie dane dzięki technologii firmy Fronius wysyłane są za pomocą połączenia Internetowego i zapisywane w bazie danych.

Rys. 4. Część interfejsu aplikacji ukazująca aktualne zapotrzebowanie na moc elektryczną

Czynniki energetyczne oraz wielkości monitorowane przez system Solar.web to:

  1. produkcja energii elektrycznej, w której wyróżnia się:
  2. energię zasilającą sieć, czyli skumulowaną energię elektryczną, która została wyprodukowana i przetransportowana do sieci elektroenergetycznej,
  3. energię zgromadzoną w akumulatorze, czyli skumulowaną energię elektryczną, która została wyprodukowana i przetransportowana do baterii akumulatorów,
  4. energię zużytą bezpośrednio, czyli skumulowaną energię elektryczną, która została wyprodukowana i użyta na własne potrzeby użytkowe (zasilanie odbiorników elektrycznych).
  • Zużycie energii elektrycznej, w której wyróżnia się:
  • energię pobraną z sieci energetycznej, czyli skumulowaną wartość energii elektrycznej pobranej z sieci w sytuacji niewystarczającej produkcji energii elektrycznej w danym czasie przez system, niezbędnej do zasilania odbiorników elektrycznych,
  • energię pobraną z akumulatora, czyli skumulowaną wartość energii elektrycznej pobranej z baterii akumulatorów w przypadku niewystarczającej produkcji energii elektrycznej przez system PV niezbędnej do zasilania odbiorników,
  • energię zużytą bezpośrednio, czyli tę samą energię jak w przypadku czynnika monitorowanego w aspekcie produkcji.

Wartości obliczone przez aplikację internetową w zakresie pracy instalacji przy założonych warunkach cenowych to:

  1. rentowność instalacji, w której wyróżnia się:
  2. przychód z pracy instalacji, czyli szacowane wartości finansowe dzięki sprzedaży energii elektrycznej do sieci w przypadku produkcji energii elektrycznej, która nie została zużyta na własne potrzeby czy też na potrzebę ładowania baterii akumulatorów,
  3. oszczędności, czyli szacowane wartości finansowe związane z akumulowaniem energii elektrycznej w akumulatorach.
  • wydatki dotyczące instalacji, w której wyróżnia się:
  • łączne koszty energii, czyli koszty poniesione za zakup energii elektrycznej z KSE w ramach zaspokojenia potrzeb energetycznych w przypadku braku lub zbyt małej produkcji energii elektrycznej przez system PV
  • oszczędności, czyli wartości określone w obszarze rentowności instalacji,
  • koszty rzeczywiste pracy instalacji, czyli łączne koszty energii pomniejszone przez łączne wartości oszczędności.

Olbrzymią zaletą Solar.web jest przejrzyste i zrozumiałe prezentowanie przepływów energii. Można je wygodnie wyświetlić na smartfonie, tablecie lub komputerze. Użytkownik instalacji ma zawsze pod kontrolą wartości uzysku i zużycia swojej instalacji PV na dobrze zorganizowanym pulpicie – zarówno w czasie rzeczywistym, jak i z wybranego miesiąca lub pory roku.

Na rysunkach poniżej przedstawiono zestawienia produkcji energii w układzie dwu lat tzn. roku 2020 oraz roku 2021.

Rys. 5. Produkcja energii elektrycznej [kWh] przez analizowaną instalację PV w roku 2020

Rys. 6. Produkcja energii elektrycznej [kWh] przez analizowaną instalację PV w roku 2021

Jeśli użytkownik instalacji PV dysponuje dodatkowo urządzeniem Fronius Smart Meter pełniącym funkcję dwukierunkowego licznika zużycia, wie dokładnie, ile prądu produkuje, sam zużywa, oddaje do sieci lub z niej pobiera. Na podstawie tego bilansu można wywnioskować, jak duży jest jeszcze potencjał zużycia na potrzeby własne lub magazynowania.

Na rysunkach poniżej przedstawiono zestawienia produkcji energii w układzie dziennym oraz miesięcznym.

Rys. 7. Produkcja energii elektrycznej [kWh] przez analizowaną instalację PV w układzie dziennym – przykład dla 07.08.2022
Rys. 8. Produkcja energii elektrycznej [kWh] przez analizowaną instalację PV w układzie miesięcznym – sierpień 2022

Porównanie wyników pomiarów dotyczących wytwarzania energii pokazuje, że w miesiącach zimowych istnieje niska produkcja energii elektrycznej, a większość wyprodukowanej energii przeznaczana jest na cele równoczesnego zapotrzebowania na energię przez odbiorniki lub przechowywana w akumulatorach.  Wyprodukowana energia skonsumowana bezpośrednio jest na podobnym poziomie w każdym miesiącu z lekkim jego spadkiem w miesiącach zimowych.

Aplikacja umożliwia określenie rentowności (przychód/oszczędności) oraz wydatku (przychód/oszczędności) w układzie rocznym. Na rysunkach poniżej zestawiono to dla roku 2020.

Rys. 9. Roczna analiza bilansowania wydatku (oszczędności/koszty rzeczywiste) przez analizowaną instalację PV dla roku 2020
Rys. 10. Roczna analiza bilansowania rentowności (przychód/oszczędności) przez analizowaną instalację PV dla roku 2020

Jak widać oszczędności wynikające z zastosowania magazynu energii mają największe wartości w okresie miesięcy letnich. W miesiącach zimowych mimo zastosowania magazynu energii mamy wysokie koszty rzeczywiste. Tak samo w zakresie bilansowania rentowności. Najwyższe oszczędności mamy dla miesięcy letnich bo są z nimi powiązane wysokie przychody i produkcja w tym okresie.

Czy magazyn energii elektrycznej jest jedynym rozwiązaniem?

Gwałtowny wzrost popularności instalacji fotowoltaicznych typu on-grid jest odpowiedzialny za wprowadzanie do lokalnych sieci energetycznych bardzo dużych ilości nadmiarowej energii elektrycznej – szczególnie w chwilach dużego nasłonecznienia w sezonie wakacyjnym, gdy instalacje pracują z najwyższą wydajnością, produkując duże ilości energii elektrycznej, a domownicy przebywają poza domem np. na wyjazdach wakacyjnych. Nazywane jest to niskim, lub minimalnym poziomem autokonsumpcji.

Mimo niewykorzystywania produkowanej energii na cele własne, wciąż jest to sytuacja korzystna dla prosumentów, gdyż ta wprowadzana do sieci energia jest przy każdorazowym rozliczeniu oddawana, na zasadzie swoistego upustu (od ilości energii pobranej z sieci odejmuje się 80% sumy wprowadzonej – nadmiarowej z produkcji z generatora fotowoltaicznego). Niestety, sieci dystrybucyjne nie były projektowane i nie są przygotowane pod takie ilości nadmiarowej energii elektrycznej – rynek energetyczny reaguje radykalnie – zauważalne będą negatywne dla prosumentów zjawiska tymczasowych odłączeń generatorów PV. Zwiększając autokonsumpcję, możliwe byłoby ograniczenie tego negatywnego aspektu nadmiaru energii elektrycznej w sieciach dystrybucyjnych. Nie jest to jednak jedyna zaleta, bowiem większa autokonsumpcja oznaczałaby poprawę ekonomiki funkcjonowania instalacji fotowoltaicznych z uwagi na stratę wynoszącą 20% w momencie wprowadzania nadmiaru do sieci – wykorzystanie tego nadmiaru na cele własne pozwoliłoby wykorzystać nie 80%, a całość. Analizy przeprowadzane przez badaczy rynku sugerują, iż zwiększenie autokonsumpcji powyżej 60% spowodowałoby obniżenie średniego okresu zwrotu inwestycji w generator fotowoltaiczny o około jeden rok.

Użytkownik instalacji PV poza zastosowaniem klasycznego magazynu energii może na przykład zużywać nadmiar prądu do zasilania własnej pompy ciepła lub magazynować go na noc. Jako przykład zostanie przedstawiona realizacja magazynowania energii w ogrzewanej wodzie przy zastosowaniu dedykowanego sterownika/regulatora marki Fronius .

Urządzenie Ohmpilot pozwala wykorzystać nadwyżkową energię z instalacji fotowoltaicznej na cele przygotowania ciepłej wody użytkowej, tym samym obniżając koszty ponoszone na wykorzystanie mediów. To właśnie na ogrzewanie zużywane są największe ilości energii.  Na poniższym rysunku przedstawiono interfejs środowiska dostarczanego przez omawiane urządzenie na wybranej analizowanej instalacji PV.

Rys. 11. Przykład symulacji opłacalności regulatora na analizowanej instalacji PV

Fronius Ohmpilot jest regulatorem inteligentnie sterującym odbiornikami rezystancyjnymi. Jego głównym przeznaczeniem jest wykorzystanie nadmiaru energii słonecznej w celu podgrzania wody np. w kotłach i zbiornikach buforowych, ale może być także stosowany do grzejników na podczerwień lub grzejników elektrycznych. Dzięki płynnie regulowanej mocy w zakresie od 0 do 9 kW nadmiar energii PV można spożytkować do bezpośredniego zasilania odbiorników w gospodarstwie domowym w takim stopniu, aby energia nie była ani oddawana do sieci, ani z niej pobierana.                                         

Energia słoneczna może dostarczyć domowi rodzinnemu o średnim poziomie zużycia wody większość zapotrzebowania na gorącą wodę w okresie od kwietnia do października. Gdy tylko Twój system PV generuje więcej energii, niż jest obecnie zużywane w gospodarstwie domowym, Fronius Ohmpilot kieruje dostępny nadmiar do elementu grzejnego, suszarki lub innego rezystancyjnego odbiornika wybranego przez użytkownika. Wynikiem jest maksymalny poziom samowystarczalności, zmniejszenie emisji dwutlenku węgla w gospodarstwie domowym i mniejsze zużycie energii w głównym systemie dostarczania ciepła w budynku w miesiącach letnich.

System PV zasila domowe odbiorniki energii elektrycznej, ale nadmiar energii PV – czyli energia, której nie jesteśmy w stanie zużyć bezpośrednio – jest oddawana do publicznej sieci energetycznej. Działanie sterownika przedstawiono na rysunkach poniżej.

Rys. 12. Słoneczny dzień przed i po zainstalowaniu systemu Fronius Ohmpilot

Na rysunku poniżej przedstawiono komponenty instalacji z Fronius Ohmpilot oraz diagram połączeń pomiędzy nimi. Inteligentny licznik energii Fronius Smart Meter precyzyjnie mierzy aktualną wartość mocy chwilowej na styku budynku oraz sieci i przekazuje tę wartość – za pośrednictwem karty Fronius Datamanager – do regulatora Fronius Ohmpilot.

Rys. 13. Diagram połączeń w systemie z Fronius Ohmpilot

Fronius Ohmpilot płynnie, w przedziale od 0 do 9kW, steruje mocą oddawaną do podłączonej grzałki. Dzięki temu nadmiar energii PV nie jest odprowadzany do sieci energetycznej, ale zużywany do przygotowywania ciepłej wody. Ponieważ regulacja odbywa się płynnie, na styku budynku i sieci energetycznej energia nie będzie ani oddawana, ani pobierana: chwilowa moc będzie równa 0W. Zużycie własne produkowanej w instalacji PV energii może wzrosnąć w słoneczny dzień nawet do ponad 80%.

Rys. 14. Symulacja działania Fronius Ohmpilot dla założonych warunków – analizowana instalacja PV

Warunkiem uzyskania wysokiej wartości autokonsumpcji duża liczba osób zużywająca odpowiednią ilość ciepłej wody użytkowej. Im zużycie jest wyższy tym podczas analiz uzyskiwano wyższe wartości autokonsumpcji – nawet na poziomie 84% dla zbiornika ciepłej wody użytkowej o wielkości 200 litrów i dla 6-osobiowej rodziny

Podsumowanie

Magazyny energii umożliwiają przechowywanie energii wyprodukowanej w dzień i używanie jej, gdy fotowoltaika kończy produkcję po zachodzie słońca. Dzięki temu można zwiększyć zyski z instalacji PV. W zależności od potrzeb jednorodzinnego gospodarstwa domowego magazyn energii powinien mieć pojemność od kilku do kilkunastu kWh. Zbyt mały akumulator może nie spełniać naszego zapotrzebowania na energię elektryczną, a zakup zbyt dużego urządzenia nie jest opłacalny. Dobrym wyborem może być również urządzenie o modułowej konstrukcji, które można rozszerzać w zależności od potrzeb.

Drugim powodem zastosowanie magazynów energii jest to iż w Polsce infrastruktura sieciowa niskich i średnich napięć w wielu regionach jest przestarzała. Nie modernizowana od lat, nie jest przystosowana do podłączenia dużej ilości mikroinstalacji. Rosnąca liczba instalacji prosumenckich staje się problemem dla zakładów energetycznych, ponieważ powodują one przeciążenia sieci. Z tego względu, dla rozwoju nowoczesnej energetyki konieczne są magazyny energii. Urządzenia te mogą nie tylko odciążyć sieci dystrybucyjne, ale także zmniejszyć zapotrzebowanie na nowe linie energetyczne, które są warunkiem rozwoju energetyki rozproszonej.

Kolejnym argumentem za magazynami energii jest zminimalizowanie strat energii, które powstają w wyniku jej rozliczania u układzie opustu. Wysłaną do sieci nadwyżkę prosument może odebrać w układzie opustu w stosunku 1:0,7 lub 1:0,8. By nie tracić 20, a w przypadku większych instalacji (>10 kWp) nawet 30% warto zwiększać autokonsumpcję.

Funkcjonujący do tej pory od 2016 roku system opustów został zastąpiony przez model umożliwiający prosumentom sprzedaż energii elektrycznej. Energię można sprzedać po cenie hurtowej, a kupić po cenie oferowanej, zgodnie z obowiązującą taryfą operatora, a więc po cenie wyższej. W takiej sytuacji najkorzystniejszą opcją dla prosumenta jest zwiększenie autokonsumpcji i wykorzystywanie wyprodukowanej energii na bieżąco. Tu dużą rolę mogą odegrać magazyny energii, dzięki którym, zamiast oddawać do sieci, znaczną część nadwyżek możemy zachować na czas, kiedy produkcja prądu jest niewystarczająca do zapotrzebowania lub ustaje (noc). Magazyn pozwoli ograniczyć konieczność dokupowania prądu w bilansie dziennym. 

Poza klasycznym systemem magazynu energii do zwiększania autokonsumpcji w instalacji domowej bardzo korzystnie ekonomicznie może wyglądać zastosowanie układu do podgrzewania ciepłej wody użytkowej. Koszt inwestycji tego typu regulatorów nie przekracza kilku tysięcy złotych, a pozwala zwiększyć autokonsumpcję systemu.

Artykuł powstał dzięki wsparciu firmy HUAWEI w ramach I edycji Programu Grantowego SOFIA.


Wykorzystane źródła

Komentarze

Zaloguj się, aby móc komentować

Brak komentarzy

Dodaj ocenę

Średnia ocena: 0 / 5. Ilość głosów: 0

No votes so far! Be the first to rate this post.

Podobne artykuły