Obwód awaryjny w fotowoltaice

Kategorie: Projektant, Instalator, Inwestorzy, Profesjonaliści, Biznes, Doradcy, Hurtownie i Sklepy, Dom

Instalacje fotowoltaiczne często są projektowane, jako źródło w pełni wystarczające do pokrycia dziennego zapotrzebowania domostwa w energię elektryczną. Nieraz jednak produkcja w pogodne dni jest tak duża, że przekracza ilość energii, którą jesteśmy w stanie zużyć.

Co jednak, gdy chcemy tą energię przechować i zabezpieczyć się na wypadek zaniku prądu w sieci? Najlepszym rozwiązaniem jest zastosowanie inwerterów hybrydowych – które każdy renomowany producent inwerterów ma w swojej ofercie.

Inwerter hybrydowy pomocny w autokonsumpcji

Inwertery hybrydowe, jak sama nazwa wskazuje, mogą oddawać prąd zarówno do baterii, jak i do sieci, przy czym mogą pracować dwutorowo – przy dużej liczbie produkowanej energii, są w stanie jednocześnie ładować baterię, jak i zasilać instalację domową. Takie inwertery są również w stanie oddawać energię z akumulatorów w przypadku złej pogody bądź też późnej pory. Zwiększa to autokonsumpcję z wartości szacunkowej około 25% do 70%.

 

Aby lepiej zrozumieć zasadę działania falowników hybrydowych, posłużymy się przykładem firmy SofarSolar, która ma w ofercie linię HYD 3PH, trójfazowych falowników o mocy od 5 do 20 kW. Falowniki te działają w połączeniu z magazynami energii o podwyższonym napięciu prądu stałego (rzędu 200-500V). Pozwala to na zastosowanie standardowych przewodów solarnych do łączenia falownika z bateriami, a prąd przez nie przechodzący wynosi maksymalnie 30A, przez co cała instalacja ma mniejsze straty i może dostarczyć więcej mocy do sieci domowej. W znacznym stopniu zwiększa to wykorzystanie fotowoltaiki do własnych zastosowań, zamiast stratnie oddawać tą energię do sieci.

             

Kolejną istotną cechą inwerterów hybrydowych jest możliwość stworzenia tzw. obwodu awaryjnego, czyli układu zasilanego nawet w przypadku wyłączenia zasilania zewnętrznego. Znacznie zwiększa to użyteczność takiej instalacji, zwłaszcza w regionach o słabej infrastrukturze elektrycznej, bądź często dotykanej gwałtownymi zjawiskami pogodowymi (silne wiatry, podtopienia), gdzie można doświadczyć częstych wyłączeń sieci. W takim wypadku rozwiązanie obwodu awaryjnego pozwala na długotrwałe (nawet kilkunastogodzinne) podtrzymanie wybranych obwodów bądź urządzeń w trybie normalnej pracy. Tutaj warto zaznaczyć, że w przypadku falowników hybrydowych trójfazowych często istnieje możliwość zasilania obwodem awaryjnym całej instalacji domowej, co pozwala na pełne jej użytkowanie w przypadku zaniku sieci. Wiąże się to oczywiście z zanikiem prądu, jednak na czas kilkudziesięciu dziesiątych sekundy, nie zaś kilkunastu minut, bądź też kilku godzin, jak w przypadku domów bez instalacji wyposażonej w zasilanie awaryjne.

              

Średnią wartością baterii wykorzystywanych w takich układach jest 10 kilowatogodzin (kWh). Jest to wartość pozwalająca na zasilanie całego domostwa nawet przez 5 godzin zimą bądź znacznie dłużej latem (tu wiele zależy od tego, jak ogrzewany jest dom, czy ma klimatyzację, oraz w jakich warunkach przechowywana jest bateria). W przypadku podtrzymania tylko wybranego obwodu awaryjnego możemy rozciągnąć ten czas w sposób kontrolowany poprzez podłączanie i odłączanie wybranych urządzeń. Przykładowa bateria wystarczy na zasilanie lodówki (średnio około 50 W) oraz telewizora (150W) przez czas nawet przez 45 godzin. Czyni to nasz dom w pewnym sensie niezależnym od warunków atmosferycznych i dostawcy energii oraz istniejącej infrastruktury. Jednak w przypadku inwertera hybrydowego trójfazowego bardzo często jesteśmy ograniczeni jedynie do danego producenta baterii oraz konkretnych ich konfiguracji.    

Kluczowa rola falownika

Innym sposobem na dom wyposażony w obwód awaryjny jest wykorzystanie falownika hybrydowego jednofazowego, który podłączony jest w sposób tradycyjny do jednej, wybranej fazy instalacji domowej, za to dodatkowe gniazdo można wyprowadzić właśnie na obwód awaryjny, np. do konkretnego jednego bądź kilku odbiorników elektrycznych. Należy jednak pamiętać, że sumaryczna wartość mocy odbiorników nie może być większa, niż moc, którą jest w stanie oddać bateria (nie więcej, niż 3,68 kW). Takie falowniki należy łączyć z bateriami za pomocą specjalnych, podwójnie izolowanych przewodów, które są przystosowane do przenoszenia dużego prądu. Często jednak, z uwagi na stosunkowo niskie napięcie (48V prądu stałego), jako źródło obwodu awaryjnego wykorzystać można akumulatory kwasowo – ołowiowe o napięciu nominalnym 12 V. Połączenie szeregowe czterech takich akumulatorów dostarcza do inwertera wymagane 48V, co daje nam stosunkowo tani sposób na magazynowanie energii, gdyż ceny takich akumulatorów zaczynają się od kilkuset złotych. Jest to doskonałe rozwiązanie dla gospodarstw, które mają do podtrzymania w obwodzie awaryjnym niewielką liczbę urządzeń krytycznych.

 

Kolejnym, ostatnim z popularnych typów budowania zasilania czy też obwodu awaryjnego połączonego z fotowoltaiką jest tak zwany falownik AC, czyli retrofitting. Jest to nic innego, jak uzupełnienie już istniejącej instalacji o dodatkowy – z reguły znacznie tańszy – falownik AC, którego jedynym zadaniem jest ładowanie podłączonego do niego zestawu baterii i udostępnianie tej zmagazynowanej energii do wybranej fazy, bądź też, w razie konieczności, do obwodu awaryjnego. Ogromną zaletą tego systemu jest możliwość niemal dowolnej konfiguracji producentów względem siebie. Jeżeli inwerter typu retrofit nie wymaga połączenia z inwerterem głównym (a często nie jest to wymagane), możemy zastosować inwerter dostosowany do naszych potrzeb. Tego typu falowniki opierają się na informacjach pochodzących z odpowiednich mierników (przekładników prądowych), które zakłada się na wybraną fazę tuż przy podłączeniu do sieci falownika głównego, drugi natomiast bezpośrednio przy liczniku głównym, przed całą główną rozdzielnicą domostwa (jednak na tej samej fazie, co pierwszy). Dzięki temu układy pomiarowe inwertera mogą dokładnie pomierzyć, ile energii produkuje falownik, a ile jest zużywane przez instalacje domową. Jeżeli energia na mierzonej fazie jest oddawana do sieci (to znaczy spełnione jest zapotrzebowanie urządzeń domowych na energię), falownik typu retrofit uruchamia ładowanie baterii, przekierowując do zespołu akumulatorów tyle mocy, ile jest aktualnie oddawane na zewnątrz, dążąc do zerowej emisji energii na pojedynczej fazie. Co ważne, urządzenia te można powielać na innych fazach, co stworzy pełny, trójfazowy system obwodów awaryjnych.

Zasilanie awaryjne w fotowoltaice

Należy tutaj wspomnieć o technicznej stronie korzystania z tego rodzaju inwerterów (nieważne, jakiego rodzaju). Instalacje oparte na tych rozwiązaniach muszą zostać w pewnym stopniu uzupełnione, lub przebudowane. Wynika to właśnie z ich możliwości do budowania zasilania awaryjnego.  Taki falownik można podłączyć na kilka sposobów:

 

  • Podłączenie równoległe do sieci bez obwodu awaryjnego
  • Podłączenie równoległe do sieci z wykorzystaniem obwodu awaryjnego
  • Podłączenie szeregowe do sieci
  • Podłączenie łączone (za pomocą przełącznika)

 

Sposoby pierwszy jak i drugi charakteryzują się podłączeniem inwertera w sposób można powiedzieć klasyczny, równolegle do zasilania głównego oczywiście z wykorzystaniem dodatkowego zabezpieczenia. Taka „hybryda” (potoczne określenie falownika hybrydowego) działa jak klasyczny inwerter, z tym że wyposażony w magazyn energii. W sposobie pierwszym w zależności od zużycia własnego dodatkowo możemy ładować baterię (jeżeli energia pochodząca z modułów przekracza zużycie własne urządzeń w instalacji domowej), bądź też ją rozładowywać, jeżeli tej energii w naszym układzie brakuje. Jest to podłączenie najprostsze i nie wymagające niemal żadnej ingerencji w istniejącą instalację elektryczną. Wciąż jednak mamy niewykorzystane złącze obwodu awaryjnego, które warto byłoby użyć celem zabezpieczenia kluczowych urządzeń. W takim wypadku również możemy podłączyć falownik w sposób opisany powyżej, z tą jednak różnicą, że do rozdzielni głównej doprowadzamy z falownika dodatkowy przewód, który musimy jakoś zagospodarować. Możemy podłączyć pod niego jedno bądź kilka urządzeń (po wyseparowaniu ich z istniejącej sieci), bądź np. jeden cały obwód awaryjny, np. oświetlenie budynku lub pompę ciepła albo też grzałkę bojlera. Możliwości jest tak naprawdę dużo i jesteśmy ograniczani tylko pojemnością baterii i ilością energii, którą falownik jest w stanie przenieść. Wiąże się z tym jednak ingerencja w istniejący układ, gdyż urządzenia podłączone do obwodu awaryjnego nie mogą być w żaden sposób połączone z resztą sieci. Grozi to awariami urządzenia i licznymi błędami w działaniu instalacji.

Zabezpieczenie w wypadku blackoutu

Szeregowe podłączenie do sieci możliwe jest tylko w niektórych falownikach hybrydowych (trójfazowych posiadających tzw. Pełen backup czyli awaryjny obwód trójfazowy zdolny przenieść całą energię falownika) i wiąże się z szeregiem obostrzeń, jednak pozwala przerobić całą instalację domową na jeden rozłączony od sieci, trójfazowy obwód awaryjny. Dzieje się to, ponieważ inwerter jest wyposażony w specjalne przekaźniki oraz styczniki, które  w przypadku zaniku zewnętrznego źródła zasilania rozłączają falownik, tworząc swego rodzaju energetyczną wyspę, która jest odizolowana od sieci zewnętrznej. Jest to rozwiązanie polecane zwłaszcza w regionach, w których często dochodzi do uszkodzeń infrastruktury elektrycznej, jednak wymaga większych magazynów energii oraz odpowiedzialnego doboru komponentów i analizy własnego zużycia. Jednak takie instalacje wiążą się z ryzykiem wyłączeń już nie po stronie sieci, a samego falownika.

 

Przy takim rozwiązaniu musimy kontrolować ilość i moc włączonych urządzeń, gdyż przekroczenie mocy nominalnej falownika może skutkować jego wyłączeniem. Taki sam skutek odnieść może uruchomienie zbyt wielu odbiorników energii elektrycznej na jednej fazie w stosunku do reszty, co również spowoduje chwilową awarię, a w konsekwencji zanik prądu. Tak więc firma instalatrska powinna przeprowadzić uważny wywiad o obciążeniu sieci w domostwie, oraz tak dobrać wartości falownika i baterii, ażeby nie wystąpiły wyżej wymienione problemy. Ten sposób jednak również można ominąć, stosując tak zwany sposób mieszany, czyli połączenie równoległe i szeregowe, skupione w Przełączniku Zasilania. Taki przełącznik i odpowiednie jego podłączenie (tzw. Switchbox) do istniejącej instalacji pozwala na zmianę typu podłączenia z równoległego na szeregowy i odwrotnie. Pozwala to cieszyć się bezproblemowym działaniem instalacji podłączonej równolegle i zwiększania autokonsumpcji, gdy energia z sieci jest dostępna, oraz przełączania w tryb szeregowy, gdy jesteśmy od sieci w jakiś sposób odcięci (np. przez zerwanie linii, czy lokalny „blackout”).

 

Takie rozwiązania można znaleźć na rynku zarówno manualne, gdzie ręcznie przełączamy tryb pracy, jak i automatyczne, gdzie odpowiednia konfiguracja styczników zapobiega zwarciu niezsynchronizowanych faz oraz sama decyduje o tym, w jakiej konfiguracji ma być podłączony do sieci dany falownik. Wtedy też obwód awaryjny uruchamia się tylko w wyniku braku zewnętrznego źródła prądu i zaopatruje w energię cały dom.

Falownik z funkcją obwodu awaryjnego

Do czego jednak tak właściwie może nam się przydać wspomniany niejednokrotnie obwód awaryjny? Wyobraźmy sobie hipotetyczną sytuację domostwa położonego na uboczu wsi, gdzie leśną okolicę często nawiedzają silne wiatry. Załóżmy również, że jest to nowoczesny dom o wysokim stopniu elektryfikacji, gdzie ogrzewany jest pompą ciepła, a gotujemy na płycie indukcyjnej. W takim domu dostępność energii elektrycznej jest kluczowa, gdyż bez niej grozi szybkie wychłodzenie murów i niemożliwość wzięcia ciepłej kąpieli czy ugotowania ciepłego posiłku. W takiej lokalizacji nietrudno o uszkodzenie napowietrznych linii średniego lub niskiego napięcia na przykład przez przewrócone drzewo bądź naniesioną wiatrem gałąź. W wyniku takiej usterki czeka nas kilka bądź i kilkanaście godzin odcięcia od prądu, a w konsekwencji ogrzewania, ciepłej wody czy chociażby możliwości włączenia telewizora. Jeżeli taki dom wyposażony jest w instalację fotowoltaiczną standardowego typu (on-grid), niestety nie możemy wykorzystać naszego prądu ze słońca, gdyż zabezpieczenia anty-wyspowe nie pozwolą falownikowi na produkcję.

 

Co innego jednak, gdy zapobiegawczo podłączyliśmy falownik hybrydowy z funkcją obwodu awaryjnego. W taki sposób, nawet w pochmurny dzień, zimą czy nocą (przy odpowiednim trybie ładowania baterii, dostosowanym do lokalnych warunków i zużycia własnego) możemy podtrzymać działanie pompy ciepła, klimatyzacji, czy chociażby telewizora tak długo, jak długo pozwoli nam pojemność zainstalowanego magazynu energii. Jeżeli za to nasz dom położony jest w okolicy, gdzie często dochodzi do przeciążeń sieci, a w konsekwencji jej wyłączenia, możemy wydłużać działanie naszego obwodu awaryjnego poprzez pracę paneli fotowoltaicznych i doładowywanie baterii. Zmagazynowaną w ten sposób energię możemy użyć w niemal dowolny, odpowiadający nam sposób, ciesząc się z dostępności prądu w każdej napotkanej sytuacji.

Warto wspomnieć kilka słów o sposobie działania takich instalacji wyposażonych w baterię. Każdy falownik hybrydowy powinien być wyposażony w zewnętrzny licznik energii elektrycznej (najczęściej jest w zestawie z inwerterem), który daje jednostce zliczającej informację o zużyciu własnym instalacji. Wśród producentów rozpowszechniło się kilka trybów pracy, dostosowanych do różnych potrzeb. Najpopularniejszym jest zdecydowanie tak zwany tryb automatyczny, który na bieżąco analizuje ilość energii płynącej z modułów fotowoltaicznych i porównuje ją do ilości energii oddawanej, bądź pobieranej z sieci. Jeżeli prąd jest oddawany na zewnątrz, następuje wymuszenie ładowania magazynu energii mocą równą tej nadwyżce. Jeżeli natomiast pobieramy energię, falownik ten niedobór postara się wyrównać poprzez oddanie wymaganej energii z baterii. Tak więc tryb automatyczny stara się być jak najbardziej niezależny względem zewnętrznego źródła zasilania (czyli sieci).

 

Kolejnym, często używanym trybem jest tryb czasowy użytkownika, gdzie możemy wykorzystać taryfę nocną i nakazać inwerterowi, aby ładował energię w określonych porach (gdy mamy tańszy prąd). Następnie następuje wykorzystanie tej energii w sposób kontrolowanego oddawania energii z baterii w sytuacji jej niedoboru z modułów. Ostatnią interesującą, często wykorzystywaną funkcją jest tak zwany peak shaving, bądź też tryb pasywny, który z kolei oddaje energię głównie w godzinach porannych i popołudniowych, kiedy zużycie jest największe, a instalacja fotowoltaiczna albo jeszcze albo już nie pracuje z wystarczającą wydajnością, natomiast ładuje się tylko i wyłącznie z nadwyżek produkcji, nie korzystając w tym celu w ogóle z sieci zewnętrznej. Warto nadmienić, że we wszystkich trybach obwód awaryjny jest opcją dostępną i wartą rozważenia.

Wysoki potencjał falowników hybrydowych

Jak widzimy, sposobów na wykorzystanie falowników hybrydowych jest wiele, a potencjalne niewielkie problemy wynikające z ich stosowania, jak i wysoka cena są równoważone przez ich wymierną funkcjonalność oraz zapewnienie dostępu do energii nawet w sytuacjach kryzysowych i właśnie pod tym względem powinno się rozważyć ich użycie. Jeżeli zatem mamy do czynienia z regionem dotkniętym częstymi zanikami prądu, bądź po prostu chcemy być niezależni i w pełni użytkować naszą instalację fotowoltaiczną, powinniśmy rozważyć instalację inwertera hybrydowego, wyposażonego w magazyn energii, co skutecznie podniesie komfort naszego życia i znacznie ograniczy problemy związane ze słabą infrastrukturą elektryczną, czy też lokalnymi klęskami żywiołowymi.

Masz pytania? Potrzebujesz więcej informacji? Skontaktuj się z nami

Może ci
się również
spodobać