Zásobník energie připojený k střídavému nebo stejnosměrnému proudu: která architektura je lepší?
Pokud plánujete pořídit si akumulátor k solárnímu systému, první otázkou není kapacita, ale architektura. Právě toto rozhodnutí určuje účinnost systému, jeho rozšiřitelnost i náklady na instalaci. V tomto článku si vysvětlíme, jak fungují systémy s připojením na střídavý (AC) a stejnosměrný (DC) proud, jaký je nejdůležitější technický rozdíl mezi připojením na střídavý a stejnosměrný proud a co vlastně v praxi znamená střídavý a stejnosměrný proud.
Podíváme se, které řešení je z hlediska přeměny energie účinnější, kdy je výhodné AC připojení při rozšíření stávající solární instalace o akumulátor a kdy se přesto vyplatí zvolit akumulátor s DC připojením. Zaměříme se na kompatibilitu se střídači, na to, zda si ponechat stávající zařízení, nebo ho vyměnit za hybridní střídač, a také na dimenzování výkonu a kapacity při dodatečném rozšíření.
Nakonec vyčíslíme konverzní ztráty, probereme otázku nulového vývozu a energetického managementu u retrofitových systémů, porovnáme obě architektury ve větším komerčním a průmyslovém měřítku a na závěr vám představíme rozhodovací kritéria SOLARKIT pro realizátory. Pokud se do systému dodatečně přidávají solární panely a akumulátory, tento soubor kritérií vám pomůže rozhodnout, která varianta se vyplatí.
Jak fungují systémy připojené k síti AC a DC?
Rozdíl mezi těmito dvěma architekturami spočívá v tom, kde se setkávají obvody solárních panelů a akumulátoru.
V systému připojeném k síti střídavého proudu (AC) je solární panel napojen na vlastní střídač, zatímco akumulátor je napojen na samostatný hybridní střídač s akumulátorem. Obě zařízení se setkávají na straně střídavého proudu, obvykle na sběrnici rozvodné skříně. Energie vyrobená solárním panelem se nejprve přemění na střídavý proud, poté, když se dostane do akumulátoru, se tam opět přemění na stejnosměrný proud a při vybíjení dochází k třetí přeměně. Výhodou této konstrukce je, že obě zařízení fungují nezávisle na sobě: pokud jedno selže, druhé pokračuje v provozu.
V systému s připojením na stejnosměrný proud pracuje jediný hybridní měnič. Solární panely a akumulátor jsou připojeny ke společné stejnosměrné sběrnici: na jedné straně je regulátor MPPT, na druhé straně nabíječka akumulátoru s DC/DC měničem. Stejnosměrný proud přicházející ze solárních panelů nabíjí akumulátor přímo, bez přeměny, a na střídavý proud se mění teprve tehdy, když směřuje ke spotřebičům nebo do sítě.
Z tohoto topologického rozdílu vyplývá vše ostatní: účinnost, rozšiřitelnost, redundance a složitost instalace. U domácího systému platí stejná logika jako u průmyslového zařízení, pouze v jiném řádu velikosti.
AC coupling a DC coupling: nejdůležitější technické rozdíly
V praxi se tyto dvě architektury liší ve čtyřech bodech.
Počet převodů. V případě AC coupling se energie ze solárních panelů převádí třikrát, v případě DC coupling pouze jednou. Z toho vyplývá rozdíl v účinnosti: při nabíjení ze solárních panelů dosahují systémy s AC coupling typicky účinnosti v cyklu 90–94 procent, zatímco systémy s DC coupling 95–98 procent.
Získání zpětné energie z oříznutí. Pokud výkon solárního pole překročí jmenovitý střídavý výkon střídače, přebytek se ztratí. Úložiště energie s DC připojením tuto oříznutou energii uloží ještě před střídačem, zatímco systém s AC připojením může nabíjet pouze tehdy, když energie již prošla střídačem.
Umístění a redundance. Akumulátor připojený na střídavé napětí (AC) lze volně instalovat dále od solárního pole a oba střídače fungují nezávisle na sobě. V případě konfigurace s připojením na stejnosměrné napětí (DC) musí akumulátor zůstat v blízkosti střídače a porucha jediného zařízení zastaví celý systém.
Náklady a instalace. U investic do nových projektů je připojení na straně stejnosměrného proudu levnější, protože stačí jediný hybridní střídač. U stávajících systémů je však připojení na straně střídavého proudu rychlejší řešení, protože není nutné zasahovat do fungující solární části.
Význam pojmů AC a DC
Je vhodné si ujasnit základy, protože na nich spočívají všechny výše uvedené rozdíly.
Stejnosměrný proud (DC, direct current) teče v jednom směru a má konstantní napětí. Solární panel tento proud vyrábí a akumulátor v této formě také energii ukládá. V domácím řetězci to obvykle znamená stejnosměrné napětí v rozmezí 600–1000 V.
Střídavý proud (AC – alternating current) periodicky mění směr, v Evropě s frekvencí 50 Hz. S ním pracuje rozvodná síť i většina domácích spotřebičů.
Měnič tyto dva systémy propojuje: stupeň DC/DC nastavuje úroveň napětí a stupeň DC/AC převádí výstup na sinusový střídavý proud o napětí 230 V. Každý takový převod je spojen se ztrátami, proto je důležité, kolika stupni prochází proud.
Které řešení je z hlediska účinnosti přeměny energie efektivnější?
Na papíře je odpověď jasná: připojení na stejnosměrný proud. Při nabíjení ze solárních panelů pracují systémy s připojením na stejnosměrný proud s účinností 95–98 procent, zatímco systémy s připojením na střídavý proud s účinností 90–94 procent, protože proud prochází menším počtem převodních stupňů.
V praxi však záleží na tom, jakou cestou energie prochází.
Pokud je energie vyrobená solárním panelem okamžitě dodávána ke spotřebičům, obě architektury provádějí stejný jediný převod DC/AC. Rozdíl v účinnosti se týká výhradně akumulované energie, to znamená, že jeho význam roste s tím, jak se zvyšuje podíl akumulace v systému.
Při nabíjení ze sítě se situace obrací: účinnost systému připojeného na stejnosměrný proud (DC) v tomto případě klesá kvůli dodatečnému převodu na přibližně 87 procent, zatímco výkon systému připojeného na střídavý proud (AC) zůstává vyrovnanější bez ohledu na zdroj nabíjení. Tento aspekt nabývá na významu všude tam, kde je součástí obchodního modelu dynamická sazba nebo síťová služba.
V režimu blackout může být připojení k střídavé síti rovněž výhodnější: v takovém případě se výkon střídače solárního systému a střídače akumulátoru sčítá, takže lze pokrýt i vyšší okamžitou spotřebu.
V číslech: u akumulátoru o kapacitě 10 kWh představuje rozdíl v účinnosti 3–5 % roční odchylku kolem 200–400 kWh. Tato hodnota sama o sobě málokdy ospravedlňuje výměnu střídače, ale při plánování nové instalace již hraje roli.
Rozšíření stávající solární elektrárny o akumulátor: kdy je výhodné připojení na střídavý proud (AC)?
Rozšíření stávající solární elektrárny o akumulátor je dnes typickým úkolem na většině evropských trhů. Ve velké části systémů nainstalovaných v druhé polovině roku 2010 pracuje běžný řetězcový střídač napájející síť, který není schopen přijmout akumulátor.
V takovém případě je připojení na střídavý proud jednoznačně lepší volbou ve čtyřech případech.
Pokud je stávající střídač v dobrém stavu a je ještě v záruce. Nemá smysl vyhazovat funkční zařízení jen proto, abyste získali pár procent účinnosti navíc. Zbytková hodnota demontovaného střídače je navíc jen zlomkem hodnoty nového.
Pokud se nevyplatí měnit stávající systém vyúčtování. Výhodnější, dříve získané tarify jsou obvykle vázány na nahlášený výkon výrobce a smlouvu o připojení k síti. Rozšíření na straně střídavého proudu (AC) tyto podmínky neovlivňuje, výměna střídače však může vyvolat nové povolovací řízení.
Pokud se místo solárního pole a akumulátoru liší. Střídač s akumulátorem lze volně instalovat v blízkosti rozvodné skříně.
Pokud je cílem rychlá realizace. Mezi energetickými úložišti EcoFlow se nacházejí jak modely typu „All-in-One“, tak i tradiční provedení se samostatným střídačem. Pro dodatečné rozšíření je nejvhodnější varianta „All-in-One“: střídač a akumulátorové moduly tvoří jednu věž, lze je připojit na straně střídavého proudu (AC), takže instalaci lze obvykle dokončit během jednoho dne. Pokud se akumulátor do systému přidává dodatečně, připojení na straně střídavého proudu (AC) představuje řešení s nejmenším zásahem.
Kdy se vyplatí zvolit akumulátor připojený na straně DC?
Ve čtyřech případech je však připojení na stejnosměrný proud racionálním rozhodnutím.
Při investici do zcela nového systému. Pokud se solární panely a akumulátor instalují současně, je jeden hybridní střídač levnější a efektivnější než dvě samostatná zařízení.
Pokud stávající střídač stejně vyžaduje výměnu. Životnost 8–10 let starého řetězcového střídače se chýlí ke konci; v takovém případě již hybridní střídač nepředstavuje dodatečné náklady, ale plánovanou výměnu.
Pokud je solární pole předimenzované. Při vysokém poměru DC/AC se může samotná rekuperace odříznuté energie vyplatit.
Pokud je omezený prostor. Jeden hybridní střídač znamená méně zařízení, méně kabeláže a jedno společné monitorovací rozhraní.
Rozhodnutí vždy vychází z průzkumu na místě: typ stávajícího střídače, jeho stáří a připojovací výkon společně určují, která architektura se vyplatí.
Kompatibilita střídačů a aspekty návrhu systému
Po výběru architektury o úspěchu projektu obvykle nerozhoduje účinnost, ale to, zda vybraná zařízení dokážou spolupracovat.
Je třeba sladit tři věci: napěťový rozsah, komunikační protokol a schválení výrobcem. Většina hybridních střídačů pro domácnosti pracuje s 48voltovými LiFePO4 bateriemi přes rozhraní CAN nebo RS485, zatímco vysokonapěťové platformy vyžadují vlastní bateriový modul v rozmezí 100–1000 V, často s uzavřeným protokolem.
Označení „10 kWh“ může skrývat dva zcela odlišné produkty: 48voltový modul a vysokonapěťovou bateriovou věž připojenou k hybridnímu střídači. Tyto dva produkty nejsou vzájemně zaměnitelné.
Komunikace v uzavřené smyčce není volitelnou výbavou: bez ní měnič odhaduje stav nabití pouze na základě napětí, což je vzhledem k ploché charakteristice LiFePO4 nepřesné a může být nezbytné i z hlediska záruky výrobce.
Zachování stávajícího střídače nebo jeho výměna za hybridní střídač
Pro rozhodnutí je třeba na místě shromáždit čtyři údaje.
Stáří střídače a zbývající doba záruky. U zařízení starého 2–3 roky téměř vždy zvítězí připojení k střídavé síti.
Konfigurace řetězců. Pokud přecházíte na hybridní střídač, musí hodnoty napětí a proudu stávajících řetězců spadat do MPPT okna nového zařízení. To často znamená přepojení nebo přeskupení řetězců.
Seznam kompatibility. Vždy se řiďte aktuálním a schváleným seznamem výrobce, a to včetně konkrétního modelu a verze hardwaru, protože důležitá je i kompatibilita firmwaru. K tématu kompatibility akumulátorů a střídačů FoxESS jsme připravili samostatný přehled.
Náklady na výpadek. V komerčních elektrárnách dny výpadku výroby rychle převáží zisk z vyšší účinnosti.
Pokud je některý z těchto faktorů nejistý, připojení k síti (AC) představuje cestu s menším rizikem: nezasahuje do solární části a povolená nastavení stávajícího systému zůstanou nedotčena.
Dodatečné dimenzování výkonu a kapacity při rozšíření solárního systému o akumulátory
Při dimenzování je třeba zvlášť zohlednit dvě různé veličiny: kapacitu (kWh) a výkon (kW).
Kapacitu určuje večerní špičková spotřeba, nikoli celková denní spotřeba. Pokud činí večerní zatížení 8–10 kWh denně, nemá smysl instalovat baterii o kapacitě 20 kWh: při poměru k solárním panelům vyšším než 2:1 se míra soběstačnosti již téměř nezvyšuje.
Výkon je omezen proudovým koeficientem C a střídačem. Akumulátor o kapacitě 20 kWh, který lze vybíjet proudem 0,5C, dodává na úrovni akumulátoru 10 kW, výstup na straně střídavého proudu je nižší.
Nakonec počítejte s užitnou kapacitou, nikoli s nominální: kvůli hloubce vybití, účinnosti a teplotnímu snížení výkonu může být skutečná hodnota o 20–35 procent nižší. To je obzvláště důležité u rozšíření s připojením k síti, protože výkon akumulátorového střídače se do systému přidává vedle stávajícího solárního střídače a paralelně s ním.
Konverzní ztráty u systémů připojených na střídavou (AC) i stejnosměrnou (DC) síť
Ztráta nevzniká v akumulátoru, ale ve stupních přeměny a při spotřebě v pohotovostním režimu.
V systému připojeném na střídavý proud prochází uložená kWh třemi stupni střídače, v systému připojeném na stejnosměrný proud pouze jedním při nabíjení z fotovoltaických panelů. U akumulátoru s ročním obratem 4 000 kWh to při 90% účinnosti cyklu znamená ztrátu 400 kWh, při 96% účinnosti pak 160 kWh. Rozdíl se pohybuje kolem 240 kWh ročně.
Druhou, často opomíjenou položkou je spotřeba v pohotovostním režimu. Spotřeba střídače s odděleným akumulátorem v pohotovostním režimu obvykle nepřesahuje 1 % jmenovitého výkonu, ale i trvalý odběr 20–40 wattů představuje roční spotřebu 175–350 kWh. Při připojení na střídavý proud (AC) spotřebovávají dvě zařízení souběžně, při připojení na stejnosměrný proud (DC) jedno.
Ani na straně stejnosměrného proudu nejsou ztráty nulové: spotřebovává energii také regulátor nabíjení, systém BMS a kabeláž, jen v menším měřítku. U nízkonapěťových 48voltových systémů jsou kvůli vyššímu proudu ztráty v kabelech výraznější než u vysokonapěťových sestav.
Proto nestačí porovnávat účinnost cyklu uvedenou v katalogu. Vytvořte model na základě skutečných provozních záznamů: kolik kWh skutečně prochází přes akumulátor a kolik jde přímo ke spotřebičům. Náklady na to druhé jsou v obou architekturách stejné.
U systémů „zero export“ a systémů pro dodatečnou instalaci systémů pro správu energie
U mnoha povolení k připojení k síti je podmínkou omezení nebo úplný zákaz zpětného dodávání energie. Tento regulační trend sám o sobě ovlivňuje výběr architektury.
V systému s připojením na stejnosměrný proud je omezení jednoduché: hybridní střídač v jediném regulačním okruhu odebírá výkon z MPPT přesně v takovém množství, jaké spotřebiče a akumulátor spotřebují.
U dodatečné instalace připojené k síti (AC) je situace složitější, protože střídač s akumulátorem nemůže přímo potlačit výkon stávajícího solárního střídače. Zbývají dvě možnosti: přebytek pohltíte do akumulátoru pomocí nabíjení s proměnným výkonem, nebo regulujete stranu solárních panelů pomocí komunikace, případně frekvenčním posunem. Druhá možnost je pomalejší a silně závisí na konkrétní značce.
Z toho vyplývá následující pravidlo pro návrh: systém s připojením k síti a nulovým vývozem funguje spolehlivě, pokud nabíjecí výkon akumulátorového měniče dosahuje jmenovitého výkonu stávajícího solárního měniče.
Z hlediska energetického managementu platí totéž v opačném smyslu: přebytek, který zůstane pod limitem pro zpětné napájení, zůstane v akumulátoru a neztratí se.
V obou případech uzavírá okruh zpětná vazba měřená v připojovacím bodě, a to ve formě proudového transformátoru nebo inteligentního elektroměru. Při uvádění do provozu zkontrolujte směr proudového transformátoru, pořadí fází a dobu vzorkování a ponechte místo nulové hodnoty mírnou rezervu na straně importu.
AC nebo DC coupling pro akumulátory energie ve větších komerčních a průmyslových systémech?
Ve větším měřítku se mění rozhodující kritéria: rozhodující není účinnost, ale strategie výnosů a připojení k síti.
Ve prospěch DC připojení hovoří jediný připojovací bod. To znamená jednodušší posouzení sítě a méně transformátorů; navíc v případě výrazně předimenzovaného solárního pole umožňuje zpětné získání odříznuté energie ve velkém objemu. DC připojený akumulátor navržený pro nově postavenou solární elektrárnu je proto dnes standardem.
Ve prospěch AC připojení hovoří nezávislost. Úložiště energie připojené na AC může poskytovat služby síti nezávisle na výrobě solárních panelů, umožňuje modulární rozšíření a porucha jednoho střídače neznamená výpadek celé elektrárny. U stávajících průmyslových střešních systémů je to schůdná cesta.
Proti připojení na střídavou síť hovoří jeden aspekt: pomaleji reaguje na rychlé příkazy sítě, například na frekvenční odezvu, protože je třeba synchronizovat více střídačů najednou.
Dávejte pozor na dvě úskalí. Dodatečné rozšíření systému s připojením na stejnosměrný proud (DC) je obtížné, protože rozsah napětí nových akumulátorů se obvykle neshoduje s rozsahem starých. Při omezování špičkového zatížení dimenzujte výkon PCS podle špičky, kterou chcete omezit, a kapacitu podle délky trvání této špičky.
Pro větší projekty najdete v nabídce energetických úložišť FoxEss škálovatelné řešení ve formě skříní a kontejnerů, dimenzování však vždy vycházejte z čtvrthodinového profilu zatížení daného místa.
Doporučení SOLARKIT: rozhodovací kritéria pro dodavatele solárních systémů
Z naší zkušenosti vyplývá, že většina chybných architektonických rozhodnutí pramení z nedostatečného průzkumu, nikoli z odborné neznalosti. Proto doporučujeme, aby před každým předložením nabídky bylo do poznámek zaznamenáno pět údajů.
Přesný typ střídače a rok výroby. To rozhoduje o tom, zda jej lze ponechat.
Hodnoty napětí a proudu ve stringu. Při přechodu na hybridní střídač je to základní podmínka.
Připojovací výkon a limit napájení. Pokud je jejich změna podmíněna povolením, převažuje volba připojení k AC síti.
Požadavek na záložní napájení. V režimu výpadku proudu musí u systému připojeného k síti střídač s akumulátorem pracovat v režimu tvorby sítě a stávající solární střídač s ním musí být schopen spolupracovat. Pokud tomu tak není, solární strana se při výpadku proudu jednoduše zastaví.
Večerní profil zatížení. Ten určuje kapacitu, nikoli celková denní spotřeba.
Naše shrnutí je jednoduché: u nového systému DC připojení, u stávajícího a dobře fungujícího střídače AC připojení. Výjimkou je případ, kdy je střídač stejně třeba vyměnit, protože v takovém případě hybridní řešení vyřeší problém v jednom kroku.
Jako dodavatel se vyplatí mít na skladě sadu připravenou pro obě architektury. Kdo nabízí pouze řešení s hybridním střídačem, přichází o velkou část trhu s modernizacemi; kdo nabízí pouze akumulátory s připojením na střídavý proud, vzdává se novostaveb.
Často kladené otázky: Úložiště energie připojená k síti AC a DC
Lze k systému s mikroinvertory nainstalovat akumulátor připojený na stejnosměrný proud?
Ne. Mikroinvertory již za modulem převádějí vyrobenou energii na střídavý proud, takže neexistuje stejnosměrná sběrnice, ke které by bylo možné připojit akumulátor. U takového systému přichází v úvahu výhradně připojení na střídavý proud (AC), což je však přirozené řešení: akumulátor se jednoduše připojí k střídači připojenému na střídavý proud.
Zanikne při rozšíření o připojení k střídavé síti záruka na stávající střídač?
Obvykle ne, protože akumulátor připojený ke střídači se připojuje ze strany rozvodné skříně za solární střídač a nezasahuje do jeho obvodu. Při výměně za hybridní střídač však zbývající záruka na staré zařízení zaniká. Před instalací si vždy vyžádejte písemné potvrzení od výrobce nebo prodejce.
Lze v jednom systému kombinovat připojení AC a DC?
Ano, v dobře navrženém systému mohou oba typy fungovat vedle sebe. Typickým příkladem je situace, kdy stávající solární střídač zůstane na straně střídavého proudu (AC) a k němu se přidá nový hybridní střídač s vlastním solárním polem a akumulátorem. Řízení v takovém případě musí zajišťovat systém pro správu energie.
O kolik více energie z fotovoltaických panelů je potřeba k nabití akumulátoru připojeného na straně střídavého proudu (AC)?
Přibližně o 5–10 procent. Vzhledem ke dvěma převodním ztrátám, každá kolem 95 procent, je k nabití 20 kWh akumulátoru zapotřebí přibližně o 2 kWh více solární energie. Tento přebytek má jen malý význam v době, kdy by se jižní špičková produkce stejně nevyužila.
Nabíjí se akumulátor připojený k střídavé síti z solárních panelů během výpadku proudu?
Pouze v případě, že akumulátorový střídač v režimu tvorby sítě vytvoří stabilní lokální síť a solární střídač je schopen s ní spolupracovat. Některé hybridní střídače při plně nabitém akumulátoru zvýší frekvenci na 52–53 Hz, aby odpojily solární část. Toto chování je nutné před instalací ověřit na úrovni konkrétního typu zařízení.
