AC-povezano ili DC-povezano skladištenje energije: koja je arhitektura bolja?

Ako planirate instalirati sustav za pohranu energije uz sustav solarnih panela, prvo pitanje nije o kapacitetu, nego o arhitekturi. Ova odluka određuje učinkovitost, skalabilnost i troškove instalacije sustava. U ovom članku pogledat ćemo kako funkcioniraju sustavi spojeni naizmjeničnom (AC) i istosmjernom (DC) strujom, koja je ključna tehnička razlika između AC i DC spajanja te što u praksi znače naizmjenična i istosmjerna struja.

Ispitat ćemo koje je rješenje učinkovitije u pogledu pretvorbe energije, kada je AC-povezivanje povoljno pri proširenju postojećeg sustava solarnih panela s baterijom i kada se i dalje isplati odabrati DC-povezani sustav za pohranu energije. Obuhvatit ćemo kompatibilnost invertera, pitanje treba li zadržati postojeći inverter ili ga zamijeniti hibridnim, kao i dimenzioniranje snage i kapaciteta za naknadne instalacije.

Na kraju, kvantificiramo gubitke pri pretvorbi, ispitujemo pitanja nulte izvozne energije i upravljanja energijom u sustavima naknadne ugradnje, uspoređujemo dvije arhitekture na većoj komercijalnoj i industrijskoj razini te zaključujemo predstavljanjem SOLARKIT-ovih kriterija za donošenje odluka za instalatere. Ako se solarni paneli ili baterije naknadno ugrađuju u sustav, ovaj skup kriterija pomoći će vam odlučiti koja je opcija najisplativija.

Kako funkcioniraju sustavi priključeni na izmjeničnu (AC) i istosmjernu (DC) struju?

Razlika između dviju arhitektura leži u tome gdje se spajaju solarni paneli i krug baterije.

U sustavu povezanom na izmjeničnu struju solarni panel se priključuje na vlastiti inverter, dok se jedinica za pohranu energije priključuje na zasebni hibridni inverter na bazi baterija. Ta se dva uređaja povezuju na strani izmjenične struje, obično na sabirnik razvodne ploče. Električna energija proizvedena solarnim panelima prvo se pretvara u izmjeničnu struju, zatim, kada ulazi u bateriju, pretvara se natrag u istosmjernu struju, a na kraju se treći put pretvara pri pražnjenju. Prednost ove konfiguracije je u tome što dva uređaja rade neovisno jedan o drugome: ako jedan zakaže, drugi nastavlja s radom.

U DC-povezanom sustavu koristi se jedan hibridni inverter. Solarni paneli i baterija povezani su na zajednički DC vod: s jedne strane nalazi se MPPT kontroler, a s druge punjač baterije i DC/DC pretvarač. Istosmjerna struja iz solarnih panela izravno puni bateriju, bez pretvorbe, a u izmjeničnu struju pretvara se tek kada se dovodi do opterećenja ili u mrežu.

Sve ostalo proizlazi iz te razlike u topologiji: učinkovitost, skalabilnost, redundantnost i složenost instalacije. Ista logika primjenjuje se na kućni sustav kao i na industrijsku instalaciju, samo u drugačijem opsegu.

AC i DC spajanje: ključne tehničke razlike

U praksi se dvije arhitekture razlikuju po četiri ključna aspekta.

Broj pretvorbi. Kod AC-vezanja solarna se energija pretvara tri puta; kod DC-vezanja samo jednom. To objašnjava razliku u učinkovitosti: kada se puni sa solarnih panela, sustavi s AC-vezanjem obično postižu ciklnu učinkovitost od 90–94 posto, dok sustavi s DC-vezanjem postižu 95–98 posto.

Obnova odsječenog energije. Ako izlaz solarne instalacije premaši nazivnu izmjeničnu snagu invertera, višak se gubi. DC-povezani sustav za pohranu energije pohranjuje tu odsječenu energiju prije nego što stigne do invertera, dok AC-povezani sustav može puniti tek nakon što energija prođe kroz inverter.

Lokacija i redundantnost. AC-povezani sustav za pohranu energije može se instalirati na većoj udaljenosti od solarne instalacije, a dva pretvarača rade neovisno. U DC-povezanoj konfiguraciji, baterija mora ostati blizu pretvarača, a kvar na jednoj komponenti isključuje cijeli sustav.

Trošak i instalacija. Za projekte na novim lokacijama (greenfield) DC priključak je jeftiniji jer je dovoljan jedan hibridni inverter. Međutim, za postojeće sustave AC priključak je brža opcija jer nije potrebno mijenjati stranu solarnih panela.

Značenje izmjenične i istosmjerne struje

Vrijedi razjasniti osnove, jer se sve gore navedene razlike temelje na tome.

DC (istosmjerni tok) teče u jednom smjeru i ima konstantnu napetost. Solarni paneli generiraju ovu vrstu struje, a baterije također pohranjuju energiju u ovom obliku. U stambenom nizu, to obično znači DC napetost između 600 i 1000 V.

AC (izmjenična struja) periodično mijenja smjer, s frekvencijom od 50 Hz u Europi. Mreža i većina kućanskih aparata rade na njoj.

Inverter povezuje ta dva: DC/DC stupanj prilagođava razinu napona, dok DC/AC stupanj pretvara izlaz u sinusni izmjenični tok od 230 V. Svaka takva konverzija uključuje gubitke, zbog čega je važno uzeti u obzir kroz koliko stupnjeva tok prolazi.

Koje je rješenje učinkovitije u pogledu pretvorbe energije?

Na papiru je odgovor jasan: DC priključak. Kada se puni sa solarnih panela, sustavi priključeni na DC rade s učinkovitošću od 95–98 posto, dok sustavi priključeni na AC rade s učinkovitošću od 90–94 posto, jer struja prolazi kroz manje stupnjeva pretvorbe.

U praksi je, međutim, važno putovanje energije.

Ako energija proizvedena solarnim panelima ide izravno do potrošača, obje arhitekture provode istu jedinstvenu DC/AC konverziju. Razlika u učinkovitosti odnosi se isključivo na pohranjenu energiju; drugim riječima, što je veći omjer pohrane sustava, to ta razlika postaje značajnija.

Kod punjenja iz mreže situacija je obrnuta: učinkovitost sustava povezanog izravno s mrežom tada pada na oko 87 posto zbog dodatne konverzije, dok performanse sustava povezanog izmjeničnom strujom ostaju uravnoteženije bez obzira na izvor punjenja. Ovaj čimbenik postaje sve važniji gdje god dinamičke tarife ili usluge mreže čine dio poslovnog modela.

AC-povezani sustavi također mogu bolje funkcionirati tijekom nestanka struje: u takvim situacijama izlazni napon solarnog i baterijskog invertera se zbraja, čime se sustavu omogućuje zadovoljavanje veće trenutačne potražnje.

U brojkama: za bateriju od 10 kWh, razlika u učinkovitosti od 3 – 5 posto znači godišnju razliku od oko 200 – 400 kWh. Sama ta brojka rijetko opravdava zamjenu invertera, ali je važna u projektima na novim lokacijama.

Proširenje postojećeg sustava solarnih panela s baterijom: kada je AC priključak povoljan?

Proširenje postojećeg sustava solarnih panela baterijom sada je uobičajen zadatak na većini europskih tržišta. Većina sustava instaliranih u drugoj polovici 2010-ih koristi standardne string invertere koji se priključuju na mrežu i ne mogu se kombinirati s baterijom.

U takvim slučajevima AC priključak je očito bolji izbor u četiri situacije.

Ako je postojeći inverter u dobrom stanju i još uvijek pod jamstvom. Nema smisla odbaciti funkcionalan uređaj samo da biste dobili nekoliko postotnih bodova učinkovitosti. Štoviše, preostala vrijednost isključeno inverterskog uređaja tek je djelić vrijednosti novog.

Ako se ne isplati narušavati postojeći sustav naplate. Povoljne tarife koje su prethodno osigurane obično su povezane s registriranom generacijskom snagom i ugovorom o priključenju na mrežu. Proširenje na izmjeničnoj strani (AC) ne utječe na to, dok zamjena invertera može pokrenuti novi postupak autorizacije.

Ako su solarni paneli i baterija smješteni na različitim mjestima. Inverter integriran u bateriju može se slobodno instalirati u blizini razvodne ploče.

Ako je cilj brza instalacija. EcoFlow sustavi za pohranu energije uključuju i All-in-One i konvencionalne konfiguracije s odvojenim pretvaračem. Za naknadnu ugradnju, All-in-One verzija je očiti izbor: pretvarač i baterijski moduli čine jednu jedinicu i mogu se spojiti na izmjeničnu stranu, što znači da se instalacija obično može dovršiti u jednom danu. Ako se baterija naknadno dodaje u sustav, AC priključak je opcija koja zahtijeva najmanje intervencije. 

Kada se isplati odabrati sustav za pohranu energije povezan na DC?

Međutim, postoje četiri situacije u kojima je DC veza razuman izbor.

Za projekte na novim lokacijama. Ako se solarni paneli i sustav za pohranu energije instaliraju istovremeno, jedan hibridni inverter je jeftiniji i učinkovitiji od dva odvojena uređaja.

Ako je postojeći inverter ionako potrebno zamijeniti. Inverter u nizu star 8–10 godina približava se kraju svog vijeka trajanja; u takvim slučajevima hibridni inverter više nije dodatni trošak, već planirana zamjena.

Ako je solarni niz prevelik. S visokim omjerom DC/AC, povrat energije koja je ograničena može se sam isplatiti.

Ako je prostor ograničen. Jedan hibridni inverter znači manje uređaja, manje kablova i jedan sučelje za nadzor.

Odluka se uvijek temelji na procjeni na licu mjesta: vrsta i starost postojećeg invertera, zajedno s priključnim kapacitetom, određuju koja je arhitektura najisplativija.

Usklađenost invertera i razmatranja pri projektiranju sustava

Nakon odabira arhitekture, uspjeh projekta obično ne ovisi o učinkovitosti, već o tome mogu li odabrani uređaji raditi zajedno.

Tri čimbenika moraju biti usklađena: raspon napona, komunikacijski protokol i odobrenje proizvođača. Većina kućnih hibridnih invertera radi s LiFePO4 baterijama od 48 V putem CAN ili RS485 veze, dok visokonaponske platforme zahtijevaju vlastiti baterijski paket koji radi na 100–1.000 V, često s vlasničkim protokolom.

Oznaka "10 kWh" može se odnositi na dva potpuno različita proizvoda: modul od 48 volti i visokonaponski baterijski paket priključen na hibridni inverter. Ta se dva ne mogu međusobno zamijeniti.

Komunikacija zatvorene petlje nije dodatna opcija: bez nje inverter procjenjuje stanje napunjenosti isključivo na temelju napona, što je netočno s obzirom na ravne karakteristike LiFePO4 baterija, a može biti i uvjet za jamstvo proizvođača.

Zadržavanje postojećeg invertera ili njegova zamjena hibridnim inverterom

Za donošenje ove odluke potrebno je na licu mjesta prikupiti četiri informacije.

Starost invertera i preostalo razdoblje jamstva. Za uređaj star 2–3 godine, inverter s AC-povezivanjem gotovo je uvijek bolja opcija.

Konfiguracija nizova. Ako ga zamjenjujete hibridnim inverterom, vrijednosti napona i struje postojećih nizova moraju biti unutar MPPT prozora nove jedinice. To često uključuje prebranjivanje ili preuređivanje nizova.

Popis kompatibilnosti. Uvijek provjerite trenutačni, odobreni popis proizvođača, uključujući detalje specifične za model i verzije hardvera, jer je kompatibilnost firmvera također važna. Izradili smo zaseban sažetak o kompatibilnosti FoxESS baterija i invertera.

Trošak zastoja. U komercijalnoj instalaciji, izgubljeni dani proizvodnje brzo nadmašuju dobitke u učinkovitosti.

Ako je bilo koji od ovih čimbenika neizvjestan, priključak na izmjeničnu struju (AC) opcija je s nižim rizikom: ne uključuje stranu solarnih panela, a ovlaštene postavke postojećeg sustava ostaju nepromijenjene.

Određivanje snage i kapaciteta za naknadnu proširenje solarnih panela i baterija

Pri dimenzioniranju sustava moraju se zasebno razmotriti dvije različite vrijednosti: kapacitet (kWh) i snaga (kW).

Kapacitet se određuje prema večernjem vršnom opterećenju, a ne prema ukupnoj dnevnoj potrošnji. Ako je večernje opterećenje 8–10 kWh dnevno, nema smisla instalirati bateriju od 20 kWh: samodostatnost se poboljšava samo neznatno nakon što omjer u odnosu na solarne panele premaši 2:1.

Izlazna snaga ograničena je C-stopom i inverterom. Baterija od 20 kWh koja može podnijeti brzinu pražnjenja od 0,5C isporučuje 10 kW na razini baterije; izlazna snaga na izmjeničnoj strani manja je od toga.

Na kraju, izračunajte koristeći upotrebljivu kapacitivnost, a ne nominalnu: zbog dubine pražnjenja, učinkovitosti i smanjenja snage zbog temperature, stvarna vrijednost može biti 20 – 35 posto niža. To je posebno važno kod AC-povezanih proširenja, jer se snaga baterijskog invertera dodaje sustavu paralelno s postojećim solarnim inverterom.

Gubici pri pretvorbi u AC- i DC-povezanim sustavima

Gubitak se ne događa u samoj bateriji, već u fazama pretvorbe i kao potrošnja u pripravnosti.

U sustavu povezanom na izmjeničnu mrežu (AC), pohranjeni kWh prolazi kroz tri faze pretvarača; u sustavu povezanom na istosmjernu mrežu (DC), prolazi kroz samo jednu tijekom solarnog punjenja. Za sustav pohrane koji obrađuje 4.000 kWh godišnje, to predstavlja gubitak od 400 kWh pri 90-postotnoj učinkovitosti ciklusa i 160 kWh pri 96 posto. Razlika iznosi oko 240 kWh godišnje.

Drugi, često zanemareni čimbenik je potrošnja u pripravnosti. Potrošnja bez opterećenja samostalnog baterijskog invertera obično ostaje ispod 1 posto nominalne snage, ali čak i kontinuirana potrošnja od 20–40 vata odgovara godišnjoj potrošnji od 175–350 kWh. Kod AC priključka, dva uređaja troše struju paralelno; kod DC priključka, samo jedan.

Gubici nisu nulti ni na DC strani: regulator punjenja, BMS i kablovi svi troše energiju, iako u manjem opsegu. U niskonaponskim sustavima od 48 volti, gubici u kabelima značajniji su nego u visokonaponskim sustavima zbog veće struje.

Stoga nije dovoljno jednostavno usporediti brojke o učinkovitosti ciklusa navedene u katalogu. Modelirajte sustav na temelju stvarnih zapisa o proizvodnji: koliko kWh zapravo prolazi kroz bateriju, a koliko ide izravno na opterećenja. Potonje košta isto u obje arhitekture.

Za sustave za naknadnu ugradnju s nultim izvozom i upravljanje energijom

Mnoge dozvole za priključak na mrežu propisuju da se povratna energija mora ograničiti ili potpuno zabraniti. Ovaj regulatorni zahtjev sam po sebi utječe na odabir arhitekture.

U DC-povezanom sustavu ograničenje je jednostavno: hibridni inverter uvlači MPPT izlaz unutar jedne kontrolne petlje, točno u onoj mjeri u kojoj opterećenja i baterija mogu apsorbirati.

Situacija je složenija kod AC-povezanih retrofit instalacija, jer baterijski inverter ne može izravno ograničiti postojeći solarni inverter. Postoje dvije opcije: ili apsorbirati višak u bateriju putem punjenja promjenjive snage, ili regulirati solarnu stranu putem komunikacije, ili eventualno pomicanjem frekvencije. Potonje je sporije i uvelike ovisi o proizvođaču.

To dovodi do praktičnog pravila za projektiranje: AC-povezano rješenje s nultim izvozom radi pouzdano ako snaga punjenja invertera za bateriju odgovara nazivnoj snazi postojećeg solarnog invertera.

Prednost iz perspektive upravljanja energijom je obrnuta: svaki višak koji ostane ispod ograničenja uvoda energije ostaje u bateriji i nije izgubljen.

U oba slučaja povratna informacija izmjerena na mjestu priključka zatvara petlju, u obliku strujnog transformatora ili pametnog brojila. Tijekom puštanja u rad provjerite smjer strujnog transformatora, redoslijed faza i vrijeme uzorkovanja te ostavite malu razliku na strani uvoza umjesto da je postavite na nulu.

AC ili DC spojeno skladištenje energije za veće komercijalne i industrijske sustave?

U većem opsegu prioriteti se mijenjaju: odlučujući čimbenik nije učinkovitost, već strategija prihoda i priključak na mrežu.

Jedna točka priključka argument je u korist konfiguracije s DC-vezom. To znači jednostavniju analizu mreže i manje transformatora; osim toga, u slučaju znatno prevelikog solarnog polja, povrat energije koja je ograničena u opskrbi generira značajan volumen energije. Sustav za pohranu energije s DC-vezom, dizajniran za praćenje novoizgrađene solarne elektrane, stoga je danas standardni pristup.

Neovisnost je ključni argument u korist konfiguracije povezane na izmjeničnu mrežu. Sustav za pohranu energije povezan na izmjeničnu mrežu može pružati usluge mreži neovisno o proizvodnji iz solarnih panela, omogućuje modularno proširenje, a kvar jednog pretvarača neće isključiti cijeli postrojenje iz pogona. Za postojeće industrijske sustave na krovovima, ovo je održiva opcija.

Postoji jedan argument protiv AC priključka: on sporije reagira na brze naredbe mreže, kao što je odgovor na frekvenciju, jer se više pretvarača mora istovremeno uskladiti.

Budite svjesni dviju zamki. Naknadna adaptacija DC-povezanog sustava je teška jer se raspon napona novih baterija obično ne podudara s onim starih. Prilikom implementacije smanjenja vršnog opterećenja, dimenzionirajte izlaznu snagu PCS-a tako da odgovara vršnom opterećenju koje se smanjuje, a kapacitet tako da odgovara trajanju vršnog opterećenja.

Za veće projekte u asortimanu energetskog skladištenja tvrtke FoxEss pronaći ćete i skalabilna rješenja u ormarima i kontejnerima; međutim, veličinu sustava uvijek biste trebali temeljiti na četvrtinskom profilu opterećenja lokacije.

Preporuka tvrtke SOLARKIT: kriteriji za donošenje odluka za instalatere solarnih panela

Prema našem iskustvu, većina loših arhitektonskih odluka proizlazi iz nedostatka procjene, a ne iz nedostatka tehničkog znanja. Stoga preporučujemo da se zabilježi pet informacija prije davanja bilo kakve ponude.

Točan tip i godina proizvodnje invertera. To određuje može li se zadržati.

Vrijednosti napona i struje nizova. To je preduvjet pri prelasku na hibridni inverter.

Kapacitet priključka i ograničenje uvoda. Ako za njihovu izmjenu je potrebna dozvola, prevaga će pasti u korist sustava priključenog na izmjeničnu mrežu.

Zahtjev za rezervno napajanje. Tijekom nestanka struje, u sustavu priključenom na izmjeničnu mrežu, inverter na baterije mora raditi u načinu formiranja mreže, a postojeći solarni inverter mora moći raditi u kombinaciji s njim. Ako ne, strana sa solarnim panelima jednostavno će se isključiti tijekom nestanka struje.

Večernji profil opterećenja. To određuje potrebnu snagu, a ne ukupnu dnevnu potrošnju.

Naš je zaključak jednostavan: za novi sustav koristite DC priključak; za postojeći i ispravno funkcionirajući inverter koristite AC priključak. Izuzetak je ako inverter ionako treba zamijeniti, u kojem slučaju hibridno rješenje rješava problem odjednom.

Kao instalater, vrijedi imati zalihe spremne za obje arhitekture. Oni koji nude samo hibridna rješenja s inverterom izgubit će velik dio tržišta za naknadne ugradnje, dok će oni koji nude samo sustave za pohranu priključene na izmjeničnu struju propustiti projekte novogradnje.

ČPP: Skladištenje energije priključeno na izmjeničnu i istosmjernu mrežu

Može li se sustav za pohranu energije s DC-vezom instalirati uz sustav mikroinvertera?

Ne. Mikroinverteri već pretvaraju proizvedenu energiju u izmjeničnu struju iza modula, stoga ne postoji vod za istosmjernu struju na koji bi se baterija mogla spojiti. Kod takvog sustava jedina je opcija pohrana povezana na izmjeničnu struju; međutim, to je prirodno rješenje: jedinica za pohranu jednostavno se povezuje s inverterom povezanim na izmjeničnu struju.

Hoće li jamstvo na postojeći inverter biti poništeno ako se ugradi AC-povezani proširenje?

Obično ne, jer je jedinica za pohranu priključena na izmjeničnu stranu, nakon solarnog invertera, i ne ometa njegov rad. Međutim, ako se inverter zamijeni hibridnim modelom, preostala jamstva na stari uređaj bit će poništena. Uvijek zatražite pisanu potvrdu od proizvođača ili distributera prije ugradnje.

Mogu li se AC i DC priključci kombinirati u jednom sustavu?

Da, u dobro dizajniranom sustavu, oboje može postojati zajedno. Tipičan scenarij je da postojeći solarni inverter ostaje na izmjeničnoj strani, a uz njega se instalira novi hibridni inverter sa svojim vlastitim solarnim poljem i baterijom. U takvim slučajevima, upravljanje mora biti omogućeno sustavom za upravljanje energijom.

Koliko je dodatne solarne energije potrebno za punjenje baterije priključene na izmjeničnu stranu?

Otprilike 5–10 posto. Zbog dva gubitka pri pretvorbi od oko 95 posto svaki, potrebno je otprilike 2 kWh više solarne energije za punjenje baterije od 20 kWh. Ta dodatna količina nema velike važnosti kada se vršna proizvodnja usred dana ionako ne bi iskoristila.

Može li se baterija priključena na izmjeničnu mrežu puniti s solarnih panela tijekom nestanka struje?

Samo ako baterijski inverter radi u načinu formiranja mreže kako bi stvorio stabilnu lokalnu mrežu, a solarni inverter je sposoban raditi u suradnji s njim. Neki hibridni inverteri podižu frekvenciju na 52–53 Hz kada je baterija puna kako bi odspojili solarnu stranu. To ponašanje mora se provjeriti na razini modela prije instalacije.