Zariadenie na ukladanie energie s pripojením na striedavý alebo jednosmerný prúd: ktorá architektúra je lepšia?
Ak plánujete k solárnemu systému pridať akumulátor energie, prvou otázkou nie je kapacita, ale architektúra. Toto rozhodnutie určuje účinnosť systému, jeho rozširovateľnosť aj náklady na inštaláciu. V tomto článku si vysvetlíme, ako fungujú systémy s AC a DC pripojením, aký je najdôležitejší technický rozdiel medzi AC a DC pripojením a čo vlastne v praxi znamená AC-DC prúd.
Pozrieme sa, ktoré riešenie je efektívnejšie z hľadiska premeny energie, kedy je výhodné AC pripojenie v prípade rozšírenia existujúceho solárneho systému o akumulátor a kedy sa napriek tomu oplatí zvoliť DC pripojený akumulátor. Venujeme sa kompatibilite s meničmi, tomu, či si ponechať existujúce zariadenie alebo ho vymeniť za hybridný menič, ako aj dimenzovaniu výkonu a kapacity pri dodatočnom rozšírení.
Nakoniec kvantifikujeme konverzné straty, prejdeme si otázku nulového vývozu a riadenia energie v prípade retrofitových systémov, porovnáme obe architektúry vo väčšom komerčnom a priemyselnom meradle a na záver vám poskytneme rozhodovacie kritériá SOLARKIT pre realizátorov. Ak sa do systému dodatočne inštalujú solárne panely a akumulátory, tento súbor kritérií vám pomôže rozhodnúť, ktorá varianta sa oplatí.
Ako fungujú systémy pripojené na striedavý (AC) a jednosmerný (DC) prúd?
Rozdiel medzi týmito dvoma architektúrami spočíva v tom, kde sa stretávajú obvody solárnych panelov a akumulátora.
V systéme pripojenom na striedavý prúd (AC) solárny panel pracuje s vlastným meničom, zatiaľ čo akumulátor je pripojený k samostatnému hybridnému meniču s akumulátorom. Tieto dve zariadenia sa spájajú na strane striedavého prúdu, zvyčajne na zbernici rozvádzača. Energia vyrobená solárnymi panelmi sa najskôr premení na striedavý prúd, potom sa pri uložení do akumulátora opäť premení na jednosmerný prúd a pri vybíjaní prechádza ešte tretím premenou. Výhodou tejto konštrukcie je, že obe zariadenia fungujú nezávisle od seba: ak jedno z nich zlyhá, druhé pokračuje v prevádzke.
V systéme s pripojením na jednosmerný prúd pracuje jediný hybridný menič. Solárne panely a akumulátor sú pripojené k spoločnej jednosmernej zbernici: na jednej strane je regulátor MPPT, na druhej strane je nabíjačka akumulátora s meničom DC/DC. Jednosmerný prúd prichádzajúci zo solárneho panelu nabíja akumulátor priamo bez akéhokoľvek menenia a na striedavý prúd sa mení až vtedy, keď smeruje k spotrebičom alebo do siete.
Z tohto topologického rozdielu vyplýva všetko ostatné: účinnosť, rozširovateľnosť, redundancia a zložitosť inštalácie. V domácom systéme platí rovnaká logika ako v priemyselnom zariadení, len v inom meradle.
AC coupling a DC coupling: najdôležitejšie technické rozdiely
V praxi sa tieto dve architektúry od seba líšia v štyroch bodoch.
Počet konverzií. V prípade AC spojenia sa energia zo solárnych panelov konvertuje trikrát, v prípade DC spojenia raz. To spôsobuje rozdiel v účinnosti: pri nabíjaní zo solárnych panelov dosahujú systémy s AC spojením typicky 90–94-percentnú účinnosť cyklu, zatiaľ čo systémy s DC spojením 95–98-percentnú.
Získavanie odrezanej energie. Ak výkon solárneho poľa presiahne menovitý striedavý výkon meniča, prebytok sa stratí. Úložisko energie s DC pripojením túto odrezanú (clipping) energiu uloží ešte pred meničom, zatiaľ čo systém s AC pripojením sa môže nabíjať až vtedy, keď energia prešla meničom.
Umiestnenie a redundancia. Akumulátor pripojený na striedavý prúd (AC) je možné voľne inštalovať ďalej od solárneho poľa a oba meniče fungujú nezávisle. Pri konštrukcii s pripojením na jednosmerný prúd (DC) musí akumulátor zostať v blízkosti meniča a porucha jediného zariadenia zastaví celý systém.
Náklady a inštalácia. Pri investícii do nového projektu je pripojenie na DC lacnejšie, pretože stačí jediný hybridný menič. Pri existujúcom systéme je však pripojenie na AC rýchlejšou cestou, pretože nie je potrebné zasahovať do fungujúcej časti solárneho systému.
Význam pojmov AC a DC
Stojí za to objasniť základy, pretože na nich sú založené všetky vyššie uvedené rozdiely.
Jednosmerný prúd (DC – direct current) tečie v jednom smere a má konštantné napätie. Solárny panel vyrába takýto prúd a akumulátor v tejto forme ukladá energiu. V domácom reťazci to typicky znamená jednosmerné napätie v rozmedzí 600 – 1000 V.
Striedavý prúd (AC – alternating current) periodicky mení smer, v Európe s frekvenciou 50 Hz. S týmto prúdom pracuje elektrická sieť a väčšina domácich spotrebičov.
Menič spája tieto dva systémy: stupeň DC/DC nastavuje úroveň napätia a stupeň DC/AC premieňa výstup na sinusový striedavý prúd s napätím 230 V. Každá takáto konverzia je spojená so stratami, preto je dôležité, cez koľko stupňov prechádza prúd.
Ktoré riešenie je z hľadiska energetickej účinnosti efektívnejšie?
Na papieri je odpoveď jasná: pripojenie na jednosmerný prúd (DC). Pri nabíjaní zo solárnych panelov systémy pripojené na jednosmerný prúd pracujú s účinnosťou 95–98 %, zatiaľ čo systémy pripojené na striedavý prúd (AC) dosahujú účinnosť 90–94 %, pretože prúd prechádza menším počtom stupňov prevodu.
V praxi však záleží na tom, akou cestou energia prechádza.
Ak sa energia vyrobená solárnymi panelmi okamžite dodáva spotrebiteľom, obe architektúry vykonávajú rovnakú jedinú konverziu DC/AC. Rozdiel v účinnosti sa týka výlučne uskladnenej energie, čo znamená, že jej význam rastie s rastúcim podielom uskladnenej energie v systéme.
Pri nabíjaní zo siete sa situácia obracia: účinnosť systému pripojeného na jednosmerný prúd v tomto prípade klesá na približne 87 percent kvôli dodatočnému prevodu, zatiaľ čo výkon systému pripojeného na striedavý prúd zostáva vyváženejší bez ohľadu na zdroj nabíjania. Tento aspekt nadobúda na dôležitosti všade tam, kde sú súčasťou obchodného modelu dynamické tarify alebo sieťové služby.
Aj v režime výpadku prúdu môže byť pripojenie na striedavý prúd (AC) výhodnejšie: v takomto prípade sa výkon solárneho meniča a meniča batérie sčítava, čím je možné pokryť aj vyššiu okamžitú spotrebu.
V číslach: pri akumulátore s kapacitou 10 kWh znamená 3–5-percentný rozdiel v účinnosti ročný rozdiel okolo 200–400 kWh. Táto hodnota sama o sebe zriedka odôvodňuje výmenu meniča, ale pri projektovaní na zelenej lúke už hrá rolu.
Rozšírenie existujúceho solárneho systému o akumulátor: kedy je výhodné pripojenie na striedavý prúd (AC)?
Rozšírenie existujúceho solárneho systému o akumulátor je dnes typickou úlohou na väčšine európskych trhov. Vo väčšine systémov inštalovaných v druhej polovici roka 2010 pracuje bežný reťazcový menič napájaný do siete, ktorý nie je kompatibilný s akumulátorom.
V takom prípade je pripojenie na striedavý prúd jednoznačne lepšou voľbou v štyroch prípadoch.
Ak je existujúci menič v dobrom stave a je ešte v záruke. Nemá zmysel vyhadzovať fungujúce zariadenie len kvôli zisku niekoľkých percent účinnosti. Zostatková hodnota demontovaného meniča je navyše len zlomkom hodnoty nového.
Ak sa neoplatí narúšať existujúcu fakturačnú štruktúru. Výhodnejšie, skôr získané tarify sú zvyčajne viazané na nahlásený výrobný výkon a dohodu o pripojení k sieti. Rozšírenie na strane striedavého prúdu (AC) ich neovplyvňuje, výmena meniča však môže vyvolať nové povolovacie konanie.
Ak sa miesto solárneho poľa a akumulátora líši. Striedač s akumulátorom je možné voľne inštalovať v blízkosti rozvodnej skrine.
Ak je cieľom rýchla realizácia. Medzi akumulátormi EcoFlow sa nachádzajú modely typu „All-in-One“ aj tradičné konštrukcie so samostatným meničom. Pre dodatočné rozšírenie je ideálna verzia „All-in-One“: menič a akumulátorové moduly tvoria jednu vežu, ktoré sa dajú pripojiť na stranu striedavého prúdu (AC), takže inštaláciu je možné zvyčajne dokončiť za jeden deň. Ak sa akumulátor do systému pridáva dodatočne, pripojenie na stranu striedavého prúdu (AC) je riešením, ktoré si vyžaduje najmenší zásah.
Kedy sa oplatí zvoliť akumulátor pripojený na DC?
V štyroch prípadoch je však pripojenie na DC racionálnym rozhodnutím.
Pri investícii do nového projektu. Ak sa solárny systém a akumulátor inštalujú súčasne, jeden hybridný menič je lacnejší a efektívnejší ako dve samostatné zariadenia.
Ak existujúci menič aj tak vyžaduje výmenu. Životnosť 8–10-ročného reťazcového meniča sa blíži ku koncu, v takomto prípade už hybridný menič nepredstavuje dodatočné náklady, ale plánovanú výmenu.
Ak je solárne pole naddimenzované. Pri vysokom pomere DC/AC sa môže samotná rekuperácia odrezanej energie vyplatí.
Ak je priestor obmedzený. Jeden hybridný menič znamená menej zariadení, menej kabeláže a jedno spoločné monitorovacie rozhranie.
Rozhodnutie vždy vychádza z prieskumu na mieste: typ existujúceho meniča, jeho vek a pripojovací výkon spoločne určujú, ktorá architektúra sa oplatí.
Kompatibilita meničov a hľadiská návrhu systému
Po výbere architektúry o úspechu projektu zvyčajne nerozhoduje účinnosť, ale to, či vybrané zariadenia dokážu spolupracovať.
Je potrebné zosúladiť tri veci: napäťový rozsah, komunikačný protokol a schválenie výrobcu. Väčšina hybridných meničov pre domácnosti pracuje s 48-voltovými LiFePO4 batériami cez rozhranie CAN alebo RS485, zatiaľ čo vysokonapäťové platformy vyžadujú vlastnú batériovú vežu s napätím v rozmedzí 100 – 1000 V, často s uzavretým protokolom.
Označenie 10 kWh môže zahŕňať dva úplne odlišné produkty: 48-voltový modul a vysokonapäťovú batériovú vežu pripojenú k hybridnému meniču. Tieto dva produkty nie sú vzájomne zameniteľné.
Komunikácia v uzavretej slučke nie je voliteľným doplnkom: bez nej menič odhaduje stav nabitia iba na základe napätia, čo je vzhľadom na plochú charakteristiku LiFePO4 nepresné a môže byť nevyhnutné aj z hľadiska výrobnej záruky.
Zachovanie existujúceho meniča alebo jeho výmena za hybridný menič
Na rozhodnutie je potrebné zistiť štyri údaje priamo na mieste.
Vek meniča a zostávajúca záručná doba. Pri zariadení starom 2–3 roky takmer vždy zvíťazí pripojenie na striedavý prúd (AC).
Konfigurácia reťazcov. Ak prechádzate na hybridný menič, hodnoty napätia a prúdu existujúcich reťazcov musia spadať do MPPT okna nového zariadenia. To často znamená prepojenie alebo preusporiadanie reťazcov.
Zoznam kompatibility. Vždy si pozrite aktuálny, schválený zoznam výrobcu, vrátane modelu a verzie hardvéru, pretože dôležité je aj spárovanie firmvéru. K téme kompatibility batérií a meničov FoxESS sme pripravili samostatný prehľad.
Náklady na odstávku. V komerčných zariadeniach dni výpadku výroby rýchlo prevážia nad úsporami z vyššej účinnosti.
Ak je niektorý z týchto faktorov neistý, pripojenie na AC sieť je menej rizikovou cestou: nezasahuje do solárnej časti a povolené nastavenia existujúceho systému zostanú nedotknuté.
Dimenzovanie výkonu a kapacity pri dodatočnom rozšírení solárneho systému o akumulátory
Pri dimenzovaní je potrebné samostatne zohľadniť dve rôzne veličiny: kapacitu (kWh) a výkon (kW).
Kapacitu určuje večerný špičkový odber, nie celková denná spotreba. Ak je večerné zaťaženie 8–10 kWh za deň, nemá zmysel inštalovať 20 kWh: pri pomere 2:1 voči solárnemu systému sa sebestačnosť už takmer nezlepší.
Výkon je obmedzený C-prúdom a meničom. Akumulátor s kapacitou 20 kWh, ktorý je možné nabíjať prúdom 0,5 C, dodáva na úrovni akumulátora 10 kW, výstup na strane striedavého prúdu je nižší.
Nakoniec počítajte s užitočnou kapacitou, nie s menovitou: kvôli hĺbke vybitia, účinnosti a teplotnému zníženiu výkonu môže byť skutočná hodnota o 20–35 percent nižšia. Pri rozšírení s pripojením na striedavú sieť je to obzvlášť dôležité, pretože výkon akumulátorového meniča sa k systému pridáva popri existujúcom solárnom meničovi a paralelne s ním.
Straty pri premene v systémoch pripojených na striedavý (AC) a jednosmerný (DC) prúd
Strata nevzniká v akumulátore, ale v konverzných stupňoch a pri spotrebe v pohotovostnom režime.
V systéme pripojenom na striedavý prúd (AC) prechádza uložená kWh tromi stupňami meniča, v systéme pripojenom na jednosmerný prúd (DC) pri nabíjaní solárnymi panelmi len jedným. Pri akumulátore s ročným obratom 4 000 kWh to pri 90-percentnej účinnosti cyklu znamená stratu 400 kWh, pri 96 percentách 160 kWh. Rozdiel sa pohybuje okolo 240 kWh ročne.
Druhou, často prehliadanou položkou je spotreba v pohotovostnom režime. Spotreba invertora so samostatným akumulátorom v pohotovostnom režime zvyčajne nepresahuje 1 percenta menovitého výkonu, ale aj nepretržitá spotreba v rozmedzí 20–40 wattov predstavuje ročnú spotrebu 175–350 kWh. Pri pripojení na striedavý prúd (AC) spotrebúvajú energiu dve zariadenia súbežne, pri pripojení na jednosmerný prúd (DC) len jedno.
Ani na strane jednosmerného prúdu nie sú straty nulové: regulátor nabíjania, systém riadenia batérií (BMS) a kabeláž tiež spotrebúvajú energiu, len v menšom rozsahu. Pri nízkonapäťových 48-voltových systémoch sú kvôli väčšiemu prúdu straty v kábloch výraznejšie ako pri vysokonapäťových systémoch.
Preto nestačí porovnávať účinnosť cyklu uvedenú v katalógu. Vytvorte model na základe skutočných prevádzkových protokolov: koľko kWh skutočne prejde cez akumulátor a koľko ide priamo do spotrebičov. Náklady na to druhé sú v oboch architektúrach rovnaké.
Systémy s nulovým vývozom a systémy na dodatočnú inštaláciu systémov riadenia energie
Pri mnohých sieťových povoleniach je podmienkou obmedzenie alebo úplný zákaz vrátenia energie do siete. Tento regulačný smer sám o sebe ovplyvňuje výber architektúry.
V systéme pripojenom na jednosmerný prúd (DC) je obmedzenie jednoduché: hybridný menič v jedinom regulačnom okruhu odoberá výkon z MPPT presne v takom množstve, aké spotrebujú spotrebiče a akumulátor.
Pri dodatočnej inštalácii s pripojením na striedavú sieť (AC) je situácia zložitejšia, pretože akumulátorový menič nemôže priamo potlačiť existujúci solárny menič. Zostávajú dve možnosti: prebytok absorbujete do akumulátora prostredníctvom nabíjania s variabilným výkonom, alebo regulujete stranu solárnych panelov prostredníctvom komunikácie, prípadne posunom frekvencie. Druhá možnosť je pomalšia a vo veľkej miere závisí od konkrétnej značky.
Z toho vyplýva praktické pravidlo: systém „zero export“ pripojený k striedavému prúdu funguje spoľahlivo vtedy, ak nabíjací výkon akumulátorového meniča dosahuje menovitý výkon existujúceho solárneho meniča.
Výhoda z hľadiska riadenia energie je presne opačná: prebytok, ktorý zostane pod limitom dodávky do siete, zostane v akumulátore a nezanikne.
V oboch prípadoch uzatvára okruh spätná väzba meraná v pripojovacom bode, a to vo forme prúdového transformátora alebo inteligentného meradla. Pri uvedení do prevádzky skontrolujte smer prúdového transformátora, poradie fáz a čas odberu vzoriek a namiesto nulového nastavenia ponechajte miernu rezervu na strane importu.
AC alebo DC coupling akumulátor energie pre väčšie komerčné a priemyselné systémy?
Vo väčšom meradle sa menia kritériá: rozhodujúca nie je účinnosť, ale stratégia príjmov a pripojenie k sieti.
V prospech konštrukcie s DC pripojením hovorí jediný bod pripojenia. To znamená jednoduchšie posúdenie siete a menej transformátorov, navyše v prípade výrazne predimenzovaného solárneho poľa prináša spätné získavanie odrezanej energie veľký objem výroby. Akumulátor s DC pripojením navrhnutý pre novopostavenú solárnu elektráreň je preto dnes štandardným riešením.
V prospech konštrukcie s pripojením na striedavú sieť (AC) hovorí nezávislosť. Úložisko energie pripojené na striedavú sieť môže poskytovať služby pre sieť nezávisle od výroby solárnej energie, umožňuje modulárne rozširovanie a porucha jedného meniča neznamená výpadok celej elektrárne. V prípade existujúcich priemyselných strešných systémov je to schodná cesta.
Existuje však jeden argument proti pripojeniu na striedavý prúd: systém reaguje pomalšie na rýchle príkazy siete, napríklad na frekvenčnú odozvu, pretože je potrebné zosúladiť viacero meničov naraz.
Dávajte pozor na dve úskalia. Dodatočné rozšírenie systému s DC pripojením je náročné, pretože rozsah napätia nových akumulátorov sa zvyčajne nezhoduje s rozsahom starých. Pri odľahčovaní špičkového zaťaženia dimenzujte výkon PCS podľa špičky, ktorú chcete odľahčiť, a kapacitu podľa dĺžky trvania špičky.
Pre väčšie projekty nájdete v ponuke akumulátorov FoxEss škálovateľné riešenia v skrinkách a kontajneroch, dimenzovanie však vždy začnite na základe štvrťhodinového profilu zaťaženia danej lokality.
Odporúčanie SOLARKIT: rozhodovacie kritériá pre dodávateľov solárnych systémov
Naše skúsenosti ukazujú, že väčšina nesprávnych architektonických rozhodnutí vyplýva z chýbajúceho prieskumu, nie z odbornej neznalosti. Preto odporúčame, aby sa pred každou ponukou do poznámok zapísalo päť údajov.
Presný typ a rok výroby meniča. To rozhoduje o tom, či ho možno ponechať.
Hodnoty napätia a prúdu v reťazcoch. Pri prechode na hybridný menič je to základná podmienka.
Pripojovací výkon a limit napájania. Ak je ich úprava podmienená povolením, misky váh sa nakláňajú smerom k pripojeniu na striedavý prúd (AC).
Požiadavka na záložné napájanie. Pri výpadku prúdu musí v systéme pripojenom k AC sieťovému napájaniu akumulátorový menič pracovať v režime tvorby siete a existujúci solárny menič musí byť schopný s ním spolupracovať. Ak nie, solárna strana sa počas výpadku prúdu jednoducho zastaví.
Večerný profil zaťaženia. Ten určuje kapacitu, nie celková denná spotreba.
Naše zhrnutie je jednoduché: pri novom systéme pripojenie na DC, pri existujúcom a dobre fungujúcom meničovi pripojenie na AC. Výnimkou je situácia, keď menič aj tak vyžaduje výmenu, pretože v takom prípade hybridné riešenie vyrieši problém v jednom kroku.
Ako dodávateľ sa oplatí mať na sklade súpravy pripravené pre obe architektúry. Kto ponúka len riešenie s hybridným meničom, príde o veľkú časť trhu s modernizáciami; kto ponúka len akumulátor pripojený na AC, vzdá sa projektov novostavieb.
Často kladené otázky: Ukladanie energie pripojené k striedavému (AC) a jednosmernému (DC) prúdu
Je možné k systému s mikroinvertormi nainštalovať akumulátor pripojený na DC?
Nie. Mikroinvertory už za modulom premieňajú vyrobenú energiu na striedavý prúd, takže neexistuje rovnosmerná zbernica, na ktorú by bolo možné pripojiť akumulátor. V takomto systéme prichádza do úvahy výlučne pripojenie na striedavý prúd (AC), čo je však prirodzené riešenie: akumulátor sa jednoducho pripojí na striedavý menič.
Zanikne záruka na existujúci menič v prípade rozšírenia o zariadenie pripojené na striedavý prúd?
Zvyčajne nie, pretože akumulátor pripojený na striedavý prúd (AC) sa pripája zo strany rozvádzača za solárny menič a nezasahuje do jeho obvodu. Pri výmene za hybridný menič sa však stráca zostávajúca záruka na staré zariadenie. Pred inštaláciou si vždy vyžiadajte písomné potvrdenie od výrobcu alebo distribútora.
Je možné v jednom systéme kombinovať pripojenie AC a DC?
Áno, v dobre navrhnutom systéme sa oba typy môžu vzájomne kombinovať. Typickým prípadom je situácia, keď existujúci solárny menič zostane na strane AC a k nemu sa pridá nový hybridný menič s vlastným poľom solárnych panelov a akumulátorom. Riadenie v takomto prípade musí zabezpečovať systém riadenia energie.
O koľko viac energie z solárnych panelov je potrebné na nabitie akumulátora pripojeného na striedavú sieť?
Približne o 5 až 10 percent. V dôsledku dvoch prevodov, z ktorých každý má účinnosť okolo 95 percent, je na nabitie 20 kWh akumulátora potrebných približne o 2 kWh viac energie vyrobenej solárnymi panelmi. Tento rozdiel je zanedbateľný v prípadoch, keď by sa maximálna produkcia v poludňajších hodinách aj tak nevyužila.
Nabíja sa akumulátor pripojený k striedavému prúdu zo solárnych panelov počas výpadku prúdu?
Iba vtedy, ak invertor batérie vytvára v režime tvorby siete stabilnú lokálnu sieť a solárny invertor s ňou dokáže spolupracovať. Niektoré hybridné invertory pri plne nabitej batérii zvyšujú frekvenciu na 52–53 Hz, aby odpojili solárnu stranu. Toto správanie je potrebné skontrolovať na úrovni konkrétneho modelu ešte pred inštaláciou.
