Sistem za shranjevanje energije, priključen na izmenični (AC) ali enosmerni (DC) tok: katera arhitektura je boljša?

Če načrtujete sistem za shranjevanje energije v povezavi s sistemom sončnih celic, prvo vprašanje ni zmogljivost, temveč arhitektura. Ta odločitev namreč določa učinkovitost sistema, njegovo razširljivost in tudi stroške namestitve. V tem članku bomo pregledali, kako delujeta sistemi z AC- in DC-priključkom, kakšna je najpomembnejša tehnična razlika med AC- in DC-priključkom ter kaj sploh pomeni AC-DC tok v praksi.

Preučili bomo, katera rešitev je učinkovitejša z vidika pretvorbe energije, kdaj je AC-priključitev prednostna pri razširitvi obstoječega sončnega sistema z akumulatorjem in kdaj se vendarle splača izbrati DC-priključen sistem za shranjevanje energije. Obravnavali bomo združljivost z inverterjem, vprašanje, ali naj obdržite obstoječo napravo ali jo zamenjate s hibridnim inverterjem, ter dimenzioniranje moči in zmogljivosti pri naknadni širitvi.

Na koncu bomo izračunali izgube pri pretvorbi, pregledali vprašanja »zero export« in upravljanja z energijo pri sistemih za naknadno vgradnjo, primerjali obe arhitekturi v večjem komercialnem in industrijskem obsegu, na koncu pa boste prejeli SOLARKIT-ova merila za odločanje, namenjena izvajalcem. Če se sončni kolektorji in akumulatorji v sistem vgradijo naknadno, vam bo ta niz meril pomagal pri odločitvi, katera rešitev se izplača.

Kako delujeta sistemi, priključeni na izmenični (AC) in enosmerni (DC) tok?

Razlika med tema dvema arhitekturama je v tem, kje se stikata tokokrog sončnih celic in akumulatorja.

V sistemu z AC-priključkom sončni panel deluje na lastni inverter, medtem ko je akumulator priključen na ločen hibridni inverter z akumulatorjem. Obe napravi se stikata na strani izmeničnega toka, običajno na vodniku razdelilne omarice. Proizvodnja sončnega kolektorja se najprej pretvori v izmenični tok, nato, ko pride v akumulator, se tam ponovno pretvori v enosmerni tok, ob praznjenju pa se pretvori še tretjič. Prednost te zasnove je, da napravi delujeta neodvisno druga od druge: če ena odpove, druga še naprej deluje.

V sistemu z DC-priključkom deluje en sam hibridni inverter. Sončni kolektorji in akumulator so priključeni na skupno enosmerno vodilo: na eni strani je MPPT-regulator, na drugi pa DC/DC-pretvornik za polnjenje akumulatorja. Enosmerni tok iz sončnega kolektorja neposredno, brez pretvorbe, polni akumulator in se v izmenični tok pretvori šele takrat, ko se napaja porabnike ali omrežje.

Iz te topološke razlike izhajajo vse ostale značilnosti: učinkovitost, razširljivost, redundancija in zahtevnost namestitve. Pri domačem sistemu velja ista logika kot v industrijskem obratu, le v drugačnem obsegu.

AC-sklopka in DC-sklopka: najpomembnejše tehnične razlike

V praksi se ti dve arhitekturi razlikujeta v štirih točkah.

Število pretvorb. Pri AC-vezavi se energija iz sončnih celic pretvori trikrat, pri DC-vezavi pa enkrat. To povzroča razliko v izkoristku: pri polnjenju iz sončnih celic imajo sistemi z AC-vezavo običajno 90–94-odstotni, sistemi z DC-vezavo pa 95–98-odstotni izkoristek v celotnem ciklu.

Pridobivanje izgubljene energije. Če moč sončnega polja presega nazivno izmenično moč inverterja, se presežek izgubi. Shranjevalnik energije z enosmerno vezavo to izgubljeno energijo shrani še pred inverterjem, medtem ko se sistem z izmenično vezavo lahko polni šele takrat, ko je energija že prešla skozi inverter.

Namestitev in redundanta. Akumulator, priključen na izmenično napetost (AC), se lahko prosto namesti dlje od sončnega polja, oba inverterja pa delujeta neodvisno. Pri konfiguraciji z direktnim priključkom (DC) mora akumulator ostati v bližini inverterja, okvara ene same naprave pa ustavi celoten sistem.

Stroški in namestitev. Pri novogradnji je DC-priključitev cenejša, saj zadostuje en sam hibridni inverter. Pri obstoječem sistemu pa je AC-priključitev hitrejša rešitev, saj ni treba posegati v delujoči del sončnega sistema.

Pomen tokov AC in DC

Vredno je pojasniti osnovne pojme, saj na njih temeljijo vse zgoraj navedene razlike.

Enosmerni tok (DC – direct current) teče v eni smeri, njegova napetost pa je konstantna. Sončni panel proizvaja takšen tok, akumulator pa energijo shranjuje prav v tej obliki. V stanovanjskem nizu to običajno pomeni enosmerno napetost med 600 in 1000 V.

AC (alternating current, izmenični tok) periodično spreminja smer, v Evropi s frekvenco 50 Hz. Omrežje in večina gospodinjskih porabnikov deluje na tej osnovi.

Inverter povezuje oba: stopnja DC/DC nastavi raven napetosti, stopnja DC/AC pa izhodni tok pretvori v sinusni izmenični tok z napetostjo 230 V. Vsaka taka pretvorba povzroča izgube, zato je pomembno, skozi koliko stopenj poteka tok.

Katera rešitev je z vidika pretvorbe energije učinkovitejša?

Na papirju je odgovor jasen: DC-priključek. Pri polnjenju s sončnimi celicami delujejo sistemi z DC-priključkom z 95–98-odstotnim izkoristkom, sistemi z AC-priključkom pa z 90–94-odstotnim izkoristkom, saj tok prehaja skozi manj stopenj pretvorbe.

V praksi pa je pomembno, po kateri poti potuje energija.

Če se energija, ki jo proizvede sončni panel, takoj posreduje porabnikom, obe arhitekturi opravita isto pretvorbo iz enosmernega v izmenični tok. Razlika v izkoristku se nanaša izključno na shranjeno energijo, kar pomeni, da je njena pomembnost toliko večja, kolikor večji je delež shranjevanja v sistemu.

Pri polnjenju iz omrežja se slika obrne: izkoristek sistema, priključenega na enosmerni tok, se v tem primeru zaradi dodatnega pretvorbenega postopka zniža na okoli 87 odstotkov, medtem ko zmogljivost sistema, priključenega na izmenični tok, ostane bolj uravnotežena ne glede na vir polnjenja. Ta vidik pridobi na pomenu povsod, kjer so v poslovnem modelu vključene dinamične tarife ali omrežne storitve.

Tudi v načinu »blackout« je lahko AC-priključitev močnejša: v tem primeru se zmogljivosti inverterja sončnih celic in inverterja akumulatorja seštejeta, kar omogoča pokrivanje tudi večje trenutne porabe.

V številkah: pri 10 kWh bateriji 3–5-odstotna razlika v izkoristku pomeni letno odstopanje okoli 200–400 kWh. Ta vrednost sama po sebi redko upravičuje zamenjavo inverterja, vendar je pomembna pri načrtovanju novih projektov.

Razširitev obstoječega sončnega sistema z akumulatorjem: kdaj je priključitev na izmenični tok (AC) ugodna?

Razširitev obstoječega sončnega sistema z akumulatorjem je danes tipična naloga na večini evropskih trgov. V večini sistemov, nameščenih v drugi polovici leta 2010, delujejo navadni strunski inverterji, ki napajajo omrežje in ne podpirajo akumulatorja.

V takih primerih je AC-priključitev v štirih primerih nedvomno boljša izbira.

Če je obstoječi inverter v dobrem stanju in še vedno v garancijskem roku. Nima smisla zavreči delujočo napravo samo zato, da bi pridobili nekaj odstotkov večjega izkoristka. Preostala vrednost odstranjenega inverterja pa je le delček vrednosti novega.

Če se ne splača spreminjati obstoječe obračunske ureditve. Ugodnejše, že prej pridobljene tarife so običajno vezane na prijavljeno proizvodno moč in sporazum o priključitvi na omrežje. Razširitev na strani izmeničnega toka (AC) na to ne vpliva, zamenjava inverterja pa lahko sproži nov postopek pridobivanja dovoljenj.

Če sta lokacija sončnega polja in akumulatorja različni. Inverter z akumulatorjem se lahko prosto namesti v bližini razdelilnika.

Če je cilj hitra izvedba. Med EcoFlow-jevimi sistemi za shranjevanje energije so na voljo tako All-in-One kot tudi klasične izvedbe s ločenim inverterjem. Za naknadno razširitev je najbolj primerna različica All-in-One: inverter in akumulatorski moduli tvorijo en stolp, ki se lahko priključi na stran AC, tako da se namestitev običajno zaključi v enem dnevu. Če se akumulator v sistem vključi naknadno, je priključitev na stran izmeničnega toka (AC) rešitev, ki zahteva najmanj posegov. 

Kdaj se splača izbrati energetski akumulator z DC-priključkom?

V štirih primerih pa je priključitev na enosmerni tok racionalna odločitev.

Pri naložbah na zelenem polju. Če se sončni kolektorji in akumulator namestijo hkrati, je en sam hibridni inverter cenejši in učinkovitejši kot dve ločeni napravi.

Če je obstoječi inverter tako ali tako treba zamenjati. Življenjska doba 8–10 let starega niznega inverterja se bliža koncu; v tem primeru hibridni inverter ni več dodatni strošek, ampak načrtovana zamenjava.

Če je sončno polje preveliko. Pri visokem razmerju DC/AC se lahko že samo izkoriščanje odrezane energije izplača.

Če je prostor omejen. En sam hibridni inverter pomeni manj naprav, manj ožičenja in en skupen nadzorni vmesnik.

Odločitev vedno temelji na ogledu na kraju samem: tip obstoječega inverterja, njegova starost in priključna moč skupaj določajo, katera arhitektura se splača.

Združljivost inverterjev in vidiki načrtovanja sistema

Po izbiri arhitekture o uspehu projekta običajno ne odloča učinkovitost, temveč to, ali lahko izbrane naprave delujejo skupaj.

Uskladiti je treba tri stvari: napetostno območje, komunikacijski protokol in odobritev proizvajalca. Večina hibridnih inverterjev za gospodinjstva deluje z 48-voltno LiFePO4 baterijo prek vmesnika CAN ali RS485, visokonapetostne platforme pa zahtevajo lasten baterijski sklop z napetostjo med 100 in 1000 V, pogosto z zaprtim protokolom.

Oznaka 10 kWh lahko zajema dva popolnoma različna izdelka: 48-voltni modul in visokonapetostni stolp, povezan s hibridnim inverterjem. Ti dve napravi nista zamenljivi.

Komunikacija v zaprtem krogu ni neobvezna dodatna opcija: brez nje inverter ocenjuje stanje napolnjenosti le na podlagi napetosti, kar je pri ploščati karakteristiki LiFePO4 netočno in je lahko potrebno tudi z vidika proizvajalčeve garancije.

Ohranitev obstoječega inverterja ali zamenjava z hibridnim inverterjem

Za odločitev je treba na kraju samem zbrati štiri podatke.

Starost inverterja in preostala garancija. Pri napravi, stari 2–3 leta, je priključitev na izmenični tok skoraj vedno boljša izbira.

Konfiguracija nizov. Če zamenjate inverter za hibridnega, morajo vrednosti napetosti in toka obstoječih nizov ustrezati MPPT-oknu nove naprave. To pogosto pomeni prevezavo ali preureditev nizov.

Seznam združljivosti. Vedno preverite aktualni, odobreni seznam proizvajalca, vključno z modelom in različico strojne opreme, saj je pomembna tudi združljivost programske opreme. O združljivosti akumulatorjev in inverterjev FoxESS smo pripravili poseben povzetek.

Stroški izpada. V komercialnih sistemih dnevi izpada proizvodnje hitro presežejo prihranek pri učinkovitosti.

Če je kateri koli od teh dejavnikov negotov, je priključitev na omrežje (AC) pot z manj tveganjem: ne posega v stran s sončnimi celicami, dovoljene nastavitve obstoječega sistema pa ostanejo nespremenjene.

Dimenzioniranje moči in zmogljivosti pri naknadni razširitvi sončnega sistema z akumulatorjem

Pri dimenzioniranju je treba ločeno obravnavati dve različni vrednosti: zmogljivost (kWh) in moč (kW).

Kapaciteto določa večerni porabniški vrh, ne pa dnevna skupna poraba. Če znaša večerna obremenitev 8–10 kWh na dan, nima smisla namestiti 20 kWh: nad razmerjem 2:1 glede na sončne celice se samozadostnost komaj še izboljša.

Moč omejujeta C-stopnja in inverter. Akumulator zmogljivosti 20 kWh, ki ga je mogoče obremeniti s 0,5C, na ravni akumulatorja oddaja 10 kW, izhod na strani izmeničnega toka pa je manjši.

Nazadnje upoštevajte dejansko kapaciteto, ne nazivno: zaradi globine praznjenja, izkoristka in temperaturnega zmanjšanja zmogljivosti je lahko dejanska vrednost za 20–35 odstotkov nižja. To je še posebej pomembno pri razširitvi s priključkom na izmenični tok, saj se moč akumulatorskega inverterja sistemu doda poleg obstoječega inverterja za sončne celice in vzporedno z njim.

Izgube pri pretvorbi v sistemih, priključenih na izmenični (AC) in enosmerni (DC) tok

Izguba ne nastane v akumulatorju, temveč v stopnjah pretvorbe in pri porabi v stanju pripravljenosti.

V sistemu z AC-priključkom shranjena kWh preide skozi tri stopnje inverterja, v sistemu z DC-priključkom pa pri polnjenju s sončnimi celicami le skozi eno. Pri akumulatorju, ki letno pretvori 4 000 kWh, to pri 90-odstotnem izkoristku cikla pomeni 400 kWh izgube, pri 96-odstotnem pa 160 kWh. Razlika znaša približno 240 kWh na leto.

Drugi, pogosto spregledan dejavnik je poraba v stanju pripravljenosti. Poraba inverterja z ločeno baterijo v prostem teku običajno ostane pod 1 odstotkom nazivne moči, vendar tudi stalna poraba v obsegu 20–40 vatov pomeni letno porabo 175–350 kWh. Pri AC-priključku porabljata energijo vzporedno dve napravi, pri DC-priključku pa ena.

Tudi na strani enosmernega toka izgube niso ničelne: porabo imajo tudi krmilnik polnjenja, sistem za upravljanje baterije (BMS) in ožičenje, le da so te porabe manjše. Pri nizkonapetostnih 48-voltnih sistemih so zaradi večjega toka izgube v kablih izrazitejše kot pri visokonapetostnih sklopih.

Zato ni dovolj, da primerjate izkoristek celotnega cikla, naveden v katalogu. Naredite model na podlagi dejanskih dnevnikov proizvodnje: koliko kWh dejansko teče skozi akumulator in koliko gre neposredno k porabnikom. Slednje stane enako v obeh arhitekturah.

Pri sistemih »zero export« in sistemih za naknadno vgradnjo za upravljanje z energijo

Pri mnogih omrežnih dovoljenjih je pogoj omejitev ali popolna prepoved dovajanja energije v omrežje. Ta regulativna usmeritev sama po sebi vpliva na izbiro arhitekture.

V sistemu z direktnim priključkom na enosmerni tok je omejitev preprosta: hibridni inverter v enem samem regulacijskem krogu prevzame moč MPPT, in sicer točno toliko, kolikor jo porabniki in akumulator porabijo.

Pri naknadni vgradnji z AC-priključkom je situacija težja, saj inverter z akumulatorjem ne more neposredno dušiti obstoječega inverterja za sončne celice. Ostajata dve možnosti: presežek se absorbira v akumulator s polnjenjem s spremenljivo močjo ali pa se stran s sončnimi celicami regulira prek komunikacijskega kanala, morebiti s frekvenčnim zamikom. Slednje je počasnejše in močno odvisno od znamke.

Iz tega sledi pravilo palca za načrtovanje: AC-priključeni sistem brez izvoza deluje zanesljivo, če polnilna moč akumulatorskega inverterja doseže nazivno moč obstoječega inverterja za sončne celice.

Korist z vidika upravljanja z energijo je ravno nasprotna: presežek, ki ostane pod omejitvijo dovajanja, ostane v akumulatorju in se ne izgubi.

V obeh primerih povratna informacija, izmerjena na priključnem mestu, zapira krog, bodisi v obliki tokovnega pretvornika bodisi pametnega števca. Ob zagonu preverite smer tokovnega pretvornika, vrstni red faz in čas vzorčenja ter pustite majhno rezervo na strani uvoza namesto ničle.

AC- ali DC-sklopljeni akumulatorji za večje komercialne in industrijske sisteme?

V večjem obsegu se spreminjajo merila: odločilna ni učinkovitost, temveč strategija prihodkov in priključitev na omrežje.

Za DC-priključeno konfiguracijo govori ena sama priključna točka. To pomeni enostavnejšo analizo omrežja in manj transformatorjev, poleg tega pa pri močno prevelikem sončnem polju povratna energija, ki se sicer izgubi, ustvarja velike količine energije. Zato je danes DC-priključen sistem za shranjevanje energije, načrtovan ob novozgrajeni sončni elektrarni, standardna rešitev.

Za AC-priključeno zasnovo govori neodvisnost. AC-priključen sistem za shranjevanje energije lahko zagotavlja omrežne storitve neodvisno od proizvodnje sončnih celic, omogoča modularno širitev, poleg tega pa okvara enega inverterja ne povzroči izpada celotne naprave. Pri obstoječih industrijskih strešnih sistemih je to izvedljiva rešitev.

Eden od argumentov proti AC-priključku je, da se počasneje odziva na hitre omrežne ukaze, na primer na odziv na frekvenco, saj je treba hkrati uskladiti več inverterjev.

Pazite na dve pasti. Naknadna širitev sistema s priključkom na enosmerni tok je težka, saj se napetostno območje novih akumulatorjev običajno ne ujema s tistim starih. Pri omejevanju konične obremenitve pa morate moč PCS prilagoditi konici, ki jo želite omejiti, kapaciteto pa dolžini konice.

Za večje projekte boste v ponudbi akumulatorjev FoxEss našli tudi skalabilne rešitve v omarah in kontejnerjih, pri dimenzioniranju pa vedno izhajajte iz četrturnega profila obremenitve lokacije.

Priporočilo SOLARKIT: merila za odločanje za izvajalce sončnih elektrarn

Naše izkušnje kažejo, da večina napačnih arhitekturnih odločitev izhaja iz pomanjkanja pregleda, ne pa iz strokovne nevednosti. Zato priporočamo, da pred vsako ponudbo v zapiske vključite pet podatkov.

Natančen tip inverterja in leto izdelave. To odloča, ali ga je mogoče ohraniti.

Vrednosti napetosti in toka v nizih. Pri prehodu na hibridni inverter je to osnovni pogoj.

Priključna moč in omejitev dovajanja. Če je za spremembo teh podatkov potrebno dovoljenje, se tehtnica nagne v korist AC-priključka.

Potreba po varnostnem napajanju. V primeru izpada omrežja mora pri sistemu, priključenem na izmenični tok, akumulatorski inverter delovati v načinu omrežnega napajanja, obstoječi inverter za sončne celice pa mora biti sposoben sodelovati z njim. Če to ni mogoče, se stran s sončnimi celicami med izpadom omrežja preprosto ustavi.

Večerni profil obremenitve. To določa zmogljivost, ne pa dnevna skupna poraba.

Naš povzetek je preprost: pri novem sistemu DC-priključitev, pri obstoječem in dobro delujočem inverterju pa AC-priključitev. Izjema je, če je inverter tako ali tako treba zamenjati, saj v tem primeru hibridna rešitev problem reši v enem koraku.

Kot izvajalec je smiselno imeti na zalogi opremo, pripravljeno za obe arhitekturi. Kdor ponuja le rešitev s hibridnim inverterjem, izgubi velik del trga za naknadno vgradnjo, kdor pa ponuja le shranjevalnik z AC-priključkom, se odreka projektom novogradnje.

Pogosta vprašanja: shranjevanje energije, priključeno na izmenični (AC) in enosmerni (DC) tok

Ali je mogoče v sistem z mikroinverterji namestiti shranjevalnik energije, priključen na enosmerni tok?

Ne. Mikroinverterji že za modulom pretvarjajo proizvedeno energijo v izmenični tok, zato ni enosmerne vodilne žice, na katero bi bilo mogoče priključiti akumulator. Pri takšnem sistemu pride v poštev izključno AC-priključitev, kar pa je naravna rešitev: akumulator se preprosto priključi na AC-priključen inverter.

Ali se pri razširitvi s priključkom na izmenični tok izgubi garancija za obstoječi inverter?

Praviloma ne, saj se akumulator z AC-priključkom priključi s strani razdelilne omarice, za inverterjem za sončne celice, in ne posega v njegov električni tokokrog. Pri zamenjavi z hibridnim inverterjem pa se preostala garancija stare naprave izgubi. Pred namestitvijo vedno pisno zaprosite za potrditev proizvajalca ali distributerja.

Ali je mogoče v enem sistemu kombinirati AC- in DC-priključitev?

Da, v dobro načrtovanem sistemu se lahko oba načina povezovanja uporabljata vzporedno. Tipičen primer je, ko obstoječi inverter za sončne celice ostane na strani AC, poleg njega pa se namesti nov hibridni inverter z lastnim poljem sončnih celic in akumulatorjem. V takšnem primeru mora nadzor združevati sistem za upravljanje z energijo.

Koliko več sončne energije je potrebne za polnjenje akumulatorja, priključenega na izhodno stran?

Približno za 5–10 odstotkov. Zaradi dveh pretvorb, vsaka s približno 95-odstotnim izkoristkom, je za polnjenje 20 kWh akumulatorja potrebna približno 2 kWh več sončne energije. Ta presežek ni pomemben, kadar se popoldanska konična proizvodnja tako ali tako ne bi izkoristila.

Ali se akumulator, priključen na izmenični tok, med izpadom električne energije polni iz sončnih celic?

Samo če akumulatorski inverter v načinu omrežnega napajanja vzpostavi stabilno lokalno omrežje in če inverter sončnih celic lahko deluje skupaj z njim. Nekateri hibridni inverterji pri polnem akumulatorju dvignejo frekvenco na 52–53 Hz, da izklopijo stran sončnih celic. To delovanje je treba pred namestitvijo preveriti na ravni posameznega modela.