Samm 1: täpne koormuse hindamine ja energiatarbe prognoosimine

Tarbimismustrite analüüs hübriidse päikesepaneeli- ja energiamahtuvussüsteemi optimeerimiseks

Selle üle saada, kui palju energiat päevas kasutatakse, on üsna oluline. Tagasivaatamine eelmiste tarbimisnäitajatele aitab tuvastada need igapäevased ja hooajaliselt muutuvad trendid, millega kõik kokku puutume. Pärastlõunased tundide ajal hakkavad enamik süsteeme tavaliselt palju raha maksma, sest nõudlus tõuseb väga palju. Näiteks kaubandushoonete energiavajadus suureneb pärastlõunal tavaliselt 30–50 protsenti, nagu viimase aasta andmed Ponemon Institute’i raportist andmete keskuste väljalangemistest näitavad. Selliste mustri teadmine annab meile teada, kas on mõistlik kohe oma päikesepaneelide toodetud energiat kasutada või oodata, kuni hiljem akusid kasutada. Jälgige ka seda, millised konkreetsed seadmed elektrit rohkem tarbivad. Soojendus-, ventilatsiooni- ja kliimaseadmed ning erinevad tööstuslikud seadmed moodustavad kaubandusliku tegevuse energiatarbimise suurima osa. Selline detailne lähenemine takistab inimesi ostmas liiga suuri süsteeme, kui vaja oleks, samas kui tagatakse oluliste osade toitevarustus ka siis, kui toimub ootamatu katkestus.

Suuruse määramise alused: päikeseenergia tootmise, akukapatsiidi ja invertorite võimsuste sobitamine koormusprofiliile

Täpne suuruse määramine nõuab kolme ühildumist:

• Päikesepaneelide paigaldus peab kompenseerima aastas tarbitud energiahulka, arvestades piirkonna kiirgustaset ning 14–18% süsteemikaod
• Akukapatsiit sõltub autonoomiastunditest — ajavahemikust, milleks on vaja varuvalmistust võrgukatkestuste ajal
• Invertorite nimivõimsus peab ületama tippkoormusi 20–25%-ga, et võimaldada mootorite käivituslõike

Kauplus, mis kasutab iga päev 40 kWh ja mille tippkoormus on 8 kW, vajab:

• 10 kW suurust päikesepaneeli paigaldust (eeldades 4,5 päikesetundi)
• 20 kWh salvestusvõimsust ööpäevase katvuse tagamiseks
• 10 kW hübridiinverter

Mittevastavate komponentide tõttu võib tõhususe kaotus ulatuda kuni 23%ni (NREL, Hübridsüsteemi integreerimise aruanne , 2023). Alati tuleb modelleerida halvima stsenaariumi – sealhulgas talvise pööripäeva tootmist – et tagada aastaselt vastupidavus.

Samm 2: Optimaalse hübridarhitektuuri valik (vahelduvvoolu- vs alalisvooluühendusega)

Vahelduvvoolu- ja alalisvooluühendusega konfiguratsioonide võrdlemine hübridpäikesesüsteemide ja energiamahtude puhul

Päikesepaneelide ja akusüsteemide ühendamisel on põhimõtteliselt kaks peamist viisi: vahelduvvoolu (AC) ja alalisvoolu (DC) kaudu ühendatud süsteemid. AC-koppelingu puhul on päikesepaneelidel ja akudel igaühe jaoks oma invertor. See paigaldus võimaldab lihtsamini moderniseerida olemasolevaid süsteeme, kuid see kaasab ka kulukuse. Süsteem peab energiat kokku kolm korda teisendama (alalisvoolust vahelduvvoolu, siis tagasi alalisvoolu ja lõpuks uuesti vahelduvvoolu), mistõttu langeb üldine tõhusus umbes 88%–94% vahele. Teisalt toimivad DC-koppelingu süsteemid teisiti – kasutades ainult ühte hübridiinvertorit. See võimaldab päikeseenergia otse alalisvoolu küljel akusid laadida ilma kõigi lisateisendusteta. Tulemuseks on, et need süsteemid saavutavad tavaliselt parema tõhususe – umbes 94% kuni peaaegu 98%. Süsteemide tegelikku jõudlust reaalsetes tingimustes võrreldakse järgnevas tabelis.

Energia voogudünaamika: tootmine, ise tarbimine, akude laadimine, võrgusse ekspordimine ja varuoperatsioon

Sellest, kuidas energia liigub, sõltub palju sellest, millist süsteemiarkhitektuuri me konkreetsest olukorrast räägime, eriti tippkoorma ajal. AC-ühendatud süsteemides muundatakse üleliias olevat päikeseelektrit esmalt vahelduvvooluks ja seejärel tuleb seda sageli tagasi muundada alalisvooluks, et seda akusse salvestada. See edasi-tagasi muundamine põhjustab igakordseid tõhususkaotusi akude laadimisel. Võrgukatkestuse korral saavad need AC-süsteemid toita ainult mõnda olulist majapidamise osa erilise alamploki kaudu, seega ei saa kõik korraga elektrit. DC-ühendatud süsteemid töötavad teisiti: nad võimaldavad akusid laadida otse päikesepaneelidelt samal ajal, mil nad toidavad ka tarbijaseadmeid, ilma et oleks vaja kõiki neid muundusi teha. See tähendab, et rohkem energiat jõuab tegelikult salvestusse. Hädaolukordades suudavad DC-süsteemid tavaliselt paremini tagada terve maja või hoone töökindluse, kuna nad suudavad kiiresti isoleeruda võrgust. Siiski on õige suuruse valimine väga oluline, sest suured tarbijaseadmed, näiteks kliimaseadmed, vajavad käivitusel lisavoolu. Mõlemat tüüpi süsteemid võimaldavad meil elektrit tagasi võrku saata, kuid DC-süsteemid annavad kokkuvõttes rohkem kasutatavat elektrit, kuna nende puhul on vähem vahemuundamisi.

Samm 3: Täpselt mõõdetud komponentide suuruse määramine ja integreerimine

Põhikomponentide õige suuruse määramine määrab otseselt hübridsüsteemide (päikesepatareid ja energiamahtude salvestussüsteemid) tooranduse, kasutusiga ja investeeringu tagasitulu. Sobimatult valitud seadmed raiskavad kapitali ja piiravad töökindluse paindlikkust.

Päikesepaneelide paigalduse suuruse määramine: arvesse tuleb võtta kiirgusintensiivsust, paigalduskalde, varjutust ja süsteemi kaotusi

Päikesepaneelide paigaldus peab tootma piisavalt üleliias energiat aku laadimiseks ning samal ajal rahuldama päevaseid tarbimisvajadusi. Liiga väike paigaldus suurendab sõltuvust võrgust; liiga suur paigaldus koormab invertreid ja vähendab tagasitulu. Olulised tegurid on:

• Kohalik kiirgusintensiivsus (kWh/m²/päev): muutub aastasajade lõikes sõltuvalt laiuskraadist
• Paigalduskalle/orienteerumine : mõjutab tootlust ±15% aastas
• Varjutuskaotused : isegi osaline varjutus võib vähendada väljundit 20–30%
• Süsteemi kaotused : Juhtmete, mustuse ja vananemisega kaasnevad kaotused (tavaliselt kokku 14–23%)

Lõunapoolkera põhja poole suunatud päikesepaneelide paigaldused nõuavad näiteks 10–15% suuremat võimsust kui optimaalselt kaldutud süsteemid, et kompenseerida ebapiisavat tõhusust.

Akukapatsiteedi määramine hübridsüsteemides, kus kasutatakse päikesepatareisid ja energiamahtude salvestamist: autonoomia, tsüklite eluiga ja arbitraažipotentsiaali tasakaalustamine

Akukapatsiteet peab vastama kolmele kriitilisele eesmärgile :

1. Autonomia : varuenergia tootmine võrgukatkestuste ajal (nt 8–24 tundi)
2. Tsüklite eluiga : laadimis- ja tühjendamissügavus (DoD) mõjutab otseselt akude eluiga – DoD piiramine 80%-ni asemel 100%-ni võib kolmekordistada tsüklite arvu
3. Arbitraaž üleliialise päikeseelektroenergia salvestamine tipptarifiga võrgusse tagastamiseks nõuab suuremaid mahtusid

Kui kodumajapidamine tarbib päevas 20 kWh ja vajab 12-tunnist varutoidet, pakub 20 kWh mahtusega aku 80% sügavusega laadimis-/täitmise (DoD) piisavalt iseseisvust, säilitades samas tsükkelääke. Arbitraažile keskenduvad süsteemid võivad vajada 1,5-kordset päevast koormusmahtu.

Samm 4: Inverteeri valik ja tõhususe optimeerimine

Inverteeri tehniliste andmete sobitamine hübridsüsteemi päikeseelektro- ja energiasalvestusnõuetega (pidev/ülekoormus, kahepoolne, võrgutoe funktsioonid)

Kui valitakse invertoreid hübridsüsteemide jaoks, kus on ühendatud päikesepaneelid ja energiamahtuvus, tuleb pöörata tähelepanu põhimõtteliselt kolmele peamisele tehnilisele näitajale. Esiteks peaks pidev võimsusnäitaja suutma katta igapäevase tarbimise, kuid meil on vaja ka piisavalt suurt ülekoormusvõimet, et toime tulla hetkedega, mil mootorid käivituvad. Teiseks on vajalik kahepoolne (bi-direktsionaalne) võimekus, mis võimaldab süsteemil laadida akusid päikesepaneelidelt samal ajal, kui süsteem toodab elektrit just nende seadmete jaoks, kes seda hetkel vajavad. See edasi-tagasi toimimine ei ole lihtsalt mugav lisafunktsioon – see on täiesti vajalik õige ESS-integratsiooni saavutamiseks. Kui rääkida usaldusväärsusest, siis head invertorid on varustatud võrgutoetavate funktsioonidega, nagu sagedusregulatsioon ja pinge läbipääsuvõime (voltage ride through). Need aitavad säilitada vastavust standarditele ka siis, kui võrgus tekib probleeme. Enamik paigaldajaid leiab tegelikult, et väikese mõõduga (veidi liiga väike) invertorite kasutamine on enamikul juhtudel finantslikult soodsam. Tavaliselt vaadatakse DC–AC suhet umbes 0,8–1,1 vahemikus, sest reaalses elus ei saavuta päikesepaneelid oma maksimaalset võimsust sageli – selle takistavad näiteks varjutus, ilmastikutingimuste muutused ja muud reaalmaailma tegurid.

Tõhususe kaotuste vähendamine: jõudluse alakäivitamine, ümberpöördumise mõju ja soojusjuhtimise parimad tavapraksised

Tõhususe kaotused hübridsüsteemides põhinevad peamiselt kolmel allikal: kõrgel temperatuuril toimuv jõudluse alakäivitamine, akude ümberpöördumise tõhususetus (tavaliselt 8–12%) ja halb soojusjuhtimine. Ennetusmeetmed hõlmavad:

• Ümbritseva keskkonna temperatuuri säilitamist alla 45 °C (113 °F) passiivse ventilatsiooni või varjatud paigalduse abil
• Silitsiumkarbiidist (SiC) invertorite valikut, mille konversioonitõhusus on 98 % ja rohkem
• Litiumpuhastite laadimissügavuse piiramist 80 %-ni, et vähendada ümberpöördumise kaotusi
• Kauplemisüsteemide jaoks kolmefaasiliste invertorite kasutuselevõttu, et vähendada transformaatorikaotusi

Lõikeanalüüs jääb oluliseks – väiksem kui 3 % aastas energiakaotus ajutise invertori küllastumise tõttu õigustab sageli seadmete kulude vähendamist 15–20 %.

KKK

Mis on erinevus vahelduvvoolu- (AC) ja alalisvoolu- (DC) ühendatud süsteemide vahel?

AC-ühendatud süsteemid kasutavad päikesepaneelide ja akude jaoks eraldi invertreid, mis nõuab mitmeid energiamuundusi ja võib vähendada tõhusust. DC-ühendatud süsteemid kasutavad üht hübriidinvertorit, mis võimaldab akusid laadida otse päikeseelektroonikast, mille tulemusena on kõrgem tõhusus.

Kuidas mõjutab aku suuruse valik hübriidpäikesesüsteemi?

Aku suuruse valik mõjutab autonoomiat võrgukatkestuste ajal, aku tsüklite eluiga ning võimet teha energiakaubandust, salvestades üleliiased päikeseelektriliselt saadud energiakogused hilisemaks kasutamiseks.

Miks on hübriidpäikesesüsteemide komponentide õige suuruse valik oluline?

Õige suuruse valik tagab süsteemi optimaalse jõudluse, pikkema eluea ja investeeritud kapitali tagasitulu, vältides ebakorrapäraseid komponente, mis raiskavad kapitali ja piiravad paindlikkust.