1 žingsnis: tikslus apkrovos įvertinimas ir energijos poreikio prognozavimas

Vartojimo modelių analizė hibridinės saulės ir energijos kaupimo sistemos optimizavimui

Kiekvienos dienos energijos suvartojimo kiekiui suprasti yra labai svarbu. Atgal žvelgiant į ankstesnius suvartojimo skaičius galima pastebėti tas kasdienes ir sezonines tendencijas, su kuriomis visi susiduriame. Popietės valandos dažniausiai yra laikotarpis, kai dauguma sistemų tikrai pradeda kainuoti, nes paklausa staigiai išauga. Pavyzdžiui, komercinėse pastatuose energijos poreikis paprastai po vidurdienio padidėja nuo 30 iki 50 procentų, kaip nurodyta Ponemon instituto pranešime apie duomenų centrų gedimus praėjusiais metais. Žinant šiuos modelius galima nustatyti, ar tikslinga nedelsiant naudoti savo saulės energijos gamybą ar geriau palaukti ir vėliau pasinaudoti akumuliatoriais. Taip pat reikia stebėti, kurie konkrečiai prietaisai sunaudoja daugiausia elektros energijos. Šildymo, vėdinimo ir oro kondicionavimo (HVAC) įrenginiai bei įvairūs pramoniniai įrengimai sudaro didžiąją dalį komercinėse veiklose suvartojamos energijos. Išsamus šių detalių analizavimas neleidžia žmonėms įsigyti pernelyg didelių sistemų, neišnaudojamų viso pajėgumo, tačiau tuo pačiu užtikrina, kad esminės sistemos dalys liktų maitinamos net netikėtai įvykus elektros tiekimo nutraukimui.

Pagrindiniai matmenų nustatymo principai: saulės energijos gamybos, akumuliatoriaus talpos ir invertoriaus galios pritaikymas apkrovos profiliui

Tikslus matmenų nustatymas reikalauja trijų derinimų:

• Saulės elektrinės turi kompensuoti metinį elektros suvartojimą, atsižvelgiant į regioninę saulės spinduliuotę ir 14–18 % sistemos nuostolius
• Akumuliatoriaus talpa priklauso nuo autonomijos valandų — laiko trukmės, kurios reikia rezerviniam maitinimui per tinklo gedimus
• Invertoriaus galia turi viršyti maksimalią apkrovą 20–25 %, kad būtų įmanoma padengti variklių paleidimo smūgius

Prekybos parduotuvė, kasdien suvartojanti 40 kWh ir turinti 8 kW viršūniškąją apkrovą, reikalauja:

• 10 kW saulės elektrinės (darant prielaidą, kad saulės šviesos valandų yra 4,5)
• 20 kWh kaupiamosios talpos naktiniam aprūpinimui
• 10 kW hibridinis invertorius

Nesuderinti komponentai sukelia naudingumo nuostolius iki 23 % (NREL, Hibridinės sistemos integravimo ataskaita , 2023). Visada modeliuokite blogiausius galimus scenarijus – įskaitant žiemos saulėgrįžos metu gaminamą energiją – kad užtikrintumėte veikimą visais metais.

2 žingsnis: optimalios hibridinės architektūros pasirinkimas (kintamosios srovės – prieš nuolatinės srovės susiejimą)

Palyginimas tarp kintamosios srovės (AC) ir nuolatinės srovės (DC) susiejimo konfigūracijų hibridinėse saulės energijos ir energijos kaupimo sistemose

Kai kalbama apie saulės baterijų sujungimą su akumuliatorių kaupimo sistema, iš esmės yra du pagrindiniai būdai tai padaryti: kintamosios srovės (AC) susietos ir nuolatinės srovės (DC) susietos sistemos. AC susiejimo atveju saulės baterijos ir akumuliatoriai turi kiekvienas savo keitiklius. Tokia konfigūracija palengvina esamų sistemų modernizavimą, tačiau ji brangesnė. Šioje sistemoje energija turi būti konvertuojama tris kartus (nuo nuolatinės srovės į kintamąją, tada atgal į nuolatinę ir galiausiai vėl į kintamąją), todėl bendroji naudingumo našumas sumažėja iki 88–94 %. Kitapus, DC susietos sistemos veikia kitaip – naudojamas vienas hibridinis keitiklis. Tai leidžia saulės energijai tiesiogiai įkrauti akumuliatorius nuolatinės srovės pusėje be visų papildomų konversijų. Dėl to šios sistemos paprastai pasiekia geresnį naudingumo našumą – nuo apytiksliai 94 % iki beveik 98 %. Toliau pateiktoje lentelėje palyginami šių sistemų faktiniai rodikliai realiomis sąlygomis.

Energijos srauto dinamika: gamyba, savivartojimas, kaupiklių įkrovimas, tiekimas į tinklą ir rezervinė veikla

Energijos judėjimo būdas labai skiriasi priklausomai nuo to, kuria sistemų architektūra kalbama, ypač kai įtemptomis laikomosiomis viršūnės apkrovos valandomis. Kintamosios srovės (AC) sujungtuose variantuose papildoma saulės energija pirmiausia konvertuojama į kintamąją srovę, o vėliau kartais vėl turi būti konvertuojama į nuolatinę srovę (DC), kad būtų įkrautos akumuliatoriaus baterijos. Šis grįžtamas konvertavimas kiekvieną kartą sukelia tam tikrų naudingumo nuostolių, kai baterijos įkraunamos. Per nutrūkus elektros tiekimui šios kintamosios srovės sistemos gali maitinti tik tam tikras namų svarbias dalis per specialų papildomą skydinį įrenginį, todėl ne viskas vienu metu gauna maitinimą. Kita vertus, nuolatinės srovės (DC) sujungtos sistemos veikia kitaip: jos gali įkrauti baterijas tiesiogiai iš saulės baterijų tuo pačiu metu, kai veikia buitiniai prietaisai, todėl nereikia atlikti visų tų konversijų. Tai reiškia, kad daugiau energijos iš tikrųjų patenka į kaupiklius. Avarinėmis situacijomis DC sistemos dažniausiai geriau užtikrina visų namų ar pastatų veikimą, nes gali greitai atsijungti nuo tinklo. Vis dėlto labai svarbu pasirinkti tinkamo dydžio sistemą, nes dideliems prietaisams, tokiems kaip oro kondicionieriai, paleidimo metu reikia papildomos galios. Abi sistemos leidžia grąžinti energiją į tinklą, tačiau DC sistemos bendrai užtikrina daugiau naudingos elektros energijos, nes jų energijos konvertavime dalyvauja mažiau etapų.

3 žingsnis: tikslus komponentų matmenų nustatymas ir integracija

Pagrindinių komponentų tinkamas matmenų nustatymas tiesiogiai lemia hibridinių saulės energijos ir energijos kaupimo sistemų našumą, tarnavimo trukmę ir grąžą iš investicijų. Netinkamai parinkta įranga sukelia kapitalo švaistymą ir riboja eksploatacinį lankstumą.

Saulės elektrinės matmenų nustatymas: atsižvelgiant į saulės spinduliavimą, nuolydį, užtemimą ir sistemos nuostolius

Saulės elektrinė turi gaminti pakankamai perteklinės energijos baterijoms įkrauti ir tuo pat metu tenkinti kasdienines apkrovas. Per maža saulės elektrinė padidina priklausomybę nuo elektros tinklo; per didelė saulės elektrinė perapkrauna keitiklius ir sumažina grąžą iš investicijų. Pagrindiniai veiksniai yra:

• Vietinis saulės spinduliavimas (kWh/m²/dieną): kinta sezoniniu būdu priklausomai nuo platumos
• Nuolydis/orientacija : įtakoja energijos gamybą ±15 % per metus
• Užtemimo nuostoliai : net dalinis užtemimas gali sumažinti išvestį 20–30 %
• Sistemos nuostoliai laidų prijungimas, užterštumas ir senėjimas (paprastai 14–23 % bendrai)

Pietų pusrutulyje esančios šiaurėn nukreiptos saulės elektrinės, pavyzdžiui, turi būti 10–15 % didesnės galios nei optimaliai pasvirusios sistemos, kad būtų kompensuoti netikslumai.

Akumuliatorių talpos parinkimas hibridinėms saulės energijos ir energijos kaupimo sistemoms: autonomijos, ciklų gyvavimo trukmės ir arbitražo potencialo subalansavimas

Akumuliatoriaus talpa turi atitikti tris pagrindinius tikslus :

1. Autonomija – rezervinės energijos tiekimas per tinklo nutraukimus (pvz., 8–24 valandos)
2. Ciklų gyvavimo trukmė – iškrovos gylis (DoD) tiesiogiai veikia akumuliatoriaus tarnavimo laiką: DoD apribojimas iki 80 % vietoj 100 % gali padidinti ciklų skaičių tris kartus
3. Arbitražas – perteklinės saulės energijos kaupimas, kad vėliau būtų galima ją tiekti į tinklą aukščiausios kainos tarpsniuose, reikalauja didesnės talpos

Namų ūkiui, kurio dieninis energijos suvartojimas siekia 20 kWh ir kuriam reikia 12 valandų rezervinės energijos, 20 kWh talpos akumuliatorius su 80 % gilumo iškrovos (DoD) užtikrina pakankamą autonomiją, tuo pat metu išsaugant ciklų gyvavimo trukmę. Sistemos, kurios orientuotos į arbitražą, gali reikėti 1,5 kartų didesnės talpos nei dieninis apkrovos kiekis.

4 žingsnis: Invertoriaus parinkimas ir naudingumo koeficiento optimizavimas

Invertoriaus techninių charakteristikų pritaikymas hibridinėms saulės energijos ir energijos kaupimo sistemoms (nuolatinė / viršūninė galia, dvikryptis veikimas, tinklo palaikymo funkcijos)

Pasirenkant keitiklius hibridinėms saulės energijos ir akumuliatorių sistemoms, iš esmės reikia atkreipti dėmesį į tris pagrindinius parametrus. Pirma, nuolatinės galios charakteristikos turi būti pakankamos kasdieniam naudojimui, tačiau taip pat reikia užtikrinti pakankamą trumpalaikių virškrūvių (surge) talpą, kad būtų galima susidoroti su akimirkiniais apkrovos šuoliais, kai įsijungia varikliai. Antra, dvikryptis veikimas leidžia sistemai vienu metu įkrauti akumuliatorius iš saulės baterijų ir tiekti elektros energiją į prietaisus, kuriems ji reikalinga šiuo metu. Šis abipusis veikimas nėra tik papildoma privaluma – jis yra visiškai būtinas norint tinkamai integruoti energijos kaupimo sistemas (ESS). Kalbant apie patikimumą, geri keitikliai turi tinklo palaikymo funkcijas, pvz., dažnio reguliavimą ir įtampų išlaikymo (voltage ride through) galimybę. Šios funkcijos padeda išlaikyti atitiktį standartams net tada, kai tinklo pusėje kyla problemų. Daugelis montuotojų iš tikrųjų pastebi, kad šiek tiek mažesnių galios keitiklių naudojimas dažniausiai yra finansiškai naudingesnis. Tipiškas DC/AC santykis, kurį žmonės įprasta nagrinėti, yra apytiksliai nuo 0,8 iki 1,1, nes realybėje saulės elementai retai pasiekia maksimalią galios išvestį dėl šešėliavimo, orų kaitos ir kitų realaus pasaulio veiksnių.

Efektyvumo nuostolių mažinimas: galios sumažinimas, ciklo naudingumo koeficiento poveikis ir šilumos valdymo geriausios praktikos

Hibridinių sistemų efektyvumo nuostoliai kyla daugiausia iš trijų šaltinių: galios sumažinimas esant aukštai temperatūrai, akumuliatorių ciklo naudingumo koeficiento netikslumai (paprastai 8–12 %) ir netinkamas šilumos valdymas. Šių problemų sprendimo strategijos apima:

• Aplinkos temperatūros palaikymą žemiau 45 °C (113 °F) naudojant aktyviąją ventiliaciją arba montuojant į šešėlyje
• Silicio karbido (SiC) pagrindu sukurtų keitiklių parinkimą, kurie pasiekia virš 98 % konversijos efektyvumą
• Litių baterijų iškrovimo gylies ribojimą iki 80 %, kad būtų sumažinti ciklo naudingumo koeficiento nuostoliai
• Komercinėse sistemose naudojant trijų fazių keitiklius, kad būtų sumažinti transformatorių nuostoliai

Viršukrovos analizė vis dar yra būtina – priimant <3 % metinio energijos nuostolio dėl retų keitiklio sotinimo atvejų dažnai pateisinama įrangos sąnaudų sumažinimas 15–20 %.

D.U.K.

Koks skirtumas tarp kintamosios srovės (AC) ir nuolatinės srovės (DC) sujungtų sistemų?

AC sujungtos sistemos naudoja atskirus keitiklius saulės baterijoms ir akumuliatoriams, reikalaujančius kelių energijos konversijų, dėl ko gali sumažėti efektyvumas. DC sujungtos sistemos naudoja vieną hibridinį keitiklį, leidžiantį tiesiogiai įkrauti akumuliatorius iš saulės energijos, todėl pasiekiamas didesnis efektyvumas.

Kaip akumuliatorių dydis veikia hibridinę saulės energijos sistemą?

Akumuliatorių dydis veikia autonomiją per elektros tinklo nutraukimus, akumuliatoriaus ciklinį tarnavimo laiką ir galimybę atlikti energijos arbitražą – tai reiškia perteklinės saulės energijos kaupimą vėlesniam naudojimui.

Kodėl tinkamas komponentų parinkimas yra būtinas hibridinėms saulės energijos sistemoms?

Tinkamas komponentų parinkimas užtikrina optimalią sistemos našumą, ilgesnį tarnavimo laiką ir grąžą iš investicijų, išvengiant nesuderintų komponentų, kurie švaistytų kapitalą ir ribotų lankstumą.