Kućne sunčane elektrane

U ovom novom serijalu nastojat će se u nekoliko nastavka prikazati osnovno o sunčanim elektranama. Posvetit ćemo se isključivo malim kućnim elektranama koje su investicijski dostupne širem broju ljudi. No i za najveće elektrane koje se danas grade potrebno je promisliti i razraditi iste elemente koji će se u serijalu opisati.

Sunčevo zračenje se može iskoristiti za proizvodnju električne energije u sunčanoj elektrani. Osnova za pretvorbu energije sunčeva zračenja u električnu energiju je fotonaponski modul. Odlika fotonaponskog modula je da u osvjetljenom stanju proizvodi istosmjerni napon. Ako je na modul spojeno trošilo poteći će istosmjerna struja. Veći broj modula povezuje se serijski u niz, a onda se takvi nizovi povezuju paralelno. To se radi u cilju ostvarenja optimalnih uvjeta za rad mrežnog izmjenjivača koji pretvara istosmjerni napon u uobičajeni izmjenični napon iznosa 230 V i frekvencije 50 Hz.

Osnovne podjele sunčanih elektrana 

Postoje dva glavna tipa sunčanih  elektrana:
– postrojenja spojena na mrežu
– otočna postrojenja koja nisu spojena na javnu mrežu.

Mrežna postrojenja

Postrojenja koja su spojena na mrežu moraju zadovoljiti uvjete koje postavlja distributer električne energije na mreži. Ova postrojenja imaju najčešće za cilj proizvodnju električne energije za prodaju (slika1.) ili proizvodnju električne energije prvenstveno za vlastite potrebe, a tek višak će biti za prodaju (slika 4.).

Slika 1. Proizvodnja električne energije za predaju/prodaju u mrežu

Domaća zakonska regulativa kopirajući europsku povijest sunčanih elektrana i ne uzimajući u obzir naše realne ekonomske mogućnosti, sve donedavno je preferirala samo elektrane za predaju/prodaju energije u mrežu. Kako je snaga instaliranih postrojenja rasla tako su poticaji sve brže padali a kvote za dobivanje poticaja bivale sve manje. Na kraju sustav se morao zaustaviti zbog neodrživosti. Shvaćeno je da nije pošteno da svi plaćamo nekolicini sretnika. Danas je taj model, barem što se tiče malih elektrana do 10 kW, napušten i prednost se daje sunčanim elektranama koje primarno proizvode za potrebu građevine kojoj pripadaju. Tek možebitni viškovi se danas dozvoljavaju, u okviru određenih granica, ali uz prilično nepopularne cijene, predavati, odnosno prodavati u mrežu. Samo potrošnja na samoj građevini je doprinos u rasterećenju prijenosa energije kroz mrežu mreže u trenucima proizvodnje energije iz sunca.

Na slici 2 uočite tipični tijek energije kroz dan u jednoj elektrani s mrežnim izmjenjivačem. Po noći, ujutro i uvečer energija potrebna trošilima se kupuje, a dok ima sunca proizvedenu je energiju moguće predati trošilima u potrebnoj mjeri određenoj uključenim trošilima, a višak se predaje u mrežu. Zbog karakterističnog oblika što uzrokuje putanja sunca kroz dan moguće je za vlastitu potrošnju iskoristiti tek mali dio, obično  do 30% proizvedene električne energije iz Sunca. Kako bi bilo lijepo da se ova žuta površina na slici 2. može iskoristiti, a ne vraćati u mrežu. Prvo što se može napraviti je ne postaviti recimo 10 kW elektranu koja će gotovo svu energiju predati (pokloniti ili nepovoljno prodati) natrag u mrežu. Ideja je stoga smanjiti snagu elektrane tako da se žuta i zelena površina skoro preklapaju. Današnja regulativa je takva da je optimalna snaga male kućne elektrane ona koja će upravo proizvesti energije iz Sunca onoliko koliko kuća kroz dan treba – dakle zelenu i crvenu površinu zajedno. Uz malo pažnje na kraju svakog dnevnog ciklusa količina predane i primljene energije iz mreže i predane energije u mrežu će biti jednake. To zapravo znači da je kuća energetski neutralna, a mreža postaje zapravo jedna velika baterija.

Slika 2. Tipični dijagram pokrivanja potrošnje energije jedne kuće iz mreže i vlastite proizvodnje

Slijedeća ideja je koristiti spremnik energije koji će jedan dio viška energije pospremiti u sebe i staviti ga kasnije na raspolaganje korisniku u trenucima kada više nema sunca i kada će energija biti skuplja. Danas imamo dvije tarife: skupu i jeftinu, ali u bliskoj budućnosti tarife će zavisiti o raspoloživoj energiji u mreži i ako nema sunca energija će biti skupa, kada ga ima bit će jeftina. Dakle svatko tko će moći spremiti energiju bilo u bateriju ili je pretvoriti u neki drugi oblik (recimo u toplinsku energiju i nju pospremiti u toplinski spremnik) će moći dodatno optimirati trošak za energiju. Zar nije logično da se automobili napajaju strujom po danu iz sunca, a ne uvečer i ujutro ili po noći kada sunca nema? Kaže se da sustavi priključeni na mrežu i  sa spremnikom energije mogu iskoristiti i do 80% proizvedene energije. I sada možda bi ovo sve do sada bilo jednostavno no proizvodnja zimi je tek pola ljetne proizvodnje i sunce ipak ne sija svaki dan jednako.

Slika 3. Tipični dijagram pokrivanja potrošnje jedne kuće uz elektranu sa spremnikom energije

U slijedećem nizu slika pokazat ćemo kako se jedan tipičan mrežni sustav prikazan na slici 4. može dopuniti spremnikom energije. Kućna trošila i mrežni izmjenjvač su priključena iza kućnog dvosmjernog brojila. Kućni priključci namijenjeni za priključak kućanstva s vlastitom proizvodnjom opremaju se sa dvosmjernim brojilom, a ne s posebnim brojilima i priključnim mjestima za primljenu i predanu energiju.

Slika 4. Tipičan mrežni sustav.

Na kućnu instalaciju “paralelno”, a iza dvosmjernog brojila se priključuje baterija s bidirekcijskim pretvaračem. Bidirekcijski pretvarač je uređaj učinske elektronike koji u oba smjera dozvoljava prolaz energije – dakle prema bateriji i iz baterije.  Na slici se uočava dodatno kontrolno brojilo koje osigurava upravljanje kućnom potrošnjom, a algoritmi upravljanja su smješteni u nadzorniku sustava. Električna energija proizvedena pomoću fotonaponskih modula preko mrežnog izmjenjivača predaje se trošilima a višak se šalje u bateriju. Ako je pak baterija puna, a proizvodi se više nego što trošila trebaju, energija se predaje u mrežu. Kada nema proizvodnje energije iz sunca tada trošila dobivaju energiju iz baterije sve dok je ima u bateriji. Kada se baterija isprazni do zadane mjere, trošila se napajaju iz mreže.

Slika 5. Tipičan mrežni sustav sa spremnikom energije.

Činjenica je da ako želimo energiju spremiti u bateriju ona u sustavu prema slici 5 prolazi kroz dva uređaja: mrežni izmjenjivač i bidirekcijski pretvarač. Oba ova uređaja imaju stupaj korisnog djelovanja manji od 1 pa se stoga dio snage/energije nepovratno gubi odnosno nepotrebno pretvara u toplinu.  Stoga je zamislivo dio fotonaponskih modula spojiti na DC / DC regulator punjenja kojim se izravno može napajati baterija. Time se dio energije koji će se koristiti odgođeno može efikasnije spremati u bateriju. Mrežni izmjenjivač se može izabrati manje snage tj upravo takav da pokriva snagu trošila jer ne mora imati rezervu snage za punjenje baterija. No i takav sustav će pri višku energije proizvedene u mrežnom izmjenjivaču, dakle uz manjak trošila, energiju slati prema bateriji, odnosno u mrežu  ako je baterija puna. Takav je sustav prikazan na slici 6.

Slika 6. Mrežni sustav sa spremnikom energije i izravnim punjenjem baterija preko DC/DC regulatora punjenja

Bidirekcijski pretvarač na svome izlazu proizvodi sam izmjeničnu mrežu kada nema javne mreže. To pak znači da je na njega pametno priključiti uređaje koje želimo imati besprekidno napojene. Dodatno, na njegovu izlaznu mrežu može se priključiti i još jedan mrežni izmjenjivač koji opet može proizvoditi energiju blisku besprekidno napajanim trošilima. U slučaju ispada javne mreže bidirekcijski pretvarač se sam odspaja od javne mreže preko u sebi ugrađenih sklopki, dok se trošila na izlazu i dalje besprekidno napajaju  stvorenom izmjeničnom mrežom na izlazu. Ne može i ne smije se dogoditi da se po ispadu javne mreže na ulazu bidirekcijskog pretvarača pojavi napon autonomno proizvedene mreže. Takav bi napon bio krajnje opasan  za servisne radnike na javnoj mreži. Sustav je prikazan na slici 7.

Slika 7. Mrežni sustav sa spremnikom energije i izravnim punjenjem baterija preko DC/DC regulatora uz besprekidno napajanu grupu trošila.

Na slici 7 je najsloženija moguća konfiguracija paralelnog priključenja bidirekcijskog pretvarača i spremnika energije. No spremnik energije je moguće priključiti preko bidirekcijskog pretvarača tako da se bidirekcijski pretvarač postavlja na ulazu kuće i sva trošila su spojena kroz njega u seriju kako to prikazuje slika 8. U ovom slučaju nije potrebno dodatno brojilo energije koje mjeri energiju na ulazu kuće jer tu ulogu preuzima sam bidirekcijski pretvarač. Mjerena energija na ulazu u bidirekcijski pretvarač je ujedno i sva energija koju kuća prima odnosno predaje.

Slika 8. Mrežni sustav sa spremnikom energije i izravnim punjenjem baterija preko DC/DC regulatora punjenja uz serijski priključak na kućnu instalaciju i mrežni izmjenjivač na izlazu bidirekcijskog pretvarača.

Sustav na slici 8 može se dodatno pojednostavniti ako se izbaci mrežni izmjenjivač iz strukture kako je prikazano na slici 9. To je posebno pogodno ako nema kroz dan potrebe za samopotrošnjom već se sva prikupljena energija želi odgođeno koristiti. I na kraju moguće je zamisliti i serijski priključen bidirekcijski pretvarač zapravo bez fotonaponskih modula. Ovakav sustav prikazan je na slici 10. i zapravo omogućuje besprekidno napajanje kuće, dakle bez obzira na mogući ispad javne mreže.

Slika 9. Mrežni sustav sa spremnikom energije i izravnim punjenjem baterija preko DC/DC regulatora punjenja uz serijski priključak na kućnu instalaciju.

Slika 10. Mrežni sustav sa spremnikom energije uz serijski priključak na kućnu instalaciju.

Svi do sada sustavi koji su opisani su zapravo mrežni sustavi – bilo sa spremnikom energije bilo bez – priključeni bilo serijski bilo paralelno u postojeću instalaciju kuće spojenu na javnu mrežu.

Otočna postrojenja

Otočni sustavi dobivaju se ako se u shemama na prethodnim slikama javna mreža zamijeni generatorom. No u rješenjima  s generatorom naravno nema povrata energije u generator – generator može samo predavati energiju u sustav. Otočna postrojenja grade se tamo gdje nema pristupa javnoj mreži. Ako sustav ima spoj i na mrežu i na generator tada sustav nije ni samo mrežni ni samo otočni. Kažemo za njega da je to hibridni sustav.

Zaključak

U članku se upoznaju osnovni tipovi sunčanih elektrana. To su mrežna postrojenja i otočna postrojenja.  Postrojenja mogu biti sa i bez spremnika energije. Ako postrojenje sunčane elektrane ima spremnik energije on se spaja u sustav preko bidirekcijskog pretvarača. Bidirekcijski pretvarač i spremnik energije se mogu priključiti ili paralelno ili serijski u kućnu instalaciju. Fotonaponski moduli se spajaju ili tako da izravno napajaju bateriju, dakle preko DC/DC regulatora punjenja ili preko mrežnog izmjenjivača gdje se mrežni izmjenjivač spaja na izmjeničnu mrežu. Ovim kratkim pregledom pripremili smo se za prikaz nekoliko konkretnih rješenja sunčanih elektrana u slijedećim nastavcima. No prije nego što se opišu konkretna rješenja u slijedećem nastavku će se proći osnovne građevne elemente sunčanih elektrana.

Schrack Technik d.o.o.