DC/AC měnič a MPPT regulátor - hybridní FV elektrárna
Výběr hlavního komponentu nebyl snadný úkol. Postupem času studováním nabídky na trhu vyplynulo zařízení vše v jednom - hybridní měnič, který umožňuje připojení na síť a přepínání mezi ní a fotovoltaikou. Hlavní důvod byla pohodlnost, ale i technologie zpracování proudu z panelů. Měnič s MPPT regulátorem v jednom má výhodu, že neprovádí mikrocykly baterie a na hlavní sběrnici DC napětí je zapojen jak střídač AC tak i DC nabíječ amumulátoru, firmware pak řídí jednotlivé procesy na této sběrnici. Další nelehký úkol je vybrat výrobce. Od vysoce sofistikovaných měničů až po opravdu jednoduché řešení. Byla zvolena zlatá střední cesta, jak z pohledu cenového a tak i technologického. Výsledkem je měnič Vertex 3kW od velkého Thajvanského výrobce UPS Voltronic Power, který začal vyrábět komponenty pro fotovoltaiku, která není tak daleko od zařízení k zálohování napájení. K Vertexu byla objednána komunikační LAN karta SNMP Manager, ke sledování stavu měniče přes internet.
Připojení měniče si vyžádalo zásah do hlavního rozvaděče domácnosti. Jelikož je měnič jednofázový, bylo třeba všechny jističe sloučit na jednu fázi a jističe spotřebičů s velkým odběrem přepojit mezi zbylé dvě fáze, které zůstanou připojeny na distribuční síť. Sloučená fáze se zemí a ochranným vodičem je přivedena do skladu, kde je měnič umístěn se svým rozvaděčem 5x6mm kabelem dlouhým 12m. Kabelem se pak vrací proud z měniče zpět do hlavního rozvaděče ke sloučeným jističům jednotlivých spotřebičů. Měnič je jištěn jističi jak na vstupu (25A) tak i na výstupu (20A) a přepěťovou ochranou svodičem přepětí 500V pro připojení + a - z panelů. Přepínač režimů (3F 25A) slouží k přepínání provozu domácnosti na měnič a distribuční síť nebo bez měniče jen na distribuční síť, uprostřed je poloha servis, kdy je vše odpojeno.
Akumulátor je připojen 2x35mm2 kabelem s oky M8 a je jištěn nožovou pojistkou 160A, umístěnou v rozvaděči.
Měnič má několik režimů provozu:
1) bez sítě na akumulátor a panely, kdy zároveň dobíjí akumulátor a dodává do domácnosti střídavé napětí 230V - režim záloha sítě
2) se sítí s akumulátorem a panely, kdy dobíjí z panelů nebo ze sítě akumulátor (pokud je nastaveno) a dodává do domácnosti střídavé napětí 230V, pokud je akumulátor vybit přepne na síť - plný režim OFF Grid
3) jen na panely a akumulátor, bez sítě a bez dodávky 230V do domácnosti, tento režim je vhodný pro zimní provoz k udržování akumulátoru v kondici a měnič se sám uvede do provozu s východem slunce a začně nabíjet, v tomto režimu měnič nelze vypnout, pouze odpojením panelů pojistovými odpojovači - autonomní režim
V rozvaděči jsou umístěny tři 15A/450V diody pro paralelní spojení + ze třech stringů do společného +. Největší rozdíl napětí stringů je až 20V, je to mezi východním a západním, kdy je jen jeden z nich osvícen (po východu a při západu slunce). Diody jsou umístěny na žebrovaném chladiči, při odběru 2.5kW z panelů hřejí. Každý string má dvojitý pojistkový odpojovač + a - se dvěmi pojistkami 10A.
Na displeji měniče Vertex je veškerý režim provozu a co se právě děje jednoduše graficky zobrazeno. Jednotlivé číselné údaje lze přenastavit.
V rozvaděči jsou 4 LCD panelové měřidla, horní jsou k panelům kde je vidět kde se právě nachází MPPT napětí a jaký proud z panelů teče. Při napětí nad 190V se již výkon z panelů nezpracovává a zůstává nespotřebován, optimum MPPT je mezi 155-185V. Dolní LCD jsou ke sledování napětí a proudu akumulátoru.
Na fotkách je situace kdy je akumulátor nabit (a je už jen lehtán), domácnost odebírá jen 450W a zbylý výkon panelů je nevyužit.
Akumulátory
Po negativních zkušenostech mnoha lidí s dlouhodobějším používáním Pb akumulátorů ve fotovoltaice jsem zcela jednoznačně zvolil LiFeYPO4 akumulátory s kapacitou 100Ah jednotlivých článku, celkem 16 článků pro 48V systém. Jednotlivé články proto, že je možnost každý samostatně monitorovat. Ke každému článku je připojen balancér a jeden výstup Cell Log 8S, který loguje napětí jednotlivých článků, lze z něj data vyčítat přes USB výstup, alarmovým výstupem např. odpojit celý systém. Články jsou dodávány s napětím 3.3V a před prvním použitím je nutné je nabít na iniciační napětí 4.00V, toto napětí je nutné hlídat (!). Iniciační nabíjení šlo z části dělat z panelů pomocí výkonového DC měniče (svítilo) a laboratorního zdroje ze sítě, dvakrát 6 a jednou 4 články v sérii, při neustálém hlídání koncového napětí 4.00V. Od 3.7V jde už napětí velmi rychle nahoru. Zinicializované články jsem spojil všechny do série, tak jak budou, a připojil pro kontrolu 2x Cell Log 8S, zatížil Etavirou a při odběru 3A vybil na 3.00V na článek, poté komplet sestavil, připojil balancéry a nabil na koncové napětí 3.60V. U nabíjení je na grafech krásně vidět když je proud příliš velký, tak balancéry sice zaberou, ale pouze proud omezí do jejich kapacity, pokud je koncový dobíjecí proud v kapacitě balancérů, tak napětí udrží. Baterie je připravena k zapojení do systému!
Datasheet Vertex 3kW a LAN karta
Monitoring hybridní FVE
K Vertexu jsem objednal Lan kartu SNMP Lan Manager. Ke kartě je dodávána aplikace pro monitoring Vertexu přes internet, vyžaduje to však aby u Vertexu běželo plnokrevné PC nebo notebook jako server, což je vzhledem ke spotřebě trochu moc, program má své mouchy drobné výpadky v logování, je celý ve fleši (flv), jde nainstalovat jen na desktopovou verzi operačního systému. Zkoušel jsem ho zprovoznit jak na platformě Winows tak Linux. K prohlížení potřebujete mít na zařízení nainstalovaného klienta, takže na mobil nebo tablet výstup z aplikace nedostanete.
Po zhodnocení pro a proti jsem realizoval vlastní monitoring. Běží na dvoujádrovém mikroserveru na architektuře ARM (A20) s celkovou spotřebou běžně do 1W, zálohou napájení mikroserveru je jeden Li článek z vyřazené notebookové baterie, kterou umí deska mikroserveru dobíjet a napájet se z ní pří výpadku napájení (ochrana porušení dat). Operační systém je linuxová distribuce Debian 7 s plnokrevnou instalací webového serveru (Apache2, PHP5, MySQL, GD atd.). Data se ukládají na uSD kartu. Na monitoringu jsem chtěl vidět jak se v průběhu dne nabíjí akumulátor (hodnota akumulace), graf výkonu celé FVE a graf AC spotřeby domácnosti, a hlavně nezávisle na zařízení kterým na monitoring koukám (mobil, PC, tablet...), na fotkách stáleběžící domácí mini Android PC s nepoužívaným 17" monitorem (s redukcí HDMI/DVI). Lze využít cokoli co umí zobrazovat kód html a obrázky. Další funkcionality ještě přibudou, nějaká ta ekonomika a historie. Aplikace počítá ze dvou minutových vzorků průměr a jednou za minutu je uloží do databáze k dalšímu zpracování.
Hlavně nekupujte nic od Olimexu, odešel mi na jednom monitoringu ethernet a prý to byla chyba zapojení sítě, když ostatní komponenty jako SDS a switch jedou dále, a pvelectronic.eu se za mě nepostavil, takže jiný výrobce i dodavatel! Ještě, že je možné brát jinde. Jaké, že jsou problémy s reklamací na ebay? Nejsou! Jen ceny jsou jiné!
Jak ušetřit na spotřebě elektrické energie? Řešením je stavba vlastní fotovoltaické hybridní elektrárny.
Alternativní zdroj elektrické energie z obnovitelných zdrojů!
Není určeno pro výkup vyrobené elektrické energie, ale pouze pro vlastní spotřebu!
Solární panely
Solární panely jsou monokrystalické Jetion 185Wp s open napětím 45V, vždy po pěti ve stringu východním, jižním a západním. Orientace střechy je nejvýhodnější pro maximální využití slunečního svitu od východu až po západ pro jeho přímou spotřebu a ukládání vyrobené energie do baterií. Největší fyzická námaha při realizaci FVE je montáž panelů na šikmou střechu. Nejnepříjemější je vybrušování tašek pro průchod střešních háků, jde o velmi prašnou práci.
Každý panel jsem ještě před montáží na střešní konstrukce zkontroloval, jestli soudružky v číně osadily správně Junction box panelů shotkyho diodami, změřil nominální napětí a zkratový proud. Manipulace s 15kg těžkými panely na šikmé střeše za poryvu větru je velmi zábavná! Propojení panelů MC4 konektory v sérii 5 panelů, spojené MC4 konektory plus a mínus jsem zapáskoval na konstrukce. Každý string je sveden k regulátoru zvlášť, 6x 6mm2 solárními kabely.
Datasheet k panelům Jetion
Zkušenosti
Elektrárna je pár dní v provozu a mám k dispozici již něco říkající výsledky výroby elektřiny. Z hodinového grafu výroby vyplývá, že do jedenácté hodiny dopoledne je akumulátor nabíjen naximálním výkonem, poté je nabíjen sníženým proudem, pak už je dodáváno jen do domácnosti a zbylý výkon je ponechán na střeše. V horkém létě bude v provozu klimatizace, která se s přebytkem výkonu hravě vyrovná. Z denního grafu vyplývá pouze to, když je hodně zataženo, tak výroba úměrně tomu poklesne. Údaj o celkové výši výroby energie je nutné chápat jako energii spotřebovanou a zároveň uloženou do akumulátoru, není to energie, kterou je elektrárna schopa vyrobit, ve slunečném dni je celkově možná energie nevyužita.
Původně nebylo počítáno s připojením pračky na fázi živené ze slunce, ale nedalo nám to a pračku jsme připojili a vyzkoušeli, že to jde bez problému. Motor pračky při rozjezdu negeneruje tak vysoký proud aby Vertex shodil a topná spirála topí na 60°C asi 30 minut. Větší část energie na praní se čerpala z panelů 2kW a 500W z akumulátoru. Na snímcích LCD je zachycen stav při praní a sepnuté topné spiraly pračky.
Úpravou řídícího firmware posunul výrobce Vertex do vyššího levelu, viz snímky nastavení. Umožňuje nastavení priorit nabíjení jen z FVE, ditribuční sítě a jejich kombinací. Nastavení nabíjení akumulátoru doznalo podstatné změny chování k lithiovým článkům. Po plném nabití a to buď do výše float nebo absorbce, podle toho jak byl akumulátor hluboce vybit, se od akumulátoru odpojí a už ho nenabíjí žádným proudem. Možné je z akumulátoru vyčerpat určitou kapacitu než ho Vertex začne znovu nabíjet, aby byl např. na večer a noc připraven. Při úplném vybití se přepne na distribuční síť a podle nastavení buď začne nabíjet, nebo počká na dodávku proudu z panelů a po nabití na určitou část kapacity aku, přepne domácnost zpět na FVE. Na snímku LCD Vertexu je nabíjení odpojeno, napětí naprázdno aku už kleslo (86%) a je dodáváno jen do domácnosti. Z grafu absorbce UI je vidět snižování proudu a po době absorbce odpojení nabíjení.
Podařilo se nám překonat magickou hranici výroby 10kWh (11.3kWh) za den a to jen, že jsme využili přebytků ke dvěma pračkám a jedné myčce, akumulátor byl z předchozího dne také značně unaven! Takže i malá FVE umí... :-)
Po zkušenostech, že je možné na elektrárnu připojit myčku a pračku, jsem přidal do domovního rozvaděče dva 16A dvojité přepínače fází z distribuční sítě a elektrárny na připojení pračky a myčky. Přepínač přepíná jak fázi tak nulák. Teď není nutné tahat prodlužovačku, ale lze rovnou přepnout myčku a pračku na elektrárnu při slunečném dni. Je však nutné dodržet postup aby pračka a myčka nepracovaly současně, to by Vertex nezvládl a přepnul by na distribuční síť. V letním období lze touto úpravou za den zvládnout až tři plné cykly praní nebo mytí nádobí. Toto využití přebytků výkonu posunulo vyrobený výkon nad 10kWh denně!
Denní výroba v kWh
Průběžně aktualizovaná denní výroba z výstupu monitoringu, graf každých 5minut. Pokud zde graf není je problém někde na cestě. Online monitoring elektrárny zajišťuje Solar aplikace, která se zobrazuje na kterémkoli PC i mobilním zařízení přes prohlížeč.
Celkový výkon FV elektrárny
|
2.8 kWp
|
Počet FV panelů
|
15 ks
(5 východní, 5 jižní, 5 západní string)
|
Hodnota akumulace
|
5 kWh
(16 článků LiFeYPO4 100Ah)
|
Výkon AC měniče
|
3 kW
(přetížitelnost 15%)
|
Maximálně dosažená denní výroba
|
14.2 kWh
(20.6.2013 - test kolik to dá - 5 praček a 1 myčka a ještě by šlo dál, odhaduji na 18-20 kWh)
|
Maximálně dosažený okamžitý výkon z FV panelů
|
2.45 kW
(musí svítit a foukat)
|
Roční úspora neodebrané elektrické energie z distribuce
|
62.9 %
(bude upřesněno)
|
Datasheet Olinuxino a BMP085
Technické údaje hybridní FV elektrárny
Vyplatí se? Ušetří? Vydělá?
Jak jsem slíbil, tak plním... Jelikož spotřebu energií naší domácnosti dlouhodobě sleduji, tak vím přesně jak se změnila spotřeba elektrické energie se zprovozněním hybridní FVE. K měření byl použit jediný měřící přístroj a to elektroměr před domem. V tabulce jsou údaje k 5/2014, a budou ještě upřesněny, protože loni do června ještě nefungovalo využití přebytků. Pro příznivce návratnosti je tu spočítána, a i výnos %pa pro přirovnání k bankovnímu vkladu. Na grafu jsou jednotlivé měsíce v roce bez elektrárny a s ní, průměry bez elektrárny jsou za 13 let.
průměrná roční spotřeba za 13 let
|
3 736.038
|
kWh
|
roční spotřeba s FVE
|
1 386.800
|
kWh
|
roční úspora v kWh
|
2 349.238
|
kWh
|
roční úspora v %
|
62.880
|
%
|
roční úspora v Kč
|
12 333.50
|
Kč
|
návratnost
|
10.5
|
let
|
roční výnosovost
|
9.49
|
%pa
|