Fotowoltaika: jak działa. Ile energii można wykorzystać
Jak działa inteligentna fotowoltaika? Nadmiar energii elektrycznej z instalacji fotowoltaicznej można oddawać do publicznej sieci energetycznej, a następnie ją z niej odbierać. Przyczynia się to jednak do wydłużenia okresu zwrotu inwestycji. Dlatego warto skorzystać z nowoczesnych rozwiązań, które pozwalają lepiej gospodarować energią z własnej mikroelektrowni słonecznej.
Coraz więcej właścicieli domów jednorodzinnych, poszukując sposobów na obniżenie rachunków za energię, inwestuje w fotowoltaikę. Sytuacja ta ma związek z uruchamianymi od niedawna programami wsparcia i kredytami preferencyjnymi. Dzięki nim nawet średnio zamożni inwestorzy mogą skorzystać na fotowoltaicznej rewolucji, finansując własną elektrownię oszczędnościami z rachunków za prąd. Do zainwestowania w fotowoltaikę skłaniają prognozowane podwyżki cen energii i alarmy smogowe przekonujące do walki o jakość powietrza.
Fotowoltaika to rodzaj inwestycji z dość szybkim okresem zwrotu, który waha się od 5 do 7 lat w zależności od zainstalowanej mocy. Warunkiem tego jest zakup wydajnych i niezawodnych urządzeń, skorzystanie z istniejących systemów wspierania takich inwestycji i możliwości rozliczania się ze sprzedawcami energii na preferencyjnych warunkach (systemu opustów).
Fotowoltaika: jak działa
Moc instalacji fotowoltaicznej określa się jako iloczyn mocy nominalnej wszystkich zastosowanych modułów PV. Na jej podstawie można określić ilość wytwarzanej przez nią energii. Jest to mniej więcej 1000 kWh rocznie na każdy kilowat mocy, ale w optymalnych warunkach. W celu oszacowania ilości energii produkowanej przez fotowoltaikę w zależności od lokalizacji, kąta nachylenia, czy azymutu pola modułów PV można skorzystać z darmowych narzędzi, np. bazy PV-GIS (https://bit.ly/2W3OFUf ). Odpowiednio zaprojektowana fotowoltaika może w ciągu roku wyprodukować tyle energii, żeby w tym okresie w pełni pokryć jej zużycie w budynku. Często jednak pojawia się kwestia niedopasowania profilu produkcji energii do profilu jej zużycia.
W trakcie roku instalacja fotowoltaiczna produkuje energię głównie latem, późną wiosną i wczesną jesienią. W miesiącach zimowych (grudzień-styczeń) elektrownia wytwarza tylko 4-5% całej produkcji rocznej. Natomiast zużycie energii w domu zwykle jest w tym czasie największe. Dni są krótsze, częściej korzystamy z oświetlenia, energię elektryczną wykorzystujemy też do ogrzewania.
W ciągu dnia szczyt produkcji energii przypada na godziny okołopołudniowe. W tym czasie domownicy przebywają zazwyczaj poza domem, dlatego większość wyprodukowanej energii nie jest konsumowana i musi zostać przekazana do sieci elektroenergetycznej. Samowystarczalność domu, czyli ilość wytworzonej energii, którą wykorzystuje się bezpośrednio do zaspokojenia własnych potrzeb energetycznych wynosi wtedy 20-30%. Pozostałe 70-80% energii jest oddawane do sieci, a następnie ponownie odbierane, np. w godzinach nocnych.
Oddawanie do sieci nadwyżek niewykorzystanej energii wiąże się ze stratami finansowymi. W przypadku instalacji fotowoltaicznej z sieci możemy „odzyskać” tylko część oddanej energii wraz z kosztem jej dystrybucji (80% w przypadku instalacji o mocy do 10 kW lub 70% przy wyższej mocy - do 50 kW). Dlatego warto zadbać o zwiększenie stopnia samowystarczalności budynku. Można to zrobić przez zmianę nawyków użytkowników i manualne, zegarowe lub inteligentne włączanie urządzeń elektrycznych w godzinach największej produkcji energii ze słońca. W ten sposób możliwe jest uzyskanie stopnia samowystarczalności na poziomie nawet 50%.
Stosując nowoczesne rozwiązania dedykowane fotowoltaice, zamiast oddawać nadwyżkę wyprodukowanej energii do sieci, można zarządzać nią w inteligentny sposób. Pozwala to jeszcze bardziej powiększyć stopień samowystarczalności oraz zminimalizować straty związane z oddawaniem wyprodukowanej energii do publicznej sieci energetycznej. Gdy instalacja fotowoltaiczna generuje więcej energii niż jest obecnie zużywane, dostępny jej nadmiar może być kierowany np. do grzejnika, suszarki lub innego odbiornika akumulującego energię wskazanego przez użytkownika. Dzięki temu prąd generowany przez ogniwa PV może być wykorzystywany bezpośrednio nawet w 100 procentach.
Monitorowanie pracy falownika
Aby uzyskać maksymalną wydajność instalacji niezbędna jest kontrola pracy systemu. Monitorowanie energii wytwarzanej przez fotowoltaikę pozwala na obliczenie stopnia wykorzystania energii na potrzeby własne i zastosowanie rozwiązań, które pozwolą optymalnie zarządzać energią. Najprostszym sposobem monitorowania pracy falownika jest odczytywanie wartości na wyświetlaczu LCD. Wymaga to jednak fizycznej obecności właściciela instalacji, który musi systematycznie i często ją kontrolować. W przeciwnym wypadku może się nie zorientować, że instalacja produkuje mniej energii lub nie produkuje jej wcale.
Żeby móc nadzorować działanie instalacji fotowoltaicznej bez nadmiernego zaangażowania, warto skorzystać z dodatkowego układu, tzw. Fronius Datamanagera, który zapewnia monitoring, rejestrację i przechowywanie parametrów wejściowych i wyjściowych falownika (takich jak moc, napięcie i prąd) i umożliwia przeglądanie ich zdalnie – za pomocą strony internetowej lub aplikacji mobilnej. Użytkownik ma wgląd we wszystkie najważniejsze parametry instalacji, a przede wszystkim w aktualnie wytwarzaną przez falownik moc. Może analizować dzienne, miesięczne i roczne profile produkcji energii oraz generować raporty.
Monitoring jest ważny również z punktu widzenia bieżącej obsługi technicznej. Informacje o wszelkich niepokojących zdarzeniach i awariach są natychmiast przesyłane do serwisu, dzięki czemu jakiekolwiek nieprawidłowości w pracy instalacji fotowoltaicznej mogą zostać natychmiast zlokalizowane i – w razie takiej konieczności – usunięte. Jednak sam monitoring pracy falownika nie pozwala się dowiedzieć, co dalej dzieje się z wyprodukowaną energią. Tu należy zastosować urządzenie dodatkowe, jakim jest licznik inteligentny. Daje on właścicielowi dodatkową możliwość obserwowania bilansu energii w budynku (jej produkcji i zużycia), a także inteligentnego sterowania jej wykorzystaniem. We współpracy z kartą Fronius Datamanager pozwala porównywać profile produkcji energii elektrycznej w instalacji fotowoltaicznej i jej zużycia w budynku. Dzięki temu można łatwo obliczyć stopień wykorzystania energii na potrzeby własne, a także korzyści finansowe wynikające z zainstalowania fotowoltaiki.
Fotowoltaika: dodatkowy licznik energii
Inteligentny licznik energii służy do precyzyjnego pomiaru aktualnej wartości mocy chwilowej na połączeniu budynku z siecią energetyczną i przekazuje tę wartość za pośrednictwem urządzenia Datamanager do regulatora Fronius Ohmpilot, który zajmuje się sterowaniem mocą. Dzięki temu nadmiar wyprodukowanej energii nie jest odprowadzany do sieci energetycznej, ale np. zużywany do przygotowywania ciepłej wody. Ponieważ regulacja odbywa się płynnie, energia w danym czasie nie jest ani oddawana, ani pobierana (chwilowa moc wynosi wtedy równe 0 W). Mając dokładną wiedzę o aktualnym bilansie energii elektrycznej w domu, można zaprogramować załączenie urządzeń na bazie wartości mocy oddawanej do sieci oraz ich wyłączenie – w przypadku gdy energia z sieci jest pobierana. Komunikacja pomiędzy kartą Datamanager a regulatorem może odbywać się zarówno za pomocą połączenia przewodowego, jak i bezprzewodowej sieci lokalnej WiFi.
Fotowoltaika w domu: regulator sterujący podgrzewaniem wody
Aby wykorzystać nadwyżki produkowanej energii należy zastosować kolejny element instalacji fotowoltaicznej, jakim jest regulator zużycia energii. Dzięki możliwości płynnej regulacji umożliwia on wydajne wykorzystywanie nadmiaru energii fotowoltaicznej i przesłanie jej do wybranych odbiorników w gospodarstwie domowym. Pozwala to np. uruchamiać promienniki podczerwieni lub suszarki ręczników.
Jedną z możliwości wykorzystania nadwyżek produkowanej energii z fotowoltaiki jest podgrzewanie wody, np. w bojlerach i zbiornikach buforowych. W przypadku domu jednorodzinnego o średnim poziomie zużycia wody, do jej podgrzania w okresie od kwietnia do października wystarczy tylko energia słoneczna. Gdy instalacja fotowoltaiczna generuje więcej energii niż jest obecnie zużywane, regulator kieruje dostępny nadmiar do elementu grzejnego lub innego odbiornika wybranego przez użytkownika. Pozwala to uzyskać maksymalny poziom samowystarczalności, zmniejszenie emisji CO2 przez gospodarstwo domowe i mniejsze zużycie energii w głównym systemie dostarczania ciepła do budynku w miesiącach letnich. Przyczynia się też do wydłużenia jego trwałości – dotyczy to przede wszystkim kotłów na paliwa stałe (pelety, ekogroszek), które po zastosowaniu elektrycznego podgrzewacza wody z regulatorem mogą pozostawać wyłączone przez blisko połowę roku. Warto przy tym pamiętać, że tego typu urządzenia grzewcze działają nieekonomicznie, jeśli służą wyłącznie do podgrzewania wody użytkowej.
W nowoczesnych, zaizolowanych cieplnie zbiornikach ciepłej wody użytkowej nie jest istotny moment pozyskania energii do podgrzewania wody, ponieważ uzyskaną temperaturę utrzymują przez kilkadziesiąt godzin. Osiągnięcie zadanej temperatury nadzoruje regulator z czujnikiem temperatury. Cały system można wykorzystać także do regularnego podgrzewania wody do temperatury powyżej 70°C, czyli dezynfekcji termicznej, którą przeprowadza się w instalacji ciepłej wody, żeby zwalczać w niej bakterie Legionella.
Regulator dodatkowo chroni instalację elektryczną – dzięki niezakłóconemu i niezawodnemu uruchamianiu odbiorników. Jego instalacja i konfiguracja nie jest skomplikowana. Można ją przeprowadzić za pośrednictwem strony internetowej.
Fotowoltaika i sterowanie pompą ciepła
Innym przykładem wykorzystania nadwyżek energii jest zasilanie pompy ciepła. W przypadku energooszczędnych, dobrze izolowanych domów, załączenie pompy ciepła do ogrzewania lub chłodzenia pomieszczeń może być przesunięte w czasie. Urządzenia te idealnie zatem nadają się do sterowania, a co za tym idzie – inteligentnego magazynowania wytwarzanej energii w postaci ciepła (lub chłodu). W przypadku pompy ciepła jest bardzo ważne, aby jej kompresor nie włączał się i wyłączał zbyt często. Taki parametr możliwy jest do ustawienia w urządzeniu Datamanager za pośrednictwem interfejsu dostępnego z poziomu przeglądarki internetowej. Można również ustawić jako priorytet przygotowanie ciepłej wody użytkowej w określonych godzinach, tak żeby można było z niej korzystać np. po powrocie z pracy. Karta Fronius Datamanager będzie sterowała grzałką c.w.u. w zależności od dostępnego nadmiaru produkowanej energii, a jeśli będzie on w pochmurne dni niewystarczający – załączy podgrzewanie wody z odpowiednim wyprzedzeniem czasowym.
