Posebne namjene sunčane elektrane

Uvod

Primarna namjena sunčane elektrane je proizvodnja električne energije. U nastavku primarne namjene mogu se uočiti i posebne namjene prikupljanja sunčeve energije u sunčanoj elektrani kroz daljnju pretvorbu proizvedene električne energije u toplinsku energiju potrebnu za pripremu tople vode ili za grijanje prostora. Odvijanje pretvorbe električne energije u toplinsku poželjno je što bliže mjestu proizvodnje električne energije. Dva su temeljna načina primjene sunčeve energije za pripremu tople vode: s pomoću solarnih kolektora i fotonaponskih modula. Sunčeva energija u solarnim toplinskim kolektorima  zagrijava toplinski medij, najčešće mješavinu vode i protusmrzavajućeg sredstva. Medij struji sustavom pod djelovanjem pumpe i putem izmjenjivača topline predaje toplinsku energiju vodi u spremniku potrošne tople vode, ili vodi  u akumulacijskom spremniku topline ako se energija prenosi u sustav grijanja prostora, slika 1.

Opće poznate su prednosti primjene fotonaponskih modula u odnosu na primjenu solarnih kolektora u prikupljanju sunčeve energije:

• u instalaciji s fotonaponskim modulima rabe se vodiči za prijenos energije, a ne cijevi što pridonosi cijeni i jednostavnosti postavljanja instalacije
• grijač može predati u spremnik svaki vat proizvedene snage u fotonaponskim modulima, solarni kolektor može predavati energiju u spremnik samo dok je medij topliji od spremnika, fotonaponski moduli proizvode električnu energiju i po oblačnom vremenu, solarni kolektor traži dobru osunčanost
• fotonaponski moduli su što je hladnije to učinkovitiji, solarni kolektor se „hladi“ po hladnom vremenu pa mu se tako smanjuje učinkovitost
• u instalaciji fotonaponskih modula nema „vodenih” komponenata, primjerice pumpe, ventila, glikola, toplinske izolacije opreme, izmjenjivača u spremniku, ožičenja za osjetnike temperature. Instalacija fotonaponskih modula u usporedbi sa solarnim kolektorima gotovo nema održavanja.
• trajanje fotonaponskih modula je 25 do 30 godina, solarni kolektori i pripadni toplinski sustavi općenito traju oko 20 godina i tehnološki su osjetljivi zbog degradacije brtvi, izolacije, curenja, korozije, svakodnevnog toplinskog stresa, a posebno na pregrijavanje medija
• ako zgrada ima fotonaponsku elektranu primjena viška energije za pripremu tople vode je isplativija nego povrat električne energije u mrežu, za energiju prikupljenu u solarnim kolektorima ne postoji „javna mreža“
• pri startu sustava instalacija s cijevima i solarnim kolektorima se prvo mora ugrijati da bi mogla predavati energiju u spremnik, pri startu fotonaponskog sustava proizvedena električna energija se odmah šalje grijaču, fotonaponski sustav je neosjetljiv na stajanje, solarni toplinski sustav može nakon duljeg stajanja zahtijevati povećanu pažnju pri ponovnom startu
• sustav sa solarnim kolektorima treba električnu energiju za cirkuliranje medija, sustav s fotonaponskim panelima energiju za pokrivanje vlastitih gubitaka sam proizvodi
• kroz godine povećala se učinkovitost fotonaponskih modula. 2014. godine površina fotonaponskih modula za istu proizvodnju energije je morala biti 2,2 puta veća od površine solarnih toplinskih modula, no 2025. godine je za istu proizvodnju potrebno svega 1,4 puta veća površina fotonaponskih modula od površine solarnih toplinskim modula.

Prema podacima udruženja Solar Heat Europe jedna osoba u kućanstvu rabi godišnje 1.000 kWh za pripremu tople vode (prosječno 50 l / dan). Za četveročlanu obitelj u modernoj, toplinski obnovljenoj zgradi gotovo ista godišnja količina energije rabi se za pripremu tople vode, grijanje, električne aparate i potrebe osobnog prijevoza, slika 2.  Na pripremi potrošne tople vode i grijanju prostora mogu se ostvariti uštede ako se potrebna energija ne kupuje već se proizvodi lokalno. Zato je logična prenamjena svakog viška električne energije proizvedene u vlastitoj fotonaponskoj elektrani upravo u ta dva segmenta ljudskih potreba, a umjesto predaje viška proizvedene energije u javnu mrežu.

Višak proizvedene energije osim u bateriju može se nakon pretvorbe u toplinsku energiju pospremiti i u toplinski spremnik. To može biti primjerice spremnik s vodom ili betonska ploča, slika 3.  Za  povišenje temperature  za 1 °C  jedne litre vode potrebno je 1,16 Wh.  Vodom napunjen spremnik kapaciteta 300 l pri povećanju temperature vode od 12 °C do 55 °C može primiti 15 kWh energije. Spremnik tople vode je višestruko jeftiniji od baterije! Sličan je potencijal i primjene betonske podne ploče za spremnik energije.

Višak lokalno proizvedene energije može se pospremiti u baterijski spremnik ili pretvoriti u toplinsku energiju i spremiti u toplinski spremnik, a može se i pospremiti i u bateriju i toplinski spremnik. Svakim dodavanjem ili kombinacijom više spremnika povećava se udjel lokalne primjene proizvedene energije, tj smanjuje se povrat, tj. predaja viškova energije u mrežu, slika 4. Smanjenjem predaje energije u mrežu fotonaponska elektrana postaje ekonomski učinkovitija.

Za pretvorbu električne energije u toplinsku i njezino spremanje u spremnik potrebni su odgovarajući uređaji. Ako zgrada nema priključak javne mrežu, a želi se energija iz fotonaponskih modula izravno predati grijaču spremnika tople vode dostatan je DC/DC pretvarač. Ako zgrada ima priključak javne mreže i ima već izgrađenu fotonaponsku elektranu priključenu na javnu mrežu želi se povećati udjel lokalne primjene proizvedene energije. U tom slučaju potreban je regulator snage za preusmjeravanje viška snage (energije!) koji bi se vraćao prema javnoj mreži na grijač tople vode toplinskog spremnika. Regulator snage mjeri raspoloživi višak pomoćnim brojilom i potom upravo tu količinu snage preusmjerava u grijač toplinskog spremnika. Regulator snage regulira stanje priključka električne instalacije bez povrata snage (energije) u mrežu sve dok postoji mjesto gdje se taj višak može pospremiti. Tako će se višak energije predavati u mrežu samo ako je spremnik energije napunjen. U nastavku će se opisati nekoliko komercijalnih uređaja za takvu namjenu. Ovo je potpuno nova generacija uređaja jer se i potreba za njima pojavila tek u posljednjim godinama kada se sve više ograničava predaja viškova energije u mrežu onda kada je sve sunčane elektrane proizvode u izobilju. Neka ne smeta stoga nešto detaljniji opis djelovanja uređaja!

DC/DC pretvarač za pripremu tople vode

DC/DC pretvarač (komercijalnog naziva  SOL•THOR, proizvođača My PV GmbH može proslijediti cjelokupno proizvedenu električnu energiju u fotonaponskim modulima prema električnom grijaču spremnika tople vode. Pretvarač predaje energiju linearno proporcionalno trenutačno raspoloživoj snazi iz fotonaponskih modula. Zahvaljujući izravnom napajanju uređaja iz fotonaponskih modula on ne zahtijeva spajanje s javnom elektroenergetskom mrežom i energija se ne predaje u javnu mrežu. To ga čini posebno privlačnim jer nije potrebno ishođenje dozvola za priključak na mrežu! Svaki vat snage iz fotonaponskih modula čini pripremu tople vode povoljnijom od klasične pripreme tople vode grijačem napajanim iz javne mreže.  Primjer takvog pretvarača prikazuje slika 5.

Značajke pretvarača SOL•THOR su:

• izlazna snaga prema grijaču 0 – 3,6 kW, linearno proporcionalna trenutačnoj snazi fotonaponskih modula
• priključak dva paralelno spojena niza fotonaponskih modula s ulaznom strujom 13 A po nizu
• raspon ulaznog napona 30 – 230 V DC
• pretvarač ne predaje energiju u mrežu, nema mrežnog izmjenjivača, nema ishođenje dozvola distributera za rad na mreži
• opcija dogrijavanja vode energijom iz javne mreže
• slojevito grijanje vode u spremniku s dva grijača
• primjena postojećih spremnika tople vode s postojećim grijačima
• stupanj zaštite IP54
• žičana i bežična komunikacija za daljinski nadzor uz praćenje djelovanja pretvarača u programskoj aplikaciji na pametnom telefonu.

Za osiguranje pripreme tople vode u neko točno željeno vrijeme može se spojiti i javna mreža za potrebno dogrijavanje, slika 6. Za slojevito grijanje ili povećanje snage postoji i mogućnost upravljanja s dva grijača u istom spremniku.

Uređaj učinkovito prenosi električnu energiju iz fotonaponskih modula na priključeni grijač gdje se pak pretvara u toplinu. Za brzu procjenu koliko snage fotonaponskih modula je potrebno za pokriće 50 % godišnje potrebe za energijom za pripremu tople vode po osobi, uz potrošnju 50 l/dan po osobi, može poslužiti slika 7.

Osnovni električni spoj pretvarača sastoji se u priključenju fotonaponskih modula i grijača, slika 8. Kabeli iz fotonaponskih modula spajaju se izravno na SOL•THOR putem MC4 konektora, a novi ili već instalirani grijaći element u spremniku topline povezuje se na SOL•THOR . Kao opcija može se spojiti temperaturni osjetnik, ako ga grijač već nema u sebi. Može se spojiti i  javna izmjenična mreža koja osigurava grijanje vode u slučaju da fotonaponski moduli ne mogu proizvesti svu potrebnu energiju, primjerice za oblačna vremena. SOL•THOR se može postaviti za preuzimanje energije iz javne mreže kada je ona najpovoljnija za kupnju uz praćenje dinamičkih cijena/tarifa. Uređaj je dohvatljiv preko programske aplikacije za praćenje rada my PV Cloud  žičanim ili bežičnim spojem s mrežnim usmjernikom. Uređaj se može uključiti i RS485 komunikacijom u nadređeni sustav upravljanja.

Jednofazni regulator snage za pripremu tople vode s integriranim grijačem

Jednofazni regulator snage za pripremu tople vode komercijalnog naziva AC ELWA 2, proizvođača MY PV GmbH, je uređaj za zagrijavanje vode s linearnom regulacijom snage od 0 do 3,5 kW predviđen za rad u instalaciji s mrežnom sunčanom elektranom, slika 9.

Kako bi povećao lokalnu primjenu proizvedene energije iz fotonaponske elektrane, regulator snage AC ELWA 2 koristi višak proizvedene električne energije za zagrijavanje vode. Svaki trenutačni višak iz fotonaponske elektrane usmjerava se u grijač, slika 10. Snaga grijača regulira se linearno tako da se nastoji održavati ustaljeno stanje bez predaje energije u mrežu. Tako primjena lokalno proizvedene energije doseže maksimum, što povećava razinu energetske neovisnosti korisnika i istovremeno štiti od nepredvidivo i stalno rastućih troškova kupnje električne energije. U uobičajenoj fotonaponskoj elektrani spojenoj na priključak kuće lokalno se primjeni samo oko 30 % proizvedene energije, a ostatak energije isporučuje se u javnu mrežu. Uz primjenu regulatora snage AC ELWA 2 za pripremu tople vode u prosječnom kućanstvu s fotonaponskom instalacijom od 7 kWp, udio lokalne potrošnje lokalno proizvedene energije može se povećati i do 70 %.

Brojilo MY PV WiFi mjeri višak snage na energetskom priključku zgrade ili stana uslijed koje bi se energija iz fotonaponske elektrane predavala u mrežu, slika 11. Brojilo MY PV WiFi ugrađuje se u razdjelnik neposredno iza brojila električne energije te putem tri strujna transformatora s obuhvatnim jezgrama mjeri tok energije. Tako se za proizvodnju tople vode koristi samo energija koja je trenutačno dostupna, a predaja energije u mrežu se izbjegava sve dok se voda smije zagrijavati. Povećava se vlastita primjena energije iz fotonaponske elektrane, a javna elektroenergetska mreža se dodatno rasterećuje. Brojilo može komunicirati informaciju o višku energije prema regulatorima snage bežičnom komunikacijom (WiFI/WLAN) ili žičnom (Modbus RTU, RS 485). Brojilo se može primijeniti i s regulatorom AC ELWA 2 ili s regulatorima čiji opisi tek slijede: AC•THOR i AC•THOR 9s. Brojilo se može prilagoditi i većim strujama promjenom strujnih transformatora (od 75 A do 600 A).

Mogući trenutačni manjak sunčeve energije može se nadoknaditi iz javne mreže uz optimiranje troška za preuzetu energiju praćenjem i prilagodbom dinamičkim cijenama/tarifama električne energije. Slično kao i pretvarač SOL•THOR i regulator snage AC ELWA 2 može se postaviti za preuzimanje energije iz javne mreže samo kada je ona najpovoljnija za kupnju.

Značajke regulatora snage AC ELWA 2 su:

• kontinuirana regulacija snage od 0 – 3,5 kW
• jednostavna montaža samo dva dijela: grijač i upravljačka jedinica
• jednostavno upravljanje preko zaslona
• komunikacija: Ethernet RJ45, WLAN, RS485
• PWM ulaz, bez naponski kontakt
• predviđen za rad u instalaciji s mrežnim izmjenjivačem, s baterijskim sustavom ili s „pametnom kućom“
• priključak dodatnog grijača snage do 3 kW
• primjena za spremnike pripreme potrošne tople vode i općenito akumulacijske spremnike
• optimalna uporaba viška energije zahvaljujući kontinuiranoj regulaciji
• regulacija snage ne rabi zastarjeli tiristorski regulator napona, ne zagađuje se mreža
• opcija garantirane pripreme tople vode u zadano vrijeme energijom iz javne mreže
• primjenjiv i u zgradama s više stanova
• optimalno korištenje dinamičkih cijena/tarifa električne energije.

Zahvaljujući otvorenosti sučelja sustava upravljanja, regulator može komunicirati sa sustavima za upravljanje energijom u pametnoj kući i sa sustavima s baterijskim spremnicima, slika 12. – lijevo. Takvi sustavi uobičajeno mogu sami dojaviti postojanje viška energije koja će se usmjeriti u pripremu tople vode i stoga nije potrebna primjena dodatnog brojila MYPV WiFi. Decentralizirano ugrađeni grijači omogućuju učinkovitu primjenu viška lokalno proizvedene energije u višestambenoj zgradi sa zajedničkom fotonaponskom elektranom, slika 12. – desno. U višestambenim zgradama decentraliziranim grijanjem potrošne tople vode izbjegavaju se gubici topline u cijevnom razvodu tople vode (tzv. trocijevni sustavi). Svaki stan može imati zaseban regulator snage AC ELWA 2, a svi uređaji mogu biti vođeni zajedničkim sustavom za upravljanje energijom na razini zgrade.  Olakšano je i održavanje higijene sustava jer ne postoji cijevni razvod vode kroz zgradu.

U sustavu s dva spremnika energije, baterijskim spremnikom i toplinskim spremnikom,  raspoloživi višak energije iz fotonaponske elektrane može se raspodijeljeno spremiti, a pri tome niti jedan spremnik ne mora biti pretjerano velik. Takvi sustavi odlikuju se velikom razinom primjene lokalno proizvedene energije, kako je već zorno upozoreno na slici 4. Prioritetno se višak električne energije iz fotonaponskih modula usmjerava primjerice u baterijski spremnik. Kada se baterija napuni, višak električne energije sprema se u toplu vodu pretvaranjem električne u toplinsku energiju, slika 13.

Linearna kontinuirana regulacija snage u regulatoru AC ELWA 2 ostvaruje se, slično kao u mrežnom izmjenjivaču, s pomoću visokofrekventno-impulsno upravljanih poluvodičkih ventila izlaznog učinskog stupnja. Time se minimizira stvaranje mrežnih harmonika i osigurava usklađenost sa strogim zahtjevima održavanja kvalitete javne mreže. Dosadašnja uobičajena rješenja regulacije snage temeljila su se na naponskim regulatorima s faznim upravljanjem poluvodičkih ventila, tiristora. Napon se smanjivao tako da se izlazni napon uključivo s faznim kašnjenjem unutar svake poluperiode ulaznog napona. Zastarjela rješenja s faznim upravljanjem danas ne zadovoljavaju visoke zahtjeve minimalnog utjecaja trošila na mrežu, slika 14.

Po montaži grijača u spremnik, na tijelo grijača koje viri iz spremnika priključuje se upravljački dio regulatora. Grijača je tako napravljen da početak tijela grijača, gledano od upravljačkog dijela prema unutrašnjosti spremnika, nije grijan. Sva potrebna ožičenja odrađuju se na upravljačkom dijelu regulatora. Tu je konektor priključka AC mreže preko kojeg će u regulator ući „višak“ energije iz fotonaponske elektrane, ili ako nema viška, onda energija iz javne mreže koja se predaje grijaču, slika 15. Ako primjena zahtijeva, tu se spaja i opcijski osjetnik temperature vode u spremniku. Regulator može bez naponskim kontaktom uputiti i zahtjev za uključenjem nekog drugog izvora topline.

Regulator može upravljati i dodatnim grijačem snage do 3 kW. Dok je raspoloživa snaga do 3,5 kW upravlja se snagom grijača na tijelu regulatora. Ako raspoloživa snaga poraste, relejni kontakt regulatora uključuje trajno dodatni grijač snage do 3 kW, a grijač na tijelu regulatora smanjuje svoju snagu do trenutačno raspoložive snage umanjene za snagu dodatnog grijača, slika 16. Tako je moguće ostvariti linearno upravljanje snagom do 6,5 kW.  Ako to nije dovoljno, moguće je povezati i nekoliko regulatora u paralelnom, sinkroniziranom radu na istom spremniku!

Regulator snage AC ELWA 2 komunikacijski se spaja s brojilom MY PV WiFi jednim od prikazanih načina prema slici 17. To može biti žičani spoj preko RS485 sučelja (Modbus RTU) ili Ethernet kabelom s usmjernikom, a usmjernik onda bežično s brojilom MY PV WiFi. Može se izvesti bežičan spoj između brojila i regulatora snage, gdje se u slučaju potrebe mogu postaviti i dodatna pojačala WiFi signala.

Jednofazni regulator snage za pripremu tople vode i/ili grijanje bez integriranog grijača

Jednofazni regulator snage za pripremu tople vode i/ili grijanje prostora komercijalnog naziva AC•THOR, proizvođača MY PV GmbH, je regulator snage koji ustaljeno može posluživati jedan ili dva električna grijača, ovisno o dostupnoj sunčevoj energiji i potrebi grijanja, slika 18. Regulator nema integrirani grijač pa se može primijeniti i s grijačima u sustavima za pripremu tople vode i s grijačima u sustavima grijanja prostora. Može biti primijenjen i u sustavima  koji objedinjuju i grijanje tople vode i grijanje prostora!

Značajke regulatora snage AC•THOR su:

• jednostavna instalacija uređaja na zidni nosač, svi spojevi su realizirani utično, nije potrebno otvaranje uređaja za instalaciju, masa uređaja je 1,5 kg, a izmjere su 135 x 210 x 65 mm
• uređaj se podešava na zaslonu u boji osjetljivom na dodir,­ puštanje u rad u većini primjena moguće je bez računala i dodatnih alata
• regulator usmjerava raspoloživi višak snage fotonaponske elektrane prema grijačima i tako optimalno primjenjuje lokalno proizvedenu energiju minimizirajući povrat energije u mrežu
• izlaz je neizobličeni izmjenični napon sinusoidalnog oblika, promjenjive amplitude
• regulator komunicira preko Ethernet RJ45 i RS485 sučelja
• predviđen je za rad u instalaciji s mrežnim izmjenjivačem, s baterijskim sustavom ili s „pametnom kućom“
• izlazna snaga u rasponu od 0 do 3 kW, uz mogućnost dodatnog sklopnog izlaza 16 A
• svi priključci su rastavljivi (s konektorima).

Regulator snage AC•THOR može komunicirati s mrežnim izmjenjivačem fotonaponske elektrane, baterijskim sustavima i općenito sustavima „pametne kuće“ ili pak samo s kontrolnim brojilom primajući informacije o količini raspoloživog viška električne energije koji je na raspolaganju za preusmjeravanje u pripremu tople vode i/ili grijanje umjesto povratka u mrežu, slika 19. AC•THOR kao i već opisani pretvarač SOL•THOR i regulator snage AC ELWA 2 može se postaviti za preuzimanje energije iz javne mreže kada je ona najpovoljnija za kupnju uz dinamičko praćenje cijena/tarifa.

Uobičajeno rješenje za pripremu tople vode je s jednim grijačem po spremniku, slika 20. No moguće je postaviti i dva grijača u spremnik što omogućuje slojevito grijanje tople vode spremnika, slika 21. Prvo se zagrijava gornje slojeve grijačem 1, a što omogućuje brzu dostupnost manje količine tople vode. Tek kada se gornji sloj zagrije, regulator relejnim kontaktom preusmjerava energiju na grijač 2. Oba grijača u ovom spoju ne mogu grijati istovremeno, već uvijek grije samo jedan od njih!

Umjesto primjene oba grijača za pripremu tople vode, drugi grijač može biti grijač električnog grijanja prostora, slika 22. I u ovom spoju grijači djeluju izmjenično. Najprije se dovodi energija grijaču za pripreme tople vode (slika 23. oznaka 1), a potom grijaču za grijanje prostora (slika 23., oznaka 2). Tako je spojem određen i prioritet primjene viška energije. Tek ako i uz zagrijan spremnik i zagrijan prostor regulator ima na raspolaganju još viška energije ona se predaje u mrežu (slika 23. oznaka 3). Dobra strana je da sustav čim ponestane viška energije iz fotonaponske elektrane ustaljeno ima na raspolaganju mrežu (slika 23. oznaka 4). U ovom slučaju moguće je postaviti dva osjetnika temperature za dva spremnika (spremnik tople vode i grijani prostor kao spremnik). Osjetnici se spajaju paralelno jer su izvedeni u sabirničkoj tehnologiji. Pridruženje osjetnika uz pojedini spremnik događa se pri postavljanju parametara regulatora.

Ako je na raspolaganju višak snage fotonaponske elektrane veći od 3 kW moguće ga je usmjeriti i raspodijeliti regulatorom snage AC•THOR na dva grijača, slika 24. Raspoloživa snagu do 3 kW prenosi se na grijač 1, slika 24. Ako raspoloživa snaga prijeđe preko 3 kW, relej regulatora će uključiti izravno grijač 2 na puni napon. Istovremeno će izlaz regulatora smanjiti snagu do trenutačno raspoložive snage umanjene za 3 kW. Tako se može ostvariti linearno predavanje snage do ukupno 6 kW. Grijači mogu u ovom spoju po potrebi raditi paralelno, pri čemu jedan grijač radi punom snagom s 3 kW, a drugi s preostalom raspoloživom snagom, pa sve do 6 kW ukupne snage. Ako raspoloživa snaga padne ispod 3 kW, grijač 2 se isključuje i ostaje u djelovanju samo grijač 1 koji u rasponu 0 do 3 kW zagrijava vodu. Slikom 24. prikazana je logika zagrijavanje vode, no ista se može primijeniti i za zagrijavanje prostora s dva grijača do ukupne snage 6 kW. Primijetite da u prikazanom spoju regulator koristi dvije faze radi raspoređivanja snage istovremenog rada grijača, no nema zapreke i da se koristi samo jedna faza. Regulator mjeri i računa snagu koju predaje na reguliranom izlazu, ali ne zna koja snaga stvarno ide iz mreže preko relejnog kontakta prema grijaču 2, a koji je izravno sklapan s mrežom. Preporučuje se spoj brojila koje mjeri stvarnu snagu predanu preko relejnog kontakta uređaja, a da bi prikaz podataka na zaslonu regulatora bio što točniji, slika 24.

Za reguliranje izlazne snage regulator AC•THOR dobiva informaciju o trenutačnom višku snage fotonaponske elektrane preko brojila MY PV WiFi. Zato se brojilo spaja odmah iza glavnog brojila na priključnom mjestu, kako je to već prikazano na slici 11. Regulator snage AC•THOR može prihvatiti Modbus RTU komunikaciju izravno s brojila. Alternativno može prihvatiti žičanu lokalnu računalsku vezu s usmjernikom, pri čemu brojilo bežičnim putem dostavlja informacije usmjerniku, slika 25.

Mogući trenutačni manjak sunčeve energije može se nadoknaditi po želji i potrebi iz javne mreže uz optimiranje troška za preuzetu energiju praćenjem i prilagodbom dinamičkim cijenama/tarifama električne energije. Slično kao pretvarač SOL•THOR i regulator snage AC ELWA 2, tako se i regulator AC•THOR može postaviti za preuzimanje energije iz javne mreže kada je ona najpovoljnija za kupnju.

Trofazni regulator snage za pripremu tople vode i/ili grijanje bez integriranog grijača

AC•THOR 9s je trofazni regulator snage za pripremu tople vode i/ili grijanje prostora koji ustaljeno usmjerava višak električne energije fotonaponske elektrane u tri strujna kruga s električnim grijačima, slika 26. U svakom strujnom krugu je električni grijač do 3 kW.

Prema slici 27. moguće primjene regulatora snage AC•THOR 9s su:

• s jednim trofaznim grijačem u spoju zvijezda s nul točkom snage 9 kW
• s tri jednofazna grijača po 3 kW, razmaknuta u prostoru spremnika
• s jednim grijačem 3 kW za vodu i 2 grijača po 3 kW za grijanje prostora.

U svim izvedbama sva tri izlaza su linearno upravljiva u rasponu od 0 do 3 kW. Za dobavljanje informacije o raspoloživom višku električne energije fotonaponske elektrane koji bi se inače vraćao u mrežu, osim s brojilom MY PV WiFi, regulator snage AC•THOR 9s može komunicirati s mrežnim izmjenjivačima, baterijskim sustavima i sustavima „pametne kuće“. Spoj regulatora snage  AC•THOR 9s  s brojilom MY PV WiFi izvodi se kao i za regulator AC•THOR, slika 25. Nedostajuća energija preuzima se iz javne mreže. I regulator AC•THOR 9s može se postaviti za preuzimanje energije iz javne mreže kada je ona najpovoljnija za kupnju prateći dinamičke tarife/cijene.

Značajke regulatora snage AC•THOR 9s su:

• moguća kontinuirana regulacija snage od 0 do 9 kW na tri regulirana izlaza
• za trofazne grijače u izvedbi sa zajedničkim nul vodičem (spoj u zvijezdu)
• moguće jednostavno grijanje tri zone spremnika s grijačima po 3 kW
• moguće nezavisno grijanje tri prostora
• omogućuje smanjenje potrebnog prostora za opremu zbog kompaktne izvedbe (masa 1,3 kg, dimenzije: 135 x 195 x 65 mm)
• uređaj osmišljen za rad s mrežnim izmjenjivačem, s baterijskim sustavom ili s „pametnom kućom“
• omogućuje iskorištenje i do 80 % lokalno proizvedene energije u vlastitoj fotonaponskoj elektrani, čak i bez baterijskog spremnika
• izlazi su neizobličeni izmjenični naponi sinusoidnog oblika, promjenjive amplitude
• regulator komunicira preko Ethernet RJ45 i RS485 sučelja
• svi priključci su rastavljivi (s konektorima)
• uz primjenu relejnog izlaza i dodatne sklopne opreme moguće upravljati snagom od 0 – 18 kW.

Tipična primjena regulator snage AC•THOR 9s prikazana je na slici 28. (trofazna inačica slike 20.). U dokumentaciji proizvođača detaljno su razrađene sheme spoja:

• za slojevito grijanje spremnika tople vode s dva grijača po 9 kW u izmjeničnom radu (trofazna inačica slike 21.)
• za grijanje spremnika tople vode s dva grijača do ukupne snage 18 kW (trofazna inačica slike 24)
• za grijanje spremnika tople vode s grijačem 3 kW i grijanjem prostora s dva grijača po 3 kW
• za grijanje prostora s tri grijača po 3 kW.

Otpornički grijači za grijanje tople vode

Uređaji SOL•THOR, AC ELWA 2,  AC•THOR i AC•THOR 9s mogu napajati otporničke grijače do uređajem određene najveće snage, slika 29. Ako se u konkretnom spoju ne primjenjuje dodatni osjetnik temperature, regulatori nemaju informaciju o temperaturi vode pa grijači moraju imati u sebi bimetalni termostat (termostatsku sklopku) i zbog sigurnosti dodatnu sigurnosnu temperaturnu sklopku! U tom slučaju grijanje se prekida bimetalnim termostatom (sklopkom) ovisno o postavljenoj temperaturi na termostatu. Sigurnosna temperaturna sklopka je obaveza za zaštitu od pregrijavanja ako bimetalna termostatska sklopka postane neispravna. Trofazni grijači moraju biti u spoju zvijezda s nul vodičem. Uz ove napomene moguće je koristiti i postojeće grijače na postojećim spremnicima tople vode.

Dinamička cijena energije

U potpuno ugljično neutralnom gospodarstvu Europe, električna energija bit će glavni i najučinkovitiji nositelj energije. Europska mreža operatora prijenosnih sustava za električnu energiju (engl. European Network of Transmission System Operators for Electricity, ENTSO-E) udruga je za suradnju europskih operatora prijenosnih sustava (engl. transmission system operators, TSO) iz ukupno  36 zemalja i odgovorna je za sigurnu i koordiniranu operaciju europskog elektroenergetskog sustava, najveće međusobno povezane električne mreže na svijetu. ENTSO-E objavljuje cijenu električne energije s nacionalnih burzi gdje proizvođači nude, a opskrbljivači/trgovci kupuju električnu energiju za daljnju prodaju krajnjim kupcima, slika 30.

Hrvatska burza električne energije (CROPEX) je zajednički projekt  HOPS-a (Hrvatski operator prijenosnog sustava) i HROTE-a (Hrvatski operator tržišta energije) i središnja je ugovorna strana (engl.  Central Counter Party, CCP) između prodavatelja i kupaca električne energije koja preuzima rizike kupnje i prodaje električne energije u okviru zaključenih burzovnih kupoprodajnih transakcija za dan unaprijed i unutardnevno tržište.

Trgovanje za dan unaprijed provodi se kroz središnju dražbu koja se održava svakog dana za isporuku električne energije idućeg dana, a za izračun tržišne cijene se koristi pravilo jedinstvene cijene. Prema tom pravilu, cijena se određuje na temelju svih naloga za kupnju i prodaju zaprimljenih od strane članova burze i to tako da se na temelju njih za svaki sat trgovanja formira sumarna krivulja ponude i sumarna krivulja potražnje. Sjecište tih krivulja predstavlja tržišnu cijenu te u svakom satu trgovanja članovi burze čiji su nalozi prihvaćeni trguju električnom energijom po istoj jedinstvenoj cijeni. Unutardnevno kontinuirano tržište je tržište za kontinuirano trgovanje proizvodima tijekom sati trgovanja u kojima se transakcije automatski uparuju kada se podudarni nalozi unesu na unutardnevnu platformu za trgovanje. Transakcije mogu biti ostvarene do 30 minuta prije isporuke, a trgovanje započinje u 15:00 dan prije isporuke.

Posljedica ove promjenjive cijene energije tijekom dana je da se varijacije cijene električne energije prenose na krajnjeg kupca tj. korisnika kupljene energije. Poneki europski opskrbljivači već imaju u ponudi varirajuću cijenu po satu (engl. electricity spot price) i ona će prije ili kasnije biti vidljiva i kod domaćih opskrbljivača.

Korisnici koji imaju fotonaponski sustav i žele pratiti i iskoristiti dinamičke tarife električne energije na uređajima SOL•THOR,  AC ELWA 2,  AC•THOR i AC•THOR 9s mogu koristiti pristup jeftinijoj energiji iz mreže aktiviranjem algoritma my-PV DTO (engl. dynamic tariff optimizer) u programskoj aplikaciji my-PV Cloud, slika 31. Tako se automatski upravlja aktiviranje preuzimanja energije za grijanje vode i/ili prostora u slučaju potrebe kroz uređaje SOL•THOR,  AC ELWA 2,  AC•THOR i AC•THOR 9s po najmanjim mogućim tržišnim cijenama električne energije. Trenutačno je my-PV DTO algoritam dostupan u 22 zemlje, uključujući Njemačku, Austriju, Švicarsku, Nizozemsku, Belgiju, Španjolsku, Francusku, Italiju, Švedsku, Norvešku, Dansku, Finsku i Irsku. Korisnici ne moraju sami stalno pratiti cijene električne energije. my-PV DTO u potpunosti automatizira upravljanje grijanjem, uvijek odabirući najjeftinije vremenske intervale. Time se značajno dodatno smanjuju troškovi grijanja i tople vode u usporedbi s konvencionalnim fiksnim tarifama električne energije.

Uz dinamičke cijene električne energije bliska je ideja inteligentnog grijača – grijač koji nema veze s fotonaponskom tehnologijom ili sunčanom elektranom, ali ima informaciju o cijeni energije tijekom dana, slika 32. Regulator snage HEA•THOR IoT preuzima energiju i sprema je u spremnik u obliku toplinske energije samo kada je jeftinija od podešene željene razine! I kod ovog uređaja praćenje cijena i odluka o uključenju je automatska.

Grijanje prostora viškom električne energije mrežne fotonaponske elektrane ili grijanje dizalicom topline?

Za evaluaciju sustava grijanja u normi VDI 4650-1 definiran je godišnji faktor učinkovitosti (njem. Jahresarbeitzszahl, JAZ; engl. seasonal performance factor, SPF). Faktor JAZ računa se kao omjer proizvedene toplinske energije na izlazu sustava i za to potrebne količine električne energije na ulazu sustava, oboje izraženo u kWh, a prikazano ukupno tijekom godine. Kod fotonaponskih sustava snage od 5 do 10 kWp uz primjenu regulatora snage AC•THOR 9s pokazatelj JAZ postiže vrijednosti do 4.4.

Što to znači? To znači da će za grijanje kuće fotonaponska elektrana od 10 kWp predati u prostor tijekom godinu dana 4,4 puta veću toplinsku energiju od električne energije koja će biti  preuzeta iz javne mreže u istom periodu za svrhu grijanja! Time električno grijanje prostora postaje i ekološki prihvatljivo i ekonomski isplativo! Ovo vrijedi za niskoenergetsku kuću površine 120 m² i potrebe četveročlanog domaćinstva, sve prema izvornim podacima proizvođača My PV, slika 33.

Komentar slike 33.

Podaci slike 33. ukazuju da fotonaponska elektrana i regulator snage AC•THOR 9s  mogu parirati rješenjima grijanja kuće s dizalicom topline! Ne ulazeći duboko u detalje usporedbe i ostajući ovdje na inženjerskom promišljanju kada se govori o učinkovitosti dizalice topline, poznat je pokazatelj dizalice topline COP (engl. Coefficient of performance). COP predstavlja učinkovitost dizalice topline u točno određenim, trenutačnim uvjetima rada. Primjerice dizalica topline s COP = 4 treba 1 kWh električne energije za proizvodnju 4 kWh toplinske energije. COP se definira u laboratorijskim uvjetima djelovanja, primjerice pri vanjskoj temperaturi 7 °C i temperaturi polaza vode 35 °C. Uz COP za dizalice topline u europskim normama definira se i sezonski COP (engl. Seasonal COP, SCOP). On se računa za više različitih vanjskih temperatura i za različita opterećenja tijekom simulirane sezone grijanja. SCOP zato bolje odražava stvarnost od COP-a. Za dizalice topline zrak-voda u primjeni podnog grijanja, s temperaturom polaza 35 °C, SCOP se kreće od 3,5 do 5,5 zavisno od klase (cijene!) uređaja.

Godišnji faktor učinkovitosti (njem. Jahresarbeitzszahl, JAZ) pokazuje pak stvarnu godišnju učinkovitost sustava tijekom cijele godine, a nakon i na mjestu instalacije. Godišnji faktor učinkovitosti JAZ uključuje realne uvjete kroz zimu i ljeto, primjerice i stanje odmrzavanja, vlastitu potrošnju energije za rad, potrošnju cirkulacijske pumpe, stvarne vanjske temperature i temperature polaznih vodova, stvarnu izolaciju kuće, kvalitetu montaže sustava grijanja… Budući da JAZ prati stvarni način korištenja objekta,  bliži je upotrebnoj stvarnosti objekta od  faktora SCOP. Jako pojednostavnjeno, može se reći da je SCOP ono što proizvođač očekuje od dizalice topline i što „prodaje“ korisniku, a da je JAZ ono što je korisnik „kupio“ tj. izmjerio nakon instalacije. JAZ u iznosu 4,41 sa slike 33. može stoga mijenjati uvriježeno promišljanje o superiornosti rješenja grijanja prostora dizalicama topline. No da ne pomislite da je razmatranju kraj – zamislite kombinaciju  regulatora snage  AC•THOR 9s i dizalice topline. Ona je i moguća i opisana u uputama proizvođača!

Zaključak

Prikazani regulatori snage i mogućnosti njihove primjene otvaraju novo poglavlje u upotrebi sunčeve energije, bilo za pripremu tople vode, bilo za grijanje prostora. Jednostavnost ideje i kompaktnost izvedbe uređaja razlog je što su dobili brojne nagrade u 2024 i 2025. godini! Uvjereni smo da će projektanti prepoznati ova rješenja, a njihova  instalacija postati područje djelatnosti elektroinstalatera! I to s istom sigurnošću s kojom smo pred 15 godina započeli se pionirski baviti fotonaponskom tehnologijom!

Proučite  ove uređaje na našem web shopu i odlučite se pametno iskoristiti višak energije umjesto da ga olako predajete u mrežu.