Jak działa zasilanie awaryjne dla domu z fotowoltaiką i magazynem energii?

Fotowoltaika dla domu to sposób, aby móc cieszyć się „zieloną energią”, niezależnością energetyczną i niskimi rachunkami za prąd. Czy jednak zawsze zagwarantuje ona zasilanie awaryjne w domu na wypadek awarii? Kiedy magazyny energii będą stanowiły zapasowe źródło zasilania, a kiedy są tym, na co wskazuje nazwa – ładowalnymi bateriami?

Fotowoltaika on-grid i off-grid. Na czym polega różnica między nimi?

Instalacje fotowoltaiczne mogą funkcjonować w dwóch wariantach: jako instalacja sieciowa (ang. on-grid) lub wyspowa (ang. off-grid). Aby uchwycić istotę zasilania awaryjnego z akumulatorem, potrzebujesz rozumieć główną różnicę między nimi.

W pierwszym przypadku panele fotowoltaiczne produkują energię z promieniowania słonecznego zużywaną na bieżąco do zasilania urządzeń podłączonych do sieci domowej. Dopiero w przypadku występowania nadprodukcji kierują prąd do sieci operatora OSD. Użytkownik fotowoltaiki może odebrać z tej sieci energię elektryczną:

• z uwzględnieniem opustów 20% lub 30% (w zależności od mocy instalacji), jeżeli jest prosumentem korzystającym z rozliczenia typu net-metering;
• w postaci kwoty przeliczonej według określonych stawek zapisanej na subkoncie, gdy zdecydował się na rozliczenie typu net-billing.
   

Alternatywą dla instalacji on-grid jest off-grid, który polega na całkowitym oderwaniu sieci domowej od sieci operatora OSD. Ewentualne awarie pobliskiej sieci nie mają żadnego znaczenia dla działania systemu. W tym przypadku cała energia produkowana przez panele fotowoltaiczne jest wykorzystywana, aby zasilić domową sieć i napełnić magazyny energii stanowiące część instalacji. W teorii instalacja off-grid powinna być zaprojektowana w taki sposób, aby zapewniać użytkownikom obiektu całkowitą niezależność energetyczną, ponieważ nie ma tutaj możliwości dokupienia prądu w razie jego braku.

Niestety zarówno jeden, jak i drugi system ma nie tylko zalety, ale też wady. W przypadku fotowoltaiki on-grid, jeśli dojdzie do awarii sieci, przestają działać również panele. Wraz ze wzrostem popularności fotowoltaiki sieci energetyczne są coraz bardziej obciążone, więc do ich uszkodzenia może dochodzić częściej niż jeszcze kilka lat temu.

Z kolei instalacja off-grid lepiej nadaje się do zasilenia domu letniskowego lub kampera. Znacznie trudniej jest wygenerować wystarczająco dużo prądu, aby z obiektu przez cały rok mogła korzystać np. czteroosobowa rodzina. Problemy pojawiają się zwłaszcza zimą, kiedy krzemowe panele wytwarzają mniejsze ilości energii elektrycznej.

Na czym polega zasilanie awaryjne domu z akumulatora dla fotowoltaiki?

Mianem zasilania awaryjnego domu z fotowoltaiki określa się zwykle fotowoltaikę sieciowo-wyspową stanowiącą połączenie obu przedstawionych wyżej rozwiązań. Takie hybrydowe połączenie pozwala na korzystanie zarówno z elastyczności systemu on-grid, jak i samowystarczalności, jaką niesie ze sobą system off-grid. Z czego składa się fotowoltaika hybrydowa?

Większość elementów będzie taka sama jak w przypadku klasycznego systemu sieciowego. Znajdziesz w nim więc:

• moduły fotowoltaiczne,
• dwukierunkowy licznik energii,
• inwerter (falownik).
   

Z off-grid łączą ją magazyny energii.

Domowa sieć PV jest podłączona do sieci elektroenergetycznej, a prąd zasila domowe urządzenia, np. pralkę, lodówkę czy zmywarkę. Zasadnicza różnica polega na zastosowaniu inwertera hybrydowego zamiast zwykłego falownika przekształcającego prąd stały na prąd przemienny.

Pamiętaj, że z reguły awaryjne zasilanie domu z fotowoltaiki obejmuje wyłącznie obwód o kluczowym znaczeniu dla mieszkańców. Może na niego składać się np. ogrzewanie i oświetlenie. Zasilenie wszystkich urządzeń, a zwłaszcza tych, które mają bardzo wysokie zapotrzebowanie na prąd, byłoby niepraktyczne.

Miej również na uwadze, że nie każda hybrydowa instalacja fotowoltaiczna będzie stanowić zasilanie awaryjne, nawet w sytuacji kiedy zostanie wyposażona w magazyn energii zapewniający krótkotrwałe wsparcie w razie braku zasilania. Niezbędna jest możliwość pracy w trybie EPS (ang. Emergency Power Supply).

Jak działa inwerter hybrydowy?

Sercem hybrydowej instalacji PV z funkcją zasilania awaryjnego jest inwerter hybrydowy koniecznie wyposażony w funkcję EPS. Na czym polega takie rozwiązanie i czym różni się od zwykłej przetwornicy?

Połączenie fotowoltaiki sieciowej i wyspowej oznacza, że potrzebne jest rozwiązanie, które pozwala na zasilanie urządzeń domowych niezależnie od działania sieci operatora. Dodatkowo powinno ono zasilać magazyny energii.

Charakterystyczną cechą falownika hybrydowego jest to, że z jednej strony pozwala na przetwarzanie prądu stałego wytwarzanego przez ogniwa na prąd przemienny, niezbędny do tego, abyśmy mogli z niego korzystać na co dzień. Z drugiej strony takie urządzenie musi przepuszczać też prąd stały, ponieważ tylko taki może być przechowywany w magazynach energii. Kiedy magazyn uwalnia zapasy, prąd w pierwszej kolejności musi być przekształcony ze stałego na przemienny, a dopiero następnie trafia do sieci.

Można powiedzieć, że inwerter hybrydowy jest zbudowany z dwóch układów. Pierwszy z nich to przekształtnik DC/AC (prąd stały/prąd przemienny) uzupełniony o zestaw filtrów poprawiających właściwości prądu i stabilizujących jego przepływ. To klasyczne rozwiązanie, które zapewnia kompatybilność sieci domowej z siecią publiczną.

Drugim układem jest przekształtnik DC-DC (prąd przemienny-prąd przemienny), który współpracuje z systemem BMS (ang. Battery Management System). Zadaniem BMS jest kontrola pracy magazynu energii i jej optymalizacja, a także zabezpieczenie przed uszkodzeniem, np. w wyniku przegrzania.

Inwerterem steruje się za pomocą manualnych przycisków, ekranu dotykowego lub dedykowanej aplikacji, która łączy się z urządzeniem za pośrednictwem protokołu Wi-Fi lub innej komunikacji bezprzewodowej.

Z zewnątrz inwerter hybrydowy wygląda dokładnie tak samo jak klasyczna przetwornica. Jest zamknięty w obudowie zabezpieczającej wnętrze przed działaniem czynników atmosferycznych, w tym niekiedy również – w ograniczonym stopniu – wilgocią.

Instalacja fotowoltaiczna, która ma być wyposażona w zasilanie awaryjne, powinna zawierać także rozłącznik pozwalający na odseparowanie sieci domowej (lub jej wybranej części) od sieci centralnej.

Miej na uwadze, że nie każda instalacja fotowoltaiczna będzie ładowała magazyn energii, kiedy przejdzie w tryb działania awaryjnego. Ważne jest, aby przy podpisywaniu umowy o montaż poszczególnych elementów systemu taki zapis znalazł się wprost w treści kontraktu. Prostsze rozwiązania polegają na tym, że akumulator będzie zasilał sieć tak długo, aż nie wyczerpie się zgromadzona w nim energia elektryczna. W praktyce takie rozwiązanie może okazać się niewystarczające.

Jak dobrać moc paneli i magazynu, aby stworzyć skuteczne zasilanie awaryjne z akumulatorem

Sytuacje kryzysowe, w których brakuje prądu, mogą trwać od kilku minut do nawet kilku dni. Od parametrów fotowoltaiki i magazynu energii zależy, czy przyjęte rozwiązanie sprawdzi się w danym przypadku. Z tego względu specjaliści od instalacji PV dzielą instalacje na „mniej” i „bardziej” odporne na brak energii.

Krótkotrwałe zasilanie awaryjne do domu z fotowoltaiką

Instalacje mniej odporne to takie, w których moc ogniw fotowoltaicznych jest mniejsza niż pojemność magazynu. W praktyce w sprzyjających warunkach prądu powstaje tyle, ile trzeba, aby zasilić sieć domową i naładować baterię. Kiedy jednak energii elektrycznej zabraknie, rezerwa wystarcza na kilka godzin. Wiele zależy od pojemności magazynu i bieżącego zużycia, dlatego zawsze dobiera się te parametry do potrzeb konkretnego klienta.

Z reguły w tego rodzaju instalacjach system BMS zaprogramowany jest tak, że nie przewiduje rezerwy energii w akumulatorze, który jest ładowany przede wszystkim w ciągu dnia w największe nasłonecznienie. Jeżeli więc trafisz na wyjątkowo pochmurną pogodę albo awaria wystąpi zimą, kiedy dzień jest krótki, może się okazać, że zasilanie z magazynu starczy Ci na bardzo krótki czas lub nie będzie go wcale.

Przyjmuje się, że dla domu jednorodzinnego z reguły wystarczające będą panele o mocy od 4 do 6 kWp. W systemie, który ma zagwarantować krótkotrwałe zasilanie awaryjne, magazyn będzie mieścił 4–5 kWh.

Długotrwałe zasilanie awaryjne dla domu z fotowoltaiką

Co zrobić w sytuacji, kiedy mieszkasz w okolicy, gdzie awarie sieci operatora OSD zdarzają się często? Albo po prostu potrzebujesz dysponować gwarantowaną rezerwą prądu na dłuższy czas ze względu na specyfikę swojego trybu życia (np. praca zdalna, wiele urządzeń elektronicznych, sprzęty o dużym poborze energii elektrycznej lub niezbędne dla życia domowników)?

W takim wariancie wyposaż się w silniejsze zabezpieczenia. Przede wszystkim magazyn energii powinien być „większy” niż fotowoltaika. Jeśli zamontowałeś ogniwa o mocy 7–9 kWp, przyjmij za każdy kilowatpik 2,8–3 kWh dla magazynu energii. W podanym przykładzie dla wartości skrajnie wysokich będzie to od 21 do 27 kWh.

Oczywiście taki magazyn energii będzie ładował się znacznie dłużej niż jego pięciokrotnie „mniejszy” odpowiednik. Energia w nim zgromadzona starczy jednak na o wiele dłuższy czas.

W systemach odpornych na długotrwały blackout stosuje się też programowanie rezerw energetycznych. Oznacza to, że bateria nigdy nie zostanie opróżniona poniżej określonego poziomu, jeżeli system nie wykryje odcięcia od sieci. To może być np. 30 lub 40% całej pojemności akumulatora. W ten sposób użytkownik zawsze ma pewność, że w razie awarii akumulator będzie przynajmniej w części zapełniony.

Ważne jest, aby nie określać parametrów zarówno ogniw, jak i magazynu energii „na oko”. Przed zakupem identyfikuje się:

• roczne zużycie energii elektrycznej,
• dzienne zużycie energii elektrycznej,
• uśrednioną dzienną produkcję energii z PV,
• zapotrzebowanie minimalne na energię elektryczną,
• minimalne zapotrzebowanie na prąd z magazynu energii.
   

Najlepiej zlecić zaprojektowanie takiej instalacji doświadczonej firmie specjalizującej się w zakładaniu instalacji fotowoltaicznych. Fachowcy dobiorą właściwości poszczególnych urządzeń tak, aby w możliwie największym stopniu zaspokoić zapotrzebowanie użytkownika.

Czy warto projektować zasilanie awaryjne w domu z fotowoltaiką?

Zaprojektowanie zasilania awaryjnego dla fotowoltaiki to dodatkowy koszt nie tylko sprzętu, ale też robocizny. Dlatego zastanów się, czy w Twoim przypadku jest to uzasadnione.

W praktyce spotkasz się z kilkoma rozwiązaniami. Najprostsze – i zarazem najtańsze z nich – polega na stworzeniu częściowego zasilania zapasowego, które obejmuje wyłącznie jeden obwód. Droższa opcja to wykorzystanie magazynu jako pełnego zamiennika sieci centralnej, kiedy energia z niego zasila całą sieć domową. Jeszcze innym rozwiązaniem jest połączenie fotowoltaiki z agregatem prądotwórczym.