Jak prawidłowo zrobić dobór elementów systemu PV współpracującego z pompą ciepła, aby zapewnić jak najwyższy udział konsumpcji własnej w wytwarzanej energii? – Poniżej kilka praktycznych porad, które powinny pomoc w podjęciu optymalnych decyzji.
Produkcja energii a ukierunkowanie modułów
W prawidłowo wykonanym projekcie instalacji fotowoltaicznej przede wszysykim muszą zostać uwzględnione:
- kierunek usytuowania instalacji,
- nachylenie dachu,
- dostępna powierzchnia dachu.
Zasadniczo najwyższy uzysk energii dla odbiorników zapewnia instalacja fotowoltaiczna o orientacji ściśle południowej i kącie nachylenia zbliżonym do 30°. Jednak odpowiedni styl życia domowników również odgrywa tu ważną rolę. W większości przypadków instalacja skierowana w kierunku południowym generuje najwięcej energii, kiedy pobór mocy w gospodarstwie domowym jest niski. To oczywiście zmniejsza wskaźnik zużycia własnego w systemie. Dlatego nawet użycie akumulatorów do tymczasowego magazynowania energii jest tylko ograniczonym środkiem zaradczym, zakładając odpowiednią ich pojemność.
Dobór elementów systemu PV. Jak dobrać pojemność akumulatorów?
Reasumując, analizy pokazują, że akumulatory o użytecznej pojemności równej 25% dziennego zapotrzebowania na energię w budynku pozwalają dwukrotnie zwiększyć bieżącą konsumpcję energii wytwarzanej przez instalację fotowoltaiczną, która w takim przypadku może sięgnąć około 50%. Dalsze zwiększanie pojemności akumulatorów powoduje wzrost udziału konsumpcji własnej, jednak rośnie ona coraz wolniej wraz ze wzrostem pojemności. Z tego powodu w przypadku systemów sieciowych zasadny wydaje się dobór pojemności akumulatorów w zakresie 25-75% dziennego zapotrzebowania na energię w budynku. Dalsze zwiększanie pojemności akumulatorów nie przyczynia się do istotnego wzrostu udziału konsumpcji własnej. W związku z tym należy zaznaczyć, że poziom konsumpcji własnej nie zależy tylko od pojemności akumulatorów, lecz także od mocy falownika, który jest do nich podłączony.
Praktyczne doświadczenie wykazało, że domowa instalacja PV powinna wytwarzać nie więcej niż 1,2-1,3 wymaganego rocznego zapotrzebowania na energię elektryczną.
Mimo niższego rocznego wskaźnika produkcji energii, dachy o orientacji wschodniej lub zachodniej mają tę zaletę, że energia słoneczna jest dostępna wcześnie rano lub później, wieczorem, kiedy zapotrzebowanie na energię może być wyższe. Ponadto, w przypadku dachów dwuspadowych o orientacji wschód-zachód, obie części dachu mogą być zabudowane instalacją.
Dobór elementów systemu PV. Sprawność modułów fotowoltaicznych
Generator fotowoltaiczny wykonuje się obecnie najczęściej z modułów mono- lub polikrystalicznych. Głowna różnica między nimi, oprócz kwestii wizualnych, polega na różnicy w ich sprawności. Przy typowym wymiarze modułu fotowoltaicznego, który wynosi około 1,65 x 0,99 m, moduły polikrystaliczne mają obecnie moc w zakresie 270-285 Wp, podczas gdy moduły monokrystaliczne mają zakres mocy 300-330 Wp.
Większa sprawność to mniejsza ilość modułów
Dzięki wyższej sprawności modułów monokrystalicznych wystarczy mniejsza ich liczba niż modułów polikrystalicznych, aby uzyskać taką samą moc instalacji. Ma to szczególne znaczenie przy ograniczonej powierzchni montażowej, jaka często występuje na dachach o skomplikowanej budowie.
Zacienienie modułów
Ważną kwestią jest brak zacieniania modułów PV. Pojawianie się cienia może istotnie zmniejszyć produkcję energii. Dlatego ważne jest, aby lokować moduły fotowoltaiczne w odpowiednich odstępach od elementów zacieniających, takich jak: kominy, jaskółki, anteny itp. Jeśli nie jest możliwe uniknięcie okresowego zacieniania na części modułów PV, konieczna jest dodatkowa optymalizacja instalacji poprzez zastosowanie falowników z tzw. funkcjami szukania globalnego punktu mocy maksymalnej lub zastosowanie lokalnych optymalizatorów mocy.
Dobór elementów systemu PV. Falownik jedno-, czy trójfazowy?
Obecnie głownie stosowane są falowniki fotowoltaiczne beztransformatorowe. Przy ich wyborze należy zwrócić uwagę na liczbę zasilanych faz. Mimo że do instalacji 3-fazowej w budynku można zastosować falownik jednofazowy, z uwagi na kryteria przyłączenia powyżej mocy 3,68 kW należy stosować falowniki 3-fazowe. Z kolei poniżej 3,68 kW ze względów ekonomicznych lepszym wyborem będzie falownik jednofazowy. Ważna jest także lokalizacja falownika. Najkorzystniej jest go przyłączyć bezpośrednio do rozdzielni głównej wydzielonym obwodem. Oznacza to konieczność poprowadzenia trasy kablowej od lokalizacji falownika do rozdzielni oraz od modułów fotowoltaicznych do falownika.
Monitoring instalacji
Z uwagi na możliwość monitoringu instalacji warto, aby falownik był w zasięgu sieci WiFi lub LAN. Mimo iż hałas pracującego falownika jest niski, lepiej jest lokalizować go w miejscu, gdzie nie będzie on uciążliwy dla domowników.
Dobór elementów systemu PV. Wykorzystanie zasobnika ciepłej wody użytkowej
Energia elektryczna generowana przez instalację fotowoltaiczną może w bardzo dużym stopniu być wykorzystana do przygotowania ciepłej wody użytkowej. Jednak w tym celu muszą być spełnione dwa warunki. Po pierwsze zasobnik ciepłej wody musi być tak zwymiarowany, aby dało się z niego pobierać ciepłą wodę przynajmniej jeden dzień bez konieczności zasilania go z instalacji fotowoltaicznej. Po drugie moc instalacji fotowoltaicznej musiałaby 5-6 razy przekraczać moc elektryczną potrzebną do napędu sprężarki pompy ciepła.
Pompa ciepła do ciepłej wody użytkowej
W domach jednorodzinnych często stosuje się pompę ciepła do przygotowania ciepłej wody użytkowej ze względu na niewielki pobór mocy elektrycznej przez sprężarkę (500-800 W). Wtedy instalacja fotowoltaiczna o mocy szczytowej 3-4 kWp umożliwia już pokrycie w ponad 80% zasilania z pompy ciepła.
Stopień pokrycia zapotrzebowania zależy od następujących czynników:
- uzysku mocy przez instalację fotowoltaiczną,
- poboru mocy elektrycznej przez pompę ciepła,
- zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową,
- wielkości zasobnika ciepłej wody użytkowej,
- strat ciepła przez zasobnik i przewód cyrkulacji c.w.u.
Układ regulacji pompy ciepła
Układ regulacji pompy ciepła musi być w stanie utrzymać wymaganą temperaturę minimalną (np. 50°C), a podczas generowania prądu przez instalację fotowoltaiczną automatycznie podwyższać temperaturę zadaną ciepłej wody (np. o 5-10 K). Pompy ciepła przystosowane do celów przygotowywania c.w.u. z etykietą SG Ready oferują tę funkcję poprzez wejście analogowe. Wiele falowników jest w stanie bezpośrednio sterować pompami ciepła wody użytkowej z etykietą SG Ready.
Tabela. Uzysk roczny energii z 1 kWp instalacji fotowoltaicznej
Wykorzystanie zasobnika buforowego
W przypadku autonomicznej regulacji temperatury pomieszczenia, która jest niezależna od pompy ciepła, nigdy nie nastąpi przegrzanie budynku, nawet gdy instalacja fotowoltaiczna generuje prąd. Dopływ ciepła do pomieszczeń zostanie bowiem zatrzymany, gdy temperatura rzeczywista w pomieszczeniach przekroczy wartość zadaną. W takim przypadku do magazynowania ciepła może zostać zainstalowany dodatkowy zasobnik buforowy. Należy go przyłączyć hydraulicznie w taki sposób, aby w razie braku prądu z instalacji fotowoltaicznej nie przepływała przez niego woda i by jego temperatura była utrzymywana na możliwie najniższym poziomie. Zminimalizuje to straty ciepła w stanie gotowości.
Pojemność zasobnika
Pojemność zasobnika należy dobrać według następujących kryteriów:
- uzysk mocy przez instalację fotowoltaiczną,
- moc grzewcza pompy ciepła,
- maksymalny wzrost temperatury = maksymalna temperatura nagrzewania zasobnika pomniejszona o wymaganą projektową temperaturę wody grzewczej,
- wymagany wzrost pokrycia.
Już pojemność zasobnika buforowego wynosząca 25 l na 1 kW mocy grzewczej pompy ciepła może sprawić, że energia słoneczna pozyskana po południu może zostać wykorzystana w godzinach wieczornych, co spowoduje wzrost pokrycia (autokonsumpcji) o około 10%. Dalsze zwiększanie pojemności zasobnika buforowego prowadzi do zwiększenia wskaźnika pokrycia (autokonsumpcji) o maksymalnie 20%. Zastosowanie zasobników buforowych o jeszcze większych pojemnościach, które mogą przechowywać energię w ciągu kilku dni (np. zasobniki sezonowe), znacząco podnosi wskaźnik pokrycia, ale zwiększają się wówczas straty ciepła przez zasobnik. Do poprawnego projektowania konieczna staje się tu symulacja komputerowa.
Wykorzystanie budynku jako zasobnika ciepła
W inteligentnym regulatorze temperatury pomieszczenia następuje wymiana informacji między urządzeniem grzewczym (pompą ciepła) a regulatorem temperatury pomieszczenia na przykład w celu zablokowania pompy ciepła, gdy pomieszczenie nie zgłasza zapotrzebowania na ciepło. W połączeniu z systemami typu Smart Home (np. technika sterowania budynkiem), gdy wykorzystywana jest moc fotowoltaiczna, zadana temperatura w pomieszczeniu może zostać podwyższona w ramach zdefiniowanych limitów komfortu. Wówczas cały budynek pełni rolę zasobnika ciepła. System ogrzewania płaszczyznowego w budynku (np. o powierzchni 130 m2) jest w stanie efektywnie zastąpić zasobnik buforowy wody grzewczej o pojemności 500 l (przy wzroście temperatury wody o około 28 K). Jednocześnie niższy poziom wzrostu temperatury (w podanym poniżej przykładzie: 2,5 K) skutkuje obniżeniem strat ciepła przez zasobnik i niewielkim ubytkiem efektywności pompy ciepła.
Przykład obliczeniowy:
Założenia:
- powierzchnia ogrzewana: 130 m2,
- podgrzewana podłoga: 9 cm (jastrych/beton/ płytki),
- ciepło właściwe jastrychu: 1000 J/kg K = 0,27778 Wh/(kg K),
- masa właściwa jastrychu: 2000 kg/m2,
- wzrost temperatury jastrych i pomieszczenia o 2,5 K.
130 m2 x 0,09 m x 2000 kg x 2,5 K x 0,00027778 kWh/(kg K)= 16,3 kWh
500 l x 0,00116 kWh/(kg K) x 28 K = 16,3 kWh