Мощна PV система за къща в София

С бате­рии и зарядна станция

Roman Rubanovich, NENCOM

В нача­лото на 2021 година към нас се обърна соб­стве­ник на стро­яща се къща край София с молба за монтаж на соларна елект­ро­цен­трала на покрива. Важен кри­те­рий беше непрекъ­с­нато захран­ване.

В процес на пре­го­вори се спряхме на хибридна система, която може да работи както пара­лелно с външ­ната мрежа, така и авто­номно. Възложи­те­лят одобри дизайна с раз­по­ло­же­ни­ето на фото­вол­та­ич­ните (PV) модули на всички ска­тове на покрива.

3D модел на раз­по­ло­же­ние на PV моду­лите

В пове­чето случаи нашите кли­енти избя­г­ват ком­про­миси и изби­рат обо­рудване от най-високо ниво. Затова използ­вахме дока­за­лите се с вре­мето соларни модули на япон­ска ком­па­ния Sharp Solar. По време на инста­ла­ци­ята въз­ло­жи­те­лят с удо­вол­ствие наблю­да­ваше про­цеса от птичи поглед и любезно спо­дели сним­ките.

Инстали­рахме 94 модула: 86 по 445 Wp и още 8 по 440 Wp. Общата пикова мощ­ност на PV инста­ла­ци­ята се получи 41.8 kWp. В продъ­л­же­ние на няколко години ние съби­раме подробна ста­ти­стика за про­из­вод­ството на изгра­де­ните от нас слън­чеви елект­ро­цен­трали и знаем, че при мрачно време (напри­мер при обик­но­вен продъ­л­жи­те­лен дъжд), гене­ра­ци­ята съставя при­бли­зи­телно 10% от пико­вата мощ­ност. Може да бъде 5 или 30%, в зави­си­мост от дебе­ли­ната на обла­ците и други фак­тори, но в пове­чето случаи е около 10%. Това озна­чава, че соб­стве­ни­кът на къщата може да раз­чита средно на 4 кило­вата мощ­ност «от слън­цето» по време на валеж.

В същото време нашият опит показва, че при мрачно време всички покри­вни ска­тове «рабо­тят» една­кво, затова, при нали­чие на достатъ­чен бюджет, не трябва да се пре­не­бре­г­ват севе­ро­източ­ните и севе­ро­за­пад­ните такива. При слън­чево време използва­нето на раз­лични ска­тове на покрива поз­во­лява да се получи по-рав­но­мерно гене­ри­ране през целия ден от изгрева до залеза.

Освен пря­кото си пред­на­зна­че­ние — пре­об­ра­зу­ване на слън­че­вата енер­гия в елек­три­ческа — фото­вол­та­ич­ните модули на покрива на къщата дават на соб­стве­ни­ците си два при­ятни бонуса: при горещо време те зна­чи­телно нама­ля­ват нагря­ва­нето на под­по­кри­вното поме­ще­ние, а когато вали — забе­ле­жимо пони­жа­ват шума.

Фотовол­та­ич­ните модули про­из­веж­дат посто­я­нен ток, а в еже­дне­ви­ето, като пра­вило, се изис­ква про­мен­лив: 1-фазен или 3-фазен. В мре­жови соларни цен­трали (без бате­рии) моду­лите се свър­зват към мрежов PV инвер­тор, който пре­об­ра­зува посто­я­нен ток в про­мен­лив. В авто­номни и хибридни системи (с бате­рии), моду­лите обик­но­вено се свър­зват към соларни кон­тро­лери за заре­ждане или хибридни PV инвер­тори. В нашия случай свър­за­хме слън­че­вите модули към пет зарядни кон­тро­лера и един мрежов инвер­тор.

За ефек­тивна работа на елект­ро­цен­тра­лата използ­вахме заряд­ните кон­тро­лери SmartSolar от нидер­ланд­ската ком­па­ния Victron Energy. Те пони­жа­ват напре­же­ни­ето, полу­чено от солар­ните модули, до нивото, необ­хо­димо за бате­ри­ите, уве­ли­ча­вайки про­пор­цио­нално тока на заре­ждане. За пре­об­ра­зу­ва­нето на посто­я­нен ток в про­мен­лив в такива системи отго­ва­рят бате­рий­ните инвер­тори.

Три кон­тро­лера за заре­ждане — MPPT 250/85. Първото число в името на моди­фи­ка­ци­ята озна­чава мак­си­мално допу­сти­мото напре­же­ние на входа (от слън­че­вите модули) — не повече от 250 волта. Второто число показва мак­си­мално въз­мож­ния ток на изхода (към бате­ри­ята) — до 85 ампера, което при напре­же­ние на бате­ри­ята 55 волта оси­гу­рява мощ­ност на заряда около 4.7 kW.

Свърза­хме към тези кон­тро­лери по 12 модула (сини на схе­мата), като ги групи­рахме в 3 стринга по 4 модула. Соларните модули във всеки стринг са свър­зани после­до­ва­телно, което уве­ли­чава общото напре­же­ние на стринга. Те са свър­зани помежду си пара­лелно, което уве­ли­чава силата на тока. За ефек­тивна работа на моду­лите, всички стрин­гове, свър­зани пара­лелно, трябва да бъдат една­кви и да са в иден­тични усло­вия (азимут, ъгъл на наклона, осве­те­ност, тем­пе­ра­тура).

Шест модула свър­за­хме към заряд­ния кон­тро­лер MPPT 150/45 (също сини на схе­мата, 3 стринга по 2 модула) и още 16 — към най-новия кон­тро­лер MPPT RS 450/100 (зелени на схе­мата). Това беше пър­вият екзем­пляр RS 450/100, инста­ли­ран в България. По-висо­кото допу­стимо напре­же­ние на входа на този кон­тро­лер поз­воли свър­зва­нето на осем модула после­до­ва­телно във всеки стринг. Освен това можехме да раз­по­ло­жим два стринга на раз­лични ска­тове на покрива, тъй като моди­фи­ка­ци­ята RS 450/100 има два неза­ви­сими MPPT (Maximum Power Point Tracking).

Остана­лите 36 модула (чер­вени на схе­мата) свър­за­хме към 3-фазен мрежов PV инвер­тор Fronius Symo (Австрия) с мощ­ност от 15 kW. Такава ком­би­на­ция от зарядни кон­тро­лери и мрежов инвер­тор пови­шава общата ефек­тив­ност на хибрид­ната система и заслу­жава отделна статия.

Както обик­но­вено, полз­вахме спе­ци­ални «соларни» кабели и конек­тори от най-високо каче­ство на фир­мата Stäubli (Швейца­рия) и кре­пежни еле­менти на Aerocompact (Австрия).

Всеки модул закре­пихме в шест точки, което доня­къде е излишно (обик­но­вено четири са достатъчни), но посте­пенно се пре­връща в тен­ден­ция при монтаж на големи модули, рабо­тещи при сложни кли­ма­тични усло­вия.

В тех­ни­че­ското поме­ще­ние мон­ти­рахме вен­ти­ли­руем шкаф със соларни кон­тро­лери на заряда и система за мони­то­ринг, дву­по­сочни бате­рийни инвер­тори Victron Energy MultiPlus-II (по един за всяка фаза) и 3-фазен мрежов PV инвер­тор Fronius.

Пълната мощ­ност на всеки бате­риен инвер­тор е 5 kV·A (около 4 kW активна мощ­ност в зави­си­мост от типа на товара). Това озна­чава, че в авто­но­мен режим заедно те могат да дават до 12 kW, пре­об­ра­зу­вайки посто­ян­ния ток от солар­ните модули и бате­рии в про­мен­лив. През свет­лата част на деня за помощ на бате­рий­ните инвер­тори Victron идва мре­жо­вият PV инвер­тор Fronius, доба­вяйки до 15 kW, в зави­си­мост от осве­те­но­стта на слън­че­вите модули.

Тук вни­ма­тел­ният чита­тел може би ще въз­рази, все пак мре­жо­вият PV инвер­тор се нарича «мрежов», защото работи само пара­лелно с външ­ната мрежа и не може да работи авто­номно. Да, в кла­си­че­с­ката мре­жова PV система инвер­торът наи­стина не може да работи без мрежа, но в нашият случай той е част от хибрид­ната елект­ро­цен­трала Victron, и мре­жата за него фор­ми­рат бате­рий­ните инвер­тори. Такъв тип системи се нарича «Micro Grid».

Излиза, че в авто­но­мен режим AC мощ­но­стта на цялата система (изходна мощ­ност от стра­ната на про­мен­ли­вия ток) ще бъде огра­ни­чена до 12 кило­вата в тъм­ното време на дено­но­щи­ето, с въз­мож­ност за уве­ли­ча­ване до 27 кило­вата в ясен слън­чев обед. При нали­чие на външна мрежа (хибри­ден режим) даде­ното огра­ни­че­ние го няма, тъй като всеки бате­риен инвер­тор, в допъл­не­ние към соб­стве­ната си мощ­ност, може да транс­лира до 50 ампера от мре­жата, а това озна­чава, че общата AC мощ­ност на систе­мата, дори в тъм­ната част на дено­но­щи­ето, ще бъде около 40 кило­вата, което е повече от достатъчно за даде­ния обект.

Риск за пре­то­вар­ване на систе­мата се появява само при високо потреб­ле­ние в къщата в ком­би­на­ция с ава­рийно изклю­ч­ване на външ­ната мрежа. В такива случаи, за да се предот­врати пре­то­вар­ване на инвер­то­рите или бързо раз­ре­ждане на бате­ри­ите, всички кон­су­ма­тори обик­но­вено се раз­де­лят на две групи: кри­тични и некри­тични. Например, в случай на повреда в мре­жата, може авто­ма­тично да се изклю­чат бой­ле­рите и сау­ната.

Настройка на бате­рий­ната система BYD

Също така, инста­ли­рахме и три лити­ево-желязо-фос­фатни бате­рии BYD LVL с капа­ци­тет от 15.36 kW·h всяка. Този тип бате­рии е най-без­опас­ният от пред­ста­ве­ните на пазара в момента. Общият енер­гиен запас в бате­ри­ите е около 46 kW·h. По наша пре­поръка въз­ло­жи­те­лят също закупи и два резервни соларни модула и ги съхра­нява в тех­ни­че­ското поме­ще­ние «за всеки случай».

На вра­тата на шкафа с обо­рудване инста­ли­рахме сен­зо­рен дис­плей Victron Energy, който поз­во­лява локално да се наблю­дава елект­ро­цен­тра­лата и да се про­ме­нят настрой­ките. Системата за мони­то­ринг Виктрон също поз­во­лява това да се прави дистан­ци­онно чрез интернет, използ­вайки без­плат­ния VRM Portal.

Няколко месеца след пус­ка­нето на систе­мата в екс­пло­ата­ция, соб­стве­ни­кът на това кра­сиво и енер­гийно ефек­тивно жилище ни изпрати нови снимки с вече зелени тревни площи. Според него цен­тра­лата работи много добре, като зна­чи­телно нама­лява смет­ките за ток и оси­гу­рява непрекъ­с­нато захран­ване на цялата къща.

Благода­ре­ние на ракурса «отгоре надолу» се убе­ди­хме, че фак­ти­че­ският резул­тат от раз­по­ло­же­ни­ето на фото­вол­та­ич­ните панели в точ­ност съв­пада с 3D модела:

Стойно­стта на тази мощна хибридна PV система, изгра­дена през 2021 година, състави 115 590 лв (59 100 €) с доставка, монтаж, пус­кане в екс­пло­ата­ция и ДДС. Това е съиз­ме­римо с цената на ком­пак­тен кро­со­увър като Audi Q3 или Mercedes GLB в средна ком­плек­та­ция с дизе­лов дви­га­тел.

Разширя­ване на систе­мата

В края на 2022, след година и поло­вина работа на елект­ро­цен­тра­лата, соб­стве­ни­кът купи елек­три­ческа кола и реши да направи upgrade на систе­мата. По това време в гамата на инвер­то­рите Victron MultiPlus-II се появиха по-мощни версии от 8, 10 и 15 kV·A. След подро­бен анализ на пико­вите нато­вар­ва­ния стиг­на­хме до извода, че 10 kV·A ще бъдат достатъчни. Нашият клиент само­сто­я­телно про­даде трите «стари» MultiPlus-II от 5 kV·A (обо­рудва­нето на Victron Energy е високо ценено на вто­рич­ния пазар) и ние инста­ли­рахме на мястото им нови. По този начин мини­мал­ната AC мощ­ност на систе­мата в авто­но­мен режим се е удво­ила: от 12 на 24 kW.

Също така инста­ли­рахме още една бате­рия, след което общият енер­гиен запас нарастна до 61.4 kW·h. Новата версия на бате­ри­ята BYD LVL е визу­ално раз­лична, но има същите харак­те­ри­стики.

А глав­ната акту­а­ли­за­ция на систе­мата е доба­вя­нето на фир­мена зарядна стан­ция на Victron Energy. Вече изли­шъ­ците на слън­чева енер­гия могат не само да нагря­ват водата в басейна, но и без­платно да заре­ждат елек­тро­мо­били.

Стойно­стта на всички тези подоб­ре­ния, напра­вени през 2022 година, състави 47 900 лв (24 490 €), което уве­личи общата инве­сти­ция в систе­мата до 163 490 лв (83 590 €). С тези пари можеше да се купи обик­но­вен седан от бизнес класа, като Audi A6 или BMW 5 Series в средна ком­плек­та­ция с дизе­лов дви­га­тел. В допъл­не­ние към това, кли­ентът си върна част от инве­сти­ци­ята при про­дажба на «ста­рите» инвер­тори.

Статистика

В продъ­л­же­ние на 2022 година семей­ството кон­су­мира 30 543 kW·h елек­три­ческа енер­гия, без да пестят и да се отказ­ват от нищо. При това от мре­жата (червен цвят на диа­гра­мата) бяха кон­су­ми­рани само 11 633 kW·h, което състави около 38.1% от общото потреб­ле­ние. Остана­лите 18 910 kW·h са енер­гия от фото­вол­та­ич­ната система: част от нея беше упо­тре­бена директно (жълт цвят), а дру­гата — от бате­ри­ите (син цвят). Батери­ите в даде­ната система се заре­ждат само от излиш­ната слън­чева енер­гия през деня, въпреки че тех­ни­че­ски могат да се заре­ждат и от мре­жата (напри­мер на нощна тарифа).

Статистика за 2022 година

През след­ва­щата година общото потреб­ле­ние се оказа малко по-високо и състави 34 738 kW·h. В същото време от диа­гра­мата виждаме, че делът на енер­ги­ята, кон­су­ми­рана директно от PV систе­мата, е оста­нал почти непро­ме­нен, а делът на кон­су­ма­ци­ята от мре­жата се е съкра­тил с при­бли­зи­телно 2% поради уве­ли­ча­ване на кон­су­ма­ци­ята от бате­ри­ите. Това до голяма степен се дължи на факта, че в края на 2022 година инста­ли­рахме допъл­ни­телна бате­рия, като по този начин уве­ли­чихме общия капа­ци­тет на енер­гий­ното хра­ни­лище.

Статистика за 2023 година

Не е трудно да се забе­лежи, че потреб­ле­ни­ето от мре­жата се случва основно през зимата: отча­сти поради по-малко слън­чева енер­гия, отча­сти поради пери­о­дич­ното натруп­ване на сняг на покрива. Но най-голямо вли­я­ние в този случай имат настройки на систе­мата. За съжа­ле­ние, в този регион често се случ­ват ава­рийни прекъ­сва­ния на мре­жата, осо­бено през зимата. Поради това много соб­стве­ници на подобни системи през такива пери­оди вре­менно нама­ля­ват DoD («depth of discharge» или «дъл­бо­чина на раз­ре­ждане») до 20-30%, вместо оби­чай­ните 70-80%. В резул­тат на това бате­ри­ите почти не рабо­тят, докато има напре­же­ние във външ­ната мрежа.

В случай на авария в мре­жата инвер­то­рите Виктрон пре­ми­на­ват в авто­но­мен режим за по-малко от 20 мили­се­кунди, което е почти невъз­можно да се забе­лежи. Затова по молба на кли­ента настро­ихме изпра­ща­нето на авто­ма­тични push-ноти­фи­ка­ции на теле­фона му при изклю­ч­ване и вклю­ч­ване на външ­ната мрежа. Вече соб­стве­ни­кът знае кога елект­ро­цен­тра­лата пре­ми­нава в авто­но­мен режим и може да кон­тро­лира ситу­а­ци­ята, имайки пред­вид теку­щия заряд на бате­ри­ите, вре­ме­вите усло­вия и своите пла­нове.

Нека раз­гле­даме поча­со­вият график в типи­чен зимен ден с про­мен­лива облач­ност. Тук виждаме, че потреб­ле­ни­ето от мре­жата е пре­димно през нощта, на ниска тарифа:

28 януари 2024, про­мен­лива облач­ност. Кръговите диа­грами показ­ват данни към момента, в който е напра­вен скрийн­шотът (24 фев­ру­ари 2024)

Заради обла­ците бате­ри­ите успяха да се заре­дят през деня само до 90%, а в настрой­ките на систе­мата дол­ната гра­ница на SoC («state of charge» или «състо­я­ние на заряда») беше настро­ена на 50%. Съответно, вечерта бате­ри­ите се раз­ре­диха до това ниво, оста­вяйки резерв за ава­риен случай. Дори при такива огра­ни­че­ния потреб­ле­ни­ето от мре­жата е основно през пери­ода на дей­ствие на нощ­ната тарифа.

По този начин соб­стве­ни­кът на солар­ната елект­ро­цен­трала получи подробна ста­ти­стика за потреб­ле­ни­ето, пълна неза­ви­си­мост от аварии в мре­жата, а също така кратно намали смет­ките за елек­тро­е­нер­гия.

Гаранция

Към момента на въвеж­дане на систе­мата в екс­пло­ата­ция, ней­ните ком­по­ненти са били със след­ните гаран­ци­онни сро­кове: соларни модули Sharp — 25 години на мощ­ност; бате­рии BYD — 10 години на капа­ци­тет; инвер­тор Fronius — 7 години, обо­рудване Victron Energy — 5 години с въз­мож­ност за пла­тено удъ­л­жа­ване до 10 години срещу 10% от него­вата стой­ност. Нашият клиент се въз­ползва от услу­гата на раз­ши­рена гаран­ция Victron.

Поддръжка

По вза­имно съгла­сие склю­чихме дого­вор с въз­ло­жи­теля за дистан­ци­онна под­дръжка на систе­мата. Услугата вклю­чва пери­о­дична отда­ле­чена про­верка на рабо­тата на елект­ро­цен­тра­лата, акту­а­ли­зи­ране на соф­ту­ера, про­мяна на настройки и авто­ма­тично изве­стя­ване на съби­тия при необ­хо­ди­мост.

Специфи­ка­ция

В тази папка сме събрали доку­менти с харак­те­ри­сти­ките на основ­ните ком­по­ненти на елект­ро­цен­тралата:

Datasheets