Matalatehoisen, suurikapasiteettisen kotitalouksien energiavarastojärjestelmän kustannustehokkuus: Onko se todella kannattava vaihtoehto?

Monet aurinkopaneelien akkujärjestelmiin sijoittavat kotitaloudet kohtaavat yleisen kysymyksen: Onko matalatehoisen, suurikapasiteettisen kotienergian varastointijärjestelmän valinta todella kustannustehokas ratkaisu?

Ensimmäiseltä silmäykseltä tämä konfiguraatio saattaa vaikuttaa houkuttelevalta. Suuri akkukapasiteetti lupaa pidempiä varavoimakäyttöjaksoja ja enemmän energiaa taloudelliseen käyttöön. Kuitenkin monissa kotikäyttötilanteissa liian suuren akun ja liian pienen invertterin yhdistäminen voi aiheuttaa merkittävän epäsuhtaisuuden varastoidun energian ja saatavilla olevan tehon välillä.

Tärkeintä on ymmärtää, että akkukapasiteetti ja invertterin teho ratkaisevat kaksi eri ongelmaa . Kapasiteetti määrittää, kuinka paljon energiaa voidaan varastoida, kun taas teho määrittää, kuinka paljon sähköä järjestelmä voi tuottaa tai ottaa vastaan tietyllä hetkellä. Hyvin suunnitellussa kotienergian varastointijärjestelmässä molempien tasapainottaminen on välttämätöntä.

Tässä oppaassa selitämme tärkeän eron akun kapasiteetin ja invertterin tehon välillä, tarkastelemme alhaisen tehon ja korkean kapasiteetin konfiguraatioiden rajoituksia sekä tarjoamme käytännöllisen tehon–kapasiteetin suhteen ohjeen asuinrakennusten aurinkoenergian varastointijärjestelmiin.

Akun kapasiteetin ja invertterin tehon ymmärtäminen

Monet aurinkoenergian ja varastoinnin yhdistelmäjärjestelmiin uudet kotitaloudet sekoittavat tehon ja kapasiteetin. Nämä kaksi parametria ovat perustavanlaatuisia järjestelmän suunnittelussa.

Akun kapasiteetti (kWh)

Akun kapasiteetti viittaa sähköenergian määrään, jonka akku voi varastoida. Se määrittää pääasiassa, kuinka kauan akku voi syöttää tehoa kotitalouden sähkölaitteille.

Esimerkiksi 10 kWh:n akku voi teoriassa tuottaa 5 kW:n tehon noin kahden tunnin ajan ihanteellisissa olosuhteissa. Todellinen käyttöaika riippuu käytettävissä olevasta purkutahdista, invertterin hyötysuhteesta, akun käyttörajoituksista ja todellisesta kotitalouden sähkönkulutuksesta.

Invertterin teho (kW)

Invertterin teho tarkoittaa suurinta vaihtovirtatehoa, jonka invertteri voi toimittaa kotitalouskuormille tietyllä hetkellä. Se määrittää, kuinka monta laitetta voi toimia samanaikaisesti ja pystyykö järjestelmä kattamaan kodin huippusähkökuorman.

Toisin sanoen:

Akun kapasiteetti määrittää, kuinka kauan järjestelmä voi toimia.
Invertterin teho määrittää, kuinka suuren kuorman järjestelmä voi tukea kerrallaan.

Tämä ero on perustavanlaatuinen luotettavan kotien energiavarastojärjestelmän suunnittelussa. Teollisuuden kokoohjeet käsittelevät myös tehoa ja energiakapasiteettia erillisinä parametreinä eivätkä yhdenä akun kokomittana.

Yksinkertainen analogia

Yksinkertaisesti sanottuna alatehoinen, korkeakapasiteettinen energiavarastojärjestelmä on kuin valtava vesitankki, joka on kytketty kapeaan putkeen.

Riippumatta siitä, kuinka suuri tankki on, veden määrä, joka voi virrata sisään tai ulos missä tahansa ajassa, on rajoitettu putken koon mukaan.

Sama periaate pätee akkujen varastointiin:

• Akun kapasiteetti (kWh) = tankin koko

• Invertterin teho (kW) = putken koko

• Kotitalouskuorma = käytetyn veden määrä

Erittäin suuri akku ei automaattisesti tarkoita, että järjestelmä pystyy käsittelyyn korkeatehoisia kotitalouslaitteita.

1. Tärkein rajoitus: Riittämätön teho kotitalouden huippukuormille

Liian pieni invertteri on yksi suurimmista haitoista, kun kyseessä on varavoiman tarve korkean kotitalouskuorman aikana.

Kotitalouksien sähkönkulutus voi vaihdella merkittävästi päivän aikana. Korkeatehoisia laitteita, kuten ilmastointilaitteita, sähkölämmittimiä, induktioliesiä, mikroaaltouunia, vesipumppuja ja sähköauton laturilaitteita, voidaan käyttää samanaikaisesti.

Jos yhteiskuorma ylittää invertterin nimellistehon, järjestelmän saattaa olla pakko rajoittaa kuormaa, aktivoida suojatoimintoja tai katkaista tiettyjä piirejä riippuen järjestelmän arkkitehtuurista ja suojauksen asetuksista.

Käytännön esimerkki

Tarkastellaan tyypillistä epäyhtenäistä konfiguraatiota:

10 kWh:n akku + 3 kW:n invertteri

Oletetaan, että 2 kW:n ilmastointilaite ja 2 kW:n induktioliesi toimivat samanaikaisesti.

Yhteiskuorma on:

2 kW + 2 kW = 4 kW

Kuitenkin invertteri voi toimittaa vain 3 kW jatkuvasti.

Tässä tilanteessa 4 kW:n kuorma ylittää invertterin nimellistehon. Invertteri saattaa rajoittaa tehoaan tai aktivoida ylikuormitussuojausfunktion suunnittelunsa mukaan.

Tuloksena on turhauttava tilanne: vaikka akku olisi täysin ladattu, järjestelmä ei pysty tukemaan yhdistettyä kotitalouskuormaa, kun kysyntä ylittää invertterin saatavilla olevan tehon.

Akulla on riittävä energiakapasiteetti, mutta järjestelmällä ei ole riittävää teholle kapasiteettia.

Verrattaessa sopivasti mitoitettu invertteri pystyy tukenemaan vaadittuja huippukuormia luotettavammin, ja akun kapasiteetti voidaan sen jälkeen valita halutun varavoiman keston mukaan.

2. Rajallinen aurinkoenergian hyödyntäminen: akun latausteho voi muodostua pullonkaulaksi

Aurinkopaneelit sisältävien talojen tapauksessa invertterin ja akun lataustehoa on myös harkittava huolellisesti.

Auringonvalosähköinen tuotanto saavuttaa korkeimman tehotason yleensä keskipäivällä. Jos akun sallittu latausteho on huomattavasti pienempi kuin saatavilla oleva aurinkoenergian tuotanto, akku ei pysty ottamaan vastaan koko tuolloin saatavilla olevaa ylijäämää.

Käytännön esimerkki

Esimerkiksi oletetaan, että kodikossa on:

• 5 kW:n aurinkosähköjärjestelmä

• 3 kW:n maksimiakun latausteho

Tiettynä hetkenä, jolloin riittävästi aurinkoenergiaa on saatavilla, akku voi ottaa vastaan noin 3 kW:n lataustehon.

Jäljelle jäänyt aurinkosähkötuotanto ei välttämättä mene hukkaan. Järjestelmän konfiguraatiosta riippuen se voi:

• Käyttää suoraan kotitalouden sähkökuormia

• Viedä verkkoyhtiön sähköverkkoon

• Rajoittaa tuotantoa, kun vienti tai järjestelmän rajat saavutetaan

Siksi keskeinen kysymys ei ole pelkästään se, että "2 kW aurinkosähköä menee hukkaan." Todellinen kysymys on se, että akku ei voi ottaa vastaan enempää latausvirtaa kuin sen sallittu latausteho kyseisellä hetkellä .

Jos akun kapasiteetti on liian suuri verrattuna saatavilla olevaan aurinkoenergiantuotantoon ja lataustehoon, merkittävä osa sen varastointikapasiteetista saattaa jäädä käyttämättä pitkiä aikoja.

Siksi akunkapasiteettia tulisi harkita yhdessä aurinkokennallisäntökapasiteetin, invertterin tehon, kotitalouden kulutusmusterien ja akun latausrajoitusten kanssa.

3. Heikko taloudellinen tehokkuus: Liian suuri akunkapasiteetti saattaa jäädä käyttämättä

Akken solut muodostavat yleensä merkittävän osan asuinrakennuksen energiavarastojärjestelmän kustannuksista. Merkittävästi suuremman akunkapasiteetin asentaminen kuin mitä kotitalous voi säännöllisesti käyttää voi siksi heikentää koko järjestelmän taloudellista tehokkuutta.

Liian suuri akku voi johtaa seuraaviin seurauksiin:

• Alhaisempi käyttö asennetusta varastointikapasiteetista

• Pidempiä aikoja osittaisessa lataustilassa

• Korkeammat alkuperäiset kustannukset

• Alhaisempi energian läpimeno asennetun akunkapasiteetin suhteessa

• Pitemmät takaisinmaksuajat, kun lisäkapasiteettia käytetään harvoin

Esimerkiksi jos kotitalous tarvitsee normaalisti vain 8–10 kWh käytettävissä olevaa varastointikapasiteettia, mutta asentaa paljon suuremman akkujärjestelmän, lisäkapasiteetti ei välttämättä tuota suhteellisia taloudellisia etuja.

Akun taloudellinen arvo riippuu paitsi siitä, kuinka monta kWh sitä voi varastoida, myös siitä, kuinka usein kyseisiä kWh käytetään todellisuudessa.

Tuleva laajennus on toinen huomioitava seikka

Akun liiallinen suurentaminen ei välttämättä ole paras ratkaisu tulevaan laajennukseen.

Jos asukas myöhemmin lisää:

• EV-latauslaitteen

• Lämpöpumpun

• Lisää ilmastointiyksiköitä

• Sähköllä lämmitetyn kylpyammeen

• Muut korkean tehon laitteet

järjestelmän saattaa vaatia korkeampaa invertterin tehotulostusta lisääntyneen huippukuorman käsittelyyn.

Joidenkin järjestelmäarkkitehtuurien tapauksessa invertterin päivitys saattaa olla välttämätöntä, vaikka akun kapasiteetti olisi jo riittävä.

Siksi asuinkäyttöön tarkoitetun energiavarastojärjestelmän suunnittelun tulisi perustua sekä nykyisiin kuormitustarpeisiin että realistisiin tulevaisuuden laajennussuunnitelmiin .

4. C-asteikko ja akun käyttö: Miksi tehon ja kapasiteetin yhdistäminen on tärkeää

C-asteikko on toinen tärkeä parametri akun ja invertterin yhdistämisessä.

C-asteikko kuvaa, kuinka nopeasti akku ladataan tai purkautuu sen nimelliskapasiteetin suhteessa.

Esimerkiksi:

• 10 kWh:n akku, joka toimii 0,5C:ssä, vastaa noin 5 kW:n tehoa.

• 10 kWh:n akku, joka toimii 1C:ssä, vastaa noin 10 kW:n tehoa.

Todellinen sallittu lataus- ja purkunopeus riippuu akkukennosta, akkujen hallintajärjestelmästä (BMS), lämpöolosuhteista, valmistajan määritelmistä ja takuuehtoista. Siksi C-asteikkoa ei tulisi arvioida erillään akun teknisestä tietolehdestä.

On myös tärkeää välttää oletusta, että erinomainen alhainen C-asteikko vahingoittaisi automaattisesti litiumakkuja. Monissa tapauksissa alhaisemmat käyttönopeudet voivat vähentää sähköistä ja lämpöistä rasitusta. Suurempi huolenaihe järjestelmän suunnittelussa on se, että liian suuren akun yhdistäminen alhaisen tehon invertteriin saattaa johtaa huonoon asennetun akunkapasiteetin hyödyntämiseen ja taloudellisesti tehottomaan järjestelmään .

Akun käyttöikä riippuu useista tekijöistä, mukaan lukien:

• Lataus- ja latauskoko

• Purk syvyys

• Toimintatemperatuuri

• Varausasteen vaihteluväli

• Solujen tasapaino

• Latausolosuhteet

• Akkuhallintajärjestelmän (BMS) suojausstrategia

• Kokonaisjärjestelmän lämpöhallinta

Siksi tavoitteen ei pitäisi olla pelkästään akun kapasiteetin maksimointi. Tavoitteena on saavuttaa tasapainoinen konfiguraatio, jossa akun teho-ominaisuudet vastaavat taloudellisen käytön todellista kuormituskäyrää.

Milloin matalatehoinen, suurikapasiteettinen järjestelmä on sovelias?

Matalatehoinen, suurikapasiteettinen konfiguraatio ei välttämättä ole hyödytön. Se voi olla järkevä joissakin sovelluksissa, joissa taloudellisen käytön jatkuvat tehotarpeet ovat suhteellisen pienet, mutta pitkäkestoinen energiavarasto on tärkeä.

Mahdollisia sovelluksia ovat:

Etäiset verkosta irrotetut mökit

Etäiset mökit tai pienet verkosta irrotetut talot, jotka käyttävät pääasiassa:

• LED-valaistus

• Reitittimet

• Valvontalaitteet

• Pieniä jääkaappeja

• Muita matalatehoisia laitteita

eivät välttämättä vaadi korkeatehoista invertteriä.

Matalatehoiset varavoimakäytöt

Talot, joille tarvitaan varavoimaa vain olennaisille piireille, voivat myös priorisoida akunkapasiteetin korkean invertteritehon sijaan.

Esimerkiksi järjestelmä, joka on suunniteltu ylläpitämään:

• Valaistus

• Internet-laitteita

• Jäähdytys

• Turvajärjestelmät

• Viestintälaitteet

ei välttämättä vaadi samaa invertterikapasiteettia kuin koko talon varajärjestelmä.

Huippukuorman leikkaus ja kuorman siirto

Suuri akkukapasiteetti voi olla myös hyödyllinen huippukuorman leikkaukseen ja kuorman siirtoon keskittyvissä sovelluksissa, erityisesti kun järjestelmä toimii suhteellisen vakioisilla ja kohtalaisilla tehotasoilla.

Kuitenkin perinteisissä asuinrakennuksissa, joissa on useita ilmastointilaitteita, lämpöpumppuja, induktiovuokia, sähköauton latauslaitteita tai muita korkeatehoisia laitteita, invertterin tehoa on sovitettava tarkasti odotettuun huippukuormaan.

Mikä on suositeltava teho-kapasiteetti-suhde asuinrakennusten energiavarastolle?

Yhtä yleispätevää suhdetta ei ole olemassa kaikille asuinrakennusten energiavarastojärjestelmille.

Sopiva konfiguraatio riippuu seuraavista tekijöistä:

• Taloudellisen yksikön huippukuormasta

• Keskimääräinen päivittäinen energiankulutus

• Vaadittu varavoimatoimintaaika

• Aurinkosähköjärjestelmän teho

• Akun kemia

• Pariston suurin lataus-/purkunopeus

• KÄYNNISTIMEN MÄÄRITYKSET

• Tulevat sähköauton tai laitteiden kuormat

• Paikalliset sähköhinnat ja verkkoehdot

Kuitenkin yleisesti käytetty lähtösuuntaviiva asuinrakennuksille on:

Invertterin teho (kW) : Pariston kapasiteetti (kWh) ≈ 1 : 1–1 : 2

Tämä vastaa suunnilleen 0,5C–1C:n teho-suhteeseen energiaan , olettaen, että akku on suunniteltu vaadittavalle käyttömatkalle.

Esimerkiksi:

Nämä luvut tulee tulkita alkuperäisinä mitoitusohjeina eikä kiinteinä alan standardoina . Lopullinen suunnittelu on aina tarkistettava akun jatkuvan purkautumisarvon, BMS-rajoitusten, invertterin määrittelyjen, taloudellisen huippukuorman ja toivottavan varavoiman keston perusteella.

Esimerkiksi 5 kW:n asuinrakennuksen hybridinvertteriin voidaan yleensä liittää 5–10 kWh:n akkujärjestelmä, mutta optimaalinen konfiguraatio riippuu asukkaan erityisistä kuormituskäyrästä ja varavoimavaatimuksista. Vastaavia mitoitusohjeita sovelletaan myös nykyisiin asuinrakennusten akku- ja invertteriyhdistelmien suosituksiin.

Miksi tasapainoinen mitoitus on parempi kuin pelkkä akunkapasiteetin lisääminen

Hyvin suunniteltu asuinrakennusten energiavarastojärjestelmä vaatii kolmen keskeisen tekijän tasapainottamista:

1. Teho

Muuttaja on kyettävä tarjoamaan riittävästi tehoa kattamaan taloudellisen yksikön odotetut huippukuormat.

2. kapasiteetti

Akun on tarjottava riittävästi käytettävissä olevaa energiaa vaaditun varavoiman kestolle tai päivittäiselle aurinkoenergian omaan kulutukseen.

3. Hyötyaste

Akun tulee olla riittävän suuri täyttääkseen sovelluksen vaatimukset ilman liiallista käyttämätöntä kapasiteettia.

Yksinkertainen esimerkki havainnollistaa tätä periaatetta:

5 kW:n muuttaja + 10 kWh:n akku

Tämä konfiguraatio tarjoaa:

• Riittävän muuttajatehon kohtalaisille taloudellisen yksikön huippukuormille

• Noin kaksi tuntia teoreettista toimintaa jatkuvalla 5 kW:n kuormalla ennen tehohäviöiden ja käytettävissä olevan syvyysvarauksen (DoD) huomioon ottamista

• 0,5C:n suhde teho-kapasiteetti

• Käytännöllinen tasapaino tehokyvyn ja varastointiajan välillä

Jos kuitenkin taloudellisen yksikön huippukulutus on 8 kW, akun kapasiteetin kasvattaminen 10 kWh:sta 20 kWh:iin ei ratkaise ongelmaa itsessään.

Invertterin on silti pystyttävä toimittamaan vaadittu teho.

Tämä on perustavanlaatuinen syy siihen, miksi suurempi akunkapasiteetti ei automaattisesti tarkoita parempaa järjestelmän suorituskykyä .

Lopullinen johtopäätös

Matalatehoinen, korkeakapasiteettinen kotienergianvarastointijärjestelmä voi näyttää houkuttelevalta, koska se tarjoaa suuren määrän varastoitua energiaa. Akunkapasiteetti yksinään ei kuitenkaan määritä, onko asuinrakennuksen energianvarastointijärjestelmä asianmukaisesti suunniteltu.

Jos invertteri on liian pieni suhteessa taloudellisen yksikön huippukuormiin, järjestelmä ei ehkä pysty tukenemaan useita korkeatehoisia laitteita sähkökatkon aikana. Jos akun latausteho on liian rajallinen suhteessa saatavilla olevaan aurinkoenergiantuotantoon, akku ei ehkä myöskään pysty keräämään niin paljon ylimääräistä aurinkoenergiaa kuin sen kapasiteetti muuten mahdollistaisi.

Liian suuri akku voi lisätä alkuinvestointia entisestään ilman suhteellisia etuja, jos lisäkapasiteettia käytetään harvoin.

Useimmissa asuinkäyttötapauksissa paras lähestymistapa on tasapainottaa:

Taloudellinen huippukuorma + invertterin teho + akkukapasiteetti + aurinkosähkön tuotanto + akun C-asteikko + varavoiman kesto

Sen sijaan, että valittaisiin yksinkertaisesti saatavilla oleva suurin akku, kotitalouksien tulisi valita järjestelmä, joka vastaa heidän todellista sähkönkulutustaan ja tulevia energiantarpeitaan.

Hyvin suunniteltu asuinkäyttöön tarkoitettu aurinkoenergian varastointijärjestelmä tulisi tarjota riittävästi invertterin tehoa käsittämään olennaiset huippukuormat, riittävästi akkukapasiteettia haluttuun varavoiman kestoon sekä sopivat lataus- ja purkukyvyt aurinkoenergian hyödyntämisen maksimoimiseksi.

Etsitkö oikeaa teho- ja kapasiteettikokoonpanoa kotitaloudenne aurinkoenergian varastointijärjestelmään? Ota yhteyttä tekniseen tiimiimme räätälöityä järjestelmän kokoamista, akkukonfiguraatiota, invertterin sovittamista ja kustannustehokkaita asuinkäyttöön tarkoitettuja energianvarastointiratkaisuja varten.