Ostrovní systém ENERGY INSIDE Technická dokumentace galvanicky odděleného ostrovního systému o elektrickém výkonu 15 Kw 3f a 20 Kw tepelného výkonu pro Vzorová studie RD Brno Leden 2013
ÚVOD Na základě poptávky investora byla zpracována technická dokumentace, která řeší instalaci domovní elektrické a tepelné výrobny pro celoroční pokrytí veškeré elektrické a tepelné energie domácnosti ZÁKLADNÍ PARAMETRY - Elektrický výkon zdroje -15Kw, 3f, 400V, 50Hz - Tepelný výkon zdroje 20Kw, topné médium voda max 90 o C - Hodnota hlavního jističe 3x25A - Ostrý zdroj motorgenerátor KIPOR 8,8Kw v kogeneračním režimu, palivo- syntetický řepkový olej nebo LTO - Pasivní zdroj fotovoltaická elektrárna mono 5Kwp + amorf 3Kwp, invertor SMA v ostrovním režimu - Výkonný invertor 3* SMA SUNNY ISLAND 5048 - Akumulátorová záloha 24 * Hoppecke 1148Ah, celkem cca 2000Ah, 48V - Provoz celoroční bez omezení - Náklady 3,2Kč/kWh POPIS TECHNOLOGIE E - I Základem technologie E-I v plné verzi ostrovního režimu je fotovoltaický generátor složený z fotofoltaických (FVE) modulů instalovaných na střeše objektu o celkovém výkonu 8 KWp. Veškerý elektrický výkon na FVE modulech je ukládán do speciálně přizpůsobených bateriích určených pro akumulaci elektrické energie. Kapacita akumulace elektrické energie je spočítána dle energetické potřeby objektu (2000 Ah). Takto uložená energie je distribuována pomocí sestavy tří ostrovních invertorů v režimu 3*230V/50Hz do elektrické sítě objektu automaticky dle potřeby. Součástí sofistikovaného softwarového vybavení technologie je monitoring kapacity elektrické energie uložené v bateriích a v případě poklesu kapacity pod bezpečnostní mez uchování komfortu objektu (40-50%) se aktivuje motorgenerátor na fosilní palivo. Motorgenerátor je spalovací motor pohánějící točivým momentem alternátor, který dodává elektrickou energii do baterií a tak nahrazuje chybějící energii z FVE modulů. Celý objekt je koncepčně navržen tak, aby vyžadovaná energie, kterou potřebuje ke svému komfortnímu chodu byla minimální. Energeticky nejnáročnější prvek v objektu je tepelná energie při ohřevu teplé užitkové vody (TUV) a vytápění (ÚT). Aby vyžadovaná energie pro TUV a ÚT byla co nejmenší, je součástí technologie E - 0 solární termický systém pro ohřev TUV a přitápění, podporovaný tepelným čerpadlem s využitím tepelné energie při chlazení spalovacího motoru motorgenerátoru a rekuperací tepla obsažené ve spalinách. Takto velmi efektivně získaná tepelná energie je řízeně dodávaná do vytápěcí soustavy o velké teplosměnné ploše (podlahové topení ze spádem 45 / 35). Potřebné množství tepelné energie do vytápěcí soustavy se určuje na základě automatického výpočtu dle sledovaných venkovních meteorologických podmínek, jedná se o tzv. ekvitermní regulaci vytápění. Solární termický systém je schopen dodat až 60 % energie do TUV a až 25 % do ÚT, zbylá potřebná tepelná energii je vyrobena v tepelném čerpadle o minimálním topném faktoru 1/3.3, přičemž potřebná elektrická energie pro chod tepelného čerpadla je dodávaná z akumulačních baterií. - 2 -
POPIS JEDNOTLIVÝCH PRVKŮ E - I 1. FOTOVOLTAICKÁ ELEKTRÁRNA V REŽIMU OSTROVNÍHO SYSTÉMU 2. SOLÁRNÍ GENERÁTOR V solárních článcích, které jsou základní částí fotovoltaických modulů, je sluneční záření přeměňováno přímo na elektrický proud. Výkon modulů je udávaný v jednotkách Watt-peak (W p ). Modul s výkonem 210 W p dává za standardních podmínek výkon 210 Watt. K dosažení vyšších požadovaných výkonů je potřebné zapojení několika fotovoltaických modulů, jejichž výkon se sčítá a spolu tak tvoří solární generátor. Námi dodávané fotovoltaické moduly jsou od německé firmy Schüco s vysokou účinností a 100 % garantovaným výkonem. Všechny dodávané moduly mají výhradně pozitivní toleranci výkonu +5 /-0 %. To znamená, že udávaný jmenovitý výkon je v každém případě dodržen nebo překročen. Výkonnost je garantovaná i v čase, po 12 letech panely musí vykazovat minimálně 90 % a po 25 letech pak minimálně 80 % deklarované výkonnosti. - 3 -
Moduly jsou vybavené připojovacími kabely s MC-T4 spojkami pro rychlé a bezpečné propojení elektrických obvodů generátoru. Pro snadné připojení na speciální konstrukci je rám modulu tvořený hliníkovým profilem. Panely se orientují jižně se sklonem 30-45 o, je možné je umístit na šikmou nebo rovnou střechu, alternativně v případě potřeby větší plochy na terén mimo objekt. 3.MONTÁŽNÍ SYSTÉMY,SPOJOVACÍ KABELY PRO STEJNOSMĚRNÝ PROUD Fotovoltaický systém je dlouhodobá investice a musí být odpovídajícím způsobem proveden a zajištěn. Montážní systémy Schüco jsou odolné proti korozi, staticky testované a splňují všechny platné normy fotovoltaických nosných konstrukcí. Fotovoltaický systém tak zůstává stabilní i za extrémního počasí. Systém uchycení umožňuje i účinné zajištění proti krádeži. Pro rychlou a bezpečnou montáž jsou moduly vybavené spojovacími kabely se zástrčkovým systémem. Napojení solárního generátoru na střídač napětí, zabezpečují jednožilové kabely s MC- T4 spojovací zástrčkou a zásuvkou. Kabeláž a spojky jsou v provedení určeném pro vnější prostředí, průřez vodičů je dostatečně dimenzovaný s ohledem na přenášený výkon. 4. NAPĚŤOVÝ STŘÍDAČ Stejnosměrný proud generovaný ve fotovoltaických modulech je převáděn ve střídači na střídavý proud, který splňuje parametry elektrické sítě. Střídač může být vybavený displejem, který ukazuje aktuální údaje o činnosti systému, okamžitý výkon, napětí, energii vyprodukovanou systémem ve sledovaný den, celkovou vyprodukovanou energii, dobu práce systému, případně poruchu a příčinu poruchy. Střídač je softwarově naprogramovaný pro ostrovní provoz, všechnu svou vyrobenou energii dodává buď do okamžitého odběru v domácnosti, nebo se energie zálohuje do akumulačních bateriích. Pro okamžitý odběr elektrické energie až do výkonu 15Kw dlouhodobě a 21Kw krátkodobě slouží instalace tří invertorů SMA SUNNY ISLAND 5048. Tato soustava vytváří 400V, 50Hz, 3f elektrický systém s monitorování kapacity baterií a regulací chodu motorgenerátoru v případě nutnosti dobíjení baterií. Střídače jsou projektovou dokumentací voleny převážně od německého výrobce SMA. Tyto výrobky jsou důsledně optimalizované s ohledem na antikorosní ochranu a bezproblémovou instalaci. Jejich extrémně nízká vlastní spotřeba a vysoká účinnost je činí unikátními na trhu fotovoltaických komponent. Pro vyhodnocení a sledování solárních výnosů jsou k dispozici příslušná propojovací - 4 -
rozhraní, která umožňují kompletní škálu komunikačních propojení (od jednoduchých zobrazovacích panelů a zařízení přes napojení na domácí počítač až po možnost propojení na internet a on-line sledování a servisní ovládání funkce elektrárny z kteréhokoli počítače ve světě napojeného na internet). Konkrétní uspořádání a volbu součástí vždy řeší projekt, který je nutné zpracovat v předstihu před zahájením realizace. PARAMETRY NÁVRHU A ENERGETICKÉ ZISKY V České republice je dostatečná intenzita slunečního záření a fotovoltaické systémy lze využít kdekoli bez jakéhokoliv omezení. Konkrétní energetické zisky z fotovoltaické elektrárny částečně ovlivňuje lokalita, ve které se elektrárna nachází, dále pak především orientace elektrárny a sklon fotovoltaických modulů. V našich zeměpisných šířkách je optimální orientovat moduly přímo na jih se sklonem 30 o. Volně stojící systémy a systémy na ploché střechy jsou proto montovány s těmito parametry. U systémů montovaných na šikmých střechách je principielně přijatelná orientace od východní po západní stranu se sklonem střechy 10 až 60 o. Solární mapa sluneční energie v ČR - 5 -
Na příkladu znázorněném na dále uvedeném grafickém vyjádření závislosti výnosů na sklonu a orientaci modulů je patrné, že ještě při orientaci na jihozápad (odklon od jihu 45 o ) a sklonu modulů 40 o nedochází k poklesu získané energie. Při typickém sklonu šikmých střech 45 o je možné dosáhnout minimálně 95 % teoretického výnosu při odklonu střechy až 50 o na východ či západ. Energetické zisky fotovoltaických systémů v závislosti na orientaci a sklonu modulů V následujícím výpočtu je zohledněna konkrétní lokalita i orientace fotovoltaických modulů. Pro výpočet byly použity parametry výše uvedených fotovoltaických modulů Schüco a střídačů SMA Sunny Boy. Investor: Vzorová studie Lokalita: Brno Energie (MJ/ m2) 3880 Typ montáže šikmá střecha Sklon modulů ("stupně") 35 Orientace jihozápad Odklon od jihu ("stupně") 10 Koeficient výnosu 0,99 ROČNĚ ZÍSKANÁ ENERGIE Z 1 KWp FV GENERÁTORU 925-6 -
Fotovoltaická elektrárna - střešní instalace 8Kwp- ostrovní provoz Průměrná roční výroba na instalovaný 1 kwp (kwh) Výkon (kwp) Počet modulů 210Wp Roční výroba (kwh) 8,00 38 7 400 KOGENERACE MOTORGENERÁTOR Kogenerace E-0 je zdroj jak elektrické tak tepelné energie pro objekty bez připojení na Distribuční soustavu. Hlavní součástí je spalovací vznětový motor a synchronní 3-fázový generátor. K vzhledem nejvýhodnějšímu ekonomickému modelu je spalovací motor přizpůsoben ke spalování řepkového oleje, což umožňuje minimalizovat provozní náklady- řepkový olej je ze zákona osvobozen od spotřební daně. Při výrobě elektrické energie do baterií je zapotřebí odvádět teplo, které vzniká při chodu spalovacího motoru, tepelná energie vzniká v chladící soustavě motoru a ve spalinách. Toto teplo je řízeně odváděno do vytápěcí soustavy a tím se stává generátor zdrojem elektrické a tepelné energie- kogenerace. Pomocí speciálního odhlučnění generátoru lze systém aplikovat uvnitř budovy bez nutnosti vysokého nároku na technickou místnost. Výkon generátoru určíme vždy po přesném výpočtu potřebné energie daného objektu tak, aby byl zachován uživatelský komfort bez omezení. - 7 -
SOLÁRNÍ SYSTÉMY V klimatických podmínkách České republiky dopadá na 1m2 vodorovného zemského povrchu až 1.250 kwh energie za rok. Tato energie je zdarma a je možné ji s výhodou využívat nejen pro ohřev celoročně potřebné teplé vody, ale i k podpoře vytápění. Solární systémy se tak stávají běžnou součástí moderních rodinných domů. Technicky a investičně nejvýhodnějším řešením je využití plochých kapalinových solárních kolektorů, umístěných na osluněné ploše objektu. Uvnitř budovy je umístěn solární akumulační zásobník ( bojler ) potřebné velikosti a uspořádání, opatřený výměníkem tepla. V kolektorech se energií ze slunečního záření ohřívá nemrznoucí kapalina. Kapalina je potrubím vedena do objektu, kde se její teplo využívá např. k ohřevu vody. Celý proces automaticky řídí elektronický regulátor. Tímto způsobem je zajištěno ekonomické využití veškeré energie, která dopadá na solární kolektor. Pro dosažení dobrého výsledku musí solární systém splňovat celou řadu podmínek. Základní podmínkou je využití kvalitních průmyslově vyráběných solárních kolektorů s garantovanými parametry a dlouhou životností. Tato zařízení opatřená tzv. vysoce selektivní vrstvou vůči slunečnímu záření a speciálním solárním sklem mají maximální účinnost i při extrémních podmínkách v zimních měsících roku. Veškeré díly musí být odolné vůči působení tzv. nízkoteplotní koroze a musí být dimenzovány tak, aby spolu tvořily jeden funkční celek. Systém musí bezpečně odolávat extrémním provozním stavům při odstaveném oběhovém čerpadle v době plného slunečního svitu. SOLÁRNÍ SYSTÉM PRO PŘITÁPĚNÍ A OHŘEV TEPLÉ VODY Kvalitní průmyslově vyráběné solární kolektory opatřené tzv. vysoce selektivní absorpční vrstvou dokážou plně využívat sluneční energii i v extrémně chladných zimních měsících roku. Z tohoto důvodu je možné využít je vedle ohřevu teplé vody také k přitápění objektů. Pro období s nedostatkem slunečního svitu je nezbytné na systém napojit plně automatizovaný kotel (elektrokotel, kotel na spalování plynu). Kolektorové pole je možné umístit na jakoukoli zpevněnou vodorovnou či šikmou nezastíněnou plochu, s výhodou se využívají střechy rodinných domů. Umístění konstrukcí je možné na jakoukoliv stabilní krytinu. Váhu kolektorů při dobře provedené vazbě krovu je možno u tohoto relativně malého systému zanedbat. - 8 -
TEPELNÁ ČERPADLA Tepelné čerpadlo je v současnosti provozně nejefektivnějším zdrojem tepla. Pro vytápění využívá nízkopotenciální teplo okolního prostředí, které převádí na teplotu až 60 o C využitelnou pro vytápění i ohřev vody (v tomto případě nutné zapojovat samostatný akumulační zásobník teplé vody). Systém s tepelným čerpadlem je tedy vhodné doplňovat nízkoteplotním systémem vytápění. Energie je ze sítě odebíraná pouze pro pohon jednotky tepelného čerpadla. Teplo je možné odebírat ze země, podzemních vod nebo z okolního vzduchu. Tepelné čerpadlo je dodáváno v různých uspořádáních topného výkonu a je určeno k vytápění prakticky libovolně velkých domů. Je možné dimenzovat ho jako jediný zdroj tepla, takový systém je označován jako monovalentní (monoenergetický). Při vyšších potřebách tepla bývá někdy výhodné volit tepelné čerpadlo s nižším výkonem a potřebný výkon ve špičkách doplnit z jiného plně automatického zdroje (elektrokotel, kotel na spalování plynu). Takový systém se označuje jako bivalentní. Tepelná čerpadla - systém vzduch - voda Velmi výhodné z hlediska investice, legislativních podmínek i dlouhodobé garance bezproblémového provozu je v našich klimatických podmínkách využití tepla z okolního vzduchu. V případě monovalentního uspořádání pracuje do teploty venkovního vzduchu až -20 C. Mezi -5 C a-20 C se voda přihřívá pomocí malého, do zařízení integrovaného elektrického dohřívače. Jednotku tepelného čerpadla lze obecně umístit dovnitř nebo vně objektu. U venkovního provedení je skříň tepelného čerpadla umístěna na vhodném místě v blízkosti objektu. Dovnitř je vedeno pouze tepelně izolované potrubí. U vnitřního provedení je veškerá technologie umístěna uvnitř objektu. Pro nasávání a výdech vzduchu je v tomto případě instalováno vzduchotechnické potrubí s mřížkami v obvodovém plášti budovy. - 9 -
Tepelné čerpadlo vzduch-voda bývá většinou do okruhu vytápění zapojováno přes vyrovnávací (tzv. taktovací ) zásobník. Ten mimo jiné zamezuje častému spínání tepelného čerpadla a zvyšuje tak jeho životnost. Teplota vytápěcí vody je řízena ekvitermní regulací dle venkovní teploty a tepelných nároků objektu.. ZÁVĚR Zařízení E-I pro autonomní dodávku elektrické a tepelné energie bylo navrženo jako alternativa za připojení na DS. Jedná se o lokality, kde by instalace DS neměla ekonomický význam nebo je nelze z technických důvodů vybudovat. Zároveň je zařízení vhodné pro investory, kteří chtějí mít absolutní nezávislost nad monopolních dodavatelů elektrické i tepelné energie při minimálních provozních nákladech. Zařízení vždy pokryje při správném navržení 100% potřebu elektrické a tepelné energie v kombinaci pasivního získání energie ze slunce a vzduchu. Vypracoval: František Bodiš - autor projektu ENERGY INSIDE Email: info@rodole.cz Web: www.rodole.cz Tel: 777770742 Adresa: Olomoucká 1190/77, 627 00 Brno sídlo společnosti - 10 -