Priprema tople vode iz sunčane elektrane

Sunčeva energija u solarnim toplinskim kolektorima zagrijava toplinski medij, najčešće mješavinu vode i protusmrzavajućeg sredstva. Medij struji sustavom pod djelovanjem pumpe i putem izmjenjivača topline predaje toplinsku energiju vodi u spremniku potrošne tople vode, ili vodi  u akumulacijskom spremniku topline ako se energija prenosi u sustav grijanja prostora, slika 1.

Foto: Schrack Technik

Fotonaponski modul naspram solarnog kolektora

Opće poznate su prednosti primjene fotonaponskih modula u odnosu na primjenu solarnih kolektora u prikupljanju sunčeve energije:

• u instalaciji s fotonaponskim modulima rabe se vodiči za prijenos energije, a ne cijevi što pridonosi cijeni i jednostavnosti postavljanja instalacije
• grijač može predati u spremnik svaki vat proizvedene snage u fotonaponskim modulima, solarni kolektor može predavati energiju u spremnik samo dok je medij topliji od spremnika, fotonaponski moduli proizvode električnu energiju i po oblačnom vremenu,  solarni kolektor traži dobru osunčanost
• fotonaponski moduli su što je hladnije to učinkovitiji, solarni kolektor se „hladi“ po hladnom vremenu pa mu se tako smanjuje učinkovitost
• u instalaciji fotonaponskih modula  nema „vodenih” komponenata, primjerice pumpe, ventila, glikola, toplinske izolacije opreme, izmjenjivača u spremniku, ožičenja za osjetnike temperature. Instalacija fotonaponskih modula u usporedbi sa solarnim kolektorima gotovo nema održavanja.
• trajanje fotonaponskih modula je 25 do 30 godina, solarni kolektori i pripadni toplinski sustavi općenito traju oko 20 godina i tehnološki su osjetljivi zbog degradacije brtvi, izolacije, curenja, korozije, svakodnevnog toplinskog stresa, a posebno na pregrijavanje medija
• ako zgrada ima fotonaponsku elektranu primjena viška energije za pripremu tople vode je isplativija nego povrat električne energije u mrežu, za energiju prikupljenu u solarnim kolektorima ne postoji „javna mreža“
• pri startu sustava instalacija s cijevima i solarnim kolektorima se prvo mora ugrijati da bi mogla predavati energiju u spremnik, pri startu fotonaponskog sustava proizvedena električna energija se odmah šalje grijaču, fotonaponski sustav je neosjetljiv na stajanje, solarni toplinski sustav može nakon duljeg stajanja zahtijevati povećanu pažnju pri ponovnom startu
• sustav sa solarnim kolektorima treba električnu energiju za cirkuliranje medija, sustav s fotonaponskim panelima energiju za pokrivanje vlastitih gubitaka sam proizvodi
• kroz godine povećala se učinkovitost fotonaponskih modula. 2014. godine površina fotonaponskih modula za istu proizvodnju energije je morala biti 2,2 puta veća od površine solarnih toplinskih modula, no 2025. godine je za istu proizvodnju potrebno svega 1,4 puta veća površina fotonaponskih modula od površine solarnih toplinskim modula.

Koliko nam to energije treba za pripremu tople vode?

Prema podacima udruženja Solar Heat Europe jedna osoba u kućanstvu rabi godišnje 1.000 kWh za pripremu tople vode (prosječno 50 l / dan). Za četveročlanu obitelj u modernoj, toplinski obnovljenoj zgradi gotovo ista godišnja količina energije rabi se za pripremu tople vode, grijanje, električne aparate i potrebe osobnog prijevoza, slika 2.  Na pripremi potrošne tople vode i grijanju prostora mogu se ostvariti uštede ako se potrebna energija ne kupuje već se proizvodi lokalno.

Foto: Schrack Technik

Gdje spremiti energiju

Električna energija se osim u bateriju može pretvorbom u toplinsku energiju pospremiti i u toplinski spremnik. To može biti primjerice spremnik s vodom ili betonska ploča, slika 3.  Za  povišenje temperature  za 1 °C  jedne litre vode potrebno je 1,16 Wh.  Vodom napunjen spremnik zapremnine 300 l pri  povećanju temperature vode od 12 °C do 55 °C može primiti 15 kWh energije. Spremnik tople vode je višestruko jeftiniji od baterije! Sličan je potencijal i primjene betonske podne ploče za spremnik energije.  

Foto: Schrack Technik

Kako iskoristiti višak energije mrežne sunčane elektrane

Ako danas već uobičajena sunčana elektrana spojena na mrežu ima višak proizvedene energije, tada se višak lokalno proizvedene energije može pospremiti u baterijski spremnik ili pretvoriti u toplinsku energiju i spremiti u toplinski spremnik, a može se i pospremiti i u bateriju i toplinski spremnik. Svakim dodavanjem ili kombinacijom više spremnika povećava se udjel lokalne primjene proizvedene energije, tj smanjuje se povrat viškova energije u mrežu, slika 4. Smanjenjem predaje energije u mrežu fotonaponska elektrana postaje ekonomski učinkovitija.

Foto: Schrack Technik

DC/DC pretvarač za pripremu tople vode

Za pretvorbu električne energije u toplinsku i njezino spremanje u spremnik potrebni su odgovarajući uređaji. Ako zgrada nema priključak na javnu mrežu i želi se energija iz fotonaponskih modula izravno predati grijaču spremnika tople vode, a bez spremanja u bateriju, dostatan je DC/DC pretvarač.

DC/DC pretvarač, komercijalnog naziva  SOL•THOR, može proslijediti cjelokupno proizvedenu električnu energiju u fotonaponskim modulima prema električnom grijaču spremnika tople vode, slika 5. Pretvarač predaje energiju linearno proporcionalno trenutačno raspoloživoj snazi iz fotonaponskih modula. Zahvaljujući izravnom napajanju uređaja iz fotonaponskih modula on ne zahtijeva spajanje s javnom elektroenergetskom mrežom i energija se ne predaje u javnu mrežu. To ga čini posebno privlačnim jer nije potrebno ishođenje dozvola za priključak na mrežu! Svaki vat snage iz fotonaponskih modula čini pripremu tople vode povoljnijom od klasične pripreme tople vode grijačem napajanim iz javne mreže.  

Foto: Schrack Technik

Značajke pretvarača SOL•THOR su:

• izlazna snaga prema grijaču 0 – 3,6 kW, linearno proporcionalna trenutačnoj snazi fotonaponskih modula
• priključak dva paralelno spojena niza fotonaponskih modula s ulaznom strujom 13 A po nizu
• raspon ulaznog napona 30 - 230 V DC
• pretvarač ne predaje energiju u mrežu, nema mrežnog izmjenjivača, nema ishođenje dozvola distributera za rad na mreži
• opcija dogrijavanja vode energijom iz javne mreže
• slojevito grijanje vode u spremniku s dva grijača
• primjena postojećih spremnika tople vode s postojećim grijačima
• stupanj zaštite IP54
• žičana i bežična komunikacija za daljinski nadzor uz praćenje djelovanja pretvarača u programskoj aplikaciji na pametnom telefonu.

Za osiguranje pripreme tople vode u neko točno željeno vrijeme može se, ako postoji,  spojiti i javna mreža za potrebno dogrijavanje, slika 6. Za slojevito grijanje ili povećanje snage postoji i mogućnost upravljanja s dva grijača u istom spremniku.

Foto: Schrack Technik

SOL•THOR učinkovito prenosi električnu energiju iz fotonaponskih modula na priključeni grijač gdje se pak pretvara u toplinu. Za brzu procjenu koliko snage fotonaponskih modula je potrebno za pokriće 50 % godišnje potrebe za energijom za pripremu tople vode po osobi, uz potrošnju 50 l/dan po osobi, može poslužiti slika 7.

Foto: Schrack Technik

Spoj pretvarača SOL•THOR

Osnovni električni spoj pretvarača sastoji se u priključenju fotonaponskih modula i grijača, slika 8. Kabeli iz fotonaponskih modula spajaju se izravno na SOL•THOR putem MC4 konektora, a novi ili već instalirani grijaći element u spremniku topline povezuje se na SOL•THOR. Kao opcija može se spojiti temperaturni osjetnik, ako ga grijač već nema u sebi. Može se spojiti i  javna izmjenična mreža koja osigurava grijanje vode u slučaju da fotonaponski moduli ne mogu proizvesti svu potrebnu energiju, primjerice za oblačna vremena. SOL•THOR se može postaviti za preuzimanje energije iz javne mreže kada je ona najpovoljnija za kupnju uz praćenje dinamičkih cijena/tarifa.

Foto: Schrack Technik

SOL•THOR se može postaviti i u način rada s dva grijača, slika 9. To se izvodi kako bi se gornji sloj spremnika brže zagrijao i kako bi topla voda bila ranije na raspolaganju. Prebacivanje s gornjeg na donji grijač događa se automatski dočim gornji sloj dostigne  željenu temperaturu. U slučaju da temperatura u gornjem sloju padne ispod zadane razine, ponovno se, automatski,  uključuje gornji grijač.  Oba grijača rade u izmjeničnom radu - nikada oba paralelno.

Foto: Schrack Technik

Uređaj je dohvatljiv preko programske aplikacije za praćenje rada my PV Cloud  žičanim ili bežičnim spojem s mrežnim usmjernikom, slika 10. Uređaj se može spojiti  i RS485 komunikacijom u nadređeni sustav upravljanja pri čemu sabirnica mora biti uobičajeno zaključena sa 120 ohma. Na pretvarač je moguće spojiti do 3 osjetnika temperature, pri čemu se jedan isporučuje u opsegu isporuke. Ako se montiraju u spremnik bitno je da budu iznad grijača (pratiti upute uz proizvod!). Montaža osjetnika nije obavezna ako grijači imaju podesivu  termostatsku sklopku. Uređaj može preko „boost“ relejnog kontakta pokrenuti i drugi izvor topline kako bi spremnik bio u predviđeno vrijeme spreman za upotrebu. Uređaj može dojaviti i alarmno stanje u slučaju zemljospoja, najčešće proboja grijača.

Foto: Schrack Technik

Osim u jednom stanu, odnosno zgradi uređaj se može primijeniti i u višestambenom objektu, slika 11. Svaki stan će imati svoj uređaj SOL•THOR, a njihov smještaj će u pravilu pratiti smještaj fotonaponskih modula.

Foto: Schrack Technik

U načelu mogu se rabiti uobičajeni grijači bojlera ili spremnika tople vode no osim termostatske bimetalne sklopke moraju imati i sigurnosnu temperaturnu sklopku. Uređaj može napajati svaki grijač koji ima otporni karakter, no nisu pogodni grijači koji imaju elektroničke uređaje potrebne za svoj rad. Ukoliko sumnjate u kvalitetu grijača najbolje je nabaviti originalni tvornički grijač, slika 12.

Foto: Schrack Technik

Zaključak

DC/DC pretvarač SOL•THOR, prvi je u nizu uređaja koji električnu energiju iz fotonaponskih modula rabi za izravnu pripremu tople vode. Uređaj je izuzetno kompaktan i  jednostavan za instalaciju i ne traži dozvolu za postavljanje jer ne može predati energiju u mrežu. Ako nema dovoljno sunca – uređaj preuzima energiju iz mreže i pouzdano osigurava toplu vodu u zadanom vremenskom cilju. Postavljanjem vremenskih okvira za aktivaciju preuzimanja  nedostajuće energije iz mreže, uređaj će preuzimati samo „jeftinu struju“. Uređaj može smanjiti troškove pripreme tople vode za četveročlanu obitelj za 50%.

Tekst je nastao u Schrack Technik d.o.o., a moguća pitanja naslovite na [email protected]