AC vs. DC w budynkach mieszkalnych wyposażonych w system Solar-plus-storage

Naukowcy z Chalmers University of Technology w Szwecji porównali potencjał oszczędności energii systemów dystrybucji prądu przemiennego (AC) i prądu stałego (DC) w budynkach mieszkalnych wyposażonych w systemy fotowoltaiczne i akumulatorowe. W szczególności przyjrzeli się, czy konfiguracje prądu stałego mogą prowadzić do niższych strat energii.

„Jednym z aspektów wynikających z tej pracy jest to, że możemy przedstawić modelowane oszczędności strat z dystrybucją prądu stałego dla klimatu nordyckiego z – średnio – niższym natężeniem promieniowania” – powiedział badacz Patrik Ollasmagazyn pt. „Również efekt – i udowodniona konieczność – przechowywania PV i akumulatorów w celu osiągnięcia oszczędności energii dzięki prądowi stałemu”.

Do analizy dziennej i sezonowej wydajności dwóch topologii naukowcy wykorzystali całoroczny zestaw danych dotyczących wykorzystania obciążenia, generacji PV, zależnych od obciążenia charakterystyk wydajnościowych konwerterów energoelektronicznych (PEC) i przechowywania baterii. Rozważali konfiguracje prądu przemiennego i stałego dla budynku z południową instalacją słoneczną i magazynową o mocy 3,6 kW przy kącie nachylenia 45 stopni. Założyli, że budynek ma ogrzewanie pomieszczeń i ciepłej wody użytkowej za pomocą gruntowej pompy ciepła.

„Poszczególne pomiary uzyskano dla następujących urządzeń: gruntowa pompa ciepła, wentylacja, pompy wodne i wytwarzanie PV” – stwierdzili naukowcy, zauważając, że roczne zapotrzebowanie na obciążenie wynosi 6354 kWh, przy czym PV generuje 3113 kWh. „Badanie to przeprowadzono dla budynku podłączonego do sieci; do interakcji z siecią potrzebny był dwukierunkowy konwerter AC/DC”.

W pracy uwzględniono cztery różne topologie systemów: AC — 230 VAC o wydajności zależnej od obciążenia, DC1 — 380 VDC o wydajności zależnej od obciążenia, DC2 — 380 VDC ze stałą wydajnością przetwornicy oraz DC3 — 380 i 20 VDC o wydajności zależnej od obciążenia.

„Podnapięcie 20 VDC zostało dodane do DC1 i DC2, aby zasilać mniejsze obciążenia i oświetlenie przez centralny konwerter DC/DC” – powiedział zespół badawczy.

Odkryli, że straty przetwornicy dwukierunkowej znacznie się różnią, gdy są modelowane ze stałą i zależną od obciążenia charakterystyką wydajności. Odkryli również, że topologia prądu stałego może zapewnić oszczędność energii nawet bez uwzględnienia ogniw fotowoltaicznych lub akumulatorów.

„Straty przetwornicy podłączonej do sieci przy zastosowaniu podejścia ze stałą wydajnością (DC2) były o 34 procent niższe niż w przypadku implementacji sprawności zależnej od obciążenia (DC1)” – powiedzieli. „Wartości sprawności systemu odpowiednich systemów (AC i DC1-3) wyniosły odpowiednio 95,3, 94,3, 95,8 i 93,7 procent”.

Grupa doszła do wniosku, że konfiguracja prądu stałego nie stanowi korzystnej opcji pod względem redukcji strat bez uwzględnienia systemu fotowoltaicznego i baterii.

„W bardziej naukowym kontekście zwrócono uwagę na błędne stosowanie stałych wydajności zarówno dla akumulatora, jak i konwertera energoelektronicznego” – podsumował Ollas. „Ponadto największe oszczędności uzyskano, gdy energia fotowoltaiczna była dostarczana do odbiorników bezpośrednio lub przez akumulatory. Przyznaję, że dystrybucja prądu stałego w budynkach jest zastosowaniem niszowym i znajduje się w sytuacji „haczyka”-22 w zakresie dostaw produktów i popytu. Jednak niektóre szczególne przypadki mogą być w tym przypadku interesujące, na przykład wewnętrzne sieci prądu stałego ze sprzężeniem fotowoltaicznym, bateryjnym i EV oraz budynki biurowe z dobrą korelacją między fotowoltaiką a zapotrzebowaniem na obciążenie”.

Naukowcy przedstawili swoje odkrycia w artykule „Oszczędność strat energii przy użyciu dystrybucji prądu stałego w budynku mieszkalnym z fotowoltaiką słoneczną i magazynowaniem baterii”, który został niedawno opublikowany w czasopiśmieEnergie.