Η διαστασιολόγηση μπαταρίας φωτοβολταϊκών ξεκινά από το προφίλ κατανάλωσης και τον στόχο της εγκατάστασης.
Αν συγκρίνετε συστήματα αποθήκευσης και βλέπετε προτάσεις όπως 50 kW / 100 kWh και 100 kW / 200 kWh, οι αριθμοί μπορεί να φαίνονται απλοί. Δεν αρκούν όμως για να δείξουν ποιο σύστημα ταιριάζει στην εγκατάστασή σας.
Για σωστή διαστασιολόγηση χρειάζεται να δούμε πότε καταναλώνετε ενέργεια, πόση ισχύ χρειάζεστε εκείνη τη στιγμή, πόση ενέργεια μπορεί να φορτίσει η μπαταρία από τα φωτοβολταϊκά και πόση από την ονομαστική χωρητικότητα θα είναι διαθέσιμη στην πράξη.
Με λίγα λόγια, δεν επιλέγουμε μπαταρία μόνο από έναν λογαριασμό ρεύματος ή από τη συνολική ισχύ των φωτοβολταϊκών. Τη διαστασιολογούμε με βάση το προφίλ φορτίου, την παραγωγή, τον τρόπο λειτουργίας και τους περιορισμούς του συστήματος.
kW και kWh: τι μετράει το καθένα;
Τα kW μετρούν ισχύ: πόση ενέργεια μπορεί να δώσει ή να απορροφήσει η μπαταρία σε μια δεδομένη στιγμή. Τα kWh μετρούν ενέργεια: πόση ενέργεια μπορεί να αποθηκεύσει.
Ένας πρακτικός τρόπος να το σκεφτείτε:
- Τα kW δείχνουν πόσο δυνατά μπορεί να λειτουργήσει η μπαταρία.
- Τα kWh δείχνουν για πόση ώρα μπορεί να το κάνει.
Για παράδειγμα, μια μπαταρία 50 kW / 100 kWh έχει θεωρητική διάρκεια δύο ωρών όταν λειτουργεί συνεχώς στα 50 kW:
100 kWh ÷ 50 kW = 2 ώρες
Το ίδιο ισχύει για μια μπαταρία 100 kW / 200 kWh:
200 kWh ÷ 100 kW = 2 ώρες
Άρα, με βάση μόνο αυτά τα ονομαστικά μεγέθη, και τα δύο συστήματα έχουν διάρκεια δύο ωρών. Το δεύτερο μπορεί να δώσει μεγαλύτερη ισχύ, αλλά δεν αποθηκεύει περισσότερες ώρες ενέργειας αναλογικά.
| Ονομαστική ισχύς | Ονομαστική χωρητικότητα | Θεωρητική διάρκεια στην πλήρη ισχύ |
|---|---|---|
| 50 kW | 100 kWh | 2 ώρες |
| 100 kW | 200 kWh | 2 ώρες |
Στην πράξη, η αξιοποιήσιμη διάρκεια είναι συνήθως μικρότερη από την απλή διαίρεση. Παίζουν ρόλο το επιτρεπόμενο βάθος εκφόρτισης, οι απώλειες, οι συνθήκες λειτουργίας και η γήρανση.
Γιατί ξεκινάμε από το load profile
Το πρώτο τεχνικό δεδομένο είναι το προφίλ φορτίου: η κατανάλωση της εγκατάστασης ανά χρονικό διάστημα στη διάρκεια της ημέρας και του έτους.
Ο μηνιαίος λογαριασμός δείχνει πόση ενέργεια καταναλώθηκε συνολικά, αλλά όχι πότε καταναλώθηκε. Δύο επιχειρήσεις με ίδια ετήσια κατανάλωση μπορεί να έχουν τελείως διαφορετικές ανάγκες:
- Η μία μπορεί να έχει υψηλό φορτίο για λίγες ώρες το μεσημέρι.
- Η άλλη μπορεί να καταναλώνει σταθερά όλη την ημέρα.
- Μια τρίτη μπορεί να έχει σύντομες, απότομες αιχμές από μηχανήματα ή εξοπλισμό.
Για να διαστασιολογηθεί σωστά ένα σύστημα, εξετάζουμε μετρήσεις φορτίου σε τακτά διαστήματα — συχνά ανά 15 λεπτά ή λεπτομερέστερα, όταν απαιτείται ανάλυση αιχμών — και όχι μόνο τα αθροιστικά στοιχεία του λογαριασμού. Η σημασία του συγκεκριμένου προφίλ για τη μείωση αιχμών φαίνεται και στα εργαλεία ανάλυσης του NREL, όπου ο έλεγχος της μπαταρίας συνυπολογίζει το φορτίο και, σε εγκαταστάσεις με φωτοβολταϊκά, την ηλιακή παραγωγή. samrepo.nlr.gov
Η ισχύς της μπαταρίας πρέπει να καλύπτει τον στόχο
Αν ο στόχος είναι η μείωση μιας αιχμής κατανάλωσης, η μπαταρία χρειάζεται αρκετή ισχύ σε kW για να καλύψει το επιθυμητό τμήμα της αιχμής.
Για παράδειγμα, αν μια εγκατάσταση θέλει να περιορίσει την απορρόφηση από το δίκτυο κατά 70 kW σε συγκεκριμένες ώρες, ένα σύστημα με μετατροπέα 50 kW δεν μπορεί να καλύψει μόνο του ολόκληρο αυτόν τον στόχο. Μπορεί να συνεισφέρει έως την ισχύ που επιτρέπουν ο μετατροπέας, η μπαταρία και οι ρυθμίσεις του συστήματος.
Η ονομαστική ισχύς του μετατροπέα δεν είναι η μόνη παράμετρος. Εξετάζουμε επίσης αν πρόκειται για συνεχή ή στιγμιαία ισχύ, τους περιορισμούς σε kVA, τη δυνατότητα παροχής ή απορρόφησης άεργου ισχύος και τυχόν περιορισμούς από τη σύνδεση. Αυτά επηρεάζουν το πόση ενεργό ισχύ μπορεί πράγματι να δώσει το σύστημα.
Η χωρητικότητα εξαρτάται από το πόσες ώρες χρειάζεται η ενέργεια
Αφού προσδιορίσουμε την απαιτούμενη ισχύ, υπολογίζουμε για πόση ώρα πρέπει να διατηρηθεί.
Απαιτούμενη ενέργεια = ισχύς × χρόνος
Αν θέλουμε να καλύψουμε 40 kW για δύο ώρες:
40 kW × 2 ώρες = 80 kWh
Αυτό είναι το ενεργειακό φορτίο που θέλουμε να εξυπηρετήσουμε. Δεν σημαίνει ότι αρκεί μια μπαταρία με ονομαστική χωρητικότητα 80 kWh, επειδή δεν χρησιμοποιείται κατ’ ανάγκη όλη η ονομαστική χωρητικότητα και υπάρχουν απώλειες.
Ονομαστική χωρητικότητα και usable capacity
Η ονομαστική χωρητικότητα είναι το μέγεθος που αναγράφεται για την μπαταρία. Η usable capacity είναι η ενέργεια που επιτρέπεται ή μπορεί να χρησιμοποιηθεί στο συγκεκριμένο σύστημα και στις συγκεκριμένες συνθήκες λειτουργίας.
Το depth of discharge (DoD), ή βάθος εκφόρτισης, περιγράφει ποιο ποσοστό της χωρητικότητας εκφορτίζεται. Η σχέση του με την αξιοποιήσιμη χωρητικότητα εξαρτάται από τα όρια λειτουργίας που ορίζει ο κατασκευαστής και από το πώς έχει σχεδιαστεί το σύστημα. Για παράδειγμα, μια ονομαστική μπαταρία 100 kWh με επιτρεπόμενο DoD 90% αντιστοιχεί ενδεικτικά σε 90 kWh ενέργειας πριν υπολογιστούν οι υπόλοιπες απώλειες.
Για να δούμε τι μπορεί να σημαίνει αυτό στην πράξη, ας υποθέσουμε:
- Ονομαστική χωρητικότητα: 100 kWh
- Επιτρεπόμενο DoD: 90%
- Απόδοση μετατροπής κατά την εκφόρτιση: 96%
Τότε η διαθέσιμη ενέργεια AC είναι περίπου:
100 × 0,90 × 0,96 = 86,4 kWh
Οι τιμές είναι ενδεικτικές, όχι προδιαγραφές συγκεκριμένου προϊόντος. Η διαθέσιμη ενέργεια πρέπει να υπολογιστεί με βάση το datasheet και τα όρια λειτουργίας του προτεινόμενου συστήματος.
Πώς επηρεάζει η διαστασιολόγηση την καμπύλη παραγωγής των φωτοβολταϊκών
Για ένα σύστημα φωτοβολταϊκών με μπαταρία, δεν αρκεί να γνωρίζουμε την εγκατεστημένη ισχύ των πάνελ. Χρειάζεται να εξετάσουμε πότε παράγεται ενέργεια και πότε τη χρειάζεται η εγκατάσταση.
Η καμπύλη παραγωγής μπορεί, για παράδειγμα, να έχει υψηλή παραγωγή το μεσημέρι, ενώ η κατανάλωση κορυφώνεται νωρίς το πρωί ή το απόγευμα. Η μπαταρία μπορεί να μεταφέρει μέρος της περίσσειας παραγωγής σε ώρες που τη χρειάζεται το φορτίο. Όμως, αυτό προϋποθέτει ότι:
- υπάρχει πράγματι περίσσεια ενέργειας για φόρτιση,
- η μπαταρία και ο μετατροπέας μπορούν να τη φορτίσουν με την απαιτούμενη ισχύ,
- υπάρχει αρκετός χρόνος φόρτισης πριν από την εκφόρτιση,
- και το προφίλ παραγωγής και φορτίου επαναλαμβάνεται με τρόπο που εξυπηρετεί τον επιλεγμένο στόχο.
Το NREL περιγράφει τη χρήση της αποθήκευσης σε συνδυασμό με φωτοβολταϊκά για μεταφορά περίσσειας παραγωγής σε μεταγενέστερες ώρες ή σε ώρες υψηλότερης ζήτησης. Αυτός είναι και ο λόγος που η καμπύλη παραγωγής εξετάζεται μαζί με το load profile. National Laboratory of the Rockies
Απώλειες: η ενέργεια που μπαίνει δεν είναι ίδια με την ενέργεια που βγαίνει
Κατά τη φόρτιση και την εκφόρτιση, μέρος της ενέργειας χάνεται. Η απόδοση κύκλου φόρτισης-εκφόρτισης (round-trip efficiency) εκφράζει πόση ενέργεια επιστρέφει ως χρήσιμη ενέργεια σε σχέση με αυτή που χρειάστηκε για να φορτιστεί ξανά το σύστημα.
Οι απώλειες επηρεάζονται από το σύνολο του συστήματος και από τις συνθήκες λειτουργίας. Γι’ αυτό πρέπει να εξετάζουμε αν η δηλωμένη απόδοση αφορά την μπαταρία μόνη της ή ολόκληρο το σύστημα, καθώς και αν οι μετρήσεις είναι στην πλευρά DC ή AC. Το NREL ορίζει την απόδοση κύκλου ως τον λόγο της χρήσιμης ενέργειας εξόδου προς την ενέργεια εισόδου που απαιτείται για την επαναφόρτιση. NLR
Κύκλοι, degradation και πραγματική διάρκεια ζωής
Οι κύκλοι φόρτισης και εκφόρτισης επηρεάζουν τη γήρανση, αλλά ο αριθμός κύκλων μόνος του δεν αρκεί για να προβλέψει τη διάρκεια ζωής.
Σημασία έχουν επίσης:
- το βάθος εκφόρτισης κάθε κύκλου,
- οι θερμοκρασίες λειτουργίας,
- η ισχύς φόρτισης και εκφόρτισης,
- ο χρόνος που η μπαταρία μένει σε υψηλό ή χαμηλό state of charge,
- και η ημερολογιακή γήρανση, ακόμη και όταν η μπαταρία δεν κάνει πολλούς κύκλους.
Το NREL επισημαίνει ότι η υποβάθμιση εξαρτάται από παράγοντες όπως η θερμοκρασία, τα λειτουργικά όρια και τα μοτίβα κύκλων. Συνεπώς, μια εκτίμηση ζωής χρειάζεται το προφίλ χρήσης και τις προδιαγραφές του συγκεκριμένου συστήματος, όχι μόνο μια γενική τιμή «κύκλων». NREL
Κατά την αξιολόγηση μιας προσφοράς, ελέγξτε τι ακριβώς εγγυάται ο κατασκευαστής: διάρκεια εγγύησης, ελάχιστη διατηρούμενη χωρητικότητα στο τέλος της περιόδου, επιτρεπόμενη ενεργειακή διέλευση και προϋποθέσεις λειτουργίας. Η εγγύηση και η αναμενόμενη διάρκεια ζωής δεν είναι το ίδιο πράγμα.
Πώς συγκρίνονται τεχνικά τα 50 kW / 100 kWh και 100 kW / 200 kWh;
Και τα δύο παραδείγματα αντιστοιχούν σε ονομαστική διάρκεια δύο ωρών στην πλήρη ισχύ τους. Η βασική διαφορά είναι το επίπεδο ισχύος και ενέργειας που μπορούν να διαχειριστούν:
- Τα 50 kW / 100 kWh μπορούν να καλύψουν χαμηλότερες αιχμές για δύο θεωρητικές ώρες.
- Τα 100 kW / 200 kWh μπορούν να καλύψουν διπλάσια ονομαστική ισχύ και περίπου διπλάσια ενέργεια, για την ίδια θεωρητική διάρκεια.
Αν η εγκατάσταση χρειάζεται 40 kW για δύο ώρες, το ερώτημα δεν είναι απλώς ποια λύση είναι μεγαλύτερη. Πρέπει να εξεταστεί αν η usable capacity επαρκεί αφού υπολογιστούν DoD, απώλειες και το περιθώριο που απαιτείται για τη γήρανση.
Αν, αντίθετα, χρειάζεται 80 kW για τρεις ώρες, τότε η απαίτηση είναι 240 kWh στην πλευρά του φορτίου. Μια λύση 100 kW / 200 kWh δεν καλύπτει αυτή την απαίτηση με βάση μόνο τα ονομαστικά μεγέθη, πριν καν ληφθούν υπόψη usable capacity και απώλειες.
Η διαδικασία διαστασιολόγησης, βήμα προς βήμα
Για μία τεκμηριωμένη διαστασιολόγηση μπαταρίας, η μελέτη συνήθως ακολουθεί αυτή τη σειρά:
- Ορίζουμε τον στόχο. Μείωση αιχμής, αξιοποίηση φωτοβολταϊκής περίσσειας, εφεδρεία ή άλλος τρόπος λειτουργίας.
- Συλλέγουμε τα δεδομένα φορτίου. Καταναλώσεις ανά χρονικό διάστημα και, όπου υπάρχει, στοιχεία για τις περιόδους αιχμής.
- Συνδυάζουμε το φορτίο με την παραγωγή. Χρησιμοποιούμε χρονοσειρές φωτοβολταϊκής παραγωγής και κατανάλωσης.
- Υπολογίζουμε την απαιτούμενη ισχύ. Πόσα kW πρέπει να δίνει ή να απορροφά το σύστημα και για πόσο χρόνο.
- Υπολογίζουμε την απαιτούμενη χωρητικότητα. Με βάση τη διάρκεια λειτουργίας, το DoD και τις απώλειες.
- Ελέγχουμε λειτουργία και γήρανση. Κύκλοι, θερμοκρασίες, εγγυημένη χωρητικότητα και αναμενόμενη υποβάθμιση.
- Ελέγχουμε τον εξοπλισμό και τους περιορισμούς σύνδεσης. Μετατροπέας, ηλεκτρολογικός εξοπλισμός και σύστημα ελέγχου.
Η διαστασιολόγηση αφορά το συνολικό BESS, όχι μόνο τις συστοιχίες μπαταριών. Ο ΔΕΔΔΗΕ περιγράφει το σύστημα αποθήκευσης ως συνδυασμό μετατροπέα ισχύος, συσσωρευτών, ηλεκτρολογικού εξοπλισμού και συστήματος ελέγχου και παρακολούθησης. ΔΕΔΔHΕ
Τεχνική αξιολόγηση από τη Flexi Concepts
Η διαστασιολόγηση μιας μπαταρίας χρειάζεται να συνδυάζει δεδομένα κατανάλωσης, φωτοβολταϊκής παραγωγής και ηλεκτρολογικής εγκατάστασης. Η Flexi Concepts, τεχνική εταιρεία με αντικείμενο τις φωτοβολταϊκές και ηλεκτρολογικές εγκαταστάσεις, αναφέρει ότι αξιολογεί υφιστάμενες εγκαταστάσεις, inverter, παραγωγή και πραγματικό προφίλ κατανάλωσης για την εξέταση λύσεων αποθήκευσης.
Συχνές ερωτήσεις για τη διαστασιολόγηση μπαταρίας
Αρκεί η ετήσια κατανάλωση για να επιλέξω μπαταρία;
Όχι. Η ετήσια κατανάλωση δείχνει πόση ενέργεια χρησιμοποιήθηκε συνολικά, αλλά δεν δείχνει τις ώρες κατανάλωσης, τις αιχμές ή αν υπάρχει περίσσεια φωτοβολταϊκής παραγωγής για φόρτιση. Χρειάζεται να εξεταστούν οι χρονικές καμπύλες φορτίου και παραγωγής.
Μια μπαταρία 100 kWh δίνει πάντα 100 kWh στο φορτίο;
Όχι απαραίτητα. Η ενέργεια που μπορεί να αξιοποιηθεί εξαρτάται από τα όρια φόρτισης και εκφόρτισης, τις απώλειες του συστήματος και την κατάσταση της μπαταρίας. Γι’ αυτό συγκρίνουμε τη usable capacity, όχι μόνο την ονομαστική χωρητικότητα.
Τι σημαίνει «μπαταρία δύο ωρών»;
Συνήθως σημαίνει ότι η ονομαστική χωρητικότητα σε kWh είναι διπλάσια από την ισχύ σε kW. Για παράδειγμα, 100 kWh / 50 kW = δύο ώρες θεωρητικής λειτουργίας στην πλήρη ισχύ. Δεν αποτελεί εγγύηση ότι το σύστημα θα δίνει αυτή την ισχύ για δύο ώρες σε κάθε συνθήκη.
Ποια μπαταρία είναι καλύτερη: 50 kW / 100 kWh ή 100 kW / 200 kWh;
Καμία δεν είναι καλύτερη για κάθε εγκατάσταση. Η επιλογή εξαρτάται από το μέγιστο φορτίο που θέλετε να καλύψετε, τη διάρκειά του, την καμπύλη φωτοβολταϊκής παραγωγής και τον επιθυμητό τρόπο λειτουργίας.
Το σωστό μέγεθος προκύπτει από τα δεδομένα
Τα kW απαντούν στο «πόση ισχύ χρειάζομαι τώρα;». Τα kWh απαντούν στο «για πόση ώρα χρειάζομαι ενέργεια;». Για σωστή διαστασιολόγηση πρέπει να συνδυαστούν με το load profile, την καμπύλη παραγωγής των φωτοβολταϊκών, το βάθος εκφόρτισης, τις απώλειες και τη γήρανση.
Γι’ αυτό, πριν συγκρίνετε προσφορές, ζητήστε να δείτε τις παραδοχές της μελέτης και την αναμενόμενη διαθέσιμη ενέργεια στην πλευρά του φορτίου. Έτσι μπορείτε να αξιολογήσετε αν η προτεινόμενη μπαταρία καλύπτει πραγματικά τις ανάγκες της εγκατάστασής σας.
