Optimal udnyttelse af solcelle-el i batterier og varmepumpe i énfamiliehuse - Batterisystem tilsluttet solcelleanlæg med vekselretter

I dette system blev solcelleanlægget med vekselretter tilsluttet en kombineret inverter og lader, som fungerer som to-vejsomformer, idet den kan vekselrette eller ensrette efter behov. Dvs. den hhv. ensretter vekselpændingen, der kommer fra solcelleanlæggets inverter, til jævnspænding, lader det på batteriet, når der er overskud af el, og omvendt aflader batteriet, og vekselretter spændingen til brug i husholdningen, når behovet er der. Batteripakken er på 5 kWh fra Lithium Balance med en spænding på cirka 50 V. Solcelleanlægget på 3,5 kWp er koblet til på AC-siden via dets egen Danfoss-inverter. Den kombinerede lader/inverter er på 4,6 kW og fra firmaet SMA.

Den særlige SMA-måler registrerer, om der på et givet tidspunkt er import eller eksport af el til nettet og giver signal til inverteren om at trække strøm fra batteriet hvis der er behov for import, dvs. når det skal bruges i husholdningen. Tilsvarende får batterierne lov at lade op, hvis der er overskuds-el, som ellers ville blive sendt på nettet. Den aktuelle ladetilstand kan aflæses på et display, så man eventuelt kan agere efter det og tilpasse elforbruget.

Systemet er bygget om med en enkelt batterikasse som indeholder 16 Litium celler samt et batteri-management-system (BMS) med sikringer og relæer. Batteriet er tilsluttet inverteren som er ophængt umiddelbart over batteriet for at minimere spændingstab.
Batterikasse med LFP celler og samlet 48 V 100 Ah kapacitet. I praksis udnyttes 80% af kapaciteten, svarende til cirka 4 kWh.

BMS systemet bruger en smule effekt, blandt andet til afbalancering af de enkelte cellers spænding. For at holde batteriet over dets minimumsspænding, kan det derfor være nødvendigt at tilføre lidt el fra nettet i perioder uden sol.

Overordnede konklusioner for batterisystem 1

Systemet fungerede udmærket med hurtig reaktion og god præcision, idet der i lange perioder kunne opnås drift uden hverken import eller eksport men alene drift med batteri og solceller. Trods forskellige problemer undervejs kan man fastslå:

• SMA inverter og styring er velfungerende, men der er betydelige energitab forbundet med konvertering fra AC (vekselspænding) til DC (jævnspænding) og tilbage igen, især er de relative tab store ved lav belastning. (Samlet cyklus effektivitet 80%).
• Tomgangstabet har stor betydning.
• Batteripakken har en høj cyklus effektivitet både ved stor og lille belastning (97 %)
• Langt den største del af systemtabene finder altså sted i AC/DC- og DC/AC-konverteringen – altså i inverter
• Der mangler en sikkerhedsfunktion, som kan redde batteriet i tilfælde af manglende opladning, for eksempel en akustisk alarm samt frakobling af alle forbrugende kredse.
• Inverteren gav en ubehagelig lyd ved opstart, hvilket vil være generende i et beboet hus
• Der køres på solskinsdage typisk lidt over en fuld cyklus gennem batteriet
• Effektiviteten bliver ikke dårligere ved stærk dynamisk kørsel – det være sig med spidslaster på forbrug eller variabel elproduktion ved ”sol med skyer”.
• Inverteren kan underdimensioneres i forhold til solcelleanlæggets effekt og det maksimale elforbrug.

Tab ved lav belastning

Tomgangsforbruget på inverteren har en betydelig indvirkning på systemeffektiviteten ved små effekter. Det er af fabrikanten angivet til 26 W. En måling viste, at omkring 30 % af tabet finder sted, når inverteren er ubelastet. Der er kun få timer, hvor inverteren kører med fuld effekt, så det vil sige, at man kan roligt underdimensionere inverteren i forhold til solcelleanlæggets nominelle effekt samt det maksimale forbrug.

Set i forhold til normale nettilsluttede solcelleinvertere, er tabene ret store, blandt andet fordi der sidder en transformator i enheden, hvorimod de fleste moderne solcelleinvertere er transformerløse. Der er også større tab i systemer med lav DC-spænding som det er tilfældet her (50 V).

Effektivitet

Den overordnede konklusioner er, at den samlede cyklus-effektivitet ligger på 73 - 80 %, hvoraf langt det største tab er på inverteren. Et godt råd er, at man køber et samlet system, hvor leverandøren garanterer, at batteri og inverter kan fungere sammen. Og så skal man populært sagt hellere købe inverteren lidt for lille end lidt for stor, idet de store tab ligger ved tomgang eller lave belastninger.

Nedenfor ses den målte systemeffektivitet for en periode er beregnet ud fra et 14-dags forsøg i marts-april. Forsøget er baseret på kvartersværdier for forbruget. For så lang en måleperiode har batteriets start og sluttilstand kun lille betydning for beregningen, så effektiviteten kan i praksis beregnes af:

Effektivitet = Energi tappet fra batterisystem/energi tilført batterisystem (batterisystem er inkl. inverter/lader).

Den daglige gennemsnitsladning er således cirka 64/14 = 4,6 kWh. Hvis vi regner med en nominel kapacitet på 4 kWh på batteriet, svarer det til, at der dagligt køres mere end en fuld cyklus igennem lageret i denne måleperiode.

I en følgende måleperiode på 14 dage i maj er der benyttet minutværdier til simulering af elforbruget, og dermed kommer der flere hurtige fluktuationer.

Minutværdier for elforbrug i enfamiliehus, hverdage i sommerperioden. Der er skaleret til et årsforbrug på 4.000 kWh.

Der er her målt:

Virkningsgraden er stor på selve batteriet:

Langt den største del af systemtabene finder altså sted i AC/DC og DC/AC konverteringen. Det anbefales derfor at arbejde videre med optimering og beskrivelse af denne del.

Der er således målt cykluseffektivitet på 0,73 – 0,80 afhængigt af forbrugs-profilens tids-opdeling. Det er interessant, at den største virkningsgrad er målt, hvor man kører varierende forbrug (minut-værdier i stedet for de mere udjævnede kvarters-værdier.)

Lade og afladeforløb – klar dag

Lade/aflade forløb på en klar dag viser at batteriet hurtigt bliver ladet fuldt op og ladeeffekten bliver nul i løbet af formiddagen. Batteriet bliver delvist afladet om aftenen.

Figuren viser, at der eksporteres via hovedmåleren, når batteriet er fyldt op.

Lade og afladeforløb – skyet dag

Lade/aflade forløb på en skyet dag viser at der hyppigt sker skift mellem op- og afladning.

Hovedmåleren er stort set neutral i dagtimerne, hvilket viser at batteristyringen virker korrekt (al solstrømmen bliver brugt lokalt).

Erfaringer (fra halvårsrapport)

• At der typisk op- og aflades godt en gang i døgnet i sommer halvåret (når der er sol), hvilket betyder, at batteriet er godt udnyttet.
• På hele solskinsdage er batteriet typisk opladet i løbet af formiddagen, hvorefter resten af dagens solcelleproduktion må sælges, indtil der forbruges igen om eftermiddagen. I løbet af aftenen bliver batterilageret typisk tømt.
• Der skiftevis op- og aflades oftere på dage med overskyet end på hele solskinsdage; dvs. batterisystemet kommer rigtig til sin ret på dage med overskyet vejr (det solrige vejr er dog naturligvis at foretrække).
• Batteriet er relativt godt dimensioneret, idet dette batteri på knap 5 kWh (4 kWh aktiv lagring) passer godt til solcelleanlægget på 3,5 kW. Det passer med dimensioneringsreglen om, at batteriets brugbare energiindhold i kWh skal svare til solcelleanlæggets peak-effekt i kW. Det svarer til, at batteriet oplades på omkring en times fuldlastkørsel fra solcelleanlægget. Der er naturligvis tale om et kompromis, idet et batteri, der op- og aflades ofte, ikke kan indeholde nær alt det energi, solcelleanlægget producerer på en solrig dag. Det er dette kompromis, der er indgået ved før beskrevne dimensioneringsregel. Dette vil naturligvis også afhænge af, hvor meget dyrere batteriet bliver afhængigt af batteristørrelse.
• Den samlede effektivitet for op-og afladning: Omkring 0,73 for forbrug med 15 minutters værdier og 0,8 for forbrug ved 1 minut-værdier. Kun på vinterdage med lidt solindfald bliver det relative tab større (idet der er et vist -basis-tab på batteriet). På dage med meget lidt sol er det absolutte tab meget lille, men procentvis er det stort. Der bruges således lidt el fra nettet til at holde batterispændingen oppe.
• Der er store tab på inverteren, bl.a. fordi den er for stor til batterisystemet og solcelleanlægget. Dette tab er relativt større ved lave produktioner.
• Invertereffektivitet er således typisk på 75 - 80 %, dog meget lavere ved lav produktion.
• Batteri-effektivitet ved de fleste dagsprofiler er meget høj - 96 - 98 % - men fx nede på 80 % ved enkelte dagsprofiler.