Optimalizace návrhu akumulační nádrže pro FVE
© Fotolia.com
V posledních letech stále více přibývá instalací fotovoltaických systémů na rodinných domech, ve kterých se k akumulaci přebytečné energie využívá akumulace do teplé vody. Při návrhu těchto systémů bývá často spotřeba teplé vody zohledněna jako přídavná spotřeba elektrické energie bez možnosti podrobnější optimalizace. V tomto článku se podrobněji zaměříme na vliv velikosti akumulační nádrže na celoroční bilanci fotovoltaické elektrárny s využitím desetiminutového kroku výpočtu, který nám umožní podrobnější zohlednění procesů spojených s výrobou elektrické energie, spotřebou teplé vody a její akumulací. Výsledky budou posuzovány nejen z pohledu energetické bilance, ale i z pohledu ekonomické výhodnosti.
Popis systému
Pro účely tohoto článku byl zvolen modelový objekt novostavby rodinného domu obývaného třemi osobami. Základní parametry instalovaného fotovoltaického systému jsou uvedeny v následující tabulce. Ve výpočtu je účinnost fotovoltaických panelů a měniče stanovována na základě konkrétních podmínek v každém výpočtovém kroku (například v závislosti na aktuální dopadající energii slunečního záření, teplotě článku, zatížení měniče).
| Instalovaný jmenovitý výkon | 3 600 W |
| Účinnost fotovoltaických panelů | 18 % |
| Ohmické ztráty v rozvodech | 5 % |
| Orientace panelů (jih = 180°) | 195° |
| Sklon | 40° |
| Průměrná účinnost měniče | 95 % |
Profily spotřeby elektrické energie
Vzhledem k podrobnému výpočetnímu kroku je potřeba pro korektní výpočet znát i podrobný profil spotřeby elektrické energie. V ideální situaci by byl nejvhodnější záznam spotřeby elektrické energie v časovém intervalu deset minut a menším. Vzhledem k tomu, že předmětný objekt je novostavbou a konkrétní spotřebu neznáme, je potřeba vycházet z obecných údajů pro daný typ objektu. Profil spotřeby elektrické energie byl převzat z normalizovaného typového diagramu dodávky číslo 4 [1] pro rok 2017 (viz Obrázek 1) obsahující průměrné spotřeby pro rodinné domy bez tepelného využití elektřiny v časovém intervalu jedné hodiny. Profil neobsahuje spotřebovanou energii na přípravu teplé vody, která bude stanovena podrobným výpočtem. Maximální hodinový odběr elektrické energie (bez vlivu energie na přípravu teplé vody byl uvažován 820 W. Celková roční spotřeba elektrické (opět bez vlivu ohřevu TV) je 3,2 MWh. Uvažovaná cena elektrické energie je 3 Kč/kWh včetně DPH, cena vykupované elektrické energie (dodávané do distribuční soustavy) je uvažována 0 Kč/kWh. Přepočet z hodinového intervalu profilu spotřeby elektrické energie na desetiminutový interval výpočtu je prováděn automaticky použitým software.
Obrázek 1 – Normalizovaný TDD4
Profil spotřeby teplé vody
Spotřeba elektrické energie na přípravu teplé vody je stanovena výpočtově, aby bylo možné zohlednit vliv kolísání spotřeby během dne a režim nabíjení a vybíjení zásobníku. Podobně jako u spotřeby elektrické energie je základním vstupem pro podrobný výpočet profil spotřeby. V tomto případě byl profil spotřeby teplé vody stanoven na základě typických odběrových křivek uvedených v ČSN 06 0320 [2]. Použité odběrové křivky a profil spotřeby jsou uvedeny na obrázku (viz Obrázek 2). Maximální hodinový odběr je uvažován 20 l. Celková roční spotřeba teplé vody je 43,8 m3.
Obrázek 2 – Odběr teplé vody
Popis výpočtového modelu
Pro výpočty byl použit program DEKSOFT FVE [3], který umožňuje podrobné zadání vlastností fotovoltaického systému a současně umožňuje podrobný výpočet spotřeby energie pro přípravu TV s časovým krokem výpočtu deset minut. Obrázek 3 znázorňuje schéma systému, který se skládá ze dvou samostatných zásobníků. Jedním určeným výhradně pro akumulaci z FVE – objem zásobníku je předmětem optimalizace v rozsahu 0 až 1 000 l. Druhý zásobník je určen pro zajištění celoroční dostupnosti teplé vody i v případě, kdy nejsou dostupné přebytky z FVE. Jeho objem je uvažován 150 l a je vybaven elektrickým topným tělesem udržující minimální teplotu teplé vody v zásobníku 55 °C. Požadovaná minimální teplota na výtoku z koncových prvků je 45 °C. Maximální přípustná teplota v obou zásobnících je 85 °C. Teplota v okolí zásobníků je uvažována 20 °C.
| Objem [l] | 0 | 50 | 100 | 150 | 200 | 250 | 300 | 400 | 500 | 750 | 1 000 |
| Ztráta [W/K] | – | 0,42 | 0,81 | 1,23 | 1,30 | 1,58 | 1,83 | 2,36 | 2,90 | 3,98 | 4,80 |
Obrázek 3 – Schéma systému
Výpočty
Pro parametry systému uvedené v předchozích kapitolách byl proveden výpočet pro objemy akumulačního zásobníku pro FVE v rozmezí 0 až 1 000 l. Klimatické podmínky byly převzaty pro typický meteorologický rok (TMY) mezi lety 2005–2014 ze systému PVGIS [4] pro lokalitu České Budějovice. Výsledky výpočtu jsou uvedeny v následující tabulce a grafech.
Tabulka 3 obsahuje výsledky výpočtu pro jednotlivé zkoumané objemy zásobníků. Využitelná produkce FVE v budově je množství vyrobené elektrické energie pomocí fotovoltaického systému, které je možné spotřebovat přímo v budově bez nutnosti dodávky do distribuční soustavy. Procento využití FVE pro krytí spotřeby v budově udává z jak velké části se využitelná produkce FVE v budově podílí na celkové spotřebě elektrické energie budovy.
| Objem [l] | Využitelná produkce FVE v budově [kWh] | Využití celkového teoretického zisku solárního systému pro vlastní spotřebu [%] |
|---|---|---|
| 0 | 1 714 | 49,9 |
| 50 | 2 447 | 71,1 |
| 100 | 2 709 | 78,7 |
| 150 | 2 873 | 83,5 |
| 200 | 2 958 | 85,9 |
| 250 | 3 043 | 88,4 |
| 300 | 3 113 | 90,5 |
| 400 | 3 237 | 94,1 |
| 500 | 3 334 | 96,9 |
| 750 | 3 364 | 97,9 |
| 1 000 | 3 385 | 98,6 |
Obrázek 4 znázorňuje využití celkového teoretického zisku solárního systému pro vlastní spotřebu v závislosti na zvoleném objemu zásobníku. Z grafu je patrné, že zvyšování objemu zásobníku nad 500 l přináší již pouze minimální zvýšení využití produkce FVE.
Obrázek 4 – Procento využití produkce FVE v budově v závislosti na objemu zásobníku
Obrázek 5 ukazuje zjednodušené ekonomické hodnocení výhodnosti instalace zásobníku bez vlivu započítání možných dotací. Pořizovací cena zásobníku (červená linie) ukazuje běžné ceny zásobníků daného objemu. Úspora nákladů na elektrickou energii za 10 let (zelená linie) zobrazuje předpokládané úspory během 10 let provozu systému realizovaného na základě instalace zásobníku daného rozměru oproti situaci bez akumulačního zásobníku (varianta uváděna jako akumulační zásobník s nulovým objemem). Výsledná ekonomická bilance po 10 letech je rozdílem mezi úsporou nákladů a pořizovací cenou zásobníku. Čím vyšší je hodnota výsledné bilance, tím výhodnější je instalace akumulačního zásobníku daného rozměru. Pokud je výsledná bilance záporná, není instalace zásobníku daného rozměru v horizontu 10 let ekonomicky návratná.
Obrázek 5 – Ekonomické vyhodnocení výhodnosti nákupu zásobníku
Závěr
Z provedené analýzy vyplývá, že velikost zásobníku může výrazně ovlivnit ekonomiku celého systému. Při zvolených okrajových podmínkách se ukazuje jako nejvhodnější použití zásobníku o objemu 250 l. To odpovídá hodnotě 69 l/kWp. V případě žádosti v rámci dotačního programu Nová zelená úsporám je stanoven požadavek na minimální objem zásobníku 80 l/kWp. Při započítání možného získání dotace na instalaci fotovoltaického systému s akumulací přebytků do teplé vody je nejvhodnější instalace zásobníku o objemu 300 l (83 l/kWp). Použití zásobníků s vyšším objemem než 500 l již vede k velmi malému zvýšení využití elektrické energie produkované FVE za cenu výrazně vyšších nákladů na zásobník.
Obrázek 6 – Měsíční bilance fotovoltaické elektrárny (výstup ze SW DEKSOFT FVE) pro zásobník o objemu 250 l
Obrázek 7 – Průměrné měsíční teploty v jednotlivých zásobnících (výstup ze SW DEKSOFT FVE) pro zásobník o objemu 250 l
Použité zdroje
- OTE, a.s. Normalizované TDD. OTE. [Online]
http://www.ote-cr.cz/statistika/typove-diagramy-dodavek-elektriny/normalizovane-tdd. - ČSN 06 0320. Tepelné soustavy v budovách – Příprava teplé vody – Navrhování a projektování.
- DEKSOFT. DEKSOFT FVE. DEKSOFT – Profesionální programy pro stavebnictví. [Online] https://deksoft.eu/programy/fve.
- European Commission. Photovoltaic Geographical Information System. PVGIS Interactive Tools. [Online]
http://re.jrc.ec.europa.eu/pvg_tools/en/tools.html#PVP.
The article focuses in detail on the effect of the storage tank size on the yearly balance of the photovoltaic power plant using a 10-minute calculation step that will allow us to take a closer look at the processes associated with the production of electricity, the hot water consumption and its accumulation. The results are assessed not only from the point of view of the energy balance, but also from the point of view of economic advantage.