23 10 24 Mano ukio prenumerata 2024 23 04 15 Gauti naujienas mobili žurnalas
Mano Ūkis 2019/07
Vandens šildymo alternatyva – fotoelektros moduliai
  • Dr. Mečys PALŠAUSKAS, VDU ŽŪA Gintautas BALIUKONIS
  • Mano ūkis

Vandens šildymas, naudojant elektros energiją, gautą iš fotoelektros (PV) modulio (baterijos), yra palyginti nauja klasikinio ir plačiai paplitusio tiesioginio šildymo elektra, dujomis ar vandens kolektoriais alternatyva.

Šiai sistemai įrengti reikalingas tam tikras plotas ant pastato arba šalia jo PV baterijoms išdėstyti. Jų kiekis arba generuojama galia priklauso nuo to, koks yra kiekvieno atskiro vartotojo poreikis.

Fotoelektros modulių privalumai

  • Paprastas montavimas, kadangi energijos perdavimas vyksta kabeliais. Šią priemonę sumontuoti jau egzistuojančiame pastate nėra sunku, nes nereikia ardyti esamų konstrukcijų.
  • Mažai priežiūros, nes vandens šildymo procesą automatiškai reguliuoja valdiklis pagal kiekvieno vartotojo nustatytą programą, kuri atspindi jo poreikius.
  • Užtikrinama visiška sistemos veikimo sauga ir nėra pavojaus, kad vanduo šildytuve gali būti perkaitinamas iki virimo, o tai grėstų avarija.
  • Didesnis efektyvumas šaltu ir debesuotu oru, palyginti su sistemos vardiniu našumu.
  • Naudojant fotoelektrą ne vandeniui šildyti yra puiki galimybė ją nukreipti į buitinius prietaisus, akumuliatorių įkrovimą arba pardavimą į tinklą.

Pagrindinis ir daug ką lemiantis veiksnys, kalbant apie tokios sistemos našumą, yra valdiklis (reguliatorius), skirtas elektriniam vandens šildymo šildytuvui prie elektrą generuojančių PV baterijų prijungti. Šio prietaiso buvimas sistemoje lemia tai, kokią dalį saulės tiekiamos energijos (apšvitos) mes galėsime panaudoti naudingai. Fotoelektrinių įrenginių integravimas į tinklą atspindi efektyvų saulės energijos naudojimą. Tačiau naudojant juos vandeniui šildyti, iškyla pagrindinė problema: prijungus šildymo elementą tiesiai prie saulės baterijos, nenaudojant valdiklio, reguliuojančio elektros energijos tiekimą šildytuvo elektriniam kaitinimo elementui (tenui), fotoelektrinių baterijų naudojimas tampa neefektyvus.

Kai saulės spinduliavimas yra mažas, modulio srovė tampa lygi trumpojo jungimo srovei ir šildymo elemento įtampos sumažėjimas sumažina saulės modulio įtampą beveik iki nulio. Taigi, nerekomenduojama tiesiogiai prijungti saulės modulių prie elektrinio šildymo elemento. Šis mikrovaldiklio pagrindu dirbantis maksimalios galios taško (MGT) technologiją naudojantis DC/AC valdiklis reguliuoja elektriniam kaitinimo elementui šildytuve tiekiamą elektros energiją PWM (impulsų trukmės) reguliavimo būdu ir atlieka automatinį šildytuve nustatytos vandens temperatūros reguliavimą ir šildymo laiko kontrolę. Taip ženkliai pagerinamos valdiklio eksploatacinės charakteristikos.

Esant 400 W/m2 apšvitai, be valdiklio vieno modulio įtampa bus apytikriai 22 V, srovė – 3,4 A ir galia – 75 W. Reguliatorius sukuria maksimalios galios (MGT) režimą, kurio Umaks. ≈ 30 V, Imax ≈ 3,2 A ir Pmaks. ≈ 96 W. PV modulio galios išnaudojimas šiame taške 100 proc. Maksimali galia, esant 800 W/m2 apšvitai, bus apie 190 W. PV modulio galios išnaudojimas šiame taške apie 90 proc. Taigi, valdiklis greitai suranda PV modulių MGT galią ir stabiliai ją palaiko esant skirtingam apšviestumui. Valdiklyje taip pat numatytas nepriklausomas vandens temperatūros reguliavimas visą parą – automatinis prisijungimas prie maitinimo tinklo, esant nepakankamam saulės apšvietimui. Tai garantuoja normalų šildytuvo darbą nepriklausomai nuo aplinkos sąlygų ištisus metus.

Lietuvoje sukurtas valdiklis

Lietuvoje sukurtas valdiklis Nectar Sun jau turi netrumpą gyvavimo istoriją. Jis yra nuolat tobulinamas, siekiant išgauti kuo didesnį šildytuvo kaitinimo elemento efektą. Nauja šio prietaiso modifikacija yra Nectar Sun-S.

Prietaisas valdomas jutikliniais, lietimui jautriais mygtukais, o LED ekrane matyti esama vandens temperatūra, temperatūra, kurią reikia palaikyti dieną ar naktį, suvartotos energijos kiekis bei kita papildoma informacija. Prisijungus prie bevielio interneto tinklo, valdymas ir duomenys apie prietaiso darbą vartotojui pasiekiami nuotoliniu būdu.

Valdiklis Nectar Sun-S lengvai prijungiamas prie skirtingų namų ūkiuose naudojamų vandens šildytuvų, nekeičiant esamos elektros instaliacijos.

Prietaisas pagamintas atsižvelgiant į vartotojus, kurie naudoja bent 100 l talpos vandens šildytuvus, kurių kaitinimo elemento galia dažniausiai būna apie 2 000 W. Norint efektyviai panaudoti fotovoltinius modulius elektrinėse autonominėse vandens šildymo sistemose yra būtina įvertinti modulių kiekį, jų išdėstymo galimybes. Fotovoltinių modulių kiekis turėtų būti parenkamas pagal naudojamo elektrinio kaitinimo elemento galią. Kitu atveju galima keisti šildytuvo elektrinį kaitinimo elementą į labiau tinkamą.

Priklausomai nuo apšviestumo bei temperatūros, modulių vidinė varža kinta. Maksimali galia į apkrovą (elektrinį kaitinimo elementą) atiduodama, kai apkrovos varža ir fotovoltinio modulio (modulių grupės) vidinė varža yra vienodos.

Grafike vaizduojamas idealus atvejis, kai fotovoltinio modulio (modulių grupės) bei apkrovos varžos, esant tam tikram apšviestumui, yra vienodos (raudona brūkšninė linija). Dažniausiai taip nėra ir dėl šios priežasties sistemoje gaunamas atiduodamas galios sumažėjimas (juoda brūkšninė linija).

Atsižvelgiant į pateiktą grafiką matyti, kad kai vidinė ir apkrovos varžos yra blogai suderintos, yra galimi žymūs galios nuostoliai, siekiantys 30–50 proc. maksimaliai galimo gauti galingumo. Priklausomai nuo fotovoltinio modulio konstrukcijos (elementų kiekio, galingumo, bendros įtampos) ir naudojamo šildytuvo kaitinimo elemento galingumo, kyla poreikis suderinti apkrovos bei fotoelementų varžas. Maksimalios galios sekimo algoritmas, realizuotas Nectar Sun-S prietaise, kompensuoja fotoelementų vidaus varžos kitimą.

Valdiklyje realizuotas priartėjimo prie maksimalios galios taško metodas, veikiantis pagal paveiksle pavaizduotą algoritmą. Metodas yra pagrįstas nuoseklaus priartėjimo prie MGT principu. Nectar Sun-S valdiklio įtampa tam tikru žingsniu visuomet svyruoja, palaikydama artimą maksimaliam galios taškui galingumą. Algoritmo veikimą garantuoja periodinis įtampos ir srovės ant apkrovos varžos matavimas.

Įvairių gamintojų („Ariston“, „Dražice“, „Thermex“, „Atlantic“ ir kt.) elektrinių kaitinimo elementų galingumas ir varža atitinkamai varijuoja nuo 1 iki 3 KW.

Norint pasiekti maksimalią galią, atiduodamą vandens šildytuvo kaitinimo elementui, būtina suderinti PV modulių charakteristikas ir jų suminę galią su vandens šildytuvo kaitinimo elemento galia. Lentelėje pateikta galimų kombinacijų skaičiuoklė. Raudonai pažymėtos negalimos PV sistemos ir šildytuvo kaitinimo elemento kombinacijos, t. y. PV sistemos modulių maksimali galia negali viršyti kaitinimo elemento galios, kitaip jis gali perkaisti.

Nectar Sun-S valdiklis efektyviausias sistemose, turinčiose ne mažiau kaip 7 fotovoltinius modulius (tuo atveju, jei vieno PV modulio galia 250 W) ir prijungtose prie vandens šildytuvų, turinčių ne mažesnius kaip 1 800 W elektrinius kaitinimo elementus.

Dinaminio standarto bandymas pagal B2 EN 50530 apibrėžia fotovoltinių sistemų maksimalios galios taško sekimo efektyvumo matavimo metodą, naudojant PV imitatorių, kuris atlieka PV šaltinio (PV modulio) voltamperinės charakteristikos tikrinimą, imituojant sparčius oro sąlygų pokyčius. Tokie pokyčiai pateikiami kaip skirtingų rampos profilių derinys per tam tikrą laikotarpį. Nustatyta, kad veiksmingumas svyruoja nuo 98 iki 99,75 procentų.

Nustatant tiekiamą galią vandens šildytuvo elektriniam kaitinimo elementui ir atliekamą darbą, buvo remtasi galimos elektrinės simuliatoriaus MGT matavimais ir faktine apkrova, naudojant fotovoltinįlauką. Galios vertė apima valdiklio efektyvumą ir maksimalios galios taško sekimo efektyvumą dinaminiame profilyje.

Perspektyvus elektros gamybos būdas

Pasaulinė praktika rodo, kad ir kiti gamintojai taip pat siekia panašaus tikslo. Tokia sparti fotoelektros plėtra įmanoma tik dėl to, kad daugiau kaip 60 pasaulio valstybių ji yra remiama ir skatinama įvairiais būdais, dažniausiai per saulės elektros elektrinėse pagamintos energijos supirkimo tarifą. Fotoelektra remiama todėl, kad šios elektros gamybos būdo perspektyvumu neabejojama. Tai yra perspektyvus, kuro nereikalaujantis ir aplinkos neteršiantis elektros energijos gamybos būdas.

Daugelis kompanijų sukūrė alternatyvų valdiklį, kuris leidžia efektyviai perduoti energiją iš PV modulių šildytuvo kaitinimo elementui. Dažnai šie valdikliai, kaip ir Nectar Sun-S, be tiesioginiovandens šildymo funkcijos, naudojant PV modulius, apima ir kitas – tai gaunamos energijos matavimą, šildymo valdymą pagal vandens šildytuvo temperatūrą, šildymo derinimą su iš tinklo gaunama energija ir pan. Tačiau ir čia pagrindinė valdiklio funkcija išlieka maksimalios galios taško stebėjimas. Dėl šios funkcijos tiekiamą energiją į šildytuvo elektrinį kaitinimo elementą galima padidinti bent 30 proc. Efektyvus vandens šildymas, naudojant PV modulius, galimas tik tada, kai didžioji gaunamos elektros energijos dalis per valdiklį panaudojama būtent vandeniui šildyti, nenaudojant jos kitiems tikslams.

Čekijos mokslininkai Peteris Volfas (Peter Wolf) ir Paul Hržina (Paula Hržina), matydami pasaulinę saulės energijos panaudojimo tendenciją, atliko lyginamuosius valdiklių, skirtų vandeniui šildyti, tyrimus. Čia nebuvo vertinamas valdiklių darbas, kai jie prijungiami į elektros tinklą. Panaudoti 5 valdikliai su prekiniais ženklais: Kerberos (Čekija), Logitex LXDC (Slovakija), SUNW (SUNNYWATT Group), Marko („Insular power Ltd.“). Lietuvos mokslininkams teko garbė pristatyti savo produktą Nectar Sun-S. Visų šių valdiklių darbo efektyvumas buvo vertinamas lyginant su kontrole, t. y. maksimaliai galima panaudoti fotovoltine energija.

Pagal galimybę efektyviai panaudoti gaunamą fotovoltinę energiją Nectar Sun-S rikiuojasi garbingoje pirmaujančių valdiklių eilėje. O tai reiškia, kad šis prietaisas sukuria daugiau kaip 98 proc. efektyvumo vertę visame profilyje ir sėkmingai imituoja spinduliuotės efektyvumą, sekdamas maksimalios galios taško vertę.