Instalacja fotowoltaiczna produkuje energię zawsze wtedy, gdy warunki nasłonecznienia pozwalają panelom pracować z odpowiednią mocą. W słoneczny dzień produkcja może jednak znacznie przewyższać bieżące zużycie energii w domu. Jeżeli instalacja jest wyposażona w magazyn energii, nadwyżki są w pierwszej kolejności wykorzystywane do jego ładowania. Pojawia się więc naturalne pytanie: co dzieje się z energią, gdy akumulator osiągnie maksymalny poziom naładowania?
Odpowiedź zależy przede wszystkim od sposobu podłączenia instalacji, konfiguracji falownika oraz ustawień systemu zarządzania energią. W instalacji współpracującej z siecią nadmiar energii może zostać oddany do sieci elektroenergetycznej. Jeżeli eksport jest zabroniony lub ograniczony, falownik zmniejsza produkcję paneli. W instalacji wyspowej redukcja produkcji jest natomiast koniecznością, ponieważ energia nie ma innego miejsca, do którego mogłaby zostać przekazana.
Sprawdź ➡ magazyn energii fotowoltaika!
Jak instalacja fotowoltaiczna wykorzystuje wyprodukowaną energię?
Energia wytwarzana przez panele fotowoltaiczne jest na bieżąco kierowana tam, gdzie w danym momencie istnieje zapotrzebowanie. W typowej instalacji prosumenckiej priorytetem jest autokonsumpcja, czyli zasilenie urządzeń pracujących w domu. Dopiero energia, która pozostaje po pokryciu aktualnego zużycia, może zostać przeznaczona do ładowania akumulatora.
W instalacji wyposażonej w odpowiednio skonfigurowany falownik hybrydowy kolejność przepływu energii może wyglądać następująco:
- Energia z fotowoltaiki zasila aktualnie pracujące urządzenia.
- Nadwyżka służy do ładowania magazynu energii.
- Po osiągnięciu przez akumulator ustalonego poziomu naładowania pozostała energia jest oddawana do sieci albo produkcja fotowoltaiki zostaje ograniczona.
- Jeżeli system posiada dodatkowe odbiorniki sterowane automatycznie, nadwyżka może zostać skierowana np. do grzałki, pompy ciepła lub ładowarki samochodu elektrycznego.
W rzeczywistości przepływy te są kontrolowane automatycznie, często w odstępach liczonych w ułamkach sekund. Użytkownik nie musi ręcznie przełączać źródeł ani odbiorników.
Co oznacza, że magazyn energii jest pełny?
Pełny magazyn energii nie zawsze oznacza, że ogniwa zostały naładowane do absolutnego maksimum swoich możliwości chemicznych. System zarządzania baterią, czyli BMS, kontroluje napięcie, temperaturę, prąd ładowania oraz poziom naładowania akumulatora.
Gdy magazyn osiąga ustalony maksymalny poziom SoC, czyli State of Charge, BMS ogranicza lub całkowicie zatrzymuje dalsze ładowanie. Ma to chronić ogniwa przed przeładowaniem, nadmiernym wzrostem napięcia i przyspieszoną degradacją.
W niektórych systemach użytkownik może dodatkowo ustalić własny limit maksymalnego poziomu naładowania, np. 90 lub 95%. Pozostawienie niewielkiego zapasu może być elementem strategii zwiększania trwałości akumulatora albo przygotowania magazynu do określonego sposobu pracy.
Pełny magazyn nie powoduje więc „przepełnienia” energią. W momencie, w którym przestaje przyjmować moc, falownik musi zagospodarować nadwyżkę w inny sposób.
Pełny magazyn energii w instalacji podłączonej do sieci
Najczęściej spotykanym rozwiązaniem w domowych instalacjach fotowoltaicznych jest system współpracujący z publiczną siecią elektroenergetyczną. W takim przypadku sieć może pełnić funkcję miejsca odbioru chwilowych nadwyżek produkcji.
Jeżeli dom zużywa przykładowo 1 kW, panele produkują 6 kW, a magazyn jest już pełny, pozostaje około 5 kW nadwyżki. Jeśli konfiguracja instalacji na to pozwala, energia ta przepływa przez licznik dwukierunkowy do sieci elektroenergetycznej.
Nie oznacza to jednak, że energia jest przechowywana w sieci w taki sam sposób jak w akumulatorze. Wprowadzona energia zostaje praktycznie natychmiast wykorzystana przez innych odbiorców znajdujących się w systemie elektroenergetycznym, natomiast jej wartość jest rozliczana zgodnie z zasadami obowiązującymi danego prosumenta.
Czy energia oddana do sieci przepada?
Z fizycznego punktu widzenia energia nie jest odkładana na później pod nazwiskiem konkretnego właściciela instalacji. Po przekroczeniu licznika staje się elementem bilansu całej sieci.
Z punktu widzenia prosumenta znaczenie ma natomiast system rozliczeń. Ilość energii pobieranej i oddawanej jest rejestrowana przez licznik, a następnie uwzględniana w rozliczeniu z dostawcą lub sprzedawcą energii zgodnie z właściwym modelem rozliczeniowym.
Dlatego z ekonomicznego punktu widzenia zwiększenie autokonsumpcji może być korzystniejsze niż maksymalizowanie ilości energii wysyłanej do sieci. Dokładna opłacalność zależy jednak od cen energii, taryfy, zasad rozliczenia oraz profilu zużycia danego gospodarstwa.
Co dzieje się z energią, jeżeli nie można jej oddać do sieci?
Nie każda instalacja może przesyłać dowolną ilość energii do sieci. Eksport może zostać ograniczony przez ustawienia falownika, warunki techniczne przyłączenia, automatykę instalacji albo lokalne parametry sieci.
Jeżeli magazyn jest pełny, bieżące zużycie niewielkie, a eksport energii jest niemożliwy, falownik redukuje moc pobieraną z modułów fotowoltaicznych. Proces ten określa się jako ograniczenie generacji, redukcję mocy albo curtailment.
Panele nie muszą więc przez cały czas produkować maksymalnej możliwej mocy. Falownik może przesunąć ich punkt pracy w taki sposób, aby wytwarzały dokładnie tyle energii, ile instalacja jest w stanie w danej chwili wykorzystać.
Dlaczego panele nie produkują wtedy energii „na zapas”?
Energia elektryczna musi być na bieżąco bilansowana. Jeżeli nie ma urządzenia, które ją zużyje, magazynu, który ją przyjmie, ani sieci, do której można ją przekazać, produkcja musi zostać zmniejszona.
Moduł fotowoltaiczny nie jest źródłem wytwarzającym stałą ilość energii niezależnie od obciążenia. Jego rzeczywisty punkt pracy jest kontrolowany przez elektronikę falownika. Dzięki temu możliwe jest ograniczenie mocy nawet przy bardzo dobrym nasłonecznieniu.
W praktyce oznacza to, że część potencjalnej energii słonecznej po prostu nie zostaje przekształcona w użyteczną energię elektryczną.
Dlaczego falownik czasami ogranicza moc mimo możliwości oddawania energii do sieci?
Ograniczenie produkcji może wystąpić również w instalacji, która normalnie wysyła nadwyżki do sieci. Jedną z przyczyn jest zbyt wysokie napięcie występujące w lokalnej sieci niskiego napięcia.
Wprowadzanie energii przez wiele instalacji fotowoltaicznych działających jednocześnie może powodować lokalny wzrost napięcia. Falowniki posiadają zabezpieczenia i muszą pracować w określonym zakresie parametrów sieci. Jeżeli wartości graniczne zostaną przekroczone, urządzenie może ograniczyć produkcję albo czasowo odłączyć instalację od sieci.
W takiej sytuacji sam fakt posiadania pełnego magazynu dodatkowo zmniejsza możliwości wykorzystania produkcji. Akumulator nie może już przyjąć energii, sieć nie może jej odebrać w wymaganej ilości, dlatego pozostaje redukcja mocy instalacji.
Co dzieje się w instalacji z funkcją zero export?
System zero export, nazywany również ograniczeniem eksportu do zera, jest skonfigurowany tak, aby energia z instalacji nie przepływała do publicznej sieci elektroenergetycznej.
Układ pomiarowy stale analizuje kierunek i wielkość przepływu energii w punkcie przyłączenia. Falownik dostosowuje następnie swoją moc do aktualnego zużycia budynku.
Jeżeli dom pobiera 2 kW, magazyn jest pełny, a moduły mogłyby w danym momencie wygenerować 8 kW, falownik może ograniczyć ich rzeczywistą moc do około poziomu odpowiadającego zużyciu budynku. Dzięki temu produkcja jest dopasowywana do zapotrzebowania zamiast wysyłania nadwyżki do sieci.
Sterowanie nie jest idealnie statyczne, ponieważ obciążenia w budynku bez przerwy się zmieniają. System regulacji musi więc reagować dynamicznie, wykorzystując dane z licznika lub dodatkowego przekładnika pomiarowego.
Co dzieje się z nadwyżką w instalacji off-grid?
Instalacja off-grid nie jest połączona z publiczną siecią elektroenergetyczną, dlatego nie może przekazać do niej nadwyżki energii. Magazyn energii odgrywa w takim systemie szczególnie istotną rolę, ale również jego pojemność jest ograniczona.
Jeżeli akumulator zostanie naładowany, a wszystkie odbiorniki wymagają mniejszej mocy niż mogłyby wytworzyć moduły, regulator lub falownik ogranicza ilość energii pobieranej z paneli.
Nie dochodzi do sytuacji, w której niewykorzystana energia musi zostać gdzieś awaryjnie „zrzucona”. Elektronika instalacji kontroluje punkt pracy modułów i nie pobiera z nich większej mocy, niż jest potrzebna.
W dobrze zaprojektowanej instalacji wyspowej często stosuje się jednak dodatkowe rozwiązania pozwalające wykorzystać okresowe nadwyżki. Mogą to być odbiorniki uruchamiane automatycznie, np. urządzenia podgrzewające wodę.
Czy nadmiar energii może uszkodzić magazyn?
Prawidłowo zaprojektowany magazyn nie powinien być narażony na przeładowanie tylko dlatego, że instalacja fotowoltaiczna nadal znajduje się w pełnym słońcu. O ochronę akumulatora dbają BMS, falownik oraz algorytmy odpowiedzialne za sterowanie ładowaniem.
Po osiągnięciu granicznego poziomu SoC prąd ładowania jest redukowany. Akumulator nie przyjmuje nieograniczonej ilości energii tylko dlatego, że panele mogą ją wyprodukować.
Problemem mogłaby być natomiast niewłaściwie zaprojektowana instalacja, brak kompatybilności pomiędzy falownikiem a magazynem, błędna konfiguracja parametrów ładowania albo awaria zabezpieczeń. Z tego powodu szczególnie w instalacjach wykorzystujących baterie litowe istotne jest stosowanie kompatybilnych urządzeń i prawidłowe uruchomienie całego systemu.
Jak system decyduje, gdzie skierować nadwyżkę energii?
W bardziej rozbudowanych instalacjach przepływem energii zarządza EMS, czyli Energy Management System. System otrzymuje informacje o produkcji fotowoltaiki, zużyciu budynku, stanie naładowania baterii oraz wymianie energii z siecią.
Na tej podstawie może określać priorytety wykorzystania energii. Nie zawsze musi więc działać według prostej zasady „dom – bateria – sieć”. Sterowanie może uwzględniać ceny energii, prognozowaną produkcję fotowoltaiki, planowane zużycie, taryfy czasowe lub wymagany zapas energii awaryjnej.
Przykładowo system może zdecydować, że część miejsca w magazynie powinna pozostać wolna, jeżeli później spodziewana jest bardzo wysoka produkcja. Może również zachować określony poziom energii na wypadek przerwy w dostawie z sieci.
Jak można lepiej wykorzystać nadwyżki z fotowoltaiki?
Pełny magazyn i regularne oddawanie dużych ilości energii do sieci mogą wskazywać, że profil produkcji instalacji słabo pokrywa się z profilem zużycia budynku. W takim przypadku warto zwiększać autokonsumpcję poprzez odpowiednie sterowanie odbiornikami.
Nadwyżki można wykorzystać między innymi do:
- przygotowania ciepłej wody użytkowej za pomocą grzałki lub pompy ciepła,
- ładowania samochodu elektrycznego w godzinach największej produkcji,
- uruchamiania pralki, zmywarki lub innych urządzeń w ciągu dnia,
- zwiększania pracy pompy ciepła w okresach dużej produkcji,
- ładowania dodatkowych urządzeń lub innych zasobników energii.
Najlepsze rezultaty daje automatyzacja. Inteligentny system może uruchomić odpowiedni odbiornik dopiero po wykryciu rzeczywistej nadwyżki, dzięki czemu nie zwiększa niepotrzebnie poboru energii z sieci.
Czy warto zwiększyć pojemność magazynu energii?
Częste osiąganie 100% poziomu naładowania nie oznacza automatycznie, że magazyn jest zbyt mały. Pełne naładowanie w słoneczne dni może być normalnym elementem eksploatacji instalacji.
Decyzję o powiększeniu magazynu należy opierać przede wszystkim na danych dotyczących produkcji i zużycia. Znaczenie ma nie tylko ilość energii oddawanej do sieci w południe, ale przede wszystkim zapotrzebowanie występujące wieczorem, w nocy i rano.
Jeżeli większy magazyn zostałby naładowany w ciągu dnia, lecz jego dodatkowa energia nie zostałaby wykorzystana przed kolejnym okresem wysokiej produkcji, zwiększenie pojemności przyniosłoby niewielką korzyść.
Istotny jest również stosunek mocy do pojemności. Akumulator może mieć dużą pojemność, ale ograniczoną moc ładowania. Jeżeli instalacja wytwarza nagle dużą nadwyżkę, część energii może zostać wysłana do sieci nawet wtedy, gdy magazyn nie osiągnął jeszcze 100% SoC.
Pełny magazyn a brak prądu w sieci – co wtedy?
Szczególną sytuacją jest awaria sieci elektroenergetycznej. Standardowa instalacja on-grid musi przestać zasilać sieć po wykryciu jej zaniku. Mechanizm ten chroni osoby pracujące przy usuwaniu awarii przed pojawieniem się napięcia w przewodach, które powinny być odłączone.
Samo posiadanie magazynu energii nie oznacza automatycznie, że fotowoltaika i bateria będą zasilać cały dom podczas awarii. System musi być wyposażony w odpowiednią funkcję zasilania rezerwowego oraz rozwiązanie umożliwiające bezpieczne odseparowanie instalacji domowej od sieci publicznej.
W trybie wyspowym pojawia się dodatkowe ograniczenie. Jeżeli magazyn jest pełny, zużycie domu niewielkie i nie można wysłać energii do sieci, falownik musi zmniejszyć produkcję fotowoltaiki. Z tego względu zaawansowane systemy zasilania rezerwowego regulują pracę modułów w zależności od zapotrzebowania budynku i możliwości ładowania baterii.
Co w praktyce dzieje się z energią po naładowaniu magazynu?
Sposób zagospodarowania nadwyżki można przedstawić w zależności od konfiguracji instalacji.
| Rodzaj instalacji lub sytuacja | Co dzieje się po naładowaniu magazynu? |
|---|---|
| Instalacja on-grid z możliwością eksportu | Nadwyżka jest wysyłana do sieci |
| Instalacja z ograniczeniem eksportu | Falownik redukuje produkcję do dozwolonego poziomu |
| System zero export | Produkcja jest ograniczana zasadniczo do aktualnego zapotrzebowania budynku |
| Instalacja off-grid | Regulator lub falownik zmniejsza moc pobieraną z paneli |
| System z inteligentnym EMS | Nadwyżka może zostać skierowana do dodatkowych odbiorników |
| Zbyt wysokie napięcie sieci | Falownik może ograniczyć moc lub czasowo przerwać generację |
Nie istnieje więc jeden uniwersalny sposób postępowania z nadwyżką. Ostateczny przepływ energii zależy od tego, czy system ma możliwość jej wyeksportowania, zużycia lub zmagazynowania.
Nadwyżka prądu po napełnieniu magazynu – najważniejsze wnioski
Gdy magazyn energii jest pełny, instalacja fotowoltaiczna nie próbuje wtłaczać do niego kolejnych porcji energii. System BMS zatrzymuje ładowanie, a falownik dostosowuje dalszą pracę instalacji do dostępnych możliwości wykorzystania produkcji.
W instalacji podłączonej do sieci nadwyżka najczęściej może zostać do niej przekazana. Jeżeli eksport jest ograniczony lub niemożliwy, moc paneli zostaje zredukowana. Podobnie działa instalacja off-grid, w której brak sieci uniemożliwia oddanie nadmiaru energii poza lokalny system.
Z punktu widzenia właściciela instalacji najkorzystniejsze jest takie zarządzanie energią, aby możliwie duża część produkcji została wykorzystana na miejscu wtedy, gdy ma to uzasadnienie techniczne i ekonomiczne. Magazyn energii jest jednym ze sposobów zwiększania autokonsumpcji, ale równie istotne mogą być inteligentne sterowanie odbiornikami, ładowanie samochodu elektrycznego czy wykorzystanie nadwyżek do przygotowania ciepłej wody.
