Energiasüsteemi planeerimine, energia bilanss ja valemid

Kodust energiasüsteemi planeerima asudes tuleb kõigepealt endale selgeks teha eesmärgid, mida ja miks me tahame. Paljudel juhtudel hakatakse oma energiasüsteemi planeerima põhjusel, et elektrivõrguga liitumine on pikema vahemaa tõttu ampripõhisest liitumistasust väljas (üle 400 m) ja on väga kallis või on liitumine lausa võimatu (väikesaared, laiud). Samas, kui tarbimine ei ole suur, alla 400 - 500 kWh aastas, on selliste süsteemide tasuvusaeg võrreldes liitumistasudega tavaliselt väga lühike ja enamusel juhtudel tuleb oma elektrisüsteem kordades  odavam kui võrguga liitumine. Boonuseks on elektriarve puudumine.

Olukord on hoopis teine kui võrguühendus on juba olemas. Ka siin on mitmeid põhjusi, miks hakata mõtlema oma energiasüsteemi peale.

    1. Asutakse  madalpinge liini lõpus ja elektri kvaliteet on väga nigel ning tihti on liinid purunenud ja võrguelektrit pole üldse. Siin on uue liini ehitusele tõsiseks alternatiiviks oma elektrisüsteem, mis tagab elektri kvaliteedi ja kestvuse, kusjuures väheneb oluliselt elektriarve.
    2. Ollakse põhimõtteline taastuvenergia kasutaja.
    3. Mõeldes tulevikule. Kui  hetkel on olemas rahalised vahendid ja soov vähendada elektriarveid.
    4. Kui pakutavad toetused viivad tasuvuse 6 - 7 aastani, on paigaldus juba majanduslikult põhjendatud.

Palju on küsitud, kas päikese- ja tuuleenergiasüsteemiga saab kasutada põrandakütet, elektriboilerit ja elektripliiti. Siin tuleb vaadata eraldi On ja Off-Grid lahendusi. Võrguühenduse olemasolul ei muutu ju elektri kasutamises põhimõtteliselt midagi, vaid arve on väiksem. Off-Grid lahenduses saab küll, aga kas ka seda tasub  teha pidevalt, see on iseküsimus. Samas, kui akud on täis ja muud tarbimist pole, on lausa mõistlik ülejäävat energiat kasutada vee soojendamiseks või kütmiseks.   

Off-Grid

Kodust energiasüsteemi planeerima hakates on esmane ülesanne järele vaadata, milleks meil kindlasti elektrit tarvis on ja palju seda kulub.

Kõige suuremad tippvõimsust nõudvad elektritarbijad on igasugused kuumutid - elektripliit, kohvimasin, elektriline veekeetja, röster, elektriboiler jne. Kui neid on võimalik asendada, siis tuleks seda kindlasti teha, sest sellise süsteemi ehitamine, mis kõike seda taluks, läheb kordades kallimaks. (Siiski on neid võimalik ja mõistlik tarvitada suuremate aastaringselt kasutatavate süsteemide korral, kus suvel on tuntav energia ületootmine). Võttes ajateljel perioodiks näiteks 24 h, võib suurim tarbija olla aga hoopis külmkapp või televiisor.

Pliit, ahi ja soojaveeboiler on võimalik viia gaasiküttele, mis tagab kõik mugavused, aga elektrit kulub oluliselt vähem.

Järgnevalt tuleks üle vaadata võimalused.  

Objekti asukohast tulenevad võimalused. Kas on päikesele avatud lõunapoolseid katuseid või muud kohta, kuhu kinnitada paneele. Kas  tuuliku püstitamiseks on tuultele avatud asukoht, kui kõrge peaks mast olema. Palju on kinnistul ruumi. Kaugel on naabrid jne.

Samuti rahalised võimalused ning enda oskused - kas tellida kogu projekt ja paigaldus asjatundjatelt või  asuda ise tegutsema. Alati tasub konsulteerida ja projekt koos asjatundjatega läbi vaadata, sest hilisem vigade parandus läheb ikka kallimaks ja valesti  paigaldatud seadmed võivad oluliselt vähendada süsteemi eluiga ja kasutegurit.

Vajaduste hindamiseks tuleb kõigepealt selgeks teha, kas objekti kasutatakse aastaringselt või ainult mingil perioodil. Kas kasutamine on igapäevane või ainult nädalavahetustel?  Kui objekti kasutatakse ainult suvisel perioodil, siis piisab energiaga varustamiseks PV paneelidest, kuna päikest ja valget aega on meil suvel küllaga. Samuti on paneelide töökindlus juba konstruktsiooniliselt oluliselt parem tuulikutest, kuna puuduvad liikuvad osad. Ühed esimesed PV paneelid Eestis paigaldati 1997. aastal tuletornidele ja 15 aasta jooksul pole need vahetamist vajanud, küll on aga vahetatud juhtelektroonikat moodsama vastu. Samas tuletornidel paiknevad tuulikud on selle aja jooksul korduvalt välja vahetatud.

Tuuliku lisamisele süsteemi tasub mõelda just siis kui objekti kasutatakse kas aastaringselt või sügis-talvel kui päikest on vähem.

Kui objekti kasutatakse pigem nädalavahetustel tasub valida suurem akupank ja  väiksema tootlikkusega energiaallikad, kuna nädala jooksul on piisavalt aega, et koguda kokku nädalalõpuks vajalik energiahulk.

Kui meil on selge kasutusaeg ,siis tuleks ära hinnata objekti energiavajadus, milleks tuleks koostada tabel, kuhu on kantud kõik tarbijad ja nende kasutamisaeg tundides ööpäevas.

Seadme päevatarve (E) saadakse seadme võimsuse (P) ja tööaja (t) korrutamisel.

 E = P x t

Tarbija

võimsus P

tööaeg ööpäevas t

päevatarve E

W

Tund

Wh

Pump

300

0,2

60

Valgustus

50

2

100

Arvutid

60

2

120

Tööriista akude laadimine

40

2

80

Muu

100

1

100

Kokku ΣE

460

 

Kuna akude ja inverteri kasutegurid on suurusjärgus 95%, siis süsteemi päevase energiavajaduse Ep saab seadmete päevatarvete liitmisel ja saadud tulemuse 1,1 korrutamisel.

Ep = ΣE x 1,1

Soovitav süsteemi sõltumatuse aeg (aeg, mille jooksul süsteem töötab ilma lisaelektrit saamata) on 2 - 3 päeva, algarvutustel on soovitav aluseks võtta 3 päeva, sest ajapikku akude mahutavus väheneb. Akupargi pikaealisuse huvides saame kasutada 40% akupargi mahutavusest.

Soovitav akupargi energia mahutavus Ec (Wh) = 3 (päeva)  x Ep (päevane energiavajadus)/0,4 (40%)

Akude mahutavuse ampertundides (Ah) saame kui jagame mahutavuse vatt-tundides aku pingega.

C (Ah) = C (Wh)/U (V)

Paneelide võimsuse määramine on märksa keerulisem ja siin ühest soovitust ja valemit anda on väga raske. Praktikas on kõige lihtsam arvutada paneelide võimsust kasutades päevast energiatarvidust ja koefitsienti K, mis arvestab süsteemi kasutamise intensiivsust. 

Kui tegemist on nädalalõppudel suviti kasutatava suvilaga, kus süsteem saab nädala sees enda akud täis laadida, on koefitsient K =  0,1 - 0,15.  Aluseks on 3-päevase nädalalõpu energia tootmine 7 päeva jooksul  suveperioodil.  Kui kasutamine on suvine ja pidev, tuleks koefitsienti tõsta 0,2 - 0,3 ning aastaringse kasutamise puhul 0,4 - 0,6.

 Ppv (paneelide võimsus W) =  Ep (päevane energiavajadus W)  x K

 Ühest soovitust on siin väga raske anda.

Tulemust saab kontrollida kasutades Photovoltaic Geographical Information System - Interactive Maps aadressilt: re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/. Lehele tuleb sisestada oma asukoht, paneelide ning nende paigaldusandmed.

Võtame näiteks Osmussaarel paikneva aastaringselt kasutatava süsteemi.

Meie näites oli päevane tarbimine  Ep =  460 x 1,1 = 500 W

Soovitav paneelivõimsus  Ppv = 500 x 0,5 = 250 W

Paneelid suunaga lõunasse paiknevad 80° nurga all.

Fikseeritud süsteem: kalle=80°,suund=0°

Kuu

Ed

Em

Hd

Hm

Jaanuar

0.19

5.90

0.73

22.6

Veebruar

0.53

14.9

2.09

58.5

Märts

0.74

22.9

2.98

92.5

Aprill

0.92

27.7

3.88

117

Mai

0.96

29.7

4.20

130

Juuni

0.89

26.8

4.06

122

Juuli

0.89

27.7

4.10

127

August

0.80

24.9

3.62

112

September

0.68

20.5

2.96

88.9

Oktoober

0.44

13.7

1.83

56.9

November

0.20

5.98

0.79

23.7

Detsember

0.12

3.59

0.45

13.9

Aasta keskmine

0.614

18.7

2.64

80.4

Kokku aasta

224

965

Ed näitab päevast tootlikkust kilovattides. Tabelist näeme, et veebruarist septembrini on piisavalt energiat. Oktoobrist jaanuarini kasutamiseks tuleks tõsta võimsust või lisada tuulik.  

Kuna akude soovitav laadimisvool on piiratud 1/10 aku mahutavusest ampertundides saame ka välja arvutada valitud akupargile maksimaalse soovitusliku paneelide võimsuse, mille kasutamise korral ei ületa akude laadimisvool soovitavat.

Pmax (W) = Ec (Wh)/10

Suurema võimsuse korral ületab laadimisvool akupargi suurima lubatud laadimisvoolu

 I max= C₂₀(Ah) /10

Kas lisada süsteemi tuulik? See sõltub jälle kasutamisest, aastaringse kasutamise korral on soovitav kindlasti mõelda tuuliku lisamise peale, eriti kui on tegemist alaga, kus on püsivad ja tugevamad tuuled. Ainult suvise kasutamise korral tuulikut ei soovitaks, kuna tuulik nõuab oluliselt rohkem tähelepanu kui paneelid.  Kombineeritud süsteemis annab tuulik lisaenergiat just tormisel sügistalvisel perioodil kui päikest näeb harva.

Samas - kui piirkonnas on tugevad ja püsivad tuuled, võib loobuda paneelidest ja paigaldada ainult tuulik.

Tuuliku suurim võimsus ei tohiks ületada juba varem arvutatud Pmax, kuna  suuremad võimsused ja sellest tulenevad laadimisvoolud võivad akusid rikkuda. Tuulikud saavutavad oma suurima võimsuse tavaliselt tuulekiirusel 11 - 15 m/s. Sisemaal juhtub seda harva ja tavaliselt pole sel ajal päikest. Enamikus aga tiksuvad väiketuulikud ca 10 - 20 % võimsusel. Seetõttu soovitaks tuuliku võimsuse sisemaal valida lähedane lubatud maksimaalsele ja jälgida, et tuulik hakkaks elektrit andma võimalikult väikesel tuulekiirusel. Kohtades kus tuult on rohkem, võiks tuuliku võimsuseks olla 50 - 70 % lubatud max võimsusest.

Akupinge valik. Siin on reegel - mida võimsamad on süsteemid, seda kõrgem akupinge - mõnesaja vatise tarbimisega süsteemid 12 V, 1 - 3 kW 24 V ja edasi juba 48 V.

Kui väiksemad süsteemid võivadki jääda 12 V ja kasutatakse autodele mõeldud 12 V seadmeid, siis suurema majapidamise tarvis tuleks kindlasti soetada DC-AC inverter, mis teeb akupinge 230 VAC ja soovitavalt planeerida kogu tarbimine 230 V, mis teeb elu oluliselt lihtsamaks, kuna saab kasutada tavapäraseid majapidamisseadmeid ja valgusteid. Siinjuures ei tasu karta muundurites tekkivaid kadusid, mis on tänapäevastes seadmetes kaduvväikesed, 3-6%, tavaliselt on 12/24 V süsteemi juhtmetes tekkivad kaod suuremad. Muunduri võimsus võiks väiksemates süsteemides olla lähedane süsteemi tarbijate maksimaalsele tarbitavale võimsusele Pt = ΣP, mis on kõigi tarbijate võimsuste summa, kuna väiksema tarbijate arvu korral on suur tõenäosus, et nad on kõik korraga töös. Suuremate süsteemide korral võib muunduri võimsus jääda 30-70 % Pt, (kuid mitte vähem kui kõige võimsama tarbija energiavajadus), sõltuvalt tarbijate iseloomust ja kasutamsest. Kui on plaanis kasutada asünkroonmootoriga puurkaevu pumpa või veeautomaati, tuleks kindlasti valida puhta siinusega inverter.

Kuna meie heitlike ilmastikuoludega tekib ikka hetki, kus päikese- ja tuuleenergiast jääb väheks, on mõttekas süsteemi liita bensiini(diisel)generaator, millega katta puuduv energiakogus. Võimsus peaks katma majapidamise suurimate tarbijate vajaduse. Komplekti peaks kuuluma akulaadija (võib olla kokku ehitatud inverteriga), mille laadimisvool peaks olema kuni 1/10 akupargi mahutavusest Ah.

Süsteemi komponentide valikul tuleb kindlasti vältida nende omavahelist sobivust täpsemalt kui lihtsalt pingete ja võimsuste osas. Esimeseks möödalaskmiskohaks võib olla laadimiskontrolleri ja akupargi sobivus. Kui laadimiskontrollerit ei saa seadistada erinevate akutüüpide jaoks, on tähtis jälgida, et akud vastaksid kontrollerile. Ainult  avatud happeakudele mõeldud kontrolleriga rikume VRLA akud kiiresti. Paljud autodel kasutamiseks mõeldud inverterid lülituvad ülepinge tõttu välja enne kui kontroller lõpetab laadimise. Näiteks on 12 V avatud happeakude laadimispinge ülemine piir 15,3 V, aga osad inverterid annavad ülepingest märku 14,4 V juures ja lülitavad ennast välja juba 15 V korral. See ei ole küll ohtlik, kuid väga tüütu. Olukorra parandamiseks tuleb tavaliselt üks seadmetest välja vahetada.

Samuti tuleb jälgida PV paneelide ja laadimiskontrolleri omavahelist sobivust. Keerukam on see suuremate süsteemide ja MPPT kontrollerite puhul, kus paneelide toodetud pinged võivad oluliselt erineda aku laadimispingest. Samuti tuleks arvestada PV paneelide temperatuuritegurit. Külma ja päikeselise ilmaga tõuseb paneelide pinge oluliselt, paneeli parameetrid on antud tavaliselt aga 20 °C juures.

Et lihtsustada laadimiskontrollerite ja paneelide sobivuse kontrolli ja planeerimist, on nii mitmelgi kontrolleritootja koduleheküljel toodud lahendused, mis aitavad kontrollida kontrolleri ja PV paneelide sobivust ja näitavaid võimalikke ühendusskeeme, nt. Morningstar String Calculatorvõi SMA Off-Grid Configurator.