Off-Grid teoorias

Võrguühenduseta ehk off-grid süsteemid on täiesti sõltumatud ja neil puudub ühendus üldise elektrivõrguga. Kuna taastuvenergiaallikate elektri tootmine on väga kõikuv, sest sõltub tuulest ja päikesest, ning energia tootmine ja tarbimine on tavaliselt ajalises nihkes ehk päeval päikesepatareidega toodetud energiat kasutatakse öösel ja pimedatel õhtutundidel valgustamiseks, vajavad sellised süsteemid kindlasti energiasalvestit, milleks tavaliselt on akupank. Sellised süsteemid on hetkel maailmas kõige levinumad.

Klassikaline sõltumatu elektrisüsteem koosneb energiaallikast, salvestist ja inverterist.

Iga elektrijaama aluseks  on energiaallikas.

Energiaallikate võimsuse järgi (mitte arvestades varutoite generaatori võimsust) võiks jagada kodused elektrijaamad kolmeks:

            Väikesed           kuni 2 kW

            Keskmised        2-10 kW

            Suured             10 kW

Peamised koduelektrijaamade energiaallikad on päikesepaneel ehk PV paneel, tuulik ja sisepõlemismootoriga generaator, mida tavaliselt kasutatakse varutoiteks. Veel võidakse voolava vee läheduses kasutada hüdrogeneraatorit, termoelektrilist generaatorit (TEG) või  kütuseelementi (Fuel Cell).

Kui sisepõlemismootoriga generaatorid annavad üldiselt juba majapidamises kasutatava parameetritega  voolu,  siis ülejäänud energiaallikate  väljundpinged kõiguvad väga suures ulatuses. Siin tuleb mängu kontroller, mis hoiab elektrivoolu parameetrid kontrolli all. Kuna klassikalise Off –Grid lahenduse korral läheb toodetud elekter suures osas akupargi laadimiseks, siis nimetatakse neid ka laadimiskontrolleriteks. Kontrollerite nimipinge on tavaliselt 12 V, 24 V või 48 V. Suurematel süsteemidel ka 400 V, mis nõuab juba eraldi akuruumi ehitamist. Lihtsamal kontrolleril on  tavaliselt sisend energiaallika ühendamiseks ja üks väljund akupanga ning üks tarbijate ühendamiseks.  

Akupank võib väikesemate süsteemide puhul olla üksik akupatarei ning suuremate süsteemide puhul aga koosneda mitmekümnest akupatareist.

Kui tarbijate nimipingele on 12 VDC või 24 VDC ning elektrienergia puudumine ei ole tõsine probleem, siis võib lihtsamatel  juhtudel loobuda inverterist ning piirduda komplektiga, mis koosneb energiaallikast, kontrollerist ja akust.

Tänapäevaste koduseadmete käitamiseks üldjuhul 12 VDC või 24 VDC ei piisa või on see tülikas. Tavapärase võrgupinge saamiseks kasutatakse inverterit, mis teeb akupanga alalisvoolust igapäevaselt tuttava 230 VAC.

Kui elektrienergia puudumine põhjustab suurt ebamugavust, on võimalikud kaks lahendust - suurendada energiatootjate võimsust ja akupanga mahutavust nii, et  akupank suudab  igal juhul voolu anda ka pikaajalise tootmispausi ajal. See on üldiselt mõttetu ja kallis lahendus. Elektri katkematuse tagamiseks kasutatakse tavaliselt sisepõlemismootoriga 230 VAC generaatorit, mida saab igal vajalikul juhul sisse lülitada, generaatori töötamisel saavad  sellelt toite kõik 230 V tarbijad ja samal ajal kasutades 230 VAC/12 (24) VDC akulaadijat, laetakse ka akusid. Tähelepanu! Juhul kui inverteril puudub spetsiaalne sisend generaatorile, ei tohi  Off-grid inverterit ja generaatorit korraga 230 VAC võrku kokku ühendada, sest nad ei suuda võrgusagedust omavahel sünkroniseerida. Generaatori ülesandeks  võib olla katta ka üksikuid voolutarbimise tippe.  Kui majapidamise üldine tarbimine on suurusjärgus 0,5-1,5 kW, kuid mõni kord aastas soovitakse kasutada tarbijaid võimsusega 5-6 kW, ei ole mõttekas välja ehitada süsteemi, mis taluks selliseid koormusi, vaid kasutada selliste tarbimiste katmiseks just piisava võimsusega bensiini-  või diiselgeneraatorit. 

Selline on nii-öelda klassikalise sõltumatu koduelektrijaama skeem, kus süsteemi komponentide sidumine toimub suhteliselt madalal alalispingel ja siduvaks elemendiks on akupank. Sellisel süsteemil on suhtelise lihtsuse kõrval mõned olulised miinused. Madal pinge tähendab seda, et suuremate võimsuste korral läheb toiteahelate voolutugevus suureks ja nõuab jämedamaid kaableid. Samuti juhul kui vahemaad energiaallika ja akupanga vahel on pikad (üle 10 m) tekivad kaablites  suured energiakaod.

Et nendest puudustest vabaneda võidakse kasutada suuremate süsteemide puhul skeemi, kus komponentide liitmine toimub võrgupingel 230/400 VAC. 

Sellisel juhul konverteeritakse  energiaallikate toodetud alalisvool koheselt  võrguinverteriga  võrgukõlbulikuks vahelduvvooluks.  Kõikide muundurite  toodetav siinusvool sünkroniseeritakse, sünkronisatsiooni impulsi saab selline muundur kesksest juhtinverterist, mis juhib kogu süsteemi tööd - laadib akupanka, kontrollib energiaallikate töötamist, muundab vajadusel akudest tuleva DC voolu 230 VAC. Kogu toodetav elekter läheb otse tarbimisse - juhul kui toodetakse rohkem kui tarbitakse, siis hakatakse laadima akupanka, kui tarbimine on suurem kui tootmine, võetakse energiat akupangast. Kui akupanga võimsusest  ei piisa või akupank on tühjenenud lubatud määrani, käivitab juhtseade generaatori. Niiviisi väheneb akupanga laadimistsüklite arv ja pikeneb eluiga. Samuti võivad energiaallikad olla tarbijast kaugemal. Sellise arhitektuuriga  süsteemide võimsused võivad ulatuda mitmesaja kilovatini ning võimaldab kompleksselt lahendada näiteks väikekülade elektrifitseerimist