Fotowoltaika off grid i hybrydowa - przewodnik

Fotowoltaika off-grid lub hybrydowa nie wymaga podłączenia do sieci energetycznej. Brzmi kusząco! Jakie korzyści dają te rozwiązania? Kiedy są warte kosztów? Omówimy to w tym artykule.

Fotowoltaika off grid, czyli bez podłączenia do sieci

Standardowe instalacje fotowoltaiczne nie mogą działać bez sieci energetycznej, nawet jeśli mają akumulatory. Gdy sieć energetyczna nie działa, to instalacja fotowoltaiczna MUSI się od niej rozłączyć, bo inaczej zabiłaby biednego elektryka, który właśnie próbuje naprawić usterkę. A zwykłe inwertery nie umieją bez wzorca z sieci wytworzyć prądu przemiennego o właściwych parametrach. Trochę szkoda, prawda?

Odpowiedzią jest fotowoltaika off grid. Co to znaczy?:

• Fotowoltaika on grid to instalacja sieciowa, podłączona do sieci energetycznej.
• Fotowoltaika off grid to inaczej instalacja wyspowa, czyli niepodłączona do sieci energetycznej.
• Fotowoltaika off grid / on grid to instalacja hybrydowa, która jest podłączona do sieci energetycznej, ale może też działać bez niej.

Każda taka instalacja ma inny cel:

	Instalacja on grid	Instalacja off grid (Sezonowa / Całoroczna)	Instalacja hybrydowa
Cel	Ma obniżać rachunki	Ma pokrywać zapotrzebowanie na prąd w sezonie	Ma obniżać rachunki i dać możliwość przetrwania blackoutu.

Instalacje off-grid mają sens w małych autonomicznych instalacjach całorocznych (monitoring, oświetlenie) i w instalacjach sezonowych (domki letniskowe, kampery). Z kolei instalacje hybrydowe mają sens zawsze, gdy chcesz zabezpieczyć swój dom/firmę przed dłuższym blackoutem.

Zestawy fotowoltaiki off-grid

Klasyczny zestaw fotowoltaiki off grid składa się z następujących elementów:

• Moduły fotowoltaiczne - Generują prąd stały
• Akumulatory - Przechowują prąd stały. Nie, nie możesz zrobić instalacji bez akumulatorów, bo moduły PV nie są urządzeniem stałonapięciowym czy prądowym.
• Regulator ładowania - Kontroluje proces ładowania akumulatorów z PV oraz zasilania urządzeń na prąd stały z PV. Bez niego żywotność akumulatora jest sporo krótsza.
• Przetwornic DC / AC - Przekształca prąd stały w prąd przemienny, taki jaki masz w gniazdku
• Inwerter wyspowy lub inwerter hybrydowy to urządzenie pełniące rolę jednocześnie regulatora ładowania i przetwornicy DC / AC. Inwertery hybrydowe zwykle stosuje się w instalacjach hybrydowych.

W zależności od odbiorników instalacje będą mieć część lub wszystkie te elementy. Wyróżniamy instalacje na odbiorniki prądu stałego, na grzałki i na odbiorniki prądu przemiennego 230 V (taki jaki mamy w gniazdku). Z czego składają się poszczególne instalacje i jakie urządzenia mogą zasilić? Przedstawiono to na poniższej tabelce:

Zestawy fotowoltaiczne off-grid
Na odbiorniki prądu stałego 12 / 24 V		Tylko do grzałek	Na odbiorniki prądu przemiennego 230 V
Małe	Większe		Do elektroniki	Do wszystkiego
Moduł fotowoltaiczny Akumulator Regulator ładowania PWM	Moduły fotowoltaiczne Akumulatory Regulator ładowania MPPT	Moduły fotowoltaiczne Przetwornica “solarna”	Moduły fotowoltaiczne Akumulator Regulator ładowania MPPT Przetwornica DC/AC typu IPS	Moduły fotowoltaiczne Akumulator Regulator ładowania MPPT Przetwornica DC/AC z pełnym sinusem
Generuje 12 / 24VDC		Generuje 120-320 VAC	Generuje 230  VAC z sinusem modyfikowanym	Generuje 230  VAC z pełnym sinusem
Zasili wszystkie urządzenia, które mógłbyś podpiąć do gniazdka w kamperze / samochodzie		Zasili grzałki w zasobnikach wody c.w.u.	Zasili laptopy, telewizory, żarówki, grzałki	Zasili elektronarzędzia, silniki, pompy, świetlówki - wszystko to, co w domu.

Instalacje na odbiorniki prądu stałego z zasady są małe, stosowane do instalacji mobilnych, samochodowych, do kamperów, przyczep kempingowych itp. Są omówione tutaj:

• Artykuł o zestawach solarnych do kampera
• Szczegółowe omówienie różnic między regulatorem ładowania MPPT i PWM

Instalacje fotowoltaiczne na grzałki to alternatywa wobec kolektorów solarnych. Działają właściwie tak samo. Gdy świeci słońce, to woda w zasobniku jest podgrzewana. Tyle. Te instalacje wymagają zubożonej wersji przetwornicy DC/AC, tzw. przetwornicy solarnej, która nie może zasilić innych urządzeń poza grzałkami. To urządzenie wytwarza wprawdzie prąd przemienny, ale o napięciu wahającym się od 120 do 320 V. Grzałkom to nie przeszkadza, ale inne, normalne sprzęty potrzebują 230 V. Uwaga, tego typu instalacja nie wymaga stosowania akumulatora ani regulatora ładowania, co ogranicza koszty inwestycji!

Pełnoprawna instalacja off-grid powinna obsługiwać odbiorniki na prąd przemienny. Omówmy to szerzej.

Instalacje na odbiorniki prądu przemiennego AC

Większość urządzeń codziennego użytku pracuje na prądzie zmiennym (AC), czyli takim, jaki płynie w gniazdku, stąd w fotowoltaicznych instalacjach off grid zachodzi konieczność transformacji prądu stałego na przemienny. Zajmuje się tym przetwornica DC/AC.

Przetwornica zasilana jest z akumulatorów, które doładowywane są przez regulator ładowania z fotowoltaiki. Odbiorniki podłączasz do samej przetwornicy. Schemat poglądowy przedstawiamy poniżej:

Fotowoltaika off-grid na prąd przemienny - schemat

Nie licząc “przetwornic solarnych”, które zasilają wyłącznie grzałki, wyróżnia się dwa rodzaje przetwornic:

• Przetwornice IPS z sinusem modyfikowanym (trapezowym, prostokątnym, aproksymowanym)
• Przetwornice z pełnym sinusem

Obie przetwornice dostarczają prąd przemienny o częstotliwości 50 Hz i napięciu ok. 230 V, jednakże ich przebieg nie jest identyczny. Przetwornice IPS są tańsze, jednakże nie mogą zasilać urządzeń wyposażonych w silniki ani transformatory, na przykład elektronarzędzi, AGD. Z zasady lepiej wybrać przetwornicę z pełnym sinusem.

Dobór elementów instalacji off grid

Poniżej przedstawiamy zasady i wzory doboru elementów instalacji fotowoltaicznej off-grid na sezon letni.

Krok 1 - dobór mocy instalacji PV

Ten krok można wykonać metodą uproszczoną lub zaawansowaną.

Metoda uproszczona:

Moc instalacji PV [kWp] = dzienne zużycie energii [kWh] x 0,6

Gdzie dzienne zużycie energii wylicz, dodając dzienne zużycie energii wszystkich urządzeń (tabela poglądowa poniżej)

Urządzenie	Dzienne zapotrzebowanie na energię (szacunkowo)
Lodówka	0,31 kWh
Telewizor	0,15 kWh
Oświetlenie 100 W	0,1 kWh
Oszczędny laptop	0,19 kWh

Metoda zaawansowana:

Moc instalacji PV = Dzienne zużycie energii [kWh] x Współczynnik korekcji nasłoneczniania / (dzienne nasłonecznienie x sprawność zbiorcza regulatora, akumulatora i przetwornicy),

Gdzie:

• Dla współczynnika korekcji nasłoneczniania wartość 2, jeśli chcesz, żeby instalacja zasilała też instalację w pochmurne dni. Jeśli chcesz zasilania tylko w słoneczne dni, przyjmij wartość mniejszą, aż do 1.
• Dla sprawności regulatora, akumulatora i przetwornicy najlepiej przyjąć sprawność 50-65%.
• Dzienne nasłonecznienie odczytaj z drugiej tabeli poniżej:

Tabela dziennego nasłonecznienia:

Województwa	Dzienne nasłonecznienie (czerwiec, instalacja pod kątem 30° na południe)
Podkarpackie, małopolskie, świętokrzyskie, lubelskie	5,6 kWh
Wielkopolskie, dolnośląskie, lubuskie	5,5 kWh
Pomorskie, zachodniopomorskie	5,45 kWh
Warmińko-mazurskie, podlaskie	5,5 kWh
Łódzkie, mazowieckie	5,55 kWh
Opolskie, śląskie	5,6 kWh

Na podstawie danych z PVGIS

Krok ekspresowy - kupno inwertera wyspowego

Zamiast niżej wymienionych kroków 2, 3 i 5, gdzie omawiamy dobór regulatora możesz po prostu kupić inwerter hybrydowy (lub wyspowy), który spełnia funkcje regulatora ładowania i przetwornicy DC/AC.

Inwerter wyspowy dobiera się do mocy instalacji fotowoltaicznej, a jego parametry określają charakterystykę reszty instalacji.

Jest to rozwiązanie łatwiejsze, lecz często okazuje się być droższe od samodzielnego dobrania wszystkich elementów.

Krok 2 - dobór napięcia akumulatorów i instalacji

Im większa instalacja fotowoltaiczna, tym większe musi być napięcie na akumulatorach. Łącząc szeregowo akumulatory 12 V otrzymujemy systemy 24 V, 36 V, 48 V i tak dalej. Akumulatory, regulator ładowania i przetwornica dzielą między sobą to samo napięcie.

Szacunkowo do mocy instalacji należy dobrać dane napięcie instalacji:

• 0,7 kWp - 12V
• 1,5 kWp - 24V
• 2,3 kWp - 36V
• 3 kWp i powyżej - 48V

W przypadku łączenia kilku akumulatorów 12 V warto rozważyć zakup balansera ładowania akumulatorów, który zadba o ich równe i bezpieczne ładowanie.

Czasami potrzebne może okazać się skorzystanie z przetwornicy DC/DC, by obniżyć napięcie z fotowoltaiki na akumulatory. Zwykle można jednak tego uniknąć.

Krok 3 - dobór regulatora ładowania

Zasady doboru regulatora ładowania. Instalacja powinna spełniać następujące warunki:

• Dopuszczalny prąd pracy regulatora ładowania [A] > 1,25 x prąd zwarcia instalacji PV [A]
• Dopuszczalne napięcie pracy regulatora [V] > 1,2 x napięcie obwodu otwartego instalacji PV [V]

Przyjęcie odpowiedniego zapasu (współczynniki 1,25 oraz 1,2) jest szczególnie ważne dla regulatorów ładowania typu PWM.

Krok 4 - dobór pojemności akumulatorów

Na instalacje do domków letniskowych zalecamy akumulatory kwasowo-ołowiowe, najlepiej żelowe lub AGM. Powód jest jeden - te baterie dobrze znoszą zimno, stąd można je zostawić na zimę. Nowsze akumulatory litowo-jonowe NIE MOGĄ być przechowywane w ujemnej temperaturze! Muszą cały czas być ogrzewane, stąd nie nadają się na instalacje sezonowe, które w zimie nie są użytkowane.

Wartości graniczne dla pojemności akumulatorów ustala się następująco:

• Minimalna pojemność akumulatorów [Ah] = maksymalny prąd generowany przez moduły [A] / maksymalna szybkość ładowania akumulatorów [h]
• Maksymalna pojemność akumulatorów [Ah] = maksymalny prąd generowany przez moduły [A] / minimalna szybkość ładowania akumulatorów [h]

Gdzie:

Dla akumulatorów żelowych i kwasowo-ołowiowych  - szybkość ładowania minimalna wynosi 0,05C, a maksymalna 0,35 C, gdzie 1 C to ładowanie z mocą 1 kW akumulatora o pojemności 1 kWh.

Inaczej mówiąc, należy tak dobrać pojemność akumulatora, by pełne naładowanie akumulatora trwało nie krócej, niż 2,5 godziny. W przypadku stosowania akumulatorów innego typu, np. litowo-jonowych, można stosować się do wskazań producenta.

Tak wyliczona pojemność minimalna i maksymalna to nasze wartości graniczne. Wśród nich możemy wyliczyć wartość zalecaną:

Zalecana pojemność akumulatorów [Ah] = dzienne zużycie energii [Wh] / napięcie systemu [V] * maksymalny dopuszczalny poziom rozładowania

Gdzie:

Dla akumulatorów żelowych i kwasowo-ołowiowych maksymalny dopuszczalny poziom rozładowania wynosi 30-50%. Ich rzeczywista pojemność zatem jest dużo niższa, niż pojemność nominalna.

Krok 5 - dobór przetwornicy

Zasady doboru przetwornicy DC/AC:

• Maksymalna moc wyjściowa przetwornicy (w pracy ciągłej) ma być większa o 20-50% niż maksymalna ciągła moc obciążenia
• Nie można stosować przetwornicy IPS do zasilania silników, elektronarzędzi, sprzętu AGD, świetlówek - niczego z silnikiem lub transformatorem.

Urządzenie	Ciągła moc obciążenia (szacunkowo)
Lodówka	80 W
Telewizor	40 W
Oświetlenie 100 W	100 W
Oszczędny laptop	80 W

Krok 6 - sprawdzenie pojemności akumulatora względem przetwornicy

Ostateczne sprawdzenie - dla zachowania żywotności akumulatora sprawdź, czy zachowana jest poniższa nierówność:

Pojemność akumulatora [Ah] > Moc przetwornicy / (napięcie systemu [V] x maksymalna szybkość rozładowania akumulatorów [h])

Gdzie:

Dla akumulatorów żelowych i kwasowo-ołowiowych - maksymalna szybkość rozładowania akumulatorów wynosi 0,2 C (poza krótkimi momentami, np. startu instalacji). Oznacza to, że należy tak dobrać pojemność akumulatora, by jego pełne rozładowanie nie następowało szybciej niż w 5 godzin.

Ceny zestawów off-grid

Oto przykładowe koszty zestawów instalacji off-grid na sezon letni:

Dzienne zużycie energii	System zawiera	Cena
1 kWh	0,6 kWp instalacji PV, 40 Ah 12V aku, regulator MPPT	2 500 zł
2 kWh	1,2 kWp instalacji PV, 80 Ah 12V aku, regulator MPPT	5 000 zł
4 kWh	2,4 kWp instalacji PV, 150 Ah 12V aku, regulator MPPT	10 000 zł

Dodatkowo możesz dopłacić od 500 do 1600 zł za przetwornicę z pełnym sinusem. Wówczas w domku letniskowym będziesz mógł zasilać wszystkie urządzenia, jakie zasilasz w domu.

Cena zestawów fotowoltaicznych do grzania wody w bojlerze:

• 1,5 kWp - 6000 zł
• 3 kWp - 10 000 zł

Cena zestawów off grid całorocznych, z turbiną wiatrową i fotowoltaiką:

• Turbina 600 W, fotowoltaika 4 kWp, inwerter, akumulatory i przewody, regulatory - 20 000 zł

Skoro już o instalacjach całorocznych mowa - co należy o nich wiedzieć? Dlaczego w instalacji całorocznej uwzględniliśmy też turbinę wiatrową?

Instalacje całoroczne off grid - kiedy warto?

W przeciwieństwie do instalacji letnich całoroczne instalacje off-grid nie mogą opierać się na samej tylko fotowoltaice. Po prostu zimą fotowoltaika nie jest wydajnym źródłem energii.

Prawdziwie off gridowa całoroczna instalacja musi być skrojona na “warunki projektowe”, to jest na kilka najgorszych, najciemniejszych dni w roku. Nietrudno się domyślić, że chodzi o grudzień. W grudniu mamy nawet 5 razy mniej światła niż latem!

Wpływa to na wielkość instalacji wymaganej do pokrycia zapotrzebowania. Zależność tę ujawnia tabelka:

	Pokrycie miesięcznego zapotrzebowania na energię (1900 kWh rocznie, 168 kWh miesięcznie) przez instalację fotowoltaiczną off-grid z akumulatorami w zależności od mocy.
Miesiąc	2 kWp	4 kWp	10 kWp
Styczeń	25%	45%	100%
Luty	40%	80%	100%
Marzec	75%	100%	100%
Kwiecień	90%	100%	100%
Maj	100%	100%	100%
Czerwiec	100%	100%	100%
Lipiec	100%	100%	100%
Sierpień	100%	100%	100%
Wrzesień	85%	100%	100%
Październik	55%	100%	100%
Listopad	28%	50%	100%
Grudzień	20%	40%	100%
Niewykorzystane nadwyżki w skali roku	6%	41%	73%

Pokrycie miesięcznego zapotrzebowania na energię (1900 kWh rocznie, 168 kWh miesięcznie) przez instalację fotowoltaiczną off-grid w zależności od mocy instalacji. Na podstawie książki Instalacje fotowoltaiczne Bogusława Szymańskiego.

Jeśli miesięcznie Twój domek zużywa 168 kWh, to wystarczy Ci 2 kWp mocy instalacji fotowoltaicznej, by zasilić go na zimę. Jeśli jednak chcesz mieć zasilanie przez cały rok, musisz już zamontować 10 kWp. Jednak w tak dużej instalacji 73% energii będzie marnowane. Z kolei w instalacji on-grid wszelkie nadwyżki z okresu letniego sprzedajesz do sieci, by obniżyć rachunki za prąd zimą, a nawet zarobić.

Wnioski - sama fotowoltaika nie jest wydajnym sposobem na zasilanie domu przez cały rok.

Oczywiście nie chcemy powiedzieć, że całoroczne, w pełni autonomiczne instalacje w ogóle nie mają sensu. Mogą być praktyczne w przypadku małych instalacji oświetlenia lub monitoringu. Widzimy takie instalacje wokół nas!

Zauważ jednak, że w takich systemach na jedną diodową żaróweczkę czy kamerę przypada duży akumulator i kilka modułów. Taka instalacja, gdyby była podpięta do sieci, mogłaby znacząco obniżyć rachunki, a w wariancie off-grid zasila żarówkę.

Ale ja naprawdę chcę mieć całkowicie niezależny budynek!

Jeśli tak, to powinieneś połączyć kilka sposobów generowania prądu:

• Fotowoltaika będzie generować prąd w słoneczne dni
• Mała turbina wiatrowa będzie wydajnie działać przy wietrznej pogodzie
• Generator olejowy poratuje Cię w kilka najgorszych tygodni w roku

Do tego wszystkiego potrzebujesz też akumulatorów pokaźnej wielkości. Da się to zrobić, ale nie jest to opłacalne rozwiązanie - nie w porównaniu do instalacji on-grid.

Skutecznym sposobem na to, żeby Twój dom korzystał w pełni z dobrodziejstw sieci energetycznej, ale jednocześnie mógł przetrwać dłuższy czas bez niej, jest hybrydowa instalacja fotowoltaiczna.

Instalacja z inwerterem hybrydowym, czyli fotowoltaika off grid / on grid

Instalacja hybrydowa może działać w trybie on grid oraz off grid, łącząc w sobie zalety obu instalacji fotowoltaicznych. Ale uwaga, nie wszystkie instalacje z magazynem energii są instalacją hybrydową!

Sercem instalacji hybrydowej jest inwerter hybrydowy, który może działać samodzielnie lub dostroić się do sieci energetycznej. Czasami funkcje inwertera hybrydowego mogą spełniać dwa urządzenia, inwerter solarny oraz inwerter baterii z funkcją pracy wyspowej.

Schemat instalacji off grid / on grid

Zasada działania

W normalnej sytuacji instalacja działa on grid, czyli jest połączona z siecią. Dzięki temu latem sprzedajesz prąd do sieci i odkładasz pieniądze na koncie prosumenta, dzięki czemu obniżysz zimowe rachunki za prąd. Żadna energia się nie marnuje.

W sytuacji awaryjnej z kolei inwerter odłączy Twoją instalację od sieci, a Twój dom (najczęśniej nie cały, tylko wybrany obwód awaryjny) będzie zasilany z instalacji fotowoltaicznej i magazynu energii.

Dobór instalacji hybrydowej

Zasady doboru instalacji hybrydowej z zasilaniem awaryjnym różnią się od doboru czystej instalacji off-grid. Więcej informacji znajdziesz w poniższych artykułach:

• Dobór instalacji hybrydowej z zasilaniem awaryjnym
• Jakie magazyny energii wybrać i dlaczego typu LFP
• Więcej o inwerterach hybrydowych

W skrócie - upewnij się, że w trybie zasilania awaryjnego fotowoltaika będzie zasilać magazyn energii. Akumulatory LFP są bezpieczne i wydajne. Inwerter hybrydowy dobierz z myślą o możliwościach całego systemu, szczególnie uwzględniając kompatybilność z magazynem energii.

Instalacja off-grid bez akumulatora

Inwertery Fronius GEN 24 Plus mogą działać w trybie off grid bez akumulatora. To rozwiązanie nazywa się PV Point.

PV Point zapewni zasilanie w sytuacji awaryjnej bez akumulatora, przy czym:

• tylko w jednym gniazdku
• tylko gdy świeci słońce

Ponieważ w tym systemie nie ma akumulatora, zasilanie awaryjne działa tylko, gdy na instalację fotowoltaiczną pada słońce. Tym jednym gniazdkiem będziesz mógł podładować komórkę / laptopa / radio. Gdy słońce będzie mocno grzało, to może nawet zagotujesz wodę w czajniku i przygotujesz posiłek.

Ta funkcja jest opcjonalna i występuje w inwerterach Fronius Primo GEN 24 Plus (jednofazowy) i Fronius Symo GEN 24 Plus (trójfazowy).

Podsumowując, fotowoltaika off grid ma sens w normalnych domach w sytuacjach kryzysowych jako zasilanie awaryjne oraz w domkach letniskowych i kamperach. Całoroczne instalacje off-grid też są możliwe, ale należy się tutaj wspomagać agregatorami prądotwórczymi i turbinami wiatrowymi.

W taki czy inny sposób, systemy OZE nie tylko obniżają nasze rachunki, ale też zwiększają bezpieczeństwo.