Ostrovní systém.
Vzhledem k četnosti dotazů, jak můj ostrovní systém vlastně funguje, jsem
se rozhodl celou problematiku popsat.
Na úvod, musím všechny upozornit, že systém, tak jak jej popisuji, nelze nijak
úředně zlegalizovat ani připojit do distribuční sítě energetiky. Z jednoho
prostého důvodu a to že k takto malým vodním zdrojům (a výroby el.en.)
neexistuje žádná legislativa a patrně v dohledné době nikdy existovat nebude.
Jistou výhodu mají vlastníci mlýna, ke kterému patrně existovala doložka o
nakládání s vodními zdroji, kterou lze (snad) obnovit.
Stavím tedy turbíny pro ostrovní systémy. V tomto uspořádání je výhodou (při
správném nastavení) maximální využití potočního vodního zdroje s ještě rozumnou
návratností investice.
Navržený a realizovaný ostrovní systém tedy spočívá v tomto:
Bankiho turbína přímo spojená s třífázovým generátorem na hřídeli bez převodů.
Dále usměrňovač, solární regulátor dobíjení akumulátoru(ů) Tristar,
akumulátor(y) a střídač z libovolného stejnosměrného napětí na střídavých
230V/50Hz. Celý systém řídím a monitoruji pomocí PLC vybaveného vlastním
programem.
Turbína s generátorem vyrábí požadované střídavé napětí, které se následně
usměrní pro regulátor dobíjení Tristar. Tento regulátor je jediný (o kterém
vím), který lze nakonfigurovat pro provoz s vodními turbínami. Tato funkce
regulátoru je důležitá, protože pro správný provoz turbíny, je nutné, aby se
točila jmenovitými otáčkami. Pokud se přetáčí nebo nedotáčí, rapidně klesá její
výkon. Na regulátoru tedy zadám potřebné vstupní napětí. Regulátor maximálně
zatěžuje turbínu tak, aby toto napětí nebylo nižší ani vyšší než požadované.
Velikostí napětí jsou dány i jmenovité otáčky turbíny, protože generátor vyrábí
napětí, které je přímo-úměrné otáčkám. Tím je vyřešena regulace otáček bez ztrát
v převodech nebo škrcením klapky. K regulaci tak zbývá jen udržení potřebné
hladiny na jezu v místě vstupu vody do potrubí tak abych udržel potřebný a velmi
důležitý spád a aby se do potrubí nedostával vzduch. Toto realizuji pomocí výše
zmíněného PLC , ultrazvukového snímače hladiny, který lze opět nakonfigurovat
dle místních podmínek a servopohonu klapky turbíny. Servo pak pohybuje klapkou
tak, by se udržel zadaný spád dle množství vody ve vodním zdroji (toku).
V případě velmi malého průtoku, lze PLC přepnout do tzv. režimu cyklování, kde
se zadá minimální hladina pro zavření klapky a maximální hladina pro otevření.
Klapku pak lze nakonfigurovat na jakoukoli polohu otevření (0-100%). Tímto
akumulačním způsobem lze zužitkovat i velmi malé průtoky, v řádu několika litrů,
v době sucha.
Pomocí převodníků a snímačů pak na PLC sleduji všechny potřebné údaje, jako jsou
otáčky, velikost dobíjecího proudu, velikost odebíraného proudu, napětí na
akumulátoru. Umožňuje mi sledovat odebranou a vyrobenou el.en.v kWh nebo Wh,
výšku hladiny, průtok atd.
Pomocí PLC reguluji odběr z akumulátorů a zároveň hlídám minimální a maximální
napětí na akumulátoru.
Dle zadaných parametrů (napětí na akumulátoru) zapínám či vypínám odběrné větve
(okruhy) v RD.
Není to však tak, že když je malé napětí na akumulátoru tak nesvítím, ale pomocí
přepínacích relé přepínám MiVE a distribuční síť. Vše probíhá automaticky dle
zadaných parametrů. Systém ovládám a monitoruji z domu pomocí PC po místní síti
LAN.
A teď něco k ekonomice.Původní
záměr využití MiVE byl jako záložní zdroj pro čerpadla a regulátor vytápění
v případě (u nás častého) výpadku en.sítě. Proto jsem tedy nainstaloval louhové
akumulátory o celkové kapacitě cca 800Ah. Pokud se však neuvažuje se systémem,
jako záložním zdrojem, není tak velká kapacita nutná. Značně se tím sníží
vstupní investice.
Vodní tok, který využívám má malý a poměrně hodně kolísavý průtok. Nic méně jsem
zjistil, že bych větší okamžitý výkon 700 - 800W (a více) nebyl schopen rozumě
zužitkovat. Teď se možná podivíte proč. Vyrobenou elektřinu využívám k chodu
čerpadel topení, regulaci topení a k osvětlení. Abych vyrobenou el.en. mohl
využít i např. k vaření musel bych mít okamžitý výkon na generátoru,potažmo na
střídači tak 3 - 4kW, vzhledem k příkonu varné desky a trouby, a v neposlední
řadě několikanásobně větší kapacitu akumulátorů což není levná záležitost. Pro
ostrovní systém (bez vaření) tedy plně postačuje výkon na svorkách akumulátorů
do 1000W.
Pro větší výkon je třeba podstatně větší pořizovací investice (větší
turbína,akumulátory,regulátor,střídač) a zlegalizovat pro prodej do distribuční
sítě ani takový (relativně velký) výkon, z důvodu neexistující legislativy, s
rozumnou návratností nelze.
Stálý čtyřiadvacetihodinový ohřev užitkové nebo topné vody, zejména v jarních a
podzimních měsících by sice možný byl, ale celý výkon turbíny by se nevyužil,
turbína by často běžela na nižší výkon nebo na prázdno a vzhledem k pořizovacím
nákladům tak výkonného zařízení by byla návratnost příliš dlouhá.
V mé lokalitě má turbína průměrný okamžitý výkon 350 – 450W. V době dešťů a tání
cca 550W.
Denně mi tedy reálně vyrobí cca 8,5 - 10kWh. Tento výkon, mi zcela pokryje,
veškerou spotřebu pro provoz topení a svícení (a drobné spotřebiče - TV,PC...).
I při takto relativně malém výkonu jsem zjistil, že turbína odlehčuje a neběží
na plný výkon – malý odběr. Zde jen podotknu, že nejsem zrodu šetřilů a v
domácnosti svítím úplně normálně (někde ještě i tepelnými koulemi) a nijak se
neomezuji.
V čem tedy spočívá výhoda
ostrovního zapojení s akumulátory? A proč stačí tak malý okamžitý výkon?
Turbína totiž funguje 24hodin denně a na rozdíl od fotovoltaiky i večer. Po dobu nízké spotřeby akumuluje a
naopak při vyšším odběru nám nízký výkon turbíny dotují akumulátory za
souběžného dobíjení turbínou.
Na kolik taková hračka orientačně přijde ?
Turbína z nerezivějící oceli dle velikosti a provedení cca 15000-25000,-Kč.
Servopohon klapky 4500,-Kč. Alternátor dle požadovaného výkonu cca 20000 -
30000,-Kč. Regulátor Tristar 17000,-Kč. Usměrňovače 3000,-Kč. Automatika dle
požadavků 23000 – 50000,-Kč. Akumulátory (levnější varianta ) trakční 180Ah
4500,-Kč. Střídač 1000W 8500,-Kč.
Střídač lze nahradit i tzv. GridOn měničem s připojením na stávající rozvod
el.en. Je zde však reálné riziko, že při nízkém odběru bude měnič GridOn dodávat
do distribuční sítě a tato dodávka se bude, pravděpodobně, přičítat ke
spotřebě!!! I toto by se však asi dalo nějak vyřešit. Systém GridOn sníží
náklady na akumulátory (nižší kapacita) a zjednoduší zapojení do stávajících
rozvodů, ale neumožní provoz při výpadku distribuční sítě.
Jen pro pořádek uvedu, že všechny ceny jsou s DPH, orientační s ohledem na
aktuální kurz EURO - US - Kč. Veškerou elektroniku včetně PLC, snímačů atd. jsem
volil takovou aby jakostně odpovídala požadavkům na průmyslovou regulaci. Pro
záměr trvalého provozu je zde větší záruka kvality a spolehlivosti. Záruční
lhůty jsou od 24 do 36měs.
Návratnost investice si asi dokáže každý spočítat. Vezměme tedy tu nákladnější
variantu, celkem cca 137 500,-Kč. Při mém denním příkonu MiVE 10kWh a sazbě
5,-Kč/ kWh je roční zisk cca 16 500,-Kč. Odečtena údržba a období sucha.
Návratnost investice je tedy cca 8,5 - 9 roků. Tedy kratší než třeba nákladnější a
výkonově srovnatelný fotovoltaický systém 3 - 4kWp (15-20let s prodejem přebytků
do DS). Turbína je téměř bezúdržbová. Náklady na provoz jsou minimální. Mazání
ložisek, jejich nutná výměna při opotřebení cca 350,-Kč sada, čas potřebný pro
výměnu zhruba 1,5hod, čas od času očistit vstup vody -česle. Případná výměna
oběžného kola díky abrazivosti unášených částic vodou - neumím odhadnout, ale po
dvou letech provozu jsem na oběžném kole neshledal žádné zásadní opotřebení. Tak
za 20 let to bude možná aktuální. Náklady cca 5000,-Kč.
Něco málo se dá ušetřit u automatiky, pokud se upustí od některých snímačů
(měření proudů, otáčky….). Zase to ubere na celkovém přehledu a komfortu
ovládání..
A ještě si neodpustím poznámku.
Návratnost investice
je sice, z hlediska ekonomiky relevantní údaj. Na druhou stranu, když něco chci
a mám na to peníze, tak to číslo o návratnosti není až tak relevantní. V každém
případě když už to funguje tak to nějaký ten penízek ušetří a nemusí to být hned
desetitisíce. Je docela příjemné když k vám dorazí vyúčtování třeba jen o 5000,-
nižší. To jsou peníze které můžete použít za jiným účelem hned. Navíc když víte,
že to bude fungovat třeba dvacet let.
Snažil jsem problematiku popsat co nejjednodušeji,bohužel se mi to moc
nepovedlo. Ten systém taky není úplně jednoduchý a nad vývojem a realizací
jsem strávil poměrně dost času.
PS
Soustrojí turbíny a síťového generátoru nedělám z důvodu nutnosti velké
investice do řízení.
V tomto případě, musí být na generátoru – potažmo na turbíně, synchronní otáčky a napětí
tedy, 230V(nebo 3x400V) stř. s frekvencí 50Hz. Lze toho dosáhnout nákladnou a složitou
regulací.
Problematikou sfázování generátoru s distribuční sítí a dodržení tolerance
frekvence ani neuvažuji.