Νέα έρευνα από το γερμανικό Ινστιτούτο Fraunhofer για Συστήματα Ηλιακής Ενέργειας (Fraunhofer ISE) έδειξε ότι ο συνδυασμός φωτοβολταϊκών συστημάτων στον τελευταίο όροφο με αποθήκευση μπαταριών και αντλίες θερμότητας μπορεί να βελτιώσει την απόδοση της αντλίας θερμότητας μειώνοντας παράλληλα την εξάρτηση από την ηλεκτρική ενέργεια του δικτύου.
Οι ερευνητές του Fraunhofer ISE μελέτησαν πώς τα φωτοβολταϊκά συστήματα στέγης κατοικιών θα μπορούσαν να συνδυαστούν με αντλίες θερμότητας και αποθήκευση μπαταριών.
Αξιολόγησαν την απόδοση ενός συστήματος αντλίας θερμότητας φωτοβολταϊκών-μπαταριών που βασίζεται σε ένα έτοιμο έλεγχο έξυπνου δικτύου (SG) σε μια μονοκατοικία που χτίστηκε το 1960 στο Φράιμπουργκ της Γερμανίας.
«Βρέθηκε ότι ο έξυπνος έλεγχος αύξησε τη λειτουργία της αντλίας θερμότητας ενισχύοντας τις καθορισμένες θερμοκρασίες», είπε ο ερευνητής Shubham Baraskar στο περιοδικό pv. «Ο έλεγχος SG-Ready αύξησε τη θερμοκρασία παροχής κατά 4,1 Kelvin για την προετοιμασία ζεστού νερού, η οποία στη συνέχεια μείωσε τον εποχιακό παράγοντα απόδοσης (SPF) κατά 5,7% από 3,5 σε 3,3. Επιπλέον, για τη λειτουργία θέρμανσης χώρου, το έξυπνο χειριστήριο μείωσε το SPF κατά 4% από 5,0 σε 4,8.”
Το SPF είναι μια τιμή παρόμοια με τον συντελεστή απόδοσης (COP), με τη διαφορά να υπολογίζεται για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα με μεταβαλλόμενες οριακές συνθήκες.
Ο Baraskar και οι συνεργάτες του εξήγησαν τα ευρήματά τους στο "Ανάλυση της απόδοσης και λειτουργίας συστήματος αντλίας θερμότητας φωτοβολταϊκών-μπαταριών με βάση δεδομένα μετρήσεων πεδίου», που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στοΗ ηλιακή ενέργεια προχωρά.Είπαν ότι το κύριο πλεονέκτημα των συστημάτων φωτοβολταϊκών αντλιών θερμότητας είναι η μειωμένη κατανάλωση δικτύου και το χαμηλότερο κόστος ηλεκτρικής ενέργειας.
Το σύστημα αντλίας θερμότητας είναι μια αντλία θερμότητας εδάφους 13,9 kW, σχεδιασμένη με αποθηκευτικό χώρο αποθήκευσης για θέρμανση χώρου. Επίσης, βασίζεται σε δεξαμενή αποθήκευσης και σταθμό γλυκού νερού για την παραγωγή ζεστού νερού χρήσης (ΖΝΧ). Και οι δύο αποθηκευτικές μονάδες είναι εξοπλισμένες με ηλεκτρικές βοηθητικές θερμάστρες.
Το Φ/Β σύστημα έχει νότιο προσανατολισμό και γωνία κλίσης 30 μοιρών. Έχει ισχύ 12,3 kW και επιφάνεια μονάδας 60 τετραγωνικών μέτρων. Η μπαταρία είναι DC-coupled και έχει χωρητικότητα 11,7 kWh. Η επιλεγμένη κατοικία έχει θερμαινόμενο χώρο 256 m2 και ετήσια ζήτηση θέρμανσης 84,3 kWh/m²a.
«Η ισχύς συνεχούς ρεύματος από τις μονάδες φωτοβολταϊκών και μπαταριών μετατρέπεται σε εναλλασσόμενο ρεύμα μέσω ενός μετατροπέα που έχει μέγιστη ισχύ εναλλασσόμενου ρεύματος 12 kW και ευρωπαϊκή απόδοση 95%,» εξήγησαν οι ερευνητές, σημειώνοντας ότι το σύστημα ελέγχου SG-ready είναι σε θέση να αλληλεπιδρά με το ηλεκτρικό δίκτυο και ρυθμίστε τη λειτουργία του συστήματος αντίστοιχα. "Κατά τις περιόδους υψηλού φορτίου δικτύου, ο χειριστής του δικτύου μπορεί να απενεργοποιήσει τη λειτουργία της αντλίας θερμότητας για να μειώσει την καταπόνηση του δικτύου ή μπορεί επίσης να υποβληθεί σε αναγκαστική ενεργοποίηση στην αντίθετη περίπτωση."
Σύμφωνα με την προτεινόμενη διαμόρφωση συστήματος, η ισχύς ΦΒ πρέπει αρχικά να χρησιμοποιείται για τα φορτία του σπιτιού, με πλεόνασμα να παρέχεται στην μπαταρία. Η υπερβολική ισχύς θα μπορούσε να εξαχθεί στο δίκτυο μόνο εάν δεν απαιτείται ηλεκτρική ενέργεια από το νοικοκυριό και η μπαταρία είναι πλήρως φορτισμένη. Εάν τόσο το φωτοβολταϊκό σύστημα όσο και η μπαταρία δεν μπορούν να καλύψουν την ενεργειακή ζήτηση του σπιτιού, μπορεί να χρησιμοποιηθεί το ηλεκτρικό δίκτυο.
«Η λειτουργία SG-Ready ενεργοποιείται όταν η μπαταρία είναι πλήρως φορτισμένη ή φορτίζεται στη μέγιστη ισχύ της και υπάρχει ακόμα διαθέσιμο πλεόνασμα Φ/Β», είπαν οι ακαδημαϊκοί. «Αντίστροφα, η συνθήκη ενεργοποίησης πληρούται όταν η στιγμιαία ισχύς Φ/Β παραμένει χαμηλότερη από τη συνολική ζήτηση κτιρίου για τουλάχιστον 10 λεπτά».
Η ανάλυσή τους εξέτασε τα επίπεδα ιδιοκατανάλωσης, το ηλιακό κλάσμα, την απόδοση της αντλίας θερμότητας και την επίδραση του φωτοβολταϊκού συστήματος και της μπαταρίας στην απόδοση απόδοσης της αντλίας θερμότητας. Χρησιμοποίησαν δεδομένα 1 λεπτού υψηλής ανάλυσης από τον Ιανουάριο έως τον Δεκέμβριο του 2022 και διαπίστωσαν ότι ο έλεγχος SG-Ready αύξησε τις θερμοκρασίες παροχής αντλίας θερμότητας κατά 4,1 Κ για ΖΝΧ. Διαπίστωσαν επίσης ότι το σύστημα πέτυχε συνολική ιδιοκατανάλωση 42,9% κατά τη διάρκεια του έτους, κάτι που μεταφράζεται σε οικονομικά οφέλη για τους ιδιοκτήτες σπιτιού.
«Η ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας για την [αντλία θερμότητας] καλύφθηκε κατά 36% με το σύστημα φωτοβολταϊκών/μπαταριών, μέσω 51% στη λειτουργία ζεστού νερού χρήσης και 28% στη λειτουργία θέρμανσης χώρου», εξήγησε η ερευνητική ομάδα, προσθέτοντας ότι οι υψηλότερες θερμοκρασίες νεροχύτη μειώνονται Απόδοση αντλίας θερμότητας κατά 5,7% στη λειτουργία ΖΝΧ και κατά 4,0% στη λειτουργία θέρμανσης χώρου.
"Για τη θέρμανση χώρου, βρέθηκε επίσης μια αρνητική επίδραση του έξυπνου ελέγχου", είπε ο Baraskar. «Λόγω του ελέγχου SG-Ready, η αντλία θερμότητας λειτουργούσε σε θέρμανση χώρου πάνω από τις θερμοκρασίες καθορισμένου σημείου θέρμανσης. Αυτό συνέβη επειδή το χειριστήριο πιθανώς αύξησε τη ρυθμισμένη θερμοκρασία αποθήκευσης και λειτούργησε την αντλία θερμότητας παρόλο που η θερμότητα δεν χρειαζόταν για τη θέρμανση του χώρου. Θα πρέπει επίσης να ληφθεί υπόψη ότι οι υπερβολικές υψηλές θερμοκρασίες αποθήκευσης μπορούν να οδηγήσουν σε υψηλότερες απώλειες θερμότητας αποθήκευσης.»
Οι επιστήμονες είπαν ότι θα διερευνήσουν πρόσθετους συνδυασμούς Φ/Β/αντλίας θερμότητας με διαφορετικές έννοιες συστημάτων και ελέγχου στο μέλλον.
«Πρέπει να σημειωθεί ότι αυτά τα ευρήματα είναι ειδικά για τα μεμονωμένα αξιολογούμενα συστήματα και μπορεί να διαφέρουν σημαντικά ανάλογα με τις προδιαγραφές του κτιρίου και του ενεργειακού συστήματος», κατέληξαν.
Ώρα δημοσίευσης: Νοε-13-2023