AC vs. DC i bostadshus utrustade med solenergi-plus-lagring

Forskare från Chalmers tekniska högskola i Sverige har jämfört energibesparingspotentialen hos distributionssystem för växelström (AC) och likström (DC) för bostadshus utrustade med solcells- och batterilagringssystem. Speciellt tittade de på om DC-inställningar kunde leda till lägre energiförluster.

"En aspekt som härrör från arbetet är att vi skulle kunna presentera modellerade förlustbesparingar med DC-distribution för ett nordiskt klimat med - i genomsnitt - lägre instrålning", sa forskaren Patrik Ollas tillpv tidning. "Också effekten – och bevisad nödvändighet – av PV och batterilagring för att uppnå energibesparingar med DC."

För sin analys av den dagliga och säsongsbetonade prestandan för de två topologierna använde forskarna en helårsdatauppsättning av lastanvändning, PV-generering, lastberoende effektivitetsegenskaper för kraftelektroniska omvandlare (PEC) och batterilagring. De övervägde AC- och DC-konfigurationer för en byggnad med en söderorienterad 3,6 kW solenergi-plus-lagringsinstallation med en lutningsvinkel på 45 grader. De antog att byggnaden hade utrymme och varmvattenuppvärmning via en bergvärmepump.

"Individuella mätningar erhölls för följande apparater: markvärmepump, ventilation, vattenpumpar och PV-generering," sa forskarna och noterade att det årliga belastningsbehovet är 6 354 kWh, med PV som genererar 3 113 kWh. "Denna studie utfördes för en nätbunden byggnad; en dubbelriktad AC/DC-omvandlare behövdes för nätinteraktion."

Arbetet övervägde fyra olika systemtopologier: AC—230 VAC med lastberoende verkningsgrad, DC1—380 VDC med lastberoende verkningsgrad, DC2—380 VDC med fast omvandlarverkningsgrad och DC3—380 och 20 VDC med lastberoende verkningsgrad.

"En 20 VDC underspänningsnivå lades till DC1 och DC2 för att försörja de mindre belastningarna och belysningen genom en central DC/DC-omvandlare", sa forskargruppen.

De fann att de dubbelriktade omvandlarens förluster skiljer sig markant när de modelleras med fasta och lastberoende effektivitetsegenskaper. De fann också att DC-topologin kunde uppnå energibesparingar även utan inkludering av PV eller batterilagring.

"Förlusterna för den nätbundna omvandlaren med en konstant effektivitetsmetod (DC2) var 34 procent lägre än de i fallet med implementering av lastberoende effektivitet (DC1)," sa de. "Systemeffektivitetsvärdena för respektive system (AC och DC1−3) var 95,3, 94,3, 95,8 respektive 93,7 procent."

Gruppen drog slutsatsen att DC-installationen inte var ett gynnsamt alternativ när det gäller förlustminskning utan inkluderandet av ett PV- och batterisystem.

"I ett mer vetenskapligt sammanhang framhölls det felaktiga att använda konstanta effektivitetsvinster för både batteriet och kraftelektronikomvandlaren", avslutade Ollas. "De största besparingarna erhölls också när PV-kraft matades till lasterna direkt eller via batterilagringen. Jag är medveten om att DC-distribution i byggnader är en nischapplikation och hamnar i en Catch-22-situation när det gäller leverans av produkter och efterfrågan. Vissa speciella fall kan dock vara intressanta för detta, till exempel interna DC-nät med PV, batteri- och EV-koppling och kontorsbyggnader med god korrelation mellan PV och lastbehov."

Forskarna presenterade sina resultat i "Energy Loss Savings Using Direct Current Distribution in a Residential Building with Solar Photovoltaic and Battery Storage", som nyligen publicerades iEnergier.