Czy historia kołem się toczy ?
W roku 1923, w Gródku koło Torunia, powstała elektrownia wodna o mocy 1,7 MW, która w kolejnych latach została rozbudowana, osiągając nominalną moc 3,9 MW. Była to na ówczesne czasy największa elektrownia wodna w Polsce.
Ze względu na niewielką ilość odbiorców energii elektrycznej w elektrowni, pojawiły się nadwyżki generowanej zielonej energii. Powstało więc pytanie – co zrobić z nadwyżkami energii? Odpowiedzią na to pytanie było powstanie w 1932 roku przy elektrowni Gródek Fabryki Grzejników Elektrycznych (dzisiejsza Selfa). Fabryka miała za zadanie produkcję elektrycznych urządzeń grzejnych, które poprawiały komfort ówczesnego życia i tworzyły zapotrzebowanie na energię elektryczną.
Następca Fabryki Grzejników Elektrycznych – Firma Selfa GE S.A., po 70 latach, w roku 2012 produkując już ponad 2 mln sztuk grzałek elektrycznych, które tworzą ogromne zapotrzebowanie na energię elektryczną, uruchamia Zakład Produkcji Modułów Fotowoltaicznych. Moduły te docelowo tworzą elektrownie fotowoltaiczne, które szczególnie w okresie wiosenno-letnim produkują nadwyżki zielonej energii. I znów powstaje pytanie – co zrobić z nadwyżkami tej energii? I tutaj ponownie Selfa proponuje kolejne rozwiązanie pozwalające zwiększyć autokonsumpcję energii, oferując specjalne grzałki, które są w stanie spożytkować te nadwyżki zamieniając je na ciepło.
Obrazowo historia wygląda następująco:
Czym jest obciążenie powierzchniowe grzałki ?
Grzałki produkowane przez producentów, zarówno polskich, jak i zagranicznych, są projektowane na rynek polski przy napięciu nominalnym 230 V (lub trójfazowym na 3~ 230/400 V). Dotychczasowe badania trwałości grzałek były prowadzone dla długotrwałej pracy przy napięciu znamionowym 230 V, które praktycznie odpowiadało rzeczywistemu napięciu w sieci elektroenergetycznej.
Na przestrzeni wielu lat badań i doświadczeń, branża producentów grzałek wspólnie z producentami ogrzewaczy wody opracowała sprawdzone standardy dotyczące dopuszczalnego obciążenia powierzchniowego grzałek. Obciążenie powierzchniowe grzałki oznacza ilość mocy grzałki podanej w watach na cm² powierzchni czynnej. Przyjmijmy dla grzałek pracujących w wodzie stojącej, takich jak pojemnościowe ogrzewacze wody, dopuszczalne obciążenie na poziomie 10 W/cm². Co oznacza to dla konstrukcji grzałek?
To praktycznie oznacza, że grzałka o mocy np. 2000 W i średnicy fi 8,5 mm, powinna mieć długość strefy grzejnej 75 cm. I tak w uproszczeniu możemy przyjąć, że standardowa grzałka do pracy w bojlerze w stanie prostym ma długość czynną 75 cm (praktycznie jest trochę dłuższa, bo są jeszcze strefy zimne, ale do naszej analizy nie ma to znaczenia).
I takie grzałki zostały sprawdzone i zweryfikowane przez rynek. Oczywiście oszczędnościowe tendencje ostatnich lat tj. ogólne dążenie do minimalizacji kosztów materiałowych we wszystkich produktach nie ominęły też branży grzałek. Czy grzałka 2000 W nie mogłaby być krótsza i mieć długość np. 55 cm, przecież byłaby tańsza? Niestety nie, bo wówczas jej obciążenie powierzchniowe wynosiłoby 13,6 W/cm², czyli ponad dopuszczalne 10 W/cm², a to powoduje niedopuszczalny spadek żywotności grzałki. Choć pewni producenci podejmowali próby oszczędności materiałów, jednak rynek szybko zweryfikował trwałość takich rozwiązań, co doprowadziło do ustalenia stabilnych reguł dotyczących minimalnej długości grzałki dla określonej średnicy i mocy.
Przestawione powyżej dopuszczalne obciążenie jest tylko przykładowym obciążeniem, bo jest ono zależne jeszcze od kilku innych czynników i może być inne dla konkretnych rozwiązań, niemniej dla każdego rozwiązania istnieje maksymalne dopuszczalne obciążenie, którego nie należy przekraczać.
Jak fotowoltaika wpływa na napięcie w sieci ?
Dyskutując na temat fotowoltaiki, dużo mówi się też o stanie sieci elektroenergetycznej. Niestety, w wielu miejscach w Polsce jest ona niemodernizowana od wielu dekad i niedostosowana do odnawialnych źródeł energii takich jak przydomowe instalacje fotowoltaiczne.
Przy starym systemie generacji energii przez duże elektrownie, głównie węglowe, odpowiednia regulacja napięcia w sieci niskiego napięcia była realizowana na poszczególnych stacjach transformatorowych, przy uwzględnieniu występujących obciążeń i zapotrzebowania na energię. Do czasu, gdy w Polsce nie zaczęto lawinowo przyłączać mikroinstalacji fotowoltaicznych, praktycznie nie występował też problem długotrwałego wzrostu napięcia w instalacjach odbiorczych (mogły występować jedynie spadki spowodowane np. okresowym przeciążeniem linii, itp.).
W sytuacji, gdy obecnie w danej lokalizacji występuje duże zagęszczenie generatorów fotowoltaicznych, a stan sieci nie pozwala na przesłanie określonej ilości energii przez jej infrastrukturę, to wartości napięcia w granicach normy (czyli do 253V) mogą nie pozwolić na przesłanie wytworzonej nadwyżki energii do sieci z przyczyn czysto fizycznych. W takiej sytuacji, falownik pracujący zgodnie z normą EN 50549 oraz wymogami kodeksu sieciowego NC RfG, powinien się wyłączyć i zaprzestać wysyłać energię, gdy średnia wartość napięcia dla fazy przekracza 253V przez 10 minut.
Oczywiście, taka sytuacja jest bardzo niekorzystna dla właścicieli przydomowych elektrowni fotowoltaicznych. Czasem udaje się zmienić odczepy stacji transformatorowej i obniżyć wartości napięcia sieci, jednakże w niektórych sytuacjach bez kosztownej i planowanej na lata modernizacji sieci, nic nie można już zrobić. Co wtedy? Z rozwiązaniami przychodzą wszelakie fora internetowe, podpowiadające jak dla danego falownika fotowoltaicznego zmienić nastawy norm, czy wprost wprowadzić nowe zakresy napięć przy jakich falownik ma się wyłączyć.
Taki proceder, choć nielegalny, jest w pewnym sensie zrozumiały. Wysokie napięcie powoduje wyłączanie falownika, szczególnie w najbardziej słonecznych porach dnia. To bezpośrednio przekłada się na dłuższy czas zwrotu inwestycji, a domaganie się ustawienia prawidłowych wartości napięcia sieci od operatorów (OSD) przez właścicieli instalacji fotowoltaicznych często przypomina przysłowiową walkę z wiatrakami.
Zakres dopuszczanych zmian napięcia w sieci niskiego napięcia (nn), zgodnie z obowiązującymi przepisami, może wynosić od 207V do 253V. Producenci urządzeń zasilanych z sieci niskiego napięcia, projektują swoje wyroby odpowiednio do napięć znamionowych, tj. ~230/400V i powinny one pracować poprawnie co najmniej w przedziale odchyleń ±10% od napięcia znamionowego, czyli dla urządzeń jednofazowych w przedziale 207V – 253V.
W sytuacji, gdy w danej lokalizacji, gdzie impedancja linii lub ogólnie rzecz ujmując infrastruktura sieci nie pozwala na przesłanie znacznej ilości wygenerowanych przez instalacje fotowoltaiczne nadwyżek energii, a właściciele tych instalacji przestawili zakresy dopuszczalnych zakresów napięcia w swoich falownikach, z pewnością wystąpi problem ze znacznym przekroczeniem wartości 253V. Różne źródła podają, że w niektórych lokalizacjach w Polsce, zmierzone wartości skuteczne napięcia w instalacjach odbiorczych potrafią osiągać wartości nawet ponad 270V!
Podczas gdy generacja znacznej ilości energii w danej lokalizacji, powoduje wzrost napięcia w sieci, to zwiększenie poboru mocy spowoduje jego obniżenie. Prostym sposobem na obniżenie napięcia w sieci jest po prostu zwiększenie zużycia energii w instalacji odbiorczej w godzinach największego nasłonecznienia (zwiększenie autokonsumpcji), np. poprzez podgrzewanie wody (c.w.u.) w bojlerze w szczytowych okresach generacji energii z instalacji fotowoltaicznej.
Co oznacza dla grzałki zmiana napięcia zasilania ?
Grzałka, która jest zasilana napięciem 253 V, nie ma już mocy 2000 W, lecz 2420 W. Może się wydawać, że jest to korzystne, ponieważ woda nagrzewa się szybciej. Jednak obciążenie powierzchniowe wzrasta z 10 W/cm² do 12,1 W/cm², co przekracza dopuszczalne wartości o 20%.
Gdyby grzałki mogły pracować z obciążeniem większym o 20%, to dlaczego producenci grzałek nie wpadli na to wcześniej i nie produkowali grzałek o 20% krótszych przez te wszystkie lata? Przecież byłaby to bardzo istotna oszczędność. Jednak, jak już wcześniej stwierdziliśmy, rynek nie zaakceptował takiego rozwiązania, co dowodzi, że przekroczenie dopuszczalnego obciążenia o 20% nie jest dobrym rozwiązaniem.
Wobec powyższego, świadomi tego problemu producenci grzałek muszą dostosować swoje produkty do nowej sytuacji. Przy projektowaniu grzałek należy przewidywać możliwość ich ciągłej pracy przy napięciu 250 V. Ośrodek Badawczo-Rozwojowy Selfa od prawie roku prowadzi badania dotyczące wpływu zwiększonego obciążenia powierzchniowego na trwałość grzałek, i choć badania nie są jeszcze zakończone, wstępne wyniki potwierdzają, że wpływ jest bardzo istotny.
Rosnąca popularność różnych systemów zwiększających autokonsumpcję powoduje, że poruszany problem odpowiedniego doboru grzałki staje się coraz bardziej powszechny. Dlatego ważne jest, aby zastosowane grzałki w buforach ciepła lub w innych podgrzewaczach wody były przystosowane do długotrwałej pracy przy napięciu 250 V.
Ponadto, należy zwrócić uwagę na coraz częstsze pojawianie się różnych systemów off-grid, które służą głównie do podgrzewania wody. W niektórych z tych systemów napięcie może dochodzić nawet do 300 V, co praktycznie może eliminować możliwość zastosowania standardowych grzałek na napięcie 230V. Oczywiście istnieje możliwość wykonania grzałek do pracy w takich warunkach, jednak muszą to być grzałki dedykowane do takiego zastosowania.
Jak wynika z powyższych rozważań rozwój mikroinstalacji w Polsce spowodował w wielu lokalizacjach długotrwały wzrost napięcia zasilania co w konsekwencji powoduje wzrost mocy grzałek, który powinien być uwzględniany przy projektowaniu i produkcji elementów grzejnych.
