Noodstroomvoorziening met UPS functie en AC-gekoppelde zonnepaneelomvormer

In dit artikel bespreken we een noodstroomvoorziening op basis van een thuisbatterij mét UPS functie die gecombineerd is met een AC-gekoppelde zonnepaneelomvormer. AC staat voor alternating current, wisselstroom dus. Dat betekent dat de zonnepaneelomvormer op basis van 230 Volt wisselspanning aan de thuisbatterij is gekoppeld.

Het gebruik van een zonnepaneelomvormer is in combinatie normaal gesproken bij een noodstroomvoorziening niet mogelijk, maar in dit artikel bespreken we een techniek waarbij dit, zij het onder voorwaarden, toch mogelijk is.

Met deze oplossing kan je zéér langdurige stroomstoringen overbruggen, tot wel jaren omdat de zonnepanelen potentieel de accu van de thuisbatterij iedere dag weer kunnen opladen. Alleen in de winterperiode zal dit zeer beperkt mogelijk zijn.

Voor- en nadelen

• altijd stroom op alle, of een beperkt aantal stopcontacten
• zonnepanelen kunnen (in potentie) iedere dag de accu opnieuw laden
• geen aanpassingen noodzakelijk aan bestaande zonnepaneelinstallatie
• zeer geschikt tijdens een crisis met zeer langdurige stroomstoring
• stil en schoon
• overschakelen gebeurt automatisch
• het te leveren vermogen (het aantal apparaten dat tegelijkertijd gebruikt kan worden) wordt mogelijk beperkt tot inhoud van je portemonnee
• thuisbatterij met UPS-functie heeft een hoger stand-by gebruik dan een thuisbatterij zonder UPS functie
• doordat de zonnepanelen op basis van AC zijn aangesloten meer energieverlies

Introductie

Een noodstroomvoorziening met UPS functie, zoals we die in dit artikel hebben behandeld levert een prachtige noodstroomvoorziening op waarbij de apparaten continue van elektriciteit worden voorzien, ook tijdens een stroomstoring.

Die oplossing heeft echter één groot nadeel, zodra de accu leeg is, en de stroomstoring voortduurt zoals bij een crisis die dagen, weken of maanden duurt, dan heeft die noodstroomvoorziening weinig waarde.

Bij de meesten zal dan meteen in gedachte komen om de energie van de zonnepanelen te gebruiken om de accu weer op te laden. Maar helaas, dat werkt niet, want de zonnepaneelomvormer is gekoppeld aan het elektriciteitsnet dus tijdens een stroomstoring heeft de zonnepaneelomvormer zich uitgeschakeld, net zoals alle zonnepaneelomvormer dat doen op de hele wereld.

In dit artikel bespreken we hoe je, zij het onder strikte condities, tóch van de zonnepanelen gebruik kan maken.

Lees dit eerst

In dit artikel borduren we voort op een thuisbatterij met UPS functie die we in een eerde artikel hebben besproken. Het ontwerp wordt zodanig aangepast dat de zonnepaneelomvormer wél kan werken en gebruikt kan worden om iedere dag de accu van de thuisbatterij op te laden.

Ben je nog niet bekend met alle details over een noodstroomvoorziening op basis van een thuisbatterij met UPS functie dan raden we je aan om dat artikel eerst te lezen, omdat we in dit artikel uitgaan dat je reeds over die kennis beschikt.

Zonnepaneelomvormer werkt niet tijdens eilandbedrijf

We hadden geschreven dat als de netspanning weggevallen is, de zonnepaneelomvormer uitvalt. Dat is wel erg vervelend, want de thuisbatterij mag dan wel in eilandbedrijf werken en de woning (grotendeels) van stroom voorzien, maar dat werkt alleen maar zolang de accu niet leeg is.

Doordat de zonnepaneelomvormer uitgevallen is, kan hij niet meer zijn energie (via de AC-in) aan de thuisbatterij leveren om daarmee de accu op te laden.

Mogelijk denk je, als we nou eens de zonnepaneelomvormer op een een kritische elektriciteitsgroep verbinden, dus aangesloten is op AC-out, dan "ziet" de zonnepaneelomvormer 230 Volt wisselspanning (van de thuisbatterij) en "denkt" dat er geen stroomstoring is en gaat onverdroten door met het leveren van zonne-energie, ook tijdens een stroomstoring en kan daarmee de accu van de thuisbatterij geladen worden. Hoe simpel kan het zijn?

Dat is inderdaad een grandioos idee, en de zonnepaneelomvormer zal dan inderdaad elektriciteit leveren tijdens een stroomstoring. Maar er zijn mogelijk nog een paar uitdagingen die overwonnen moeten worden.

De thuisbatterij die in eilandbedrijf werkt, functioneert feitelijk als elektriciteitscentrale en samen met de kritische groepen is een "mini-elektriciteitsnetwerk" gemaakt. Mogelijk ben je er niet van bewust, maar een elektriciteitsnetwerk "in stand houden" is best lastig. Het is als een koordanseres die op het slappe koord haar balans moet houden.

Bij een elektriciteitsnetwerk moet het opgewekte vermogen van de gezamenlijke energieproducenten (de elektriciteitscentrales) exact overeenkomen (in balans zijn) met de gezamenlijke vermogensopname van de energieverbruikers (industrie, huishoudens).

Een (grote) onbalans zal direct leiden tot uitval van het elektriciteitsnet (netspanning daalt onder de 230 Volt - 10% = 207 Volt) of leidt tot grote ongelukken omdat de spanning alsmaar blijft stijgen, ver voorbij de 230 Volt + 10% = 253 Volt. Dat zal dan leiden tot doorbranden van alle elektrische apparatuur.

Het is van belang dit principe van "exact in balans zijn" van het elektriciteitsnet te doorgronden wil je de uitleg hierna begrijpen. Ben je nog niet met die balans van het elektriciteitsnet bekend, lees dat eerst het artikel hoe werkt het elektriciteitsnet?

Het in balans houden van het "eiland" door de thuisbatterij tijdens stroomstoring is al een uitdaging (maar hij kan het goed), want zodra aan de afnemerszijde meer vermogen wordt opgenomen, zal de 230 Volt elektriciteit dalen en dat zal de thuisbatterij in eilandbedrijf meteen corrigeren door meer vermogen te produceren.

Andersom, als aan de afnemerszijde minder energie wordt afgenomen, zal de 230 Volt in het eilandnetwerk stijgen, en dat wil je niet, en de thuisbatterij zal dit meteen corrigeren door minder vermogen te produceren en wel zoveel minder dat de spanning weer 230 Volt is (op dat moment is de productie en afname weer precies in evenwicht).

Wanneer aan dit eilandnetwerk een tweede energiebron (de zonnepaneelomvormer) wordt aangesloten, wordt het weer een stuk uitdagender.

Bidirectioneel

Als eerste, de thuisbatterij moet zodanig ontworpen zijn dat hij tijdens eilandbedrijf overweg kan met een tweede elektriciteitsproducent. Niet iedere thuisbatterij kan dit. Als de thuisbatterij dat niet ondersteunt en je sluit toch een zonnepaneelomvormer aan, dan kan dat leiden tot een defect van de thuisbatterij.

Maar laten we aannemen dat de thuisbatterij aan de AC-out zijde een zonnepaneelomvormer accepteert. Dan is de vraag, hoe wordt de "balans" behouden in het eilandnetwerk? Want stel dat de thuisbatterij 1200 Watt levert en aan de afnemerszijde is een opgenomen vermogen van 1200 Watt, dus is er sprake van een balans.

Maar dan wordt een zonnepaneelomvormer aangesloten op dit eiland, en laten we eens aannemen dat deze op dat moment 1000 Watt produceert. Op dat moment is er een enorme onbalans: productie: 1000 Watt + 1200 Watt = 2200 Watt en de afname is (maar) 1200 Watt. En 1000 Watt + 1200 Watt - 1200 Watt = 1000 Watt "over" (en het had 0 Watt moeten zijn om in balans te zijn).

Het gevolg van deze onbalans (er is vermogen over) dat de 230 Volt spanning zal stijgen. Je moet weten dat een zonnepaneelomvormer altijd zoveel als mogelijk vermogen in het elektriciteitsnetwerk wil "duwen". De zonnepaneelomvormer heeft voelt zich totaal geroepen om mee te helpen aan een energiebalans. Duwen, duwen en nog eens duwen, dat is het devies van een zonnepaneelomvormer.

Het in balans houden van dit eilandnetwerk komt dus op de schouders terecht van de thuisbatterij. Deze zal in dit geval als reactie zijn vermogen zover reduceren dat de spanning weer daalt tot 230 Volt. Dat gebeurt als de thuisbatterij maar 200 Watt produceert. Dan is het eilandnetwerk weer in balans: de productie is 1000 Watt (zonnepaneel) + 200 Watt (thuisbatterij) = 1200 Watt, en de verbruikers nemen op dat moment 1200 Watt op. Dus de som is: 1000 + 200 - 1200 = 0 Watt, in balans dus.

Maar wat als de zonnepaneelomvormer meer vermogen gaat produceren, of aan de afnamekant de vraag naar vermogen daalt? Stel, omdat de zon feller gaat schijnen, dat de zonnepaneelomvormer 1500 Watt gaan produceren en aan de afnamezijde wordt maar 1200 Watt afgenomen. Dan hebben we dus 300 Watt "over", dus is er sprake van een onbalans.

De thuisbatterij kan dit niet corrigeren door zijn productie te verlagen, want zelfs als dit 0 Watt is, dan hebben we nog steeds 300 Watt over.

Gelukkig kan dit type thuisbatterij niet alleen vermogen leveren (produceren), maar ook vermogen opnemen. Dus op dat moment verandert de functie van de thuisbatterij van producent naar afnemer. Wanneer hij 300 Watt opneemt, dan is het eilandnetwerk weer in balans. De zonnepaneelomvormer levert 1500 Watt, de verbruikers nemen 1200 Watt op en de thuisbatterij neemt ook nog eens 300 Watt op, samen dus 1500 Watt. Dus hebben we weer een balans in het elektriciteitsnet.

Het vermogen dat de thuisbatterij opneemt, om de balans in het eilandnetwerk te behouden, wordt gebruikt om de accu van de thuisbatterij te laden. Dat de 230 Volt (AC-out) aansluiting van de thuisbatterij (de eilandaansluiting of load zijde) vermogen kan leveren maar ook kan opnemen, wordt een bidirectionele 230 Volt aansluiting genoemd. De elektriciteit kan twee kanten op vloeien, uit maar ook de thuisbatterij in.

Een zonnepaneelomvormer die verbonden is met AC-out kan dus zorgen dat iedere dag opnieuw de accu van de thuisbatterij wordt geladen, ook als de stroomstoring weken, maanden zelfs jaren duurt. Maar wacht even met juichen...

Probleem: accu is vol, wat nu?

Maar wat nu als na een tijdje de accu volgeladen is? Waar moet dan het surplus van vermogen naar toe dat uit de zonnepaneelomvormer komt? De thuisbatterij kan dit vermogen nergens laten, dus degene die de balans moet bewaken, heeft al zijn troeven uitgespeeld.

Houston, we have a problem.

De enige oplossing zou zijn dat de thuisbatterij de zonnepaneelomvormer op een of andere manier zou vertellen dat zijn diensten op dat moment niet op prijs worden gesteld en of hij tijdelijk even maar een ommetje wil gaan maken.

Maar dat werkt alleen maar als de thuisbatterij zo'n opdracht kan geven aan de zonnepaneelomvormer, én dat de zonnepaneelomvormer bekend is met zo'n opdracht om tijdelijk te stoppen met het leveren van elektriciteit.

Hoe dat technische werkt leggen we uit in een ander artikel wat binnenkort verschijnt en daarbij leggen we de techniek van frequentieverschuiving (frequency shifting) en de VDE4105 norm uit.

Lang verhaal kort: de thuisbatterij kan de zonnepaneelomvormer opdracht geven om zijn vermogen te reduceren waardoor de productie en afname weer in balans komt. In het ergste geval kan hij zelfs vragen aan de zonnepaneelomvormer om de productie van vermogen tijdelijk totaal te staken.

Eind goed, al goed. Aan de AC-out zijde van een thuisbatterij met UPS functie kan een zonnepaneelomvormer aangesloten worden om zodoende de accu te blijven opladen. Maar dat kan alleen maar onder de volgende strikte voorwaarden.

• De AC-out aansluiting van de thuisbatterij moet bidirectioneel kunnen werken (stroom kan uit, maar ook in de thuisbatterij vloeien)
• De aangesloten zonnepaneelomvormer(s) moeten de VDE4105 norm ondersteunen (veel modernere zonnepaneelomvormers doen dit).
• Het vermogen van de zonnepaneelomvormer mag niet hoger zijn dan het maximum te leveren vermogen van de thuisbatterij.

Vooral die laatste eis kan nog wel een tot problemen leiden. Stel dat je, we nemen het even extreem, een thuisbatterij hebt die maximaal 2000 Watt kan leveren en een zonnepaneelomvormer die 3500 Watt kan leveren, dan is dat een niet toegestane combinatie.

Een mogelijke oplossing is om een thuisbatterij met een groter vermogen te kiezen óf een aanpassing te maken in de zonnepaneelinstallatie waardoor de installatie gesplitst wordt in twee (of meer) delen, waarbij ieder deel zijn eigen (kleinere) zonnepaneelomvormer krijgt met een lager vermogen (samen weer gelijk aan de oude zonnepaneelomvormer). Op dat moment kan één zonnepaneelomvormer op de AC-out uitgang van de thuisbatterij aangesloten worden, althans, als hij de VDE4105 norm ondersteund.

De thuisbatterij bezitter met zonnepaneelomvormer liet de 230 Volt aansluiting door een elektricien omzetten van de "grid" zijde naar de "AC-out" zijde. En zo kwam alles weer goed en konden de kindertjes weer gerust gaan slapen. Papa thuisbatterij met UPS functie waakt over jullie (elektriciteit). Maak je geen zorgen kinderen, ook tijdens een stroomstoring kunnen jullie blijven gamen.

10% te vermijden verlies

Wanneer je een thuisbatterij combineert met zonnepanelen, waarbij deze aangesloten zijn op een zonnepaneelomvormer, dan ontstaan er onnodige omzetverliezen. Je raakt aan die omzetverliezen zo'n 10% kwijt.

Vooral in de winter, als het nauwelijks mogelijk is om de accu redelijk op te laden tijdens een langdurige stroomstoring is dat wel erg jammer. Want had je die omzetverliezen niet gehad, dan had je 10% extra zonne-energie gehad om de accu te laden.

In een volgend artikel behandelen we een noodstroomvoorziening die deze verliezen niet kent.