Effektivitetsanalyse av AC- og AC/DC-hybridsystem i boliger

Abstract

I denne rapporten har en omfattende studie av AC- og AC/DC-hybridsystemer for effektstyring med ulike driftsmoduser og operasjonstilstander blitt gjennomført. Analysen har fokusert på systemenes ytelse og effektivitet basert på solcelleproduksjon, elektrisitetsforbruk, og batterikapasitet. Denne rapporten er motivert av det stadig voksende behovet for å forstå og forbedre bruken av fornybar energi i boliger. Med tanke på den raskt voksende bruken av solcellepaneler og batterilagringssystemer som begge opererer på DC, er det av interesse å undersøke effektiviteten til disse systemene.

I studien har det utført en sammenligning mellom et tradisjonelt AC-system og et AC/DC-hybridsystem, der begge systemene er utstyrt med solcelleanlegg og batterilagring. Valget om å analysere begge systemene ble gjort for å undersøke potensielle fordeler med direkte forsyning av DC. Med økende antall elektriske apparater som kan driftes på DC, kan hybride systemer tilby økt effektivitet ved å eliminere behovet for konvertering fra DC til AC. Dette er en relativt ny og mindre utforsket metode, og det var derfor viktig å sammenligne den med det etablerte AC-systemet.

Resultatene av analysen viser at det er forskjeller i systemeffektiviteten mellom de ulike driftmodusene og opereasjonstilstandene (OT) for både systemer. Totalt er det to driftmoduser og seks OT som er blitt undersøkt i denne studien.

I driftmodus 1, der solcelleanlegget produksjon er større enn elektrisitetsforbruket, ble det funnet at tilstand 3 var den mest effektive. I denne tilstanden dekket solcelleanlegget forbruket, og batteriet ble ikke brukt til å forsyne lastene. Dette førte til at tapet i batteriet ble neglisjert, dermed kun konveteringstap og tap ved tilbakeføring til nettet bidro til energitap i systemene. Tilstand 1, der både solcelleanlegget og batteriet forsynte lastene, hadde høyere tap på grunn av flere konverteringsprosesser og ladningstap i batteriet. Tilstand 2, der batteriet ble brukt til å forsyne lastene når solcelleanlegget ikke genererte nok strøm, hadde noe høyere tap enn tilstand 1 på grunn av konveteringstap og ladningstap i batteriet.

I driftmodus 2, der solcelleanlegget produksjon er mindre enn elektrisitetsforbruket, ble det funnet at tilstand 6 var den mest effektive. I denne tilstanden ble lastene ikke forsynt av batteriet, og tapet i batteriet skyldes kun utladning. Tilstand 5, der lastene ble forsynt alle energikildene, viste seg å være den minst effektive på grunn av konverteringstap som oppstår når energien fra forskjellige kilder mates til lastene. Tilstand 4, der batteriet ble brukt til å forsyne lastene når solcelleanlegget ikke produserte nok strøm, hadde høyest tap, skyldes konverteringstap og utladningstap i batteriet.

Resultatene av sammenligningen over et helt år viser at AC/DC-hybridsystemet oppnådde en systemeffektivitet som var 1,81 % høyere enn det tradisjonelle AC-systemet. Dette resultatet indikerer at direkte forsyning av DC til lastene i hybridsystemet kan bidra til reduserte konverteringstap og dermed økt effektivitet sammenlignet med AC-systemet.

In this report, an extensive study of AC and AC/DC hybrid systems for power management with different operating modes and operational states has been conducted. The analysis has focused on the performance and efficiency of the systems based on solar cell production, electricity consumption, and battery capacity. This report is motivated by the continuously increasing need to understand and improve the use of renewable energy in households. Considering the rapidly increasing adoption of solar panels and battery storage systems, both of which operate on DC, it is of interest to investigate the efficiency of these systems.

In the study, a comparison was carried out between a traditional AC system and an AC/DC hybrid system, both equipped with solar panel installations and battery storage. The decision to analyze both systems was made to investigate potential benefits of direct DC supply. With an increasing number of electrical devices that can operate on DC, hybrid systems can offer increased efficiency by eliminating the need for DC to AC conversion. This is a relatively new and less explored method, so it was important to compare it with the established AC system.

The results of the analysis show differences in system efficiency between different operating modes and operational states (OT) for both systems. In total, two operating modes and six OTs were examined in this study.

In operating mode 1, where the solar panel production is greater than electricity consumption, it was found that state 3 was the most efficient. In this state, the solar panel system covered the consumption, and the battery was not used to supply the loads. This led to the battery loss being neglected, hence only conversion losses and losses from feed-in to the grid contributed to energy losses in the systems. State 1, where both the solar panel system and the battery supplied the loads, had higher losses due to more conversion processes and charging losses in the battery. State 2, where the battery was used to supply the loads when the solar panel system did not generate enough power, had slightly higher losses than state 1 due to conversion losses and charging losses in the battery.

In operating mode 2, where the solar panel production is less than electricity consumption, it was found that state 6 was the most efficient. In this state, the loads were not supplied by the battery, and the battery loss was only due to discharge. State 5, where the loads were supplied by all energy sources, turned out to be the least efficient due to conversion losses that occur when energy from different sources is fed to the loads. State 4, where the battery was used to supply the loads when the solar panel system did not produce enough power, had the highest losses, due to conversion losses and discharge losses in the battery.

The results of the comparison over a full year show that the AC/DC hybrid system achieved a system efficiency that was 1,82% higher than the traditional AC system. This result indicates that direct supply of DC to the loads in the hybrid system can contribute to reduced conversion losses and thus increased efficiency compared to the AC system.