Spořiče elektrické energie

17. února 2016

Partneři sekce:

Tato studie popisuje princip, funkci a dopad provozu dvou druhů elektrických prostředků k dosahování úspor elektrické energie: prostředku používaného pro běžné typy elektrických spotřebičů a prostředku používaného pro veřejné osvětlení. Měření se týkala praktických rozvodů provedených zákazníky a cílem této studie je popsat princip spořiče naměřené energie, analyzovat chování spořiče z hlediska toku činného a jalového výkonu, vypočítat účinnost spořičů energie, vypočítat úspory dosahované z používání spořiče energie a stanovit napěťový dopad provozu spořičů energie na distribuční síť.

Územní působnost společnosti E.ON Distribution v České republice (provozované společností E.ON Czech Republic) zahrnuje přibližně 1,5 miliónu zákazníků. Zákazníci chtějí elektrickou energií šetřit a instalují si prostředky k úspoře energie. Těmto prostředkům se obecně říká spořiče energie. Spořiče energie jsou napojeny na vnitřní rozvody u zákazníků a není povinností požadovat od provozovatele distribuční sítě (PDS) vydání souhlasu s jejich zapojením. Spořič energie je pro PDS černou skříňkou a PDS nemá tušení, jak spořič energie funguje. Je to problém, protože PDS neví, zda může zapojení doporučit, či nikoliv. V posledních letech se na PDS obrátilo mnoho zákazníků s požadavkem na posouzení. Proto byly zvoleny konkrétní rozvody a se souhlasem zákazníka byla provedena měření.

Spořiče energie pro běžné spotřebiče

Schéma sítě
Na obr. 1 je zobrazeno schéma sítě, ve které je uzel 3 odběrným místem mezi PDS a zákazníkem. Distribuční transformátor T napájí síť, přičemž F1 je distribuční nízkonapěťové (NN) přívodní vedení a F2, F3 a F4 jsou přívodní vedení ve vlastnictví zákazníka. Spořič energie (regulátor) je připojen mezi uzly U4 a U5, L a L2 jsou odběry zákazníka připojené k vnitřním rozvodům. Měření bylo provedeno na uzlu U7, zatímco Ltest je známý odběr, který se měnil. Odběr Ltest je připojen za spořič energie (typ Homewox [7]), takže bylo možné vyhodnotit dopad spořiče energie na odběr Ltest.

Obr. 1 Schéma sítě

Vyhodnocení měření
Obr. 2 demonstruje napětí při spořiči energie v provozu (regulátor je zapnutý – on) nebo mimo provoz (regulátor je vypnutý – off). Pokud je spořič energie v provozu, napětí se snižuje z 230 až 236 V na 208 až 216 V. Spořič energie funguje jako transformátor, který pouze snižuje napětí. Činný výkon na vstupu a výstupu spořiče energie znázorňuje obr. 3; vstupní činný výkon je lehce vyšší než výstupní činný výkon z důvodu výkonových ztrát. Spořič energie nevytváří činný výkon. Obr. 4 ilustruje jalový výkon na vstupu a výstupu spořiče energie. Vstupní jalový výkon je lehce vyšší než výstupní jalový výkon z důvodu výkonových ztrát.

Obr. 2 Napětí při spořiči energie v provozu a mimo provoz

Vliv spořiče energie na provoz elektrických spotřebičů
Provoz tří různých elektrických spotřebičů byl vyzkoušen při porovnání stavů mezi vypnutím (tab. 1) a zapnutím spořiče energie (tab. 2). Zkoušené elektrické spotřebiče byly zapojeny do uzlu U8 podle obr. 1. Činný výkon rychlovarné konvice se snížil z 772 na 665 W, protože se napětí při spuštěném spořiči energie snížilo z 229 na 210 V. K uvaření 0,5 l vody při spuštěném spořiči energie bylo potřebných 340 sekund, uvaření stejného množství vody při vypnutém spořiči energie trvalo 287 sekund. V případě rychlovarné konvice k žádným úsporám nedocházelo, protože bylo potřeba stejného množství energie. Znaménko minus u jalového výkonu znamená, že dochází k produkci jalového výkonu a jeho vyslání do sítě.

Obr. 3 Činný výkon na vstupu/výstupu spořiče energie

Činný výkon tří úsporných žárovek se snížil z 91 na 83 W, protože se napětí při spuštěném spořiči energie snížilo z 231 na 210 V. Uspořilo se 8,8 % energie, avšak snížila se intenzita osvětlení. Činný výkon vysavače se snížil z 1 570 na 1 290 W, protože se napětí při spuštěném spořiči energie snížilo z 226 na 207 V. Úspora se zvýšila na 17,8 %, avšak výstupní výkon vysavače se snížil.

Obr. 4 Jalový výkon na vstupu/výstupu spořiče energie

Spořič energie pro veřejné osvětlení

Schéma sítě
Na obr. 5 je zobrazeno schéma sítě, ve které je uzel 4 odběrným místem mezi PDS a zákazníkem. Spořič energie (typ Lightwox [6]) je připojen mezi uzly U4 a U5, zatímco veřejné osvětlení (VO) je připojeno k uzlu U5. Při hodnocení vlivu spořiče energie na veřejné osvětlení (využívající sodíkové výbojky) bylo měření prováděno na uzlu U5. Principy regulace vybíjení zdrojů energie pro veřejné osvětlení byly popsány v [5], takže jsou známé.

Obr. 5 Schéma sítě

Vyhodnocení měření
Obr. 6 – napětí při spořiči energie v provozu (regulátor je zapnutý) nebo mimo provoz (regulátor je vypnutý). Pokud je spořič energie v provozu, napětí se snižuje z 248 na 205 až 220 V. Spořič energie funguje jako transformátor, který pouze snižuje napětí. Na konci regulovaného přívodního vedení očekáváme ještě nižší napětí, což by mohlo způsobit problém. Obr. 7 – činný výkon na vstupu a výstupu spořiče energie. Vstupní činný výkon je lehce vyšší než výstupní činný výkon z důvodu výkonových ztrát. Spořič energie nevytváří činný výkon.
Obr. 8 – jalový výkon na vstupu spořiče energie při přivedení jalového výkonu do spořiče energie.

Obr. 6 Napětí při spořiči energie v provozu a mimo provoz

Obr. 7 Činný výkon na vstupu/výstupu spořiče energie

Úspory
Porovnána byla přivedená energie během cyklu v trvání jedné noci. Pokud byl spořič energie spuštěný, bylo přivedeno 137 kWh energie, při vypnutém spořiči 182 kWh. Porovnáním stavů při vypnutém a zapnutém spořiči energie je možné vypočítat úsporu energie – přibližně 25 %. Činný výkon veřejného osvětlení se snížil z 13 000 na 10 000 W (obr. 7), protože se napětí při spuštěném spořiči energie snížilo z 238 až 248 V na 205 až 220 V. Zajímavé by bylo zjistit, do jaké míry se snížil světelný tok; ten se totiž z důvodu normativních podmínek nemůže snížit – tato skutečnost však hodnocena nebyla.

Obr. 8 Jalový výkon na vstupu/výstupu spořiče energie

Obr. 9 Špičkové proudy způsobené přepínáním odboček, fáze L1

Vliv na kvalitu napětí
Spořič energie funguje u veřejného osvětlení jako transformátor NN/NN s regulací napětí při odběru, přičemž podobné transformátory se používají v distribuční síti [1]; jmenovitý výkon těchto transformátorů je však vyšší. Přepínáním odboček vzniká špičkový proud (obr. 9), který způsobuje krátkodobé poklesy napětí nebo rychlé změny napětí, projevující se blikáním [2]. Hladina blikání je nízká, protože k přepínání odboček dochází pouze třikrát za noc. V případě častějšího přepínání nebude kvalita napětí (KN) splňovat požadavky normy EN 50 160 [3] a je třeba zvážit, kdo bude za špatnou KN odpovědný. Následně je možné použít metody využívající korelaci mezi odběrem a změnami napětí [4]. Taková korelace vyplývá z obr. 9 a 10. Obr. 11 zobrazuje hodnotu rychlých změn napětí, které dosahují 35 V (rozdíl mezi maximální a minimální hodnotou napětí) při zaznamenání poklesu napětí pod limit 207 V jako krátkodobý pokles napětí podle normy EN 50 160.

Obr. 10 Maximální, průměrné a minimální hodnoty napětí podle přepínání poboček, fáze L1 – měření na sekundárním místě regulátoru

Obr. 11 Maximální, průměrné a minimální hodnoty napětí podle přepínání poboček, fáze L1, detail za jednodenní období, měření na sekundárním místě regulátoru

Závěr

Zkušenost PDS ukazuje, že spořič energie je pouze transformátorem s proměnlivým poměrem. Výrobci spořičů energie prohlašují, že spořiče energie dokážou ušetřit za provozu až 30 %. Skutečné úspory jsou zobrazeny pouze v případě spořiče energie používaného u veřejného osvětlení. Prokázány byly nulové úspory v případě spořiče energie použitého pro tepelné spotřebiče. Použití spořičů energie ve spojení s elektromotory může přinést úspory, avšak snížení točivého momentu může způsobit problémy díky nízkému výstupnímu výkonu. PDS nemůže použití tohoto typu obecně doporučit. V jakékoliv aplikaci je možné očekávat kontraproduktivní účinky. Oba druhy vycházejí z principu transformátoru, přičemž spořiče energie pouze snižují napětí, takže je nižší vstupní činný výkon. Elektrospotřebiče mají nižší vstupní výkon díky sníženému napětí, zbývá jen odpovědět, zda mohou elektrospotřebiče v tomto provozním režimu účinně fungovat.

Literatura
1.   Kaspirek, M. – Simacek, D.: Voltagestabilization in LV Distribution Network Deploying MV/LV and LV/LV with Adjustace Voltage Underload. Proceedings of the14thInternational Scientific Conference ELECTRIC POWER ENGINEERING 2013, VSB – Technical University of Ostrava, Faculty of Electrical Engineeringand Computer Science, Department of Electrical Power Engineering, 28. – 30. 5. 2013, Kouty nad Desnou, ISBN 978-80-248-2988-3.
2.   Kaspirek, M.: Problems Hen Evaluating the Flicker. Proceedings of the 11th International Scientific Conference ELECTRIC POWER ENGINEERING 2010, Brno University of Technology, Faculty of Electronical Engineering and Communication, Department of Electrical Power Engineering, 4. – 6. 5. 2010, Brno, s. 437 – 440, ISBN 978-80-214-4094-4.
3.   EN50160 Ed. 3Voltage Characteristics of Elektricity Supplied by Public Distribution Systems. Brussels: European Committee for Electrotechnical Standardization, 2010. 20 s.
4.   [4] Kaspirek, M.: The Isme of Striking Demonstrativ of Reversing the Effects of Contributors. Proceedings of the 14thInternational Scientific Conference ELECTRIC POWER ENGINEERING 2013, VSB – Technical University of Ostrava, Faculty of Electrical Engineeringand Computer Science, Department of Electrical Power Engineering, 28. – 30. 5. 2013, Kouty nad Desnou, ISBN 978-80-248-2988-3.
5.   Drapela, J.: Aplikace polovodičových měničů pro soustavy veřejného osvětlení. Proceedingsof14th International ConferenceLIGHT 2003. Bratislava 2003. 243 s. ISBN 80-233-0488-7.
6.   https://www.enwox.cz/technologie/firmy-a-obce/osvetleni/technologie/.
7.   https://www.enwox.cz/technologie/domacnosti/technologie-uspory/.

Jan Jiřička, David Mezera
Autoři pracují v oddělení Strategie aktiv a projektů, Správa přenosové sítě E.ON Czech Republic.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB HAUSTECHNIK.