Približavanjem ljeta sazrijeva i razmišljanje o doradi sustava napajanja trošila na plovilu. Pri osmišljavanju fotonaponskih otočnih sustava u našoj seriji članaka već smo definirali tipsku bateriju“ – 12V, 220Ah, C 20… S Li-ionskim baterijama ćemo ipak, prvenstveno zbog cijene, još malo pričekati!
Polazeći od baterije kao potrošnog i najskupljeg elementa sustava, želimo odrediti koliko snage FN-modula treba da bi se baterija punila isključivo besplatnom energijom Sunca – bez pomoćnih izvora energije. Zadatak je privlačan, ali ostvarenje nije lako. Iako smo o fotonaponu i baterijama na brodovima i u marinama već pisali, opisujući i razne nuspojave, neki manje vidljivi detalji mogu itekako utjecati na učinak solarne elektrifikacije plovila.
Ideja je jasna, želimo čim jednostavniji sustav sa što manjom ovisnošću napajanja brodskih trošila s obale, dodatnog rada motora i brodskog generatora.
Na kraju – da li je takav sustav moguć i isplativ?
Gdje je kvaka – ako je ima?
Na slici 1. sustava koji gradimo smo zato u početku sakrili brodski generator ili priključak na obalnu mrežu kao moguće pomoćne izvore energije za punjenje baterije. S pretpostavkom kako je Sunce jedini izvor energije za trošila na plovilu, pokušat ćemo proračunati i uskladiti bateriju, module i punjač, a onda promisliti o prihvatljivosti rješenja. Ako nas rezultat ne zadovolji (bez obzira na razlog) krenuti ćemo iznova… Jer i neuspjeli pokušaj donosi nova znanja.
U našoj shemi sustava na slici 1. sakrili smo ovaj čas i vezu prema istosmjernim i izmjeničnim trošilima… Ne prikazujemo vezu sa startnom baterijom i još neke uobičajene detalje, no uključit ćemo to u nastavcima serije. Jer, ta su rješenja primjenjiva i za vozila!
Polazne baterijske banke
U naš razvoj krećemo jednostavnim zadavanjem baterijske banke, a ne školskim popisivanjem trošila i potreba za energijom! Kad uspostavimo održivost punjenja sustava, moći ćemo izračunati koliko on može dati energije trošilima. Potom svatko sam može zaključiti je li mu raspoloživa energija dovoljna ili ne. Polazeći od „tipske baterije“, na slici 2. su prikazane tri moguće baterijske banke.
Određivanje snage FN-modula za ispravno punjenje baterijske banke
U tablici 1. je za svaku baterijsku banku navedena optimalna struja punjenja koju mora osigurati punjač. Zbog održavanja zdravlja baterija struja punjenja se kreće od 10 do 20% kapaciteta baterije. Mi smo izabrali struju punjenja od 15%. Potrebnu snaga punjenja baterije možemo izračunati iz umnoška struje punjenja i napona baterije – povećanog za približno 10%. Naime, da bi struja uopće potekla u bateriju, punjenje se uvijek odvija na malo većem naponu od trenutnog napona baterije.
Potrebnu snagu za punjenje baterijske banke želimo osigurati iz FN-modula. Kao primjer, ovdje smo uzeli jedan standardni Schrack Technik modul snage 270Wp. Vidimo tako da je za napajanje pojedine banke potrebno 2, 3, odnosno 6 modula. Stoga se sustavi temeljeni oko baterijskih banki sa slike 2. upravo zovu po broju modula: Micro 2 s dva modula, Mini 3 s tri modula i Mini 6 sa šest modula…
Kako se moduli proizvode u diskretnim skokovima snage, tako će konkretan broj modula davati u pravilu snagu različitu od snage potrebne bateriji za punjenje.
Također treba računati i na gubitke u procesu punjenja jer nije moguće svu električku energiju iz FN-modula pretvoriti u kemijsku energiju u bateriji. Vrijedi pravilo kako je bolje imati više fotonaponskih modula. To bi bilo točno i svima prihvatljivo kad FN-moduli ne bi toliko koštali! Zato smo u Mini 3 i Mini 6 sustavu svjesno išli na manju snagu punjenja od one navedene u tablici… Unatoč toj odluci struja punjenja je i dalje sasvim zadovoljavajuća pa životni vijek baterije nije ugrožen.
U tablici 2. provjeravamo energiju spremljenu u punoj bateriji i određujemo da nećemo trošiti više od pola nazivno pune baterije. Istovremeno određujemo koliko energije će se u jednom danu prikupiti preko modula. To je inženjerskom metodom jednostavno izračunati tako da se pomnoži snaga modula s 4 sata. Dakako, Sunce obasjava fotonaponske module cijeli dan, od zore do mraka, no zbog jednostavnosti se u procjenu uzima 4 sata za određivanje ekvivalenta uhvaćene energije. Pogodnost takvog izračuna je jednostavnost. Za geolokaciju Hrvatske, ljeti je broj koji se dobiva umnoškom 4h s nazivnom snagom modula u Watima dovoljno točan ekvivalent prikupljene energije u Wh.
Tijekom zime se ovim jednostavnim proračunom računa samo s 2h osunčanja, jer sunčeve zrake imaju nepovoljan kut upada na ravninu površine FN-modula. Tko želi, može uvijek provesti precizan proračun dnevno proizvedene energije iz sunčevog zračenja, uzimajući u obzir sve vrijednosti – od vršnih do onih najnižih – što se može izračunati i uz pomoć nekog javno dostupnog servisa – recimo s interneta.
Praksa je pokazala da je ova jednostavna procjena proizvedene energije (4h x snaga modula ljeti, odnosno 2h x snaga modula zimi) potpuno prihvatljiva za proračun proizvodnje struje iz modula orijentiranih na jug i u optimalnom nagibu od 34 stupnja.
No, imamo li u nagibu ili u orijentaciji modula odstupanje od navedenog optimuma za Hrvatsku, točne podatke o mogućoj proizvodnji energije treba provjeriti preko internetskih servisa. U tablici 2. dokazujemo da moduli ipak proizvode malo više energije negoli smo odlučili trošiti iz baterija, što je dokaz da je sustav održiv. Dobro je kad sustav tijekom dana može proizvesti barem 25% više energije od one koju u tom vremenu planiramo iskoristiti. Valja zapamtiti da u procesu punjenja nije moguće svu električku energiju iz fotonapona pretvoriti u kemijsku energiju u baterijama! Očito je, tu se razmišlja u dnevnim ciklusima, korištenju plovila i energije dan-za-danom, a ne o vikendima kad se baterije dva dana troše a potom se pet dana pune dok brod čeka na vezu. Čak i u slučaju da svakodnevno plovimo tijekom godišnjeg odmora, tjedan ili dva, a ostatak godine brod miruje, dok baterije napajamo isključivo iz FN modula (koji ne smiju iznevjeriti), i tada je projektiranje instalacije i planiranje proizvodnje i potrošnje prema dnevnim ciklusima – jedino ispravno!
Određivanje prikladnog punjača, usklađivanje modula i punjača
Kako smo upravo došli do snage punjenja potrebne za očekivanu trajnost baterije, dolazimo tako uz pretpostavku neke konkretne snage modula i do broja modula. Osim snage modula, za nastavak razmišljanja i pouzdaniju procjenu, svakako moramo znati i nekoliko važnih podataka iz tehničkog lista naših FN modula, sve kako zahtijeva tablica 3. To su:
• Vmpp (napon modula u točki maksimalne snage),
• Impp (struja modula u točki maksimalne snage),
• Voc (napon modula pri otvorenim stezaljkama),
• Isc (struja kratkog spoja modula).
Navedeni parametri definirani su pri nazivnoj osunčanosti modula i u svakom ozbiljnijem tehničkom listu naći ćete ih pod ovim kraticama. Uza sve to treba prepoznati i dva tipična temperaturna koeficijenta napona i struje koji su uobičajeno navedeni u tehničkom listu.
Kad prikupimo podatke kao u tablici 3., tada možemo dobro iskoristiti jednostavan alat za usklađivanje modula i punjača baterija – MPPT calculator (Victron energy). U tom alatu najprije upišemo podatke modula. Potom otvorimo glavnu masku, kao na slici 3. Zatim izabiremo netom upisani modul (1), upišemo konfiguraciju spoja modula (2), odredimo temperaturno područje rada modula (3), izaberemo neki MPPT regulator punjenja između ponuđenih (4), postavimo napon baterije (5), odredimo presjek kabela od modula do punjača (6) i promatramo polje (7).
Kad je ono zeleno kao na slici 3, moduli i njihov konkretan spoj su usklađeni s punjačem pri nekom postavljenom naponu baterije. Istodobno s upisivanjem podataka u zaslon prema slici 3. mijenjaju se i dijagrami za provjeru naponske i strujne razine, kako to prikazuje slika 4. Na slici naponskih razina vidljiv je maksimalni ulazni napon izabranog punjača koji moduli u svojem spoju ne smiju premašiti (1). Vide se i donji pragovi rada punjača (2) i stvarni napon modula u hladnom (3), odnosno vrućem (4) stanju modula. Na slici strujnih razina uočava se maksimalna granica struje koju punjač može dati bateriji (1), ali i stvarna razina struje koju će punjač davati u hladnom (2), odnosno vrućem (3) stanju modula. Slike 3. i 4. odnose se na usklađenje Micro 2 sustava.
Na slici 5. je prikazan primjer provjere usklađenja modula i punjača koja ne zadovoljava. Polje (1) je crveno, napon modula je iznad granica ulaznog napona punjača (2), što je apsolutno nedozvoljeno i može uništiti punjač. Istodobno, punjač je ograničio izlaznu struju na svoj maksimum (3) što je dozvoljeno, ali nije dobar izbor jer nepotrebno gubimo dragocjenu struju za punjenje baterije. Zato je 4 ovdje označeno žutim, a ne crvenim! Tim postupkom provjerili smo i sustave Mini 3 i Mini 6 (slike 6. i 7.). Rezultat usklađenja sva tri sustava zapisan je pregledno u tablici 4. gdje se osim tipa punjača nalazi još i način spajanja modula na ulaz punjača. Tim postupkom provjerili smo i sustave Mini 3 i Mini 6 (slike 6. i 7.)
Uz ovako jednostavno usklađivanje modula i punjača uopće ne moramo ni znati na koji način radi MPPT-punjač, pa time ovaj put nećemo zamarati čitatelje! Ipak, za osvježenje pamćenja možete zaviriti i u ranije članke…
Nadzornik MPPT regulatora punjenja
MPPT regulatori punjenja u radu imaju skromnu indikaciju stanja preko 3 LED pokazivača. Zbog toga je osmišljen MPPT nadzornik regulatora punjenja pomoću kojega se može zaviriti u vrijednosti pojedinih parametara u radu. Na slici 8. se vidi izgled upravo određenih punjača. Punjači imaju 4 stezaljke – dvije za priključak baterije a dvije za priključak FN-modula. Nadzornik se spaja na regulator punjenja preko VE.direct kabela koji na obje strane ima VE.direct utikač kao na slici 9. Vezni kabel se naručuje posebno. Nadzornik na sebi ima nekoliko tipki i pokazivač. Pomoću tipki se može pregledavati:
• trenutna snaga koju proizvode priključeni fotonaponski moduli,
• napon modula,
• struja koja ide u bateriju,
• napon baterije,
• ukupno proizvedena energija u tom danu do trenutka gledanja,
• stanje regulatora (udarno punjenje, apsorpcijsko punjenje, održavanje, greška, isključen)…
Pod kontrolom je zamalo sve što bi moglo zatrebati… Posljednja verzija uređaja ima i mogućnost pregleda povijesti djelovanja uređaja u zadnjih 30 dana. Pomoću nadzornika je moguće promijeniti vrijednosti tvorničkih podešenja parametara samog MPPT regulatora. To može biti važno, ako želimo bolje prilagoditi MPPT regulator nekoj konkretnoj bateriji podešavajući parametre iznosa naponskih razina punjenja prema podacima proizvođača baterije. Potrošnja MPPT nadzornika je svega 4mA.
Kućište za montažu MPPT nadzornika i BMV nadzornika
U trenutku montaže sustava često se postavlja pitanje – kako i gdje ugraditi nadzornik? Može li ga se ugraditi u neki postojeći razdjelnik ili ćemo ga ugraditi na novo mjesto gdje će biti lako dohvatljiv i dobro vidljiv…?
Za jednostavnu zidnu montažu osmišljeno je plastično kućište po mjeri MPPT nadzornika regulatora punjenja. Isto kućište se može primijeniti i za već predstavljeni BMV-nadzornik baterija a neka su rješenja objavljena u ranijim člancima. Pomislite samo na izrezivanje kružnog otvora u nekom razdjelniku s metalnim vratima i potom pogledajte sliku 10. Shvatit ćete sve prednosti uklapanja nadzornika u pripremljeno kućište.
Bluetooth sučelje VE.direct
Umjesto montaže MPPT nadzornika regulatora punjenja baterije na neko dostupno i vidljivo mjesto, podatke možemo očitavati bilo gdje – preko mobilnog telefona – kako je prikazano na slici 11. Bluetooth sučelje se spaja na VE.direct priključak regulatora punjenja a potom se na mobilnom telefonu može potražiti regulator punjenja. Čim telefon prepozna regulator punjenja, podaci iz regulatora su dostupni na zaslonu telefona. Programska aplikacija za telefon je besplatna, a Bluetooth sučelje ne košta više od plastične kutije!
Ovim sučeljem možete na zaslonu vašeg telefona lako prikupiti podatke i s nekoliko regulatora punjenja. Ako se Bluetooth sučelje priključi na VE.direct utičnicu BMV nadzornika baterija, opisanog u ranijim nastavcima serije, tada i s BMV nadzornika baterije možemo očitati podatke na zaslonu telefona. To znači da zaista imamo stanje modula i baterije našeg fotonaponskog sustava na dlanu. Dostupne su aplikacije za IOS i za Android operativne sustave mobilnih telefona.
Uređaj za ujednačavanje baterija
Baterijama je bitno dovesti u cijelosti napon koji osigurava punjač sa svojim inteligentnim algoritmima. Na slici 12. prikazano je spajanje baterija vodičima neprikladnog presjeka zbog čega se pojavljuju velike razlike u naponima pri punjenju baterije uslijed različitih otpora priključnih kabela. Jasno je da će postojati jedna grana koja se nikad neće dokraja napuniti, što sigurno vodi prema i ubrzanom starenju priključenih članaka i baterije. Takva situacija rješava se upotrebom sabirnica umjesto neodgovarajuće kabelske veze baterija, kako je prikazano na slici 12., na desnom crtežu. Pri spajanju više baterija u seriju pretpostavljamo da su one savršeno jednake i da će se cijeli životni vijek jednako ponašati, što bi značilo da su već pri prvom uključenju potpuno jednako napunjene. No, u praksi je to daleko od stvarnosti. Koliko taj nesklad utječe na životni vijek sloga? Sigurno štetno, jer jedna će baterija dobivati previše, druga premalo napona, jedna će pliniti i korodirati, druga će sulfatizirati… Cijeli niz pojava i posljedica koje treba izbjeći unaprijed. Baterije su preskupe da bismo ih olako prepuštali sudbini…
Rješenje je uređaj za ujednačavanje, balansiranje baterija (engl. Battery Balancer). Na slici 13. prikazan je slog s dvije baterije spojene u seriju na koji je priključen uređaj za ujednačavanje. Osim krajnjih izvoda sloga baterije, spojena je i srednja točka, tj. točka gdje se dvije baterije u slogu spajaju. Preko tog spoja uređaj nadzire i jednu i drugu bateriju. Kad je u procesu punjenja napon sloga manji od 26,6 V uređaj je neaktivan i sve svjetleće diode su isključene. Kada se napon na slogu tijekom punjenja popne do 27,3V tada se pali zelena LED dioda koja time signalizira da je uređaj u stanju aktivnog nadzora. Ako uređaj na jednoj bateriji primijeti odstupanje napona veće od 50mV automatski započinje proces ujednačavanja. Baterija s višim naponom se tada prazni preko malog otpora strujom od 0,7A, čekajući da se za to vrijeme ona druga baterija približi očekivanom naponu, čime nestaju razlike među naponima baterija. Ako pak razlika napona preraste 100mV, pali se jedna od dvije narančaste LED diode, pokazujući koja baterija ima viši napon. Odstupanje veće od 200 mV će uklopiti interni relej, odnosno njegov beznaponski uklopni kontakt. Taj kontakt možemo iskoristiti i za dojavu alarmnog stanja. Tako će baterije od samog početka raditi uravnoteženo, a odmah će se detektirati i ispad pojedine baterije pa se može pravovremeno poduzeti akciju – prije negoli se oštete ostale baterije u slogu. Također, dobit ćemo pouzdan signal o mogućem kraju životnog vijeka baterija, ili barem one koja više ne može pratiti uspješno punjenje.
Uređaj za nadzor baterija
U baterijskim sustavima bitno je ostvariti kvalitetan nadzor stanja baterije kako je ne bismo ispraznili ili prepunili preko mjere. Iako je punjenje prepušteno regulatorima, bitno je ipak imati u sustavu element za nadzor stanja baterije koji će neovisno pratiti što se događa s baterijom u radu. Glavna funkcija nadzornika baterija serije BMV 700 je precizan uvid u stanje baterije kroz mjerenje trenutnih vrijednosti veličina:
• napon baterije (V),
• struje punjenja/pražnjenja (A),
• energije izvučene iz ili pohranjene u bateriju (Ah).
Nadzornik računanjem informira i o:
• stanju napunjenosti (%),
• snazi kojom se baterija puni ili prazni (W),
• vremenu do ispražnjenja baterije uz trenutačnu potrošnju.
Kad je projektiranje fotonapona unaprijed uključeno u projektiranje broda, moguća su vrlo djelotvorna rješenja za lako dostupni smještaj baterija. Također, moguće je osigurati i dovoljno velike površine na palubi ili krovu kabine s kojih će fotonaponski paneli moći u zadovoljavajućem vremenu napuniti brodsku baterijsku banku do što više razine…
Nadzornik omogućuje vizualni i zvučni alarm u trenutku prekoračenja dozvoljenog maksimalnog napona baterije, odnosno u trenutku kad se baterija isprazni ispod donjeg dozvoljenog praga. Naprimjer, izlazni dio nadzornika možete programirati i upotrijebiti za daljinsku dojavu stanja – kao signal za isključenje trošila ili start generatora. Dodatno, nadzornik ima digitalno sučelje VE.direct na koje možete spojiti Bluetooth uređaj i tako uspostaviti komunikacija s pametnim telefonima. Nadzornik baterije je jednostavan za ožičenje, isporučuje se mjernim člankom, s 10 metara UTP-kabela koji veže mjerni članak s pokazivačem i 2 metra kabela za vlastito napajanje mjernog članka s uključenim cjevastim osiguračem. I u tom spoju vam ne trebaju druge komponente.
Nadzornik baterije mjeri u sljedećim rezolucijama:
• struju s 10 mA;
• napon s 10 mV;
• energiju s 0,1 Ah.
Predviđen je za radnu temperaturu od -20°C do +50°C. Kako je nadzornik stalno spojen na bateriju, izuzetno je važno da ima nisku vlastitu potrošnju koja ovdje iznosi 4mA pri 12V odnosno 3mA pri 24V.
Posebna verzija nadzornika, BMV 702, isporučuje se u izvedbi s dodatnim ulazom za mjerenje koji možete upotrijebiti i za mjerenje temperature baterije (preko mjernog člana temperature), za mjerenje napona nezavisne startne baterije ili pak srednjeg napona u serijskom spoju nekoliko baterija za dobivanje 24V ili 48V baterijskog sloga – što smo primijenili i u našim sustavima koje prikazujemo na ovim stranicama. Nadzornik može preko svojega internog programabilnog releja dojaviti da je odstupanje srednje točke baterijskog sloga veće od unaprijed slobodno zadane vrijednosti odstupanja programiranog u parametrima nadzornika.
Sheme spajanja
Preostaje nam samo prikaz shema spajanja razrađenih sustava, što se vidi na slikama 16., 17., i 18. Pri odmjeravanju duljine i debljine vodova u sustavu ne zaboravite da se u DC-ožičenju presjek vodiča određuje obveznom mjerom od najviše 2 Ampera po svakom četvornom milimetru presjeka vodiča (2 A/mm2)! Na shemi se jasno vidi mjerni otpornik nadzornika baterija, servisna sklopka, topivi osigurači…
Zaključak
Upravo smo opisali i uskladili 3 sustava. Naučili smo da 12V baterija traži za svakih 100Ah struju punjenja od 15A što joj može dati priključenih 200Wp FN-modula. Tako i 24V baterija također traži za svakih 100Ah struju punjenja od 15A, ali i FN-module od 400Wp!
Pokazali smo kako odabrati ispravan punjač za gotovo svaki FN-modul! Ipak, u radnom i kreativnom zanosu – što nije rijetkost – lako ćemo previdjeti i jednu izuzetno važnu činjenicu: Modul snage 270 Wp zahtijeva 1,7m2 prostora bez sjene! Unatoč veselju da smo razradili održive sustave, slijedi otrežnjenje.
Imamo li na plovilu ili vozilu mjesta za 2, 3 ili čak 6 modula? Ako ne, za koliko stvarno imamo mjesta? Jer, nemamo li slobodnih površina bez sjene, onda ne možemo napraviti ni baterijski sustav za napajanje trošila koja bi na plovilu punila baterije isključivo iz FN modula!
Ako broj modula ne određuje opisani postupak usklađenja modula, punjača i potreba baterije, već isključivo raspoloživi prostor na plovilu (vozilu), onda se potrebna razina struje punjenja kućne baterije i njeno trajanje mora ostvariti korištenjem pomoćnih izvora. Očito, kad je glad za energijom velika, a prostora za module malo, morat ćemo bateriju dopunjavati iz brodskog generatora, a kad je brod na vezu, mrežnim priključkom s obale…
priredio: Josip Zdenković