Uvijek dovoljno struje
U seriji o fotonaponskim otočnim sustavima preskakali smo primjenu istih na vozilima i plovilima. Tu dolazi ipak do specifičnih zahtjeva. Glavni zahtjev je da se vozilo/plovilo može sa sigurnošću pokrenuti. No činjenica je da u vozilima i plovilima imamo uvijek prisutan izvor energije alternator čim motor radi. Punjenje baterije iz alternatora je riješeno u osnovnoj namjeni vozila/plovila. Ali mi želimo korak više. Želimo posebnu, kućnu bateriju iz koje ćemo trošiti energiju, a da to ne utječe na stanje startne baterije, jer želimo da ona bude uvijek spremna. Naravno i kućnu bateriju, želimo nadopunjavati iz alternatora. Sljedeći zahtjev je da želimo iskoristiti energiju sunca za nadopunjavanje baterija, ali i mogućnost da kada je plovilo u luci ili vozilo u garaži, sve nadomak javne mreže, da nadopunimo baterije i iz javne mreže. Kako sve ovo ostvariti pokazati ćemo korak po korak.
Zavirimo li u elektroinstalacije plovila ili vozila sigurno ćemo prepoznati dijelove sa slike 1.
Naći ćemo starter tj. elektropokretač motora. Da bi starter bio aktiviran mora postojati izvor, dakle baterija. Osnove o baterijama smo predstavili ovdje pa to nećemo ponavljati. Samo aktiviranje startera provodimo sklopkom koja priključuje starter na bateriju. Ovdje je prikazana baš kao sklopka, no zakretanje ključa u bravi vozila zatvara kontakt koji spaja relej, a čiji jaki izlazni kontakti zapravo omogućavaju napajanje elektropokretača iz baterije. No za razumijevanje djelovanja ostavimo baš ovako kako je prikazano. U instalaciji će se nalaziti i alternator. Njegova zadaća je zapravo proizvoditi takav napon kojim se može dopunjavati baterija tijekom rada motora.
Na svakoj sljedećoj slici izostavljamo opis dijelova koji su već opisani na prethodnoj slici. Tako da su na slici 2. označeni samo novo uvedeni dijelovi. U svakoj instalaciji sigurno postoje i neka trošila koja se moraju priključiti na bateriju. To su žarulje, brisači, pumpe, instrumenti, radio i slično. Umjesto topivih osigurača uvesti ćemo automatske zaštitne prekidače u napajanje trošila. Prednost automatskog zaštitnog prekidača pred topivim osiguračem je u tome da po otvaranju strujnog kruga automatskim zaštitnim prekidačem, po otklanjanju kvara u strujnom krugu, možemo lako uspostaviti ponovno strujni krug podizanjem ručice. Tako nije potrebno imati topive osigurače u rezervi što može biti značajno kada imate još samo jedan, a diže se nevera i usred popravka kvara vam izgori i taj posljednji. U izgradnji našeg rješenja postaviti ćemo i nadzornik baterije sa svojim mjernim članom, također opisan već ranije u ovom serijalu. On ima zadaću pokazati nam struju, napon, smjer energije, stanje napunjenosti i još neke važne podatke o stanju baterije. Uvesti ćemo tako i servisnu sklopku. Servisna sklopka ima zadatak rasklopiti strujni krug kako bismo sigurno i bez struje izdvojili bateriju iz ostatka instalacije. Bez ove sklopke vađenje baterije iz instalacije, tj. otpajanje plus pola može prouzročiti opasno iskrenje ako kroz instalaciju teče struja. Tek isklopljena servisna sklopka garantira da je na bateriji ostao spojen još samo nadzornik baterija. On ima beznačajnu potrošnju i dakle beznačajnu iskricu pri raspajanju instalacije. Bateriju smo u ovom sustavu nazvali „startna baterija“.
Kako gradimo naše vozilo/plovilo bliska je ideja ugradnje dodatne baterije prema slici 3. Ne mora biti istog kapaciteta, ali poželjno bi bilo da bude istog napona. Ta baterija se naziva „kućna baterija“ i ima zadatak preuzeti napajanje svih pomoćnih trošila, a koja nisu u osnovnoj funkciji vožnje vozila ili plovila. Ideja za razdvajanje baterija je jasna; ako koristim energiju dok motor ne radi, bilo bi pametno ne trošiti startnu bateriju, već da startna baterija bude stalno spremna za start i vožnju. Ako se kućna baterija i isprazni, nikome ništa. Upalimo motor preko startne baterije i krećemo dalje. I kućna baterija bi morala dobiti svoju servisnu sklopku i svoj nadzornik baterija. Sustav sa slike 3. još uvijek ima jednu veliku manu, nije osigurano punjenje kućne baterije, alternator puni naime samo startnu bateriju dok motor radi.
U želji istovremenog punjenja i kućne i startne baterije dok motor radi potrebno bi bilo baterije povezati, a opet dok motor ne radi razdvojiti ih da se energija ne prelijeva iz jedne u drugu kako potrošnjom ne bismo ispraznili obje baterije. Preko dioda možemo istovremeno puniti obje baterije, ali u pražnjenu se prazni svaka baterija pojedinačno iz svoga kruga. Ne može doći do pražnjenja kućne baterije iz trošila startnog kruga, niti pražnjenja startne baterije preko trošila kućnog kruga. To osiguravaju diode.
No pri punjenju baterije dolazi do pada napona na diodama u iznosu od 0,3 do 0,45 V pa postoji rizik da se baterije nikada ne mogu napuniti do kraja, kao kada bi bile priključene direktno na alternator. Zato se umjesto dioda primjenjuju FET-ovi (engl. Field Effect Transistors – tranzistori s efektom polja) koji u uređaju djeluju isto kao diode, ali na sebi imaju pad napona od prihvatljivih 0,02V do 0,1V. Neki pak alternatori moraju dobiti napon na svom B+ izvodu da bi propustili struju prema baterijama. No zbog dioda ne može poteći struja iz baterije prema alternatoru i on ne može osjećati na sebi napon baterije. Zbog toga se u uređaju nalazi i „energize“ izvod koji pak omogućuje iznosom ograničeno napajanje B+ izvoda alternatora, potrebno da alternator propusti struju iz sebe prema baterijama. Također potrebno je spojiti i D+ izvod na alternatoru prema slici 5. Pretpostavka je da Vaš alternator ima D+ izvod!
Vrlo je važno da kabeli prema baterijama budu dovoljnog presjeka i jednake duljine. Primjer: kada struja 100A teče kroz kabel presjeka 50 mm² dugačak 10 m pad napona na njemu je 0,26 V. Slično struja 50 A uz presjek 10 mm² i duljinu od 5 m rezultira upadu napona od 0,35 V. Pad napona na kabelu između alternatora i baterije znači da se baterija nikada neće moći do kraja napuniti.
No što ako naš alternator nema D+ priključak?
Ideja se nameće sama: želimo spojiti dvije baterije preko inteligentnog releja – sklopke. Ovaj relej mora shvatiti kada alternator počinje puniti direktno priključenu startnu bateriju i u tom času spojiti i kućnu bateriju na alternator. U trenutku kada alternator više ne puni, poželjno je baterije razdvojiti.
Da li baš odmah? Postoje dvije „škole“. Jedna kaže razdvojiti baterije odmah po prestanku punjenja alternatorom, a druga kaže da se moraju razdvojiti tek onda kada startna baterija padne ispod razine za svoje normalno funkcioniranje, dakle dopustiti neko vrijeme zajedničkog pražnjenja, a razdvojiti tek onda kada se preko napona osjeti jako veliki iznos struje pražnjenja.
Cyrix dodaje na ovu „drugu školu“ još i praćenje što se događa s naponom u vremenu, dakle prati se ne samo iznos već i brzinu i smjer promjene napona, dakle porast ili daljnji propad nakon spajanja. Ako su jednom baterije spojene zajedno i alternator prestaje s radom – baterije i dalje ostaju spojene. Ako napon pada dulje od nekog zadanog vremena i ako je brzina opadanja napona u vremenu veća od dozvoljene, Cyrix će razdvojiti baterije zaključujući da je pražnjenje prekomjerno. Vrijeme i trenutak kada će se baterije razdvojiti se tako stalno računa. Tipično je alternator spojen na starter bateriju, kućna baterija ili druge baterije će biti spojene na alternator preko Cyrixa tek kada startna baterija dosegne dovoljnu napunjenost. Tako startna baterija ima logičan prioritet pri punjenju iz alternatora.
Cyrix mjeri napone s obje svoje strane, tj. od obje baterije koje može spojiti zajedno. Aktivirati će se i ako se na primjer kućna baterija puni punjačem, a startna je praznija. Cyrix može biti aktiviran i ručno, tj spajanje baterija se provodi naredbom preko tipkala i one se spajaju i bez obzira na stanje baterija (baterije su spojene tako samo 30s). To je korisno ako Vam je starter baterija iz bilo kojeg razloga ispražnjena ili oštećena. Tada ćete pokušati pokrenuti vozilo/plovilo iz kućne baterije.
Na vašem vozilu plovilu zgodno je imati dopunjavanje energije i kada motor ne radi. U tu svrhu fotonaponski moduli poslužiti će gotovo idealno. Potreban je fotonaponski modul i odgovarajući MPPT punjač. Priključak fotonaponskih modula prikazan je na slici 7. Sva potrebna „teorija opisana je u ranijim nastavcima serije. Ako pak poželite nadopuniti sustav i iz mreže, kada je plovilo u luci, ili vozilo u garaži i to je moguće. Punjač se spaja na sustav preko automatskih zaštitnih prekidača kako je prikazano na slici 8.
Na kraju, na slici 9. prikažimo još i jednu konkretnu shemu jedne brodske instalacije do koje smo došli upravo u ovom članku postepeno gradeći sustav. Na slici 10. je prikazan sustav instalacije u jednom vozilu, npr. operativno vatrogasno vozilo koje želi imati i izmjeničnu struju ali i pomoćni izvor energije u vidu izmjeničnog generatora, dodatno s alternativnim priključkom na javnu mrežu.
