Uvod
Sunčane elektrane mogu raditi u otočnom načinu stvarajući vlastitu autonomnu izmjeničnu mrežu ili mogu biti priključene izravno na javnu mrežu. Sunčane elektrane koje nisu priključene na javnu mrežu moraju imati spremnik energije koji će pokrivati očekivano promjenjivu razinu potreba za energijom kroz dan i noć. Sunčane elektrane priključene na javnu mrežu ne moraju imati spremnik energije i tada su to najjednostavnije sunčane elektrane – sadrže samo fotonaponske module za pretvorbu sunčeve energije u električnu energiju istosmjernog napona i mrežni izmjenjivač koji pretvara istosmjerni napon modula u jednofazni ili trofazni izmjenični napon sinkroniziran s javnom mrežom. Ako je sunčana elektrana priključena na mrežu i posjeduje spremnik energije, tada se ostvaruje novi stupanj slobode usmjeravanja energije. U svakom trenutku trošila se mogu napajati iz Sunca, iz javne mreže ili iz baterije. Energija iz Sunca može ići u trošila, bateriju ili u javnu mrežu. U ovom članku opisat će se realizacija jedne sunčane elektrane priključene na javnu mrežu (engl. Energy Storage System, ESS) i koja optimira preuzetu energiju iz mreže prema minimumu.
U ovom članku usmjerit će se samo na tehniku izvedbe ESS-a, a neće se niti pokušavati odgovoriti na pitanje zašto bi investitor uopće želio graditi ESS, tj zašto se ne zadovoljiti sunčanom elektranom priključenom na mrežu, a bez spremnika energije. Odgovor na ovo pitanje svaki investitor mora dobro promisliti sam. Osnovne smjernice pri takvom razmišljanju će biti tema zasebnog članka.
Baterijski slog
U ovom projektu je bilo specifično da je investitor imao na raspolaganju baterije 12 V 26 Ah, no veliki broj komada i iz njih se željela sačiniti odgovarajuća baterijska banka. Četiri baterije se povezuju u seriju u jednu granu da bi se dobio napon 48 V. Veze između baterija se izvode što kraće i iste duljine u cijelom slogu. Ako je izvedivo ovaj spoj može biti i od plosnatog bakra, ali tako da svi spojevi imaju isti otpor. Šest grana po četiri u seriju spojene baterije se povezuje u paralelu da se dobije kapacitet od 156 Ah pri 48 V, slika 1. U svake tri grane spajaju se i međuspojevi baterija za korištenje uređaja za ujednačivanje punjenja baterija (engl.battery balancer).
Međusobno povezane baterije i baterijske grane završavaju na sabirnicama u sabirničkim kutijama kako je pokazano na slici 2. Spojevi od krajeva grana baterija do sabirnica polova u sabirničkim kutijama moraju biti izvedeni jednake duljine. U kutiji plus pola prisutna je i servisna sklopka, kao i topivi osigurači grana baterija. Kako vrijedi opće pravilo za zaštitu kabela protjecanih istosmjernom strujom da je dozvoljena trajna struja kabela 2A/mm2 to je u svakoj grani osigurač od 35 A uz presjek kabela 16mm2. Ukupno to znači da iz plus pola ovog baterijskog sloga može ići do 6 x 35 A = 210 A. Međutim toliko nam ne treba pa iz kutije dalje idemo samo s 50mm2, dakle očekujemo svega 100 A iz ovog sloga pri pražnjenju ili punjenju. Stvarno zbivanje u slogu pratimo preko nadzornika baterije BMV712, točnije preko mjernog otpornika nadzornika smještenog u minus sabirničku kutiju. Elektronika mjernog člana mora imati i plus napajanje koje se preko rastalnog osigurača 1A uzima iz plus sabirničke kutije.
Baterijski slog dopunjen je uređajima za ujednačivanje baterija, slika 3. Njihov je zadatak pratiti punjenje baterija i samo pri kraju punjenja „kočiti“ punjenje onih baterija koje se brže pune od drugih. Svaki ujednačivač nadzire dvije baterije. Pri kraju punjenja kada napon prijeđe 27,3 V na obje baterije zajedno, tada se na onu bateriju koja se brže puni priključuje otporni teret sa strujom 0,7A, dok ona baterija koja se sporije puni ostaje bez tog dodatnog tereta. Ako se mjereni napon dviju baterija razlikuje za više od 100 mV upalit će se jedna od dvije LE diode ukazujući na to koja od dvije baterija ima viši napon i koja se dodatno opterećuje s 0,7A. Odstupanje veće od 200 mV će upaliti LE diodu alarm i uklopiti interni relej koji osigurava beznaponski kontakt za primjećivanje stanja velikog odstupanja napona. Ova dojava releja i svijetljenje LE diode ostaje zapamćena sve dok se ne poništi vanjskim tipkalom.
Četiri baterijska sloga sa slike 3. spajaju se u zajednički baterijski slog ukupnog baterijskog kapaciteta 624 Ah prema shemi na slici 4. U tu svrhu služe glavne plus i minus sabirničke kutije. Detalji izvedbe baterijskog sloga prikazani su na slici 5. Sve baterije su smještene u jedan informatički razdjelnik koji je sa stražnje strane, strane podnice i krova otvoren zbog hlađenja i koji mehanički može nositi masu ukupno 96 baterija. Na jednoj bočnici ormara s vanjske strane postavljene su plus i minus sabirničke kutije, a na drugoj bočnici s vanjske strane postavljeni su ujednačivači baterija i reset tipkala ujednačivača.
U glavnoj DC + kutiji postoji mjesto za DC servisnu sklopku, no ona nije ugrađena jer se svaki slog sa slike 3. može zasebno isključiti i uključiti. Isto tako u minus kutiji je ostavljeno mjesto za ugradnju mjernog člana nadzornika baterija koji bi mjerio sva četiri podsloga zajedno. Obje ove pripreme imaju smisla kada u budućnosti dođe do zamjene baterijskog sloga s naprednijim LFP baterijama. Tada bi baterijski slog izgledao prema slici 6. Ova priprema nije ništa posebno koštala, ali ostavlja otvorenu mogućnost za lako provedivu zamjenu u budućnosti. Ne ulazeći detaljno u opis ove varijante koja je tehnološki modernija, no koja ipak zbog visoke razine početne investicije nije u konkretnom slučaju realizirana, može se primijetiti jednostavnost i kompaktnost modernijeg rješenja baterijske banke s LFP baterijama. U našim člancima je već bilo detaljno objašnjavano kako moderno rješenje s LFP baterijama je u konačnici jeftinije ako se usporedi s rješenjem s olovnim baterijama koje može dati istu energiju kao i jedan set LFP baterija u svom životnom vijeku. Naime LFP baterija traje 4 puta dulje od olovne baterije, dodatno olovne baterije se smiju prazniti samo do pola, dakle olovnih baterija treba dvostruko više za isti iskoristivi kapacitet. Ali početna investicija je svakako niža za olovne baterije – to stoji. Tu vrijedi postaviti investitoru pitanje za razmišljanje: da li je dovoljno bogat da kupi u startu nešto jeftino? No isto tako uvijek treba uvažiti investitorov odgovor – kakav god on bio.
Sustav sa spremnikom energije priključen na javnu mrežu
Na slici 7. je prikazan sustav sa spremnikom energije koji je trajno priključen na javnu mrežu (engl. Energy Storage System, ESS). U kućnoj instalaciji pored trošila (na što smo naviknuti) može se imati i izvor energije (na što ćemo se naviknuti!). Sustav je stalno priključen na javnu mrežu i nije mu osnovna namjena rad u otočnom radu, iako bidirekcijski pretvarači Multi mogu osigurati rad dijela mreže spojenog na jedan izlaz bidirekcijskog pretvarača i u otočnom radu. Osnovna namjena ovog sustava je paziti da sustav što manje energije uzima iz mreže, da se što više iz Sunca proizvedene električne energije izravno predaje trošilima ili sprema u bateriju za odgođeno korištenje. Osnovna ideja je ostvariti kuću energetski što više neovisnu o mreži i stalno optimirati raspodjelu proizvedene energije. Stalan spoj na mrežu osigurava pokrivanje vrhova potrošnje ili ispada sustava. Sustav se može programirati i tako da se dio energije koja nije potrebna niti trošilima niti bateriji isporučuje u mrežu, no može se i programirati tako da predaja energije u mrežu bude zabranjena. U tom slučaju ako trošilima ili bateriji ne treba energije, namjerno se smanjuje proizvodnja energije. Sustav ima dva mjesta proizvodnje energije. Prvo je iz fotonaponskih modula spojenih izravno na mrežni izmjenjivač (Fronius – Symo 5 kW, 3f) koji je pak priključen izravno u kućnoj instalaciji iza mjerno obračunskog mjesta. Proizvodnja energije iz mrežnog izmjenjivača i izravna predaja trošilima je optimalno efikasna jer se energija predaje trošilima uz minimalno mogući broj pretvorbi. Predaja u mrežu tako proizvedene energije je po efikasnosti isto optimalna. Drugo mjesto proizvodnje energije je iz fotonaponskih modula spojenih na regulatore punjenja baterija s praćenjem točke maksimalne snage (engl. Maximum Power Point Tracking, MPPT regulatori). Na ovom mjestu proizvodnje je ideja energiju pospremiti u bateriju za odgođeno trošenje, no prema potrebama trošila ona se može i odmah koristiti, ali uz nešto lošiju efikasnost jer se energija prvo s razine DC napona fotonaponskih modula pretvara na razinu DC napona baterije, a onda iz DC razine baterije preko bidirekcijskog pretvarača na razinu izmjeničnog napona instalacije kuće.
Sustav djeluje tako da se preko dodatnog kontrolnog brojila smještenog iza mjerno obračunskog mjesta prati potrošnja kuće mjerenjem snage i energije i pri tome se stalno nastoji minimizirati potrošnja kuće iz mreže. Algoritam optimizacije potrošnje kuće kroz usmjeravanje raspoložive energije sunca i usmjeravanje energije iz i u bateriju provodi se stalno u nadzorniku sustava – Color control jedinici. Na Color control jedinici spojeni su svi uređaji preko odgovarajućih sučelja i kabela: dodatno brojilo, MPPT regulatori, bidirekcijski pretvarači Multi, mrežni izmjenjivač Symo.
Nadzor sustava
Jednako važno povezivanju sustava s javnom energetskom mrežom je i povezivanje sustava s informacijskom mrežom uz danas obavezno povezivanje i s pametnim telefonom, slika 8. Nadzornik sustava Color control se priključuje izravno kabelom na mrežni usmjernik u objektu ili pak preko WiFi veze. Sam nadzornik nema WiFi u sebi pa se preko USB priključka spaja odgovarajući WiFi modul. Usmjernik žično ili preko GSM modula komunicira s internetom. Za sustav je proizvođač stavio na raspolaganje besplatnu programsku aplikaciju VRM portal za prikaz podataka na koju se prijavljuje nadzornik koji tamo ostavlja svoje podatke pa korisnik može u nizu organiziranih pregleda daljinski pregledavati i pratiti rad sustava. Pristup Color control nadzorniku je moguć i preko telefona izravnim spajanjem na WiFI mrežu uz sami nadzornik ili opet preko VRM portal aplikacije. Pri tome aplikacija daje izravan pristup na Color control nadzornik kao da korisnik stoji ispred nadzornika i tipka po njemu!
MPPT regulatori
Slika 9. prikazuje spoj MPPT regulatora s fotonaponskim modulima. 4 niza po tri u seriju spojena modula vode se na ulazne zaštitne prekidače. Nizovi se spajaju u paralelu. Tako zbrojene četiri struje nizova vode se preko zajedničko izlaznog prekidača kabelom odgovarajućeg presjeka do MPPT regulatora. U samoj kutiji je i prenaponska zaštita. Na objektu su dva polja fotonaponskih modula koja izravno napajaju bateriju. Detalj izvedbe vidljiv je na slici 10.
Mrežni izmjenjivač
U sustavu se za izravnu predaju električne energije iz fotonaponskih modula u električnu instalaciju kuće primjenjuje mrežni izmjenjivač. Fotonaponsko polje je snage 5,1 kWp. Fotonaponski moduli organizirani su u jedan niz i njihovi priključni kabeli završavaju na kutiji prenaponske zaštite. DC napon dalje se provodi do DC ulaza izmjenjivača. Ovisno o konkretnoj instalaciji prenaponska zaštita bi se trebala postaviti što bliže modulima, a vodove s istosmjernim naponom provući tako da što manje požarno opterećuju unutrašnjost zgrade. Sklopka za DC krug mrežnog izmjenjivača postoji i na samom mrežnom izmjenjivaču, no ako sama instalacija dozvoljava dobro ju je postaviti i na lako dohvatljivo mjesto, vidite napomenu na slici 11.
U sustavu se za izravnu predaju električne energije iz fotonaponskih modula u električnu instalaciju kuće primjenjuje mrežni izmjenjivač. Fotonaponsko polje je snage 5,1 kWp. Fotonaponski moduli organizirani su u jedan niz i njihovi priključni kabeli završavaju na kutiji prenaponske zaštite. DC napon dalje se provodi do DC ulaza izmjenjivača. Ovisno o konkretnoj instalaciji prenaponska zaštita bi se trebala postaviti što bliže modulima, a vodove s istosmjernim naponom provući tako da što manje požarno opterećuju unutrašnjost zgrade. Sklopka za DC krug mrežnog izmjenjivača postoji i na samom mrežnom izmjenjivaču, no ako sama instalacija dozvoljava dobro ju je postaviti i na lako dohvatljivo mjesto, vidite napomenu na slici 11.
Pri samom ožičenju niza modula koji se spajaju na mrežni izmjenjivač ili na MPPT regulator potrebno je pripaziti kako se ožičenjem ne bi stvarale prostorne petlje u kojima bi se moglo događati nepoželjno induciranje napona. Princip ožičenja prikazan je na slici 12. Za serijsko povezivanje modula dostaju pripadni kabelski izvodi (cca 1 m) s priključcima. Od zadnjeg modula u nizu povrat prema prenaponskoj kutiji ili kutiji niza potrebno je izvesti vraćajući kabel istim putem kako su moduli povezani!
Sve što je potrebno znati oko spoja mrežnog izmjenjivača nalazi se u odgovarajućem priručniku uz uređaj. A to se svodi na izbor zaštitnog prekidača i RCD sklopke. U konkretnom slučaju u priručniku je predložen priključak preko zaštitnog prekidača C16 i RCD sklopke 100 mA, tip A.
Bidirekcijski pretvarač
Bidirekcijski pretvarač služi u konkretnom sustavu da se iz istosmjernog napona baterije proizvede izmjenični napon koji se mora moći vremenski sinkronizirati s naponom mreže. Dodatno, tri bidirekcijska pretvarača povezuju se u trofazni spoj. U ovom sustavu primijenjen je bidirekcijski pretvarač Multi II (Victron) predviđen za 48 V i nazivne snage 3000 W. Na slici 14. uočite da se u ulaznom priključku mreže svakog pretvarača nalaze dva sklopnika. Oni služe za propisno razdvajanje bidirekcijskog pretvarača od mreže u trenutku nestanka električne energije javne mreže. To je potrebno bi se bidirekcijski pretvarač spojen na javnu mrežu pouzdano odvoji od mreže pri gubitku napona javne mreže. Ako je mreža izgubila svoj primarni izvor energije bidirekcijski pretvarač ne smije sam napajati mrežu zbog zaštite ljudi od strujnog udara. Isti takav sklop je i na mrežnom izmjenjivaču Symo jer i za njega vrijedi da se pri ispadu mreže mora sam odspojiti od mreže, opet kako se ne bi ugrozili radnici na mreži koji očekuju mrežu bez izvora! Na slici 14. je prikazan trofazni spoj bidirekcijskih pretvarača – pretvarači su spojeni u zvijezdu. Pretvarači su međusobno i s Color control nadzornikom povezani VE.bus informacijskom sabirnicom. Preko ove sabirnice pretvarači se međusobno vremenski sinkroniziraju i razmjenjuju podatke s Color control nadzornikom. Bidirekcijski pretvarač važan je i jer on osim prijenosa energije iz baterije prema trošilima i mreži može i iz mreže slati energiju u bateriju. To je važno pri održavanju zdravlja baterije. Dodatno, ako je baterija prazna, a mrežni izmjenjivač proizvodi više energije od one koja je potrebna trošilima, tada mrežni izmjenjivač šalje taj višak energije ne u mrežu već u bidirekcijski pretvarač i dalje u bateriju. Bidirekcijski pretvarač i baterija postaju tako trošilo kao i svako drugo kućno trošilo. Bidirekcijski pretvarač je u stvari izvršni član koji utiskuje u kućnu instalaciju toliko energije da kuća preuzima optimalno malo energije iz mreže, a pri tome uzima u obzir proizvodnju energije u fotonaponskim modulima na oba mjesta proizvodnje (mrežnom izmjenjivaču i MPPT regulatorima) i stanje napunjenosti baterije. Ako je baterija prazna, recimo nakon noći pred jutro, jasno je da nema energiju za predaju trošilima i tada kuća uzima energiju iz mreže. Pri preuzimanju iz mreže ipak ne puni se odmah baterija energijom iz mreže sve dok postoji šansa da se pojavi Sunce.
AC razdjelnik
AC razdjelnik objedinjuje priključak mrežnog izmjenjivača Symo i priključak bidirekcijskih pretvarača Multi, slika 15. Svaki uređaj je priključen preko svojeg zaštitnog prekidača i preko zajedničke RCD sklopke. Dodatno tu je i zajednički zaštitni prekidač na koji je spojen daljinski isklopnik pomoću kojeg se mogu daljinski isklopiti izmjenični priključci uređaja. Na izlazu prema mreži smještena je i rastavna sklopka s cilindričnim osiguračima zbog osiguranja vidljivog razdvajanja, ali i osiguranja potrebnih rastalnih predosigurača prenaponske zaštite.
Na slici 16. prikazani su još jednom detalji izvedbe cijelog sustava. Svi uređaji montirani su na zid tako da je ostvarena lijepa preglednost. Prilikom tehničkog pregleda postrojenja za priključenje na mrežu provedeni su potrebni testovi postrojenja vezano na provjeru što se događa sa sustavom pri ispadu mreže i na kvalitetu ostvarene zaštite od strujnog udara. Slike u članku prikazuju radno stanje opreme pri puštanju u pogon: s otvorenim kabelskim kanalima i vratima razdjelnika, zaštitnim poklopcima i slično.
Zaključak
Prikazani su detalji izvedbe sustava sa spremnikom energije priključenog na javnu mrežu. Sustav prikuplja energiju iz fotonaponskih modula na dva mjesta – jedno je blizu baterije i primarno služi za efikasnu pohranu energije u bateriju za odgođeno korištenje, a drugo je blizu trošila i primarno služi za izravno efikasno napajanje trošila. Sustav sam usmjerava energiju ovisno o dinamičkom stanju uključenosti trošila, raspoloživoj energiji izravno iz fotonaponskih modula i energiji u bateriji. Pri tome stalno nastoji da trenutna suma snaga po fazama na obračunsko mjernom mjestu bude čim manja tj blizu nule sve dok ima „interne“ energije –energije proizvedene u fotonaponskim modulima i energije u bateriji. Sustav je pušten u rad i priključen na javnu mrežu u 9. mjesecu 2019. godine.
Zahvala: Zahvaljujemo se investitoru g. Vedranu Jadek za dozvolu za objavljivanje fotografija njegovog postrojenja, na strpljenju pri puštanju u pogon gdje smo se svi zajedno učili, a najviše na tehničkoj smionosti i povjerenju da uđe s nama u svoju nemalu investiciju!
[email protected], [email protected], [email protected]