NADZOR BATERIJE I REGULACIJA PUNJENJA

solarna struja
Schrack-oprema za
otočne fotonaponske
sustave (4)
Foto: Schrack - Hrvatska
NADZOR BATERIJE I
REGULACIJA PUNJENJA
Otočni fotonaponski sustavi koji nisu
namijenjeni priključenju na mrežu, nude
vrlo veliku autonomiju i neovisnost
o brojnim potresima globalne i
domaće energetike. Funkcioniraju
i u područjima udaljenim od svih
priključaka, no oni kojima su dojadila
tarifna iznenađenja mogu ih postaviti
i usred grada. Međutim, ti izdvojeni
sustavi, pravi energetski otoci, ostvarit
će očekivanja samo uz vrhunske
baterije. Tvrtka Schrack predstavila ih
je u prošlom nastavku ove serije. Iako
su pogledi zainteresiranih uglavnom
usmjereni na svima vidljive fotopanele,
module koji sunčevo i danje svjetlo
pretvaraju u struju, najvažniji dijelovi
ostaju skriveni. To su baterije, kabeli i
upravljački sklopovi - jamci uspješnosti
svake fotonaponske instalacije.
1
Kako bateriju ne bismo ispraznili
preko mjere ili pak prepunili, u otočnim
fotonaponskim sustavima bitan je kvalitetan nadzor stanja baterije.
Iako je punjenje prepušteno regulatorima punjenja, u sustavu je nužan
neovisan nadzorni element koji će stalno pratiti što se događa s baterijom u
radu.
Nadzornik
baterija
Glavna
funkcija
nadzornika
baterija BMV
600S je precizan uvid u
stanje - mjerenjem trenutnih vrijednosti
ovih veličina:
o napon baterije (V),
o struja punjenja/pražnjenja (A),
o energija izvučena ili pohranjena u
bateriju (Ah),
o stanje napunjenosti (%),
o vrijeme do ispražnjenja baterije uz
trenutačnu potrošnju.
Precizno mjerenje
Nadzornik baterije mjeri
sljedećim rezolucijama:
struju s 10 mA, napon s 10
mV, a energiju s 0,1 Ah.
Predviđen je za radne
temperature od -20 do
+50°C. Kako je stalno
spojen na bateriju, izuzetno je važno da ima
nisku vlastitu potrošnju
koja iznosi 4 mA pri 12 V
odnonsno 3 mA pri 24V.
11-12/13
solarna struja
Ako se potom iz baterije povlači 12 A
tijekom 3 sata, tada očitanje pokazuje
–36,0 Ah.
Stanje napunjenosti baterije u
postocima. To je najbolja mjera stanja
baterije gdje 100% odgovara punoj
bateriji, a potpuno ispražnjena baterija
pokazuje 0%.
Valja znati da algoritam računanja
stanja napunjenosti baterije uzima u obzir struju pražnjenja i njezin utjecaj na
stvarni kapacitet baterije.
U prošlom smo broju objasnili da kapacitet olovnih baterija značajno ovisi o
struji kojom ih se prazni.
Vrijeme u satima za koje će se
isprazniti baterija. Ovo očitanje pokazuje koliko će vremena (u satima) proći
prije negoli se baterija sasvim isprazni
- uz trenutnu struju pražnjenja. Tada
bateriji treba neodgodivo punjenje.
Nadzornik ima vizualni i zvučni
alarm koji se aktivira pri svakom prekoračenju dozvoljenog maksimalnog naFoto: Victron
Preko tipki “+” i ”–“ na samom nadzorniku možete prolistati sve trenutno
izmjerene vrijednosti baterije:
Napon baterije. Preko napona baterije u V može se ugrubo zaključiti kakvo je
stvarno stanje baterije:
Naprimjer, od 25,6 V do 26 V baterija
je puna, 24,6 V baterija je 50% potrošena, 23,4 V baterija je 100% prazna (u
prošlom nastavku objavili smo detaljnu
tablicu).
Struja baterije. To je vrijednost izražena u A (Amperima) i predstavlja struju
koja ulazi ili izlazi iz baterije.
Pri pražnjenju, struja iz baterije ima
negativni predznak (-), dok struja koja
pri punjenju ulazi u bateriju ima pozitivni
predznak (+).
Energija povučena iz baterije u Ah.
Prikazuje se iznos u Ah (ampersatima)
povučen iz baterije nakon zadnjeg stanja potpune napunjenosti.
Potpuno punjenje baterije postavlja
ovu vrijednost automatski na 0,0 Ah.
pona baterije, odnosno u trenutku kad
se baterija nađe u stanju ispod donjeg
praga ispražnjenosti. Relejni izlaz nadzornika može se programirati, npr. za
daljinsku dojavu stanja ili automatsko
uključenje pomoćnog generatora.
BMV 600S:
Jednostavno rukovanje
Uređaj radi čim ga priključite na napon
i odmah pokazuje napon baterije. Ako je
baterija kapaciteta 200 Ah, ne treba ni
dodatno podešavanje.
No, u većini slučajeva u nadzornik
baterije treba jednostavnim tipkanjem
ručno upisati kapacitet baterije.
Nadzornik baterije ima komunikacijski
port RS232 koji omogućuje prijenos
podataka na računalo, a time i na mrežu, na pametni telefon ili slične naprave
za daljinski pregled stanja baterije.
Nadzornik baterije je jednostavan za
ožičenje. Isporučuje se u kompletu s
mjernim člankom i 10 metara kabela
RJ 12 UTP koji povezuje mjerni članak
i pokazivač te 2 m kabela s cjevastim
osiguračem, za napajanje mjernog
članka. Za spoj nisu potrebne druge
komponente.
Principni spoj nadzornika baterije.
11-12/13
Ilustracija: Schrack
Sinkronizacija nadzornika sa
stvarnim stanjem baterije
Za pouzdano očitanje energije povučene iz baterije, stanja napunjenosti
baterije i vremena peostalog do ispraženjenja baterije, nadzornik mora biti
sinkroniziran sa stanjem baterije.
To se automatski događa pri svakom
ciklusu punjenja kad se baterija napuni
do 100%. Pritom nadzornik prati na-
2
solarna struja
terija 100% puna - sasvim lako, preko
tipki na pokazivaču.
Prikupljanje podataka
o radu baterije
Nadzornik može spremiti (upamtiti)
određene događaje i brojčane vrijednosti iz radnog vijeka baterije na koju je
priključen.
One se mogu pregledavati preko pokazivača s kojega se mogu očitati razni
podaci:
dubina najdubljeg pražnjenja baterije
o dubina zadnjeg pražnjenja nakon
zadnje sinkronizacije o prosječna dubina pražnjenja o broj ciklusa punjenja
(ciklus započinje svaki put kad se
napunjenost baterije spusti ispod 65%
ili kad premaši 90% kapaciteta) o broj
potpunih pražnjenja (kad je stanje 0%
kapaciteta) o kumulativni broj Ah poo
Foto: Victron
DOLJE: Dio sheme baterijskog razdjelnika
objavljene u prošlom broju. Vidljivi su elementi
za izvedbu spoja nadzornika baterije.
Tu je i shema izvedbe baterijskog razdjelnika
otočnog sustava opisanog u prošlom broju.
Nadzornik baterije isporučuje
se s mjernim člankom
i 10 metara kabela RJ 12 UTP
za vezu mjernog članka i pokazivača
Foto: Victron
pon baterije, pazeći da je pritom struja
punjenja manja od zadane vrijednosti
tijekom određenog vremena.
Naprimjer, 4% od kapaciteta baterije
kroz 4 minute - ili 8A za bateriju od 200
Ah.
Nadzornik može biti i prinudno sinkroniziran, bez obzira na stvarno stanje
napunjenosti baterije. To ćemo učiniti
samo ako pouzdano znamo da je ba-
Ilustracija: Schrack
Senzor temperature
3
11-12/13
solarna struja
vučenih iz baterije o najmanji izmjereni
napon baterije u V o maksimalni napon
baterije u V o broj dana od posljednjeg
stanja stopostotne napunjenosti o broj
automatskih sinkronizacija nadzornika,
tj. stanja sasvim napunjene baterije o
broj alarma zbog preniskog napona o
broj alarma zbog previsokog napona...
Zaštita pri radu s baterijama
Rad u blizini baterija je opasan, što
treba prihvatiti s punom ozbiljnošću.
U slučaju neispravnosti baterija ili
sustava u cjelini, baterije mogu ispuštati
plin koji se može zapaliti i eksplodirati.
Stoga prostoru s baterijama treba osigurati propisno provjetravanje.
Opasan je i slučajni pad metalnog
alata preko izloženih polova baterije jer
može izazvati iskrenje koje može zapaliti plin koji curi iz baterija. Iskrenje može
Regulatori punjenja
Ilustracija: Schrack
Srce jednostavnog otočnog sustava
je regulator punjenja baterije (u žargonu
- DC-charger). Tu su, dakako, i fotonaponski moduli (FN) i baterije i trošila...
Jednostavni otočni fotonaponski sustav
namijenjen trošilima na istosmjernu
struju.
Regulator upravlja procesom punjenja baterije po nekom od unaprijed
određenih kriterija, prema IU, W ili WUkarakteristici. O čemu je riječ, detaljnije
smo opisali u prošlom nastavku.
U pravilu, taj proces ima tri dijela:
o udarno punjenje baterije uz najveću jakost struje iz fotonaponskog (FN)
modula;
o završno punjenje baterije uz stalno
smanjivanje jakosti struje i precizni nad-
11-12/13
Foto: Victron
... te 2 metra kabela s
cjevastim osiguračem,
za napajanje članka.
izazvati i teške opekline na otvorenim
dijelovima tijela.
Pri radu s baterijama treba nositi zaštitne naočale, zaštino odjelo i zaštitne
rukavice.
Dodirnete li unutrašnjosti baterije ili
vam elektrolit poprska kožu ili oči, taj
dio tijela treba odmah obilno isprati vodom i potom potražiti liječnika.
GORE: Otočna postrojenja većeg kapaciteta imaju u baterijama pohranjenu golemu količinu energije, pa je svako iskrenje
izuzetno opasno. Pojavi li se u pojedinim
baterijama tzv. plinjenje, u zatvorenom
prostoru prijeti i opasnost eksplozije...
zor porasta napona - do stanja pune
napunjenosti. To je važno kako bi se
kontroliralo plinjenje u bateriji pri kraju
procesa punjenja;
o održavanje stanja napunjenosti pri
smanjenju napona u stanju mirovanja,
bez potrošnje - povremenim nadopunjavanjem baterija kratkim strujnim
impulsima.
Na shemi su osnovni elementi jednog
regulatora punjenja baterije. Na nj se
na priključnice od X:1 do X:6 redom
priključuju modul, baterija i istosmjerna
trošila.
Regulator punjenja osigurava da noću
ne dođe do pražnjenja baterije preko
FN-modula. U tu svrhu, kao podsjetnik
na funkciju, u shemu je ucrtana dioda D
koja propušta struju samo iz FN-modula prema bateriji.
Sklopka S1 može biti mehanička
(relej) ili poluvodička sklopka. Osim pri
punjenju baterije, ima i dodatnu funkciju
zaštite od prepunjenja baterije.
U kvalitetnijim punjačima S1 se izvodi
kao dva zasebna elementa gdje jedan
upravlja procesom punjenja, a drugi
zaštitom od prepunjenja baterije.
Ma kako staromodna, izvedba s relejem i danas se primjenjuje tamo gdje
na ulaznim priključcima fotonaponskog
modula ima značajnih i učestalih prenapona. A relej je u pravilu manje osjetljiv
na prenapone od poluvodičke sklopke.
Sklopka S2, izvedena je kao mehanička ili poluvodička sklopka. Štiti ba-
Pri radu u blizini baterija ne smije se
nositi metalne satove, prstenje, narukvice, lančiće i sl...
Principna
shema
regulatora
punjenja
baterije.
4
teriju od predubokog pražnjenja ili pak
nedozvoljene razine struje na izlazu.
Ako je struja veća od dozvoljene (preopterećenje ili kratki spoj izlaza), izlazne
priključnice se automatski odspajaju
od trošila - kao i u slučaju preniskog
napona baterije (ispražnjenje ispod dozvoljene razine).
Napon baterije se tijekom punjenja
mijenja tako da se proces odvija optimalno za bateriju, što ne mora biti
optimalno za sustav, a najčešće nije
modul zapravo impulsno spaja na bateriju, ne iskorišćuje se sva energija koju
fotonaponski modul proizvodi!
Taj proces sličan je zagrijavanju i održavanju temperature sobnim termostatom gdje kroz radijator centralnog grijanja prolazi voda uvijek iste temperature.
Ili, jednostavnije, proces je sličan funkcioniranju kućnog glačala. Kako znamo,
grijač glačala nije stalno priključen na
napon, što nam signalizira i crvena lampica koja povremeno svijetli, uglavnom
Foto: Victron
solarna struja
PWM regulator
de - ali samo u situaciji kad je to prema
stanju procesa punjenja dozvoljeno.
Pritom se pazi na naponsku razinu baterije koja odgovara procesu punjenja.
Za tu svrhu primjenjuje se tipičan
sklop energetske elektronike - tzv.
čoper u propusnom spoju ili DC/DCpretvarač.
Razumljivije rečeno, taj sklop ima
funkciju istosmjernog transformatora.
Kako funkcionira? Na ulazu u sklop
imamo snagu koju proizvodi modul i
to na razini radne točke napona i struje
modula prema karakteristici modula za
neko osunčanje.
Kako se gubitak snage u prolazu kroz
sklop može zanemariti, snaga koja ulazi
je i snaga koja izlazi iz sklopa.
Na izlazu se pazi da napon bude na
razini potrebnoj za uredno punjenje
baterije, a kolika će biti struja proizlazi
iz činjenice da je snaga konstantna,
Napon, struja i snaga u procesu punjenja baterije
5
kad glačalu treba više topline. Energija
se dovodi impulsno, jer se neke vrste
rublja ne smiju glačati punom snagom
grijača.
Jednako tako, razbijajući je na impulse, ograničujemo i energiju iz fotonaponskog modula, čime napon na
bateriji ne premašuje razinu plinjenja.
Takvi regulatori se nazivaju još i PWMregulatori (Puls Width Modulation).
Osim upravo opisanih jednostavnih
PWM-regulatora punjenja, postoje i
složeniji regulatori s kojima se u bateriju
dovodi sva energija koju modul proizve-
MPPT regulator punjenja baterije
odnosno umnožak napona i struje koja
ulazi u bateriju.
Kako se napon od modula do baterije
MPPT
regulator
Foto: Victron
dozvoljeno za trošila koja očekuju stabiliziranih istosmjernih 12 V ili 24 V, što im
mora omogućiti sklopka S2.
U pravilu, istosmjerna se trošila ne
smiju priključiti izravno na bateriju već
na priključnice regulatora koji osigurava
stabilizirani istosmjerni napon od 12 V
ili 24 V.
Gornji dijagram prikazuje napon,
struju i snagu kojom se puni baterija.
Struja kojom se puni baterija jednaka
je struji koja dolazi iz fotonaponskog
modula.
Napon na bateriji raste sve dok ne dosegne razinu definiranu karateristikom
punjenja.
Potom se isklapa sklopka S1 - dok
napon ne padne ispod određene razine
potrebne da se S1 ponovno uklopi.
Tako se baterija uvijek puni strujom
koja nam je na raspolaganju u fotonaponskom modulu.
Gledano na dijagramu snage, baterija
se puni impulsima snage koji su produkt
struje i napona baterije, odnosno struje
iz fotonaponskog modula i trenutnog
napona baterije. Kako se fotonaponski
11-12/13
Naponi i struje u MPPT-regulatoru punjenja, uz pretpostavku da su vrijednosti
elemenata L, C1 i C2 vrlo velike - odnosno neograničene...
zapravo smanjuje (npr. modul daje 38
V, a bateriji u nekom trenutku punjenja
treba 26 V), tako će, zbog konstantnosti
snage, struja izlaza biti veća od struje
ulaza! Razlika odgovara omjeru za koliko je napon ulaza veći od napona izlaza.
Ovaj sklop, prikazan shemom na susjednoj stranici, stalno prima energiju
modula i sprema je u tri skladišta energije - u dva dva kondenzatora, C1 i C2
te prigušnicu L.
Omjerom Te/T može se fino podesiti
napon potreban bateriji za optimalan
završetak procesa punjenja.
Također, uz mjerenje struje koja ide u
bateriju, moguće je omjerom Te/T na
otporniku Rmj i praćenjem napona baterije osigurati rad u radnoj točki krivulje
snage fotonaponskog modula koja nudi
maksimalnu snagu za neko osunčanje.
Tako se sustav u radu može stalno
prilagođavati uobičajenoj dinamici promjene osunčanja i naoblake.
Foto: Victron
solarna struja
MPPT-regulator
Na donjem grafikonu zelenom bojom
je prikazana snaga za pojedinu radnu
točku crvene karakteristike fotonaponskog modula pri nekom osunčanju.
Zbog načina rada, PWM-regulator
može prenijeti nižu vrijednost snage
(energije) u bateriju, dok će MPPT-regulator raditi pri točki maksimalne snage.
Zahvaljujući MPPT-principu, MPPT-regulatori punjenja u stanju su preuzeti i
do 30% više snage/energije - i prenijeti
je u bateriju!
Gornji dijagram na ovoj stranici prikazuje tijek napona i struja u MPPT-regulatoru - uz pretpostavku da su vrijednosti komponenata L, C1 i C2 vrlo velike
odnosno beskonačne (idealan slučaj).
Kondenzator C1 prati napon modula,
koji je - kada regulator ima uvjete za rad
- uvijek viši od napona baterije.
Napon na bateriji zavisi o omjeru Te/T.
Sklopka T prosljeđuje napon modula na
diodu D tijekom vremena Te.
Struja iz modula pojačava se sa strujom iz C1 i teče u bateriju.
Kad sklopka T isklopi, struja i dalje
u istom iznosu stiže u bateriju - jer je
održava induktivitet L, a zatvara se kroz
diodu D. Energija se troši iz prigušnice L
i kondenzatora C2.
Time se ukupna snaga (energija) prenosi u bateriju što nije slučaj kod jednostavnog impulsnog regulatora.
11-12/13
6
solarna struja
Zaključno o izboru regulatora
PWM-regulator uvjetuje da fotonaponski modul praktički radi na naponu
koji je tek neznatno iznad napona nužnog za pravilan proces punjenja baterije, zbog čega ne može iskoristiti svu
energiju fotonaponskog modula.
MPPT-regulator punjenja ima u sebi
elektronički sklop, DC-DC pretvarač,
koji dozvoljava da fotonaponski modul
radi s naponom višim od napona baterije, odnosno da radi upravo u točki
maksimalne snage fotonaponskog modula pri nekom osunčanju. Na taj način
se optimalno iskorištava raspoloživa
energija modula.
Uspoređujemo li cijene, MPPT-regulator je malo skuplji od PWM-regulatora,
no ta se razlika ubrzo vraća kroz veće
iskorištenje energije od gotovo 30%!
Općenito, u fotonaponskom se sustavu
itekako isplati ugradnja malo skupljih
komponenti koje dugoročno podižu
iskoristivost instalacije, a pritom se
boljom kontrolom i regulacijom osigurava optimalan rad i povećava trajnost.
Stoga MPPT-regulatore treba ugrađivati
gdjegod je to moguće, jer više dobivene
energije obilno nadoknađuje razliku u
odnosu na PWM-regulator.
Kako to izgleda u praksi?
Shema na ovoj stranici prikazuje
konkretnu izvedbu spoja regulatora
punjenja u sustavu koji smo detalno
opisali u prethodnom nastavku.
Pri uparivanju modula i regulatora punjenja posebnu pažnju treba posvetiti
struji i naponu FN-modula, pogotovo u
sustavima gdje više modula spajamo na
regulator.
Napon modula spojenih u seriju ne
smije premašiti ulazni napon regulatora.
Struja paralelno spojenih modula ne
smiju premašiti ulaznu struju regulatora.
Nakraju, snaga svih modula mora biti
manja od snage regulatora punjenja.
Regulatori punjenja imaju na sebi višepoložajnu mikropreklopku kojom se
odabire tip baterije koja se puni. (AGM,
GEL, GET, Long life…).
Položaj preklopke određuje naponske
razine procesa punjenja usklađene s
tehnologijom izrade baterija.
Mikropreklopka za izbor tipa baterije.
Priključna
stopica
senzora za
mjerenje temperature.
Ilustracija: Schrack
U slijedećem
nastavku
predstavit ćemo
izmjenjivač,
sklop energetske
elektronike koji
iz istosmjernog
napona baterije
proizvodi
izmjenični napon
230V / 50Hz….
7
11-12/13
Foto: Victron
Uz regulatore punjenja obično se
isporučuje i kabel sa senzorom temperature. On se postavlja na priključak
baterije, bez obzira na polove (+ ili -).
Naime, priključna stopica ne provodi
struju! Ona preko svoje površine, mehanički tijesno pričvršćena na izvodu baterije, provodi samo toplinu do senzora!

Download Report