solarna struja (5) Sklop za napajanje kućnih trošila IZMJENJIVAČ Foto: Victron Zanimanje čitatelja za struju iz fotonapona sasvim je prirodno. U našim krajevima s mnogo sunčanih dana to je optimalan put prema visokoj energetskoj autonomiji vlastitog doma, poslovnog prostora, pa čak i radionice. Pritom su mnogima najprivlačniji tzv. otočni sustavi, gdje je sve napravljeno kao na pustom otoku, bez električne mreže, bez birokracije i bez stalnih promjena raznih tarifa. Međutim, ma kako nam fotonaponski sustavi izgledali jednostavni, za siguran i učinkovit rad važni su međusobni odnosi svih elemenata postrojenja. Kvalitetan sustav koji odgovara stvarnim potrebama i mogućnostima kupca ne može se naći u trgovini. Štoviše, za njegovo oblikovanje nužna je pomoć stručnjaka koji će izraditi projekt i sastaviti optimalnu kombinaciju svih dijelova. Na osnovi golemog asortimana koji na našem tržištu nudi tvrtka Schrack, u prethodna dva nastavka o otočnim fotonaponskim sustavima obradili smo baterije, punjače i nadzornik baterija. Sljedeća ključna komponenta je izmjenjivač. 56 Slika 1. Osnovne komponente otočnog sustava I zmjenjivač je uređaj energetske elektronike koji povezuje istosmjerni i izmjenični električki sustav. U fotonaponskim modulima nastaje istosmjerna struja koju za svakodnevnu primjenu treba pretvoriti u izmjeničnu. Pritom se energija iz istosmjernog dijela sustava prenosi prema izmjeničnom, a izmjenjivač može proizvesti potrebni napon odgovarajuće frekvencije. Izmjenjivač na slici 1 stvara u otočnom sustavu vlastitu autonomnu izmjeničnu mrežu napona 230 V i frekvencije 50Hz. Stoga se naziva i autonomni izmjenjivač. No, izmjenjivač može biti spojen i na postojeću javnu mrežu, ali tada mora imati sklopove za sinkronizaciju s tom mrežom i sklopove za automatsko odvajanje u slučaju kvara na javnoj mreži. Takav izmjenjivač više nije autonoman, već postaje mrežom vođeni izmjenjivač. U ovom nastavku riječ je isključivo o jednofaznom autonomnom izmjenjivaču koji se ne spaja na postojeću javnu mrežu, već stvara vlastitu mrežu 230V / 50 Hz koja odgovara svim trošilima u našem domu. U otočnom fotonaponskom sustavu izvor istosmjerne struje je baterija konstantnog napona, a izlazni izmjenični napon izmjenjivača u čvrstom je odnosu s ulaznim istosmjernim naponom. Kako priključena trošila gotovo i ne utječu na izmjenični napon, takav uređaj se najčešće opisuje kao izmjenjivač s naponskim ulazom. Postoje i izmjenjivači sa strujnim ulazom, gdje su ulazna istosmjerna struja i izlazna izmjenična struja u čvrstoj vezi, pri čemu napon trošila značajno ovisi o karakteru trošila, no takvim se izmjenjivačima nećemo baviti. Poluvodičke sklopke U ovom nastavku objasnit ćemo kako izmjenivač djeluje u sustavu, bez tehničkog opisa njegove konstrukcije i primijenjene tehnologije - osim najnužnijeg opisa poluvodičke sklopke koja je njegov najvažniji dio. Slika 2 prikazuje tri najčešće poluvodičke sklopke: o Bipolarni transistor, o MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Tranzistor) i o IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). Sve tri poluvodičke sklopke imaju po tri električka izvoda. Jedan je upravljački, a preostala dva vode struju preko sklopke prema trošilu. Poželjno je da zatvorena sklopka kroz koju prolazi struja ne izaziva značajniji pad napona, a u otvorenom stanju može na sebi izdržati veliki napon. U ideal- 1-2/14 solarna struja (5) nom slučaju, provođenje ili zapiranje ne smije zagrijavati sklopku. Toplinu ne stvaraju ni napon ni struja, već snaga - tj. umnožak napona i struje. Razvijanje topline u sklopci nije poželjno, jer u krajnjem slučaju može oštetiti poluvodiče. Stoga se toplinu sa sklopke odvodi prikladnim sustavom hlađenja. Bipolarni tranzistor je povijesno najstarija poluvodička sklopka. Pri prolazu struje kroz tu sklopku pad napona je vrlo mali, što znači da se energija ne gubi na zagrijavanje. Bipolarni tranzistor je „strujno upravljani element” koji je zbog toga relativno spor, pa teško zadovoljava zahtjeve izmenjivača. Kad kažemo spor, misli se na proces uklapanja i isklapanja tranzistora. Kako se tada u njemu istodobno pojavljuje i napon i struja, razvija se toplina. U pravilu, izmjenjivač funkcionira uz visoku frekvencija rada sklopke (uklop isklop), a mnogo topline zahtijeva veći i složeniji sustav hlađenja. Povećanje dimenzija i složena odvodnja topline ne idu u prilog primjeni bipolarnog tranzistora u izmjenjivačima. Slika 2. Tri najčešće poluvodičke sklopke: Bipolarni tranzistor, MOSFET i IGBT. MOSFET je poluvodička sklopka upravljana naponom koja savršeno odgovara visokim frekvencijama upravljačkih signala (do 20 kHz). MOSFET-sklopke mogu brzo uklopiti i isklopiti struju, a zbog brzine tih promjena razvijaju bitno manje topline od bipolarnih tranzistora. No, dok provode struju, MOSFETsklopke imaju malo viši napon na sebi, pa ni one nisu optimalne za primjenu u izmjenjivačima. Zbog razvijanja topline i MOSFET-sklopka treba djelotvoran i velik sustav za odvođenje topline.... IGBT je poluvodička sklopka koja u sebi objedinjuje samo dobra svojstva bipolarnog tranzistora i MOSFETA. Dok provodi struju, u njoj se pojavljuje manji pad napona, kao i u bipolarnom tranzistoru. 1-2/14 Kako je upravljanje sklopkom naponsko, preko upravljačkog ulaza, kao kod MOSFET-a, s vrlo brzim uklapanjem i isklapanjem, od 20 do 30 nanosekundi (ns), zagrijavanje je bitno manje. IGBT je brzo upravljiva komponenta izmjenjivača, s malim gubicima, podjednako tijekom provođenja struje kao i tijekom uklapanja i isklapanja. Zbog toga je pogodna za primjenu u izmjenjivačima. Slika 3 prikazuje jedno od mogućih rješenja, s dvije IGBT-sklopke u kućištu. Slika 3. Grana izmjenjivača s dvije poluvodičke IGBT-sklopke. (Foto: Semikron) 57 solarna struja (5) Kako radi izmjenjivač? Na slici 4 je struktura izmjenjivača. U njemu su četiri sklopke: T1, T2, T3, i T4. Sklopke T1 i T4 čine jednu granu izmjenjivača, a sklopke T3 i T2 tvore drugu. Trošila su spojena između te dvije grane. Jasno je da se nipošto ne smije istodobno zatvoriti sklopke T1 i T2, kao niti T3 i T4, jer bi to proizvelo kratki spoj baterije. Svakoj sklopki u izmjenjivaču pridružena je povratna dioda. Da bismo na priključenom trošilu koje crpi pohranjenu energiju iz istosmjernih baterija dobili izmjeničnu struju točno određenog napona i frekvencije (220 V / 50 Hz), treba nam širinsko-impulsna modulacija (Pulse Width Modulation). O čemu je riječ? Slika 5 prikazuje trenutak kad struja protječe kroz sklopku T1 (T4 je otvorena) i sklopku T2 (T3 je otvorena). Po zatvaranju sklopke T1 struja raste (gornji dio slike), a po otvaranju sklopke T1 (donji dio slike), struja jednostavno nastavlja teći zbog prisustva induktiviteta. Međutim, bez aktivnog izvora, struja opada. Vidljivo je da su otvorene (isklopljene) sve sklopke osim sklopke T2, pa jedini preostali put za zatvaranje strujnog kruga vodi kroz povratnu diodu u sklopki T4. Zbog bolje preglednosti, na slici 6 su uklonjeni svi elementi koji na slici 5 ne sudjeluju u prolazu struje (plava linija). Tako dolazimo do uklopa/isklopa otporno-induktivnog (R-L) tereta na izvoru istosmjernog napona (bateriji). Naponsko-strujne karakteristike za vrijeme uklopa i isklopa sklopke T prikazuje slika 7. Dok je sklopka T uklopljena, napon na izlazu je, napon baterije (Uo). Struja raste. 58 Slika 4. Jednofazni autonomni izmjenjivač s naponskim ulazom. Slika 5. Propuštanje struje u trošilo. Širinsko-impulsna modulacija. (LIJEVO) Slika 6. Pojednostavljena slika 5. (DOLJE) 1-2/14 solarna struja (5) Kada je sklopka T otvorena, struja prolazi diodom D pa je napon Uo zapravo napon na diodi tijekom vođenja struje, a to je približno 0 V. Zato struja slabi i pada prema ništici. Jasno se vidi da srednji napon Uosr ovisi o trajanju uklopa sklopke tijekom jednog radnog ciklusa sklope. Ako je sklopka T uključena 100% tijekom cijelog Tciklusa, onda je srednji Slika 7. Napon i struja uz konstantan odnos trajanja uklopljenosti sklopke u odnosu na period rada sklopke. Slika 8. Širinsko-impulsna modulacija - pozitivna poluperioda. napon za vrijeme Tciklus jednak naponu baterije, Uosr = Ubat. Ako je za vrijeme Tciklus sklopka T uključena 0% onda je Uosr = 0 V. Trajanjem uključenosti sklopke T u odnosu na period rada sklopke Tciklus može se upravljati srednjim naponom Uosr. Na slici 7 prikazan je slučaj kad je konstantan odnos uključenosti sklopke T u odnosu na period rada sklopke Tciklus. Naravno, uz konstantan odnos uključenosti sklopke T unutar perioda rada sklopke i struja kroz trošilo I poprima neku srednju vrijednost u periodu rada sklopke Isr. Sad smo vrlo blizu ideji - da se po nekom zakonu, zavisno o vremenu, naprimjer sinusnom, mijenja stanje uključenosti tranzistora T. Što se tada zbiva vidi se na slici 8. Period rada sklopke Tciklus je uvijek Slika 9. Propuštanje konstantan, ali se mijenja trajanje uklostruje u pljenosti sklopke T. trošilo - u Mijenjanjem „širine“ impulsa napona negativnom Uo unutar perioda Tciklus prema trošilu smjeru (plava linija se, po odsječcima, šalje po sinusnom sa strelicom). zakonu promjenjivi srednji napon. Na sljedećoj Dodatno struja će zbog utjecaja instranici je duktiviteta malčice kasniti za naponom. detaljniji opis Imat će karakterističan čupavi valni ovih dvaju primjera... oblik. 1-2/14 59 solarna struja (5) Time smo objasnili kako nastaje pozitivna poluperioda napona. Na sličan način oblikuje se i negativna poluperioda, a koje sklopke pritom vode struju prikazuje slika 9. Pri stvaranju negativne poluperiode na trošilu, upravlja se sklopkom T3. Struja se tada zatvara preko sklopke T3 i sklopke T4. U trenutku isklapanja sklopke T3, struja nastavlja teći preko povratne diode sklopke T2. Iako i napon i struja na trošilu sada imaju negativan predznak, struja iz baterije je zadržala isti smjer! Na slici 10 prikazana je i pozitivna i negativna poluperioda napona Uo. Napokon, kad znamo kako se dobiva napon Uo kao na slici 10, preostaje samo još jedan korak. Uobičajeni izmjenjivači imaju izlazni napon sinusnog valnog oblika - ne kao na slici 10. Da bi napon dobio pravilan sinusni (valni) oblik, na izlaz treba postaviti filter koji će ispeglati impulse dobivene postupkom širinsko-impulsne modulacije. Konačni izgled izmjenjivača prikazan je na slici 11. Dodatno, i napon treba podignuti na razinu 230 V, jer takav nam napon treba za napajanje većine današnjih trošila. Zato se na izlazu izmjenjivača nalaze transformator Tr i kondenzator C. Transformator u kombinaciji s kondenzatorom djeluje kao filter i osigurava sinusni valni oblik napona i ujedno prilagođuje naponsku razinu izlaza izmjenjivača. Prednost je ovog transformatora što osigurava i galvansko odvajanje DC i AC strane izmjenjivača. Postoje i složeniji oblici filtera, bez klasičnog transformatora, no oni ne osiguravaju galvansko odvajanje isto-smjernog i izmjeničnog dijela uređaja. Usklađivanje baterije i izmjenjivača Projektiranje otočnog fotonaponskog sustava započinje određivanjem potrošnje, odnosno energije koju moraju pohraniti baterije, a ta energija u (Wh) je: snaga (W) x vrijeme rada (h). Baterije pak imaju određeni kapacitet. Stoga količina dostupne energije iz fotonaponskih modula, mora odgovarati očekivanom radu trošila u nekom predviđenom vremenu, a svemu tome valja osigurati i odgovarajući kapacitet baterija. Po mogućnosti - s malim viškom. Zlu netrebalo... Bateriju možemo zamisliti kao bačvu 60 Slika 10. Napon Uo kao rezultat širinsko-impulsne modulacije. Slika 11. Autonomni izmjenjivač s izlaznim naponom u obliku sinusoide. Slika 12. Usklađivanje baterije i izmjenjivača. Odnos raspoložive energije u bateriji i snage izmjenjivača treba uskladiti tako da se pri kratkoročnom preopterećenju baterija ne uništi. Naprimjer, prejaki izmjenjivač uništava slabu bateriju pulsirajućim izvlačenjem istosmjerne struje... Zato elemente treba uskladiti po snazi i kapacitetu, a sve se prilagođuje snazi priključenih trošila i vremenu rada. Preslabi izmjenjivač na bateriji velikog kapaciteta ne može podnijeti primjenu snažnijih trošila. Prejaki izmjenjivač na bateriji malog kapaciteta može ubrzano uništiti bateriju. Samo dobar proračun i predviđanje mogućih izvanrednih opterećenja jamči bateriji očekivanu trajnost, a sustavu sigurnost. u koju barem pola dana dotječe obilje vode s krova i puni je do određene razine. Praznimo li bačvu kroz mali otvor, dotok vode uglavnom nadoknađuje potrošeno. Ali, izvadimo li iz bačve veliki (debeli) čep, voda će istjecati u debelom mlazu i bačva će se ubrzano prazniti. To je stanje u kojemu se nalaze baterije kad na njih priključimo potrošače velike snage. Doduše, bačva bi se mogla isprazniti i stalnim istjecanjem kroz mali otvor no za to treba i znatno duže vrijeme... Očito je da sustav treba uskladiti i Treba li trošilima jači izmjenjivač, onda i baterija mora imati veći kapacitet! 1-2/14 solarna struja (5) osigurati neku pričuvu za nepovoljne vremenske uvjete. U praksi, otočnom sustavu najbolje odgovara neki agregat s motorom i generatorom, koji povremeno, u najgorim uvjetima, može zadovoljiti barem prosječnu potrošnju. Unatoč takvim povremenim intervencijama, obilje struje iz fotonapona nudi i tada veliku uštedu - i dugoročnu autonomiju. U prethodnom nastavku o baterijama u fotonaponskom sustavu objasnili smo zašto u jednom ciklusu pražnjenja olov-nih baterija ne bi trebalo potrošiti više od 50% kapaciteta iz baterije, jer tzv. preduboko pražnjenje bitno utječe i na životni vijek baterije. Zato baterija mora biti tako dimenzionirana da projektirana potrošnja u jednom pražnjenu iskoristi samo pola kapaciteta. Također, i sam izmjenjivač treba tako odabrati da svojom snagom može izdržati vršnu potrošnju priključenih trošila velike snage. Uzmimo konkretan primjer: U jednom ciklusu pražnjenja baterije 220Ah / 24V, želimo iscrpiti 110 Ah. Kako je polovica (50 %) nazivnog kapaciteta ove baterije 110 Ah, množenjem s naponom dobivamo 110 Ah x 24 V = 2640 Wh (vatsati). Dakle, u jednom ciklusu pražnjenja naša trošila ne bi iz baterije smjela preu-zeti više od 2640 Wh. Pri projektiranju sustava i odabiru elemenata prilagođenih potrebama, usklađivanje baterija i izmjenjivača svodi se na pitanje - koliko jak smije biti izmjenjivač priključen na bateriju? Izmjenjivač (inverter) je važan posrednik koji pohranjenom energijom iz baterija (220 Ah / 24 V) napaja trošila strujom od 220 V / 50 Hz. Slika 12 na susjednoj stranici prikazuje nekoliko mogućih slučajeva. Naprimjer, primijenimo li izmjenjivač snage 150 W, onda se iz te baterije u jednom pražnjenju može povlačiti 150 W u vremenu od 17,6 sati (2640 Wh : 150 W = 17,6 h). To je slučaj kad je baterijska banka “velika”, a izmjenjivač „mali“. Međutim, u praksi će snaga trošila, makar i kratkotrajno, ipak biti veća od 150W, najčešće u trenutku uključenja pojedinih uređaja. Što dobivamo primjenom većeg (jačeg) izmjenjivača? Ugradimo li na opisane baterije izmjenjivač od npr. 2000 W, tada će se iz baterije tijekom jednog pražnjenja moći povući čak 2000 W tijekom 1,32 sata! (2640 Wh : 2000 W = 1,32 h). Možda je u nekom konkretnom slučaju za to 1-2/14 bilo jakih razloga, no pravo je pitanje - smije li se izmjenjivač od 2000 W priključiti na bateriju od 220Ah /24 V? Važna napomena: struja iz baterije teče kroz izmjenjivač uvijek u istom smjeru, ali pritom prati sinusni ritam - smanjuje se i povećava. Takav valni oblik struje iz baterije koji se oblikuje u izmjenjivaču dodatno opterećuje bateriju i skraćuje joj životni vijek. Za određivanje pravilnog odnosa maksimalne snage izmjenjivača i ba-terijskog kapaciteta, bez skraćenja životnog vijeka baterije, praktična je ova jednostavna relacija: snaga izmjenjivača (W) < energija po-hranjena u baterijama (Wh) : 5 h. U opisanom slučaju baterija od 220 Ah / 24 V ima pohranjenu energiju 220 Ah x 24V = 5280Wh. Stoga je, prema gore navedenoj relaciji, maksimalna dozvoljena snaga izmjenjivača manja od (5280Wh : 5 h = 1056 W). Dakle, da ne ugrozimo životni vijek baterije, snaga izmjenjivača koji smijemo priključiti mora biti manja od 1000 W. Time smo stigli do vrlo važnog pravila. Ako se iz baterije 220 Ah / 24 V, smije iscrpiti do 50% njezinog kapaciteta, što nudi 2640 Wh, izmjenjivač ne smije biti veći od 1000 W! Ako su potrebe takve da nam zbog jačih trošila povremeno treba veća snaga, onda u sustavu mora biti i jači izmjenjivač. Dakako, to znači da i baterije moraju imati veći kapacitet! Sve je povezano i međusobno uvjetovano. Tu ne pomažu nikakve improvizacije ni pokušaji da se, barem nakratko, prevare fizikalni zakoni u izmjenjivaču i kemijski procesi u baterijama... Spajanje izmjenjivača Izmjenjivač se priključuje na baterije kabelom. Pritom treba pažljivo čitati upute proizvođača, no i tu vrijedi jednostavno pravilo: Ako ukupna duljina kabela koji plus- pol i minus-pol baterije povezuje s izmjenjivačem ne premašuje 5 m, dovoljan je kabel presjeka 2 A/mm2. To znači da će izmjenjivač od 1000 VA priključen na bateriju od 24 V povlačiti iz nje struju od 1000 VA : 24 V = 42 A. U tom slučaju priključni kabeli moraju imati presjek od najmanje 21 mm 2. Kako standardizirane debljine kabela imaju zaokružene brojke presjeka, treba ugraditi kabel koji u nizu veličina nudi prvi veći standardni presjek. Ponekad se za povećanje ukupnog presjeka može primijeniti i udvojene kabele. No, tada je od presudne važnosti da su oba paralelna kabela precizno prikrojena na jednake duljine. Primjena kabela neprikladnog presjeka izuzetno je opasna. Moguće je topljenje izolacije i zapaljenje instalacije. U priključni kabel između izmjenjivača i plus-pola baterije obvezno se ugrađuje osigurač. I tu treba čitati upute proizvođača. Naime, izmjenjivač može pri pojačanom opterećenju osigurati čak i dvostruku snagu tijekom 60 sekundi, što znači da pritom iz baterije povlači i dvostruko više struje. Takvo kratkotrajno preopterećenje osigurač mora izdržati bez pregaranja. U našem slučaju, gdje imamo izmjenjivač od 1000 VA priključen na baterije od 24 V, pri takvom dvostrukom preopterećenju (2000 VA) koje traje maksimalno 60 sekundi, izmjenjivač će iz baterije povlačiti čak 84 A! Zato se u kabel prema plus-polu baterije obvezno mora uključiti osigurač od 100 A. Taj osigurač ne štiti brze elektroničke sklopove u izmjenjivaču, već jednostavno isključuje kratki spoj na strani istosmjerne struje (DC) iz baterije. Postavljanje osigurača je izuzetno važno i ne smije se nikako zaboraviti! Neki proizvođači ugrađuju taj osigurač u izmjenjivač već u tvornici, a neki samo u određene modele. Stoga je itekako 61 solarna struja (5) važno pažljivo čitanje uputa! Kratki spoj u dijelu instalacije s istosmjernom strujom stvara električni luk - s trajnom iskrom, kao kod aparata za svarivanje. Ako nema osigurača, takav se luk ne gasi sam od sebe, već unaokolo sve spaljuje i rastaljuje - dok razdaljina među dijelovima koji su izazvali kratki spoj ne postane prevelika za održavanje električnog luka. To su idealni uvjet za razvoj požara. Osigurač je namjerno najslabija karika u instalaciji, jer u svom kućištu mora prekinuti strujni krug i tako ugasiti električni luk. Zato, oprez! Osigurač mora biti i u instalacijama istosmjerne struje s baterijama od 12 V, 24 V ili 48 V, gdje nominalno nizak napon prividno nije opasan po život! Ako ga nema u uređaju, onda je obvezan u kabelskom dijelu intalacije. Iskrenje koje se pojavljuje pri kratkom spoju može lako izazvati požar, a visoke temperature izuzetno su opasne jer stvaraju teške opekline. Štoviše, koža može biti opečena i bez izravnog dodira, kao pri pretjeranom sunčanju! U jednom od sljedećih nastavaka detaljnije ćemo objasniti i djelovanje struje na ljudski organizam. Na strani izmjenične struje, prema trošilima, obvezna je primjena RCDsklopke s diferencijalnom strujom od 30 mA (popularna fidovka!). Toj važnoj komponenti posvetiti ćemo cijeli jedan nastavak ove serije, a ovdje je tek spominjemo da se ne zaboravi. Dakako, pri ugradnji izmjenjivača njegovo se metalno kućište obvezno povezuje sa zaštitnim vodičem! Slika 13. Spajanje izmjenjivača. DC i AC strana, uz obvezno uzemljenje uređaja. (GORE) Neki uređaji imaju tvornički ugrađeni DC-osigurač unutar kućišta! (LIJEVO) Rasponi snage Izmjenjivači s komercijalnim nazivom Phoenix proizvode se u sljedećim rasponima snaga: o za baterije od 12 V i 24 V: 350 VA, 800 VA, 1200 VA, 1600 VA, 2000 VA; o za baterije od 12 V, 24 V i 48 V: 3000 VA; o za baterije od 24 V i 48 V: 5000 VA. Istovrsni izmjenjivači mogu se spajati u paralelu i tako pojačavati snagu sustava. Istovrsne se izmjenjivače može spojiti i u trofazni spoj. Kako je pritom riječ o složenijem sustavu, taj posao valja prepustiti stručnjacima SCHRACK TECHNIK d.o.o.. Foto: Victron U sljedećem nastavku upoznat ćemo izmjenjivače-punjače. 62 To su uređaji koji uz stvaranje izmjenične mreže mogu istodobno preuzeti i punjenje baterija, pod uvjetom da se na njih priključi pomoćni izvor energije (generator ili dostupna javna mreža). Također, ti uređaju omogućuju i istodobni rad pomoćnog izvora energije i izmjenjivača koji energiju crpi iz baterija. 1-2/14 solarna struja (5) 1-2/14 63
© Copyright 2024 Paperzz
