Fotonaponski moduli i općenito elektronička oprema proizvode se u skokovima veličina, najčešće po snazi ili struji. I baterije se proizvode u nekoliko tipičnih kapaciteta. Kako izabrati i upariti komponente zajedno da realizirani sustav radi skladno, traje očekivano, a sve u okviru budžeta projekta? Baterija je skupa, možda i najskuplja, ali i potrošna komponenta, stoga je najbolje početi od baterije. U otočnim fotonaponskim sustavima ona određuje energiju koja je na raspolaganju korisniku sustava. I dok s modernim litijevim baterijama uparivanje baterije s ostalim komponentama gotovo i nije tema jer se one mogu puniti i prazniti u širokom rasponu struja i pri tome su i robusne i dugotrajne, to ne vrijedi za olovne baterije. One imaju svoja pravila koja vrijedi poznavati prije nego se krene u slaganje opreme u sustav. Poznavanje tih pravila usmjerit će i izbor svih ostalih komponenata sustava.
Nazivni kapacitet olovne baterije
Energija u Wh spremljena u bateriji je umnožak kapaciteta u Ah i napona baterije u V. Na slici 1. uočava se da baterije većeg kapaciteta imaju i veću masu, a masa u bateriji ugrađenog olova određuje cijenu baterije. No određena baterija s točno određenom masom ima prema slici 1.1 nekoliko kapaciteta? Koji je pravi, s kojim se može, tj mora računati? Što znači dodatak C5, C10 ili C20?
Proizvođači baterija za solarne sustave navode osim napona u V i kapaciteta u Ah još i oznaku C5, C10 ili C20. Broj iza slova C kaže za koliko će se sati energija 100 % pune baterije pražnjenjem u potpunosti iscrpiti; C5 znači da će se baterija iscrpiti za 5 sati, C10 da će se baterija iscrpiti za 10 sati, a C20 znači da će se baterija iscrpiti za 20 sati. Za jednu bateriju sva tri tako navedena kapaciteta se razlikuju i svi su ispravni – „nazivni“. Drugim riječima kapacitet s oznakom C20 znači da će baterija svaki sat izgubiti 1/20 početnog kapaciteta, kapacitet s oznakom C5 znači da će svaki sat baterija izgubiti 1/5 početnog kapaciteta. Baterija predaje energiju trošilima preko struje pražnjenja. Nazivna struja pražnjenja baterije s kapacitetom označenim s C20 se dobiva tako da se kapacitet u Ah podijeli s 20 h. Nazivna struja pražnjenja baterije s kapacitetom označenim s C5 se dobiva tako da se kapacitet baterije u Ah podijeli s 5 h. Primjerice 100 Ah C20 znači da baterija ima 100 Ah uz pražnjenje sa strujom 100 Ah / 20 h = 5 A. Oznaka 100 Ah C5 znači da baterija ima 100 Ah uz pražnjenje strujom 100 Ah / 5 h = 20 A. Uočite da obje baterije imaju isti kapacitet 100 Ah, ali različitu masu olova; 100 Ah C 20 baterija ima 26 kg, a 100 Ah C5 ima 33 kg. Baterija koja uz isti kapacitet dopušta pražnjenja većom strujom ima veću masu! Ako se pak pogleda samo jedna baterija, uočava se da ima različite kapacitete koji zavise o struji pražnjenja. Kapacitet baterije opada s porastom struje pražnjenja. Baterija 100 Ah C20 je u stvari baterija od 82 Ah C5. Osim o struji pražnjenja kapacitet olovne baterije zavisi i o temperaturi pri pražnjenju, slika 2. Što je temperatura niža jedna baterija pri istoj struji pražnjenja ima manji kapacitet. (To objašnjava zašto baš po zimi i to ujutro motor automobila se ne može pokrenuti jer je akumulator jednostavno oslabio pri niskim temperaturama.)
Ciklusi baterije
Na životni vijek olovne baterije značajno utječe dubina pražnjenja baterije. Životni vijek se mjeri ciklusima rada. Ciklus se naziva pražnjenje baterije s poznatom strujom od 100% napunjenosti do neke dubine i ponovno punjenje s poznatom strujom do 100% napunjenosti. Tako automobilska startna baterija ne može ostvariti niti jedan ciklus s potpunim pražnjenjem, jer ako se isprazni , nije ju moguće ponovno napuniti jer pražnjenjem do nule biva uništena. Solarne olovne baterije mogu ipak do nekoliko desetaka puta biti ispražnjene do kraja. Najnovije „kemije“ solarnih baterija dozvoljavaju i do 100 ciklusa s potpunim pražnjenjem. Što je pražnjenje pliće, to se dozvoljava veći broj ciklusa u životnom vijeku. Tako automobilska startna baterija ima gotovo nebrojeno ciklusa starta motora jer je dubina pražnjenja zanemarivo mala. U sustavima koji se opisuju koristi se AGM super cycle baterija za koju se na slici 3 prikazuje ovisnost broja ciklusa o dubini pražnjenja i to sa strujom u iznosu: kapacitet baterije u Ah / 5 h (primjerice 100 Ah se prazni za 20 A).
I da bi stvar bila zamršenija, u solarnim primjenama vrlo rijetko će i punjene i pražnjenje biti istom, ustaljenom strujom kroz dulje vrijeme i zapravo neće biti dva ista dana s istom strujom i dubinom pražnjenja! Upravo ograničenjem dubine pražnjenja do 50% i ograničenjem trajne maksimalne struje pražnjenja ne većom da se cijela energija isprazni za 5 h može se utjecati na dugovječnost baterije. Baterije koje se prazne trajno prevelikom strujom pražnjenja i koje se učestalo prazne preduboko, trajat će kraće od očekivanog životnog vijeka. Takve baterije kaže se – ubrzano stare. Kratkotrajna prekoračenja bilo struje pražnjenja pri uključenju nekog trošila ili poneki dan s dubljim ciklusom pražnjenja neće ugroziti zdravlje olovne baterije u otočnom sustavu!
Punjenje baterije
U otočnom sustavu baterije se pune iz fotonaponskog modula neke snage. S dobrim približenjem zna se da će u našim prostorima proizvedena energije optimalno položenog modula u jednom danu odgovarati umnošku snage i 4 h, a u zimskom periodu umnošku snage modula i 2 h. Primjerice u ljeti će modul, koji se koristi u opisanim sustavima, od 0,4 kW proizvesti 1,6 kWh energije, a zimi će taj modul proizvesti 0,8 kWh. Da bi olovna baterija bila dugovječna, pri punjenju od prazne do pune baterije (tj. od 0% do 100% kapaciteta) mora proći ne manje od 5 h i ne više od 7 h. Ako je punjenje kraće od 5 h struja punjenja će biti prevelika i baterija ubrzano stari, ako je punjenje dulje od 7 h struja je preslaba i baterija se neće dobro napuniti. Primjerice punjenje 100 Ah olovne baterije treba biti stoga od 15 do 20 A. Ako pretpostavimo da na krovu imamo „n“ kW modula onda baterija mora imati kapacitet (5 do 7) h * n kW. Najmanji kapacitet baterije je 5n kWh, a najveći je 7n kWh. Uz modul od 0,4 kW baterija mora imati 2-2,8 kWh kapacitet spremanja energije.
Pražnjenje baterije
Kako bi sustav bio održiv baterija ne smije predavati trošilima više energije nego što se proizvodi iz fotonaponskih modula. Pri tome se zanemaruje da se sva bateriji privedena energija ne može pospremiti u bateriju, efikasnost punjenja je cca 75% pri kraju punjenja. Olovna baterija kako je pokazano se ne bi trebala u ciklusima prazniti dublje od 50% da bi se ostvario veći broj ciklusa. Primjerice 100 Ah baterija se ne bi trebala prazniti za više od 50 Ah. To znači da se od 5n kWh energije u bateriji, trošilima smije predati u danu ne više od 2,5n kWh. Također se već objasnilo da pražnjenje baterije ne bi smjelo biti brže od 5 h (ako je baterija nekog kapaciteta i oznake C5). Ako bi se praznila za kraće vrijeme to bi značilo da se prazni većom strujom pa bi je to ubrzano starilo, a to se ne želi! Ako se baterija s oznakom C20 prazni za 5 h to je još tehnološki dozvoljeno, ali treba se računati da će ona imati svega 80% kapaciteta, primjerice ako se 230 Ah C20 baterija prazni za 5 h, tada ima kapacitet svega 200 Ah C5, slika 1! Iz ovoga proizlazi da je najveća dozvoljena trajna snaga trošila kojom se baterija smije prazniti: ukupna energija spremljena u bateriji u kWh / 5 h. Kako se smije preuzeti samo 50% spremljene energije to znači da se baterija smije prazniti ustaljenom snagom samo kroz 2,5 h. Primjerice baterija 100 Ah C5 se smije prazniti s 20 A kroz 2,5 h. Ako smo već zaključili da se iz baterije smije uzeti samo 2,5n kWh i to kroz svega 2,5 h to znači da je najveća dozvoljena snaga trošila „n“ kW.
Pojednostavljeno načelo uparivanja komponenata sustava
Sva ljepota i jednostavnost načela je na slici 4. Uz n kW modula, baterija mora imati 5n kWh, a n kW je snaga trošila koja se smije spojiti da ustaljeno kroz 2, 5 h u ljetnom sunčanom danu preuzima energiju. Koliko kW na krovu, toliko kW u trošilima. Baterija mora imati kapacitet snaga modula u kW x 5 h. I to je to jednostavno načelo uparivanja! Najvažnije u ovom razmišljanju je da je načelo neovisno o naponu baterija – radi se samo o snazi i toku energije! Uz poznatu snagu, napon će određivati struje u sustavu. Stoga se kod sustava većih snaga ide na veće napone. Samo se nastoji održati struja istosmjernog razvoda u rasponu 100 – 200 A. Ako bi struja bila veća potrebno je povećati napon baterija. Uobičajeni naponi baterija su 12, 24 i 48 V.
Upareni kompleti otočnih fotonaponskih sustava s olovnom baterijom
Kompleti upareni prema načelu sa slike 4. prikazuju se na slikama 5. do 15. Svi imaju isti aktualni fotonaponski modul snage 415 Wp, u kompletima se razlikuje samo broj komada. Naziv sustava otkriva broj modula: Micro 1 znači da sustav ima jedan modul, Micro 2 znači da sustav ima 2 modula, itd. Svi kompleti imaju istu bateriju AGM super cycle 230 Ah C20 a u kompletima se razlikuje broj primijenjenih baterija. U svakom sustavu nalazi se nadzornik baterije BMV 712 smart koji daje izravan pogled u stanje baterije. U svakom kompletu je izmjenjivač kojime se osigurava izmjenično napajanje za izmjenična trošila. Parametriranje uređaja provodi se preko pametnog telefona i aplikacije Victronconnect. Neki izmjenjivači nemaju u sebi Bluetooth komunikacijsko sučelje za komunikaciju s telefonom pa se ono dodaje izvana. Uređaji prema razvodu energije imaju automatske ili rastalne osigurače za zaštitu kabela od kratkog spoja. Kod većih sustava kombinira se i do dva odvojena MPPT regulatora punjenja baterije iz fotonaponskih modula. Svaki niz modula moguće je isključiti zaštitnim prekidačem iz spoja, zbog recimo nekog servisnog zahvata. U kompletima s više paralelnih baterijskih grana svaka grana ima svoj rastalni osigurač. Vrlo je bitno da svaka grana baterija ima isti otpor kao bi se sve grane jednako i punile i praznile, što se postiže istom duljinom spojnih kabela. Kod većih setova postavljen je odvodnik struje munje i prenapona. On je prevelik po pragu zaštitnog napona i neće zapravo zaštiti opremu, ali će ipak smanjiti inače razornu štetu pri prodoru munje ili prenapona instalacijom. Jedna napojna jedinica sa slike 7. koristi se u Mini 3 sustavu, a dvije takve jedinice u Midi 6 sustavu. Pri spajanju izmjeničnog dijela potrebno je provesti zaštitno uzemljenje izmjeničnog dijela instalacije i primijeniti RCD sklopku prije izmjeničnih trošila. Tu vrijede sva pravila kućnih izmjeničnih instalacija.
Naravno da se u realnim sustavima nije moglo dobiti savršeno poklapanje kapaciteta baterije u izrazu 5n kWh, kao i da nije bilo moguće uskladiti snagu izmjenjivača sa snagom modula u izrazu n kW. Nazivi setova otkrivaju napon baterija u V i snagu izmjenjivača u VA. Ako bi trošila trajno opteretila izmjenjivače njihovom nazivnom snagom sustav bi smio biti u pogonu do pražnjenja polovice kapaciteta baterije. Zadnji broj u nazivu sustava pokazuje koje vrijeme smije izmjenjivač svojom nazivnom snagom trajno opteretiti sustav(oko 2, 5 h). Umnožak snage izmjenjivača i vrijeme trajanja govori o autonomiji sustava unutar jednog ljetnog dana, tj koliko nam energije stoji na raspolaganju. Primjerice sustav Micro 1 / 12 V / 375 VA / 3, 7 h ima jedan fotonaponski modul, baterija je 12 V, izmjenjivač ima snagu 375 VA i smije 3,7 h raditi tom snagom. Autonomija tog sustava, tj energija koja je na raspolaganju izmjeničnim trošilima uz potpuno napunjen sustav i u radu bez sunca je 375 VA x 3,7 h = 1388 Wh.
Zaključak
Objašnjeno je jednostavno načelo uparivanja komponenata. Uz n kW modula, baterija mora imati 5n kWh, a n kW je snaga trošila koja se smije spojiti da ustaljeno kroz 2, 5 h u ljetnom sunčanom danu preuzima energiju. Koliko kW na krovu, toliko kW u trošilima. Baterija mora imati kapacitet snaga modula u kW x 5 h. Ovo načelo je neovisno o naponu baterija – radi se samo o snazi i energiji! Za korištenje ovih kompleta iz naziva kompleta jednostavnim množenjem zadnja dva broja se dobiva energija na raspolaganju u jednom ljetnom sunčanom danu. U zimi je nešto manje energije dostupno, približno pola ljetne energije. I to iz jednostavnog razloga što i proizvodnja energije pada u zimi na pola. Iz snage izmjenjivača zna se i kolika je najveća snaga trošila koja mogu biti istovremeno priključena.
j.zdenkovic@schrack.hr
Schrack Technik d.o.o.
