U očekivanju „vruće energetske zime“ u prethodnom nastavku opisana je ideja jednog kućnog sustava koji omogućava ostvarenje električno gotovo neovisne kuće. Gotovo neovisna kuća znači da je i dalje stalno spojena na javnu električnu mrežu, no iz nje preuzima energiju samo ako je nije uspjela preuzeti iz sunca. Kuća opremljena s dovoljno fotonaponskih modula i s dostatnim kapacitetom baterija mogla bi biti i potpuno električno neovisna. Taj se pojam razjasnio usporedbom kuće s brodicom. Ako se brodica mora ipak povremeno spajati s obalnom mrežom, brodica je energetski gotovo neovisna.
Ideju osmišljene makete prikazuje slika 1. Realni sustav se ubacuje između ulaznog kućnog brojila i ostatka kuće, osmišljenu pokaznu maketu u bilo koju utičnicu u kući. Utičnica u koju je spojena maketa glumi kućni priključak. Na izlazu iz makete nalaze se priključci za trošila. Rješenje makete se gotovo u cijelosti može iskoristiti u primjeni u kući. Energiju sunca sprema se u bateriju za odgođeno korištenje ili se izravno predaje priključenim trošilima. Na nadzornom sustavu kuće zadaje se željena snaga kojom kuća smije opterećivati mrežu dok ima ili izravne ili u bateriju spremljene sunčeve energije. Na nadzornom sustavu kuće može se zadati i hoće li se i koliko viška energije vraćati u mrežu.
Opis izvedbe
U ovom nastavku opisat će se smještaj i ožičenje komponenata istosmjernog razvoda električne energije makete, slika 2. U sljedećim nastavcima opisat će se izmjenični razvod električne energije, informacijsko povezivanje komponenata i podešavanje parametara i puštanje u pogon. Sustav je organiziran oko 25,6 V 100 Ah LiFePO4 baterije. U sustavu su sljedeće komponente: VE.Bus BMS nadzornik, rastalni osigurač class T, glavna sklopka, Smart shunt, sabirnički modul Lynx power in, dvosmjerni pretvarač Multiplus II, DC/DC pretvarač Orion smart i MPPT regulator punjenja.
Sva oprema je montirana u informacijski razdjelnik, slika 3. Ovo je rješenje idealno jer se radi o tipiziranom razdjelniku koji može podnijeti veću masu opreme i za njega postoji dobar izbor pribora koji se u njega može ugraditi, police nosači pregrade ispune, kotači, ventilatorski blok. Sve tri stranice se mogu skinuti, a prednja strana je prozirna tako da se i oprema i njeno ožičenje dobro vidi. Izvedba se opisuje korak po korak tj. „žicu po žicu“ da ako poželite možete sami izvesti sustav. Ovaj način opisa nastao je u interakciji s učenicima jedne srednje škole koji su sami željeli ožičiti maketu kako bi što bolje upoznali opremu. Na svakoj slici je dio sheme koji se izvodi. Prikazom detalja izvedbe s brojkama u crvenim krugovima prati se shema i ožičenje.
Izravno na bateriju posebnim parom informacijskih kabela spojen je nadzornik baterije VE.Bus BMS (2) koji ima zadatak pratiti rad svake od osam ćelija u bateriji (1), slika 4. Ako je napon neke ćelije prevelik, VE.Bus BMS uređaj stvara upravljački signal za isključenje punjača. Ako je napon neke ćelije premali, VE.Bus BMS uređaj stvara signal za isključenje trošila. Ova dva signala upravljaju radom komponenata sustava čuvajući skupu bateriju. VE.BUS BMS prati i temperaturu ćelija baterije, jer se baterija ne smije puniti pri temperaturama nižim od 5 stupnjeva C. Ne treba smetnuti na umu da i „zakočeni“ punjači i trošila dok su priključeni na bateriju i dalje troše energiju za svoj pripremni način rada (engl. standby mode), kao i da neka trošila moraju biti spojena na bateriju izravno (primjerice upravljačko nadzorno računalo) i neće se nikada očekivati njihovo isključenje, čak ni uz rizik uništenja baterija. Stoga pri dosezanju donje razine napona neke ćelije baterije dozvoljeno je još samo poznato i ograničeno vrijeme takve smanjenje potrošnje! (Postoje izvedbe nadzornika koje električki isključuju bateriju sklopnikom što u potpunosti štiti bateriju, međutim tada se gubi daljinska komunikacija sa sustavom, što se u maketi ne želi!)
Pozitivan pol baterije (1) spaja se s rastalnim „class T“ osiguračem (2) i (3), slika 5. Class T osigurač primjenjuje se zbog velike prekidne moći 22 kA koja je potrebna jer litijeve baterije zbog malog unutarnjeg otpora imaju i 5 puta veće struje kratkog spoja od olovnih baterija. Dok je za olovne baterije dostatan rastalni osigurač s 4 kA prekidne moći, za LFP baterije je potrebno i do 20 kA prekidne moći. Što ako se iza LFP baterije ugradi rastalni osigurač manje prekidne moći (primjerice ANL ili MEGA)? On će gotovo sigurno eksplodirati pri kratkom spoju i samo se može nadati da eksplozija i stvoreni električni luk neće dovesti do zapaljenja okoline. Netko će pomisliti primijeniti niskonaponski visokoučinski (kratica NV) rastalni osigurači za izmjenični napon koji ima i do 100 kA prekidne moći. No NV osigurači imaju takvu prekidnu moć deklariranu za izmjeničnu struju, dok se njihova prekidna moć za istosmjernu struju uglavnom ne navodi jer je značajno niža!!! Iza rastalnog osigurača slijedi glavna sklopka (4) i (5). Ona služi za odvajanje baterije od ostatka instalacije. Uvijek je dobro, unatoč sklopki provjeriti napon pri servisnom zahvatu jer kontakti sklopke mogu zalijepiti i ne otvoriti. Iza sklopke pozitivan pol se spaja na crveno označenu pozitivnu sabirnicu Lynx Power in modula (6). To je kompaktni modul s pozitivnom i negativnom sabirnicom s mogućnošću ugradnje rastalnih osigurača pojedinih strujnih krugova.
Negativan pol baterije (1) spaja se na vijak označen s „Battery“ na Smart shunt-u (2), slika 6. Smart shunt je mjerni otpornik za mjerenje struje, napona i energije baterije. Izlaz iz Smart shunt-a (3) označen s „Load“ spaja se na negativnu sabirnicu Lynx power in modula. Mjereni podaci iz Smart shunt-a šalju se informacijskim kabelom prema nadzornom računalu. Elektronika Smart shunt-a se napaja preko posebnog kabela s pozitivne sabirnice Lynx Power in modula. Ožičenje pozitivnog i negativnog pola do Lynx Power in modula napravljeno je s 95 mm 2 pri čemu se koristi finožični kabel za zavarivanje HO1N2-D. Ovi kabeli zadržavaju svoju visoku gipkost i pod utjecajem ozona, svjetla, kisika, zaštitnih plinova, ulja i benzina. Robusna konstrukcija čini ih otpornima i na hladnoću kao i na toplinu i vatru. Pogodni su za korištenje na otvorenom, kao i u suhim i vlažnim uvjetima. Za primjenu u brodicama odlična je izvedba s pokositrenim finožičnim vodičem.
Od Lynx power in sabirničkog modula pozitivni kabel (1) preko MEGA rastalnog osigurača 60 A spaja pozitivni ulaz (3) DC/DC pretvarača Orion smart, slika 7. Negativna sabirnica Lynx Power in modula spaja se kabelom (2) izravno s DC/DC pretvaračem. Ovdje se Orion smart primjenjuje za naponsku prilagodbu tj kako bi se napon spustio s napona baterije 25,6 V na napon trošila 12 V. Kako je riječ o maketi dobro je pokazati da se ovakvim jednostavnim uređajem može ostvariti naponski izvor stabilnog 12 V napona u inače 25,6 V DC sustavu! Ovo je uređaj posebno interesantan za brodice jer omogućava i vezu između LFP baterija i olovnih baterija odnosno alternatora. Presjek spojnih kabela je 16 mm2 budući da je izlazna struja DC/DC pretvarača 30 A. Pripadni MEGA rastalni osigurač je prema uputstvu 60 A!
Izlaz iz DC/DC pretvarača Orion smart (1) i (2), spaja se na dvopolni istosmjerni automatski zaštitni prekidač 16 A (3) i (4), označen s F_DCOUT, slika 8. Kako je riječ o maketi namjerno je od raspoloživih 30 A na izlazu DC/DC pretvarača odabrano 16 A. To znači da je snaga istosmjernih trošila koja se mogu priključiti 12 V x 16 A = 192 W. Trošila se priključuju ili na redne stezaljke (5) i (6) unutar razdjelnika ili na priključke (9) i (10) na vanjskom kućištu razdjelnika označenom s „DC ODLAZ“. Kao vanjski priključci odabrani su priključci kabela za zavarivanje! Oni su i robusni i dostatno izolirani. Kad sustav napajanja istosmjernih trošila nije u upotrebi, ipak je dobro preko zaštitnog prekidača (3) isklopiti izlazne priključke.
Fotonaponski moduli spajaju se na vanjske stezaljke (1) označene s „DC DOLAZ“, slika 9. One se pak dalje spajaju na redne stezaljke (2) poslije kojih se spaja prenaponski odvodnik. Prenaponski odvodnik (3) je 1100 V DC i svakako je neprimjeren po naponu jer bi propustio prenapon stvoren atmosferskim pražnjenjem do razine 1100 V DC. Potreban bi bio prenaponski odvodnik čiji bi napon prorade bio tek nešto iznad najvećeg dozvoljenog ulaznog napona MPPT regulatora punjenja (150 V DC), primjerice 160 V DC. Međutim takav još pri današnjem stanju tehnike ne postoji (postoji 100 V DC, ali to je premalo za ovaj MPPT)! Ovdje je prenaponski odvodnik stavljen samo da podsjeti na činjenicu da nam s ove strane može doći opasan prenapon pri atmosferskom pražnjenju, koji bi mogao uništiti MPPT regulator! Ugrađena je i sklopka „DC dolaz“ (4), a iza nje dvopolni zaštitni prekidač 10 A (5) i (6), označen s F_DC_in. Za ovaj MPPT predviđa se serijski spoj dva do tri modula sa strujom niza do 10 A. Automatski zaštitni prekidač i sklopka DC dolaz imaju istu funkciju servisnog razdvajanja FN polja od opreme razdjelnika. Kako je riječ o maketi, namjerno su postavljena dva mjesta isklapanja, iako bi funkciju servisnog razdvajanja mogla izvršiti ili samo sklopka ili samo zaštitni prekidač.
Izlaz MPPT regulatora (3) i (4) spaja se kabelom presjeka 25 mm2 s Lynx Power in modulom (1) i (2), slika 10. Rastalni osigurač tog strujnog kruga u Lynx Power in modulu je 60 A, što je izabrano prema najvećoj struji MPPT regulatora. MPPT regulator na maketi neće ići do 60 A, no u stvarnoj primjeni bi trebalo postaviti 80 A, što bi još uvijek dovoljno dobro štiti kabel. MPPT regulator punjenja sa 60 A na strani baterije 25,6 V može prema bateriji poslati 60 A x 25,6 V = 1536 W. Ako se snaga fotonaponskih modula premaši, regulator će ograničiti izlaznu struju prema bateriji na 60 A. No ako ulazni napon MPPT regulatora (tj. napon priključenih fotonaponskih modula) premaši 150 V, a koliko je najveći dozvoljeni napon ulaza MPPT regulatora, tada će doći do uništenja MPPT regulatora. Posebnom jednostavnom aplikacijom „MPPT Calculator“ može se provjeriti usklađenje fotonaponskih modula i MPPT regulatora.
Posljednji uređaj koji je preostao za spojiti je dvosmjerni pretvarač Multiplus II 3000/24, slika 11. Pozitivni spojni kabel kreće iz Lynx Power in modula i zaštićen je rastalnim osiguračem MEGA 200 A (1) i spaja se u Multiplus na mjesto (3). Negativni kabel spaja se izravno (2) i (4). Kako je duljina kabela manja od 5 m dozvoljeno je koristiti presjek 50 mm2 za pozitivni i negativni kabel, a da je veća od 5 m rabio bi se kabel presjeka 95 mm2, odnosno 2 x 50mm2. Primijenjeni rastalni osigurač (200 A) je manji od preporučenog (300 A), no i uz takav osigurač moguće je ostvariti nazivnu snagu od 3000 VA. Na svim spojevima vidljive su kabelske stopice s dovoljno dugim „grlom“ za dva stiskanja kliještima i s uskim „aparatnim“ okom. Pri spajanju stopica bitan je redoslijed dijelova za izvedbu kvalitetnog spoja: stopica, podložna pločica, prstenasti osigurač i matica.
Slika 12. pokazuje pregledno upravljačke elemente istosmjernog razvoda: glavnu sklopku (1), zaštitni prekidač DC odlaza prema DC trošilima (2), zaštitni prekidač DC dolaza (3) i sklopku DC dolaza (4). Posebno se vide i robusni, lako dobavljivi DC priključci korišteni iz dijelova opreme za zavarivanje.
Zaključak
U ovom nastavku opisan je korak po korak spoj komponenata istosmjernog razvoda električne energije makete: LiFePO4 baterije, VE.Bus BMS nadzornika, rastalnog osigurača class T, glavne sklopke, Smart shunt-a, sabirničkog modula Lynx Power in, dvosmjernog pretvarača Multiplus II, DC/DC pretvarača Orion smart i MPPT regulatora punjenja. Sve komponente koje smo opisali koriste se u primjenama u brodicama, vozilima i zgradama. U sljedećim nastavcima opisat će se izmjenični razvod električne energije, informacijsko povezivanje komponenata i podešavanje parametara te puštanje u pogon. Opisi su detaljni baš kako bi se omogućilo otkrivanje detalja koji se vide tek kada imate opremu u rukama. Nadamo se da ćete u našem besplatnom priručniku koji čeka na Vas pronaći i sva ostala potrebna teoretska znanja iz prethodnih nastavaka serijala, zato: zatražite svoj besplatni primjerak.