Uvod
U ovom članku opisat će se realizacija jednog konkretnog otočnog fotonaponskog sustava. Naziv otočni ovaj sustav nosi zbog toga što nije priključen na javnu mrežu jer javne mreže jednostavno nema u blizini. Sva energija koja se u njemu proizvede predaje se trošilima ili se posprema za kasnije korištenje. Za spremanje energije primijenjena je moderna litijeva baterija. Za periode kada proizvedena energija iz Sunca nije dostatna ili je jednostavno noć i za koje vrijedi da je razina energije u bateriji opasno niska, energiju osigurava generator. Ideja je naravno da generator bude minimalno uključen, ali samo postojanje generatora daje 100% sigurnost opskrbe trošila energijom. U članku se neće moći dohvatiti svaki pojam možda dovoljno detaljno i duboko, no nastoji se da čitatelj spozna osnovne principe djelovanja ovog sustava.
Struktura sustava
U sustavu od prije postoji trofazni generator snage 18 kW koji je do sada napajao sva trošila. Sustav osigurava u slučaju havarije rad u premosnom (engl. bypass) načinu. Time su pouzdano opskrbljena sva trošila koja ne bi smjela ostati bez napajanja (primjerice hladnjak). Sustav je trofazan što znači da iz istosmjernog napona baterije preko tri u trofazni spoj povezana bidirekcijska pretvarača osigurava stvaranje trofazne izmjenične mreže. Električna energija se proizvodi u fotonaponskim modulima i predaje regulatorima punjenja. Realizirana su tri fotonaponska polja koja svako predaje energiju jednom regulatoru punjenja baterije. U sustavu je primijenjena moderan LFP baterijski slog (LFP: Litij-željezo-fosfat, LiFePO4). Slog se sastoji od dva „ormara baterija“ svaka nazivnog kapaciteta 13,8 kWh. LFP baterije za razliku od olovnih se mogu puniti i prazniti visokim razinama struje no mora ih se nadzirati da se niti jednom ne prepune i da se niti jednom ne isprazne preko mjere. Zato proizvođači baterija uvijek opremaju baterije s nadzornim sustavom (BMS/BMU sustav, engl. battery management system/battery management unit). Cjelokupni realizirani sustav prikazan je na slici 1.
Slika 1. Otočni fotonaponski sustav s LFP baterijama i pomoćnim izvorom napajanja
Procjena proizvodnje
Prvi korak je odrediti koliko je energije zapravo potrebno. To iziskuje suočavanje investitora i umjeravanje njegovih želja i financijskih mogućnosti. Kada je jednom poznata količina energije koja se želi trošiti dnevno, onda preostaje odlučiti se u kojoj se mjeri za proizvodnju te energije dozvoljava primjena generatora, dakle želi li se zaista sve proizvesti iz Sunca ili se namjerno dopušta rad generatora kroz neki period u danu. Vrlo često se za određivanje veličine sustava ide i praktičnim putem da se odredi koliko kW fotonaponskih modula se želi postaviti, pa se onda gleda energija koja se iz njih može dobiti. Uz ponešto iskustva svi putevi na kraju završavaju na javnom servisu: Photovoltaic Geographical Information Service, PVGIS:
https://re.jrc.ec.europa.eu/pvg_tools/en/tools.html#PVP
Tako se ponavljanjem upisa raznih mogućih snaga FN modula dolazi do mjesečne proizvodnje za željenu lokaciju uz zadani nagib i orijentaciju modula (bez sjene naravno). Mjesečna proizvodnja preračunava se na dnevnu razinu i uz ponešto rezerve za neizbježne gubitke raznih pretvorbi s investitorom se dolazi do prihvatljive veličine sustava – do prihvatljivog dijagrama i zaključka prema slici 2. Sva ostala potrebna energija, ako se želi, morat će se proizvesti iz generatora.
Slika 2. Procjena proizvodnje energije iz fotonaponskih modula
Organizacija FN polja i izbor regulatora punjenja
Kada je procijenjena veličina FN polja iz potreba za energijom prilazi se razradi samog FN polja, slika 3. FN polje sastoji se od FN modula koji se spajaju u seriju u niz, a nizovi se mogu spajati u paralelu. Spajanjem modula u seriju povećava se napon niza uz zadržavanje struje modula. Napon niza modula određuje potrebni napon ulaza DC/DC pretvarača – punjača baterija. Spajanjem nizova u paralelu dolazi se do povišenja struje FN polja (naravno i snage) pa stoga i ulazna struja u DC/DC pretvarač određuje pri zadanom naponu ulaza potrebnu snagu pretvarača. U konkretnom slučaju na jedan regulator punjenja spojeno je tri modula od 285 Wp u seriju i pet takvih nizova je spojeno na jedan ulaz regulatora punjenja. Većina proizvođača ima jednostavne alate za provjeru uparenja modula i punjača što se apsolutno preporučuje kako bi se izbjegla kasnija iznenađenja pri puštanju u rad. Primijenjen je regulator punjenja sa slijeđenjem točke maksimalne snage (engl. Maximum Power Point Tracking, MPPT) koji ima napon ulaza do 150 V istosmjerno i koji u 48 V bateriju može predavati maksimalno 100 A istosmjerne struje.
Slika 3. Organizacija fotonaponskih modula i regulatora punjenja
Montaža FN polja
Fotonaponski moduli polažu se na odgovarajuću potkonstrukciju, slika 4. Pri izboru mjesta bitno je paziti da nema sjene kroz cijeli dan, ali i pri različitim položajima sunca kroz godišnja doba. U konkretnom slučaju iz estetskih razloga izabrana je gotovo horizontalna montaža s minimalnim padom za samočišćenje. Temelj konstrukcije su betonski stupići koji omogućavaju dobro hlađenje zraka ispod modula.Na njih su postavljeni metalni cijevni uzdužni nosači, a na njih poprečne šine tek malo dulje od širine modula. Ovom konstrukcijom materijali se mogu slobodno istezati zbog utjecaja promjene temperature. Na poprečne šine moduli se spajaju pričvrsnicama, a same poprečne šine su s križnim spojnicama spojene na uzdužne nosače. Kako bi se posve smanjio otpad montažnih šina koriste se i uzdužne spojnice šina za njihovo spajanje.
Slika 4. Montaža FN polja
Spojna kutija nizova – String box
Moduli se povezuju u seriju pomoću kabelskih priključaka na samim modulima. Krajevi od tri modula spojenih u serijski niz se spajaju na dvopolni zaštitni prekidač 13 A DC. Svih pet nizova se spaja preko svojih zaštitnih prekidača na zajedničku istosmjernu sabirnicu na kojoj se nalazi zajednički zbirni zaštitni prekidač 50 A i sklop prenaponske zaštite. Odlazni vod od zbirnog zaštitnog prekidača odlazi prema MPPT regulatoru punjenja kabelom 35 mm2. Bitno je voditi računa o udaljenosti FN polja od MPPT regulatora i proračunati potreban presjek kabela da u njemu nastaje dozvoljen pad napona, odnosno predviđena prihvatljiva razina gubitaka (0,5 % snage FN polja). U konkretnom slučaju na slici 5 prikazana je realizacija spoja zaštitnih prekidača i prenaponske zaštite za jedno od tri jednaka FN polja. Elementi spojne kutije za sva tri FN polja smješteni su u jednom razdjelnom ormariću ispod samih modula. MPPT regulatori punjenja smješteni su udaljeno u zgradi.
Slika 5. Spojna kutija (engl. string box) s ukupno pet nizova modula
Trofazni spoj bidirekcijskih pretvarača
Kako bi se osigurala trofazna izmjenična mreža za trošila, bidirekcijski pretvarači spojeni su u trofazni spoj – spoj zvijezda. Uređaji se parametriraju za rad u trofaznom spoju tako da jedan postaje vodeći (engl. master), a ostala dva sljednici (engl. slave). Veza je ostvarena informatičkom VE.bus sabirnicom. Master uređaj osigurava ispravni vremenski pomak preostale dvije faze. Ako jedan uređaj uđe u smetnju ili preopterećenje ispada cijeli sustav. Važnije operativne veličine i stanja bidirekcijskih pretvarača dostavljaju se nadzornom računalu VENUS GX. Zbirno upravljanje svim bidirekcijskim pretvaračima može se na pogonskoj razini obaviti preko Digital multi control nadzornog panela. Na njemu se može uključiti i isključiti trofazni sustav tri bidirekcijska pretvarača, pročitati preko Led pokazivača stanje u kojem se sustav nalazi i dodatno izravno podesiti opterećenje generatora. Tri bidirekcijska pretvarača imaju AC_in priključak gdje se priključuje izvor pomoćnog napajanja, u konkretnom slučaju generator. AC_Out1 izlaz iz bidirekcijskih pretvarača je novostvorena trofazna mreža za raspolaganje trošilima. Sva tri uređaja spajaju se i na baterije preko DC + i DC – sabirnice.
Slika 6. Trofazni spoj bidirekcijskih pretvarača
DC sabirnica
Baterije, bidirekcijski pretvarači i MPPT regulatori punjenja spajaju se na DC sabirnice. Za primijetiti je da se u svakom priključku DC + sabirnice nalaze DC osigurači za zaštitu priključnih kabela. Svaka baterija i svaki bidirekcijski pretvarač priključuju se paralelnim kabelima. Za baterije je bitno da su duljine + i – priključnih kabela jednake za sve tri baterije. Kako do pojedinog priključka pola pojedine baterije idu dva kabela to će značiti da svih 6 vodiča (istog pola) mora biti iste duljine. Isto vrijedi i za priključne kabele bidirekcijskih pretvarača. I u plus i u minus polu postavljene su rastavne sklopke s nožastim kratkospojnicima. One su predviđene za spajanje strujnog kruga pri puštanju u pogon, odnosno za raspajanje strujnog kruga pri servisnom zahvatu. Ovo je najjednostavnije i najjeftinije rješenje za spajanje i raspajanje istosmjernog strujnog kruga. Otvaranje i zatvaranje strujnog kruga na ovim sklopkama smije se provoditi samo kada su bez protoka struje bilo punjenja bilo pražnjenja baterija što znači da se prije raspajanja uređaji moraju blokirati u radu. Pri svakom prvom spajanju isto će doći do kratkotrajne iskre jer će se uređaji nabijati. DC sabirnica je napravljena tako da su izmiješani priključci punjača bidirekcijskih pretvarača i baterija, a kako bi se dobilo ravnomjernije opterećenje sabirnice. U minus sabirnici je za uočiti nadzornik baterija sa svojim mjernim otpornikom. Iako baterije imaju svoj interni nadzorni uređaj ovaj nadzornik daje osnovne vidljive parametre sustava vezane uz bateriju. Sabirnica je predviđena za 3 baterije, a trenutačno su ugrađene 2 baterije.
Slika 7. Realizacija DC sabirnice
AC razdjelnik
AC razdjelnik prikazan na slici 8. objedinjava elemente izmjeničnog dijela sustava. Trofazni izmjenični generator spaja se preko zaštitnog prekidača na premosnu sklopku. Radom generatora upravlja se preko beznaponskog kontakta koji je realiziran ili ručnom sklopkom ili u automatskom načinu rada kontaktom releja u nadzornom računalu VENUS GX. Ulaz generatora spojen je na AC_In ulaz bidirekcijskih pretvarača preko premosne sklopke. Kada bude algoritmom potrebno, bidirekcijski pretvarač će sam prihvatiti preko ulaznog releja napon generatora i sinkronizirati se na njega. AC_Out izlaz bidirekcijskih pretvarača spojen je preko zaštitnog prekidača, premosne sklopke, RCD sklopke i glavne sklopke na odlaz prema trošilima kuće. I na ulazu generatora prema AC razdjelniku i na izlazu AC razdjelnika prema kući spojena je prenaponska zaštita štiteći tako vrijednu opremu od pogonskih prenapona. Za uočiti je da je premosnim sklopkama omogućeno zaobilaženje cijelog sustava u cjelini, dakle trošila kuće je moguće napajati isključivo iz generatora.
Slika 8. Realizacija AC razdjelnika
Normalan način rada
Slika 9. prikazuje prolaz energije u normalnom načinu rada. Energija iz FN polja je dostupna na DC sabirnici bilo za spremanje u baterije bilo za slanje prema bidirekcijskim pretvaračima i slijedno pretvorbom u izmjenični sustav prema trošilima kuće. Ako FN polje ne proizvodi energiju, tada se ona uzima iz baterije i prosljeđuje bidirekcijskim pretvaračima i slijedno trošilima sve dok je u bateriji ima.
Slika 9. Prolaz energije u normalnom načinu rada
Power assist način rada
Ako su trošila veće snage od snage izmjenjivačkog dijela bidirekcijskog pretvarača, tada nadzornik sustava VENUS GX pokreće generator i dodaje potrebu snagu u sustav, slika 10. Isto će se dogoditi ako u bateriji ponestane energije. Nadzornik će uključiti generator i trošila će dobivati energiju iz generatora. Dio energije se može tada preusmjeriti i na nadopunjavanje baterije. To je sve moguće jer se bidirekcijski pretvarač sinkronizira s mrežom koju stvara generator tako da mreža koju stvara generator i mreža koju stvara izmjenjivač bidirekcijskog pretvarača postaju jedna mreža – od tuda dolazi naziv Power assist. Zato je zaštitni prekidač na AC_Out izlazu 50 A jer je 25 A predviđeno od generatora, daljnjih 25 A od izmjenjivača bidirekcijskog pretvarača. Oba ova izvora snage sada djeluju zajedno. Bidirekcijskom pretvaraču se može točno postaviti iznos struje (snage) koju smije crpiti iz generatora. Onu struju (snagu) koja u nekom trenutku ne treba trošilima bidirekcijski pretvarač sam preusmjerava za dopunjavanje baterije.
Slika 10. Prolaz energije u Power assist načinu rada
Havarijski način rada
Ako je došlo do havarije premosnim sklopkama je moguće potpuno premostiti svu elektroniku i baterije. Ručnim uklopom generatora osigurava se energija za trošila. Time je osigurano vrijeme za popravak ili zahvat na postrojenju, a da ne dođe do nikakvih posljedičnih šteta u napajanju trošila.
Slika 11. Havarijski način rada
Informacijsko povezivanje
Dok su sve slike do sada tumačile raspodjelu i tijek energije na istosmjernoj ili izmjeničnoj razini i odgovarajuće detalje energetskog i mehaničkog povezivanja, slika 12. prikazuje kako je sustav informacijski povezan. VENUS GX je nadzorno računalo opremljeno s nekoliko potrebnih sučelja za komunikaciju s uređajima u sustavu. Bidirekcijski pretvarači Multiplus i upravljački element Digital Multi control povezani su VE.bus sučeljem. BMV nadzornik baterije je povezan VE.direct sučeljem. MPPT regulatori su povezani s VE.can sučeljem. Baterijski nadzornik proizvođača baterija je povezan s VE.can sučeljem i zahtijeva posebno ožičen kabel koji s jedne strane odgovara VE.can sučelju , a na drugoj strani BMS/BYD sučelju. VENUS GX ima i stezaljke relejnog izlaza koji je u ovoj aplikaciji namijenjen za upravljanje generatorom. Ethernet sučeljem uređaj se povezuje s usmjernikom, a preko usmjernika svi podaci sustava postaju dostupni preko interneta.
Slika 12. Informacijsko povezivanje nadzornog računala i opreme sustava
Victron Remote Management Portal
VENUS GX računalo je oslonjeno na operativni sustav VENUS OS. Samo računalo VENUS GX je moguće dohvatiti spajanjem izravno na lokalni usmjernik ili udaljeno od kuće koristeći otvoreno i besplatno dostupan portal i aplikaciju Victron Remote Management, VRM. VENUS GX ima ugrađeno WiFi sučelja na koje se može izravno spojiti pametnim telefonom ili razvojnim računalom. Ako je ugrađeni WiFi malog dometa moguće ga je opremiti jačom WiFi jedinicom preko USB sučelja. Ako sve to nije izvedivo moguće ga je dohvatiti i preko GSM modema koji se na VENUS GX priključuje preko USB sučelja. Kratki pregled prikaza na VRM aplikaciji se nalazi na slici 13. Naravno preko VRM aplikacije je moguće lokalno prilikom puštanja u pogon ili kasnije udaljeno pregledavati, postaviti i mijenjati sve parametre sustava.
Slika 13. VRM aplikacija za udaljeno praćenje rada sustava
Detalji izvedbe
Na slici 14. je za uočiti još jednom sve detalje izvedbe: spojna kutija smještena na otvorenom ispod modula, detalji AC i DC razdjelnika, smještaj bidirekcijskih pretvarača takav da se osigura kvalitetno hlađenje, smještaj i kompaktnost LFP baterija, smještaj MPPT regulatora, nadzornika Baterija BMV 712, Digital multi control nadzornika i smještaj nadzornog računala VENUS GX.
Slika 14. Detalji izvedbe
Zaključak
Opisan je otočni fotonaponski sustav s LFP baterijama i generatorom kao pomoćnim izvorom napajanja. Investitor ovim sustavom bez generatora može pokretati do 3 x 5 kW trošila, a uz uključen generator još i daljnjih 3 x 6 kW. Sustav je opremljen s 13,2 kWp fotonaponskih modula što bi u periodu od travnja do rujna trebalo davati sigurnih 50 kWh električne energije dnevno, a u ostalim mjesecima 16 kWh dnevno. Upotreba LFP baterija osigurala je kompaktno rješenje smještaja opreme u strojarnici i očekivanje dugačkog životnog vijeka baterija. Za sustav je uspostavljen daljinski nadzor. Ovaj prikaz omogućava uvid u razinu složenosti sustava i može biti poticaj za osmišljavanje vlastitog rješenja.
Izvedba je djelo tvrtke Utičnica d.o.o. i ovim putem joj se zahvaljujemo za dozvolu objave materijala.
j.zdenkovic@schrack.com, g.medic@schrack.com, e.zeneral@schrack.com