Pred nekoliko nastavaka opisane su komponente modularnog sabirničkog sustava Lynx (proizvođač Victron) koji je namijenjen za spoj baterije i ostatka opreme. Ove komponente primjenjive su u baterijskim brodskim instalacijama i instalacijama vozila, ali i u instalacijama u zgradama. Ovaj puta odlučili smo prenijeti iskustvo stečeno na jednom kopnenom otočnom sustavu, ali je ta instalacija u cijelosti primjenjiva i u plovilima uz prilagodbu, tj. „smanjenje“ komponenata na stvarno potrebnu snagu trošila, fotonaponskih modula i kapaciteta baterije. Obično se naime prikazuju slabije instalacije pa se onda kaže da se to rješenje može primijeniti i na veće i jače sustave. Ovdje radimo obratno: prikazujemo veći sustav koji se može po potrebi smanjiti.
Foto: Schrack Technik
Opis ideje zahvata u sustavu
Početkom 2016. sustav je instaliran s olovnim baterijama i opskrbljivao je kuću bez pristupa mreži sve do 2024. godine kada je zamijećen zamjetan pad kapaciteta olovnih baterija, slika 1. Osim smanjenja komfora kroz povećanje trajanja buke uključenog generatora, takav sustav s ostarjelim baterijama povisio je i troškove goriva jer se višak energije proizveden u fotonaponskim modulima nije imao kamo spremiti. Iako su baterije bile „pune“, već u 19 h uvečer baterije su u stvari bile prazne i uključivao bi se generator. Prilikom posljednjih testiranja baterija utvrđeno je pad kapaciteta s nazivnih 1320 Ah na manje od 10 Ah, što je bio i konačni dokaz investitoru da je izmjena nužna bez odgađanja! Polazni sustav opisan je u videozapisu u Schrack training centru.
Investitor je pristao pri promjeni baterija zamijeniti postojećih 24 komada olovnih baterija 220 Ah, 12 V, C 20, 60 kg s odgovarajućim LFP baterijama. Ovo je vrlo česti slučaj i na brodicama dočim baterije opće namjene „izdahnu“. Tad je pravi trenutak za zahvat zamjene u instalaciji, jer sljedeći takav trenutak je tek za nekoliko godina.
Foto: Schrack Technik
Postojeća 48 V baterijska banka je imala 1320 Ah C20 kapacitet. U napunjenom stanju ova banka je imala 63,5 kWh energije u sebi, no kako je riječ o olovnoj bateriji nije se zbog dugovječnosti smjela prazniti dublje od 50 % kapaciteta, tj više od 31,5 kWh dnevno. Ona se mijenja s osam LFP baterija 25,6 V 200 Ah što daje baterijsku banku 51,2 V, 800 Ah. Ova baterijska banka ima u sebi 41 kWh energije pri čemu se skoro cijeli kapacitet dakle i do 40 kWh može koristiti bez značajnijeg utjecaja na ubrzavanje starenja baterije.
Postojeće fotonaponsko polje je raspoređeno u 4 grupe po 4 kWp modula, što dnevno po ljeti može dati i do 16 kW x 4 h = 64 kWh energije, a po zimi 16 kW x 2 h = 32 kWh električne energije. Ova proizvodnja može na prvu izgledati velika, (svakako je nećete imati takvu na brodici!), no ne treba zaboraviti da primjerice 500 W stalno prisutnih kućnih trošila zahtjeva za svoj rad 0,5 kW * 24 h = 12 kWh električne energije! Ako nema sunca onda baterija još može dati 40 kWh – 12 kWh = 28 kWh po ljetu, a prije uključenja generatora i s punom baterijom od prethodnog dana. Najveći potrošači su klime i njih treba nadzirati ako je dan oblačan. No ako je dan sunčan onda će proizvedenih 60-ak kWh sigurno biti dovoljno i za rastrošno dnevno i slijedom noćno trošenje. Najbolji algoritam održivosti je da u ljetu za sunčana dana potrošnja bude takva kroz dan da uvečer u 18 h baterija bude 100 % puna. Tada se generator sigurno neće uključiti po noći, a kroz dan ćete opet trošiti tako i toliko da baterija bude puna predvečer. Ista ova dnevna logika održivosti, tj. veće proizvodnje od potrošnje u 24 h je poznata i na brodici – gotovo bez obzira o veličini sustava. Ako se ona ne poštuje, baterija se sve dublje i dublje prazni i onda prestanu raditi frižideri…
Provjera najveće struje punjenja
LFP baterije se smiju ustaljeno puniti „brzinom s do pola baterijskog kapaciteta na sat“, a to je za 800 Ah bateriju struja od 400 A. To pak znači da će 16 kW fotonaponsko polje puniti LFP bateriju pri 50 V s najviše 320 A, što još uvijek ne može ugroziti bateriju!
Generator puni sa 6 kW što pri 50 V baterije znači struju prema bateriji od 120 A. Čak ako i generator i fotonaponsko polje zajedno pune s 440 A i to bi bilo prihvatljivo! No najčešće će se puniti s manjom strujom jer će dio energije ići izravno preko dvosmjernih pretvarača prema trošilima. Sustav nadzire maksimalnu struju punjenja baterije i može ograničiti proizvodnju u smjeru zaštite baterije, ali idealno je kao u našem slučaju, ako nema ograničenja na besplatno proizvedenu energiju iz Sunca!
Provjera najveće struje pražnjenja
Kuća ima izmjenični zaštitni prekidač s nazivnom strujom 63 A, a to je 63 A x 230 V = 14.5 kW. Ako bi ta snaga praznila bateriju to bi bilo 14,5 kW / 50 V = 290 A iz baterije. LFP baterija se smije prazniti najvećom „brzinom pražnjenja od pola kapaciteta baterije na sat“, stoga se konkretne baterije od 800 Ah mogu prazniti s do 400 A ustaljeno. Kako kuća s prekidačem od 63 A može prazniti bateriju s najviše 290 A, to baterije pražnjenjem nisu ugrožene.
Lynx Class-T power in modul
Struja kratkog spoja u baterijskoj instalaciji najveća je ako se kratko spoje priključci baterije ili ako dođe do kratkog spoja baterijskih kabela blizu baterije ili primjerice u prvoj razvodnoj kutiji. Sve baterije imaju unutarnji otpor i on određuje najveću moguću struju kratkog spoja baterije. Već nešto dalje od baterije u instalaciji, struju kratkog spoja će dodatno ograničiti i otpor kabela instalacije. Ako se računa samo unutarnji otpor baterije kao glavno trošilo idealnog naponskog izvora pri kratkom spoju na stezaljkama baterije, tada će na sobnoj temperaturi primjerice VRLA AGM ili GEL olovne 12 V baterije uz unutarnji otpor 3-7 mΩ imati struju kratkog spoja 4100-1700 A. LFP baterija ima značajno manji unutarnji otpor pa struja kratkog spoja može narasti i do 10 do 15 kA. Zato se za LFP baterije moraju ugraditi posebni Class- T rastalni osigurači koji neće eksplodirati pri isključenju struje kratkog spoja i do 20 kA. Oprez: Za LFP baterije nisu podobni osigurači tipa Mega ili ANL namijenjeni za olovne baterije s prekidnom moći do svega 4 kA. Class-T osigurači ne mogu stati u primjerice Lynx distributor modul, već je razvijen Lynx Class-T Power in modul, slika 2. Modul može prihvatiti samo dva Class-T osigurača. Kućište modula omogućuje odvođenje topline (koja se stvara u osiguračima za vrijeme protoka struje kroz osigurač) u okolinu. Class-T rastalni osigurači za velike struje (225, 250, 300, 350 i 400 A) moraju se hladiti strujanjem okolnog zraka jer će u suprotnim proraditi na manjim strujama od nazivnih zbog povišene temperature okoline koju stvaraju gubici snage pri protoku struje!
Foto: Schrack Technik
No kako Lynx Class-T power in modul još nije komercijalno dostupan Class-T osigurači smješteni su u posebnu razvodnu kutiju, a preko nje se baterije spajaju s Lynx power in modulom na Lynx sabirnicu, slike 3, 4.
Foto: Schrack Technik
Foto: Schrack Technik
Prvo punjenje
Prije serijskog spajanja LFP baterija potrebno je pojedinačno napuniti baterije do kraja kako bi se ćelije u unutar obje baterije ujednačile. Tek ujednačene ćelije unutar obje baterije će omogućiti puni kapacitet serijski spojenih baterija. Ako bi baterije ostale nenapunjene i time ćelije moguće neujednačene, tada bi prilikom svakog punjenja proces punjenja zaustavila najpunija ćelija, a prilikom pražnjenja najpraznija ćelija. To zapravo znači da je radni kapacitet obje baterije smanjen. Unutar baterije postoji elektroničko sklopovlje koje omogućuje prelijevanje energije iz više punih u manje pune ćelije (8 ćelija unutar 25,6 V baterije). No višak energije iz jedne baterije ne može se preliti u drugu, serijski spojenu bateriju. On bi bio moguć samo u izvedbi 51,2 V baterije koja nadzire svih 16 ćelija, a to ovdje nije slučaj! Prvo punjenje svake od 25,6 V serijski spojene baterije je dobro odraditi punjačem kojim se može dokumentirati tijek napona i struje punjenja, slika 5. O prvom punjenju i punjaču već je pisano u serijalu.
Foto: Schrack Technik
Nadzornik LFP baterija Lynx smart BMS
Posebnost LFP baterije je njezina iznimna dugotrajnost. Može se prazniti gotovo do nule dvije do četiri tisuće puta. No ne smije se niti jednom prekoračiti minimalno ili maksimalno dozvoljeno stanje napunjenosti bilo koje ćelije. Lynx smart BMS prati stanje ćelija u LFP bateriji prema kojem će proizvesti signale za isključivanje punjača ili trošila. Signal za isključenje je ili beznaponski relejni kontakt ili naponska razina izlaza ili poruka preko informacijske sabirnice VE.Can. Lynx smart BMS ima u sebi ugrađen mehanički sklopnik u funkciji zaštitnog isključenja baterije. On je posljednja linija obrane jer se najprije pokušava isključiti trošila ili punjače upravljačkim signalima nadzornika baterije prema tim uređajima. Ako upravljački signali iz nekog razloga ne djeluju, sklopnik unutar nadzornika baterije zaštitno isključuje bateriju! Prilikom prvog priključenja na bateriju Lynx smart BMS će sam prepoznati napon 12, 24 ili 48 V. Pri uključenju baterije unutar Lynx smart BMS-a djeluje otpornik za ograničenje struje nabijanja kondenzatora priključenih uređaja, a prije uključenja sklopnika. To značajno smanjuje električna kratkotrajna opterećenja sklopnika i poluvodičkih ventila u priključenim uređajima. U negativnu sabirnicu u Lynx smart BMS-u ugrađen je i mjerni otpornik za mjerenje struje baterije. Tako se može pratiti trenutačno stanje napunjenosti, cikluse rada, sinkronizaciju stanja napunjenosti 100% i sl. Lynx smart BMS spaja se na baterije komunikacijskim kabelima, slika 6.
Foto: Schrack Technik
Važno je da su sve baterije uključene u komunikacijski krug kako bi neispravnost u samo jednoj ćeliji jedne baterije bila primijećena na nadzorniku. Može biti spojeno do 20 baterija u komunikacijski krug. Nadzornik ne zna od koje ćelije i iz koje baterije je došla opasna razina napona/temperature, no za akciju prema punjačima ili trošilima dovoljno je da je alarmantno stanje u jednoj ćeliji primijećeno. Čim stanje bude ponovno ispravno, upravljački signali nadzornika ponovno omogućuju rad trošila ili punjača. Preko VictronConnect aplikacije na pametnom telefonu preko Bluetooth sučelja prilikom puštanja u pogon moguće je parametriranje Lynx smart BMS modula.
Lynx distributor modul
Lynx distributor jedinica ima plus i minus sabirnicu s četiri kabelska priključka. Lynx distributor jedinica, za razliku od Lynx power in, tvornički omogućava postavljenje rastalnog osigurača u kabelski priključak plus sabirnice uz mogućnost pokazivanja stanja ispravnosti svakog osigurača. Ako je osigurač pregorio, LED indikator prelazi iz zelenog u crveno svjetlo. Lynx distributor modul spaja se s Lynx smart BMS modul koji osigurava potreban izvor za napajanje elektronike u Lynx distributor jedinici. Uz Lynx distributor modul dobiva se RJ11 kratki kabel za spoj Lynx distributor i Lynx smart BMS modula. Na Lynx smart BMS-u su dva takva R11 priključka i mogu se koristiti oba. Ako je sabirnica pod naponom svijetli centralni zeleni LED „Power“, a pojedini LED pokazivači pokazuju status pripadnog osigurača. Preko R11 kabela Lynx smart BMS prima stanje osigurača iz Lynx distributor modula i šalje ga preko VE.Can sabirnice nadzornom računalu, primjerice u Cerbo GX. Tako se daljinski može pratiti stanje svih osigurača u Lynx Distributor modulu! Tu je za primijeniti MEGA osigurače s naponom većim od napona baterije 60 ili 80 V za 51,2 V Bateriju. Dva Lynx distributor modula u našem sustavu omogućuju spoj dva paralelno spojena dvosmjerna pretvarača Quattro 8 kW i četiri MPPT regulatora punjenja, slika 7., a svi Lynx moduli spojeni prikazani su još jednom na slici 8.
Foto: Schrack Technik
Foto: Schrack Technik
Informacijski spoj sustava
Kako bi sve komponente radile usklađeno, nužno je pravilno spojiti njihova informacijska sučelja, slike 9. i 10. U konkretnoj instalaciji bilo je potrebno zamijeniti 3 starija MPPT regulatora s novijom verzijom koja podržava sabirničku vezu s nadzornim računalom Cerbo GX. Jedan MPPT regulator je bilo moguće iskoristiti jer je on već i bio naknadno dodan pri dogradnji fotonaponskog polja pred nekoliko godina. Cerbo GX podržava i VE.Direct sabirnicu i VE.Can informacijsku sabirnicu. VE.Direct je 1:1 sabirnica i stoga bi se na Cerbo GX moglo priključiti samo tri uređaja koliko ima priključnica na Cerbo GX uređaju. Jedan postojeći MPPT regulator spojen je s VE.Direct sabirnicom jer je takav bio isporučen pri dogradnji sustava koji tada još nije imao nadzorno računalo. Novo su nabavljena tri uređaja s VE.Can informacijskom sabirnicom koja pak omogućuje i 25 serijski spojenih sudionika na sabrinci! VE.Can sabirnica mora imati zaključenje na krajnjim uređajima sabirnice posebnim zaključnim članovima koji su uvijek priloženi uz uređaje. Preko VE.Bus sabirnice priključeni su dvosmjerni pretvarači.
Foto: Schrack Technik
Zaslon osjetljiv na dodir priključuje se priloženim HDMI kabelom s USB odvojkom za napajanje zaslona, slika 10. Taj USB odvojak spaja se uvijek u prvi USB utor, odmah do HDMI utora. Napajanje nadzornog računala dovodi se iz Lynx smart BMS nadzornika. Kontakti releja 1 služe za upravljanje generatorom. Cerbo GX ima u sebi bogato opremljenu funkciju s raznim uvjetima za uključenje i isključenje generatora. Ova funkcija omogućava različita podešenja razina uvjeta uključenja i isključenja u dnevnim i tihim noćnim satima! Četiri temperaturna osjetnika spajaju se na odgovarajuće ulaze Cerbo GX-a, a u konkretnoj aplikaciji služe za prikupljanje informacije o temperaturi kućišta baterije, no mogla su biti primijenjena za mjerenje bilo kakve četiri temperature u sustavu.
Foto: Schrack Technik
Puštanje u rad
Spoj i ožičenje sustava proveli su lokalni električari, spretni u ožičavanju, slika 11. Prije puštanja u pogon provjereno je ožičenje, tj. polariteti priključnih kabela. Posebno je provjereno i informacijsko spajanje, tj spoj VE.Direct kabela i RJ 45 prespojnih kabela koji se koriste za VE.Can i VE.Bus sabirnice. Na MPPT regulatore i na Lynx smart BMS dodane su upravljačke sklopke kojima se mogu isključiti pojedini MPPT regulatori i cijeli sustav sklopkom na Lynx smart BMS-u. Provedeno je osvježavanje osnovnih programa novih komponenata: MPPT VE.Can regulatora, Lynx smart BMS-a i Cerbo GX-a. Cerbo GX je prijavljen i na VRM portal za daljinsko praćenje rada. Sva osvježavanja koja su moguća dobro je napraviti u uredu kako bi na terenu bilo manje iznenađenja. Osvježavanje MPPT VE.direct regulatora napravljeno je na lokaciji. Isto tako su i na lokaciji sustava dvosmjerni pretvarači Quattro rastavljeni iz paralelnog u pojedinačni rad, osvježen im je osnovni program i potom su ponovno programirani za paralelni rad. Postavljeni su rastalni osigurači (Class T i Mega) u svoja kućišta. Podešene su adrese Lynx distributora.
Foto: Schrack Technik
Po puštanju u rad pozvan je investitor u instalaciju na VRM portalu kako bi i on mogao pratiti sustav. Mogućnosti praćenja na VRM portalu su već višekratno opisane, no ako su podaci na VRM portalu možda samo „za profesionalce“, moguće je korisniku instalirati na zaslon njegova telefona mali program (engl. Widget). Tako da svoj sustav u jednom danu ima uvijek na dlanu kroz samo nekoliko glavnih parametara. Može vidjeti dnevnu proizvodnju, potrošnju i stanje baterije. Dodatno sustav omogućuje i predviđanje proizvodnje prateći lokalnu vremensku prognozu. Kako je ovdje riječ o čvrstom, nepomičnom sustavu tako je proizvodnja i njeno predviđanje vrlo brzo po instalaciji jako točno i u njega se može pouzdati. Može se primjerice već ujutro postupati s energijom racionalno ako se iz prognoze proizvodnje može vidjeti da sunca ima kroz taj dan na raspolaganju nešto manje od uobičajenog!
Foto: Schrack Technik
Zaključak
Predstavljena je zamjena 1440 kg olovnih baterija s 240 kg LFP baterijama. Nove baterije spojene su s ostalim komponentama Lynx sabirničkim sustavom. Pažljivi čitatelji će vidjeti da smo poneke komponente Lynx već prikazivali u praksi – ali ovo je prvi članak u serijalu u kojem prikazani detalji primjene vrijede i za kućne instalacije i za instalacije u brodicama i vozilima. Na brodicama i vozilima ima dodatnih detalja koji se odnose na dopunjavanje baterije iz alternatora, vezu s dodatnim napajanjem iz mreže, izvedbom uzemljenja u vožnji brodice ili vozila i u stanju priključenja na mrežu, ali i o tome smo već pisali u serijalu pa vrijedi zaviriti u prethodne objave na Schrack training centru.
LFP baterije i komponente Lynx sustava iako izgledaju jednostavno, ipak su opasne jer nestručnom primjenom mogu ugroziti sigurnost korisnika instalacije i izazvati požar. I ovaj puta ograničili samo se na prenošenje osnovne ideje i tek uvod u opis rješenja. Znatiželjni će se kao i obično javiti ili sami proučiti originalne upute proizvođača. Ovaj članak nikako ne zamjenjuje originalne upute uz uređaje, kao ni činjenicu da je projektiranje i izvedbu električnih instalacija potrebno povjeriti ovlaštenim i osposobljenom projektantima i izvođačima! Oprez! To što kroz članak razumijete više nego prije ne čini vas niti osposobljenim niti ovlaštenim, već samo sada možete sigurnije razgovarati s projektantom i izvođačem vaše instalacije.
Tekst je nastao u Schrack Technik d.o.o., a moguća pitanja naslovite na [email protected]
