Sabirnički sustav Lynx u praksi (2)

U prethodna dva nastavka predstavljene su dvije izvedbe oko baterijskog sloga opće namjene sa sabirničkim sustavom Lynx i LFP NG baterijama za osam metarsku brodicu. Dok čekamo odluku brodograditelja oko realizacije, prikazat će se u međuvremenu izvedeno jedno „kopneno“ rješenje. Izvedbu je odradila tvrtka Controlmatik d.o.o. iz Šibenika koja je sudjelovala u ovom postrojenju od početka postojanja, dakle od daleke 2012. godine i izvedbe s olovnim baterijama. No svi detalji i razmišljanja kroz izvedbu primjenjivi su i na brodicama, zato uživajte u zamišljanju svojih rješenja!

Foto: Schrack Technik

Modularni sabirnički sustav Lynx omogućuje jednostavno planiranje i izvedbu instalacije oko LFP baterija. U kolovozu smo predstavili prvi takav cjeloviti off-grid sustav s LFP baterijama, a ovdje prikazujemo jednu izvedbu zamjene olovnog baterijskog sloga s LFP slogom. Ovo postrojenje je u pogonu od 2012. godine i tek su sada promijenjene baterije iz olovnih u LFP! Ovo je „jači-snažniji“ sustav, no svi čitatelji koji nas prate znat će da je „slabljenje sustava“ za primjenu na brodicama jednostavnije od pojačavanja sustava prema off-grid kopnenoj primjeni. Da, ovdje nema alternatora, ali zato imamo generator kao pomoćni izvor!

U trenutku narudžbe i razrade ovog sustava nisu bile još komercijalno dobavljive LFP NG baterije o kojima je pisano u zadnja dva nastavka i stoga je ovaj sustav izveden s „klasičnim“ LFP smart baterijama. To je da dobijete osjećaj kako se brzo mijenja tržište. Razlike između LFP NG i LFP smart baterija opisali smo u tim prethodnim nastavcima i nećemo ih ponavljati.

Instalacija sustava 2012. godine

Sustav je instaliran u 2012. godini s olovnim GEL baterijama proizvođača Victron i to 24 komada 12 V 220 Ah, C 20, što je spojeno u baterijski slog 1320 Ah, C 20, 48 V, slika 1. Kuća nije imala i neće imati tako skoro pristup javnoj mreži. Sustav je obuhvaćao 20 FN modula po 250 Wp (5 kWp modula) smještenih pola na krovu i pola na tlu u vrtu. Pomoćni izvor energije je 7, 5 kW generator.

Foto: Schrack Technik

Istosmjerni napon i struja iz fotonaponskih modula pretvaraju se u mrežnom izmjenjivaču u izmjenični napon i struju i izravno predaju trošilima kuće. Višak proizvedene energije, koju trošila ne uspijevaju iskoristiti, preko dvosmjernog pretvarača MultiPlus sprema se u baterije. Dočim se baterije napune, MultiPlus podigne frekvenciju izmjeničnog izlaza (AC sabirnice) na 53 Hz. To je signal za automatsko isključivanje mrežnog izmjenjivača i tada energija za napajanje trošila ide iz punih baterija kroz MultiPlus. Ako se baterije isprazne do neke zadane razine, Multiplus opet vraća frekvenciju AC sabirnice na nazivnu vrijednost 50Hz, te se mrežni izmjenjivač ponovno automatski spoji na AC sabirnicu i opet izravno napaja trošila, a viškom energije nadopunjava baterije. Ako se ipak iscrpi energija iz baterija preko dozvoljene razine, a nema sunca ili ga nema dovoljno uz potrošnju kuće za nadopunu preko mrežnog izmjenjivača, dvosmjerni pretvarač Multiplus u sustav uključuje automatski dodatni izvor, diesel elektroagregat. Agregat osigurava trošilima traženu energiju, a višak se preko dvosmjernog pretvarača sprema u baterije. Dodatno dvosmjerni pretvarač u sustav automatski uključuje diesel agregat i u situaciji povećanja snage uključenih kućnih trošila preko zadane razine, a isključuje ga automatski ako opterećenje kuće padne. Tako ovaj sustav koristeći sunčevu energiju i energiju diesel goriva osigurava nesmetano i besprekidno napajanje trošila i istovremeno čuva da stanje baterije ne padne nikada ispod neke minimalne projektirane razine što je ključno za očekivani životni vijek baterija.

Rekonstrukcija 2017. godine

S vremenom je pojačano korištenje kuće i pojavila se želja za dodatnom energijom za dodatni komfor. Predložen je i odrađen zahvat proširenja fotonaponskog polja u vrtu s 10 na 18 modula, slika 2. Moduli na krovu se nisu dirali. Izrađen je i poseban stalak za prihvat 18 modula. Energija iz modula se učinkovito spremala u baterije uz samo jednu DC/DC pretvorbu preko novog MPPT regulatora. Energija iz modula s krova je uz samo jednu DC/AC pretvorbu i dalje ostala na raspolaganju za izravnu opskrbu trošila. Zbog niskog ulaznog napona MPPT regulatora od svega 150 V moduli su formirani u 6 paralelnih nizova s po 3 serijski spojena modula. Zbog udaljenosti kuće od stalka, tj. smanjenja pada napona na kabelu ugrađen je spojni kabel kabel 2 x 50 mm2 po polu između spojne kutije modula i MPPT regulatora.

Foto: Schrack Technik

Kako bi se produžio vijek trajanja olovne baterije pri rekonstrukciji dodani su i ujednačivači baterija (engl. battery balancer), slika 3. Tako je osigurano da se srednje točke paralelno spojenih grana nađu na jednakom potencijalu jer su kratkospojene, ali i da svaka od 4 serijski spojene baterije u grani ima međusobno jednaki napon. To dobro djeluje na životni vijek baterije jer se ne može dogoditi da neka baterija od njih 12 u slogu bude više ili manje opterećena. Naravno, ovo je trebalo biti ugrađeno odmah na početku rada instalacije. No daleke 2012. godine ovi ujednačivači nisu bili dobavljivi! Naime ideja za ovaj uređaj za olovne baterije došla je tek s razvojem litijevih baterija gdje je ujednačivanje ćelija unutar jedne baterije glavna značajka održanja punog kapaciteta litijeve baterije.

Foto: Schrack Technik

Rekonstrukcija 2023. godine

Tijekom 2023. godine počeo se osjećati značajan pad kapaciteta baterije, ali da bi se to moglo i dokazati predloženo je i odrađeno informacijsko povezivanje komponenata, slika 4. Ugrađeno je nadzorno računalo Cerbo GX sa zaslonom osjetljivim na dodir GX touch 50. Dvosmjerni pretvarači i upravljači panel Digital Multi Control spojeni su sabirnicom VE.Bus na računalo Cerbo GX. Nadzornik baterije BMV 712 smart i MPPT regulator spojeni su sabirnicom VE.Direct na Cerbo GX. Svi podaci sustava sada su se mogli daljinski očitati preko GSM modema na besplatnom VRM portalu (engl. Victron Remote Management Portal). Dodatno mjerene su i temperature u plus i minus sabirničkoj kutiji preko dva osjetnika temperature.

Foto: Schrack Technik

Rekonstrukcija 2024. godine

U 2024. godini spoznalo se konačno da su baterije nakon 12 godina rada zaista na izdisaju. Generator je sve češće radio, ne samo po noći već i po danu. Mjerenjem zaključeno je da se olovna banka smanjila od 1320 Ah na manje od 100 Ah.

Promjena FN modula

U rekonstrukciji investitor je poželio dodatno zamijeniti fotonaponske module na stalku u vrtu od 250 Wp modula s novim jačim 440 Wp modulima, slika 5. Povećanjem od 4.5 na 7.92 kWp u vrtu uz postojećih 2,5 kW na krovu sada sustav ima cca 10 kWp snage modula. Ne treba naime zaboraviti da su moduli na krovu stari 12 godina i da su ipak ponešto ostarjeli i izgubili snagu. Po 9 modula je spojenu seriju i cijelo fotonaponsko polje ima ukupno 2 niza. Postojeća spojna instalacija od 2 x 50 mm2 po nizu između stalka i kuće sada je bila i više nego dovoljna za struju niza od 13 A! Spojna kutija je prerađena tako da ima dva sklopna aparata, grebenastu sklopku i rastalni osigurač u nosaču. Ta dva sklopna aparata pouzdano i vidljivo mogu razdvojiti sustav FN modula od ostatka instalacije. Rastalni osigurač nema nikakvog tehničkog smisla osim vidljivog razdvajanja strujnog kruga, a ono je potrebno jer su pri serijskom spoju devet modula naponi nizova oko 400 V DC i prilikom bilo kakvog zahvata zbog sigurnosti želi se i vidjeti da je strujni krug otvoren.

Foto: Schrack Technik

Nova LFP smart baterijska banka

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 zbog dugovječnosti nije se 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, slika 6. Ova baterijska banka ima u sebi 41 kWh energije pri čemu se skoro cijeli kapacitet dakle i do 40 kWh može koristiti bez opasnosti o ubrzavanju starenja baterije.

Foto: Schrack Technik

Fotonaponsko polje od 10 kWp po ljeti može dati i do 10 kW x 4 h = 40 kWh energije, a po zimi 10 kW x 2 h = 20 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 i obzirno koristiti ako je dan oblačan. No ako je dan sunčan onda će proizvedenih 40 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 tijekom dana da uvečer u 18 h baterija bude 100 % puna. Tada se generator sigurno neće uključiti po noći, a tijekom dana 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 jer na brodici kojoj motor ne radi najčešće nema generatora, a obala se plaća…

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. Fotonaponsko polje od 10kW punit će LFP bateriju pri 50 V s najviše 200 A, što još uvijek ne ugrožava bateriju! Generator puni s cca 6 kW što pri 50 V baterije znači struju prema bateriji od 120 A. Čak ako i generator i fotonaponsko polje zajedno pune bateriju s 320 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 stanje kao u našem slučaju, tj ako nema ograničenja na besplatno proizvedenu energiju iz Sunca i ako generator radi da radi što bolje opterećen jer je njegova iskoristivost tada najveća!

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 i do 400 A ustaljeno. Kako kuća s prekidačem od 63 A može prazniti bateriju s najviše 290 A, to baterije pražnjenjem nisu ugrožene.

Lynx 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 smješteni su u posebnu razvodnu kutiju, a preko nje se baterije spajaju s Lynx power in modulom na Lynx sabirnicu, slika 6.

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 elektronički sklopovi koji omogućuju 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. O prvom punjenju i punjaču već je pisano u serijalu.

Nadzornik LFP baterija Lynx smart BMS

Posebnost LFP baterije je njezina iznimna dugotrajnost. Može se prazniti gotovo do nule i 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.

Važno je da su sve baterije uključene u komunikacijski krug kako bi nepravilnost 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 postavljanje 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. Modul Lynx distributor spaja se s modulom Lynx smart BMS koji osigurava potreban izvor za napajanje elektronike u Lynx distributor-u. Uz Lynx distributor dobiva se kratki kabel RJ11 za spoj Lynx distributor i Lynx smart BMS-a. 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 sabirnice VE.Can nadzornom računalu 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 sustavu omogućuju spoj dva dvosmjerna pretvarača MultiPlus te novi i postojeći MPPT regulatora punjenja, slika 7. Postojeći MPPT regulator punjenja je trenutačno nekativan, ali je zadržan za rezervu za neke buduće dogradnje. Na novi regulator MPPT RS 450/200 priključeni su svi postojeći moduli, tj, dva niza iz polja i jedan niz s krova.

Foto: Schrack Technik

Informacijski spoj sustava

Kako bi sve komponente usklađeno radile, nužno je pravilno spojiti njihova informacijska sučelja, slika 8.

Postojeći MPPT regulator spojen je kao i do sada sabirnicom VE.Direct s računalom Cerbo GX, dok je novi spojen sabirnicom VE.Can. Sabirnica VE.Can mora imati zaključenje na krajnjim uređajima sabirnice zaključnim članovima koji su uvijek priloženi uz uređaje. Preko sabirnice VE.Bus spojeni su dvosmjerni pretvarači. Zaslon osjetljiv na dodir priključuje se priloženim HDMI kabelom s USB odvojkom za napajanje zaslona. 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 uvjeta uključenja i isključenja 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 koje četiri temperature u sustavu. Daljinska komunikacija moguća je preko jednog od kanala: žičano ethernet vezom s kućnim usmjernikom, bežično preko WiFi veze s kućnim usmjernikom ili bežično preko GSM modema.

Foto: Schrack Technik

Puštanje u rad

Spoj i ožičenje sustava provela je tvrtka Controlmatik, slike 9.,10.,11. i 12. Prije puštanja u pogon pažljivo je provjereno ožičenje, tj. polariteti priključnih kabela. Posebno je provjereno i informacijsko spajanje, tj spoj kabela VE.Direct, prespojnih kabela RJ 45 koji se koriste za sabirnice VE.Can i VE.Bus. Na MPPT regulator dodana je upravljačke sklopke kojima se može isključiti MPPT regulator. Takva sklopka dodana je i na Lynx smart BMS-u kojom se isključuje baterije iz sustava. 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 postojećeg MPPT VE.direct regulatora napravljeno je na lokaciji. Isto tako su i na lokaciji sustava dvosmjerni pretvarači MultiPlus 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

Foto: Schrack Technik

Foto: Schrack Technik

Foto: Schrack Technik

Mogućnosti praćenja na VRM portalu su već višekratno opisane, no ako su podaci na VRM portalu možda samo „za profesionalce“, moguće je instalirati korisniku na zaslon njegova telefona mali program (engl. Widget), slika 13. Tako 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 vremensku prognozu. Može se primjerice već ujutro postupati s energijom racionalno ako se iz prognoze proizvodnje može vidjeti da će sunca taj dan biti na raspolaganju nešto manje od uobičajenog!

Zaključak

Predstavljena je rekonstrukcija otočnog fotonaponskog sustava kroz zamjenu 1440 kg olovnih baterija s 240 kg LFP baterijama! Nove baterije spojene su s ostalim komponentama Lynx sabirničkim sustavom. Povećana je snaga fotonaponskih modula, izgrađen je dotrajali mrežni izmjenjivač i ugrađen novi MPPT regulator punjenja baterije. U svim svojim detaljima sustav može biti primijenjen na brodicama! Pažljivi čitatelji će vidjeti da smo poneke komponente Lynx već prikazivali u praksi – ali ovo je već drugi članak u serijalu u kojem i brodicu i kuću razmatramo slično, to su tek električna trošila koja je potrebno opskrbiti energijom iz Sunca ili iz nekog kemijskog goriva.

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 osnovnih ideja i uvodno opisali rješenje. 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]

Pročitajte i prvi tekst o Sabirničkom sustavu Lynx u praksi