Schrack Technik d.o.o., Zagreb
  • Baterija u otočnom fotonaponskom sustavu

Baterija u otočnom fotonaponskom sustavu

Olovne baterije su tehnološki najstarije i dobro poznate komponente. Zbog jednostavnosti SCHRACK TECHNIK otočni sustavi koncipirani su oko samo dvije baterije različite po kapacitetu: 110 Ah 12 V i 220 Ah 12 V. S te dvije baterije se mogu realizirati svi SCHRACK TECHNIK otočni sustavi.

Tehnologija 

Baterija je izvedena u VRLA (engl. Valve Regulated Lead Acid) tehnologiji. To  znači da se radi o olovnim baterijama koje su nepropusne i hermetički zatvorene. Tek u slučaju dugotrajnog i nekontroliranog prepunjenja ili kvara u samoj bateriji, plin koji se u njoj razvija će biti ispušten kroz sigurnosni ventil. Plin koji se razvija u bateriji prilikom njezina punjenja je eksplozivan. Stoga je i izabrana hermetički zatvorena baterija. Tek neispravnošću baterije će ovaj plin probiti u prostor. Stoga je potrebno osigurati provjetravanje prostora i bez obzira na hermetičku zatvorenost baterije. U ovoj tehnologiji se uobičajeno proizvodi dva tipa baterija: AGM (engl. Absorbent Glass Mat) i Gel baterije. U AGM tipu baterija elektrolit je absorbiran u mreži staklenih vlakana, a u GEL tipu baterija je elektrolit imobiliziran kao gel. AGM baterije se odlikuju sposobnošću većeg kratkotrajnog davanja visokih struja (struje starta zahtjevnih trošila) u odnosu na GEL tip, dok GEL tip baterija ima veći životni vijek i veći broj ciklusa pražnjenja u odnosu prema AGM tipu. Iz ovog razloga Schrack Technik je izabrao GEL VRLA bateriju. Namjerno se odustalo od baterija u kojima se mora održavati elektrolit, mjeriti njegova koncentracija i nadopunjavati ga jer to zahtijeva određeni pažljivi rad, ali takve baterije pri pojavi plinjenja ispuštaju plin u okolinu i time postavljaju ozbiljne zahtjeve na provjetravanje prostora. 

Samopražnjenje  

Zbog tehnološke izvedbe i korištenja vrlo čistih materijala  GEL VRLA baterija može biti skladištena  u nespojenom stanju i do godine dana bez potrebe za nadopunjavanjem. Brzina samopražnjenja je 2% kapaciteta na mjesec pri 20 stupnjeva C. Samopražnjenje se udvostručava za svaki porast temperature od 10 stupnjeva. To znači da baterija „voli“ ujednačenu temperaturu, tamo gdje je čovjeku ugodno, tu će i bateriji biti „ugodno“, bilo da je uskladištena bilo da je u sustavu u radu.

Radna temperatura

Visoka temperatura baterije utječe izuzetno nepovoljno na životni vijek baterije u radu. Slika1. prikazuje usporedbu životnog vijeka AGM i GEL VRLA baterija pri određenoj temperaturi. I ovdje se uočava da je zbog dužeg životnog vijeka Schrack Technik odabrao GEL VRLA bateriju. Uređaji kojima se baterije pune moraju stoga pratiti temperaturu baterije i temperaturu okoline i osnovom izmjerenih temperatura optimirati proces punjenja. Tako optimirani proces punjenja neće dodatno, nepotrebno povisivati temperaturu baterije.

Životni vijek VRLA baterija u zavisnosti o radnoj temperaturi

Slika 1.: Životni vijek VRLA baterija u zavisnosti o radnoj temperaturi

Što se događa kada baterija radi na povišenoj temperaturi okoline, cca 40°C, a koja se pri procesu punjenja ne mjeri i ne uvažava, vidi se također na slici 1. U bateriji se pri kraju punjenja, dakle pri skoro maksimalnom naponu punjenja, pri višoj temperaturi okoline, počinju pojačano razvijati plinovi; dolazi do pritiska plinova od čega se baterija napuhne i kao takva je dalje neupotrebljiva. Ukoliko se pak temperatura prati, ne dozvoljava se punjenje na višim razinama napona pri kraju punjenja i time se sprečava pojačano razvijanje plinova i baterija se neće napuhnuti!

Dubina pražnjenja

Za baterije u otočnim sustavima je izuzetno važna dubina pražnjenja i broj ciklusa pražnjenja. Dubina pražnjenja i broj ciklusa pražnjenja mjera su energije koja može biti iskorištena iz baterije u njenom životnom vijeku. Solarne baterije su projektirane tako da mogu izdržati duboka pražnjenja, no takva duboka pražnjenja drastično skraćuju životni vijek baterije.

Tablica 1.: Životni vijek baterije: broj ciklusa u zavisnosti od dubine pražnjenja.
Tablica 1.: Životni vijek baterije: broj ciklusa u zavisnosti od dubine pražnjenja.

U tablici 1. je prikazan broj ciklusa pražnjenja u ovisnosti o dubini pražnjenja za dva tipa VRLA baterija. Za uočiti je da ako se GEL VRLA baterija prazni  za 30% nazivnog kapaciteta (radno područje od 100% do 70% kapaciteta) tada izdržava cca 1800 ciklusa, a ako se prazni do 50% kapaciteta tada izdržava 750 ciklusa (radno područje 100% do 50% kapaciteta. Ako otočni sustav treba predati 100 Ah trošilima na dan, onda  nije logično da baterija ima kapacitet 100 Ah već najmanje 200Ah, a poželjno i 300Ah. Uobičajeno se projektira tako da se baterija prazni tijekom ciklusa do maksimalno 50% svog kapaciteta. Projektiranje s manjom dubinom pražnjenja, dakle s 30%, vodi u stranu fizičkog povećanja baterijske banke, odnosno značajno poskupljuje sustav. I ovdje se iz slike uočava da je Schrack Technik izabrao GEL VRLA bateriju zbog veće energije koja se iz baterije može iskoristiti; odnosno većeg broja ciklusa pražnjenja pri istoj dubini pražnjenja. Ovdje je za napomenuti da automobilski akumulatori nikako ne dolaze u obzir za solarne sustave jer nisu predviđeni za duboka pražnjenja. Iz automobilskih akumulatora se izvlači velika struja u trenutku pokretanja, ali kroz vrlo kratko vrijeme, što je  zapravo „vrlo malo energije“. Automobilski  akumulatori nisu  predviđeni za ciklusni rad s dubokim pražnjenjima koji karakterizira otočne fotonaponske sustave.

Kapacitet baterije

Uobičajeno se kapacitet baterije navodi  kao na primjer: 100Ah C20. U trgovini ćete se susresti s baterijom 100Ah C20 ili 100Ah C10. Obe imaju oznaku 100Ah i mogu dati 100Ah, ali to nisu iste baterije. 100Ah mogu dati u različitim uvjetima pražnjenja.

C20 znači da će se 100Ah isprazniti za 20h, odnosno da se baterija prazni sa 5A kroz 20h (kako je 5A ujedno 5% brojčane vrijednosti kapaciteta baterije 100Ah, kaže se  da se baterija prazni s 0,05C).  C10 znači da će se 100Ah isprazniti za 10h, odnosno da se baterija prazni sa 10A kroz 10h (kako je 10A ujedno 10% brojčane vrijednosti kapaciteta baterije, kaže se  da se baterija prazni s 0,1C). C100 znači da će se 100Ah isprazniti za 100h, odnosno da se baterija prazni sa 1A kroz 100h (kako je 1A ujedno 1% brojčane vrijednosti kapaciteta baterije, kaže se da se baterija prazni s 0,01C).

Slika 2.: Zavisnost kapaciteta o struji pražnjenja i temperaturi.
Slika 2.: Zavisnost kapaciteta o struji pražnjenja i temperaturi.

Na slici 2. je prikazano nekoliko krivulja jedne baterije koja nosi oznaku C20, a koja se prazni raznim strujama pražnjenja. Plava krivulja je s praženjenjem 0,05C (dakle C20) i ona pri 20°C pokazuje na očekivani kapacitet baterije od 100%. Ako se ta ista baterija prazni sa 0,1C, dobiva se crvena krivulja, a pri 20°C baterija ima kapacitet samo cca 92%. Ako se ta baterija prazni sa 1C onda ta baterija ima kapacitet od svega 57%. Dakle kapacitet baterije pri istoj temperaturi pada s povećanjem struje pražnjenja.  Jedna te ista baterija ima tako različiti kapacitet u ovisnosti o iznosu struje pražnjenja.
Zato je važno pri uspoređivanju baterija uspoređivati ih po nazivnom kapacitetu u Ah, ali pri istoj deklariranoj razini pražnjenja.  Ponovljeno: 100Ah C20 baterija i 100Ah C100 baterija nisu nikako iste baterije, bez obzira što obe imaju 100Ah u nazivu i što teortetski obe mogu dati 100Ah: 100Ah C20 može 20 h davati 5A, dok 100Ah C100 baterija može davati 100h po 1A.


100Ah C20 je daleko moćnija baterija od baterije 100Ah C100. Baterija 100Ah C20 jer može 20 h  davati 5A, a ako bismo 100Ah C100 praznili s 5A ona bi mogla tu struju davati svega ok 13,5h, a to znači da joj je realni kapacitet pri  struji pražnjenja 5A u stvari 5*13,5=67,5Ah!

To će se jasno odražavati i u cijeni i u masi, odnosno dimenzijama baterije. Baterija 100Ah C20 ima značajno veću masu i dimenzije od baterije 100Ah C100. Ako se uspoređuju baterije, različitih proizvođača dobro je provjeriti i podatak o masi, jer lakša baterija ima manje olova, naravno je jeftinija, a time je u objašnjenom smislu realno i manjeg kapaciteta.

Na slici 2. se vidi dodatno i utjecaj temeprature baterije na kapacitet baterije pri raznim strujama pražnjenja, ako temperatura baterije pada, kapacitet pada! Ovdje je zgodna usporedba solarne baterije s akmulatorom u autu, posljedicu prirode ponašanja akumulatora pri promjeni temperature smo svi iskusili, uglavnom u automobilu nas akumulator “ostavi” po zimi. Logično jer mu je zbog pada tempertature pao kapacitet i ono što bi ljeti mogao napraviti, zimi ipak ne može!

Slika 3.: Kapacitet baterije 100Ah C10 u ovisnosti o struji pražnjenja
Slika 3.: Kapacitet baterije 100Ah C10 u ovisnosti o struji pražnjenja

Na slici 3. je pokazano kako se kapacitet baterije 100Ah C10 mijenja u ovisnosti o konstantnoj struji pražnjenja. Postoji precizna matematička formula kojom se može izračunati svaka točka ove krivulje, dakle kapacitet baterije pri nekoj struji pražnjenja, a pri nekoj temperaturi, no ovdje se ista neće detaljnije objašnjavati.

Struja punjenja baterije 

Struja punjenja baterije ne smije prerasti 0,2C (konkretno za 100Ah bateriju ne bi smjela biti veća od 20% kapaciteta, dakle ne bi smjela biti veća od 20A). Uobičajeno se projektiraju otočni sustavi tako da struja punjenja bude oko 15% kapaciteta baterije. Uz veće struje punjenja dolazi do pojačanog zagrijavanja baterije pa uređaji za punjenje moraju imati temperaturnu kompenzaciju struje punjenja kako ne bi u procesu punjenja nepovratno oštetili bateriju. Temperaturni osjetnik se stavlja mehanički na minus priključak baterije pretpostavljajući da temperatura priključka odražava temperaturu u bateriji. Tim temperaturnim osjetnikom prati se ujedno i temperatura okoline koja može isto uvjetovati da se proces punjenja mora adaptirati.

Proces punjenja baterije

U procesu punjenja mora se paziti na: ispravan napon punjenja, kontrolu temperature, struju punjenja i konačno kontrolu procesa 'plinjenja'.

Uređaj za punjenje baterije preuzima na sebe proces punjenja regulirajući električke veličine u procesu punjenja. Tri su osnovne vrste procesa punjenja:

  • prema IU karakteristici: nakon punjenja stalnom strujom
    (negdje na 90% napona) regulator počinje puniti stalnim naponom (slika 4.a),
  • prema W karakteristici: punjenje konstantnom snagom
    (kako se struja smanjuje regulator povećava napon) (slika 4.b),
  • prema WU karakteristici: nakon punjenja konstantnom snagom regulator počinje puniti stalnim naponom (slika 4.c).

Slika 4.: Uobičajeni osnovni procesi punjenja baterije.

 

Uređaji za punjenje baterija moraju voditi računa o stanju napunjenosti baterije kako ne bi došlo do razvoja intenzivnog plinjenja u bateriji koje se događa pri kraju punjenja odnosno pri višim naponima baterije. Intenzivno plinjenje može dovesti u konačnici do uništenja baterije.

Iz osnovnih procesa punjenja baterije definira se i vremenski optimalan proces punjenja: prvo se puni konstantnom strujom, potom se posebnim algoritmom podiže napon pazeći na proces plinjenja, konstanti napon se potom drži proračunato vrijeme, zavisno o prethodnoj dubini ispraženjenosti, pri čemu struja punjenja opada. Konačno se napon na uređaju za punjenje ruši ako nema potrošnje i to u dvije razine. Algoritam omogućava i periodičko osvježavanje baterije koje smanjuje starenje i produžuje životni vijek baterije. Na slici 5. je prikazan jedan takav optimalan proces punjenja.

Slika 5.: Optimalan proces punjenja solarne baterije

Slika 5.: Optimalan proces punjenja solarne baterije

Za projektiranje fotonaponskih otočnih sustava bitno je da regulator punjenja baterije podržava tip baterije u sustavu i da može osigurati do 0,2C struju punjenja.  Sva ostala briga oko procesa punjenja baterije je zapravo ugrađena u regulatore punjenja i nije zadatak projektanta sustava.  SCHRACK TECHNIK je izborom baterije i regulatora punjenja osigurao uparenost uređaja za punjenje i same baterije. 

Pitanje:  Kako prepoznati u kojem je stanju napunjenosti solarna olovna baterija?
Odgovor:
Mjerenjem napona neopterećene baterije i usporedbom s tablicom 2.

Tablica 2.: Karakteristični naponi GEL VRLA olovnih solarnih baterija

 

U SCHRACK TECHNIK otočnim fotonaponskim  sustavima energija se sprema u dvije baterije : 

Slika 6.: 12 V GEL VRLA,  110 Ah, C20; 

  • Životni vijek:
    • 500 ciklusa uz 80% dubinu pražnjenja,
    • 750 ciklusa uz 50% dubinu pražnjenja,
    • 1800 ciklusa uz 30% dubinu pražnjenja
  • Masa 33kg
  • Dimenzije: 330 x 220 x 171 mm
  • Trajanje 12 godina pri 20°C (ako se održava stanje napunjenosti i bez potrošnje!)

Slika 7.: 12 V GEL VRLA,  220 Ah, C20; 

  • Životni vijek:
    • 500 ciklusa uz 80% dubinu pražnjenja,
    • 750 ciklusa uz 50% dubinu pražnjenja,
    • 1800 ciklusa uz 30% dubinu pražnjenja
  • Masa 33kg
  • Dimenzije: 522 x 240 x 238 mm
  • Trajanje 12 godina pri 20°C (ako se održava stanje napunjenosti i bez potrošnje!)

Baterijske banke 

Više pojedinačnih baterija spojenih u seriju i/ili paralelu naziva se baterijskom bankom. Kod formiranja baterijske banke, baterije se u određenom sustavu spajaju u seriju u svrhu povećanja napona, ili paralelno kako bi im se povećao kapacitet. Jako je važan način povezivanja baterija pri paralelnom spajanju. Na primjeru spajanja 4 baterije u paralelu vidi se kako utječu spojevi među baterijama na ukupan otpor do pojedine baterije!

Slika 8.: Spajanje 4 baterije u paralelu
Slika 8.: Spajanje 4 baterije u paralelu

Kod spajanja kao na slici 8 (lijevo i u sredini) kabeli koji povezuju dovodni kabel do konkretnih polova baterije nisu iste duljine, te stoga nije jednak niti njihov otpor. Zbog nejednakog otpora dovodnih kabela do pola pojedine baterije, prilikom punjenja, odnosno pražnjenja, struja se neće jednako rasporediti. Baterija koja ima najmanji otpor dovodnih kabela će se najprije napuniti i isprazniti, pa je i njen životni vijek stoga najkraći.

No, ako  se baterije spoje kao na slici 8. (desno), opterećenje na svim baterijama je jednako zbog jednake dužine kabela (tj otpora) od glavnog mjesta priključka punjenja/pražnjenja baterije. 



Plus i minus polovi baterijske banke spajaju se u plus i minus sabirničke ormariće. Na slici 9. možemo vidjeti primjer detalja ožičenja baterijske banke do spajanje na sabirničke ormariće. Ono što je bitno naglasiti je da su međusobno svi kabeli crne i međusobno svi kabeli crvene boje iste duljine, sve poradi jednakog otpora dovodnih kabela! Praktično se to radi tako da se tanjim kabelom odmjeri najudaljeniji plus pol baterije i provjeri da ta duiljina može doći do svakog plus pola, počevši od sabirničkog ormarića. Kada je tako definirana najkraća moguća duljina kabela, a da može doći do svakog plus pola onda se odrežu svi potrebni segmenti za plus pol ali od kabela pravo potrebnog presjeka. To se ponovi i za minus pol. Ožičenje baterija provodi se sa kabelom uz pravilo: 2 A/mm2, npr za 100 A je potreban 50 mm2 presjek kabela.

.

Slika 9.: Primjer detalja ožičenja plus i minus polova baterija jedne baterijske banke

Slika 9.: Primjer detalja ožičenja plus i minus polova baterija jedne baterijske banke

Primjeri detalja i izvedbi baterijskih banki:

Ako se baterije spajaju u paralelu potrebno je u svaku granu staviti osigurač, kako kratki spoj u jednoj grani ne bi uzrokovao uništenje ostalih paralelnih grana. Također potrebno je predvidjeti glavnu DC sklopku za razdvajanje baterijske banke od ostatka sustava. Stanje baterijske banke nadzire se preko nadzornika baterija. SCHRACK TECHNIK ima i odgovarajuće osigurače i DC sklopku i nadzornik baterija.

Slika 11. Glavna DC sklopka PVBP1003--, nadzornik baterija PVBE0040-- i topivi osigurači s nosačima