U jednom od prethodnih članaka, detaljno smo prikazali kako se trošila na brodu spajaju na mrežu s obale preko kombinacije zaštitnog prekidača i odgovarajuće RCD sklopke.
Nećemo sve ponavljati, no ovo je vrlo bitno: zaštitni vodič spaja se na sabirnicu za izjednačenje potencijala, svi metalni dijelovi broda i električnih uređaja povezani su zasebnim vodičima sa sabirnicom za izjednačenje potencijala. Sabirnica za izjednačenje potencijala broda spaja se na metalni dio broda koji je uvijek u kontaktu s vodom oko broda.
Pri osmišljavanju fotonaponskoga sustava za napajanje brodskih trošila u prošlom smo članku definirali tri tipske baterijske banke. Polazeći od baterije kao potrošnog i najskupljeg elementa sustava pokušali smo odrediti koliko snage FN modula je potrebno da bi se baterija punila isključivo iz FN modula, a bez pomoćnih izvora energije. Naučili smo kako 12V baterija traži za svakih 100Ah kapaciteta struju punjenja od 15A što joj može dati 200Wp FN modul. Baterija od 24V za svakih 100Ah kapaciteta također traži struju punjenja 15A, ali i 400Wp modula. U prošlom članku smo namjerno previdjeli činjenicu kako modul snage 270Wp zahtijeva 1,7m² prostora bez sjene! Kako broj modula najčešće ne određuje postupak usklađenja
modula, punjača i potreba baterije, već isključivo raspoloživi prostor na plovilu, tako se potrebna razina struje punjenja kućne baterije brodice mora ostvariti korištenjem pomoćnog izvora. Najjednostavnije je dovesti energiju s obale, čime ćemo se baviti u ovom članku.
Kako smo uvodno rekli, razrađeni sustavi Micro 2, Mini 3 i Mini 6, su školski usklađeni, no u praksi ostaju neprimjenjivi. Odnosno nikako ih ne bi trebalo primjenjivati iznalaženjem prostora za montažu modula kako pokazuje slika 1., snimljena pred kratko vrijeme na izletničkom brodu za Kornate! Na slici 1 vidi se želja da se postavi što veće module na brodicu. No preko modula je povučen konop koji daje direktnu sjenu (1), dio modula je i natkriven tendom i njenim nosačem (2) i (4), a metalni dio dodatno pravi sjenu (3) i (5). Ovako zasjenjeni moduli neće davati više od 10% svoje nazivne snage, ako budu uopće išta davali!
Kako smo duboko svjesni ograničenog prostora na brodici, naš sustav za napajanje brodskih trošila, prema slici 2, u ovom ćemo članku otvoriti prema mreži na obali. Time smo odustali od ideje da fotonaponski moduli budu jedini izvor napajanja kućne baterije na brodici. U jednom od prethodnih članaka, detaljno smo prikazali kako se trošila na brodu spajaju na mrežu s obale preko kombinacije zaštitnog prekidača i odgovarajuće RCD sklopke. Nećemo sve ponavljati, no ovo je vrlo bitno: zaštitni vodič spaja se na sabirnicu za izjednačenje potencijala, svi metalni dijelovi broda i električnih uređaja povezani su zasebnim vodičima sa sabirnicom za izjednačenje potencijala. Sabirnica za izjednačenje potencijala broda spaja se na metalni dio broda koji je uvijek u kontaktu s vodom oko broda.
Kad se tako priključimo na struju u pristaništu, preko zaštitnog vodiča dolazi do električke veze metalnih masa pristaništa i metalnih dijelova broda. Kako se i pristanište i brod vrlo često nalaze u morskoj vodi, a razne vrste metala broda i pristaništa su električki povezane zaštitnim vodičem i dodatno slanom vodom, dolazi do galvanskih struja i galvanske korozije, pri čemu žrtvena anoda broda štiti ne samo brod, već i pristanište! Štiteći pristanište žrtvena anoda će se znatno brže trošiti nego bi to bilo u slučaju da štiti samo brod! Koga ovo posebno zanima neka pogleda ranije članke iz ove serije! Dakle pri projektiranja priključka brodice na obalu promislite želite li zaštitu od galvanske korozije izvesti kako treba ili ćete to ostaviti za kasnije. U tom slučaju to se obično protegne do nikada, odnosno sve do onoga trenutka dok vam galvanska korozija ne pojede propeler ili neki drugi vitalni podmorski dio brodice.
Jednostavno rješenje za sprečavanje ubrzane galvanske korozije tijekom priključenja na obalnu mrežu prikazano je na slici 4.
Zaštitni vodič s priključka broda spaja se na galvanski izolator na jednom kraju, a drugi kraj galvanskog izolatora spaja se na sabirnicu za izjednačenje potencijala u brodu. Galvanski izolator je antiparalelni spoj dvije grupe od po dvije u seriju spojene diode. Da bi diode u galvanskom izolatoru provele u bilo kojem smjeru, na njima mora biti napon veći od 1,4V, a što je ipak više od istosmjernih galvanskih napona koji se mogu pojaviti između metala na brodu i metala na pristaništu ili pak susjednom nezaštićenom brodu.
Tako se prekida strujni krug nepoželjnih istosmjernih galvanskih struja. Važno je uočiti da ovaj galvanski izolator ne predstavlja izolaciju za izmjenične napone i struje, koje su opasne po život, i u tom smislu se ne narušava povezivanje metalnih masa broda i obalnog zaštitnog uzemljenja, odnosno ne narušava se djelovanje zaštitnih uređaja u priključnom ormariću na obali i brodu! No što ako u jeftinom galvanskom izolatoru dođe do uništenja dioda? Brod je tada, naravno, zaštićen od galvanskih struja jer nema spoja sabirnice za izjednačenje potencijala i obalnog zaštitnog vodiča. No cjelokupna instalacija na brodu ostaje nezaštićena od indirektnog dodira dijelova pod naponom, a tu novu vrstu opasnosti nitko ne primjećuje i ne signalizira…
Upravo iz maločas spomenutih razloga primjena izolacijskog odvojnog transformatora predstavlja pravi način odvajanja instalacije broda od obale u smislu sprečavanja galvanskih struja i najvišeg stupnja sigurnosti ljudi na brodu. Taj transformator prenosi napon s obale u omjeru 1:1, ali sekundarni izlazi transformatora su potpuno odvojeni od primarnih izvoda, i na taj način osiguravaju galvansko odvajanje. Taj slučaj prikazan je na slici 5. Izolacijski transformator na primaru tj. na obalnoj strani prihvaća zaštitni vodič i on se spaja na predviđenu stezaljku, no ona nije nikamo dalje spojena. Na sekundarnoj strani, strani broda, jedan izvod izolacijskog transformatora se uzemljuje na sabirnicu za izjednačavanje potencijala. Na sabirnicu za izjednačavanje potencijala spaja se i metalno kućište izolacijskoga transformatora. Kvalitetni izolacijski transformator u sebi sadrži i napravu za mekani start kako bi se spriječio fizikalno potpuno očekivani i uobičajeni kratkotrajni porast struje pri priključenju transformatora na mrežu, što može biti i do deseterostruko više od nazivne struje. Taj kratkotrajni porast struje gotovo bi sigurno prouzročio ispad nadstrujnih zaštitnih uređaja u priključnom ormariću na obali. No taj ispad zaštitnih uređaja je potpuno nepotreban, budući da je to normalno ponašanje transformatora pri priključenju. Priključenjem izolacijskog transformatora uz pomoć uređaja za mekani start koji je ugrađen u njega, spriječeni su neželjeni ispadi zaštitnih uređaja u priključnom ormariću na obali.
Tablica 1. Kombiniranje mrežnog punjača s manjim brojem FN modula
Kako izabrati punjač baterija, ako dozvolimo paralelno korištenje fotonaponskog modula i punjenje baterije iz mreže? Naime, skučeni prostor tjera nas na postavljanje manje površine fotonaponskih modula nego što je potrebno da oni sami pune baterije. Prvo što treba uočiti je kako baterija „ne zna“ tko je, i otkuda puni, dakle jednu baterijsku banku može se istovremeno puniti iz više izvora. Pametni punjači će sami mijenjati svoje algoritme i faze punjenja prateći porast napona baterije, i tako bateriji osigurati ono što joj treba. U tablici 1 smo tako opet krenuli od tri zadane baterijske banke. Prema bateriji smo odredili optimalnu i dozvoljenu struju punjenja baterije. Potom smo uz korištenje 1 do maksimalno 2 modula, za koliko će se na brodu ipak naći mjesta, pokušali odrediti mrežni punjač. Tako smo se u najmanjem sustavu odlučili samo na 1 FN moduli punjač od 30A, 12V. U srednjem sustavu smo se odlučili za 2 FN modula i punjač od 30A, 24V. U najvećem sustavu odlučili smo se opet samo za dva modula , ali za punjač baterija od 60A, 24V.
Ako rade zajedno, punjači neće izaći izvan dozvoljene struje punjenja konkretne baterije, a kada mrežni punjač radi sam, on je vrlo blizu optimalne struje punjenja baterije! Tako smo uparili smanjeni broj modula s odgovarajućim mrežnim punjačem i projektnim pristupom osigurali dugovječnost baterije.
U tablici 2 vidi se kako smo osim definiranja mrežnog punjača (model Centaur) za sva tri sustava proveli i ponovni izbor MPPT regulatora punjenja tj. fotonaponski punjač. Sva tri sustava imaju isti fotonaponski punjač. Na slikama 6 i 7 pokazana je provjera usklađenosti MPPT punjača i fotonaponskog modula u konkretnom sustavu.
Tablica 2. Osnovni elementi sustava koji kombiniraju mrežni i punjač iz fotonaponskih modula
Slika 6. Provjera MPPT punjača 100/50 za 1 FN modul 270Wp i 12V bateriju
Slika 7. Provjera MPPT punjača 100/50 za 2 FN modul 270Wp i 24V bateriju
Dio A se pričvrsti na zid, potom se Centaur objesi na dio A, a kućište se na području B fiksira na zid. Punjači Centaur rade s izmjeničnim ulaznim naponom od 90 do 265V AC (50 ili 60 Hz), ali i istosmjernim ulaznim naponom 90 do 400V DC. U udarnoj fazi punjenja punjači rade s maksimalnom nazivnom strujom sve dok ona prirodno ne opadne do 70% nazivne. Tada ulaze u četverosatnu apsorpcijsku fazu pri čemu se napon zadržava na konstantnoj razini, a struja punjenja prirodno sve više opada. Po završetku apsorpcijske faze punjač postavlja napon mirovanja.
Na slici 9 je prikazana karakteristika punjenja u 3 stupnja. Punjač se može podesiti za nekoliko karakterističnih tipova baterija. Sadrži također i temperaturne senzore pomoću kojih smanjuje napon punjenja pri porastu temperature okoline zbog smanjenja plinjenja u baterijama pri kraju punjenja.
Nazivna struja punjača može se podijeliti za punjenje ukupno 3 nezavisne baterije, pri čemu svaki izlaz može dati punu nazivnu struju ako je samo jedna baterija spojena, slika 10.
Slika 9. Karakteristika punjenja punjača Centaur
Slika 10. Punjač Centaur može puniti do 3 odvojene baterijske banke
I na kraju slijede još slike sustava nadopunjenih mrežnim punjačem, ali uz smanjeni broj fotonaponskih modula; slika 11., slika 12., i slika 13.
Slika 11. Sustav Micro 270Wp/30A/12V/220Ah
Slika 12. Sustav Mini 540Wp/30A/24V/220Ah
Slika 13. Sustav Mini 540Wp/60A/24V/440Ah
Kako je glad za energijom na brodici neutaživa, definirana i ograničena kroz 50% raspoloživog kapaciteta olovnih baterija, a mjesta na plovilu ima vrlo malo, morali smo odustati od koncepta punjenja baterija isključivo iz fotonaponskih modula. Smanjenje broja modula kompenzirali smo priključenjem sustava na energiju s obale i uvođenjem mrežnih punjača. U sljedećem članku u naš sustav dodat ćemo i startnu bateriju. I nju moramo nekako puniti! Najčešće motor ima neki generator za punjenje startne baterije. Kada, da li i kako spojiti startnu i kućnu bateriju? Potom slijedi spajanje izmjenjivača za izmjenična trošila, DC-DC pretvarači za istosmjerna trošila, punjači s 4 stupnja punjenja… No o svemu tome više riječi u sljedećim člancima…
2017/07
Josip Radin
j.radin(at)schrack.hr
Josip Zdenković
j.zdenković(at)schrack.hr
