|
Baterie 
Autobaterie
– určené pro startování motorů, nejsou však navržené pro hluboké vybití
– mají velký počet tenkých elektrod kvůli co největší ploše a tím co
největšímu proudu, ale hlubokým vybitím mohou být snadno poškozeny.
Opakované hluboké vybití způsobí ztrátu kapacity.
AGM – elektrolyt zasáknutý ve skelném rouně, zesílená mřížka desek, bezúdržbové provedení - nedolévá se destilovaná voda
GEL – elektrolyt zasáknutý v
tixotropním gelu, zesílená mřížka desek, bezúdržbové provedení, nelze
ani dolít destilovaná voda. Gelové baterie mají delší cyklickou
životnost přibližně o 25%, ale o trochu méně kapacity (cca 15%) než
baterie AGM ve stejných rozměrech (gel zabírá více místa uvnitř
baterie). Hlavní výhodou solárních gelových akumulátorů je však rozsah
provozních teplot, který umožňuje nabíjení od -20°C kdežto AGM baterie
není dobré nabíjet pod bodem mrazu. Kapacita
baterie je významně závislá na teplotě, maximálních hodnot dosahuje
kolem 30°C, ale kolem 0°C je kapacita na ¾. Při -15° může být kapacita
baterie poloviční!
Gelové baterie jsou na to výrazně lépe než
baterie se zalitými elektrodami. Počet
nabíjecích cyklů baterie je silně závislý na mezním vybíjení. Pokud
bude baterie zcela vybita, zkrátí to výrazně její životnost. Každá
baterie má mezní napětí, pod které nesmí být vybita. Pro autobaterie
platí cca 11,6V. Ale pozor toto mezní napětí je silně závislé na
velikosti proudu, který je z baterie odebírán! Výrobce FG Forte uvádí
1,8 až 1,6V / článek, tj. 10,8 až 9,6V. Baterie
pro cyklické použití využívají pro nabíjení metodu stálého napětí s
omezeným proudem. Při teplotě 20-25°C má nabíjecí napětí gelové baterie
dosahovat 2,40V na článek; úvodní nabíjecí proud nemá být vyšší než 0,2C
(20A) a k plnému nabití baterie dojde za cca. 24 hodin. Pokud hodnota
nabíjecího proudu zůstane v závěrečné fázi nabíjení nezměněná po 3
hodiny, znamená to, že je baterie plně nabitá. Míra vybíjení i koncové
napětí se liší. Při vyšším vybíjecím proudu je nižší koncové napětí, a
naopak, při nižším vybíjecím proudu je vyšší koncové napětí. Běžně je
koncové napětí baterie nastaveno na 1,8 – 1,6V/čl. Vybitá kapacita je
nižší při vyšším vybíjecím proudu. Dělení
baterií dle kvality a ceny: 
Kategorie A, základní trakční baterie s nejkratší dobou životnosti
technologie baterií: zesílená mřížka desek, baterie zaplavená tekutým (kapalným) elektrolytem (WET), bezúdržbové nebo nízkoúdržbové provedení
modelové řady baterií: Varta Professional Dual Purpose (duální), Exide Dual (duální), Banner Energy Bull, Exide Equipment
Popis využití: Tyto baterie jsou
vhodné především pro volný čas, tzv. hobby využití v sezónním období,
pro víkendový provoz a nepravidelné zatěžování; pro aplikace, kdy bude
provedeno maximálně 40-50 cyklů ročně při zbytkové kapacitě 40 %.
Například pro napájení spotřebičů v karavanech, napájení elektromotorů
na člunech, lodní systémy, ostrovní systémy na víkendových rekreačních
objektech atd.
Kategorie B, trakční baterie pro náročnější aplikace, časté využití
technologie baterií: bezúdržbové baterie AGM nebo GEL
modelové řady baterií: Goowei GEL,
CSB řada EVX AGM, Varta Professional Deep Cycle AGM (duální), Exide
DUAL AGM (duální), Optima Yellow Top AGM (duální), Optima Blue Top AGM
(duální)
popis využití: Životnost cca 2 - 3x
vyšší oproti kategorii A, aplikace o 60 - 150 cyklech ročně při vybití
na zbytkovou kapacitu 30%, baterie vhodné pro karavany - obytné vozy;
napájení elektromotorů v člunech, golfových vozících, elektrokolech,
dětských autíčkách; pro ostrovní systémy na víkendových rekreačních
objektech, lodní systémy, vozy Offroad atd. Výhodou je zde delší
životnost, odolnost proti otřesům, lepší odolnost proti hlubokému
vybíjení, naprosto minimální plynování (baterie může být v karavanech
umístěna i v prostorech pro spaní), baterie může být provozována i v
poloze na bok.
Kategorie C, trakční baterie pro nejnáročnější aplikace, tzv. průmyslové trakční baterie
technologie baterií: GEL –
elektrolyt zasáknutý v tixotropním gelu, masivní zesílená mřížka desek,
bezúdržbové provedení, WET – tekutý (kapalný) elektrolyt, masivní
zesílená mřížka nebo pancéřované trubkové elektrody, jde o údržbové
baterie, nutné průběžné doplňování destilované vody.
modelové řady baterií: Exide
Equipment (GEL), Sonnenschein (GEL), Banner Dry Bull (GEL), Banner PzS
(WET), Banner PzB (WET), Banner PzV (GEL), Banner PzVB (GEL), Banner PzF
(WET), Trojan (WET)
popis využití: Průmyslové trakční
baterie pro náročné aplikace, každodenní zatěžování, hluboké vybíjení,
jsou využívány zejména pro vysokozdvižné vozíky, mycí stroje,
vysokozdvižné plošiny, invalidní vozíky, ostrovní systémy pro rodinné
domy, velké lodní systémy, záložní systémy pro velké podniky –
nemocnice, atd. V kategorii olověných baterií jde o nejvýkonnější
baterie s nejdelší životností, u některých modelových řad je uváděná
životnost až 1400 cyklů při vybíjení do hloubky až 80 %
(D.O.D.) Jako
jeden cyklus akumulátoru se označuje jedno vybití a nabití (obvykle ze
100% na 20% a znovu na 100%). Při hodnocení vhodnosti akumulátoru musíme
být opatrní. Výrobce může inzerovat, že životnost je například 8 let,
ale drobným písmem uvede, že to platí při hloubce vybíjení 10-20%.
Jinými slovy ze 100Ah akumulátoru smíte vybít maximálně 20Ah a pak musí
následovat opět dobití na plnou kapacitu. Při tak lehkém vybíjení je
pravděpodobně možné dosáhnout inzerované životnosti. Tento způsob
provozu je ale velmi vzdálen reálnému. Počet cyklů, hloubka vybíjení a
životnost akumulátoru jsou propojené veličiny. Je-li akumulátor každý
den vybíjen z 50%, vydrží déle, než když je vybíjen z 80%. Když bude
hloubka vybíjení vysoká, například 90%, nemusí olověná baterie vydržet
ani 2 roky. Z těchto zkušeností jasně vyplývá, že pokud bych chtěl
použít olověné akumulátory, musel bych plánovanou kapacitu navýšit
minimálně 4x, abych zajistil průměrnou hloubku vybití cca 25%, v takovém
případě by akumulátor mohl vydržet i 2000 cyklů = 5+ let každodenního
provozu. Z nákupní ceny 2350,- Kč za 45Ah je ale rázem 4x 2350 = 9400,-
Kč. A nelze přehlédnout ani hmotnost takové hromady olova, odhadem
60kg.
Pozor tedy na elektrické měniče, vyžadují
velký
proud, a baterie musí být řádně
naddimenzovány. Řešení s novým typem akumulátorů LiFePo (Winstonův článek):
Uvažoval jsem o použití nových technologií,
které používají některé elektromobily a odprostit se od zažité klasiky
olověných baterií. Při úvahách jsem narazil na řadu úskalí, které by
měly vliv na celkovou životnost solární elektrárny. Vlastnosti
LiFe:
 • Balanční moduly zapojené přímo na jednotlivé články (jak je izolovat proti vlhkosti)
• Cena balančních modulů pro velké nabíjecí proudy (až 20A), možná
i nutnost speciálního solárního regulátoru.
• Lze je sice vybít až na 20% své kapacity,
ale pokud by se šlo o trochu níže, tak se nenávratně poškodí.
• Cena Pro
srovnání z
60Ah baterie LiFePo, dosáhneme přibližně
stejného
výkonu jako z olověné baterie o kapacitě
230Ah,
samozřejmě při korektním užívání obou
baterií.
Olověná však krátkodobě může poskytnout
větší
výkon, LIFePo nikoli! Domnívám se však, že
tyto baterie mají velkou budoucnost a nevylučuji, že se v budoucnu k
této technologii vrátím,
pokud bude přímo solární regulátor, včetně
balančních obvodů na trhu. Solární regulátory nabíjení MPTT
I když se to nezdá, tak solární panel vyrobí poměrně velký proud, kolem
8A.
Baterii proto nelze připojit přímo k
solárnímu panelu. Neřízené nabíjení by ji mohlo poškodit. Proto se
používají solární regulátory, které hlídají stav baterie a nabíjení
náležitě řídí. Existují dva typy regulátorů, a to jednodušší PWM a druhý
složitější a také dražší MPPT. Rozdíl mezi oběma regulátory lze názorně
popsat na principu řeky a přehrady na ní. Elektrické napětí je
nadmořská výška nádrže, výkon její objem a proud je vlastně průtok řeky.
Regulátor PWM pouze reguluje proud do baterie, ale pokud je slabá
intenzita osvětlení, tak je napětí malé a proud do baterie neteče.
Dochází tak k vyrovnání hladin obou nádrží. Regulátor MPPT umí měnit i
napětí ze solárního panelu, a pokud je napětí malé, tak se zvýší, aby i
malý proud mohl dobíjet akumulátor. Rozhodl jsem se proto použít MPPT
regulátor. Ceny
se pophybují ve velkém rozsahu od několika
tisíc korun po desetitisíce. Samozřejmě nabídka z Číny od firmy Epsolar
je dobrým kompromisem mezi kvalitou a cenou. Jejich modely Tracer se
vyrábějí v několika výkonových variantách, liší se zejména maximálním
povoleným vstupním napětím, ale také výkonem, který dokážou přenést do
baterií. Pokud uvažujeme o systému s palubním napětím 12V, musíme volit
výkonnější regulátor. • POZOR na Wp výkonové
přetížení zařízení, součtový výkon připojených fotovoltaických modulů
nesmí překročit hodnotu uvedenou na štítku regulátoru podle zvoleného
bateriového-systémového napětí! Je třeba opět počítat i s teplotní
závislostí výkonu daného panelu. V chladném počasí panely dodávají vyšší
výkon. Všeobecně se doporučuje při instalaci zvolit součtový max. výkon
FV panelů cca o 10% nižší než je štítkový výkon nabíjecího regulátorů.
• POZOR na Voc napětí modulu při otevřeném
okruhu. Tento problém nastává zejména po rozednění v zimním období, než
začne/nastartuje nabíjecí regulátor pracovat/zatěžovat fotovoltaický
modul, DC napětí modulu roste (Voc)! Pečlivě prostudujte datový list
modulu, teplotní charakteristiku. Udávané hodnoty Voc modulů všeobecně
platí pro teplotu modulu 25°C.
• POZOR na dostatečnou kapacitu (Ah)
aku-banky Kapacita akumulátoru musí odpovídat max. nabíjecímu proudu
nabíjecího regulátoru (pokud je instalován max. povolený Wp
fotovoltaických modulů podle hodnoty štítku nabíjecího regulátoru).
Příklad: instalovaný výkon 1000Wp (4. moduly x250Wp), regulátor Tracer
4210 s max. nabíjecím proudem 40A, doporučená aku-banka s minimální
kapacitou 400Ah (8x100Ah zapojeno sério-paralelně). Pokud bude
instalována menší kapacita aku-banky, hrozí přebíjení zejména při
hlubokém vybití aku-banky a následné poškození drahých akumulátorů. 
Připojení regulátoru:
Regulátor má vypínatelný výstup (LOAD),
který respektuje stav baterie a pokud poklesne svorkové napětí pod
určitou mez, tak vypne. Výstup je však omezen na 20A, a tak není
povoleno na výstupní svorky připojovat spotřebiče s velkým nárazovým
proudem, jako jsou motory nebo měniče. 1)
připojte zátěž (spotřebiče), pokud budete používat řízený výstup LOAD,
pozor na max. proudový odběr pro daný typ regulátoru. Na svorky LOAD se
nesmí připojovat DC-AC měniče včetně problémových spotřebičů, které
způsobují napěťové a proudové špičky.
2) připojte nabíjecí regulátor k baterii,
aby si regulátor zjistil/změřil bateriové-systémové napětí (baterie se
nesmí zapojovat, vyměňovat v systému za provozu systému). Systémové/
bateriové napětí je uvedeno na štítku
regulátoru, toto napětí udává max. možný instalovaný výkon (Wp)
fotovoltaických modulů (uvedeno v přiloženém manuálu nabíjecího
regulátoru).
3) připojte zastíněný (kartonem, plachtou)
fotovoltaický modul, abyste zamezili jiskření-oblouku na DC svorkách
regulátoru. Toto jiskření může okamžitě zničit regulátor
Nikdy
neodpojujte baterii a modul za provozu, hrozí okamžitá destrukce
zařízení, používejte pouze zdravé, prověřené baterie. Baterie s
poškozeným článkem ihned vyřaďte z provozu. Nastavte pomocí
programovacího tlačítka typ akumulátoru, popřípadě teplotní kompenzaci
nabíjení.
Solární panely:
Solární panely
na bázi křemíku lze rozdělit na dva typy, a to monokrystalické a
polykrystalické. Polykrystalické panely jsou rozšířenější, a to díky
nižší ceně, za to mají oproti monokrystalickým nižší účinnost, ale zase
nejsou tolik citlivé na přesné nasměrování ke slunci. Do našich končin
se celkem hodí. Každý solární panel je teplotně závislý. S teplotní
závislostí je třeba počítat při návrhu systému, neboť rozsah teplot je
značný.
Teplotní koeficient napětí naprázdno: -0,34%/°C
Teplotní koeficient proudu nakrátko: +0,06%/°C
Teplotní koeficient výkonu: -0,43%/°C Ačkoli
s klesající teplotou se i snižuje proud panelu, tak napětí panelu roste
a s ním i výkon. Změna proudu je zanedbatelná, ale s hodnotou napětí
naprázdno je třeba počítat při návrhu systému.
Panel, který dává za letního počasí 45V,
může
při teplotách kolem -20°C vyrábět 54V, Pokud
zapojíme oba panely do série k regulátoru se
vstupním napětím 100V, hrozí poškození
solárního
regulátoru. Při teplotách kolem 0°C může být
nárůst výkonu panelu o 17%.
Na stránkách společnosti JRC
jsem provedl výpočet odhadovaného výkonu pro
naši lokalitu a konfiguraci solárních panelů. Výsledek
je k nahlédnutí zde.
Odhadovaný denní výkon pro letní měsíce je
kolem 900Wh. Samozřejmě jedná se o ideální podmínky,
kdy je slunné počasí, a sklon panelů optimální.
Při realizaci jsem použil výkonnější panel,
ale sklon panelu je stejně strmý jako střecha,
kolem 58°na místo ideálních 35°. Přesto lze
odhadovaného výkonu dosáhnout i za těchto podmínek.
Výkon
panelu s ohledem na jeho sklon a orientaci, bílé
pole značí naše řešení
Vliv
sklonu panelu na výkon pro jednotlivé měsíce v
roce
Výpočet solární elektrárny:
• Pro dlouhou životnost Pb baterií je vhodné
je vybíjet o 15% až 20% z celkové kapacity
• Nabíjecí proud nesmí překročit 1/10
kapacity trakčního Pb akumulátoru. Pro LiFe akumulátor platí 0,5C.
• FV panely dimenzovat tak, aby nepřebíjely akumulátory, systém musí být vyvážený.
• Pro větší odebíraný výkon volit palubní
napětí 24V, je to výhodnější z hlediska regulátoru, průřezu vodičů, ale i
jiných komponent.
• Panely nemusí mít orientaci jen na jih, někdy se volí při použití více panelů orientace východ
- západ, tak aby po celý den byla zajištěna dodávka proudu.
Ze
všeho nejdříve přistoupíme
k odhadu denní spotřeby. Hlavním
předpokládaným spotřebičem bude termoelektrická chladnička. Dle
parametrů výrobce má chladnička příkon při 12V napájení 46W. Denní
spotřeba však bude velmi proměnná na denní teplotě, a tak se dá
předpokládat následující schéma využití:
Spotřebu chladničky pak
spočítáme:
Při
odhadu spotřeby chladničky jsem byl příliš
kritický, v praxi dosahuje denní spotřeby kolem
300Wh. Ke spotřebě připočteme i energii, potřebnou
na svícení, zhruba 30Wh. Celková spotřeba pak
bude 600Wh. Nyní přistoupíme k výpočtu ztrát.
Ztráty musíme předpokládat na vedení, regulátoru
MPPT a v samotném akumulátoru. Ztráty
v regulátoru MPPT, odhadujeme na 5%: 
Ztráty
v akumulátoru uvažujeme kolem 10%: 
No
a ztráty na vedení lze snadno spočítat, jsou
kolem 3%: 
Výkon,
který je třeba vyrobit a dodat má hodnotu 724Wh.
Na základě tohoto výkonu vybereme správnou
kapacitu akumulátoru. Pro dlouhou výdrž
baterií je třeba, aby tato spotřeba činila cca 20% kapacity baterie
(platí pro trakční Pb baterie). 
Při
systémovém napětí 12V by byla kapacita baterie 300Ah.
Pokud by se použila baterie s kapacitou
200Ah, naše zátěž by
vybíjela akumulátor z 30%. I tato hodnota je
pro trakční akumulátor možná a vzhledem k četnosti použití několik
týdnů v roce, lze použít i akumulátor s kapacitou 200Ah. Regulátor
vybíráme hlavně s ohledem na výkon, kterým potřebujeme nabíjet baterii.
Vhodný dobíjecí proud je 1/10 kapacity baterie. To znamená, že pro
baterii s napětím 12V a kapacitou 200Ah, bude proud 20A, což je 240W. Z
tabulky výrobce Epsolar je zřejmé, že výběr se musí ubírat modelem
3215BN a výše. Model 2215 nemá dostatečnou rezervu výkonu i s ohledem do
budoucna a hlavně ne k výkonu FV panelu. Tam je třeba zohlednit i
jejich teplotní závislost a panely s 250Wpp nebo 300Wpp nelze k takovému
regulátoru připojit.
K regulátoru tedy volíme vhodný panel, který
pokryje řádné dobíjení akumulátoru.
|
