niedziela, 30 lipca 2017

DIY - budowa instalacji słonecznej i ładowanie akumulatorów, uwagi ogólne

Na ten temat krąży sporo mitów. Co dziwne, powielanych też przez specjalistów z wykształceniem technicznym :)

Mit 1 - prąd ładowania nie powinien przekraczać prądu 10-godzinnego.
Jest to prawdą, jeśli ładuje się stałym prądem (tzw. źródłem stałoprądowym).

Przyjmuje się, że jeżeli prąd ładowania jest równy lub mniejszy niż 10-godzinny, wtedy długotrwałe ładowanie nie spowoduje przeładowania i uszkodzenia akumulatora.

Przykładowo, dla akumulatora o pojemności 20Ah bezpieczny prąd ładowania wynosi 2A lub mniej.
Czyli pełne naładowanie rozładowanego akumulatora prądem 10-godzinnym potrwa minimum 10 godzin, w praktyce minimum 12...13 godzin (ze względu na sprawność konwersji energii z elektrycznej na chemiczną poniżej 100%).
Kontroler ładowania może naładować szybciej, większymi prądami, gdyż monitoruje stan akumulatora (napięcie, czasem także temperaturę) i po wykryciu pełnego naładowania ogranicza prąd poniżej 10-godzinnego, zapobiegając przeładowaniu.
Przy zastosowaniu kontrolera ładowania maksymalny prąd ładowania nie powinien przekroczyć 3-godzinnego (w praktyce 3,5-godzinnego, ze względu na straty). Można oczywiście mniej, ale wtedy naładowanie potrwa proporcjonalnie dłużej.
Jednak ładowanie prądami większymi niż 10-godzinne może spowodować skrócenie czasu życia akumulatora (mniejszą ilość cykli ładowania). Więc jeśli nigdzie się nie spieszy i można poczekać kilkanaście godzin, to lepiej zastosować zwykłą ładowarkę prądową bez kontrolera ładowania (czyli w praktyce źródło napięcia z rezystorem ograniczającym prąd maksymalny). W przypadku telefonu komórkowego nikt nie będzie tyle czekał...

Mit 2 - nie można podłączyć ogniwa słonecznego bezpośrednio do akumulatora, konieczne jest użycie kontrolera ładowania.
Ależ jak najbardziej można i dawniej to praktykowano, kiedy podzespoły elektroniczne były drogie i nie wynaleziono jeszcze mikroprocesorów. Najlepiej przez diodę, która zapobiega odwrotnemu przepływowi prądu od akumulatora do ogniwa kiedy brakuje światła.
Jednak maksymalny prąd oddawany przez ogniwo słoneczne umieszczone w danej lokalizacji nie powinien wtedy przekraczać prądu 10-godzinnego. Przykładowo, jeśli ogniwo słoneczne umieszczone w danej lokalizacji daje maksymalnie prąd 2A, a w praktyce często mniej (chmurki, zmiana położenia słońca itp.), to bezpiecznie można podłączyć akumulator o pojemności 20Ah lub większej. Taki prąd nie jest w stanie uszkodzić tego akumulatora.

Mit 3 - napięcie ogniwa słonecznego powinno być dopasowane do napięcia akumulatora i dopasowaniem zajmuje się kontroler ładowania.
Niezupełnie, zwykły kontroler ładowania tylko przepuszcza lub odłącza prąd, bez ingerencji w napięcie, ewentualnie ogranicza prąd po wykryciu naładowania. Istnieją też znacznie droższe kontrolery ze śledzeniem punktu mocy maksymalnej (Maximum Power Point Tracking Controller, MPPT), które faktycznie zawierają w sobie przetwornicę napięcia i dzięki temu instalacja osiągnie większą sprawność energetyczną.
Co się stanie, jeśli podłączy się przez diodę ogniwo słoneczne 20V/maks.2A do akumulatora 12V/min.20Ah? Nic strasznego, akumulator się naładuje, kiedyś tam, chyba że dioda jest na zbyt małe prądy i się przepali.
A co się stanie, jeśli podłączy się ogniwo słoneczne 30V/maks.2A do akumulatora 12V/min.20Ah? Też nic strasznego, akumulator również się naładuje, w takim samym czasie jak przy ogniwie 20V/maks.2A.
O co chodzi, skoro napięcia się nie zgadzają? Otóż istnieją dwa teoretyczne źródła energii elektrycznej, rzeczywiste źródła są ich kombinacją z przewagą jednego lub drugiego - źródło napięciowe i źródło prądowe.

Źródło napięciowe stara się utrzymać stałe napięcie (V) na swoim wyjściu, poprzez zmiany wielkości prądu (A). Jeśli zewrze się styki wyjściowe teoretycznego źródła napięciowego, to będzie się starało utrzymać zadane napięcie i teoretycznie popłynie nim nieskończony prąd. Jeśli rozewrze się styki teoretycznego źródła napięciowego, utrzyma zadane napięcie wyjściowe i prąd będzie równy zeru.

Źródło prądowe stara się utrzymać stały prąd (A) na swoim wyjściu, poprzez zmiany napięcia (V). Jeśli zewrze się styki wyjściowe źródła prądowego, wtedy płynący prąd będzie równy zadanemu, napięcie będzie zerowe. Jeśli rozewrze się styki wyjściowe teoretycznego źródła prądowego, to będzie starało się podtrzymać prąd zadany na wyjściu i napięcie teoretycznie będzie nieskończone.


Rzeczywiste źródła prądu mają charakterystyki mieszane, z przewagą jednej lub drugiej formy. Ogniwo słoneczne bardziej przypomina źródło prądowe niż napięciowe. W przykładzie, ogniwo 20V/maks.2A i ogniwo 30V/maks.2A dadzą taki sam prąd na wyjściu - maks.2A. Mniejsze napięcie akumulatora nie ma znaczenia, bo napięcie ogniwa słonecznego niejako "dopasuje się", zachowa się jak źródło prądowe. Jak by nie podłączać, to prąd nie przekroczy 2A. Nawet jak się zewrze, mniej więcej, bo prąd zwarcia (przy zerowym napięciu na wyjściu) jest minimalnie większy, w tym przypadku maks.2,2A. Większy prąd nigdy nie popłynie przy danym oświetleniu ogniwa. Podane napięcie jest napięciem rozwarcia ogniwa, pod obciążeniem ono spada.
Różnica obydwu przypadków jest jednak taka, że że ogniwo 20V/maks.2A ma moc nominalną 40W (mniej więcej, ale mniejsza o szczegóły, nie będę komplikował rozważaniami na temat charakterystyk prądowo-napięciowych ogniw słonecznych), zaś ogniwo 30V/maks.2A ma moc nominalną 60W, czyli będzie o 1/3 większe od pierwszego, a co za tym idzie droższe, mimo że dadzą obydwa taki sam prąd ładowania akumulatora (bez zastosowania przetwornicy MPPT).

Mit 4 - równoległe połączenie akumulatorów da większą moc instalacji.
Akumulatory o takich samych napięciach i takiego samego rodzaju można łączyć równolegle (+ do +, - do -), da to większą pojemność (np. ołowiowe 12V/20Ah i 12V/20Ah to razem 12V/40Ah, 12V/20Ah i 12V/60Ah to razem 20V/80Ah), ale tutaj trzeba uważać na pewne kwestie.
Po pierwsze, przy łączeniu ze sobą. Najlepiej wszystkie naładować do pełna przed podłączeniem, by mniej więcej wyrównać ich napięcia. Podłączenie też jest bardzo ryzykowne, grozi uszkodzeniem akumulatora lub wypadkiem, gdyż z powodu nawet minimalnych różnic napięć mogą popłynąć ogromne prądy, rzędu kilkuset A. Należałoby je wpierw połączyć przez jakiś rezystor o rezystancji co najmniej kilkanaście, kilkadziesiąt omów i mocy co najmniej kilka W (im większa rezystancja, tym mniejsza moc), następnie odczekać, powiedzmy minimum dobę, albo pół, albo chociaż godzinę przy małej różnicy potencjałów. To spowoduje wyrównanie się potencjałów akumulatorów. Później można je już zewrzeć kablem o niskiej rezystancji.
Po drugie, jeśli maksymalny zalecany prąd ładowania jednego akumulatora wynosi na przykład 5A, drugiego 10A, to nie można obydwu łącznie ładować prądem 15A, najlepiej nie przekraczać prądu maksymalnego mniejszego akumulatora. Akumulatory mogą mieć pewne różnice rezystancji wewnętrznej, co spowoduje nierówny rozdział prądów i przez mniejszy mógłby popłynąć zbyt duży prąd, powodując jego uszkodzenie lub skrócenie żywotności.

Szeregowo też można łączyć akumulatory, da to większe napięcie na wyjściu, będące sumą napięć akumulatorów. Jednak trzeba zastosować wtedy identyczne akumulatory, o takim samym rodzaju, napięciu i pojemności, tego samego producenta, najlepiej z tej samej partii produkcyjnej.
Zbyt głębokie rozładowanie akumulatorów połączonych szeregowo może spowodować uszkodzenie jednego z nich podczas ładowania.

Mit 5 - ładowanie akumulatorów skraca ich żywotność.
Niezupełnie. Przykładowo, jeśli producent dla danego typu akumulatora podaje żywotność 500 cykli ładowania, to dotyczy wyłącznie sytuacji cykli pełnego rozładowania i naładowania. Jeśli rozładowuje się je do połowy i następnie ładuje, wtedy wytrzymają dłużej, na przykład 1000 cykli. Jeśli rozładuje do 2/3 (o 1/3), wtedy wytrzymają jeszcze dłużej, na przykład 2000...3000 cykli. Jeśli akumulatory będą rozładowywane do 9/10 pojemności (czyli o 10%), wtedy liczba cykli może być tak duża, że akumulatory prędzej padną z powodu procesów starzenia się, niż od cyklicznego ładowania. To zjawisko wykorzystuje się w samochodach hybrydowych, zwłaszcza z akumulatorami NiMH, gdzie stan między "pełne naładowanie" i "pełne rozładowanie" to zaledwie 10...20% rzeczywistej pojemności zainstalowanego akumulatora.
Czyli większą żywotność będą miały akumulatory o większej pojemności, wykorzystywane tylko w niewielkim stopniu, niż o mniejszej pojemności i wykorzystywane w większym stopniu. Im większy akumulator, tym lepiej. Ale im większy akumulator, tym więcej miejsca zajmuje i jest droższy.

Mit 6 - instalacja słoneczna jest zbyt droga i daje za mało energii.
Ależ można zastosować mniejszą i tańszą instalację :)

W przypadku instalacji autonomicznej z akumulatorem to wpierw trzeba przemyśleć, co musi ona zasilać i ile na to potrzeba energii. Można zastosować odbiorniki energii o mniejszym poborze. Na przykład niektóre radiostacje pobierają podczas nasłuchu 100mA, inne 500mA, a niektóre 2A. Ta sama funkcja, ale zasilanie pierwszej ze słońca jest dosyć łatwe i tanie, ostatniej to już spora i droga instalacja, a efekty działania urządzenia takie same.

Natomiast w przypadku instalacji on-grid, z inwerterem połączonym do sieci energetycznej, też można zastosować mniejszą instalację, która nie da całości energii. Przykładowo, używane ogniwo amorficzne o mocy maksymalnej 150W kosztuje poniżej 100 złotych, mikroinwerter on-grid 250W kosztuje poniżej 500 złotych. Mógłby ktoś pomyśleć po co tak mała, skoro żelazko, pralka lub czajnik elektryczny pobierają ponad 1000W. Otóż prąd z mikroinwertera, który można podłączyć do zwykłego gniazdka sieciowego, sumuje się z prądem płynącym z elektrowni przez licznik, ale ma pierwszeństwo (mikroinwerter jest bliżej niż elektrownia).
Czyli, jeśli w danym momencie instalacja słoneczna da 60W, a łączny pobór energii wynosi 100W, to 60W jest za darmo ze słońca z pominięciem licznika, a 40W przechodzi przez licznik, więc na daną chwilę rachunek się zmniejszy o 60%. Jeśli w tym momencie odkurzacz pobiera 600W (jakiś superenergooszczedny chyba), to 60W płynie za darmo ze słońca, 540W z sieci energetycznej przez licznik, rachunek za prąd zmniejszy się o 10%. Jeśli w danym momencie pobór przez odbiorniki wynosi 10W, to pozostały nadmiar 50W popłynie sobie do sieci energetycznej i trafi do sąsiadów, bez podpisania umowy z dostawcą prądu i założenia dwukierunkowego licznika nic się samemu z tego nie ma.
Jednak średni pobór prądu przez typowe gospodarstwo domowe wynosi 100...400W, czyli 2,4...9,6kWh na dobę. Najwięcej żrą prądu urządzenia o małej mocy, pracujące cały czas. Nawet z najtańszej instalacji (nie widziałem mikroinwerterów poniżej 250W) i bez podpisania umowy ma odsprzedaż nadwyżek z dostawcą, będzie korzyść w postaci wyraźnej redukcji rachunków. Niezależnie od cen prądu, zawsze lepiej płacić mniej o 10...30%, niż więcej.
Zwłaszcza przy podłączeniu instalacji do fazy o największym średnim obciążeniu, zazwyczaj jest to gniazdko sieciowe z lodówką. Natomiast nie ma większego sensu podłączać takiej instalacji do fazy, z której jest zasilane górne światło w pokojach, bo kiedy jest ono używane instalacja nie wytworzy prądu.

Brak komentarzy: