Nietypowe rozwiązania

Układ 3 paneli. [10.01.2023]

Pierwsze ciekawe rozwiązanie polega na nietypowym podłączeniu paneli ze wzgledu na niejednakowe napięcie jakie generują.

Położenie instalacji (brak możliwości zmiany ustawienia) powoduje, że najwięcej słońca przypada na 2 panele połączone szeregowo, ale okazuje się, że w godzinach do południa słońce świeci już całkiem mocno z boku. Normalnie zostałyby podłączone kolejne 2 panele z boku, niestety w tym wypadku nie ma możliwości instalacji aż 2 paneli, więc zastosowano jeden. Aby uczestniczył cały czas w procesie przetwarzania energii, napięcie z panela zostało przetworzone do wyższego, w okolicach napięcia z pozostałych dwóch paneli. Dzięki temu, prąd płynie z paneli do dalszych układów od samego rana, stopniowo zwiększając się, gdy słońce przesuwa się na horyzoncie. Przetwornica jest dość dużej mocy, 150W na panel 110W to minimum, a ponieważ w różnych zakresach napięcia wejściowego będzie miała różną sprawność warto zadbać o dobre chłodzenie.
Na kolejnej ilustracji widoczny jest przykład montażu przetwornicy i dodatkowych dwóch rozłączników (osobno dla paneli szeregowych oraz dla wyjścia z przetwornicy - dzięki temu można testować jak zachowują się samodzielnie oba systemy). Ponieważ puszka instalacyjna jest standardowo skręcona, prawidłowe chłodzenie przetwornicy zapewnione jest przez zamontowany na górze radiator łączący się z przetwornicą wewnątrz puszki za pomocą metalowego kątownika.
Przetwornica posiada regulację napięcia wyjściowego dzięki czemu można ustalić doświadczalnie najlepszy punkt jej pracy. Ustawienie niższego napięcia wyjściowego (np. 33V) może dać większą sprawność przetwarzania, jednak gdy napięcie z pozostałych paneli przekroczy tą wartość (słoneczko zaczyna na nie coraz lepiej świecić) wówczas przy połączeniu izolowanym (zalecane jest połączenie wyjść obu obwodów za pomocą diód o niskim Vfm rzędu 0.3-0.5V np. 10SQ045) z pierwszego panela przestanie płynąć prąd, a można z niego jeszcze trochę wycisnąć ustawiając wyższe napięcie na wyjściu przetwornicy. Z tak połączonych paneli bez problemu można zasilać mikroinwerter o mocy rzędu 250W i będzie on całkiem dobrze współpracował nawet z wyjściem z samej przetwornicy step-up ustawiając najbardziej efektywne obciążenie za pomocą wewnętrznego układu MPPT.
Trochę ciekawej teorii na temat jak najbardziej efektywnego przetwarzania energii z paneli za pomocą przetwornic można znaleźć w artykule (ang.): Power Converter Solutions for Industrial PV Applications

Rozwiązanie z dwoma akumulatorami. [15.01.2023]

TOP

Jeśli w układzie zasilania solarnego będzie użyty UPS warto skomplikować układ tak, aby faktycznie zużywać energię zgromadzoną ze słońca.
Na kolejnej ilustracji jest zaawansowany układ zasilania UPS z dwóch akumulatorów. Normalnym akumulatorem pracy jest LiFePo4 ze względu na możliwą dużą liczbę cykli pracy. Wykorzystany jest też akumulator samochodowy, który będzie pracował buforowo i będzie użyty wyłącznie wówczas gdy akumulator LiFePo4 będzie rozładowany, a w sieci zasilającej braknie prądu. Widoczny na schemacie układ sterujący sprawdza napięcie na akumulatorze LiFePo4 i jeśli jest ono wystarczająco wysokie (14.4V) wówczas wykonuje dwie czynności:

• Odłącza akumulator samochodowy od UPSa i podłącza LiFePo4
• Odłącza zasilacz UPS od sieci wymuszając pracę z akumulatora LiFePo4

W tym momencie wszystkie urządzenia podłączone do UPSa są zasilane z energii akumulatora LiFePo4 (akumulator samochodowy jest "luźny"). Gdy po kilku, kilkunastu godzinach napięcie na LiFePo4 spadnie do założonego niskiego poziomu (10.7V) wówczas układ sterujący wykona następujące czynności:

• Podłączy zasilacz UPS do sieci, przełączając go w tryb pracy sieciowej
• Odłączy akumulator LiFePo4 od UPSa i podłączy samochodowy
• Podłączy do LiFePo4 ładowarkę solarną, która będzie ładowała go aż do osiągnięcia napięcia 14.4V

Uruchomienie UPSa na zasilaniu sieciowym spowoduje szybkie podładowanie akumulatora samochodowego, który był cały czas odłączony i napięcie na nim lekko spadło. W ten sposób jest on cały czas gotowy do potrzymania pracy UPSa w razie braku zasilania z sieci i nie do końca naładowanego akumulatora LiFePo4.
Po naładowaniu akumulatora LiFePo4 do pełna (co może zająć np. dwa dni jeśli panele są małej mocy lub jest słabsze słońce) sytuacja się powtórzy - układ sterujący wykryje, że LiFePo4 jest już pełny i można zacząć z niego czerpać energię. Układ jak najbardziej można uzupełnić o dodatkowe sterowniki przekierowujące energię z paneli w inne miejsce w momencie gdyby LiFePo4 był już naładowany. Można także rozdzielić energię z paneli na ładowarkę solarną ze schematu i dodatkowy mikroinwerter w instalacji.
Takie rozwiązanie maksymalizuje możliwość wykorzystywania zgromadzonej energii bez obawy, że będzie ona uciekała na drugą stronę licznika prądu z elektrowni.
Do zmontowania sterownika można użyć bardzo popularnego układu dostępnego za paręnaście złotych. Układ ten posiada wbudowany przekaźnik, dzięki czemu może sterować zasilaniem niezależnych urządzeń. Do takiego układu można dodatkowo zamontować przełącznik, który będzie wymuszał zmianę stanu pracy akumulatorów bez względu na to na jakim etapie jest prawie proces ładowania / rozładowania. Przykładowe, działające urządzenie widoczne jest na kolejnym obrazku.
Ponieważ sterownik bierze także udział w ładowaniu akumulatora z ładowarki solarnej (kilka amper prądu) przewody muszą być o odpowiednich przekrojach, widoczny jest także zabezpieczający układy bezpiecznik polimerowy (wielokrotny). Układ został zmodyfikowany z wersji fabrycznej tak aby zniwelować chwilowe przełączanie przekaźnika przy pojawianiu się i zanikaniu napięcia zasilającego sterownik. Dodana została zielona dioda sygnalizująca prawidłowe zasilanie układu. Wieloobrotowe potencjometry umożliwiają precyzyjne nastawy napięć - dolnej i górnej granicy. Czerwona dioda sygnalizuje, że właśnie ładowany jest akumulator LiFePo4.

Panel z regulacją nachylenia. [17.01.2023]

TOP

Biorąc pod uwagę fakt, że w jesienno-zimowych miesiącach słońce jest niżej, można się pokusić o zmianę nachylenia paneli aby były bardziej efektywne w tych słabych miesiącach. O ile nie są one zamontowane w trudno dostępnym miejscu można zrobić bardzo prosty mechanizm regulacji nachylenia tak aby nic nie wystawało (np. do wnętrza balkonu) i jednocześnie nie osłabiało sztywności konstrukcji. Na widocznej ilustracji zastosowano trzy metalowe listwy skręcone w ten sposób, że połączenia z panelem, z ramą nośną i przeguby są ruchome (można zastosować specjalne nakrętki blokujące), a zmienia się wysokość zamontowania listwy do ramy. Wystarczy wywiercić kilka otworów w ramie i można przekładać koniec listwy regulując w ten sposób nachylenie panela. Śruby mocujące to min. M6 ze względu na mocne siły ścinające w takim układzie. Jak widać, panel można złożyć niemal do płaskiej (pionowej) powierzchni bez obawy, że będzie coś wystawało do wnętrza balkonu. Gdyby użyć tylko jednej listwy mocującej na dole, wówczas także można by było mocować ją za pomocą śruby na odpowiedniej wysokości ramy nośnej, jednak wówczas konstrukcja miałaby mniejszą sztywność (brakowało by punktu podparcia/mocowania na samym dole ramy nośnej).
Inną modyfikacją takiej konstrukcji (panel rozłożony, panel złożony) można przeprowadzić mocując na dole panela drugi kątownik, taki jak na górze, a właściwą listwę mocującą, przykręcić do tego kątownika. Wówczas będzie można złożyć panel do pozycji pionowej, mocując dodatkowo listwę do ramy w punkcie zaznaczonym na żółto. Ale w normalnej pozycji pracy listwa powinna być zamocowana jak najniżej ramy nośnej. Fragment konstrukcji z takim rozwiązaniem widoczny jest na kolejnym rysunku.

Zasilanie UPSa z dodatkowych akumulatorów. [10.03.2023]

TOP

Z racji tego, że niniejsza strona opisuje budżetowe konstrukcje, kolejną ciekawą realizacją jest wykorzystanie dobrego, używanego UPSa z podłączeniem dodatkowych akumulatorów. Można czasem trafić urządzenie UPS Ever SINLINE 1600VA 1040W (lub podobne) za ok. 500 zł. Ma ono czystą sinusoidę na wyjściu i bardzo dobre parametry. Jednak zasilane jest z 3 wewnętrznych akumulatorów 12V 5Ah. To są małe, słabe akumulatory, ale dzięki temu, że dają 36V napięcia, możliwa jest duża moc wyjściowa UPSa przez krótką chwilę. Stosując niewielką modyfikację można podłączyć zewnętrzne akumulatory (lub jeden LiFePo4 z odpowiedniej liczby ogniw tak aby na wyjściu było ok. 36V - 12 ogniw + balanser, można użyć 3 balanserów jak na obrazku obok) i gdy UPS będzie działać na zasilaniu z akumulatorów będzie wykorzystywać moc tych zewnętrznych, a gdy będzie pracować z zasilania sieciowego, będzie czuwał nad pojemnością tylko tych wewnętrznych, a zewnętrzne będą doładowywane z paneli.
Na widocznym schemacie przedstawione jest w uproszczony sposób takie połączenie. Kilka istotnych uwag do schematu:

• przez diody może przepływać do 30A, trzeba im zapewnić przestrzeń chłodzenia
• ładowanie LiFePo4 nie może przekraczać 42V ze względu na podłączenie przez diody wewnętrznych akumulatorów, które mają napięcie ładowania 3 x 13.8V = 41.4V - akurat te 0.6V będzie na diodach 20SQ045

W przypadku użycia 2 paneli 110W połączonych szeregowo można zaryzykować ładowanie akumulatora LiFePo4 bezpośrednio z paneli stosując jeszcze jedną diodę w obwodzie (szeregowo) aby prąd nie płynął w złą stronę gdy nie będzie słońca. Bezpiecznym rozwiązaniem będzie wstawienie między panele a akumulatory ładowarki z ograniczeniem czasowym aby panele nie przeładowały akumulatorów. Sam układ jest banalnie prosty i skuteczny w działaniu, brakuje oczywiście automatycznego sterowania jednak także tutaj można zastosować zmodyfikowany układ sterownika z poprzedniego tematu (przełączanie między dwoma akumulatorami). Taki sterownik będzie sterował jedynie podłączeniem UPSa do zasilania sieciowego, czyli jeśli napięcie na LiFePo4 wzrośnie do ustalonego poziomu, sterownik za pomocą przekaźnika odłączy zasilacz UPS od sieci i zacznie on pracować z układu połączonych akumulatorów. Ponieważ akumulator LiFePo4 ma nieco większe napięcie wyjściowe od 3 akumulatorów 12V 5Ah, będzie on zużywany w pierwszej kolejności, dlatego warto ustawić sterownik tak, aby przywrócił zasilanie sieciowe zanim UPS zacznie wyczerpywać wbudowane akumulatory (czyli np. na 34.5V). W celu lepszego odizolowania akumulatorów (różnica napięć) można połączyć dwa takie moduły 3 x 20SQ045 szeregowo (razem 6 diód), ale sens takiego rozwiązania należy sprawdzić doświadczalnie we własnej instalacji. Kable między akumulatorem LiFePo4, diodami oraz przyłączeniem do UPSa muszą mieć odpowiedni przekrój - przynajmniej 4mm² w czystej miedzi.

Mikroinwerter w mieszkaniu w bloku. [11.03.2023]

TOP

Podłączenie mikroinwertera w małej instalacji solarnej np. mieszkaniu w bloku wiąże się z problemem ucieczki energii elektrycznej poza licznik, gdy domowe urządzenia mają mniejsze zapotrzebowanie niż wydajność paneli solarnych. Nie jest to wcale jakaś abstrakcyjna sytuacja, normalnie w mieszkaniu nie działa przecież całą dobę pralka czy piekarnik elektryczny. Czajnik, żelazko, ekspres do kawy - są to urządzenia działające przez chwilę, w której pobór prądu może być wyższy niż 10A. Idealnie byłoby gdyby coś regulowało wydajnością mikroinwertera i w momencie uruchomienia prądożernych urządzeń przestawiało go na maksymalną wydajność. Niestety w warunkach amatorskich nie jest łatwo coś takiego zrobić.
Oczywiście istnieją profesjonalne rozwiązania jak np. inwertery Spirvent (producent Wolta) wraz z systemem monitorującym pod nazwą Flara, które działają w ten sposób, że układ pomiarowy bada ilość wyprodukowanej energii i zapotrzebowanie przez instalację domową (mogą być to także mierniki bezprzewodowe WATTA - loggery z możliwością ograniczania produkcji energii do bieżącego zapotrzebowania).
Jeżeli brak jest zapotrzebowania na energię w danej chwili to układ ogranicza moc falownika do aktualnych wymogów (sterowanie odbywa się w czasie krótszym niż 1 sek.). Ta strona, jak już było kilka razy wspomniane, nie opisuje zaawansowanych rozwiązań dla dużych instalacji. Jeśli ktoś ma ochotę zakupić kilka bardzo dobrych urządzeń w sumie za 10 tys. zł i podłączyć je do paneli solarnych na balkonie to nic nie stoi mu na przeszkodzie, jednak jedyny zysk z takiej instalacji to będzie satysfakcja (przykładowo, jeden moduł pomiarowy może kosztować 1600 zł). Jeśli jest mowa o panelach o mocy rzędu 400W i instalacji domowej, która chwilami pobiera więcej mocy, a chwilami mało co, i ma to wszystko przynosić jakąś korzyść to potrzeba ograniczenia ucieczki energii poza licznik, jak najniższym kosztem, staje się priorytetowa.
Jednym z prostszych, w akceptowalnej cenie, rozwiązań jest zastosowanie dwukierunkowego przekaźnika prądowego EPM-621. Potrafi on wykrywać przekroczenie ustawionego poziomu mocy (do wyboru - oddawana, pobierana lub obie) uruchamiając wewnętrzny przekaźnik. Najprościej byłoby wykorzystać styki przekaźnika albo do odłączenia wyjścia mikroinwertera od sieci zasilającej, albo do częściowego odłączenia paneli solarnych (jeśli jest ich kilka). Przekaźnik można zamontować w skrzynce rozdzielczej, natomiast kable sygnałowe ze styków przekaźnika trzeba poprowadzić do instalacji solarnej. Projektując takie rozwiązanie warto zawczasu pomyśleć nad sposobem podłączenia paneli. Jeśli przekaźnik EMP-621 ma powodować tylko ograniczenie mocy paneli a nie ich całkowite odłączenie, rozsądnie będzie połączyć np. dwa panele równolegle z zastosowaniem dodatkowego przekaźnika (np. szczelny przekaźnik samochodowy 24V 30A) wraz z czasowym układem sterującym. Taki przekaźnik będzie normalnie zwarty łącząc oba panele równolegle. Oczywiście mikroinwerter musi współpracować z napięciem z takiej instalacji, więc panele 110W raczej odpadają (ponieważ mają tylko 18-22V, zazwyczaj mikroinwertery startują od 25V), jednak panele 240W sprawdzą się znakomicie. W momencie otrzymania sygnału z przekaźnika w skrzynce rozdzielczej rozłączy on panele zostawiając w instalacji z mikroinwerterem tylko jeden. Dlaczego potrzebny jest dodatkowy przekaźnik i układ sterujący? Raz, że lepiej izolować układ z przekaźnika EMP-621 od reszty instalacji, a dwa, że trzeba uniknąć możliwości szybkiego przełączania tego przekaźnika tam i z powrotem. Bowiem gdy jeden panel zostanie odłączony spadnie od razu moc wyjściowa mikroinwertera, a więc i moc, która "ucieka" poza licznik. EMP to wykryje i od razu przyłączy panel ponownie. Trzeba więc zorganizować dodatkowe opóźnienie czasowe, przykładowo od 30sek. do 5 min.
Na rysunku widoczny jest prosty układ czasowego sterowania przekaźnikiem, ten niebieski przekaźnik można wymontować i w jego miejsce podłączyć przewody prowadzące do przekaźnika przy panelach. Zasilanie sterownika od 12 do 24V, aby go nie uszkodzić zbyt wysokim napięciem z paneli można dodać jakiś prosty stabilizator typu L7824.
Na widocznym schemacie symbolicznym, pokazany jest sposób połączeń:

• Dwóch paneli 240W 30V
• Przekaźnika 24V 30A
• Sterownika czasowego (ze stabilizatorem L7824)
• Mikroinwertera
• Przekaźnika EMP-621

UPS online własnej konstrukcji. [02.04.2023/17.05.2023]

TOP

W przypadku, gdy w danym momencie trudno jest znaleźć tani UPS z czystą sinusoidą na wyjściu, rozwiązaniem może się okazać poniższy układ. W skład połączeń wchodzi:

• Zasilacz (LED Driver) 15V 30A (koszt 180 zł)
• Przetwornica czysty sinus 1000/2000 (koszt 450 zł)
• Akumulator LiFePo4 52Ah 12.8V (koszt. 1000 zł)
• Opornik średniej mocy 0.05Ω 10W (lub dwa równolegle 0.1Ω 5W, koszt parę złotych)

Jak widać, całościowy koszt wraz z wysokiej jakości akumulatorem zamyka się w 1630 zł, a pomijając akumulator (bo może jest jakiś na stanie) wychodzi 630 zł za UPS Online o mocy ciągłej 400W, przy pracy z akumulatora do 1000W i chwilowej do 2000VA. Praktycznie niemożliwe jest kupienie takiego UPSa nowego, w takiej cenie. Skąd biorą się jednak te różnice w mocy wyjściowej? Otóż w normalnej pracy układu, zasilacz przetwarza napięcie zmienne 230V na stałe 14V (ustawione potencjometrem), które zasila przetwornicę 1000W. Z prostych obliczeń wynika, że jego maksymalna wydajność to 420W. W momencie gdy zapotrzebowanie na moc wyjściową jest wysokie, na oporniku odkłada się napięcie, które powoduje, że przetwornica zaczyna używać także akumulatora. Jeśli dostępne będzie zasilanie sieciowe w przetwarzaniu energii będą brać udział jednocześnie zasilacz oraz akumulator. Przy pełnej mocy wyjściowej i zasilaniu z sieci, ten układ UPSa będzie pobierać 15A z zasilacza 14V i 75A z akumulatora. Gdyby utrzymywać takie obciążenie przed dłuższy czas, w miarę rozładowywania się akumulatora prąd zasilacza będzie rosnąć aż, po przekroczeniu 34A, zadziała wewnętrzne zabezpieczenie, które go odłączy. Całość obciążenia spadnie na akumulator, co spowoduje, że przetwornica po wykryciu zbyt niskiego napięcia zasilania wyłączy się (wcześniej będzie to sygnalizować dźwiękiem alarmowym). Jest to nieco nietypowe rozwiązanie UPSa, jednocześnie o dobrej sprawności i mocy wyjściowej, ale należy pamiętać, że ciągła moc wyjściowa nie powinna przekraczać 450W, natomiast chwilowa może osiągać nawet powyżej 1000W (w zależności od odporności przetwornicy na przeciążenia).
Co się stanie gdy podczas normalnej pracy układu zaniknie napięcie w sieci 230V? Przetwornica zacznie płynnie pobierać energię z akumulatora i będzie to robić do momentu aż osiągnie on minimalny dopuszczalny próg napięcia. Natomiast samo przełączenie (reakcja na brak zasilania w sieci) będzie natychmiastowe, bezzwłoczne, tak jak w oryginalnych zasilaczach UPS online, ponieważ obie przetwornice (zasilacz 14V i przetwornica) działają w układzie cały czas, brak tutaj potrzeby skomplikowanych układów synchronizujących oraz przekaźników przełączających wyjścia zasilania.
Same zalety, czy są jakieś wady? Tak, do wad można zaliczyć obniżoną dopuszczalną moc wyjściową w przypadku gdy akumulator jest rozładowany, będzie się on ładować wówczas gdy zasilacz będzie mógł rozdzielać moc wyjściową między przetwornicę a akumulator. Drugą wadą jest mniejsza sprawność układu (większe straty mocy) ze względu na to, że zarówno zasilacz 14V jak i sama przetwornica mają swoje współczynniki sprawności, różne przy różnych obciążeniach (sprawności się niekorzystnie "sumują", przykładowo: moc wyjściowa = moc wejściowa * 0.8 * 0.7).
Zresztą, fabryczne urządzenia UPS Online, też charakteryzują się większymi stratami niż Offline, jednak można się domyślić, że są one nieco efektywniejsze ze względu na szereg układów regulujących pracę takiego urządzenia.
Jak wyglądają straty w praktyce? Przykładowo, układ z rysunku przy obciążeniu 70W pobiera z sieci 92W, przy obciążeniu 196W pobiera 250W, wynika to z tego, że zasilacz 14V ma mniejszą sprawność, ale to są wartości naprawdę akceptowalne biorąc pod uwagę fakt, że to UPS online i zanik napięcia w sieci zasilającej nie spowoduje nawet najmniejszego "mrugnięcia" na urządzeniach zasilanych.
Można powiedzieć, że wadą jest niewielka moc wyjściowa układu, ale mowa jest cały czas o niewielkich zastosowaniach domowych, gdzie pobory mocy powyżej 300W występują sporadycznie. Nawet obecne 50 calowe telewizory pobierają moc zaledwie od 60 do 100W. Niemniej jednak, nic nie stoi na przeszkodzie aby zakupić do układu mocniejszy zasilacz 14V, taki który ma wydajność powyżej 60A. Ciągła moc wyjściowa wzrośnie wówczas do ok. 750W. Na kolejnym obrazku jest też droższa alternatywa - fabryczny UPS online, w czystej sinusoidzie 900W zasilany z dwóch akumulatorów 12V 9Ah (czyli ok. 200Wh - omawiany wyżej ma 660Wh) za około 1400 zł. Należy jednak pamiętać o różnych problemach, na które można się natknąć próbując zasilać takie urządzenie z akumulatorów o większej pojemności lub z LiFePo4 (krótka wzmianka na ten temat w artykule Podstawy
Aktualizacja (04.2023): w znanym serwisie "aukcyjnym" można trafić nowy zasilacz 12V 33A w cenie do 100zł. Ponieważ zasilacze te posiadają regulację napięcia wyściowego w ograniczonym zakresie (w okolicach napięcia znamionowego), jest szansa, że można w ten sposób zastąpić droższy zasilacz 15V jaki został użyty w opisie powyzej.

Modyfikacja przetwornicy hybrydowej. [10.04.2023]

TOP

Jednym z ciekawszych rozwiązań w instalacji solarnej, jakie można zastosować, jest przetwornica hybrydowa. Jak już było opisane w dziale Rodzaje przetwornic jest to przetwornica realizująca kilka funkcji na raz, optymalizując swoją pracę pod kątem dostępnej energii słonecznej. W jednym urządzeniu znajduje się zasilacz ładujący podłączony akumulator, przetwornica napięcia z akumulatora i panela solarnego na wyjściowe napięcie zmienne 230V o przebiegu sinusoidalnym oraz solarna ładowarka akumulatora. Większość przetwornic tego typu realizuje identyczne funkcje, ale jedną z najtańszych jest przetwornica producenta Powland. Niższa cena bynajmniej nie ujmuje tutaj jakości i warto opisać co to urządzenie potrafi.
Dla pobierania i korzystania z energii solarnej posiada ona unikalne ustawienia w menu:

• ładowanie akumulatora wyłącznie z paneli solarnych
• praca przetwornicy wyłącznie z akumulatora
• przełączanie się na tryb sieciowy gdy akumulator jest rozładowany
• minimalny próg napięcia, po którym przetwornica przełącza się na sieć
• maksymalny próg napięcia, po przekroczeniu którego przetwornica przełącza się na pracę z akumulatora
• sporo innych ustawień łączących i miksujących źródła zasilania i tryby pracy

Dlaczego te ustawienia są takie ciekawe? Umożliwiają one bowiem w pełni automatyczne wykorzystywanie energii zgromadzonej w akumulatorze, a nie tylko podładowanie go i zostawienie w takim stanie (praca buforowa). Dodatkowo jeśli panele solarne naładują akumulator do pełna mogą uczestniczyć w procesie zasilania urządzeń przez hybrydę, która będzie sumować moc z akumulatora i paneli. To jest naprawdę dobra, automatyczna praca. Opisywana hybryda (1000/2000W 12V) ma także wysoką sprawność przy pracy sieciowej (małe straty mocy) i względnie krótki czas przełączania między trybami pracy (10ms). Praca z akumulatorów także charakteryzowała się bardzo dobrą sprawnością (powyżej 80%) chociaż prąd biegu jałowego był na poziomie 1.5A.
Trzeba jednak pamiętać o kilku ważnych rzeczach zanim się zakupi takie urządzenie:

• przetwornice działające z akumulatorem 12V mają zazwyczaj tylko ładowanie PWM,
• ładowarka PWM ma niską sprawność i wprowadza do obwodów dużo zakłóceń,
• takie które mają MPPT działają na 24V i wiecej, trzeba mieć np. dwa akumulatory,
• hybrydy mają małe i głośne wentylatory, bez liniowej regulacji obrotów.
• niektóre hybrydy mają wysokie minimalne napięcie paneli (np. 50V), więc trzeba użyć dwóch paneli 36V szeregowo

Jak działała testowana hybryda 12V (1000/2000W) z układem PWM.[22.05.2023]
Przetwornica została ustawiona w tryb SBU (praca z akumulatora), a ładowanie zostało ustawione na priorytet paneli solarnych. W takim wypadku przetwornica nie ładuje akumulatora, a gdy panele naładują go do określonego napięcia (ustawione 14.2V) wówczas przełącza się ona na pracę z akumulatora i korzysta z niego tak długo aż osiągnie dolne graniczne napięcie (ustawione 11V). Następnie przełącza się na zasilanie z sieci i czeka aż panele doładują akumulator do napięcia 14.2V.
Ciekawostką jest fakt, że w tym trybie przetwornica nadal pobiera prąd z akumulatora (rzędu 0.8A), więc napięcie na nim systematycznie spada jeśli nie ma słońca, ale przetwornica co jakiś czas przełącza się w tryb ładowania akumulatora z sieci zwracając pobraną z niego energię. Mechanizm ten jest zapewne związany z podtrzymywaniem układów przetwarzających napięcie z akumulatora na wyjściowe 230V (mimo, że przetwornica pracuje obecnie na zasilaniu z sieci) dzięki czemu przełączenie na drugi tryb pracy jest znacznie szybszy.
W opisanym wyżej trybie pracy bardzo ładnie odzyskiwana jest energia z akumulatora zgromadzona ze słońca (akumulator powinien być LiFePo4 ze względu na systematyczne głębokie rozładowania), jednak pojawia się tutaj pewien problem. Jeśli hybryda rozładuje akumulator do napięcia 11V i przełączy się na pracę z sieci - co się stanie jeśli nagle teraz elektrownia wyłączy prąd? Hybryda zaświeci lampkę alarmową i wyłączy się. Drugi problem jaki został zaobserwowany to kiepska sprawność ładowania PWM, którego należy raczej unikać jeśli chodzi o ładowanie z paneli. O ile przy bardzo silnym nasłonecznieniu sprawność była dobra to przy średnim i słabym spadała nawet do 30% w stosunku do zewnętrznej przetwornicy, która nie zbijała napięcia z paneli do poziomu dużo poniżej wydajnego obszaru pracy. Zdarzały się momenty, że hybryda w ogóle nie startowała z ładowaniem mimo, że na panelach było 40V napięcia, brzęczała, a prąd ładowania się nie pojawiał (PWM to naprawdę słaby, prosty sposób regulacji przy zmiennym napięciu wejściowym). W rezultacie przetwornica została zostawiona w trybie ładowania akumulatora tylko z paneli lecz gniazda zasilania z paneli zostały niepodłączone, a akumulatory ładowane były z zewnętrznej przetwornicy MPPT o wysokiej sprawności. Oczywiście prościej kupić hybrydę z MPPT tylko trzeba użyć dwóch akumulatorów 12V szeregowo, a to może zwiększyć koszty (sama hybryda z układem MPPT kosztuje ok. 35% więcej w stosunku do PWM). Problem z sytuacją awaryjnego wyłączenia hybrydy przy zbyt niskim napięciu na akumulatorze oraz braku zasilania sieciowego został rozwiązany za pomocą prostego sterownika. Sterownik ten sprawdza dwa parametry - napięcie na akumulatorze i napięcie w sieci. Jeśli pierwsze napięcie spadnie poniżej zadanego (np. 11.1V) oraz braknie napięcia w gniazdku - sterownik przełącza przekaźnikiem akumulatory - identycznie jak jest to opisane w Rozwiązaniu z dwoma akumulatorami. W przetestowanej konstrukcji sterownik zdążał przełączyć akumulatory nawet jeśli przetwornica pracowała już w trybie sieciowym i wtedy zostało odłączone zasilanie - błyskawicznie zostawał podstawiony drugi akumulator i przetwornica mogła prawidłowo generować napięcie wyjściowe 230V przy zasilaniu z drugiego akumulatora. Oczywiście jeśli i on zostanie rozładowany przetwornica wyłączy się i trzeba brać to pod uwagę w zależności od przyczyny, która spowodowała przerwę w dostawie prądu bo może się okazać, że trzeba ten drugi akumulator oszczędzać...
Co na temat głośnych wentylatorów? To również uległo modyfikacji w opisywanej konstrukcji. Okazało się, że hybryda mając dwa wentylatory używa prawie zawsze tylko jednego - jeśli pracuje w trybie ładowania akumulatora mocno kręci się jeden wentylator, a jeśli w trybie przetwarzania napięcia 12V na 230V wyje drugi wentylator, przy czym ten pierwszy stoi w miejscu. Do zasilania wentylatorów zostały więc wprowadzone układy przenoszące zasilanie między nimi w ten sposób, że jeśli zasilany był jeden to na drugi dostarczane było nieco niższe napięcie. W rezultacie w każdym trybie pracy kręciły się oba wentylatory skuteczniej i ciszej chłodząc wnętrze urządzenia. Dodatkowe czujniki temperatury umieszczone na radiatorach zwiększały obroty wentylatorów w przypadku znacznego nagrzania radiatorów, które występowało przy przetwarzaniu dużych mocy (powyżej 300W). Fabrycznie urządzenie ma takie czujniki termiczne jednak nie służą one do płynnej regulacji obrotów, lecz do progowej, przez co wentylatory albo się nie kręcą albo pędzą z pełną mocą.
Inną wadą konstrukcyjną był kierunek nawiewu powietrza ze wspomnianych wentylatorów. Pomimo, że konstrukcja w wyraźny sposób przystosowana jest do montażu wiszącego (wentylatory u dołu) to oryginalny kierunek ciągu wentylatorów był na zewnątrz, co było trochę bez sensu biorąc pod uwagę fakt, że nagrzewające się elementy są mniej więcej w środku wysokości obudowy, a ciepłe powietrze unosi się przecież w górę, a nie opada. Wentylatory zostały przemontowane tak, aby powietrze napływało od dołu i wylatywało przez otwory na górze obudowy.
Podsumowując - solarna przetwornica hybrydowa jest bardzo dobrym automatycznym urządzeniem, jednak jeśli ma w pełni korzystać ze zgromadzonej w akumulatorze energii oraz w pełni zabezpieczać zasilanie przed awarią prądu, konieczny jest dodatkowy sterownik, przekaźnik i drugi akumulator. Aby uzyskać pełną sprawność energetyczną z paneli trzeba albo wybrać model urządzenia z MPPT albo liczyć się z zakupem dodatkowej ładowarki solarnej MPPT, która będzie działała niezależnie od przetwornicy hybrydowej (to trochę bolesne bo płacąc za urządzenie 3w1 wykorzystywane są tylko dwie z trzech funkcji).
Na podstawie obserwacji pracy hybrydy 1000/2000 w ostatnich tygodniach, z jednym akumulatorem 55Ah (drugi zapasowy) i 3 panelami 110W, można stwierdzić, że lepszym rozwiązaniem będzie zakup urządzenia Powland o mocy 2400/3000W (24V) MPPT i praca z dwoma akumulatorami (lub zmontowanie od razu jednego na 24V - 8 ogniw LiFePo4). Przy ustawieniu odpowiednio wysokiego dolnego progu napięcia powrotu przetwornicy do zasilania sieciowego można sobie darować akumulator zapasowy. Połączenie paneli - szeregowe.
Koszt instalacji na 22.05.2023:

• Przetwornica hybrydowa Powland SMH MPPT 24V 2400W :: 1300 zł
• 8 ogniw LiFePo4 55Ah + balanser 5A 8S :: 1700 zł
• dodatkowy (czwarty) panel 110W :: 350 zł (czyli panele razem: 1400 zł)

Cztery panele 110W/22V, połączone szeregowo, będą bardzo ładnie współpracować z tą przetwornicą (maksymalne napięcie jakie ona obsługuje to 102V).

Ciągłe zasilanie lodówki / zasilanie z paneli. [15.05.2023/03.07.2023]

TOP

Jednym z ciekawszych i zarazem trudniejszych zagadnień jest organizacja zasilania urządzeń chłodzących, tak aby współpracowały z instalacją solarną.
Lodówki nowszego typu, posiadają silniki inwertorowe (podobnie jest w nowszych pralkach), które nie stanowią dla instalacji żadnego wyzwania i jedyne co trzeba im zapewnić to nieprzerwane, stabilne zasilanie. Inaczej jednak jest w przypadku nadal najpopularniejszych lodówek z silnikami indykcyjnymi startującymi z pomocą kondensatora rozruchowego. Sytuacja jest niemal identyczna jak przy rozruszniku samochodowym, aby silnik wystartował potrzebna jest bardzo duża moc, w krótkim czasie. Przykładowa lodówka, która w normalnym trybie pracy pobiera 66W, podczas rozruchu wymaga nawet do 1200W przez czas od 1 do 2 sekund. Niedostarczenie takiej mocy w czasie rozruchu lodówki spowoduje, że silnik nie wystartuje, ale będzie pobierał znaczną moc (w tym przykładzie 450W). Duży prąd jaki popłynie przez uzwojenia silnika spowoduje nagrzanie się uzwojeń i zadziałanie bezpiecznika termicznego, który odłączy zasilanie silnika do czasu aż uzwojenia ostygną. Nie trzeba chyba tłumaczyć iż jest to dość niekorzystna sytuacja, która nie powinna się zbyt często powtarzać. Co się stanie po ostygnięciu bezpiecznika? Jego styki ponownie zaczną przewodzić i silnik dokona ponownej próby uruchomienia się.
I tutaj ważna uwaga - mimo dostępnej odpowiedniej mocy może się to nie udać! Gdy poprzednio silnik próbował wystartować, jego wirnik mógł się nieco obrócić i jest teraz w najmniej odpowiednim ustawieniu do rozruchu. Może więc znowu nastąpić lekkie poruszenie wirnika i znowu pobór dużego prądu aż do zadziałania bezpiecznika. Zazwyczaj w kolejnej próbie silnik uruchamia się bez problemów.
Do czego powyższe informacje mogą być przydatne? Ano do tego aby nie stosować do zasilania lodówki UPSów, które mają słabą moc wyjściową lub mają zbyt mały margines chwilowej mocy przeciążeniowej. Wspomniane w artykule Podstawy przetwornice ECO, z miękkim startem, opisywane jako idealne do lodówek, wiertarek i innych sprzętów z silnikami indukcyjnymi, niekoniecznie muszą spełnić swoją rolę. Wszystko zależy od tego jak algorytm mocy wyjściowej takiej przetwornicy będzie współpracował z agregatem lodówki. Prostszym i tańszym rozwiązaniem może się okazać normalna przetwornica z czystym sinusem oraz odpowiednią mocą wyjściową (np. 1000/2000). Jednak zastosowanie przetwornicy nie-ECO stworzy problem utraty mocy przez to, że musi ona działać cały czas i pobierać tzw. prąd biegu jałowego.
Przykładowo - dobra przetwornica (o wysokiej sprawności) z czystą sinusoidą i ciągłą mocą wyjściową 1500W może pobierać na luzie prąd 1.5A przy 13.3V zasilania z akumulatorów LiFePo4 (20W).
W opisywanym tutaj rozwiązaniu, zastosowana jest przetwornica 1000W (chwilowa 2000) zasilana z zestawu akumulatorów o celowo niższym napięciu. Trzeba pamiętać, że te przetwornice posiadają zabezpieczenie przed zbyt niskim napięciem wejściowym (z akumulatorów) i wyłączają się gdy napięcie wejściowe spadnie np. poniżej 10.5V. Przeprowadzony szereg testów z uruchamianiem lodówki i niższym napięciem wejściowym przetwornicy pokazał, że 3 ogniwa LiFePo4 dają zbyt niskie napięcie (mimo dużego możliwego do pobrania prądu) i zastosowano 3 nowoczesne ogniwa Litowo-Polimerowe z aktywnym balanserem 3S 5A (ogniwa posiadają pojemność 21Ah, koszt jednego - 70 zł, koszt balansera - 50 zł). Dzięki temu, że przetwornica pracuje na nieco niższym napięciu wejściowym niż gdyby była podłączona do ogniw LiFePo4 - pobiera znacznie mniejszy prąd biegu jałowego, rzędu 0.8A co daje ciągły pobór mocy ok. 10W i z taką stratą można się już pogodzić. Zagadnienie to można pominąć przy zastosowaniu przetwornicy ECO IPS. Akumulator stworzony z ogniw Li-Po posiada ok. 12.2V napięcia przy pełnym naładowaniu i pozwala na "pociągnięcie" chwilowego prądu nawet 100A. Przeliczając prądy - przy sprawności ok. 90% na przetwornicy, zapotrzebowanie lodówki na chwilową moc 1100W wygeneruje ok 100A na akumulatorze. W praktyce jest to rzadkość (ale zdarza się), zazwyczaj prąd z akumulatorów podczas uruchamiania lodówki wynosił 60A po czym spadał do 6A gdy zaczynała już pracować. Tutaj cenne spostrzeżenie na temat bardzo dobrej sprawności przetwornicy - przy mocy wyjściowej na lodówkę rzędu 66W, pobierała z akumulatora moc 72W.
Kolejny problem jaki należy rozwiązać to sposób ładowania akumulatora. I tutaj znów przychodzi z pomocą sterownik uruchamiający przekaźnik przy określonych progach napięcia (ustalone 11.5V dolny i 12.5V górny), natomiast do ładowania akumulatora można zastosować jeden z popularnych zasilaczy LED 12V, o wydajności 6-10A i regulowanym napięciu wyjściowym (napięcie ustawione na 12.8V). Dlaczego nie podłączyć zasilacza bezpośrednio do akumulatora tylko stosować sterownik? Może i sterownik nie jest bezwzględnie konieczny, ale eliminuje zasilanie przetwornicy wprost z tego zasilacza. Korzystniej uruchomić ładowanie raz na jakiś czas, doładować akumulator do odpowiedniego napięcia i wyłączyć ładowarkę. Dzięki temu wykluczona jest sytuacja, że lodówka podczas uruchamiania przeciąży zasilacz LED (chociaż zwykle mają one odpowiednie zabezpieczenia to często uruchamiają się ponownie dopiero po odłączeniu i ponownym podłączeniu do zasilania).
Cała opisana wyżej konstrukcja przypomina niego projekt UPS Online własnej konstrukcji, z tym że w akumulatorze zastosowane są inne ogniwa i jest ona rozpatrywana pod kątem osobnego zasilania lodówki włączonej w obwód domowej instalacji solarnej co stanowi ogromną zaletę w przypadku posiadania głównej przetwornicy o niezbyt wysokiej mocy - nigdy bowiem nie nastąpi przeciążenie jej przez startującą lodówkę, a uruchamianie jej nie będzie wpływało na pracę wszystkich pozostałych urządzeń podłączonych do tej instalacji.
Jeśli zastosowana jest przetwornica hybrydowa o ciągłej mocy 2 do 4kW to można bezpośrednio z takiej przetwornicy zasilać lodówkę bez obawy, że jej uruchomienie spowoduje odczuwalny spadek napięcia na wyjściu przetwornicy. Opcjonalnie między lodówką, a resztą instalacji można zastosować dławik LC, który częściowo przejmie na siebie uderzeniowe zapotrzebowanie na moc w chwili startu urządzenia chłodniczego, jednakże jego zastosowanie musi być uwarunkowane sprawdzeniem, czy podczas przełączania głównej przetwornicy między zasilaniem z sieci, a zasilaniem z akumulatora nie powoduje "wytrącenie z równowagi" pracującego silnika lodówki w wyniku chwilowego przesunięcia fazy (między napięciem a prądem).
W małym mieszkaniu blokowym, podłączenie lodówki pod zasilanie solarne jest dosyć istotne jeśli chodzi o uzyskanie odczuwalnej oszczędności. Przeciętna lodówka pobiera ok. 1.2KWh dziennie co w skali miesiąca da, według obecnego cennika, ok. 30 zł kosztów, które można sprowadzić niemal do zera.

Moja lodówka szarpie agregatem podczas przełączania zasilacza awaryjnego, co robić?
Jest to niestety bardzo realny scenariusz dla wszystkich przeciętnych lodówek z silnikiem indukcyjnym.
W przypadku jeśli zasilacz awaryjny, czy przetwornica zasilania z paneli solarnych, nie dopasowują momentu przełączenia zasilania do przebiegu napięcia zasilającego (czasem jest to po prostu niemożliwe), może się zdarzyć, że silnik lodówki zgubi synchronizację i zacznie "skakać" próbując trafić na właściwy tor, po otrzymaniu zasilania z przesuniętym przebiegiem sinusoidalnym, w stosunku do tego przed przełączeniem.
Najprostszym rozwiązaniem będzie sztuczne powiększenie przerwy w zasilaniu lodówki, tak aby silnik zdążył się spokojnie zatrzymać. Konieczny będzie więc układ reagujący bardzo szybko na minimalną przerwę jaka powstaje w wyniku przełączenia zasilania oraz układ opóźniający, który przywróci zasilanie lodówki po kilkunastu sekundach. Kłopotliwa w tym projekcie będzie czułość na brak zasilania w czasie 10ms, jednak rozwiązanie jest możliwe dzięki zastosowaniu transoptora. Działający układ prototypowy widoczny jest na kolejnym zdjęciu i składa się z przetwornicy 230V / 5V, opóźniacza na układzie NE555 oraz czujnika zasilania na transoptorze. Działanie wszystkich trzech modułów sygnalizowanie jest diodami LED. Układ wykrywa minimalną przerwę w zasilaniu będącą efektem przełączania się przetwornicy solarnej i za pomocą przekaźnika odcina zasilanie lodówki, przywracając je automatycznie po kilkunastu sekundach. Jest to wystarczające opóźnienie aby agregat lodówki spokojnie się zatrzymał, a ponieważ elektronika lodówki także ma pewne opóźnienie, uruchomi agregat ponownie dopiero po około minucie.

UPS line-interactive własnej konstrukcji w instalacji solarnej. [10.01.2024/03.03.2024]

TOP

Kolejna konstrukcja jest wynikiem poszukiwania złotego środka między minimalnym własnym zużyciem energii przez urządzenia instalacji solarnej, a maksymalną mocą wytwarzaną przy pełnej automatyzacji całości. W poprzednich artykułach były opisane przetwornice hybrydowe, teraz nadszedł czas na zaprezentowanie bardzo ciekawego inwertera DC/AC generującego napięcie przemienne o przebiegu czystej sinusoidy i mocy ciągłej 2000W (kilkusekundowej do 4000W). Ponieważ sama przetwornica nie posiada funkcji zasilacza UPS / ładowarki akumulatorów, dlatego też konieczne będzie podłączenie dodatkowych układów sterujących, przełączających, a także balansera 12+12V i ładowarki solarnej MPPT. Wszystkie urządzenia zostały starannie wyselekcjonowane ze względu na jakość, funkcjonalność i ekonomię (cena).

Założenia instalacji są następujące:

• Akumulatory ładowane są wyłącznie z paneli solarnych
• Instalacja przełącza się na przetwornicę zasilaną z akumulatorów gdy napięcie na nich osiągnie określony poziom
• Instalacja przełącza się na zasilanie z sieci gdy napięcie na akumulatorach spadnie do określonego poziomu
• Gdy napięcie na akumulatorach będzie poniżej dolnego poziomu, ale nastąpi zanik napięcia w sieci, instalacja ponownie przełączy się na przetwornicę
• Instalacja nie pobiera z sieci mocy biernej pojemnościowej (kto płaci a kto będzie płacić)

Prawie wszystkie powyższe założenia mógłby spełnić UPS dobrej jakości, jednak każdy obarczony jest dość wysokimi stratami mocy zarówno podczas pracy z baterii jak i podczas pracy z sieci. Po pierwsze UPS samoczynnie doładowuje akumulatory, co prawda prąd ładowania jest raczej niski (proces ładowania do 80% zwykle trwa kilka godzin), ale jest obarczony stratami rzędu 40-50% (czyli pobiera 100W a na akumulatory trafia przykładowo tylko 55W). A projekt przewiduje wyłącznie ładowanie z paneli w celu zmaksymalizowania zysku energetycznego. Po drugie w trakcie pracy z sieci pobiera co najmniej 20W mocy więcej niż oddaje (dla UPSa o mocy 700W i obciążeniu 150W). Po trzecie podczas pracy z baterii na niskim obciążeniu także traci dużo mocy (niska sprawność i duży prąd biegu jałowego). Po czwarte, UPS będzie prawie na pewno pobierał dużo mocy biernej pojemnościowej. No i po piąte, UPS czysty sinus, o mocy 2000W będzie kosztować jakieś 1500-2000 zł.

Jak prezentują się koszty opisywanego projektu?

• Koszt przetwornicy - ok. 550 zł
• Koszt ładowarki MPPT - ok. 150 zł
• Balanser 12+12 - ok. 60 zł
• Koszt elementów dodatkowych (sterownik, przekaźnik) - ok. 90 zł
• Koszt ulepszenia sterowania wentylatorami przetwornicy - ok. 50 zł
• Opcjonalne mierniki mocy 2 sztuki - ok. 100 zł

Cały projekt nie byłby możliwy gdyby nie bardzo interesująca praca przetwornicy. Otóż przy ogromnej (jak na takie urządzenie) mocy wyjściowej i czystej fali sinusoidalnej, posiada ona specjalny system oszczędzania energii. Kluczuje energią pobieraną z akumulatora i doładowuje układy przetwarzające napięcie stałe na przemienne. Dzięki temu, przy niskim obciążeniu wyjścia, ma bardzo niskie straty własne. Przykładowa przetwornica opisywana w artykule UPS online własnej konstrukcji, w trybie pracy jałowej pobiera od 15 do 20W. Przeliczając to na cały miesiąc pracy wychodzi 13kWh pobranej energii. Opisywane wcześniej przetwornice ECO, tylko częściowo eliminują ten problem ponieważ zaczynają generować napięcie wyjściowe dopiero po wykryciu zapotrzebowania na energię (przykładowo lodówka chce się włączyć) i są dość czułe na nowe obciążenia w obwodzie wyjściowym (mogą się niepotrzebnie restartować). Opisywana tutaj przetwornica cały czas generuje sinusoidalne napięcie na wyjściu jednocześnie pobierając w stanie jałowym zaledwie 4-5W mocy! To z czym trzeba się uporać to pojawienie się zakłóceń po stronie akumulatorów, ze względu na system kluczowania poborem energii.

Instalacja składa się z następujących elementów:

• Przetwornicy sinus 2000/4000W zasilanej z 24V
• Balansera akumulatorów 12+12V/4A (ze względu na użyte dwa akumulatory)
• Układu sterowania przekaźnikiem
• Układu z podstawowymi filtrami, przełączającego źródło zasilania
• Układu zaawansowanego filtrowania napięcia wyjściowego
• Ładowarki solarnej MPPT 400W
• Zestawu łączników i kabli oraz mierników mocy

Panele solarne zostają te same, które były opisywane wcześniej, to samo tyczy się akumulatorów LiFePo4, z tym że teraz będą one pracować szeregowo (z balanserem), zamiast jak uprzednio w układzie z przekaźnikiem 100A.
Górne napięcie na akumulatorach, przy których instalacja przełączy się na przetwornicę to 27V.
Dolne napięcie ustalone jest na 23V (to jest po 11.5V na akumulator, zostawia to trochę zapasu na pracę awaryjną w przypadku braku napięcia w sieci 230V, akumulatory LiFePo4 mogą się bez problemu rozładowywać do 10V).
Wyżej opisane funkcje realizuje sterownik, który mierzy napięcie na akumulatorach oraz sprawdza czy w sieci energetycznej jest napięcie. Jeśli chodzi o przetwornicę to pracuje ona prawidłowo w zakresie napięć zasilających 20 do 29V, a wyłącza się automatycznie przy napięciu poniżej 19V oraz powyżej 30V. Jednak przy napięciu między 19V a 20V kluczowanie poborem energii z akumulatorów nie działa i pobór prądu w stanie jałowym wzrasta do 1.2A, dlatego należy unikać pracy w tym zakresie, chyba, że jest to stan pracy awaryjnej do końca pojemności akumulatorów. Niemniej dzięki wewnętrznemu zabezpieczeniu nie rozładuje ona akumulatorów do napięcia dla nich szkodliwego (większość przetwornic ma taką funkcję). Dla prawidłowej pracy akumulatorów i samej przetwornicy, maksymalne napięcie wyjściowe z ładowarki MPPT ustalone jest na 28V. Co prawda w teorii akumulatory LiFePo4, z ośmioma ogniwami, ładuje się do napięcia 29.2V jednak ładowanie do tak wysokiego napięcia ma sens jeśli zaraz potem źródło ładowania zostaje odłączone. W przeciwnym wypadku wzrasta niebezpieczeństwo przeładowania akumulatora (zbyt długie utrzymywanie fazy stałego napięcia prowadzi do nadmiernej absorpcji), a regularne przeładowywanie akumulatora LiFePo4 może spowodować skrócenie jego cykli żywotności nawet 10 krotnie!
Dzięki wyższemu napięciu zasilania przetwornicy (24V) można zastosować kable akumulatorowe o mniejszym przekroju. Dla maksymalnej mocy 2000W przez kable będzie płynął prąd 85A. W opisywanym projekcie zastosowano dwa przewody po 6mm2 na każdy biegun. Następnie są one zagniecione i zalutowane na grubej blaszce (1.5mm) miedzianej z otworem 8mm (na śruby mocujące zasilanie). Oczywiście można zastosować gotowe oczka na końcówki kabli jednak muszą one mieć grubość przynajmniej 1mm i możliwość zaciśnięcia kabla o przekroju 10-12mm2. Wyżej podane przekroje są dla dłuższych przewodów i dla zakładanej mocy maksymalnej. Jeśli średnia moc w instalacji jest w okolicach 200W to spokojnie można użyć pojedynczych kabli 8mm2 przy długości do 2m (między akumulatorem a przetwornicą). W omawianej konstrukcji przetwornica została w środku wzbogacona o dwa małe układy - resetowanie stanu alarmowego oraz filtrowania zasilania wentylatorów. Jak zawsze w opisywanych projektach duży nacisk kładziony jest na wyciszenie pracujących urządzeń, a fabrycznie funkcja kluczowania pobieraniem energii z akumulatora wpływała w niekorzystny sposób na pracę wentylatorów. Z kolei resetowanie stanu alarmowego jest opcjonalne ale przydatne, jeśli bowiem z jakiegoś powodu przetwornica wchodzi w stan alarmowy, już w nim pozostaje aż do ręcznego wyłączenia i włączenia. Układ resetowania robi to automatycznie z odpowiednio długim opóźnieniem - założenie jest bowiem takie, że stan powodujący przejście przetwornicy w tryb alarmowy jest przejściowy.

Cała instalacja działa w następujący sposób:

• Domyślnie przekaźnik jest wyłączony i napięcie na wyjściu dostarcza sieć zasilająca 230V
• Podłączenie stycznikiem akumulatorów (26V) do obwodu uruchamia przetwornicę w trybie jałowym
• Jeśli jest pogoda, panele solarne zaczynają ładować akumulatory
• Gdy napięcie na akumulatorach przekroczy 27V sterownik uruchomi przekaźnik przełączając źródło zasilania
• Przetwornica zaczyna pracować jako główne źródło zasilania dla obwodów wyjściowych
• Energia pobierana jest zarówno z akumulatorów jak i z paneli
• Gdy napięcie na akumulatorach spadnie poniżej progu 23V sterownik wyłączy przekaźnik i źródłem zasilania będzie ponownie sieć energetyczna
• Jeśli teraz zdarzy się przerwa w dostawie prądu z sieci energetycznej, sterownik ponownie przełączy przekaźnik
• Przetwornica będzie pracować jako główne źródło zasilania do przywrócenia zasilania w sieci lub rozładowania akumulatorów

W celu zminimalizowania ryzyka przeładowania akumulatora w czasie słonecznych dni i małym poborze energii zastosowano kolejny sterownik. Układ ten sprawdza napięcie na akumulatorze i steruje wyjściem ładowarki solarnej w wąskim zakresie napięć. Dzięki temu, że posiada on także timer można go wykorzystać do ograniczenia nadmiernego ładowania. Przekaźnik (30A) włącza obwód ładowarki solarnej gdy napięcie na akumulatorach spadnie poniżej 27.5V. Jednocześnie sterownik zaczyna mierzyć czas ładowania do ustalonej granicy 2h. Ładowarka solarna zostaje odłączona po osiągnięciu ustalonego napięcia 28.5V albo po upływie 2h czasu ładowania. Takie ustawienie sterownika pozwala na utrzymywanie napięcia na akumulatorze w okolicach 28V uniemożliwiając przeładowanie ogniw LiFePo4. Koszt sterownika z wyświetlaczem LCD to ok. 25 zł.
Cały układ zachowuje się jak hybrydowa przetwornica solarna poza dwiema cechami:

• nie potrafi naładować akumulatorów z sieci (w pewnym sensie wada)
• nie pobiera w ogóle energii biernej pojemnościowej (mocna zaleta)

Dociekliwy czytelnik może zadać pytanie - dlaczego w projekcie nie jest użyty popularny przełącznik ATS, automatyzujący przełączanie źródła zasilania. W rzeczywistości takie urządzenie i tak musiałoby posiadać osobny sterownik podobny do wyżej opisanego, ponieważ jego działanie opiera się na sprawdzaniu dwóch źródeł napięcia, przy czym jedno zawsze jest priorytetowe. W trybie automatycznym ATS przełączy się na zasilanie z przetwornicy jeśli zaniknie napięcie w sieci 230V, jednak gdy napięcie wróci, ATS przełączy się z powrotem na zasilanie sieciowe. W opisywanym projekcie przetwornica nadal będzie zasilać obwód odbiorników w mieszkaniu do momentu aż napięcie na akumulatorach dojdzie do ustalonej, dolnej granicy. Tylko dzięki temu można na bieżąco odzyskiwać energię zgromadzoną w akumulatorze, przy zwykłym przełączniku ATS akumulator ciągle byłby pełny lub należałoby taki przełącznik ustawić w tryb manualny i ręcznie wybierać skąd odbiorniki mają pobierać energię.

Wracając do opisywanego układu - mała uwaga na koniec - jeśli instalacja ma działać jako zasilanie awaryjne w czasie gdy przez wiele dni nie ma słońca, należy pomyśleć o opcjonalnym, cyklicznym podładowywaniu akumulatorów tak aby utrzymywały w miarę stałą pojemność.

BMS na przekaźniku i doładowywanie akumulatora [31.01.2024/12.02.2024]

TOP

W wyżej opisanym układzie brakuje obwodu, który będzie podtrzymywał akumulator przy życiu w pochmurne dni. Z racji tego, że przetwornica działa cały czas w tle i mimo bardzo niskiego poboru mocy przy pracy jałowej, rozładowuje akumulatory, lepiej zastosować układ BMS. Battery Managent System działa na zasadzie kontroli pracy ogniw i jeśli wykryje jakieś nieprawidłowości, poziom napięcia spoza bezpiecznego zakresu lub zbyt duży prąd, to odcina akumulator od reszty obwodu. W jaki sposób zostaje włączony ponownie zależy od przyczyny wyłączenia.
W opisywanym przypadku chodzi o zabezpieczenie przed nadmiernym rozładowaniem - klasyczny BMS odetnie możliwość poboru mocy z akumulatora i będzie czekał na ładowanie (aż napięcie wzrośnie do bezpiecznego poziomu). Jednak BMS nie wysyła żadnego sygnału, że akumulator ma być podłączony do ładowania, trzeba by więc czekać albo na dobre słońce albo ręcznie włączać dodatkową ładowarkę. Stąd kolejny projekt - uproszczony BMS działający na przekaźniku mocy (100A).
Układ sterujący przekaźnikiem to klasyczny moduł komparatora NE555, który mierzy napięcie akumulatora. W momencie gdy napięcie na akumulatorze spadnie do poziomu ustalonego potencjometrem (21V) sterownik wyłącza przekaźnik odcinając akumulator od reszty obwodu. Przetwornica przestaje działać a moduł komparatora uruchamia dodatkowy zasilacz ładujący akumulator. Na zdjęciu widoczny jest zmodyfikowany moduł z komparatorem NE555. Warto zauważyć, że układ XH-M601 działa w zakresie napięć w okolicach 12V dlatego też, cały obwód został włączony "w połowie" akumulatora 24V (dokładny podział napięć zapewnia wspomniany wcześniej balanser 12+12). Wymieniony jest przekaźnik z 12V na 9V (trzeba pamiętać, że włącza się on gdy napięcie mierzone spada do 10.5V a wyłącza gdy osiągnie 12V), dodane zostały łączniki śrubowe na kable przyłączeniowe oraz dołożony jest dodatkowy tranzystor wykorzystujący negatywne wyjście komparatora i sterujący przekaźnikiem mocy (sam układ NE555 był na to za słaby).
Obwód jest tak skonstruowany, że akumulator może być jednocześnie z zasilaczem ładowany z ładowarki solarnej i w momencie gdy napięcie na nim osiągnie górny poziom (ustalony drugim potencjometrem, w tym wypadku 12V czyli na całym zespole będzie 24V) przekaźnik mocy uruchomi się, dodatkowy zasilacz zostanie odłączony, przetwornica zacznie działać w trybie jałowym, a jeśli jest słońce to ładowarka solarna będzie ładować akumulator z pełną mocą. Zastosowany zasilacz ma wydajność 2A przy 24V (możliwość regulacji napięcia od 19 do 28V). Ponieważ zabezpieczenia restartują go gdy prąd przekroczy 2.0A (przy dużym obciążeniu nie będzie ładować a jedynie restartować się bez końca), został dodany obwód stało-prądowy ustawiony na wartość ok. 1.8A.
W ten sposób niezależnie od napięcia na akumulatorze zasilacz ładuje go jednakowym prądem aż do odłączenia przez wyżej opisany moduł sterownika.

Rozbudowa rozwiązania [19.02.2024]
W dalszym rozwoju konstrukcji przetestowany został nowoczesny przekaźnik SSR. Przekaźnik taki (Solid State Relay) nie zawiera już w konstrukcji ani cewki elektromagnesu ani styków zwiernych ale elementy półprzewodnikowe (tranzystory MOSFET lub Triaki). Zaletą jest niski prąd podtrzymania (sterowania), bardzo duża szybkość włączania/wyłączania, oraz duża trwałość ze względu na brak ruchomych elementów mechanicznych. To czego nie udało się uniknąć to pewnej oporności na stykach, która przy bardzo dużych prądach będzie powodować nagrzewanie się takiego przekaźnika (można je spotkać w zestawach z radiatorami, które wcale nie są małe). Ponieważ w tym konkretnym przypadku będzie użyty przekaźnik DC/DC (czasem skrótowo DD, stałe napięcie sterowania, stałe napięcie przełączania) należy pamiętać o jeszcze jednej wadzie (bądź zalecie w zależności od potrzeb). Otóż jeśli elementem przełączającym w elektronicznym przekaźniku SSR jest tranzystor MOSFET to zawiera on na wyjściach S-D (źródło-dren) odwrotnie spolaryzowaną diodę mocy, co oznacza, że nawet jeśli jest wyłączony przewodzi prąd w drugą stronę (od zacisku [-] do [+]). W opisywanej konstrukcji będzie to zaleta ponieważ wyżej opisany sterownik układu BMS dopuszcza ładowanie akumulatorów z paneli solarnych gdy przekaźnik mocy jest wyłączony (tak aby przyśpieszyć powrót akumulatorów do bezpiecznego poziomu napięcia). Na zdjęciu widoczny jest wspomniany przekaźnik (przenoszony prąd do 100A). Przekaźnik sterowany jest z kolejnego zmodyfikowanego modułu XH-M601. O ile w sterowniku z poprzedniego rozwiązania obecny był przekaźnik uruchamiający zasilanie ładowarki 24V 2A to obecnie ten element został przeniesiony na główną tablicę rozdzielczą. Ma to ogromną zaletę polegającą na całkowitym usunięciu napięcia przemiennego 230V z tablicy zawierającej sterowniki DC. Natomiast wolne miejsce na płytce sterownika zostało wykorzystane do montażu dwóch przycisków - umożliwiają one zmianę stanu pracy między dolnym i górnym zakresem ustalonych napięć. Jeden przycisk wymusza uruchomienie ładowarki 24V, a drugi umożliwia jej wyłączenie, oczywiście nie narusza to pracy sterownika gdy napięcie jest poniżej lub powyżej ustawionych napięć, ręcznie wymuszanie działa tylko w zakresie pomiędzy nimi (umożliwia to testy i kontrolę pracy urządzeń). Na zdjęciu sterownika widoczne są przewody:

• sterujące przekaźnikiem włączającym ładowarkę 230AC->24DC 2A
• sterujące przekaźnikiem SSR DD 100A
• mierzące napięcie w połowie baterii akumulatorów LiFePo4

Sterownik został także wzbogacony o kondensatory elektrolityczne niwelujące stany nieustalone podczas włączania lub wyłączania zasilania (oryginalna konstrukcja XH-M601 jest niestety na to nieodporna).

Kompletne rozwiązanie [03.04.2024/13.05.2024]

TOP

Poniżej widoczny jest zarys schematu blokowego kompletnej konstrukcji zasilania solarnego z omówioną wyżej przetwornicą. Dodatkowym nie opisanym wcześniej elementem, jest tłumik napięcia, który zapobiega stanom nieustalonym na ładowarce solarnej w przypadku gdy słońce jest poza widnokręgiem, ale światło jest na tyle mocne aby odkładało się na kondensatorach ładowarki i uruchamiało ją cyklicznie. Tłumik działa na zasadzie ekspandera, gdy moc jest odpowiednio wysoka odłącza obciążenie tłumiące napięcie z paneli i pozwala na stabilną pracę ładowarki solarnej.
Można także zauważyć, że z paneli prowadzone są 3 przewody, jeden to wspólna masa (-), pozostałe dwa to "plusy", które sumują się potem na diodach schottky'ego dużej mocy (dwa zespoły po 2 x 20SQ045 z radiatorami, 0.3V przy 10A). Trzeba pamiętać, że przy takim połączeniu wspólny kabel (-) musi mieć przekrój większy niż pozostałe dwa (+), ze względu na przenoszenie sumarycznego prądu z obu zestawów paneli.

On-grid na żądanie czyli sterowanie mocą przetwornicy on-line [12.06.2024]

TOP

Jednym z ciekawszych rozwiązań jest przystosowanie przetwornicy solarnej on-grid do pracy z akumulatorów.
Testowa przetwornica o mocy 400W (maks. napięcie wejściowe: 55V) pracuje płynnie z paneli fotowoltaicznych przy 34V (ich najlepszy punkt mocy) dzięki bardzo dobremu układowi MPPT. Podłączenie takiej przetwornicy do akumulatorów 36V powoduje, po synchronizacji z siecią, maksymalny wyrzut mocy do sieci przy bardzo dobrej sprawności.
W jaki sposób można to wykorzystać?
Jak wiadomo, w mikroinstalacji bez umowy, podłączenie takiej przetwornicy do sieci może powodować nadmiarową produkcję energii, którą licznik będzie zliczał jako moc pobraną co poskutkuje wyższym rachunkiem. Ponadto w jej normalnym trybie pracy, moc jaką generuje jest zależna od nasłonecznienia w danej chwili i mogą się zdarzać sytuacje, że jest duża produkcja energii gdy nie jest potrzebna (licznik nabija koszty), a gdy jest potrzebna bo np. działa pralka / odkurzacz, to słońca akurat nie ma.
Idealną więc sytuacją aby sprawnie wykorzystywać przetwornicę on-grid jest podłączenie paneli poprzez ładowarkę MPPT do akumulatorów, a następnie poprzez regulator mocy akumulatory podłączone są do przetwornicy on-grid.
Pojawia się tutaj pewien problem ponieważ w gotowej instalacji domowej ciężko jest wcisnąć jakiś miernik mocy, który będzie między skrzynką rozdzielczą a przewodami z zakładu energetycznego, a dodatkowo musi on generować odpowiednie sygnały umożliwiające sterowanie regulatorem mocy.
Bardzo ekonomicznym i prostym ratunkiem w tej sytuacji mogą być bezprzewodowe urządzenia działające w chmurze TUYA (wymaga to także czynnej sieci bezprzewodowej w domu).
Użyty został więc miernik mocy (1P) DDS238-1-W1 z komunikacją po wifi, obsługujący pomiar mocy w obie strony i protokół Tuya (koszt ok. 110 zł). W aplikacji dostępne są bardzo ładne statystyki oraz prezentacja parametrów mniej, więcej w czasie rzeczywistym (opóźnienie kilkanaście sekund). To co jest ważne w tym projekcie to fakt, że można odczytywać parametry tego licznika tworząc tzw. sceny w chmurze Tyua, które sterują sprzężonymi urządzeniami. Kolejnym prostym urządzeniem będzie czterokanałowy przełącznik wifi-tuya, TYWB 4ch-RF, zasilany napięciem 7-32V (koszt ok. 45 zł).
Ponieważ w testowanej instalacji użyte zostały akumulatory LiFePo4 o napięciu 24-28V jako regulator mocy została użyta wysokosprawna przetwornica step-up (500W, koszt ok. 30 zł) podnosząca napięcie do 35V. Czterokanałowy sterownik został tutaj użyty w dość nietypowy sposób - do przełączania drabinki rezystorów włączonych w obwód sterowania maksymalnym prądem przetwornicy step-up. Takie sterowanie w maksymalny sposób upraszcza kontrolę mocy wyjściowej przetwornicy on-grid ponieważ dostosowuje się ona do warunków jakie otrzymuje na wejściu.
To co należy zrobić to zdefiniować za pomocą aplikacji na smartfonie progi mocy przy których mają włączać się odpowiednie kanały przełącznika wifi, tak aby sterować dopuszczalnym prądem przetwornicy step-up, a co za tym idzie maksymalną mocą generowaną do sieci przez przetwornicę on-grid. Mimo, że sterowanie odbywa się skokowo, dzięki drabince rezystorów oraz wykorzystaniu zaledwie 3 kanałów (z 4 dostępnych) można uzyskać aż 8 poziomów mocy, jest to całkowicie wystarczające aby sterować mocą wprowadzaną do sieci domowej na podstawie pomiaru poboru mocy przez urządzenia w niej używane. Ważny tutaj jest także pierwszy poziom najniższej mocy. Z racji, że przetwornica on-grid synchronizuje się z siecią do 3 minut nie można uruchamiać jej za każdym razem gdy spełniony zostanie warunek z wybranej sceny tuya, bo może nie zdążyć zadziałać gdy obciążenie zniknie (np. gotowanie wody w czajniku elektrycznym), musi być w związku z tym uruchomiona na minimalnym przebiegu tak aby możliwy był szybki wzrost mocy. W omawianej instalacji przetwornica on-grid działała na 17W startowej mocy wyjściowej.
W jaki sposób zostały stworzone sceny w chmurze Tuya?
Otóż utworzone zostały reguły warunkowe, na wejściu których odczytywana była moc wskazywana przez miernik mocy i w zależności od przekroczonego progu, uruchamiające odpowiedni przekaźnik rozwierający opornik w drabince podłączonej do regulatora maksymalnego prądu w przetwornicy step-up. Oczywiście muszą być także utworzone reguły "powracające" czyli jeśli moc spada do określonego poziomu to wyłączane są kolejne przekaźniki. Dzięki temu, że przełącznik wifi udostępnia na każdym przekaźniku wszystkie 3 wyjścia można wykorzystać normalnie zwarte styki w drabince (w przetwornicy step-up im niższa wartość rezystancji tym niższy prąd na wyjściu), a ich włączanie powoduje zwiększanie oporu w gałęzi, a co za tym idzie wzrost prądu i większą moc przetwornicy on-grid. Warto tutaj zwrócić uwagę na fakt, że do testowej instalacji została użyta dość słaba przetwornica on-grid i jej moc kończy się na 400W, więc wszystko co będzie w sieci domowej pobierać chwilowo większą moc otrzyma maksymalne "wsparcie" 400W. Docelowo można użyć elementów o większej mocy ale wiąże się to także z wyższymi kosztami (np. regulator step-up o mocy 1000W to już ok. 150-250 zł).
Co jeśli nie będzie sieci wifi, albo przełącznik Tuya przestanie działać? Nic. Dzięki wykorzystaniu normalnie zamkniętych styków na przekaźnikach, przetwornica on-grid będzie po prostu generować minimalną moc do sieci i nie pojawi się żadna nieporządana sytuacja alarmowa.


Warto zauważyć, że wszystkie omawiane tutaj układy generujące napięcie przemienne 230V pracują w niezależnym obwodzie zasilania i nie są sprzęgane z instalacją zasilającą (poza omawianymi wcześniej inwerterami on-grid).