Uvod
Nakon podosta teorije o litijevim baterijama u prethodnim nastavcima serijala i prikaza rješenja kopnenih fotonaponskih sustava s litijevim baterijama, došlo je vrijeme za okušati se ovom tehnologijom na jednoj novogradnji brodice. U brodogradilištu „Dunkić d.o.o.“, u našem lijepom Šibeniku, rađaju se dvije poludeplasmanske brodice Šibenik 800, a njihovi investitori žele iskorak u bateriji opće namjene. Žele zamijeniti olovnu bateriju opće namjene s LFP baterijom. Osnovna ideja je mogućnost spremanja veće količine energije u manju masu. Time brodica u prvom redu postaje komfornija za korisnike. Einstein bi za ovu situaciju rekao: “Sreća se događa pripremljenom umu”. Brodogradilište i investitori prepoznali su i imaju hrabrost iskoristiti našu spremnost. Zahvaljujući ljubaznosti vlasnika brodogradilišta gospodina Dunkića i samih investitora, sve što prolazimo pri ovim novogradnjama podijelit ćemo s vama. Vjerujemo da će to potaknuti i još ponekog brodograditelja ili vlasnika (postojećeg ili budućeg) na sličan iskorak. Danas nitko ne dvoji da su fotonaponski moduli odličan dodatak brodici. Vjerujemo da je bijeg od 100 godina stare tehnologije olovnih baterija prema novim tehnologijama izvora energije za „opću potrošnju“ na brodici nužan. LFP baterija je pri tome tehnološki i komercijalno logičan izbor!
Naravno netko će reći postoji vodik, postoje nove tehnologije tekućih baterija. Točno. Ako se počneš nečim baviti, već si u zaostatku-takav je danas tehnološki tempo. Ali idemo zato korak po korak, idemo zajedno pogledati kako riješiti ove dvije brodice! A dugoročne strateške filozofije i mudrolije tipa „što je budućnost“ prepustiti onima koji se ne usude raditi sada i ovdje.
U ovom prikazu kroz nekoliko nastavaka opisat će se naravno samo oni dijelovi elektrosustava na brodici koji se odnose na spoj LFP baterije i neće se ulaziti u detalje električnog rješenja ostatka sustava, ostavljajući specifičnosti tih rješenja kao draž u razgovoru budućih investitora-kupaca i brodogradilišta Dunkić d.o.o. U opisu rješenja prvo će se opisati spoj komponenata (kroz 2 nastavka) bez prevelikog ulaženja u tehničke detalje komponenata i njihove opise, jer sve smo to već detaljno odradili u našem serijalu. Potom će se jednom nastavku opisati kako smo sustav podizali, podešavali i puštali u pogon. Na kraju u nekom posebnom nastavku, opisat ćemo i stečena iskustva pri korištenju.
Spremnik energije opće namjene i najbliža oprema
Na slici 1. prikazano je srce spremnika za pohranu energije za opću namjenu na brodici. Sustav objedinjuje:
- LFP baterije 12,8 V, 200 Ah, 2 komada
- VE.Bus BMS – sustav za upravljanje isključenjem trošila i punjača
- Lynx Power In – modul razvoda energije s rastalnim osiguračima
- BMV 712 smart – nadzornik baterije
- glavne sklopke
- Class T rastalni osigurači s odgovarajućim nosačima.
Na slici 2. prikazana je shema spoja komponenata sa slike 1. LFP baterije u sebi imaju ugrađenu elektroniku za mjerenje napona i temperature ćelija kao i za ujednačavanje napunjenosti ćelija. Stanje svake ćelije informacijskim kabelima se prosljeđuje u VE.Bus BMS. To je uređaj za upravljanje isključenjem trošila i punjača ako bilo koja ćelija dođe u nedozvoljeno stanje napunjenosti ili zagrijanja. VE.Bus BMS osigurava dva upravljačka izlazna signala – jedan za isključenje trošila, a drugi za isključenje punjača. U napajanje VE.Bus BMS uređaja moguće je ugraditi upravljačku sklopku. Isključenjem upravljačke sklopke VE.Bus BMS ostaje bez napajanja. To uspostavlja i izlazne upravljačke signale za isključenje trošila i punjača bez obzira na stanje baterije. Ovom upravljačkom sklopkom u krugu napajanja VE. Bus BMS-a se tako jednostavno upravlja punjačima i trošilima. VE.Bus BMS uređaj dobiva negativno napajanje preko VE.Bus-a i nije potrebno, dapače nije poželjno, spajanje negativnog napajanja na VE.Bus BMS zbog stvaranja petlji u instalaciji. Ako VE.Bus BMS nema uređaje koji su upravljani preko VE.Bus sabirnice, onda je naravno potrebno spojiti odgovarajuću stezaljku VE.Bus BMS-a na minus pol. Stanje svake ćelije pojedine baterije može se vidjeti i nadzirati i na pametnom telefonu preko aplikacije Victronconnect.
Kabeli od baterija do glavnih osigurača baterijskih grana moraju biti što kraći i jednakih duljina (u pravilu ne dulji od 20-tak cm!). Razlog tome je što možebitni kratki spoj od baterije do osigurača nema što isključiti! U našoj instalaciji u svakoj baterijskoj grani je jedan class T rastalni osigurač. Ovaj osigurač prvenstveno štiti kabel od preopterećenja, ali i instalaciju od kratkog spoja iza rastalnog osigurača. U ovoj seriji je već naučeno kako LFP baterija ima nizak unutarnji otpor, manji od 1 mΩ, pa bi struja kratkog spoja blizu baterije mogla dosegnuti i preko 10 kA. Rastalni osigurač struju kratkog spoja mora moći prekinuti, a da pri tome sam ne eksplodira. Stoga rastalni osigurač mora imati podatak o DC prekidnoj moći. Class T osigurač ima DC prekidnu moć od 20 kA. Na ovom mjestu instalacije ne preporučuje se koristiti uobičajene NV rastalne osigurače tipa gG za izmjeničnu struju. Zašto? Jer u pravilu nemaju navedenu DC prekidnu moć i njihovom primjenom ne znate što ste stvarno ugradili u instalaciju. Također za prve osigurače iza baterije ne preporučuje se ugraditi niti DC rastalne osigurače tipa MEGA ili ANL jer su oni predviđeni za olovne baterije i imaju prekidnu moć od svega 2 do 4 kA, što je u slučaju LFP baterije nedostatno i takvi bi se osigurači gotovo trenutno rasprsnuli uz značajno iskrenje i moguće stvaranje strujnog luka koji pak može dovesti do zapaljenja. Kako izgledaju class T osigurači (proizvođač BlueSea) s njihovim nosačima vidi se na slici 3. Na istoj slici vidi i izmjera glavne sklopke 2 x 350 A (proizvođač BlueSea) za isključenje LFP baterija iz ostatka sustava. Kako je ožičenje od baterija s 95 mm prostorno zahtjevno, odlučeno je primijeniti plosnati bakar 20 x 5 mm za spoj od osigurača do glavne sklopke i od sklopke do DC razvodnog modula Lynx-Power in.
DC razvodni modul Lynx-Power in je zapravo kompaktno izvedena pozitivna i negativna sabirnica za struje do 1000 A, slika 4. Modul se može spajati jedan do drugog do potrebne duljine i broja priključaka. Malom doradom moguće je modul prilagoditi i za prihvat MEGA osigurača. Najprije se modul otvori, skine se crna plastika, ubace novi vijci u predviđena mjesta, vrati crna plastika, postavi matica koja služi da se poravnaju razine sa sabirnicom, stavi se podložna pločica, postavi rastalni osigurač, potom podložna pločica, prstenasti osigurač i na kraju matica. Redoslijed ove jednostavne preinake vidljiv je na slici 4.
U negativnom polu kabeli od baterijskih grana se spajaju na mjerni otpornik (engl. shunt) nadzornika baterije BMV 712 smart, slika 5. Vrlo je važno da kroz mjerni otpornik prolazi sva struja trošila i punjača. To znači da se na strani mjernog otpornika koja je označena s „battery“ smije priključiti samo baterija (u našem slučaju dvije baterije), ništa više. Strana mjernog otpornika označena s „load“ spojena je s negativnom sabirnicom DC razvodnog modula Lynx i s te sabirnice razvode se svi potrebni „minus“ kabeli. Ovakav spoj osigurava da mjerni otpornik mjeri svu struju koja ulazi ili izlazi iz baterije što je potrebno za stvaranje informacije o stanju napunjenosti baterije. VE.Bus BMS prati stanje baterije, ali djeluje samo u zaštitnim, rubnim razinama napunjenosti, dok BMV 712 smart nadzornik baterije prati stalno stanje baterije i omogućuje trenutni uvid u stanje energije u LFP bateriji kao i informaciju o trenutnom naponu, struji, broju ciklusa i još cijelom nizu korisnih podataka iz povijesti rada baterije. BMV 712 smart spojen je tako da može mjeriti i napon startne baterije. Mjerni otpornik je spojen na pokazivač, a sve informacije koje su dostupne na pokazivaču su dostupne i na pametnom telefonu preko aplikacije Victronconnect.
Glavni razvodni strujni krugovi
Preko DC razvodnog modula Lynx-Power in spojeno je četiri glavna strujna kruga:
- bočni potisnik
- razvod istosmjernih trošila
- punjači
- dvosmjerni pretvarač.
Sva četiri strujna kruga opremljena su opremom za sklapanje prema slici 6. Na slici 7. je prikazana shema spoja sklopne opreme za razvod energije u ta četiri strujna kruga.
Električni strujni krug bočnog potisnika sklapa se mehaničkom servisnom sklopkom toga kruga, a zaštićen je odgovarajućim rastalnim osiguračem smještenim u Lynx razvodnom modulu. Bočni potisnik neće biti isključen preko VE.Bus. BMS uređaja zbog prirode povremenog korištenja potisnika. Prije i nakon aktivacije bočnog potisnika potrebno je prekontrolirati stanje energije u LFP bateriji. Ako bi prilikom rada s bočnim potisnikom LFP baterija došla u stanje ispražnjenosti koje izaziva predalarm, tada će VE.Bus BMS to stanje predalarma i dojaviti, a voditelj brodice mora odlučiti o daljnjem korištenju bočnog potisnika.
Električni strujni krug DC trošila uobičajenih na brodici sklapa se mehaničkom servisnom sklopkom i poluvodičkom sklopkom, a zaštićen je rastalnim osiguračem u DC razvodnom modulu Lynx power in. Slika 8. prikazuje primjenu poluvodičke sklopke „Battery protect“. Prednost ove sklopke je što njome može upravljati VE.Bus BMS nadzornik koji će izdati nalog za isključenje sklopke u slučaju alarma niskog napona baterije. Tako će se LFP baterija zaštiti od razarajućeg predubokog pražnjenja. Ovu shemu smo detaljno analizirali u prethodnim nastavcima serije. Uz domaćinski odnos prema bateriji, ovo se neće događati u redovnom korištenju.
Strujni krug punjača LFP baterije (o njima ćemo u sljedećem nastavku!) sklapa se preko releja Cyrix Li-Charge kojim također upravlja VE.Bus BMS, slika 9. VE.Bus BMS će aktivirati signal isključenja punjača, a time i isklopiti kontakte releja Cyrix Li-charge, ako baterija dojavi stanje alarma previsokog napona. Svaki pojedini krug zaštićen je dodatnim zaštitnim prekidačem pa se odustalo od zajedničke mehaničke servisne sklopke za isključenje punjača. Svi zaštitni prekidači imaju tipkalo za isklapanje i ručicu za ponovno uklapanje strujnog kruga. Početak strujnog kruga, izveden presjekom 50 mm2 zaštićen je rastalnim osiguračem u DC razvodnom modulu Lynx Power in.
Strujni krug dvosmjernog pretvarača (i o njemu ćemo u sljedećem nastavku) sklapa se mehaničkom servisnom sklopkom i zaštićen je rastalnim osiguračem u Lynx Power in modulu. VE.Bus BMS preko VE.Bus sabirnice na koju je spojen i dvosmjerni pretvarač (spoj VE.Bus-a će se pokazati u sljedećem nastavku) upravlja isključenjem dvosmjernog pretvarača i u punjenju i u pražnjenju LFP baterije.
Slika 10. prikazuje još jednom objedinjenu shemu sklopne, mjerne i zaštitne opreme oko LFP baterija i DC razvoda. Sva trošila (osim bočnog potisnika) i svi punjači su pod nadzorom VE.Bus BMS nadzornika i ne mogu na svojim djelovanjem oštetiti bateriju, dakle moći će djelovati samo u dozvoljenom rasponu napona pojedinih ćelija LFP baterija.
Ovime smo opisali električnu shemu opreme predviđenu za ovaj nastavak.
Izgradnja
Ono što se zapravo ne vidi i što je teško opisati su koraci u izvođenju. Na slici 11. može se uočiti da je razrada bila prvo na papiru i načelna, onda je sam investitor pristupio prostornom modeliranju preko izrade kartonskih kutija koje predstavljaju volumene uređaja. Sve se to događalo dok je oprema bila još u dolaženju. Nakon što je oprema došla i raspakirala, popisali su se serijski brojevi, složila popratna dokumentacija da se ista ne izgubi i sve se još jednom provjerilo na samoj brodici. I onda je krenula ugradnja, slika 12. i slika 13.
Zaključak
Započeli smo s opisom realizacije primjene LFP baterija za bateriju opće namjene na novogradnji dvije brodice Šibenik 800 zahvaljujući susretljivosti vlasnika brodogradilišta Dunkić d.o.o. i investitora. U ovom nastavku smo opisali dio sheme oko LFP baterija koji uključuje potrebnu sklopnu, mjernu i zaštitnu opremu. U sljedećem nastavku opisat ćemo dio sheme oko spoja startne baterije, alternatora, MPPT regulatora, punjača Orion, dvosmjernog pretvarača i priključka izmjenične mreže. Prikazat ćemo i kako se svi ovi uređaji povezuju informacijski. Potom u nekom daljnjem nastavku bit će puštanje u pogon i podešavanje sustava, vjerujemo sve korak po korak i nadamo se dovoljno jednostavno!