Energeticky efektivní budovy 2015 sympozium Společnosti pro techniku prostředí 15. října 2015, Buštěhrad DECENTRALIZOVANÝ SYSTÉM DOBÍJENÍ TRAKČNÍ BATERIE S ATYPICKÝM NAPĚTÍM PRO PLAVIDLO NA SOLÁRNÍ POHON Pavel Hrzina, Jan Vyhnánek, Petr Makeš Monitorování, diagnostika a inteligentní řízení budov, UCEEB, ČVUT, Buštěhrad ANOTACE Článek se zabývá problematikou optimalizace získávání elektrické energie ze slunce v podmínkách pohybujícího se objektu, konkrétně lodi na solární pohon. Popisuje jednak samotný návrh optimalizace propojení FV modulů, jednak konstrukci dobíjecího systému s vysokou odolností proti úplnému selhání. SUMMARY The article deals with the optimization of electrical energy production from the sun in the conditions of the moving object, namely solar-powered boat. It describes both the optimization design process of the PV modules itself and the design of the charging system with high resistance to the total failure. ÚVOD Fotovoltaické aplikace spolu s ukládáním energie do baterií jsou v současné době velmi diskutovaným tématem. Použitelné komponenty již dosahují úrovně dostačující pro praktické využití fotovoltaické moduly mají přijatelnou účinnost při současném zachování jednoduchosti systému a akumulátorové baterie již dosahují životnosti a hustoty uložené energie akceptovatelné pro řadu reálných aplikací. Z 1 m 2 plochy fotovoltaických modulů lze získat při průměrných provozních podmínkách, tj. 800 W/m 2, 45 C 1 a při účinnosti přeměny světla na elektrickou energii 20 % výkon 160 W. Při plném slunečním svitu to bude v našich podmínkách ještě o trochu více. Moderní LiFePo4 baterie dnes dosahují hustoty uložené energie okolo 100 Wh/kg. Pokud započítáme, že pro dosažení vysokého počtu nabíjecích a vybíjecích cyklů je potřeba, aby tyto cykly nebyly příliš hluboké (jako rozumné maximum lze považovat přibližně 50 % SOC), vychází nám efektivní hustota uložené energie okolo 50 Wh/kg. Cílovou aplikací navrhovaného systému v oblasti mobilních zařízení tak můžou být zařízení s větší dostupnou plochou pro umístění FV modulů a menšími nároky na spotřebu elektrické energie. Příkladem takové aplikace může být právě solární loď. Plavidla obecně nabízejí díky větším možným rozměrům a způsobu pohonu lepší podmínky pro instalaci fotovoltaických systémů, než například elektromobily. ZÁSADY NÁVRHU FV SYSTÉMŮ VE SLOŽITÝCH SVĚTELNÝCH PODMÍNKÁCH Skládání fotovoltaických článků do modulů je limitováno chováním jednotlivých FV článků při změně vnějších podmínek. Z náhradního schématu jednoho článku a z příslušných rovnic [1] vyplývá, že limitujícím faktorem je intenzita ozářenosti, které je přímo úměrný fotovoltaický 1 Výrobci udávají tyto podmínky jako NOCT 111
proud generovaný uvnitř FV článku. Protože náhradní schéma FV článku obsahuje ještě další komponenty, dochází vlivem změny intenzity záření ke změně obou hlavních parametrů FV článku, tedy napětí i proudu. U FV článku převažuje charakter proudového zdroje, a tak v prvním přiblížení se výsledný proud při sériovém řazení řídí proudem nejméně osvětleného článku. Při řazení paralelním se proudy jednotlivých článků sčítají. Analýza podmínek Prvním krokem v případě řešení FV systému je tak analýza světelných podmínek v jednotlivých částech instalace. V případě mobilního řešení se uvažuje nejen stínění v jednom směru, ale používá se výpočet pravděpodobné intenzity, respektive energie dopadlého záření. Tento výpočet lze řešit s využitím simulačních programů nebo postupovat na základě hrubé extrapolace výsledků stínění při různých modelových situacích (loď bokem k jihu, západu, východu, severu ). Výsledek takového rozdělení FV modulů do jednotlivých skupin dle předpokládaného dopadu slunečního záření je patrný na následujícím obrázku: Obr. 1 Rozdělení povrchu lodi do skupin dle ozářenosti Skupina číslo 1 je střecha plavidla bez stínění a jako taková je na volné vodě vždy osvětlena. Očekávaný výkon této skupiny modulů bude na hranici vypočtené hodnoty pro vodorovnou plochu kolektoru. U skupiny 2 se občas projevuje stínění vlivem pozičních světel a výkon tak bude o něco menší. Skupiny 3 a 4 jsou orientovány kolmo k hladině a výkon takto umístěných fotovoltaických panelů bude velmi kolísat v závislosti na natočení lodi a odrazu slunce od hladiny. 112
Protože celý povrch lodi je rozdělen do více skupin s rozličnými parametry, bude nutné v dalším kroku navrhnout vhodné propojení FV modulů. Propojení do řetězců V každém řetězci se mají nacházet sériově spojené FV články se shodnými podmínkami (hodnotou ozáření). Nejmenším dělícím prvkem je fotovoltaický modul. Jak bude popsáno dále, námi vyvinuté regulátory jsou schopny pracovat od 20 do 90 V. Toto omezení vnucuje sestavení řetězců po jednom až třech modulech. Další faktory, jako snaha o maximální účinnost použitého měniče pak tento limit ještě zpřísní na 2 až 3 moduly v řetězci. Paralelní řazení modulů je v tomto případě nežádoucí, protože by se zhoršovala reakce systému na částečné zastínění. Dalším omezujícím faktorem pro tuto konkrétní aplikaci byl požadavek na dva naprosto oddělené pohonné systémy lodi, tedy napájení obou motorů má být nezávislé, vybavené vlastní sadou akumulátorů, vlastní částí FV pole a vlastním měničem. Důvodem je požadavek na vysokou dostupnost pohonu, kdy v případě selhání jedné pohonné jednotky je loď schopna doplout do přístavu pouze na jeden motor. Výsledkem je propojení FV modulů do skupin dle obr. 2. Obr. 2 Zapojení řetězců FVP v rámci solární lodi Levá část obrázku ukazuje spojení jednotlivých řetězců, v pravé je pak rozdělení těchto řetězců na levou a pravou stranu lodi. NÁVRH REGULÁTORŮ V konceptu solární lodi vyvstal požadavek na dodržení některých základních parametrů původní konstrukce plavidla. Jedním z těchto parametrů je systémové napětí akumulátorové LiFePO4 baterie [2]. Toto napětí se pohybuje od 85 do 102,4 V. Jedná se o napětí netypické pro bateriové systémy. Nejbližší typické napětí je 96 V, které ale svými tolerancemi 113
nepokrývá plně požadavky navržené aplikace. Protože nejmenší skupina modulů při rozdělení dle světelných podmínek má 1 modul (sk. 8) a největší skupina 12 modulů, popřípadě z důvodů požadavku rozdělení systému na dva nezávislé systémy 6 modulů, bylo rozhodnuto vytvořit dobíjecí regulátor jako inteligentní step-up konvertor s řízením bodu maximálního výkonu pro připojení jednoho (Uoc = 28,8 V) až třech (Uoc = 86,4 V) fotovoltaických modulů. Systém lodi pak obsahuje 18 ks těchto konvertorů (9 na každé straně systému). Vlastní regulátor má dvě, popř. tři zpětnovazební smyčky. Smyčka s nejvyšší prioritou chrání systém step-up konvertoru před zničením při nečekaném odpojení nabíjené baterie. Smyčka s prostřední prioritou hlídá napětí baterie a v případě dosažení horní hranice napětí odpojuje nabíjení. Smyčka s nejnižší prioritou slouží k sledování bodu maximálního výkonu připojeného fotovoltaického modulu. Tato smyčka je časována frekvencí 10 Hz, což zajistí rychlou odezvu systému na změny intenzity ozáření FVP. Takto rychlý MPPT je také jednou z klíčových vlastností pro mobilní FV systémy. Senzory prvních dvou smyček jsou společné a jedná se o odporový dělič připojený na výstupní svorky systému. Smyčka regulace bodu maximálního výkonu získává informace z proudového čidla na vstupu a z vstupního napětí. SW řešení systému dále poskytuje plný komfort pro nastavení parametrů a monitoring přes rozhraní RS 485 (MODBUS RTU). Obr. 3 Blokové schéma regulátoru Při konstrukci systému je kladen velký důraz na odolnost vůči celkovému selhání. Jednotlivé měniče jsou důsledně galvanicky odděleny a jsou spojeny teprve na úrovni nabíjené baterie (viz obr. 4). Ta svoji kapacitou a malým vnitřním odporem dostatečně chrání systém před přepětím. V případě selhání řízení (trvalé sepnutí tranzistoru MOS FET) dojde ke zkratu pouze k měniči připojených FV modulů, ty ale jako proudový zdroj nejsou schopny spínací prvek zničit. Zároveň dojde k poklesu napájecího napětí řídicích obvodů a k samovolnému restartu systému. Zařízení je tím odolné vůči latch-up efektu. Celý systém je po SW stránce koncipován jako schopný samostatné funkce, tedy měniče nejsou vzájemně závislé. Z hlediska dalších komponent není systém osazen ve výkonové části elektrolytickými kondenzátory což příznivě prodlouží dobu života systému(impulzně namáhané elektrolytické kondenzátory jsou zahřívány ztrátami a dochází k jejich zrychlenému stárnutí). U navrženého systému jsou tak elektrolytické kondenzátory z důvodů cenové optimalizace pouze v systémech pomocných obvodů, kde případná částečná ztráta kapacity není zásadním problémem. 114
Výsledky měření provedených na takto jednoduchém systému ukazují na velmi dobrou účinnost a provozní zkušenosti zase na odolnost vůči chybám. Obr. 4 Izolace poruchy ZÁVĚR Navržený systém byl realizován v rámci RP5 UCEEB ČVUT ve spolupráci s majitelem lodi Sun River panem Ing. Miroslav Cinkem. Systém je v současné době v provozu a k září 2015 má loď Sun River najeto 3 762 km po kanálech a řekách západní Evropy. Postupy popsané v tomto článku jsou aplikovatelné i na jiné oblasti využití napájení elektrickou energií získanou z fotovoltaiky, a to především v případech se složitými světelnými podmínkami a u mobilních systémů. Velkou výhodu pak autoři spatřují v relativně nízké pořizovací ceně systému. LITERATURA [1] GRAY, JEFFERY L. The Physics of the Solar Cell. A. Luque a S. Hegedus. Handbook of Photovoltaic Science and Engineering. Chichester : John Wiley & Sons, Ltd., 2003, 3. [2] REDDY, THOMAS B and LINDEN D. Linden's handbook of batteries. 4th ed. New York: McGraw-Hill, 2011, 1 v. (various pagings). ISBN 9780071624213 Celá konstrukce by se neobešla bez podpory celého týmu RP5, jmenovitě Ing. Aleše Zikmunda (HW část) a v SW části bez knihoven pro MODBUS od Ing. Aleše Vodičky. Děkujeme. 115