Możliwość wykorzystania praktycznie całej wyprodukowanej przez fotowoltaikę energii, praktycznie bez strat finansowych spowodowanych odsprzedażą i ponownym odkupem, oraz uniezależnienie się od chwilowych przerw w dostawach, to argumenty przemawiające za posiadaniem własnego magazynu energii. Niestety zakup wystarczającego do zasilania domu magazynu energii to wydatek kilkunastu- kilkudziesięciu tysięcy złotych, który nawet rozłożony na lata eksploatacji niweluje często korzyści związane z jego posiadaniem.
W takiej sytuacji sensownym rozwiązaniem dla osób posiadających podstawową wiedzę elektryczną (lub mogących skorzystać z pomocy takich osób) jest budowa własnego magazynu energii, w oparciu o ogniwa np. LiFePO4 lub Li-Ion. Wbrew powszechnej opinii, przy dzisiejszej dostępności komponentów nie jest to zadanie skomplikowane. Poniżej opisujemy na co zwrócić uwagę przy projekcie magazynu i przedstawiamy kilka przykładowych konfiguracji, które umożliwiają budowę pełnowartościowego magazynu, za ułamek wartości gotowego urządzenia. Oczywiście, to tylko przykłady. Możliwości jest znacznie więcej. Zapraszamy do kontaktu, jeśli chcielibyście Państwo zaplanować inny układ.
Spis treści
- Wybór napięcia akumulatora
- Wybór typu akumulatora Li-Ion lub LiFePO4
- Wybór sposobu komunikacji z falownikiem
- Dobór miejsca zamontowania magazynu energii
- Wybór pojemności akumulatora
- Dobór BMS
- Dobór pozostałych elementów
- Przykładowe konfiguracje popularnych banków energii
Wybór napięcia akumulatora
Najmniejsze straty energii uzyskamy przy jak najwyższym napięciu akumulatora. Z drugiej strony, zastosowanie układów wysokonapięciowych wymaga zakupu bardzo drogich i słabo dostępnych komponentów. Wiąże się też z realnym niebezpieczeństwem porażenia. Dlatego optymalnym napięciem dla instalacji budowanych samodzielnie, wydaje się być napięcie ok.48V. Odpowiada to układowi ok.14S dla Li-Ion lub 16S dla LiFePO4. Oczywiście, można stosować w zależności od posiadanych akumulatorów inną ilość ogniw np. 12S Li-Ion lub 15S LiFePO4. Ważne jest jednak by upewnić się, że posiadany lub planowany inwerter zapewnia obsługę zakresu napięć z tego wynikających.
Np. dla ogniw LiFePO4 zakres napięć pracy to 2,8V -3,6V na ogniwo, czyli dla 16S: 44,8V-57,6V, a dla Li-Ion 3,0-4,2V na ogniwo, czyli dla 14S: 42,0V-58,8V. Jeżeli inwerter nie będzie obsługiwał całego zakresu tych napięć, nie będzie możliwości wykorzystania pełnej pojemności posiadanych akumulatorów. Obecnie ponad 80% wykonywanych banków opartych jest o układ 16S LiFePO4. Jeżeli jednak dysponujemy już inwerterem 24V można zastanowić się nad układem 8S2P. Uzyskamy tę samą pojemność, wprawdzie przy trochę wyższych stratach. Jeżeli jednak zastosujemy BMS obsługujący zakres 8-16 ogniw, zawsze możemy szybko przerobić układ na 16S, wymieniając w przyszłości tylko inwerter.
Wybór typu akumulatora Li-Ion lub LiFePO4
Oba typy akumulatorów doskonale się nadają do budowy magazynów, ale mają swoje wady i zalety. Oczywiście decydująca jest możliwość zakupu ogniw w atrakcyjnej cenie.
Akumulator LiFePO4
Zalety: wyższa trwałość, większa pojemność pojedynczego ogniwa, mniejsza skłonność do zapłonu, prosty montaż, mniejsza awaryjność.
Wady: większa waga, wyższa cena szczególnie w porównaniu z pakietami Li-Ion odzyskanymi z samochodów elektrycznych.
Decydując się na zakup ogniw LiFePO4 należy pamiętać o kupowaniu ich tylko u sprawdzonych dostawców. Większość ogniw dostępnych obecnie na rynku to ogniwa, które nie przeszły weryfikacji fabrycznej. Po powtórnej weryfikacji u pośrednika są w sposób nieuprawniony oferowane jako ogniwa najwyższej jakości. Firma oferująca faktyczny standard A+ powinna udostępnić nam protokoły testów każdej partii, a nawet poszczególnych ogniw. Zakup ogniw o niewiadomym pochodzeniu może być obarczony dużym ryzykiem. Nawet, jeśli jedno z ogniw będzie miało inne parametry od pozostałych, magazyn nie osiągnie zakładanych parametrów. Wymiana takiego ogniwa nie rozwiąże problemu, bo prawdopodobnie będzie pochodziło z innej serii i nie będzie identyczne z pozostałymi.
Sprawdź w sklepie:
Akumulator Li-Ion
Zalety: Mniejsza waga, niższa cena, szczególnie dla pakietów odzyskanych z samochodów elektrycznych.
Wady: Wady: Mała pojemność pojedynczej celi, co wymusza stosowanie połączeń równoległych cel lub akumulatorów. Wiąże się to z dodatkowymi kosztami kolejnych BMS, oraz potencjalną możliwością awarii na skutek uszkodzenia choćby jednej z kilkuset cel. Bardziej skomplikowany montaż. Większa skłonność do zapłonu, szczególnie dla ogniw o nieznanej historii.
Wybór sposobu komunikacji z falownikiem
Manualny
Najprostszy system. Polega na takim ustawieniu parametrów falownika (maksymalne napięcie ładowania, napięcie odłączenia akumulatora przy rozładowaniu i maksymalny prąd ładowania), żeby były one „węższe” niż ustawione na BMS. Wtedy falownik steruje cyklem pracy akumulatora na podstawie jego napięcia, a BMS pilnuje każdej celi osobno (może się przecież zdarzyć sytuacja, że suma napięć będzie właściwa, a jedna cela będzie miała napięcie znacznie przekroczone, przy pozostałych niedoładowanych). BMS tworzy też „drugą linię obrony” gdyby na skutek awarii falownik nie przerwał ładowania lub nie odłączył akumulatora po osiągnięciu minimalnego napięcia. System ten polecany jest szczególnie do prostych instalacji z jednym akumulatorem i tańszych falowników, których praca w systemie automatycznej wymiany danych nie zawsze jest zadowalająca. Wymaga jedynie upewnienia się, że falownik posiada tryb ustawień manualnych i żądany zakres napięć. Może też być stosowany w bardziej rozbudowanych układach z kilkoma akumulatorami połączonymi równolegle, ale wymaga to większej uwagi ze strony użytkownika.
Automatyczny
Wymiana informacji BMS- falownik przebiega po łączu CAN/RS485. Ten system pozwala zautomatyzować proces dopasowania akumulatora do falownika, zapewnia też lepszy nadzór nad parametrami akumulatora. Jest jednak znacznie trudniejszy do wykonania i skalibrowania. Wymagany jest zakup dodatkowych elementów i ich kalibracja (system oparty jest o stan naładowania akumulatora SOC, a nie napięcie). Konieczne jest też sprawdzenie czy BMS obsługuje protokół posiadanego falownika. System jest polecany do rozbudowanych układów w których można np. wykorzystać informację o awarii jednego akumulatora do wyłączenia całego systemu. Ma sens tylko z zaawansowanymi falownikami, których oprogramowanie pozwoli na wykorzystanie jego zalet. O ile używamy prostego falownika, użycie tego systemu może nie przynieść żadnych korzyści, bo falownik nie będzie potrafił wykorzystać danych lepiej niż to, co wynika z ustawień w prostszym i tańszym systemie manualnym.
Dobór miejsca zamontowania magazynu energii
Akumulatory litowe powinny pracować w suchym miejscu, w temperaturach nie spadających poniżej zera (możliwe jest rozładowywanie w niższych temperaturach, ale próby ładowania bez dodatkowej instalacji grzewczej doprowadzą do uszkodzenia akumulatora). W BMS typu SMART istnieje możliwość programowego zablokowania procesu ładowania w temperaturach ujemnych. Biorąc pod uwagę naturalnie spadającą pojemność akumulatora w niskich temperaturach lepiej jest znaleźć dla niego ogrzewane pomieszczenie niż stosować maty grzejne. Pomieszczenie powinno być wykonane z materiałów niepalnych, a akumulator nie może znajdować się w pobliżu czegokolwiek, co mogłoby się zapalić. Warto rozważyć zamknięcie akumulatora w niepalnej (metal lub ceramika) obudowie. Bardzo dobrym rozwiązaniem jest wykorzystanie specjalnie do tego celu obudów. Dobrze zaprojektowana obudowa zapewnia nie tylko szybki, bezproblemowy montaż, ale również wstępną kompresję akumulatorów. To ważny aspekt, na który należy zwrócić uwagę przy zakupie obudowy. Dla zaoszczędzenia kosztów wiele firm nie stosuje kompresji ogniw. Wprawdzie nie jest to konieczne, ale zalecane przez producentów ogniw. Zastosowanie kompresji już od początku eksploatacji ogniw pozwoli utrzymać mniejsze różnice pomiędzy nimi po dłuższym okresie eksploatacji. Należy też zwrócić uwagę, by akumulator nie był wystawiony bezpośrednio na działanie słońca, a przewody elektryczne do falownika były możliwie krótkie i miały dobrze dobrany przekrój.
Wybór pojemności akumulatora
Przede wszystkim należy oszacować nasze dzienne zapotrzebowanie elektryczne. Najprościej odczytać je można z domowego licznika energii wyliczając średnie zużycie np. z tygodnia. Zakładając możliwość pełnego naładowania akumulatora w ciągu słonecznego dnia (tu warto sprawdzić czy nasza instalacja fotowoltaiczna jest wystarczająca), pojemność magazynu powinna przekraczać dzienne zużycie. Nie jest błędem zastosowanie większego akumulatora, będzie wprawdzie potrzeba kilku dni na jego pełne naładowania, ale pozostanie nam do dyspozycji dodatkowa rezerwa np. na okres awarii sieci. Oczywiście należy się też kierować dostępnością i ceną ogniw. Obecnie najpopularniejsze na rynku ogniwa mają pojemność od 280 do 314Ah. Pozwalają łatwo skonstruować magazyn ok. 16kWh co jest odpowiednią pojemnością do instalacji w domu jednorodzinnym. Taki magazyn ze względu na atrakcyjną cenę ogniw pozwala uzyskać najniższą cenę w przeliczeniu na 1kWh. Przy mniejszych pojemnościach należy liczyć się z tym, że magazyn będzie pełnił tylko funkcję pomocniczą i awaryjną. Dla dużych domów z rozbudowaną instalacją elektryczną można rozważyć użycie kilku magazynów 16kWh połączonych równolegle.
Dobór BMS
Szczegółowo omawiamy ten temat w artykule poświęconym doborowi BMS, tutaj skoncentrujemy się tylko na aspektach specyficznych dla banków energii pracujących z inwerterami. Jeżeli zdecydowaliśmy się na tryb manualny, sprawa jest prosta. Możemy zastosować dowolny BMS typu SMART (będzie to przydatne do precyzyjnego ustawienia parametrów i monitoringu urządzenia). Oczywiście musimy dobrać typ i prąd pracy BMS do planowanej instalacji.
Jeżeli planujemy ustanowienie komunikacji BMS-Inwerter najlepszym wyjściem będzie zastosowanie specjalnie zaprojektowanych do tego BMS serii HES (Home Energy Storage) firmy Daly lub serii BMS Inverter firmy JK. Mają one preinstalowane protokoły komunikacyjne większości falowników dostępnych na rynku i są wyposażone w płytkę komunikacyjną z gniazdami RJ45. Ustanowienie komunikacji sprowadza się najczęściej do podłączenia kabla od falownika (należy upewnić się, że układ pinów w gnieździe falownika odpowiada układowi BMS- ewentualnie wykonać właściwy kabel) i wyboru właściwego protokołu z aplikacji BMS.
Dodatkową zaletą tego typu BMS jest wbudowany moduł równoległy pozwalający podłączać kolejne magazyny w celu zwiększenia pojemności.
Warto też wiedzieć, że BMS HES i Inverter mogą pracować jako standardowe BMS bez komunikacji. Może to się okazać przydatne przy zastosowaniu falowników mniej znanych marek, co do których nie mamy możliwości wcześniejszego sprawdzenia obsługiwanych protokołów.
Alternatywną możliwością pracy BMS z wymianą danych z falownikiem jest użycie BMS Smart firmy Daly (serie: CAN/RS485, K,M,S i 100Balance Active). Część z nich ma również preinstalowane protokoły komunikacyjne i można ich używać zarówno z jak i bez płytek komunikacyjnych. Przed zakupem BMS do takiego rozwiązania zapraszamy do kontaktu. Nie wszystkie, nawet tak samo wyglądające urządzenia oferują możliwości obsługi protokołów falowników.
BMS firmy JK (oczywiście oprócz serii Inverter), nawet wyposażone w gniazdo RS485 nie oferują prostej możliwości podłączenia do falownika. Wymaga to napisania protokołu komunikacyjnego we własnym zakresie.
Sprawdź w sklepie:
Dobór pozostałych elementów
Ekran LCD
Ekran LCD – nie jest to element konieczny (wszystkie informacje mamy w aplikacji mobilnej), ale często wygodniej jest odczytać bezpośrednio potrzebne dane, bez konieczności uruchamiania aplikacji. Do magazynów energii najczęściej stosowane są ekrany o przekątnej ok. 4”. Umożliwiają one wyświetlanie oprócz danych dotyczących całego magazynu (napięcie, stopień naładowania, pobierany prąd, ewentualne komunikaty o błędach), również dane dotyczące każdego ogniwa. W przypadku ekranów Daly 4,3”możliwa jest również zmiana ustawień BMS. W przypadku zakupu BMS HES Daly dedykowany do niego ekran jest częścią zestawu.
Bezpieczniki
Dla zapewnienia bezpiecznej eksploatacji w każdym magazynie energii powinien być zamontowany co najmniej jeden bezpiecznik o prądzie równym lub nieznacznie wyższym od prądu pracy BMS. Podstawowe rozwiązanie to bezpiecznik topikowy umieszczony w dedykowanej obudowie. Powinien być umieszczony na przewodzie plusowym. Stosując tego typu bezpiecznik trzeba mieć świadomość, że jest to bezpiecznik ze znaczną zwłoką w działaniu. W przypadku zwarcia, zabezpieczy on magazyn przed pożarem, może jednak nie zadziałać dostatecznie szybko by zabezpieczyć elektronikę BMS. Dlatego najlepszą praktyką jest stosowanie oprócz bezpiecznika topikowego szybkiego bezpiecznika MCCB (najlepiej z wyłącznikiem). Taki bezpiecznik to osobne urządzenie montowane pomiędzy magazynem, a falownikiem.
Busbary i przewody
To krytyczny ze względów bezpieczeństwa i wydajności magazynu element. Bardzo ważne jest zarówno dobranie ich pod względem przekroju i materiału, jak również precyzyjny montaż.
Busbary produkowane są w wersjach miedzianej i aluminiowej. Wg nas, do ogniw LiFePO4 lepsze są busbary aluminiowe. Są wykonane z takiego samego materiału, jak terminale ogniw, eliminujemy więc możliwość powstania zjawiska korozji elektrochemicznej. Oczywiście busbary aluminiowe muszą mieć większy przekrój niż miedziane, ale zwykle nie jest to problem przy obecnych wymiarach ogniw.
Oferowane przez nas busbary do ogniw 280-314Ah bez problemu przenoszą prąd rzędu 200A.
Często spotykamy się z pytaniami o elastyczne, wykonane z plecionki busbary mające kompensować naprężenia powstające podczas pracy ogniw. Nie polecamy tego rozwiązania, bo nie sposób uniknąć tu zmiany materiału aluminium-miedź. Dużo skuteczniejszym rozwiązaniem jest użycie oprócz standardowych izolatorów, dodatkowej warstwy miękkiej mikrogumy 1mm. Pozostawi ona miejsce na „prace ogniw” bez naprężania busbarów.
Bardzo ważnym czynnikiem jest właściwy montaż busbarów. Zarówno powierzchnia terminala, jak i busbara muszą być czyste (ale nie należy w żadnym wypadku szlifować powierzchni terminali przed montażem), a nakrętki lub śruby dokręcone właściwym momentem (zwykle 6Nm). Zbyt słabe dokręcenie może prowadzić do przegrzewania połączenia, a zbyt mocne do jego uszkodzenia.
Pozostałe połączenia wewnątrz magazynu mogą być wykonane w zależności od jego konstrukcji z profili aluminiowych lub przewodów. Należy tu pamiętać o opisanych powyżej problemach z doborem przekroju i ewentualnymi zmianami materiału na połączeniu.
Standardowo do najczęściej wykonywanych magazynów o prądach 150-200A przewody połączeniowe powinny mieć przekrój ok. 50mm². Szczegółowy dobór przewodów powinien być przeprowadzony w zgodzie z obowiązującymi normami.
Sprawdź w sklepie:
Terminale prądowe
Najprostszym sposobem podłączenia magazynu do przewodów łączących z falownikiem jest użycie dedykowanych terminali. Oczywiście muszą być one przystosowane do przenoszenia prądu pracy magazynu. Szczegółowy dobór jest dokonywany w zależności od sposobu montażu budowanego magazynu. Poniżej znajduje się kilka przykładów:
