Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

MPPT część 8 - Optymalne ładowanie akumulatora

W poprzednim odcinku wstępnie zasygnalizowana była kwestia algorytmów optymalnego ładowania, które pozwolą wykorzystać całą dostępną pojemność, które jednak nie zmniejszą trwałości akumulatora.
Article Image

Algorytmy ładowania akumulatora

Dobra wiadomość jest następująca: najróżniejsze algorytmy ładowania można zrealizować za pomocą omówionych wcześniej prostych dwustanowych kontrolerów: szeregowego lub zwarciowego. Z

apominamy natomiast o rozwiązaniach analogowych z regulatorami liniowymi nie tylko z uwagi na straty mocy w takim regulatorze, ale i na trudność wprowadzania zmian i dostosowania ich parametrów. Do budowy przyzwoitego kontrolera solarnego wystarczy prosty dwustanowy regulator, ale obowiązkowo trzeba wykorzystać mikrokontroler. Jest to rozwiązanie optymalne, ponieważ pozwoli w łatwy sposób przeprowadzić eksperymenty, udoskonalać algorytmy ładowania, a także rozbudowywać system.

Dobry system ładowania akumulatora powinien zrealizować trzy fazy:

  • Bulk – główna, gdy akumulator ładowany jest maksymalnym prądem z panelu FV i gdy napięcie rośnie. Faza Bulk kończy się po osiągnięciu granicznego napięcia na akumulatorze 14,4...15V i wtedy zgromadzone jest w nim około 80% dostępnej pojemności.
  • Absorption – ta druga faza pozwala zgromadzić jeszcze więcej energii. Aby nie przeładować akumulatora, napięcie utrzymywane jest na wcześniej osiągniętej granicznej wartości, bliskiej 15V. Prąd się zmniejsza. Akumulator pomału się ładuje do 100% dostępnej pojemności, a prąd samoczynnie zmniejsza się. Ta druga faza trwa stosunkowo długo, by prąd ładowania zmalał praktycznie do zera. Wtedy następuje faza trzecia...
  • Float - Ładowanie jest wyłączane i napięcie akumulatora zmniejsza się do bezpiecznej wartości nieco poniżej 14V. Nie zmniejszy się bardziej, bo kontroler będzie okresowo włączał ładowanie, żeby w tej fazie utrzymać zadane napięcie.

Rozładowanie. Gdy później wieczorem z akumulatora pobierana jest energia, napięcie się oczywiście zmniejsza, a rano cykl się powtarza. Taką pracę ilustruje rysunek 1.

Rys.1 Fazy ładowania akumulatora

W niektórych takich regulatorach oprócz tych trzech głównych faz ładowania (Bulk, Absorption i Float) przewidziano dodatkowo czwartą fazę.

Czwarta faza ładowania akumulatora

  • EQU, co zwykle tłumaczone jest jako equalization, ale czasem jako equilibrium. W każdym razie chodzi o tak zwaną fazę wyrównawczą. Ilustruje to rysunek 2, pochodzący z instrukcji obsługi pewnego sterownika solarnego.
Rys.2 Fazy ładowania akumulatora

Według opisów na wielu internetowych stronach takie „wyrównywanie” jest potrzebne z powodu zasiarczenia i zjawisk pokrewnych. Przypomnijmy, że zasiarczenie to powstawanie w akumulatorze kwasowym związków ołowiu, które są nierozpuszczalne i których powstawanie zmniejsza ilość masy czynnej, a tym samym też pojemność. Podstawową przyczyną zasiarczenia jest zbyt głębokie rozładowanie, a szczególnie długie pozostawanie akumulatora kwasowego w stanie pełnego rozładowania.

Problem zasiarczenia wydaje się stosunkowo prosty i powszechnie znany. Ale w niektórych źródłach można znaleźć informację, że po pierwsze przy pracy buforowej też następuje zasiarczenie lub podobne procesy, powodujące redukcję pojemności. Po drugie powszechne są informacje, że ten proces można zatrzymać lub znacząco spowolnić przez... gazowanie. Tłumaczy się to tak, że gazowanie polega na wytwarzaniu w objętości elektrolitu pęcherzyków tlenu i wodoru, a te pęcherzyki w drodze do góry mieszają elektrolit i wyrównują jego parametry w całej objętości akumulatora – stąd equalize – wyrównywać.

Najprościej biorąc, „equalizacja” polega na okresowym podwyższeniu napięcia akumulatora, nawet powyżej 15V, by występujące wtedy gazowanie wymieszało elektrolit.

Taki opis może wydać się racjonalny, bowiem podaje się tu przykład gotowania wody, a podczas wrzenia rzeczywiście następuje skuteczne mieszanie. Analogia z wodą robi wrażenie i przekonuje, ale po chwili chłodnego zastanowienia nasuwają się wątpliwości.

Tylko na rysunkach i w opisach wszystko wygląda ładnie i przekonująco. Ale według podanego opisu faza wyrównawcza EQU(alize) to nic innego jak... kontrolowane przeładowanie akumulatora, połączone z intensywnym gazowaniem!

No tak, ale po pierwsze do intensywnego gazowania można dopuścić tylko w akumulatorach typu flooded, do których bez problemu można dolać wody! W akumulatorach szczelnych ewentualny proces „gazowania wyrównawczego”, nawet jeśli byłby dopuszczalny (w akumulatorach AGM) i jeśli miałby sens, musiałaby być nieporównanie delikatniejszy. Ilości powstających gazów muszą być wtedy zdecydowanie mniejsze, a powstające pęcherzyki – maleńkie. W tym przypadku porównanie z gotowaniem wody na pewno jest niesłuszne. A ponadto w akumulatorach żelowych żadne mieszanie (galaretowatego) elektrolitu nie jest możliwe!

Na pewno „wyrównywanie” w akumulatorach SLA szybko doprowadzi do „wygotowania wody”. Ogólnie biorąc, „equalizacja” jest możliwa tylko w akumulatorach mokrych (wet, flooded).

Problem też w tym, że niektóre źródła zalecają przeprowadzanie „equalizacji” co tydzień, inne co miesiąc, jeszcze inne raz lub dwa razy w roku. Są też wskazówki, żeby je przeprowadzać ręcznie w razie potrzeby, gdy jakiś akumulator z zestawu ma obniżoną pojemność.

Są to zagadnienia trudne, nie do końca zbadane i opisane. Nie sposób dotrzeć do rzetelnych opracowań naukowych na ten temat. Analiza dostępnych publikacji pokazuje, że autorzy licznych stron internetowych po prostu przepisują informacje z innych stron, niekiedy je rozwijając lub ubarwiając, nie wiadomo, na jakiej podstawie. A firmy produkujące kontrolery solarne chronią swoje tajemnice.

Niektóre dostępne w handlu regulatory mają szerokie możliwości dostosowania do specyfiki współpracującego akumulatora, a przynajmniej o tym zapewniają ich producenci. Prawdopodobnie najlepsi producenci wiedzą, jak dostosować parametry kontrolera do akumulatorów wiodących producentów.

Parametry ładowania (napięcia przełączania i czasy poszczególnych faz) trzeba dobrać do właściwości akumulatora. Przykład (niewiele zresztą wnoszący) to rysunek 3 pochodzący z instrukcji pewnego kontrolera opisywanego rodzaju.

Rys.3 Parametry ładowania trzeba dobrać do właściwości akumulatora

Jednak do informacji z materiałów reklamowych i z prywatnych stron internetowych należy podchodzić bardzo ostrożnie. Nawet jeżeli producent kontrolerów zdobył cenne doświadczenie i wykorzystał je przy produkcji swoich wyrobów, to na pewno nie jest skłonny podzielić się wiedzą z konkurencją. Czasem zresztą nie jest to wiedza naukowa, tylko sposoby na pozyskanie klienta – o tym jeszcze wspomnimy.

W Internecie można znaleźć sporo bardziej i mniej wartościowych materiałów na temat omawianego kilkufazowego ładowania. Można wykorzystać jakieś tego rodzaju „gotowce”, ale często są one niedoskonałe, często dotyczą innego typu akumulatorów, dlatego zawsze trzeba wnikliwie analizować sytuację i ewentualnie eksperymentować z własnymi ustawieniami.

Aby nie zaszkodzić akumulatorowi, potrzeba do tego sporo wiedzy, a także praktycznego doświadczenia. Nie można ich zdobyć szybko, przez lekturę najlepszej nawet książki. Niezbędną do tego wiedzę i doświadczenie trzeba gromadzić stopniowo. Warto realizować kolejne, coraz doskonalsze wersje kontrolerów, ulepszając kolejne szczegóły.

Koniecznie trzeba przy tym uwzględnić fakt, że dostępne są bardzo różne akumulatory kwasowo-ołowiowe. Istnieje szereg odmian akumulatorów kwasowych, między innymi z antymonem, z wapniem, oraz AGM i żelowe o różnej specyfice.

Analizując informacje z różnych stron internetowych, w szczególności amerykańskich, trzeba pamiętać, iż w wielu opisywanych tam instalacjach wykorzystywane są akumulatory flooded, co nie zawsze jest wyraźnie podkreślone, a czasem w ogóle nie ma informacji o rodzaju i typie akumulatorów. Podane tam parametry ładowania akumulatorów flooded będą zdecydowanie inne, „mocniejsze” niż szczelnych SLA. Bezkrytyczne wykorzystanie tak uzyskanych, skądinąd wartościowych informacji może skończyć się szybką i nieodwracalną dewastacją akumulatora SLA.

Zdecydowanie lepiej jest w przypadku zakupu akumulatorów dedykowanych do instalacji solarnych. Wiele miarodajnych informacji można znaleźć w materiałach technicznych dobrych producentów akumulatorów. Przykładowo rysunek 4 pochodzi od producenta akumulatorów znanej i u nas marki Trojan, a konkretnie z pliku: https://www.trojanbattery.com/ pdf/TrojanBattery_UsersGuide.pdf.

Rys.4 Materiały techniczne akumulatora Trojan

Obok napięcia fazy absorpcji (2,45V/celę) podane jest też napięcie equalizacji 2,7V/celę. W pliku można także znaleźć wyraźną informację, że proces equalizacji może być przeprowadzany wyłącznie w przypadku akumulatorów mokrych.

Niestety, polski hobbysta najczęściej ma do dyspozycji przypadkowe akumulatory, najczęściej kupione okazyjnie, używane. Optymalne ich wykorzystanie może wymagać indywidualnych testów i pomiarów.

Niewątpliwie najprostszy histerezowy kontroler „buforowy”, ograniczający jedynie napięcie do 13,5...13,8V, nie wykorzysta w pełni dostępnej pojemności akumulatora. Do uzyskania jak największej pojemności należałoby ładować akumulator do napięcia 14,4...15V. Ale takie podwyższone napięcie nie może występować przez długi czas, bo „wygotuje wodę”.

Ulepszony regulator z opisywanymi fazami będzie rano ładował akumulator do podwyższonego napięcia, ponad 14V, a gdy go w pełni naładuje, mikroprocesor obniży napięcie do poziomu „buforowego”, poniżej 14V, żeby nie zmniejszać trwałości. Najlepiej gdyby to był akumulator mokry, a nie SLA...

No cóż, temat się rozszerza... Tytuł cyklu to MPPT, my na razie jesteśmy jeszcze dość daleko od MPPT i optymalnego wykorzystania panelu FV. Na razie ugrzęźliśmy w prostszych, ale też ogromnie ważnych kwestiach optymalnego wykorzystania akumulatora. W następnych odcinkach też będziemy się zajmować akumulatorem i sposobami jego ładowania, w tym impulsowymi regulatorami PWM.

Tematyka materiału: ładowanie akumulatorów, regulator MPPT
AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich wrzesień 2020
Udostępnij
UK Logo