Jiná technologie baterií přinesla zajímavý problém: zatímco u olova bylo možné podle napětí nějak určit její stav nabití (SOC), u LiFe už to tak jednoduché není, protože díky velmi ploché charakteristice SOC/U dochází k výraznějším změnám napětí až na okrajích SOC. Především v zimě, při dlouhých inverzích mi fotovoltaická elektrárna funguje jako velká UPS, hlavním zdrojem energie je pro období temna veřejná síť. Má-li ale být UPS k něčemu, musí fungovat při omezené spotřebě v době výpadku co nejdéle. Při vichřici přede dvěma lety jsme zažili výpadek dva dny.
To znamená, že hlavně v zimě musí umět VALC odpojovat zátěž a přepínat na veřejnou síť už při nějakém určeném SOC, třeba při 40%. To znamená, že jsem musela začít měřit proudy a SOC počítat v runtime podle skutečného náboje přenášeného do baterie a z ní.
Už na začátku tohoto seriálu jsem zmínila, že mám v domě DC síť, která je připojena buďto na baterii nebo na záložní spínaný zdroj, a samozřejmě AC rozvody, přepínané mezi měničem a veřejnou sítí. Měnič je připojen přímo k baterii, DC zátěž a regulátor jsou připojeny ke spojovacímu bodu (DC můstku), který přes pojistku připojuje zátěž a regulátor k baterii:
Potřebuji tedy měřit dva různé proudy a sčítat je. Navíc mi měření proudů v těchto různých bodech umožní měřit i DC spotřebu, kterou můžu spočítat jako rozdíl aktuálního nabíjecího proudu regulátoru a proudu měřeného na DC můstku. Nabíjecí proud regulátoru vyčítá valcMonitor přímo z datového rozhraní regulátorů.
Dobře, jak měřit velké DC proudy? V době, kdy jsem to vymýšlela, bylo možné použít buďto bočníky, nebo hall senzory. Bočníky jsem vyloučila – jednak jsou trochu rozměrnější, jednak je na nich potřeba přesně měřit úbytky napětí v řádech milivoltů, s tím by mělo SDS problém. Druhý, pro mě daleko méně řešitelný problém, je potíž konstrukční: jak tu věc bezpečně připevnit na DIN lištu rozvaděče… Vážně netuším, přesně tyto problémy jsou pro mě velmi nevábné.
Hall senzory jsou fajnovější, dokážou měřit protékané proudy bezkontaktně. Tehdy se naštěstí daly pořídit šikovné senzory značky Amploc, které se jako kroužek navléknou na kabel, připojí se jim napájecí napětí InU a ony na výstupu poskytují napětí úměrné měřenému proudu, kde proudová nula je InU / 2. Hezké, chtělo to ovšem stabilizovaný zdroj napájecího napětí, použila jsem jednoduchý integrovaný stabilizátor LM.
Zbytek je už o kódu ve VALCu, který napětí měří, pokouší se je filtrovat a přepočítává podle nastavení na proud. Protože mě pro účely výpočtu SOC zajímá náboj, je potřeba zahrnout i měření času a přepočítávat to celé na Ah (resp. mAh), což následně přepočítává na SOC v procentech. Měření není úplně přesné, roli hraje závislost napětí stabilizátoru na teplotě, i teplota senzoru dělá svoje, nejhorší zkreslení je samozřejmě na AD převodnících SDS a bohužel i zkreslení vzniklé v kódu při výpočtech jistě hraje roli (viz. limity SDC). Celé se to tedy musí zkalibrovat a nastavit VALC tak, aby zobrazovaná data odpovídala co nejvíce skutečnosti. V praxi se mi málokdy podaří dlouhodobě udržet přesnost pod 1A, ale dá se to nastavit tzv. pesimisticky, tak, aby chyba působila větší vybíjecí proudy, než jaké ve skutečnosti jsou. Takže nepřesnost se pak projeví jako větší vybíjení baterie, což ničemu nevadí – prostě je v bateriích více kapacity, než VALC při takovém nastavení uvažuje. V únoru, kdy začíná stoupat pravděpodobnost, že se baterie nabije, taky stoupá pravděpodobnost, že VALC zaznamená přechod baterie z absorpce do floatu a nastaví si SOC na 100%.
Vytěžovač
Zatímco každou zimu, jakmile nastoupí to depresivní inverzní počasí, kdy jsou třeba celé týdny jenom mlhy, elektrárna prakticky stojí, denní výroba bývá úplně minimální. Už jsem naměřila i 0Wh, běžnější jsou “výkony” do 100Wh. Nejpozději v únoru se to ale mění, a v březnu nastává úplně opačný problém – jak tu elektřinu spotřebovat? Svítí-li několik po sobě, pokryje denní výroba nejen okamžitou spotřebu, ale každý den se přebytkem dobíjí baterie, až je jednoho dne úplně nabitá. Regulátory přejdou do floatu, přebytečný výkon prostě nechají na střeše. Tenhle “problém” jsem začala řešit nejpozději poté, co jsem začala osazovat východní fotovoltaické pole. Přebytečná elektřina se dá užitečně spotřebovat ve spotřebičích, které se dají výkonově regulovat, tedy dá se dobře pálit v topení nebo lépe, v bojleru, protože teplá voda se hodí vždy.
Bylo třeba namyslet logiku vytěžovače, detekci události zahájení vytěžování a namyslet výkonové komponenty.
Vytěžovač v zásadě může regulovat v režimu napěťové zpětné vazby a v režimu regulace bateriového proudu. Kód pro regulaci je velmi jednoduchý: změřím veličinu podle režimu (tedy napětí nebo proud baterie), a mám řídící proměnnou obsahující relativní výkon balastní zátěže. Pokud je napětí baterie vyšší (nebo bateriový proud vyšší) než nastavený práh, zvýším výkon do balastu a naopak, to je v zásadě celé. Trochu komplikovanější je to s rozhodnutím, kdy regulaci zahájit. Základním ukazatelem je zapnutý měnič – pokud zapnutý není, nemá smysl se v kódu vytěžovače zdržovat. Druhým, zejména u napěťové regulace, je ukazatel, zda už proběhlo plné nabití baterie – což VALC pozná podle charakteristického napěťového průběhu, kdy se baterie nabijí až na absorční napětí a pak poklesne na napětí udržovací při současném snížení solárního výkonu. Případně lze tuto detekci ještě podmínit minimálním SOC baterie atp.
Druhým krokem bylo namyslet si výkonové komponenty. DIY řešení jsem zavrhla úplně, šla jsem cestou hotových SSR relé (DC řídící vstup, AC regulace). Dají se sehnat dva typy těchto SSR: spínaných v nule a spínaných v určitém úhlu fáze. Ty první jsou vhodnější pro pulsní regulaci, druhé pro regulaci plynulou (na výstupu je pak AC signál se zkreslenou sinusovkou, v podstatě takové PWM). SSR pro plynulou regulaci jsou dražší a nechají se řídit buďto napětím nebo proudem. Začala jsem prvním, levnějším typem SSR.
Do VALCu jsem implementovala dva nové kusy kódu: detekci přebytečné energie a samotnou regulaci balastní zátěže. Regulaci jsem napsala ve dvou verzích: SDS mělo ještě volný tzv D0 výstup, který je FETem spínán na nulu, a hodí se tedy pro řízení SSR spínajících AC v nule. VALC vyrábí signál o nastavitelné frekvenci v jednotkách Hz (tedy velmi pomalu) a moduluje střídu sepnutí D0, vyrábí tedy jakési nízkofrekvenční PWM. Na víc se bohužel SDS tímto způsobem nezmůže, protože SDC program běží relativně pomalu, a frekvence vnitřního vyčítání AD převodníků ve firmware není taky zrovna oslnivá – stovky ms. Ale nevadilo to, tento způsob regulace fungoval, stačilo opravdu jednoduché zapojení výstupu D0 na vstup SSR a zařadit tohle SSR do obvodu bojleru. Vytěžovač sám pak hlídá okamžik ukončení absorpce (100% SOC) a pak se pokouší podle zpětnovazebné regulace udržet napětí baterie mírně pod float napětím regulátorů. Jak říkám, fungovalo to vlastně hezky, ale mělo to háček – VALC vlastně na zlomek vteřiny zapnul celý bojler na měnič, část tohoto relativně velkého příkonu pokryl proud z regulátoru, zbytek ale šel samozřejmě z baterie. Baterie tedy při tomto způsobu regulace mikro-cyklují, to se mi moc nelíbilo. U dožívajícího olova mi to příliš nevadilo, nové LiFe jsem tím ale trápit nechtěla. Navíc byl tento regulační mechanizmus náročný i na měnič: spirálu bojleru jsem za pomoci souseda upravila na “pouhých” 500W, ale i tak bylo cítit, že to jsou docela šlupky.
Napsala jsem tedy další kousek kódu, daleko jednodušší než ten řešící první regulační metodu, tentokrát stačilo jednoduše nastavovat střídu PWM výstupu, které SDS poskytuje taky. Tuhle jednoduchost ale bylo nutné vykoupit poněkud dražším SSR, regulujícím protékající AC proud plynule. Dělá to spínáním v určitém okamžiku fáze AC průběhu; požadovaný výkon se nastavuje napětím 0-10V na vstupu. Dobře, bylo tedy potřeba vyrobit z PWM signálu na vstupu 0-10V pro řízení tohoto SSR. Možná bych to nějak ubastlila, ale dala jsem přednost hotovému a jednoduchému strojku na fotce vpravo, který měl dělat přesně to, co jsem potřebovala. A dělal a dodnes dělá. Jediné, co bylo potřeba doladit, bylo jakési malé napětí na vstupu SSR, které tam zůstávalo i při nulovém PWM a způsobovalo mírné pootevření SSR. Nepodařilo se najít takovou pozici toho regulačního trimru, aby měla regulace záběr skutečně 0 – 100%. Pomohl až malý odpor tuším 10K připojit paralelně přímo na svorku SSR.
Toto plynulé vytěžování je velmi dobře funkční, měnič ani baterii nijak nezatěžuje. Při vhodně dimenzovaném příkonu balastní zátěže a výkonu měniče to ani negeneruje nějaké problematické rušení v AC síti.
Proudový omezovač
Kombinací měření proudu a plynulé regulace balastní zátěže je i omezovač maximálního nabíjecího proudu, jak jej umožňují nastavit všechny pořádné regulátory. Omezit proud nabíjecí proud je dobré, protože se tím šetří baterie, i ty lithiové. Proč ale nechávat tento nevyužitý výkon na střeše, když je možné jej užitečně propálit?
I tuto funkci jsem si do své automatizace časem dopsala, a dodnes ji mám aktivovanou. Do baterie nyní neteče více než 35A, což je jakási empirická hodnota pro případ mé instalace. Po pozdějším rozšíření bateriové kapacity své elektrárny jsem pak bateriový proud zvýšila na 50A.
V datech valcMonitoru jsem našla jeden ze dnů, ve kterých je činnost omezovače nabíjecího proudu krásně viditelná. Oranžový “hrb” je solární výkon, v němž červená část je výkon tekoucí do baterie; rozdíl je pak okamžitá spotřeba domu. Žlutá křivka je procentuální výkon vytěžovače, světle zelená je výkon měniče (měřeno na straně AC), tmavě zelená křivka je napětí baterie. Fialová je SOC baterie. Omezovač je nastaven tak, aby zabral od určité úrovně SOC, proto ten neregulovaný nabíjecí výkon před desátou ráno. Omezovač nabíjecího proudu tedy reguluje vytěžovací SSR tak, aby bateriový výkon nepřekročil nastavenou hodnotu – v mém případě nějakých 500W. Nejsem si dodnes zcela jistá, co způsobuje víceméně pravidelné zvlnění regulace (vidno na % regulace (žlutá) a v korelaci s tím i na výkonu měniče (světle zelená) – za něco jistě může lednice, ale asi jsou tam i jiné zpětnovazební záludnosti v měření.
Činnost omezovače nabíjecího proudu
Pravda, vytěžovač nezabere hned, nějakou dobu mu trvá, než si velkých proudů všimne (pomalost měřící smyčky i SDC) a nějakou dobu trvá, než najde potřebnou regulační hodnotu. Málokdy jsou ale mraky přecházející přes panely tak rychlé, že by to vadilo.
Vytěžování do boileru má své limity – v jednu chvíli už je zkrátka boiler plně nahřátý a termostat jej odpojí – na grafu níže k tomu došlo těsně po poledni:
Nahřátý boiler
Řízení čerpadla domácí vodárny
Vyřešením plynulé regulace balastní zátěže se mi uvolnilo jedno šikovné AC SSR a D0 výstup SDS. Škoda to nechat ladem.
Mám domácí vodárnu, s čerpadlem, které je, jak známo, poněkud problematický spotřebič díky vysokým náběhovým proudům. Čerpat vodu do nádrže pouze podle tlakového spínače není u ostrovní fotovoltaiky dobrý nápad. Čerpala jsem tedy ručně, tak, že jsem se pokusila využít slunce, abych nečerpala zbytečně na baterii, a před čerpáním jsem odpojila balastní zátěž, abych nepřetížila měnič. Ne že by to bylo nějak zvlášť náročné, ale bylo na to třeba myslet. Je to taky zajímavá automatizační úloha.
Zapojení jednoduché: jeden z volných kontaktů tlakového spínače spíná jeden z optických vstupů SDS. VALC tedy ví, že je potřeba načerpat vodu a ví taky, že čerpání skončilo – tlakový spínač vypnul. Do obvodu čerpadla s tlakovým spínačem a jističem jsem zařadila ještě volné SSR řízené výstupem D0 SDS, takže VALC nyní může čerpadlo i fyzicky zapnout a vypnout, je-li aktivní tlakový spínač. A zbytek byla zajímavá analytická úloha: VALC může odložit čerpání až na okamžik, kdy svítí slunce a celá domácnost jede na měnič. Pokud není vhodné počasí, načerpá VALC nejpozději do nějakého času na veřejnou síť. Před zapnutím čerpadla vypne automatizace balastní zátěž a postará se o to, aby se během čerpání nemohla jinými procesy zapnout. Při čerpání, které v mém případě trvá asi dvě minuty, hlídá program proud měniče. Pokud se blíží nebo nastalo jeho přetížení (způsobené dalším spotřebičem v domácnosti), čerpání přeruší a pokusí se je dokončit později. Jako bonus omezuje automatizace čas čerpání, kdyby náhodou selhal tlakový spínač.