SVEUČILIŠTE U ZAGREBU

FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA

DIPLOMSKI RAD br. 1401

Stacionarni baterijski podsustav kao dio DC

mikromreže

Frano Grubišić

Zagreb, srpanj 2016.

Zahvala

Veliku zahvalnost dugujem mentoru Prof. Dr. Sc. Igoru Kuzli na iskazanom

razumijevanju, savjetima te savjesnom i stručnom vodstvu.

Zahvaljujem se svojim prijateljima s kojima sam dijelilo najljepše trenutke

studiranja.

I na kraju, najveću zahvalnost iskazujem svojim roditeljima, obitelji, zaručnici te

Miri Ivanković bez čije bezrezervne podrške najvjerojatnije nebi ni bilo ovog rada.

iii

Sadržaj

1. Uvod .............................................................................................................. 1

2. VRLA GEL baterija ......................................................................................... 2

2.1. Električne karakteristike VRLA GEL baterije ....................................... 4

2.2. Punjenje VRLA GEL baterije .............................................................. 5

2.3. Životni vijek VRLA baterije .................................................................. 7

3. Instalacija baterija u postojeće ormare ......................................................... 10

3.1. Dizajn postolja baterijskog sustava ................................................... 11

3.1.1. Prijedlozi nosive konstrukcije baterija ......................................... 13

3.2. Zahtjevi na ventilaciju ormara ........................................................... 20

3.2.1. Prirodna ventilacija ..................................................................... 23

3.2.2. Prisilna ventilacija ....................................................................... 28

3.2.3. Proračun parametara za projektiranje ventilacije ....................... 28

3.3. Električna oprema unutar baterijskog ormara ................................... 30

3.3.1. Baterijske banke ......................................................................... 30

3.3.2. Spajanje baterija i proračun kabela za spajanje ........................ 31

3.3.2.1. Odabir načina spajanja i naponske razine unutar ormara ...... 31

3.3.2.2. Proračun kabela unutar baterijskog ormara ........................... 32

3.3.3. Zaštitna i sklopna oprema unutar ormara ................................... 33

3.3.3.1. Osigurači ................................................................................ 33

3.3.3.2. Glavna sklopka ....................................................................... 34

3.3.4. Oprema za punjenje i pražnjenje baterijske banke ..................... 35

3.3.4.1. Punjenje baterijske banke ...................................................... 35

3.3.4.2. Pražnjenje baterijske banke ................................................... 37

3.3.5. Mjerna oprema u sklopu baterijskog sustava ............................. 38

3.3.6. Shematski prikaz spajanja električne opreme unutar ormara ..... 40

iv

4. Baterijski ormari kao dio DC mikromreže ..................................................... 44

5. Zaključak ...................................................................................................... 47

6. Literatura ...................................................................................................... 48

v

Popis oznaka i kratica

FER Fakultet elektrotehnike i računarstva

EES Elektroenergetski sustav

EV Električna vozila

VRLA Valve-regulated lead-acid

DC Istosmjerna struja

AC Izmjenična struja

vi

Popis tablica

Tablica 1. Karakteristike VRLA BT-HSE_GEL solarnih baterija, Izvor:

Veneko d.o.o. .................................................................................................... 4

Tablica 2. Faktor degradacije VRLA baterija po temperaturama, Izvor: CPS

Lim. .................................................................................................................... 8

Tablica 3. Vrijednosti faktora za izračun potrebnog toka zraka, Izvor:

Norma HRN 50272-2 ....................................................................................... 22

vii

Popis slika

Slika 1. Dijagram optimalnog ciklusa punjenja, Izvor: Schrack technick ............ 6

Slika 2. Ovisnost očekivanog životnog vijeka u % od nominalnog o temperaturi,

Izvor: CPS Limited ............................................................................................. 7

Slika 3. Prikaz performansi u ovisnosti o životnom vijeku, Izvor: CPS Limited ... 9

Slika 4. Prikaz VRLA baterije od 100 , Izvor: Veneko d.o.o. ........................ 10

Slika 5. Postojeći ormar kojeg je potrebno preurediti ....................................... 12

Slika 6. Raspored baterija na policama ukoliko bi se uklonile prepreke unutar

ormara .............................................................................................................. 14

Slika 7. Raspored baterija i izgled police slučaju smještanja svih baterija u veći

segment ormara ............................................................................................... 15

Slika 8. Raspored baterija u slučaju smještanja baterija u manji i veći segment

ormara .............................................................................................................. 16

Slika 9. Izgled metalne police manjeg segmenta ormara ................................. 18

Slika 10. Izgled metalne police manjeg segmenta ormara ............................... 19

Slika 11. Prirodna ventilacija sa otvorima na vrhu i dnu baterijskog ormara .... 24

Slika 12. Prirodna ventilacija sa otvorima na dnu i cijevi koja vodi do vrha ...... 25

Slika 13. Prirodna ventilacija sa otvorima na vrhu i dnu i cijevi koja vodi do vrha

......................................................................................................................... 26

Slika 14. Prirodna ventilacija sa otvorima na vrhu i dnu i cijevi koja vodi do dna

......................................................................................................................... 27

Slika 15. Varijante spajanja baterijskih banki, Izvor: Schrack technik .............. 30

Slika 16. Izgled instaliranog osigurača i podloge, Izvor: Schrack technik ......... 33

Slika 17. Glavna DC sklopka, Izvor: Schrack technik ....................................... 34

Slika 18. DC/DC pretvarač C3800D - Schaefer Euro , Izvor: Powerbox Ltd. ... 35

Slika 19. Nadzornik baterija BMV-600S ........................................................... 38

Slika 20. Dijagram ožičenja BMV 600S nadzornika ......................................... 39

viii

Slika 21. Plus sabirnička kutija s DC sklopkom i osiguračima .......................... 40

Slika 22. Minus sabirnička kutija ...................................................................... 41

Slika 23. Shematski prikaz spajanja električne opreme unutar baterijskog

ormara .............................................................................................................. 42

Slika 24. Izgled ormara nakon ugradnje pretvarača, postavljanja baterija i

sabirničkih ormarića ......................................................................................... 43

Slika 25. Shematski prikaz idejnog projekta mikromreže ................................. 45

Slika 26. Jednopolna shema mikromreže, DC dio mreže je prikazan crvenom

bojom ............................................................................................................... 46

1

1. Uvod

Posljednje desetljeće obilježeno je značajnim povećanjem korištenja

obnovljivih izvora energije u svrhu proizvodnje električne energije.

Intermitentnost obnovljivih izvora iziskuje spremanje energije te njeno

ponovno korištenje, stoga povećanje korištenja obnovljivih izvora u

elektroenergetskom sustavu, mikromrežama ili autonomnim sustavima

donosi i povećanje korištenja spremnika energije.

Baterijski podsustav upotrebljava se u svrhu pohrane i naknadnog

korištenja energije. Baterije čine važan dio svake DC mikromreže posebice

ako ona sadrži i obnovljive izvore energije poput fotonaponskih panela.

Njihovom primjenom značajno se povećava fleksibilnost mikromreže te

omogućava i njen otočni rad u periodima kada ista nije spojena s

elektroenegetskim sustavom.

U radu je opisan način instalacije VRLA baterija i prateće električne

opreme u postojeće ormare koje je bilo potrebno prilagoditi za tu namjenu.

Dane su karakteristike opreme koja se ugrađuje. Izrađene su police na koje

će postavljati baterije, te opisan način u spajanja opreme unutar baterijskog

ormara.

2

2. VRLA GEL baterija

Za spremanje energije koriste se VRLA (valve-regulated lead-acid)

baterije BT-HSE-150_GEL. VRLA baterije razvijene su u kasnim 1960-im

godinama kako bi se izbjegla potreba za dodavanjem vode te kako bi bateriju

mogli koristiti u bilo kojoj poziciji. Dizajnirane su tako da ispušteni kisik sa

pozitivne elektrode tijekom punjenja migrira na negativnu elektrodu gdje se

zajedno sa vodikom rekombinira dajući vodu. Ovim se procesom znatno

smanjuju gubici vode, iako oni postoje obzirom da iskoristivost nikad ne

dosegne idealnih 100 %. Zbog toga postoji određena količina vodika i kisika

koja mora biti ispuštena van same baterije što se postiže tlačnim ventilom

koji propušta plinove iz baterije kad se unutar baterije dosegne određeni,

kritični tlak. Odatle potječe i naziv 'Valve-regulated'. Iako je emisija plinova

znatno smanjena, nije eliminirana u potpunosti tako da i VRLA baterije mogu

postepeno gubiti vodu i postati suhe.

Najznačajnija razlika u odnosu na klasične olovne baterije je u tome što

kod VRLA baterija nije potrebno dodavanje vode i što su zahtjevi na

održavanje znatno manji, što je posebno korisno u slučajevima kad su

instalacije u zabačenim područjima ili u područjima gdje je otežan pristup

baterijama. Navedene prednosti plaćene su višom cijenom baterije te kraćim

životnim vijekom. Uzrok skraćenju životnog vijeka je viša operacijska

temperatura, koja nastaje usljed rekombinacije kisika te nemogućnosti

ventiliranja. Viša temperatura također pogoduje bržem isušavanju baterija.

VRLA baterije su primarno razvijene za standby sustave gdje broj punjenja

i pražnjenja nije velik, stoga bi za dobar odabir vrste i tipa baterije trebalo

poznavati karakteristike sustava na koji se baterije ili baterijski sustav

povezuju. Debljina ploča unutar same baterije su konstruirana za sporija i

dulja pražnjenja (deblje ploče) ili za brža pražnjenja sa velikom snagom

(tanje ploče).[1]

3

Faktori koji utječu na životni vijek VRLA baterija[1]:

Širenje i korozija pozitivnih ploča uslijed oksidacije, ova vrsta

degradacije je neizbježna i proizilazi iz prirode procesa oksidacije.

Oštećenja nastala zbog ovog mehanizma predstavljaju najčešći

uzrok kvara kod VRLA baterija.

Gubitak aktivnog materijala sa pozitivne elektrode

Gubitak kapaciteta uslijed fizičkih promjena u aktivnom materijalu

na pozitivnoj elektrodi

Dizajn baterije. Uobičajni životni vijek je od tri do deset godina,

baterija sa duljim životnim vijekom je skuplja zbog tanjih ploča i

skupljih materijala.

Temperatura. Povišene temperature skraćuju životni vijek baterija,

povećanje od otprilike osam do devet stupnjeva može skratiti

životni vijek baterija za pola.

Broj pražnjenja izravno utječu na skraćenje životnog vijeka baterije,

stoga je preporučivo iste smanjiti na minimum.

Preopterećenje baterija uzrokovano višim naponom rezultira bržom

korozijom pozitivne ploče i većim emisijama plinova.

Preniski napon uzrokuje samopražnjenje posljedično i oštećenje

ploča.

Drugi faktori npr.- nepravilno skladištenje, korištenje baterija u

svrhe za koje nisu predviđene, greške uslijed proizvodnje baterija

itd.

Karakteristike VRLA BT-HSE_GEL solarnih baterija[2]:

GEL tehnologija, hermetička bez održavanja

Deblje olovne ploče i veća gustoća aktivnog materijala

Superioran ciklički dizajn

4

Dulji životni vijek u cikličkom režimu rada

Pogodna za solarne sustave

Velik izbor kapaciteta, tipa i rasporeda izvoda

Odličan oporavak od predubokog pražnjenja

Tablica 1. Karakteristike VRLA BT-HSE_GEL solarnih baterija, Izvor:

Veneko d.o.o.

2.1. Električne karakteristike VRLA GEL baterije

Uobičajno je da se kapacitet baterije prikazuje s dvije oznake, npr. 100

. Na tržištu se mogu naći baterije s oznakama 100 ili 100

, razlika baterija koje se mogu naći s ove dvije oznake je da daju 100

, ali u različitima uvijetima pražnjenja. C20 označava da će se baterija

isprazniti za 20 sati uz struju od 5 ampera, dok C10 označava da će se

baterija isprazniti za 10 sati ukoliko se prazni strujom od 10 ampera.

Kapacitet baterija se smanjuje povećanjem struje pražnjenja, tako u različitim

uvjetima baterija može imati i različiti stvarni kapacitet, koji ponajviše ovisi o

struji pražnjenja.

Struja punjenja baterije ne smije premašiti 0.2 C. Konkretno za bateriju od

100 nebi smjela biti veća od 20 % kapaciteta tj. 20 ampera. Stoga je

uobičajno da se baterijski sustavi projektiraju tako da struja punjenja bude

oko 15 % kapaciteta baterije. Uz veće struje punjenja baterije se pojačano

zagrijavaju, pa uređaj za punjenje mora osigurati temperaturnu kompenzaciju

struje punjenja. U protivnom, baterija bi se tijekom punjenja i pregrijavanja

Nazivni

napon

[ ]

Nazivni

kapacitet

[ ]

Duljina

[ ]

Širina

[ ]

Visina

[ ]

Visina s

izvodima

[ ]

Masa [ ]

12 150 482 171 240 240 44.6

5

mogla nepovratno oštetiti. Moguće je mehanički pričvrstiti temperaturni

osjetnik te tim osjetnik pratiti temperaturu okoline i temperaturu baterije. U

tom slučaju signali s temperaturnog osjetnika šalju se u uređaj za punjenje.

[3]

2.2. Punjenje VRLA GEL baterije

Tijekom punjenja mora se paziti na ispravan napon punjenja, temperaturu,

struju punjenja i neugodni proces plinjenja koje se pojavljuje u bateriji pri

svakom povećanju temperature. Punjač baterija kontrolira cijeli proces

punjenja, pri čemu se i punjači po svojim dominantnim karakteristikama dijele

u tri osnovne vrste:

Punjač s dominantnom UI-karatkeristikom: Iz stalne struje (oko 90%

napona) punjač započinje puniti stalnim naponom.

Punjač s dominantnom W-karatkeristikom: Punjenje konstantnom

snagom (kako se napon povećava prema kraju punjenja, tako se

struja punjenja smanjuje).

Punjač s dominantnom WU-karatkeristikom: Iz punjenja

konstantnom snagom punjač započinje puniti stalnim naponom.

Istodobno, uređaj za punjenje mora kontrolirati stanje napunjenosti

baterije, čime spriječava pojavu intezovnog plinjenja u bateriji.

Plinjenje- pojava širenja plinova u kućištu, pojavljuje se uglavnom pri kraju

punjenja odnosno višim naponima baterije. Intenzivno plinjenje može uništiti

bateriju.

Iz osnovnih načina punjenja oblikuje se optimalan proces punjenja koji

ujedno mora biti i vremenski optimalan. Primjer načina punjenja kod

modernih punjača: Najprije se puni konstantnom strujom, a potom se

posebnim algoritmom podiže napon pazeći na proces plinjenja, ovisno o

prethodnoj dubini ispražnjenosti. Pritom se pazi na proračunato vrijeme i

konstantan napon, pri čemu struja punjenja opada. Nakraju ako nema

potrošnje, napon punjača se ruši preko dvije razine, kako je prikazano na slici

1.

6

Algoritam primjenjen u automatskoj kontroli omogućuje i periodičko

osvježavanje baterije u mirovanju koje smanjuje starenje i produžuje joj

životni vijek. Slika 1 prikazuje jedan takav optimalan ciklus. Za projektiranje

sustava najvažnije je da uređaj za punjenje odgovara odabranom tipu

baterije i da može osigurati struju punjenja do 0.2 C. Dijagnostika stanja

baterije može se lagano izvesti mjerenjem napona na neopterećenoj bateriji.

[3]

Slika 1. Dijagram optimalnog ciklusa punjenja, Izvor: Schrack technick

7

2.3. Životni vijek VRLA baterije

Pravilno projektirana, izvedena i održavana baterija može pružiti mnogo

godina pouzdanog rada. Kapacitet baterije se uobičajno poboljšava tijekom

prvih nekoliko godina službe, dolazi do maksimuma te zatim opada dok ne

bude toliki da praktički predstavlja kraj životnog vijeka. Baterija u vlastitom

životnom vijeku možda nikad ne doživi inicijalnih 100 % kapaciteta odnosno

nazivni kapacitet. Smanjenje kapaciteta na 80% nazivnog kapaciteta je

definirano kao kraj životnog vijeka za olovne, a time i VRLA baterije. Ispod

tog kapaciteta vjerovatnost kvara značajno raste te se ubrzava proces

starenja i gubitka kapaciteta.

Optimalni životni vijek postiže se uz temperature od 20 do 25 , iako se

određene performanse baterije povećavaju povišena temperatura značajno

smanjuje životni vijek baterije kako je prikazano na slici 2.

Slika 2. Ovisnost očekivanog životnog vijeka u % od nominalnog o

temperaturi, Izvor: CPS Limited

8

Tablica 2. Faktor degradacije VRLA baterija po temperaturama, Izvor:

CPS Lim.

Temperatura ambijenta u koju je smješten baterijski sustav u velikoj mjeri

određuje duljinu životnog vijeka baterija. Iz tablice 2 se može očitati da za

dvostruko povećanje temperature (sa 20 na 40 ) životni vijek padne za

četiri puta.

Ako primjerice promotrimo performanse baterije uz pretpostavu da nema

preuranjenih kvarova, optimalnu temperaturu od 20 , održavanu na

optimalnom naponu od 2.27

, uz dobru kvalitetu napajanja i punjenu u

Temperatura Faktor

degradacije

Temperatura Faktor

degradacije

9

kratkom roku nakon pražnjenja ta baterija bi trebala pasti na 80 % kapaciteta

nakon 10 godina.

Slika 3. Prikaz performansi u ovisnosti o životnom vijeku, Izvor: CPS

Limited

Prirodno bi bilo pretpostaviti da ako 100 baterija pruža autonomiju u

trajanju od 10 min da bi baterija pri kraju životnog vijeka kapaciteta 80

pružala autonomiju u trajanju od 8 minuta. Međutim ovisnost između

kapaciteta i trajanja autonomije nije linearna te bi autonomija za navedenu

bateriju na kraju životnog vijeka vjerojatno bila šest do sedam minuta. Stoga

možemo reći da bi već nakon 7.5 godina trebalo razmotriti zamjenu baterije

jer je malo vjerojatno da će baterija zadržati zadovoljavajuće performanse.[4]

10

Slika 4. Prikaz VRLA baterije od 100 , Izvor: Veneko d.o.o.

3. Instalacija baterija u postojeće ormare

Pri projektiranju baterijskog sustava treba se obratiti pozornost na sljedeće

[5]:

Podloga na kojoj će se nalaziti baterijski sustav treba imati dovoljnu

čvrstoću te odgovarajuću rezervu uzimajući u obzir eventualna

proširenja u budućnosti

Električne instalacije unutar ormara trebaju biti izvedene u skladu s

važećim propisima

Ukoliko baterijskim sustavom rukuju osposobljene osobe treba

predvidjeti mogućnost zaključavanja baterijskog prostora

Ukoliko se koriste baterije koje mogu ispustiti elektrolit nosači

trebaju biti otporni na elektrolit

Baterijski prostor mora imati ventilaciju koja spriječava nakupljanje

plinova (primarno vodika) iznad dozvoljenih vrijednosti unutar

baterijskog prostora uzevši u obzir i moguća kvarna stanja u kojima

se baterija ili punjač mogu naći

11

Otpor između mjesta na podu u neposrednoj blizini baterijskog

sustava do najbliže točke sustava uzemljenja nebi smjelo biti manje

od

Na mjestima gdje može doći do curenja elektrolita trebaju se

predvidjeti odgovarajuće posude

3.1. Dizajn postolja baterijskog sustava

Postojeći ormar u koji je potrebno ugraditi baterijski sustav prvotno nije

bio predviđen da za tu funkciju. Obzirom da je težina cjelokupnog sustava

značajna trebalo bi promotriti mogućnosti te se naposljetu odlučiti za

određeni dizajn polica na kojima će stajati baterije. Na slici 5 je izgled

postojećeg ormara. Iz ormara bi trebali biti uklonjeni rastalni osigurači,

sklopna oprema, kablovi te ostala električna oprema na vratima ormara.

Može se primjetiti da unutarnja konstrukcija koja nosi električnu opremu

zauzima značajan dio mjesta u ormaru te potencijalno predstavljaja prepreku

učinkovitoj ventilaciji. Stoga bi u prijedlozima rješenja trebalo obratiti

pozornost i na mogućnosti koje bi uključivale demontažu te konstrukcije.

Konstrukcija koja se nalazi na vratima ormara će se svakako morati ukloniti

jer predstavlja potencijalnu zamku za vodik i zauzima prostor unutar ormara.

12

Slika 5. Postojeći ormar kojeg je potrebno preurediti

13

3.1.1. Prijedlozi nosive konstrukcije baterija

Ukupna težina svih baterija i opreme:

( )

Ukupna težina koja se oslanja na police u

– Masa baterije

– Broj baterija

– Rezerva za kompenzaciju opreme, alata i mjernih uređaja koji su

spojeni na baterije ili mogu ostati na baterijskoj polici tijekom održavanja ili

mjerenja

– Sigurnosni faktor

Iz proračuna 1 vidi se da je masa samih baterija značajna, sukladno tome

potrebno je odabrati odgovarajući materijal za izradu samih polica, te je

potrebno kvalitetno izraditi policu

Obzirom da u manji segment ormara fizički ne stanu dvije baterije na

jednoj razini police uzet će se u obzir moguće uklanjanje pregrade kako bi se

dodatno iskoristio prostor na slici 6 je prijedlog nosive konstrukcije unutar

ormara i rasporeda baterija.

Ukoliko se pregrada odluči zadržati baterije bi se mogle smjestiti u veći

segment ormara. Ta opcija se može promotriti na slici 7.. Vidi se da je cijeli

prostor veće pregrade ispunjen baterijama, na zadnjoj polici nalazi se samo

jedna baterija koja je položena kako bi stala na gornju policu. Koristeći

ovakvo rješenje maksimalan broj baterija bio bi devet.

Pošto je manji dio segmenta premalen da bi stale dvije baterije na jednu

policu postoji opcija da se izrade dvije različite police koje bi dimenzijski

odgovarale manjem odnosno većem segmentu. Na taj način u većem dijelu

segmenta bi bile dvije baterije na jednoj razini police dok bi u manjem dijelu

segmenta jedna baterija bila na jednoj baterijskoj polici. Takvo rješenje

moguće je vidjeti na slici 8.

14

Slika 6. Raspored baterija na policama ukoliko bi se uklonile prepreke

unutar ormara

15

Slika 7. Raspored baterija i izgled police slučaju smještanja svih baterija u

veći segment ormara

16

Slika 8. Raspored baterija u slučaju smještanja baterija u manji i veći

segment ormara

17

Detaljnijom revizijom postojećih ormara utvrdilo se da su dijelovi koji bi se

eventualno trebali ukloniti dvije metalne grede te metalni dio na koji se

naslanjaju vrata manjeg i većeg segmenta prilikom zatvaranja. Metalne grede

su čvrsto zavarene za metalnu konstrukciju ormara što demontažu čini

složenom. Ukoliko bi se uklanjala postojeća pregrada na koju se naslanjaju

vrata trebalo bi također konstruirati nova vrata jer bi se manji i veći segmet

spojili u jedan.

Zbog gore navedenog odlučeno je da bi eventualna demontaža bila

zahtjevna te da se ide na opciju koja uključuje zadržavanje postojećeg stanja

ormara. U tom slučaju ostaje opcija sa slike 7. te slike 8. U slučaju korištenja

samo većeg segmenta ormara (slika 7.) broj baterija koje bi stale je devet što

je jedna manje od željenog broja baterija. Obzirom da u tom slučaju

dobivamo manji dio segmenta (koji je dosta uzak) za smještaj ostale opreme,

te da je rukovanje i održavanje otežano zbog malo mjesta među policama

odabir je pao na rješenje sa slike 8.

Na slici 9. Prikazana je metalna polica koja će se smjestiti u veći segment

ormara. Polica je dizajnirana tako da baterija nemože propasti kroz otvore na

dnu bez obzira na položaj baterije na polici. Dimenzije police su

89x62x36 . Pri izradi polica korištene su 3x3 metalne cijevi debljine 3

, pri konstrukciji i odabiru materijala vođeno je računa o sili kojom će

baterije opteretiti policu te je konstrukcija u mogućnosti podnijeti znatno veću

težinu od predviđenih baterija.

18

Slika 9. Izgled metalne police manjeg segmenta ormara

Na slici 10. Može se vidjeti dizajn polica za manji segment ormara.

Dimenzije police su 127x40x30 . Vrsta cijevi je ista kao i za širu policu. Na

ovoj polici nalaziti će se jedna baterija na svakoj razini. Može se primjetiti da

je duljina baterije za gotovo desetak centimetara veća od duljine police.

Razlog tomu je skučenost manjeg dijela ormara. Posljedica je to što će

baterija svojom dužinom prijeći desni dio police za maksimalno osam do

devet centimetara. Obzirom na ukupnu duljinu baterija statički to neće

poremetiti stabilnost police sa baterijama.

19

Slika 10. Izgled metalne police manjeg segmenta ormara

20

3.2. Zahtjevi na ventilaciju ormara

Tijekom punjenja baterijske ćelije uslijed elektrolize ispuštaju se određeni

plinovi od kojih su najistaknutiji vodik i kisik. Tako emitirani plinovi mogu

stvoriti potencijalno opasnu atmosferu u kojoj može doći do eksplozije ako

količina vodika prijeđe četiri posto u volumenu zraka u kojem se nalazi.

Svrha ventilacije baterijskih ormara je održavanje koncentracije vodika

ispod praga od 4% donje eksplozivne granice vodika.

Minimalni tok zraka iz baterijskog ormara može se izračunati sljedećom

fromulom :

( )

Ventilirani tok zraka u

- Razrijeđivanje vodika

- Proizvedeni vodik

–Sigurnosni faktor

- Broj baterijskih ćelija

– Jakost struje koja je mjerodavna za proizvodnju plinova u

baterijskoj ćeliji u miliamperima po ampersatu nazivnog kapaciteta.

– Kapacitet baterijske ćelije pri , pri 20 °C

Ako izvučeno poznate podatke formulu za

ventilirani tok zraka možemo napisati kao:

Struju možemo izračunati pomoću sljedeće formule

( )

21

– jakost struje pri uvjetima potpune napunjenosti baterijske ćelije,

definiranom naponu i temperaturi od 20 °C. Struja je tolika da kompenzira

samopražnjenje.

- jakost struje pri punjenju baterijske ćelije uz definiran napon i

temperaturu od 20 °C.

- faktor emisije plinova

- sigurnosni faktor koji kompenzira moguće kvarove u baterijskim

ćelijama, starenje baterije, te bili kakve druge faktore koji mogu doprinjeti

povećanju emisije plinova iz baterijskog sustava. [5]

Ukoliko proizvođač nije naveo drugačije vrijednosti jakosti struja ,

te drugih važnijih faktora su dane u tablici 3.

22

Tablica 3. Vrijednosti faktora za izračun potrebnog toka zraka, Izvor:

Norma HRN 50272-2

Olovne baterije

ventilirane ćelije

Olovne baterije

VRLA

Nikal kadmiji

ventilirane ćelije

23

3.2.1. Prirodna ventilacija

Prirodna ventilacija ili ventilacija prirodnom konvekcijom se smatra jednom

od najpouzdanih metoda ventilacije unutar baterijskih ormara. Temelji se

dvije elementarne činjenice:

Vodik je najlakši element u prirodi te kao takav gonjen uzgonom ide

prema gore

Kisik, dušik i ostali plinovi se kreću prema dolje uslijed svoje težine

Gornje pretpostavke vrijede i za topliji zrak koji je rijeđi, a time i lakši od

hladnijeg zraka. Ovi prirodni principi uz dobar odabir komponenata se mogu

iskoristiti za konstruiranje pouzdanog sustava za ventilaciju.

Prirodna ventilacija zbog svoje robusnosti ima niz prednosti nad

sustavom prisilne ventilacije jer nisu potrebni nikakvi pogonski elementi,

napajanje ili instalacije kako bi se osigurao protok zraka. Stoga bi se prirodna

ventilacija trebala koristiti u svim instalacijama u kojima takva vrsta ventilacije

osigurava dostatan protok zraka (2) unutar kućišta u kojem se nalazi

baterijski sustav.

Idealna ventilacija bi trebala reagirati samo na prisustvo vodika, bez da

pruža konstantnu ventilaciju u trenucima kad nije potrebna da bi se izbjegli

problemi sa dodatnim zagrijavanjem ili hlađenjem, osim kada ta ista

ventilacija nije namjenjena i za hlađenje. Oprema za ventiliranje kao npr.

ventilator je manje poželjna jer postoji mogućnost kvara u slučaju kojega bi

taj ventilator djelomično blokirao prolaz vodika kroz ventilacijsku cijev.

U sljedećih nekoliko točaka predstavljeni su načini kojima bi se mogla

izvesti prirodna ventilacija. [6]

Na slici 6. prikazano je ventiliranje prirodnom ventilacijom korištenjem

ventilacijskih otvora koji su smješteni na vrhu i dnu kućišta. Na taj način u

slučaju veće temperature vani hladniji zrak neće moći izaći kroz otvor na dnu

jer će biti zarobljen na dnu posude. To povlači i činjenicu da će također vodik

također biti u zamci jer će kroz otvore strujiti vanjski topli zrak iz okolice kroz

ormar prema donjem otvoru.

24

Slika 11. Prirodna ventilacija sa otvorima na vrhu i dnu baterijskog

ormara

Na slici 7. je prikazano ventiliranje prirodnom ventilacijom korištenjem

ventilacijskih otvora koji su smješteni na dnu kućišta. Na jednom od otvora

povezala bi se cijev koja vodi do vrha baterijskog ormara, dok bi na drugom

otvoru bila cijev koja bi vodila do dna. Kao i u prošlom primjeru moguće je

stvaranje zamke za vodik ukoliko je vanjska temperatura veća od unutrašnje.

25

Slika 12. Prirodna ventilacija sa otvorima na dnu i cijevi koja vodi do vrha

Na slici 8. prikazano je ventiliranje prirodnom ventilacijom korištenjem

ventilacijskih otvora koji su smješteni na vrhu kućišta na istoj visini, povezani

izmjenjivačem topline koji ima svrhu izjednačavanja temperature cijevi

povezanih na otvore. Na ovaj način nema izmjene topline unutar baterijskog

sustava - okoline već je ventilacija regulirana pasivno, povećanjem vodika u

ormaru prirodna cirkulacija je veća.

26

Slika 13. Prirodna ventilacija sa otvorima na vrhu i dnu i cijevi koja vodi do

vrha

Na slici 9. Prikazano je ventiliranje prirodnom ventilacijom korištenjem

ventilacijskih otvora koji su smješteni na vrhu kućišta na istoj visini, povezani

izmjenjivačem topline koji ima svrhu izjednačavanja temperature cijevi

povezanih na otvore. Na ovaj način nema izmjene topline unutar baterijskog

sustava - okoline već je ventilacija regulirana pasivno, povećanjem vodika u

ormaru prirodna cirkulacija je veća.

27

Slika 14. Prirodna ventilacija sa otvorima na vrhu i dnu i cijevi koja vodi do

dna

Minimalna površina otvora za ulaz i izlaz zraka u baterijskim kućištima ili

ormarima se izračunava prema sljedećoj formuli:

- Ventilirani tok zraka u

– Površina otvora za ulaz i izlaz zraka u

28

* Uz pretpostavku da je brzina strujanja zraka .

Pozicije otvora za strujanje zraka bi trebala biti smještena tako da se

stvore najbolji uvjeti za izmjenu zraka unutar baterijskog kućišta.

Otvori na suprotnim stjenkama

Minimalna udaljenost dva metra u slučaju otvora na istoj stjenci

3.2.2. Prisilna ventilacija

Ukoliko se prirodnom ventilacijom nemože postići odgovarajući protok

zraka koristi se prisilna ventilacija. Uobičajna rješenja su ventilatori koji su u

interlocku s punjačem, u nekim slučajevima se dodaje i alarm koji služi za

signlizaciju u slučaju nedovoljnog protoka zraka. Ovom metodom se dobiva

značajniji protok zraka koji u nekim slučajevima nije dobro reguliran te može

dodatno hladiti ili zagrijavati unutrašnjost kućišta. Isto tako moguće je

stvaranje zamke za vodik ukoliko je vanjska temperatura veća od unutrašnje.

Ventilator uobičajno proizvodi konstantni protok zraka no potreba za

ventilacijom unutar baterijskog kućišta može značajno varirati u posebnim

slučajevima za faktor 300. Moguće je ugraditi moderni sustav za kontrolu

brzine ventilatora i senzorima koji bi pratili količinu vodika, no taj bi sustav bio

skuplji i ranjivi na moguće prestanke rada uslijed mehaničkih i električnih

kvarova. Ovakve vrste kvarova obično se javljaju pri opterećenju sustava kad

je sustav za ventilaciju u pogonu i kad postoje naznake prisustva vodika te bi

se moglo reći da je vjerojatnost kvara najveća baš onda kada je ventilacija

potrebna. Zrak se obvezno ispušta izvan objetka u kojem se nalazi baterijski

sustav. [6]

3.2.3. Proračun parametara za projektiranje ventilacije

Faze punjenja baterijskog sustava mogu se podijeliti na dva dijela:

Faza punjenja teče

Faza napunjosti: teče - kompenzacija samopražnjenja

29

Iz tablice 1. Mogu se očitati potrebni podaci za izračun , za točan

odabir mjerodavne struje trebalo bi poznavati stanje napunjenosti baterija,

dostupnost energenata odnosno sunca te potrošnju u svakom trenutku.

Pošto je to nemoguće iz objektivnih razloga (npr. intermitentnost obnovljivih

izvora) za izračun će se pretpostaviti najgori slučaj te djelovanje struje

tijekom cjelokupnog procesa proizvodnje i ispuštanja plinova iz baterijskog

sustava.

Parametri potrebni za izračun potrebnog toga zraka u bateriji te potrebne

površine otvora za ispust zraka:

Ukupni broj baterijskih ćelija u ormaru

Kapacitet baterijske ćelije

Uz pretpostavku da će otvor biti kružnog oblika minimalni polumjer otvora

treba iznositi:

√ √

Ukoliko se uzme vrijednost polumjera od postojat će dovoljna

rezerva za moguća buduća proširenja. Nema posebnih zahtjeva na materijal i

vrstu cijevi kojim se odvodi vodik, samo je bitno da je ista nepropusna.

Veličina otvora se može prilagoditi veličini cijevi uz uvjet da je otvor cijevi veći

ili jednak . Na tržištu postoji niz ventilacijskih cijevi i fitinga ove veličine.

Otvori za ventilaciju moraju biti izbušeni na gornjoj stjenki ormara, te na

desetak centimetara od dna ormara točan položaj ovisiti će o položaju

ormara u odnosu na smjer izlaska cijevi izvan građevine.

30

3.3. Električna oprema unutar baterijskog ormara

3.3.1. Baterijske banke

Više pojedinačnih baterija spojenih u seriju i/ili paralelu naziva se

baterijskom bankom. Kod formiranja baterijske banke, baterije se spajaju u

seriju zbog povećanja napona, ili paralelno zbog povećanja kapaciteta. Pri

paralelnom spajanju jako je važno odabrati optimalan način. Na slici 10

prikazana su četiri načina spajanja baterija.

Slika 15. Varijante spajanja baterijskih banki, Izvor: Schrack technik

Kod spajanja u primjeru a) kabeli koji povezuju baterije nisu jedake duljine,

no svaki od njih pruža nekakav otpor pri prolasku struje. Zbog nejednakih

otpora pri punjenju ili pražnjenju, struja najprije odlazi ili dolazi iz baterije bliže

priključku na instalaciju. Kod svake sljedeće baterije struja mora prijeći dulji

put, pa je tako struja najudaljenije baterije mnogo manja od one koja je

najbliža. Baterija koja je najbliže izvoru je ujedno i najviše opterećena što

skraćuje njen životni vijek. Spojene baterije su nejednoliko opterećene, zbog

čega se životni vijek svake od baterije smanjuje, a time i životni vijek cijele

banke.

Mala modifikacija u spajanju kao na primjeru b) znatno poboljšava stanje,

no opori priključaka i dalje nisu jednaki. Međutim spoje li se baterije kao na

crtežu c), opterećenje na svim baterijama je jednako zbog jednake dužine

kabela (tj. otpora) od glavnog mjesta priključka, zapravo mjesta

punjenja/pražnjenja baterije. Jedini nedostatak takvog načina spajanja je

nužno osiguranje većeg prostora što u izvedbi nije praktično. Najbolje

31

rješenje spajanja baterija prikazano je na primjeru d). Opterećenje baterija je

jedanko jer struja punjenja i pražnjenja teče kroz kabele potpuno jednake

duljine i otpora do svake pojedine baterije u banci.[3]

3.3.2. Spajanje baterija i proračun kabela za spajanje

3.3.2.1. Odabir načina spajanja i naponske razine unutar ormara

Pri odabiru načina spajanja baterija bilo je potrebno obratiti pozornost na

više faktora. Analizom prvotnog zahtjeva da se baterije spajaju serijski

zaključeno je da je takvo rješenje nestandardno te nameće visoke zahtjeve

na opremu koja se mora koristiti. Punjači su uobičajno standardizirani do 48

na baterijskoj strani, te se pokazalo da je za više napone iznimno teško

naći punjač s odgovarajućom strujom punjenja jer su takvi punjači uglavnom

namjenjeni za sustave s znatno većim kapacitetom. Također korištenjem 120

mora se koristiti visoka razina zaštite (npr zaštita od struja curenja,

napona dodira itd.).

Deset baterija je nemoguće spojiti da se dobije 48 stoga se kao

jedino razumno rješenje nudi sustav od 24 s kombinacijom paralelno-

serijskog spoja baterija.

Baterije se spajaju kombinirano serijski-paralelno u pet baterijskih blokova.

U svakom pojedinom bloku nalaziti će se dvije baterije koje su spojene

serijski. Što daje 24 DC. Pet blokova će se spojiti paralelno čime će se

povećati kapacitet sustava za pet puta. Tako spojeni blokovi zajedno će dati

750 nazivnog kapaciteta.

Snaga tako priključenog sustava koju baterijski ormar injektira ili uzima iz

mreže može se ugrubo izračunati kao produkt struje punjenja, napona

baterija i gubitaka na punjaču i cjelokupnom baterijskom sustavu (cca 10 %):

U mikromreži je planirano da budu instalirana dva baterijska sustava što

daje električnu snagu ormara od oko 4.3 kilovata što je sasvim dovoljno da

se preuzme sva snaga proizvedena foto naponskim sustavima.

32

Autonomija sustava u idealnom slučaju:

Baterije nije preporučivo potpuno isprazniti zbog značajnog skraćenja

životnog vijeka baterije, zato baterijski sustav ima dovoljnu autonomiju, te je

moguće da baterijski sustav injektira punu snagu u mrežu nekoliko sati.

3.3.2.2. Proračun kabela unutar baterijskog ormara

U poglavlju 2.2.1. navedeno je da struje punjenja ne smije prijeći 20 %

kapaciteta sustava:

Baterijski sustavi se uobičajno projektiraju na struju punjenja koja iznosi

oko 15 % kapaciteta sustava:

Obzirom da je maksimalna preporučena struja punjenja 112.5 ampera,

svrsi ishodno je odabrati maksimalnu struju punjača od 100 ampera. Pri

ožičenju baterija kabelima primjenuje se jednostavno pravilo: kroz svaki

kvadratni milimetar kabla smije se propuštati struja od najviše 2 ampera ili 2

.

Površina kabela za spajanje baterija:

Obzirom da standardizirane površine kabela iznose ... 10, 16, 25,

50... itd. Odabirom vrijednosti punjenja od 100 površina kabela bi

trebala iznositi 50 .

Pri paralelnom spajanju baterija svakom granom teče pet puta manja

struja odnosno 20 za taj iznos struje odgovarajući odabir bi bio kabel od

33

10 , no obzirom da se u postojećim ormarima ožičavalo kabelima od

16 odabir će pasti na njih kako bi se iskoristio postojeći materijala.

3.3.3. Zaštitna i sklopna oprema unutar ormara

Unutar ormara potrebno je ugraditi zaštitnu i sklopnu opremu koja bi

reagirala na svako potencijalno opasno odstupanje od normalnog režima

rada. Unutar ormara koristiti će se osigurači i sklopka koji su dimenzionirani

na odgovarajuće struje.

3.3.3.1. Osigurači

Struje u paralelnim granama iznose 20 , ukoliko bi ta struja prešla iznosi

od 25 postojala bi znatna vjerojatnost da se ošteti baterijska banka usljed

visoke struje punjenja. Odgovarajući osigurač bi u tom slučaju bio na 25 .

Slika 16. Izgled instaliranog osigurača i podloge, Izvor: Schrack technik

Na slici 16. se vidi osigurač i oprema na koju se montira. Na plavi držač

namontiran je DC osigurač sa rastalnom niti koja se topi uslijed prolaska

struje koja je viša od predviđene. DC osigurači imaju tromu karakteristiku te

su prilagođeni uobičajno velikim presjecima spojnih kabela. Oprema i

osigurač su konstrukcijski jednostavni te se bez većih problema mogu spajati

s kabelima te se montirati unutar sabirničkog ormarića.

Struja u glavnoj grani može iznositi maksimalno 100 . Na raspolaganju

stoje DC osigurači od redom 100, 125, 160 . Odabir će pasti na osigurače

od 125 obzirom da bi svaki veći iznos struje oštetio baterijski banku. Izgled

34

osigurača je isti te se montiraju na istu podlogu. Razlikuju se samo u

rastalnoj niti unutar osigurača.

3.3.3.2. Glavna sklopka

Glavna sklopka služi za ručno prekidanje strujnog kruga. Smješta se u

plus sabirnički ormarić te služi kao poveznica paralelnih grana s glavnim

granom. Sklopka je dimenzionirana za rasklapanje struje do 200 . Na slici

17 se može vidjeti izgled glavne DC sklopke.

Slika 17. Glavna DC sklopka, Izvor: Schrack technik

Osim navedenih mjera osiguranja podrazumjeva se da je potrebno

uzemljiti sve metalne dijelove unutar ormara koji nebi smjeli doći pod napon.

To je kućište ormara te metalne police na kojima se nalaze baterije.

35

3.3.4. Oprema za punjenje i pražnjenje baterijske banke

3.3.4.1. Punjenje baterijske banke

Na strani DC mikromreže je napon iznosa 110 DC kojeg je potrebno

smanjiti na 24 što bi odgovaralo naponu unutar baterijskog ormara. Kako

bi se to postiglo potrebno je ugraditi DC/DC pretvarač koji će ujedno imati

funkciju punjača baterija. Na odgovarajući signal DC/DC pretvarač postavio

bi napon izlaza na određenu vrijednost koja odgovara punjenju. U slučaju

punjenja baterija, vrijednost napona na izlazu iz punjača mora biti veća od 24

inače bi se baterije punile do iznosa 20-30 % nazivnog kapaciteta.

Kriteriji za odabir DC/DC pretvarača:

Snaga pretvarača (definirana u poglavlju 3.3.2.)

Ulazni napon (110 ) i izlazni (27-28 )

Struja punjenja baterija do 100

Mogućnost hlađenja prirodnom konvekcijom

Odgovarajuće dimenzije kako bi uređaj stao u ormar

Gornje zahtjeve zadovoljava uređaj C3800D - Schaefer Euro Series

DC/DC Converter prikazan na slici 18.

Slika 18. DC/DC pretvarač C3800D - Schaefer Euro , Izvor: Powerbox Ltd.

36

Uređaj prikazan na slici 18. dolazi u mnogim izvedbama. Pretvarač koji

odgovara baterijskoj banki opisanoj u ovom radu je na 28 sa strujom

punjenja od 85 .

Napon ćelije:

Odabirom napona od 28 svaka baterijska ćelija će biti na 2.33 što je

jako blizu idealnoj vrijednosti napona pri konstantnom naponu punjenja

VRLA baterija koji iznosi 2.35 . Struja punjenja je manja od maksimalne

vrijednosti koja iznosi 100 zbog gubitaka unutar pretvarača. To će

rezultirati nešto dužim punjenjem i dodatnom rezervom zbog odabranih većih

presjeka kabela. No manja struja ujedno znači i dulji životni vijek baterijske

banke.

Korištenjem konstantnog napona punjenja ne iskorištavaju se prednosti

modernih punjača AC/DC punjača baterija (poglavlje 2.2.), no alternativa bi

bila korištenje DC/AC invertera te zatim AC/DC punjača što osim cijene

predstavlja dodatno zagrijavanje i gubitke usljed dvostrukog pretvaranja

(DC/AC/DC). Postavlja se pitanje zašto pretvarati DC u AC te zatim opet iz

AC u DC. Stvar je u tome da su moderni punjači koncipirani za AC/DC

punjenje, te bi se DC/DC sustav pretvaranja i punjenja s odlikama modernih

punjača (manipulacija snagom, strujom i naponom) morao posebno

naručivati te bi bio nestandardan i skup.

Tehničke karakteristike uređaja [10]:

2000-2500

Konfigurabilan DC/DC pretvarač sa rasponom od 26-30

Radna temperatura -20 do +70

DC ulaz 10 - 800

DC izlaz 4.5 - 450

Efikasnost 80-92 %

37

Hlađenje prirodnom konvekcijom

Uređaj ima ugrađenu zaštitu od povratne snage

Masa uređaja zajedno s podlogom za montiranje iznosi 16

3.3.4.2. Pražnjenje baterijske banke

Za pražnjenje baterijske banke može se koristiti pretvarač sa 24 na

110 tehničke karakteristike su iste kao i za ulazni pretvarač, jedina

razlika je u rasponu radnog napona koji iznosi 23-26

Logiku paljenja i gašenja pretvarača potrebno je softwerski rješiti kako se

nebi desilo da su obadva pretvarača upaljena u isto vrijeme.

DC/DC pretvarači još uvijek ne omogućavaju dvosmjeran tok snage

(izuzev bidirekcijskih DC/DC pretvarača koji su još u razvojnoj fazi) stoga se

trebaju koristiti dva pretvarača jedan za ulaznu snagu (110-24 , buck

converter), drugi za izlaznu snagu (24-110 , boost converter). Obzirom da

je DC mikromreža povezana na EES preko postojeće mikromreže te da u

trenutku pisanja ovog rada nije poznata organizacija punjenja i pražnjenja

zamišljeno je da se DC/DC petvarači kontroliraju pomoću vanjskog signala.

Na taj način pretvaračima se daje nalog da se uključe ili isključe ovisno o

tome dali je potrebno puniti baterijski sustav ili injektirati snagu iz baterijskog

sustava u mrežu. Okidač za punjenje ili pražnjenje može biti npr. uključivanje

DC trošila, gubitak veze sa postojećom mikromrežom, pad napona na

sabirnici itd.. Navedeni uređaji imaju mogućnost daljinskog upravljanja te

izvršavanja naloga za uključenje ili isključenje. Uređaji imaju mogućnost

montiranja na stjenku ormara.

Na tržištu postoji niz DC/DC pretvarača koji zadovoljavaju gore navedene

uvjete, pretvarači tvrtke Powerbox Ltd. odabrani su jer imaju dobro

dokumentirane specifikacije. Moguće je odabrati i druge pretvarače ovisno o

kriterijima koji ovdje nisu uzeti u obzir npr. cijena.

38

3.3.5. Mjerna oprema u sklopu baterijskog sustava

Kako bi u svakom trenutnu postojao uvid u stanje baterijskog sustava

potrebno je ugraditi sustav za mjerenje električnih veličina na izlazu iz

baterije. Kako bi se iskoristili postojeći otvori na vratima ormara potrebno je

obratiti pozornost na mogućnosti ugradnje sustava za mjerenje unutar

postojećih otvora. Većina regulatora punjenja imaju dostupno očitanje stanja

napunjenosti i ostalih električnih veličina baterijske banke na vlastitom

zaslonu, stoga tržište ne obiluje samostalnim sustavima očitanja koje ujedno

i zadovoljavaju dimenzijske veličine otvora na ormaru. Korištenje zasebnog

sustava nameće se i zbog obveze otvaranja ormara za svako očitanje,

pogotovo zato jer je planirano da ormar bude zaključan i dostupan samo

ovlaštenom osoblju.

Jedan od sustava koji je

jednostavan za korištenje, ugradnju i

rukovanje te posjeduje sve odlike

modernog sustava za mjerenje

električnih veličina je BMV 600S. Na

slici 15. prikazana je pločica sa

zaslonom za prikaz i gumbima za

odabir veličine koja se prikazuje na

zaslonu. Glavna funkcija nadzornika je

uvid u stanje baterijske banke.

Slika 19. Nadzornik baterija BMV-600S

Standardne informacije i alarmi:

Napon baterije

Struja punjenja/pražnjenja

Ampersati izdani iz baterije

Stanje napunjenosti

Vrijeme do ispražnjenja baterije uz trenutačnu potrošnju

Vizualni i zvučni alarm: prenapon i podnapon, i/ili stanje

napunjenosti

39

Programabilni relejni izlaz koji može biti iskorišten za start

generatora

Karakteristike:

Rezolucija: 10 uz 500 / 50 mjerni član , 10 0.1

Radna temperatura: -20 do +50

Potrošnja 3-4

Raspon mjernog napona 9.4 do 95

Jednostavan za ožičenje: BMV 600S dolazi sa mjernim članom 10

metara RJ UTP kabela i 2 metra kabela za vlastito napajanje sa

uključenim cjevastim tromim osiguračem od 1

Za spoj nisu potrebne druge komponente

Jednostavan za montažu na komandne ploče ili vrata razdjelnika

Komunikacijsko sučelje (izolIrano RS 232 sučelje je potrebno za

spoj s računalom

Slika 20. Dijagram ožičenja BMV 600S nadzornika

40

3.3.6. Shematski prikaz spajanja električne opreme unutar ormara

Kao što je već navedeno baterije će se spajati kombinirano serijski-

paralelno. Po dvije baterije će se spojiti serijski te će se tih pet komada malih

baterijskih banki spojiti u paralelu. Spajanje malih baterijskih banki vrši se

kabelom od 16 . Plus izvodi se vode do plus sabirničkog ormarića u

kojem se u svaku granu serijski dodaju osigurači. Pet izvoda se zatim spajaju

na 200 sklopku. Plus sabirnički ormarić se spaja sa punjačom preko 50

kabela koji u seriju ima spojen DC osigurač od 125 . S minus polova

baterija vode se izvodi do minus sabirničkog ormarića u kojem se nalazi

oprema za mjerenje. Izlaz iz sabirničkog ormarića direktno je spojen na

punjač 50 kabelom.

Sabirnički ormarići prikazani su na slikama 20 i 21.

Slika 21. Plus sabirnička kutija s DC sklopkom i osiguračima

41

Slika 22. Minus sabirnička kutija

Svi kabeli koji dolaze iz baterija k sabirničkim ormarićima moraju imati

jednaku duljinu. Obzirom da će se sabirničke kutije smjestiti u gornjem dijelu

ormara zbog nedostatka prostora, duljine će morati odgovarati duljini kabela

od najudaljenije baterije do sabirničkih kutija. Mjerenjem na 3D modelu

ormara ustanovljeno je da ta duljina iznosi 1.3 . To je slučaj u kojem bi

kabel bio potpuno zategnut što naravno nije dobro, zato će se uzeti nešto

dulji kabel odnosno 1.4 .

Duljinu kabela serijskog spoja dvije baterije također će uvjetovati

najudaljenije baterije, to je slučaj s baterijama na višoj polici. Udaljenost

među izvodima baterija iznosi 35 . U ovom slučaju će se uzeti kabel od 45

.

Ukupna duljina potrebnog 16 kabela:

Sabirničke kutije će se nalaziti u neposrednoj blizini punjača te će prema

3D modelu ormara biti dovoljno ukupno oko 2.5 metara 50 kabela.

Uobičajno je slučaj da se kabeli postavljaju unutar kabelskih kanalica zbog

povećanja preglednosti. Pozicije kanalica bi trebalo razmotriti na licu mjesta

42

nakon što se demontira sva oprema, tek tada će se znati s koliko se točno

mjesta raspolaže unutar ormara.

Shematski prikaz mreže dan je na slici 23.

Slika 23. Shematski prikaz spajanja električne opreme unutar baterijskog

ormara

43

Slika 24. Izgled ormara nakon ugradnje pretvarača, postavljanja baterija i

sabirničkih ormarića

44

4. Baterijski ormari kao dio DC mikromreže

Penetracijom obnovljivih izvora energije elektroenergetski sustav se

neminovno mijenja, sve je veći broj malih proizvodnih jedinica koji rade u

sprezi sa konvencionalnim elektranama. Stalno povećanje udijela obnovljivih

izvora povlači i nužno povećanje fleksibilnosti budućih EES-a. Informacijske

tehnologije koje omogućuju razmjenu informacija između između različitih

subjekata u EES-u uvelike pripomažu razvoj nove generacije EE mreža

(engl. Smart Grid).

Osnovna ideja naprednih mreža je povećanje kapaciteta, učinkovitosti i

pouzdanosti postojećih i novih elemenata EES-a uz izbjegavanje velikih

pojačanja mreže uz određene investicije u nadzornu i upravljačku opremu.

Inteligentno praćenje i nadzor olakšava povezivanje i rad proizvođača svih

veličina i različitih tehnologija, potrošači dobivaju bolje informacije i izbor

opskrbe, a smanjuje se i štetni utjecaj na okoliš cijelog sustava opskrbe

električnom energijom.[7]

Usljed svih navedenih promjena kroz koje prolazi EE mreža došlo se do

zaključka da bi bilo bi jako korisno ukoliko bi studenti Fakulteta elektrotehnike

i računarstva imali priliku raditi na mikromreži koja bi se sastojala od

elemenata koje bi simulirali prilike na mreži. Zato je razvijen idejni projekt

mikromreže koja bi se spajala na postojeću mrežu u laboratoriju kojim se

koristi Zavod za viski napon i energetiku. Shematski prikaz mikromreže je

prikazan na slici 15.

45

Slika 25. Shematski prikaz idejnog projekta mikromreže

Iako prikaz sa slike 25. nije potpuno točan dobiva se uvid što je sve

priključeno na mikromrežu. Vjetroeletrana je izostavljena te se baterije u

baterijskim ormarima spajaju paralelno- serijski što daje 24 umjesto 12 .

Na mikromrežu je priključeno:

5 fotonapona

Dvije AC/DC veze 3x2

DC/AC veza 3x1.8

Dva baterijska ormara sa VRLA GEL baterijama 24

Baterijski ormar sa Li-Ion baterijama (Simulacija EV) 3.2 , 3200

DC trošila

Na slici 26 može se vidjeti detaljniji prikaz priključenih elemenata te

jednopolnu shemu.

46

Slika 26. Jednopolna shema mikromreže, DC dio mreže je prikazan

crvenom bojom

47

5. Zaključak

Razvoj i djelomični prijelaz na napredne mikromreže uslijed penetracije

obnovljivih izvora energije, električnih automobila, razvoja telekomunikacijske

tehnologije itd. je samo pitanje vremena. Sustavi za spremanje energije će

igrati značajnu ulogu u tim mrežama. Trenutno u Hrvatskoj vlada nedostatak

stručnog kadra kad je pitanju projektiranje baterijskih sustava koji se imalo

razliku od standardnih fotonapon-baterije rješenja, te se javlja potreba za

educiranjem mladih stručnjaka i inženjera. Baterijski sustavi temeljeni na

VRLA GEL baterijama ne zahtjevaju posebno održavanje, ispuštaju jako

malo vodika te su stoga pogodni za korištenje u DC mikromrežama. Većina

opreme koja se nalazi u baterijskom ormaru je jednostavna i lako nabavljiva.

Nažalost to se nemože reći za punjače baterija koje je teško pronaći za DC

izlaz i visoke istosmjerne napone kakvi se koriste u DC mikromrežama.

Životni vijek baterijskog podsustava znatno ovisi o režimu rada i sprezi s

ostalim elementima mreže, stoga je potrebno voditi računa da mikromreža

radi u normalnom režimu rada te da su dubine pražnjenja baterija unutar

razumnih granica.

48

6. Literatura

[1] East Penn Manufacturing: Valve-Regulated Lead Acid (VRLA), EPM Lyon Station, USA, 2015.

[2] Veneko: Serija GEL solarnih baterija, Zagreb, 2014.

[3] Schrack technik:Tajne moćnih baterija, Schrack Hrvatska, Zagreb, 2013.

[4] Constant Power Services:Service Life Factors for VRLA Batterie,Hertfordshire, UK, 2014.

[5] European standard: Safety requirements for secondary batteries and battery installations, EU, lipanj, 2001.

[6] Zomeworks Corp.: How to Vent Your Solar Batteries, Zomeworks Corp.:, USA, 2016.

[7] HRO CIGRE: Razvoj laboratorija za električna postrojenja, Igor Kuzle,Kristina Jurković, Hrvoje Pandžić, studeni, 2015.

[8] Schrack technik:Online katalog: Schrack Hrvatska, Zagreb, 2016.

[9] Schrack technik:Online katalog: Schrack Hrvatska, Zagreb, 2016.

[10] Powerbox Ltd: DC/DC converter C3800 D series, Australia, Sydney 2016.

49

Sažetak

U radu su opisane komponente baterijskog DC podsustava koji bi trebao

biti spojen na DC mikromrežu. Predložen je prostorni raspored baterija,

prema tom prijedlogu konstruirani su i izrađeni metalni nosači baterija. Dano

je rješenje ventilacije baterijskog sustava. Prema idejnom projektu DC

mikromreže odabrana je vrsta spajanja baterija i ukupni kapacitet baterijskog

ormara. Odabrane su i opisane električne komponente koje bi se trebale

instalirati u električni ormar. Dana je električna shema spajanja komponenti

unutar baterijskog ormara. Projekt ormara izrađen je uz stručno savjetovanje

kvalificiranog projektanta.

Ključne riječi: baterijski ormar, VRLA baterije, mikromreža, ventilacija

baterijskog ormara

50

Summary

Described in the thesis are the components of a battery DC sub-system

that should be connected to a DC micro-grid. A special arrangement of

batteries is proposed, and following that proposal, metal battery holders were

constructed and built. A solution to the battery ventilation system is given.

According to the idea of a DC micro-grid project, overall battery closet

capacity and the type of battery connecting are both chosen. Described

electric components that should be installed into the electric closet are also

chosen. A scheme of electric component connection inside of the battery

closet is given. The closet project is designed with the help of professional

guidance of a qualified engineer.

Keywords: battery enclosure, VRLA battery, ventilation of battery

enclosure, microgrid