Zasilanie systemów magazynowania energii w gospodarstwie domowym

Rys. 1. Przykład systemu zasilania budynku z wykorzystaniem sieci energetycznej i instalacji PV

System magazynowania energii opiera się na akumulatorze, który jest ładowany w okresie mniejszego zapotrzebowania na energię oraz stanowi źródło dodatkowej mocy w godzinach szczytu lub przy braku zasilania z sieci elektroenergetycznej (funkcja awaryjnego systemu zasilania). System taki jest w stanie zrównoważyć obciążenie elektryczne, a tym samym oszczędzać koszt elektryczności gospodarstwa domowego, np. przy liczniku dwutaryfowym.

Perspektywy rozwoju rynku systemów magazynowania energii domowej są bardzo obiecujące. Łączą one nową technologię wytwarzania energii i przyczyniają się do tworzenia tzw. inteligentnej sieci energetycznej.

Struktura i komponenty systemu magazynowania energii

Rys. 2. System zasilania niepodłączony do sieci energetycznej (off grid)

Istnieją dwa rodzaje systemów magazynowania: takie które podłączone są do sieci elektroenergetycznej oraz działają autonomicznie (tzw. on-grid oraz off-grid).

System składowania energii podłączony do sieci energetycznej ma strukturę mieszaną i składa się z 5 kluczowych elementów: panelu fotowoltaicznego, inwertera podłączonego do sieci elektrycznej, systemu zarządzania akumulatorem (BMS), akumulatora zapewniającego gromadzenie energii oraz obciążenia. W momencie zaniku dopływu prądu z sieci energoelektrycznej, zostaje załączony falownik.

Zasila on obiekt z paneli PV, a także z akumulatora. System działa w trzech trybach: 1 - energia słoneczna ładuje akumulator i zasila budynek, 2 - energia słoneczna wykorzystywana jest do magazynowana i zapewnia częściowo zasilanie dla budynku oraz 3 - energia słoneczna trafia tylko do akumulatora. Przykład takiego systemu przedstawiony jest na rysunku 1.

W systemie magazynowania energii niepodłączonym do sieci (off-grid) również można wyszczególnić trzy tryby działania: 1 - energia słoneczna jest gromadzona w akumulatorze oraz zasila budynek podczas słonecznych dni, 2 - energia słoneczna oraz energia zgromadzona w akumulatorze zasila budynek, 3 - energia zgromadzona w akumulatorach zasila dom w okresie słabego nasłonecznienia. System ten ma strukturę jak na rysunku 2.

Rozwiązania dla układu BMS

Rys. 3. Rozwiązania dla zasilania systemu zarządzaniem baterią (BMS)

Bezsprzecznie to akumulator jest najważniejszym komponentem całego systemu i jego stan musi być ciągle monitorowany za pomocą systemu zarządzania baterią (BMS). Jego częścią jest sterownik akumulatora (BCU), który komunikuje się w czasie rzeczywistym poprzez magistralę CAN z jednostką monitorującą stan (BMU).

Przesyłane są informacje na temat napięć, temperatury dane na temat prądów ładowania i wyładowania. Na ich podstawie BMU przeprowadza obliczenia i wyświetla wyniki na temat stanu baterii na wyświetlaczu. BCU inteligentnie zarządza funkcjonowaniem całego systemu, a także zapewnia ochronę procesu ładowania i rozładowania odcinając obwody za pomocą przekaźników w sytuacjach niebezpiecznych.

Podstawą zapewnienia bezpieczeństwa jest dobra izolacja galwaniczna pomiędzy komponentami wchodzącymi w skład systemu BMS. Główna jednostka zarządzająca jest zasilana napięciem 24 V_DC, a całkowita moc pobierana przez obwody nie przekracza 5 W. Dlatego idealną przetwornicą do realizacji tego układu jest URB2405YMD-10WR3, która daje na wyjściu 5 V_DC i dodatkowo pozwala na dołączenie do wyjścia kolejnych elementów zasilających jak przetwornica DC-DC F0505XT-1WR2 oraz regulator LDO 5->3,3 V niezbędny do zasilenia mikrokontrolera sterującego całością.

W całym systemie znajduje się ponadto sześć konwerterów F0505XT-1WR2, które są wykorzystywane do zasilania czterech modułów komunikacyjnych CAN, obwodu detekcji (obecności) napięcia, detektora obciążenia, a zapewniające właściwą izolację poszczególnych obwodów i bloków włączając w to moduły komunikacji. Rozdzielenie zasilania na kilka bloków oraz separacja galwaniczna pozwala zredukować zakłócenia oraz polepsza stabilność pracy całego układu.

Rozwiązania dla jednostki monitorującej pracę inwertera solarnego

Rys. 4. Przedstawia przykładowe rozwiązanie dla jednostki monitorującej pracę inwertera solarnego

Działanie inwertera współpracującego z panelem fotowoltaicznym musi być monitorowane w czasie rzeczywistym, a mikrokontroler sterujący musi mieć możliwość komunikacji i sterowania, wymagane napięcie oraz maksymalną moc systemu. Niemniej w tym przypadku komponenty monitorujące pracę wymienionych dwóch bloków mogą być zasilane z energii dostarczanej przez panel PV.

Rysunek 4 ilustruje schemat takiego systemu. Zawiera on przetwornicę izolowaną z serii LH, która jest zasilana bezpośrednio z zacisków panelu i dostarcza napięcia wyjściowego 24 V. W dalszej kolejności napięcie to jest przetwarzane przez nieizolowaną przetwornicę K7805-500R3 dającą na wyjściu 5 V_DC. W układzie jest jeszcze izolowana przetwornica B0503XT-2WR2, której zadaniem jest dostarczenie napięcia pomocniczego 3,3 V do zasilania sterownika.

W układzie zastosowano także izolowany moduł transceivera komunikacyjnego zapewniający dużą szybkość transferu danych TD501D485H. Dzięki izolacji zapewniono odporność na zaburzenia EM, a także duże bezpieczeństwo działania obwodów nadajnika i odbiornika, które mogą być na różnych potencjałach masy.

Warto dodać, że w ofercie firmy Mornsun jest także izolowany sterownik bramek tranzystorów IGBT pracujących w układzie pełnomostkowym (QP12W08S-37). Ma on wbudowany zasilacz niezbędny do działania, który znacząco upraszcza projekt.

Rozwiązania dla jednostki monitorującej pracę inwertera solarnego on grid

Rys. 5. Rozwiązania jednostki monitorującej pracę inwertera solarnego podłączonego do sieci elektrycznej

Inwerter współpracujący z panelem słonecznym który podłączony do sieci, nazywany jest także inwerterem dwukierunkowym, gdyż pozwala gromadzić energię. Urządzenie to składa się z jednostek AC-DC, DC-DC, głównego modułu sterującego, komunikacji oraz przekaźnika obwodu obejściowego (rys. 5).

Dobierający odpowiedni konwerter AC-DC niezbędny do zasilania obwodów sterujących dla danego systemu powinien przede wszystkim wziąć pod uwagę nominalną wartość zasilania dla głównej płyty sterującej oraz dla wentylatora. Przykładowa jednostka o napięciu wyjściowym 24 V, która nadaje się do takich zastosowań to LH40-10B24. Dodatkowo rekomendowane jest użycie przetwornic DC-DC R3 URB2415YMD-10WR3, która pozwala na zasilanie sterownika IGBT oraz URB2405YMD-6WR3 do zasilania głównego modułu sterowania (MCU) i modułu komunikacji.

Źródła zasilania firmy Mornsun

Przetwornice DC/DC izolowane o szerokim napięciu wejściowym:

• szeroki zakres napięcia wejściowego (4:1),
• zakres temperatur pracy: -40 do +85°C,
• izolacja galwaniczna we-wy: 1500 V_DC,
• sprawność do 78%,
• pobór mocy bez obciążenia 0,12 W,
• zabezpieczenie nadnapięciowe wejścia,
• ochrona przed przepięciem i zwarciem na wyjściu,
• zgodność z CISPR22/EN55022 CLASS A bez zewnętrznych komponentów,
• spełnianie normy UL60950, EN60950 i IEC60950.

Przetwornice DC-DC izolowane o stałym napięciu wejściowym:

• pełna ochrona przed zwarciem,
• zakres temperatur pracy: -40 do +105°C,
• izolacja galwaniczna we-wy: 3000 V_DC,
• niskie tętnienia w napięciu wyjściowym 50 mV,
• sprawność do 80%.

Separowane przetwornice AC/DC:

• uniwersalny zakres napięć wejściowych: 85-264 V_AC/100-370 V_DC,
• regulowane napięcie wyjściowe, niskie tętnienia i szumy,
• izolacja galwaniczna we-wy: 3000 V_AC,
• pełna ochrona przed przepięciem i zwarciem na wyjściu,
• certyfikaty IEC60950, UL60950, EN60950,
• obudowa z tworzywa sztucznego, spełnia normę UL94V-0.

Elhurt Sp. z o.o.
www.elhurt.com.pl