Hoe de overtollige energie in een off-grid situatie gebruikt kan worden


Bron: Hugh Piggott (homepower #179)

Mensen met zonnepanelen en windmolens die off-grid (zonder elektriciteitsnet) leven verafschuwen het om energie te verspillen. We houden ons bezig met efficiëntie, het uitdoen van het licht en energiezuinige laders. Maar we vergeten hoeveel energie er door de accu laad controllers niet gebruikt wordt. Dit artikel wil zicht geven op de mogelijkheden om dit overschot te benutten.

Windenergie wordt gegenereerd tijdens windrijke perioden net zoals zonne energie gegenereerd wordt tijdens de zonnige uren. Echter veel van de opgewekte energie wordt op een ander moment gebruikt bijvoorbeeld tijdens de avond of gedurende kalm weer. Hiervoor gebruiken we meestal accu's om de energie tijdelijk op te slaan totdat we deze nodig hebben.
Bronnen van hernieuwbare energie wekken de ene dag veel meer op dan de andere dag, afhankelijk van het weer en het seizoen. Er ontstaat een surplus als de accu de geleverde energie niet meer op kan slaan omdat de accu bijna 100% geladen is. De accu neemt naar gelang zijn laadtoestand steeds minder energie op. Deze manier van laden is ook noodzakelijk om de accu niet over te belasten en te zorgen dat deze zijn beoogde levensduur haalt. Maar dit resulteert vaak in ongebruikte energie.
dumploadHet principe van laad controle regeling is het voltage optimaal te regelen naargelang de laad status van de accu. De installateur moet de laadregelaar voor ieder laad stadium (absorption, float, en equalize) van de juiste instellingen voorzien. In eerste instantie wordt de accu met een hoge stroom (amperes) geladen en deze wordt gedurende de tijd afgebouwd. De spanning (voltage) wordt redelijkerwijs constant gehouden. Een goede kwaliteit laadregelaar gebruikt ook de temperatuur van de accu voor het bepalen van de laadstroom en bepaald aan de hand van de tijd wanneer een accu zijn absorption stadium heeft doorlopen (geladen is). Hierna zal de accu met een lage stroom in het float stadium blijven.
Een zonnepaneel laadregelaar limiteert de laadstroom naar de accu en beschermt deze tegen te snel laden zodat deze niet beschadigd wordt. De andere kant van het verhaal is dat hierdoor de efficiëntie van het systeem gereduceerd wordt omdat er minder energie gebruikt wordt dan aangeboden. Windenergie en hydro bronnen zijn niet zo eenvoudig onder controle te brengen. Als de turbine opbrengst niet gebruikt wordt kan deze door overbelasting (te hoog toerental) beschadigd worden. Om dit te voorkomen moet er een laadregelaar met overload controle (diversion controller) gebruikt worden. Deze schakelt overtollige stroom naar een dump-load zodat de accu beschermd wordt tegen overbelading en de wind(hydro) turbine toch belast blijft. De efficiëntie kan een stuk vergroot worden door nuttige dump-load's "opportunity diversion loads" te gebruiken in plaats van een dump-load die alleen de accu beschermd "protective diversion loads".

omweg follower windenergy4ever windenergyNormaliter zal de dump load van een windmolen installatie bestaan uit een aantal weerstanden die de ruimte verwarmen om er voor te zorgen dat de windmolen niet onbelast kan draaien als er geen net-koppeling is of als de accu’s opgeladen zijn. In veel gevallen betekent dit gewoon dumpen van overtollige energie. Om deze zogenaamde overtollige energie toch beter te benutten heeft Hugh Piggott een schakeling ontwikkeld die de dump load monitort en een zinnige belasting ingeschakeld als er stroom naar de dump load wordt gestuurd. Dit kan bijvoorbeeld een warm water boiler zijn.piggott follower schematic windenergy4ever windenergy
De schakeling is ontwikkeld op basis van een microprocessor gestuurde solid state relais (lastrelais voor gedeeltelijke sturing van het vermogen van een AC-lading). De functie van de dump load wordt niet aangetast dus de beveiliging van de windmolen blijft onveranderd.
In het schematische voorbeeld is uitgegaan van een 24 volt accu systeem met een Tristar controller. Op de website van scoraigwind vind je uitgebreide informatie en daar wordt ook een schakeling beschreven om meerdere zinnige belastingen in een reeks aan elkaar te koppelen.

Bij een autonome installatie zijn de accu's een belangrijk punt van zorg. Voorop gesteld dat de accu een milieu onvriendelijk chemisch gevaarlijk en duur product is maar helaas tot op heden het enige redelijk praktische opslag medium voor elektriciteit.
De accu wordt gebruikt om opgewekte energie die nog niet gebruikt wordt tijdelijk op te slaan. Een accu slijt door het laden en ontladen (laadcycli). Hoeveel energie men uit een volgeladen accu kan halen is afhankelijk van zijn capaciteit en type. Een nikkel-ijzer accu kan verder ontladen worden als een lood accu zonder dat deze kapot gaat (diep ontlading) dus kun je meer energie van de beschikbare capaciteit gebruiken.

Er zijn verschillende soorten accu's die voor wind energie van toepassing zijn, loodaccu's zijn hiervan het meest voorkomend. Er is een trend gaande in de hoek van mensen met een warm hard voor duurzaamheid naar de nikkel-ijzer (NiFe) accu. Deze soort accu is uitgevonden door Edison en wordt daarom ook wel eens zo genoemd. Het grote voordeel van dit type is zijn lange levensduur onder extreme omstandigheden van laden en ontladen en de milieu belasting is veel minder omdat het elektroliet (Caustic soda) en de metalen nikkel en ijzer veel minder schadelijk zijn. Nadeel is ze zijn erg duur en worden op dit moment alleen is Rusland en China gemaakt. Voor Nederland is er een Duitse leverancier. Over de nikkel-ijzer accu wordt stevig gediscuteerd of het de investering waard is en of de accu die nu gemaakt worden wel de kwaliteit hebben die van oudsher aan dit type accu toegeschreven werd. Er is sprake van een levensduur van 50 jaar of meer, de huidige accu wordt beschreven met een levensduur van 30 jaar bij dagelijks gebruik. Ook het voordeel van de diepontlading, accu kan helemaal ontladen worden zonder dat deze kapot gaat staat ter discussie. Hieronder vindt u een aantal begin punten van deze discussies.

Discussie NiFe accu's:
Nikkel-IJzer (NiFe) accu


Een variant op de nikkel accu is de nikkel-cadmium(NiCd) accu deze is wel qua levensduur vergelijkbaar maar is gezien vanuit de milieu belasting veel slechter. De nikkel variant die de laatste jaren naar voren komt is de Nikkel-metaalhydride accu maar helaas is de ontwikkeling nog niet ver genoeg om een redelijk vermogen op te slaan.
De lithium accu's zijn tot nu toe te duur om een alternatief voor huishoudelijke energie voorziening te zijn.
Het meest gebruikte type is de lood accu deze komt in drie varianten voor namelijk de startaccu, tractie en semi-tractie. De start accu is niet geschikt voor energie opslag voor een huishouden omdat deze variant alleen kortstondig een hoge stroom kan leveren, bij langzaam en diep ontladen zullen de platen snel sulfateren en de levensduur van de accu verkorten. Dus alleen een tractie en semi-tractie lood accu zijn geschikt voor opslag als men langzaam en langdurig ontlaad  zoals in een huishouden gebeurt.
Om de levensduur van lood accu's te verlengen moeten ze omzichtig behandeld worden zo moeten ze niet te diep ontladen worden, te snel en onvolledig geladen worden, te weinig of teveel geladen worden.
De investering in accu's moet niet eerder gedaan worden voordat de laad regeling goed voor elkaar is. In het boek “Altijd stroom” wordt de chemie, werking en behandeling uitvoerig beschreven.

Altijd stroom Download
Language  DutchAuthor Reinout Vader

Accu’s en het laden van accu’s en het elektriciteitsverbruik van.

Revitaliseren van accu's Download
Language  DutchAuthor Sjef van Rooij & Karel Walraven

Schakeling voor het revitaliseren van accu's

Basic wiring battery system Download
Language  EnglishAuthor Dit e-mailadres wordt beveiligd tegen spambots. JavaScript dient ingeschakeld te zijn om het te bekijken.

The above diagram gives you a general layout of how the system is wired. You will mount a box on the back of the stator plate to house the wires from the stator and the wire that will dangle down the center of the pole.

 

Een laadregelaar verzorgt de laad spanning bij het opladen van een accu, de teveel aangeboden energie zal naar een belasting gestuurd worden die in geval van storm alle energie van de windmolen kan verwerken.Midnight battery controllerEen goede laadregelaar zorgt ervoor dat de accu volgens de methodiek van de adaptieve laadkarakteristiek wordt opgeladen. Dit verhoogd de levensduur van de accu, hierdoor zijn de extra kosten voor een duurder apparaat snel terug verdiend. Bij deze karakteristiek wordt het laden hoofdzakelijk in drie stappen verdeeld het bulkladen, absorptie laden en het druppel laden Als aanvulling tegen veroudering is er een recuperatie fase, het egalisatie laden. Het hele laad proces wordt bewaakt met temperatuurcompensatie.

In drie stappen laden

Bij de bulk fase accepteert de accu alle aangeboden laadstroom, bij grote accu's kan dit oplopen tot 10% van de capaciteit. Deze fase loopt ongeveer door totdat de accu 80% geladen is. Hier bereikt de accu zijn absorptie spanning. Deze spanning verschilt per type accu, bij NiFe accu's ligt deze spanning hoger dan bij lood accu's. Zelfs binnen één type of fabrikant kan dit verschillen. Een tractie lood accu kent een hogere absorptie spanning dan een start accu. In het ideale geval zal een laadregelaar dus aangepast moeten worden aan de specificaties van de fabrikant. In de absorptie fase krijgt de accu zoveel energie als deze verwerken kan gedurende deze fase neemt de stroom geleidelijk af totdat de accu 100% geladen is. In de druppel laad (floatlaad) fase vindt onderhoud van de accu plaats, zelfontlading wordt tegen gegaan. De spanning wordt verlaagd zodat geen corrosie en gasontwikkeling plaats vindt.
Omdat een accu in het normale gebruik verouderd door corrosie het zogenaamde sulfateren is er een egalisatie fase om dit tegen te gaan. In deze fase wordt de accu met een hoge spanning (30 – 33 volt voor set 24 volt accu's) en kleine stroom (3% – 5% van capaciteit) doorgeladen.

Type regelaars

Een windmolen mag nooit zonder een belasting functioneren omdat de molen anders op hol slaat en de mechanische belasting zeer hoog wordt. Een laadregelaar voor een windmolen zal dus bij het afschakelen van de accu altijd een verbinding met een belasting moeten maken. Hier zijn twee verschillende typen te onderscheiden namelijk een "relay driven" en een "pulse width modulation" (PWM). Bij een relay driven regelaar zal de belasting aan of uitgeschakeld zijn en bij een PWM regelaar zal dit modulerend gebeuren door gebruik te maken van solid state componenten. Een "relay driven" regelaar geeft een klikkend geluid terwijl een PWM regelaar een zoemend geluid zal maken.Tristar battery controllerDe belasting die ingeschakeld wordt als de accu’s niet geladen worden kan ingezet worden voor ruimte of water verwarming als deze het overschot aan vermogen maar kwijt kunnen. Deze verwarming weerstanden zijn in de machine sloperijen nog wel eens te vinden.
Een andere technische ontwikkeling die steeds meer van belang wordt is de maximum power point tracking (MPPT), hierbij wordt de afgenomen capaciteit van de windmolen zo geregeld dat deze maximaal presteert. Een windmolen zal maximaal presteren als de wieken met de juiste verhouding, tipsnelheid wieken met de windsnelheid, draaien, De snellopendheid van de wieken. Bij de betere net-koppel elektronica wordt deze techniek al standaard toegepast.
Gezien de snelle ontwikkeling in techniek is het verstandiger om de regelaar nieuw te kopen.

Enkele bekende merken zijn:
Meer informatie is te vinden:

De achterliggende installatie bij het bouwen van een windmolen zijn ongeveer de helft van de investeringskosten, de elektronica om een molen aan het net te koppelen kost bij een redelijk vermogen rond de 1500 euro. Een autonome installatie met accu's en een omvormer zal zeker ook rond dit bedrag uitkomen.
Bij het plannen van een windmolen installatie zal dit punt dus goed overwogen moeten worden omdat de kwaliteit van de achterliggende installatie voor een groot deel het rendement en de veiligheid bepalen.
Als men bijvoorbeeld slechte accu's gebruikt dan gaat er veel energie verloren omdat de accu weinig opslag capaciteit over heeft. Als er slechte net-koppel apparatuur gebruikt wordt, bijvoorbeeld elektronica die voor zonnepanelen is bedoeld. Dan zal een groot deel van het opgewekte vermogen naar de overbelasting beveiliging gestuurd worden omdat de elektronica zich niet goed met het net kan synchroniseren.
 Brand veiligheid speelt een rol omdat het bij harde wind om hoge stromen (ampères) kan gaan, bedrading en elektronica hebben het dan zwaar te verduren en oververhitting kan dan brand veroorzaken.
 Als de achterliggende installatie het begeeft dan zal de windmolen onbelast raken en op hol slaan. Het toerental van de wieken zal enorm oplopen en daardoor het mechanische gedeelte van de  molen erg zwaar belasten.

Een kleine greep uit netkoppel electronica zijn:

Bij een autonome installatie zijn drie componenten van belang, omvormer, laadregelaar en de accu's. Accu's en omvormers zijn in veel uitvoeringen te koop voor een algemene uitleg kun je beginnen op een wikipedia pagina of de pagina's die speciaal gewijd zijn aan dit onderwerp.
De laadregelaar voor de accu's is belangrijk omdat deze de conditie van de accu's bewaken, de regelaar zorgt ervoor dat er geen overbelading plaats vind en dat de accu's volgens een vaststaand principe (adaptive charching) opgeladen worden.

Systeem direct naar verbruikstoestel

directsysteemEen systeem dat direct aan een verbruikstoestel levert is in aanschaf het goedkoopst en technisch het eenvoudigst uitvoerbaar. Maar dit is praktisch gezien eigenlijk alleen toepasbaar voor de simpele directe aansturing van bijvoorbeeld (water)pompen en verwarmingselementen. Voor de verbruiksapparaten in een huishouden bijvoorbeeld is zo’n eenvoudig systeem te beperkt.

Autonoom systeem met accu's

Huishoudens die niet aan het lichtnet gekoppeld zijn hebben een autonoom systeem, de opslag van energie vindt meestal plaats met behulp van accu's. De capaciteit van de accu's moet dan afgestemd zijn op het verbruik en de verwachte opbrengst van de windmolen en andere energie leveranciers. Dit systeem is vergelijkbaar met een "net gekoppeld systeem met accu's" het enige verschil is dat er geen net-koppel elektronica is.

Net gekoppeld systeem met accu's

net koppeling met accu

Een windmolen die zijn stroom aan accu’s levert is voor de gebruiker stabieler. De stroom kan immers uit de accu’s afgenomen worden als het niet of onvoldoende waait om de windmolen aan te drijven. Maar accu’s zijn kostbaar en doorgaans onderhoudsgevoelig. Het meest efficiënte gebruik is om de verbruikstoestellen af te stemmen op de accu spanning, het nadeel hierbij is dat door de hogere stroomsterkte dikkere bekabeling noodzakelijk is.

Systeem zonder accu’s maar met directe lichtnet koppeling

In Nederland loop je maar een kleine kans op net storing. Bij de mogelijkheid van een systeem met lichtnet koppeling zijn accu’s niet nodig. Dus kun je jezelf afvragen of de extra investering voor het vermijden van het risico van gemiddeld een paar uur storing per jaar de aanschaf van accu’s gerechtvaardigd is. Net koppeling zonder opslag heeft belangrijke voordelen: minder componenten, meer rendement - omvorming van en naar accu’s is immers niet nodig - en misschien wel het belangrijkste, geringere investerings- en onderhoudskosten. Bij een net gekoppeld systeem is voorts minder dikke bedrading nodig omdat gewerkt wordt met de hogere lichtnet spanning (230 volt), en dus lagere stromen.

systeem directe net koppeling

Het rendement van een netgekoppeld systeem zonder opslag zal altijd iets hoger zijn (5-10%) dan bij een accu systeem waarbij gebruik gemaakt wordt van goede kwaliteit componenten. Als je van minder goede kwaliteit accu's of andere minder goede componenten gebruik maakt dan zal het verschil in rendement snel oplopen. Een windmolen draait het voordeligst met het hoogste rendement als windkracht en stroomafname in samenhang met elkaar zijn. Dat kan het beste als de stroomafname onafhankelijk naar vermogen in het lichtnet kan wegvloeien. De betere netkoppelelektronica (netinverters) maken gebruik van het zogenaamde maximum power point tracking (MPPT). Hierbij is de elektronica in staat om de wieken bij het meest efficiënte toerental te laten draaien bij een bepaalde windsnelheid. Wieken leveren namelijk hun maximale vermogen, gegeven een bepaalde windsnelheid, als de tipsnelheid van de wieken een bepaalde verhouding heeft tot deze windsnelheid, de zogenaamde snellopendheid (tip speed ratio). Als bijvoorbeeld een wiek een ideale snellopendheid heeft van 6 dan zullen de wieken het meeste vermogen leveren als het 5 meter per seconde waait en de tippen van de wieken een snelheid hebben van 30 meter per seconde.
Er bestaat een groot verschil tussen netinverters voor windenergie en zonne-energie, over het algemeen is de elektronica voor zonne-energie niet in staat om de snelle wisselingen van de windsnelheid met voldoende rendement om te zetten naar levering aan het net. Er is op dit moment een redelijk grote keuze op de markt van net koppelelektronica. Zij het dat er nog weing  consumentenonderzoek is gedaan naar dergelijke apparatuur. De bekendste leveranciers in Nederland zijn Mastervolt, DMI, SMA.

Met dank aan homepower.com voor de tekeningen

Een aantal interessante artikel over dit onderwerp zijn

Off or On Grid?
Choosing an Inverter
How Inverters Work
No Batteries Required

Joomla SEF URLs by Artio