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.
Het 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".

Gebruik aanpassen aan het energieaanbod

De meeste off-grid huishoudens doen de was of stofzuigen alle kamers als de zon schijnt (of wind waait) en de accu geladen is. Net zoals je energie bespaart als de accuspanning daalt gebruikt het off-grid huishouden extra energy als er veel aanbod is om de verspilling van de dump-load tegen te gaan.
In ons huishouden maak ik bijvoorbeeld gebruik van een inductiekookplaat die op het moment van energie overschot als kookgelegenheid dienst doet. Het geeft een goed gevoel om de vervuilende fossiele brandstof propaan te besparen die vaak ook met behulp van fracking gewonnen is. Alhoewel het erg bevredigend is om hernieuwbare energie efficiënt te gebruiken is het handmatig monitoren van een energiesysteem een vervelend werkje. Omdat de meeste van ons druk zijn met andere zaken is een “opportunity diversion” een oplossing voor dit probleem. Een relais schakeling die de overtollige energie naar een verbruiker schakelt “diversion relay” voert deze taak veel beter uit omdat deze niets anders te doen heeft in het leven dan aan en uit schakelen. Vraag de relais niet om jouw ontbijt te maken maar het opwarmen van een boiler, het inschakelen van een irrigatiesysteem of aircondition kan hij uitstekend.

"Diversion" regelaars en relais (diversion controllers & relay)

Een aparte laadregelaar is een manier om een gelegenheids belasting “opportunity load” te schakelen. Dit zou kunnen met een “pulse width modulation (PWM)” accu laadregelaar zoals de Morningstar’s TriStar of de Xantrex C-40 geschakeld in de diversion modus. De laadregelaar van de zonnepanelen laat je gewoon zijn maximum power point tracking doen om de energieopbrengst te maximeren. Het MPPT punt kun je iets hoger instellen als de PWM laadregelaar zodat deze laadregelaar eerst geactiveerd wordt door het oplopende voltage. Als de zonne laadregelaar een mogelijkheid heeft om een extra belasting te schakelen dan zou je deze mogelijkheid kunnen benutten. Dit type regelaars weten precies wanneer er een energie overschot is als de accu geladen is. De MidNite type KID zonnepaneel regelaar kan als “PWM divert” geschakeld worden en kan daarmee direct op zijn uitgang een gelijkstroom belasting (zoals een verwarmingselement) aansturen. Bijna alle Blue Sky Energy type solarboost regelaars hebben een intern 20 ampere relais. De solarboost kan zelfs uitgebreid worden met met een aparte “PWM diversion control” functie. De meeste andere MPPT laadregelaars hebben een extra poort waarmee door middel van 12 volt een relais aangestuurd kan worden wanneer het accu geladen instelpunt (volt) bereikt is. Hiermee kan de surplus energie dus naar een gelegenheids belasting gestuurd worden.
Extra laadregelaar poorten moeten geconfigureerd worden zodat deze bij een bepaalde laadcyclus (absorption, float, equalization) het juiste instelpunt heeft. MidNite Classic en Outback type Flexmax bieden de modus zodat de extra poort geactiveerd wordt op basis van de laadcyclus (absorption, float, equalization) net zoals een diversion laadregelaar. Deze modus is noodzakelijk als je gebruik wilt maken van de "diversion" mogelijkheden. In de meeste MPPT laadregelaars is de extra poort alleen in te stellen op een vast voltage. Een ingesteld vast voltage is te laag voor een nette absorption fase of het voltage is te hoog voor de float voor de accu laad fase. Dit systeem werkt eigenlijk alleen wanneer de gelegenheids belasting relatief klein is of wanneer bijvoorbeeld een kleine hoeveelheid water verwarmd wordt zodat de thermostaat naar een uur afgeschakeld. Anders zal het systeem je accu nooit netjes laden.
Sommige laadregelaars hebben een “AUX” poort die een signaal geeft als de accu de float status heeft bereikt, of geven een signaal bij een bepaald niveau van laden (State of charge “SOC”). Deze mogelijkheid van de “AUX” poort kan gebruikt worden voor belastingen die alleen functioneren als er voldoende vermogen is, zoals bijvoorbeeld een irrigatie pomp. Deze oplossing mist alleen de geleidelijk oplopende surplus gedurende de absorption fase van de accu laad periode.
Een voltage trigger van de zonnepaneel string ten opzichte van het MPP (maximum power point) voltage is ook een mogelijkheid om de surplus energie te gebruiken. Je moet de “AUX” poort van de laadregelaar dan zo configureren dat deze signaal geeft op het moment dat het zonnepaneel voltage net boven de waargenomen MPP voltage uitkomt. Dit mag uiteraard de ingestelde waarde van het absorption punt niet in de weg zitten en deze waarde is een bewegende waarde. Dit is voor zonnepanelen geen ideale methode omdat de opbrengst boven het MPP punt behoorlijk minder wordt en de MPP voltage is sterk afhankelijk van de paneel temperatuur.

relais

Een relais is een schakelaar voor hoge stromen (amperes) die geschakeld wordt met een kleine stroom. De oudere relais gebruiken een magnetische spoel die een mechanisch contact sluiten. De relais kunnen vele duizenden keren schakelen maar zijn uiteindelijk een keer aan het einde van hun levensduur. Dit soort relais zijn prima geschikt voor schakelingen die minuten lang dezelfde stand hebben. (zoals bijvoorbeeld een irrigatiesysteem). Gebruik dan een insteek relais zodat je deze makkelijk kunt vervangen.
Als er enkele keren per seconde geschakeld moet worden dan wordt er een solid state relais (SSR) gebruikt. Deze relais maken gebruik van de halfgeleiders technologie. SSR relais zijn een stuk duurder en moeten op een koellichaam geplaatst worden. Deze relais zijn snel genoeg om pulsbreedte gemoduleerd (pulse width modulated (PWM)) schakelen waarbij de stroom op en neer schiet netjes af te vlakken.
Gebruik dus een solid state relais als je frequent en snel moet schakelen. Bijvoorbeeld als je gebruik maakt van de AUX poort van een OutBack of MidNite laadregelaar in de PWM modus die je direct aan een Crydom D1D40 SSR koppelt dan kun je op een betrouwbare manier een gelijkstroom belasting aansturen van 25 ampère bij 60 volt (2.4 ohms, 1,500 W). Monteer de SSR op een koellichaam zodat er niet meer dan 2⁰C per Watt temperatuur stijging plaatsvindt. Je kunt ook gebruik maken een een wisselstroom solid state relais zodat je een wisselstroom belasting via de omvormer (inverter) aanstuurt, het nadeel hierbij kan zijn dat bij een zwaardere belasting het licht gaat knipperen vanwege het in en uitschakelen. Bij de keuze van het relais is het belangrijk dat de specificaties ruim boven de voorgenomen belasting ligt. zoals bij de meeste producten zal de foutmarge toenemen als je het onderdeel tot het uiterste belast. Een veiligheidsfactor van twee is hierbij een verstandig uitgangspunt. Relais zijn geschikt voor wisselstroom of gelijkstroom deze moeten dan bestand zijn tegen schakel vonken.
De meeste AUX uitgangen geven een spanning van 12 volt dit is geschikt voor de meeste SSR’s. Als een laadregelaar bijvoorbeeld alleen de 48 volt accuspanning kan schakelen dan moet er gebruik gemaakt worden van een schakeling zodat de maximale spanning beneden de 30 volt uitkomt. Mechanische relais zijn voor veel verschillende spanningsgebieden beschikbaar inclusief 48 volt.
Je kunt de relais schakeling gebruiken voor een gelijkstroom verwarming die direct aangestuurd wordt vanaf de accu. Maar als je omvormer (inverter) capaciteit genoeg heeft dan verdient het de voorkeur om een wisselstroom belasting te gebruiken. De AUX uitgang van een OutBack inverter heeft een “AC diversion” modus zodat de omvormer beschermt is tegen overbelasting.
Goed bruikbare wisselstroom belastingen zijn airconditioning apparatuur, irrigatiepompen evenals de eerder genoemde verwarmingselementen (wisselstroom verwarmingselementen zijn makkelijker te vinden dan gelijkstroom verwarmingen plus thermostaten zijn meestal niet geschikt om hoge gelijkstroom belastingen te schakelen).

Water verwarmingselementen

De meest gebruikte gelegenheids belasting (opportunity diversion load) bij PV systemen in een off-grid situatie is het water verwarmingselement. Bij verwarmingselementen maakt het namelijk niet uit of ze bekrachtigd worden met wisselstroom of gelijkstroom. Bijvoorbeeld een 1600 watt element voor 110 volt zal bij 55 volt 400 watt verbruiken als deze ingezet wordt voor een gelegenheids belasting bij een 48 volt accu systeem. De halve spanning (volt) betekent de halve stroom (ampère) en dus een kwart van het vermogen (watt).
Bij de keuze van een verwarmingselement is er geen noodzaak om voor een hoog vermogen (watt) te kiezen. Een gelegenheids belasting met een laag continu vermogen werkt stabiliserend in plaats van het voortdurend inschakelen en uitschakelen van een hoog vermogen belasting. Hoge belastingen zullen ook vermogens problemen veroorzaken zoals flikkerend licht. Bij grote vermogens hoort ook een dikkere bedrading.
Als de AUX poort van de laadregelaar alleen de modus met een vastgestelde spanning kent dan is het beter om met een laag vermogen belasting te werken zodat de accu in de loop van de tijd toch zijn absorptie voltage bereikt ondanks dat de belasting geactiveerd is.
Er zijn gelijkstroom elemente in de handel die uit meerdere sub-elementen bestaan. Deze kunnen optimaal geschakeld worden voor jouw situatie.

Thermostaten en veiligheid

Zelfs een klein verwarmingselement kan het water op den duur tot een gevaarlijke temperatuur doen stijgen. De conventionele oplossing is een thermostaat te gebruiken zodat het element uitgeschakeld wordt. Echter hoge gelijkstromen zullen een standaard thermostaat snel beschadigen omdat de contacten inbranden. Een oplossing hierbij is om een wisselstroom element te gebruiken die door de omvormer (inverter) aangestuurd wordt. Een andere manier om schakelmomenten te voorkomen bij een thermostaat is om een dusdanig groot watervat te gebruiken zodat het alleen in uitzonderlijke situaties het kookpunt bereikt wordt. Een derde optie is een extra relais te gebruiken zodat alleen het schakelcircuit over de thermostaat loopt en het relais het element uitschakelt of overschakelt op een andere belasting.
Als je een pulsbreedte gemoduleerde (pulse width modulated (PWM)) laadregelaar gebruikt om je verwarmingselement aan te sturen dan zijn er verschillende oplossingen mogelijk. Bij de Tristar regelaars heb je een accusensor die via de thermostaat geschakeld kan worden zodat bij een open contact het sensor circuit via een diode loopt. Een aantal diodes in serie zullen het voltage met ongeveer één volt reduceren. Hierbij zal de laadregelaar denken dat de laadstroom is gedaald en daarom het verwarmingselement uitschakelen. Als de accuspanning hierna verder oploopt zal de MPPT regelaar de laadstroom gaan beperken, de Tristar wordt eigenlijk gefopt. Hou er wel rekening mee als het verschil tussen de sensor en de daadwerkelijk accuspanning groter is dan 5 volt de laadregelaar dit als een fout interpreteert.

Aggregaat paradox

Er is een kleine uitdaging als het systeem voorzien is van een aggregaat die gekoppeld is aan een omvormer/acculader (inverter/charger), de omvormer/lader zal de accuspanning laten oplopen tot het voltage zoals deze cij de omvormer/lader is ingesteld. Dit wordt vaak gecoördineerd met het ingestelde voltage van de MPPT zonnepaneel laadregelaar deze ingestelde waarden zijn over het algemeen gelijk. Als de regelaar voor het inschakelen van de belasting een lagere ingestelde waarde heeft dan zal deze de het verwarmingselement inschakelen omdat de aggregaat gezien wordt als een surplus. Om dit probleem te omzeilen kun je een extra relais in de schakeling opnemen zodat deze geschakeld wordt door de spanning van de aggregaat (relais normaal gesloten) hierdoor zal het circuit naar het verwarmingselement onderbroken worden.

Schakeling voorbeelden

Kies bedrading die bestand is tegen de stroomsterkte en de verwachte temperaturen. Controleer of de spanningsval acceptabel is. Je moet gebruik maken van de juiste materialen zoals connectoren, schakelaars, koellichamen of relais met de juiste insteekmodule. Installeer alles conform de lokale regelgeving en huur eventueel een elektricien in. Lees de handleidingen en plan hoe de laadregelaar het beste geprogrammeerd kan worden zodat de accu’s optimaal geladen worden. Soms zijn er ook bruikbare video's te vinden.
Het diagram toont een mogelijke schakeling van een surplus belasting met een relais gestuurd door de AUX poort van een MPPT laadregelaar. Voordat je begint met het werk schakel alle apparaten zoals turbines en zonnepanelen. Let op de polariteit van de AUX poort en het solid state relais (SSR). Plaats een schakelaar tussen de plus van uitgang van de SSR en de accu.
Voer een dubbelcheck uit voordat je alles weer inschakelt.

Vooruit kijken

Er zijn ook nog andere technieken om de surplus energie te oogsten. De Morningstar’s Relay Driver kan bijvoorbeeld in een schakeling opgenomen worden en met veel criteria geprogrammeerd worden voor het aansturen van een surplus belasting.
Een andere methode is om bij een diversion laadregelaar de gelijkstroom van de dumpload te gebruiken voor het aansturen van een speciaal solid state relais die de stroom van de omvormer (inverter) moduleert naar een verwarmingselement door middel van fase gecontroleerd schakelen. Deze methode combineert het gemak van een ouderwets wisselstroom verwarmingselement met een PWM laadregelaar. Deze oplossing valt buiten de scope van dit artikel lees hiervoor het artikel “dumpload beter benutten”.
Deze problematiek is een fascinerend onderwerp voor de doe het zelver, kant en klaar oplossingen zijn zeldzaam. Het is zonde om te bedenken dat er veel energie verloren gaat omdat fabrikanten en leverancier dit niet als een prioriteit zien.