Lataussäätimet

Off-grid järjestelmissä, eli verkkoon kytkemättömissä aurinkosähköjärjestelmissä (mökkisähköjärjestelmät) käytetään invertterin sijaan lataussäädintä. Lataussäätimet toimivat aurinkosähköjärjestelmän "aivoina". Lataussäätimen tarkoituksena on muuntaa aurinkopaneeleilta saatava sähkö akustolle sopivaan jännitteeseen ja valvoa akuston tilaa, jotta vältytään esimerkiksi ylilataukselta. Nykyaikaiset lataussäätimet hyödyntävät monivaiheista latausohjelmaa, joka parantaa akkujen kestävyyttä ja mahdollistaa nopean ja tarkan akuston latauksen. Lisäksi useissa lataussäätimissä on 12/24V ulostuloliitäntä, joka mahdollistaa kuormien kytkemisen lataussäätimeen, jolloin saadaan toteutettua alijännitesuojaus. Alijännitesuojaus estää akuston liiallisen tyhjenemisen ja pidentää siten merkittävästi akuston elinikää.

Lataussäätimet jaetaan MPPT (Maximum Power Point Tracking, maksimitehopisteen seuranta) ja PWM (Pulse-Width Modulation, pulssinleveysmodulaatio) säätimiin. MPPT-säätimet edustavat uudempaa säädinsukupolvea, jossa aurinkopaneeleilta tuleva jännite ja virta voidaan tehokkaasti muuntaa akustolle sopivaksi hyvällä hyötysuhteella. MPPT säätimen suurin hyöty on juuri tehokas virranmuunnos alempaan jännitteeseen, säädin kykenee siis kasvattamaan akun latausvirtaa verrattuna aurinkopaneelista saatavaan virtaan. MPPT säätimet soveltuvat myös suuremmille aurinkopaneeleille ja -järjestelmille ja ne kestävät suurempia jännitteitä ja virtoja, kuin PWM-säätimet. Haittapuolena on niiden korkeampi tyhjäkäyntivirta ja tyhjäkäyntikulutus, joka tulee ottaa huomioon erityisesti talvella kun aurinko ei paista.

PWM-säätimet ovat edullisia ja yksinkertaisia laitteita, jotka soveltuvat pieniin aurinkosähköjärjestelmiin, kuten veneisiin. Niiden suurin heikkous on niiden heikko kyky laskea paneelijännite akustolle sopivaksi ja hyötysuhde jää usein varsin kehnoksi, varsinkin jos paneelijännite poikkeaa merkittävästi akkujännitteestä. PWM-säätimet eivät tee vastaavaa virtamuunnosta kuin MPPT-säätimet, eli maksimi akuston latausvirta on sama kuin aurinkopaneelilta saatava virta. PWM-säätimet eivät usein kestä yli 30V jännitteitä, joten ne eivät teoriassakaan sovellu isojen (~300W) paneeleiden kanssa käytettäväksi. PWM-säätimen tyhjäkäyntikulutus on kuitenkin erittäin matala, joten se soveltuu myös erinomaisesti esimerkiksi talvisin akuston ylläpitolataukseen.

Lataussäätimien hyötysuhteet

MPPT-säätimen korkea hyötysuhde perustuu sen kykyyn hyödyntää ns. maksimitehopisteitä (Maximum Power Point), joita aurinkopaneelin tehokäyristä löytyy. Alla olevassa kuvassa esitetään tyypillinen aurinkopaneelin virta-jännitekäyrä, tilanteessa jossa paneelilla ei ole varjostuksia tai muita häiriötekijöitä. Tehokäyrä nousee suoraviivaisesti huipulle ja laskeutuu sieltä jyrkästi alas. MPPT-säädin etsii parhaan toimintapisteen, joka tässä tilanteessa löytyy 16V jännitteen ja 24A virran leikkauspisteestä. Hakkurivirtalähteen tavoin toimien lataussäädin pystyy laskemaan jännitteen akuston kulloisenkiin lataustilaan sopivaksi ja nostamaan akulle menevää latausvirtaa.

Vihreällä on kuvattu alue, jota PWM-säätimet pystyvät hyödyntämään, eli ne toimivat noin 11-14,5V jännitevälillä, kun kyseessä on 12V akkujärjestelmä. Tässä tilanteessa lataussäädin ei pääse optimaaliseen toimintapisteeseen ja kaikki se teho, joka on vihreän alueen yläpuolella hukataan, kun säädin laskee sen akustolle sopivaksi.

Käytännön tilanteissa esimerkiksi pilvet ja puut häiritsevät aurinkopaneeleiden toimintaa ja aurinkopaneelien tehokäyrät voivat olla monimutkaisen muotoisia.

Ero PWM ja MPPT-lataussäätimien välillä kasvaa merkittäväksi kun paneelijännite on merkittävästi korkeampi kuin akustojännite. Alla olevassa kuvaajassa on esitetty Astronergy 410Wp PERC-aurinkopaneelin tehokäyrä, ja kuvattu MPPT- ja PWM-lataussäätimen toimintapisteet aurinkopaneelin virtakäyrällä, kun latausjännite akkuun on 12V.

* MPPT-lataussäätimen toimintapiste

x PWM-lataussäätimen toimintapiste

Vertaillaan PWM-lataussäätimen ja MPPT-lataussäätimen toimintaa yllä olevan kuvan tilanteessa (Astronergy 410Wp PERC-paneeli, 1000W/m2), jossa 12V akusto on varsin tyhjä, ja lataussäätimet syöttävät latausvirtaa akustolle 12,0V jännitteellä.

Aurinkopaneelin toimintapiste eri lataussäätimillä:

MPPT-säädin: 31,4 V x 13,0 A = 408 W

PWM-säädin: 12,0 V x 13,9 A = 167 W

Lataussäätimet laskevat paneelilta tulevan jännitteen akustolle sopiviksi. PWM-säädin ei kykene muuntamaan virtaa suuremmaksi, vaan akuston latausjännite määrää aurinkopaneelin toimintapisteen (silloin kun ladataan täydellä teholla), ja siten aurinkopaneelivirta määrää suurimman latausvirran akustoon. MPPT-säädin sen sijaan nostaa latausvirtaa virtamuunnoksen ansiosta lähes häviöttä (oletettu 98% hyötysuhde).

MPPT-säätimen latausteho: 12,0V x 33,3A = 400 W

PWM-säätimen latausteho: 12,0V x 13,9A = 167 W

Yllä oleva laskuesimerkki kuvaa tilannetta käytettäessä suurempia paneeleita joiden jännitetaso on merkittävästi akkujännitettä korkeampi, ja MPPT-lataussäätimen hyöty näkyy selvästi lataustehossa. Näistä syistä PWM-säätimiä kannattaa käyttää pelkästään aurinkopaneeleiden kanssa, joiden paneelijännite on lähellä akuston jännitettä. Ylläolevassa esimerkissä PWM-säätimen latausteho nousisi 330 wattiin, mikäli akkujännite olisi 24V. MPPT-säätimiä voi käyttää vapaammin kaikenlaisten paneeleiden kanssa. Järjestelmän suunnittelussa on aina huomioitava että paneelijännitteen on oltava korkeampi kuin akkujännite (+ marginaali, muutama volttia, riippuu lataussäätimestä).

Mitoitus

Lataussäätimen mitoituksessa on kolme pääasiaa, jotka ovat aurinkopaneelien teho, aurinkopaneelien jännite, sekä akuston jännite. Alla olevaan taulukkoon on koottu Epever Tracer sarjan oleellisimpia tietoja mitoitukseen liittyen.

Lataussäätimen maksimivirta määrittää suurimman lataustehon.Tästä johtuen säätimen latausteho on suoraan verrannollinen akuston jännitteeseen, eli samalla lataussäätimellä saavutetaan kaksinkertainen maksimiteho on 24V järjestelmässä 12V järjestelmään verrattuna. Akkujännitteen nostolla voidaan siis säästää usein lataussäätimen hinnassa. Usein lataussäätimeen voidaan myös kytkeä nimellistehoaan suurempi kapasiteetti aurinkopaneeleja, mutta tällöin nimellistehon ylittävää osuutta ei voida hyödyntää akuston latauksessa. Tästä on kuitenkin hyötyä sillä aurinkopaneelit tuottavat nimellistehonsa vain ideaalisissa säteilyolosuhteissa (kohtisuora keskikesän keskipäivän auringonpaiste), jotka toistuvat melko harvoin. Myös varjostus ja pilvinen sää pienentävät aurinkopaneelien tuottoa. Yleensä off-grid järjestelmät mitoitetaan niin, että pilvisten päivien tuotanto on rajoittava tekijä, ja aurinkoisina päivinä tuotantoa tulee ylimäärin kulutukseen nähden. Siksi siis aurinkopaneelitehon ylimitoitus lataussäätimeen nähden on teknillistaloudellisesti järkevää.

Aurinkopaneeliston jännitteen tulee aina olla korkeampi kuin akkujännite. Muuten lataussäädin ei aloita akuston latausta. Lisäksi aurinkopaneeliston korkeampi jännite mahdollistaa pidemmät välimatkat paneelien ja lataussäätimen välillä, sillä siirtohäviöt pienenevät. Tyypillisesti isompien aurinkopaneeleiden avoimen piirin jännite on noin 40V, joten niiden sarjaan kytkennällä saadaan nopeasti nostettua jännitettä. Lisäksi lataussäätimet vaativat lataussäätimestä riippuvan jännite-eron paneelijännitteen ja akkujännitteen välille. Tyypillisesti riittää kun aurinkopaneelijännite on 2-4 V korkeampi kuin suurin akkujännite.

Lataussäätimen jännitteenkeston tulee olla suurempi kuin suurin mahdollinen aurinkopaneelijännite. Lataussäätimillä, sarjaan kytketyillä paneeleilla, ja kaapeleilla on maksimijännite, jota paneelijännite ei saa ylittää missään tilanteessa. Alla olessa kuvassa on esitetty kuinka lataussäätimen sallima suurin aurinkopaneeliston avoimen piirin jännite vaihtelee lämpötilan mukaan, sillä viileämmässä säässä lataussäätimen jäähdytys toimii paremmin. Yleensä suurin mahdollinen aurinkopaneelijännite on helpointa laskea paneelin avoimen virtapiirin jännitteestä, kertomalla se lämpötilakertoimella ja lämpötilaerolla. Esimerkiksi 410Wp Astronergyn paneelin avoimen virtapiirin jännite on 37,2V ja lämpötilakerroin -0,27%/°C. -25 °C lämpötilassa avoimen virtapiirin jännite olisi siis 37,2V + 37,2V x 50°C x 0,0027 /°C = 37,2 V +5,0 V = 42,2 V. Tyypillisesti siis riittää että jättää 15 % marginaalia 25°C:ssä ilmoitetun aurinkopaneelin avoimen virtapiirin jännitteen ja lataussäätimen jännitteenkeston väliin.

Kuvien lähde: Epever Tracer manuaali

Lataussäätimien toiminta ja latausvaiheet

Lataussäätimet säätävät akuston latausta monivaiheisen latausohjelman mukaisesti. Alla on esitetty eri latausvaiheet tyypilliselle lyijyhappoakulle, ja mitä niissä tapahtuu.

Kuva 1. Kolmivaiheisen latauksen latausvaiheet

Bulkkilataus (massalataus, vakiovirtalataus)

Tätä latausvaihetta käytetään silloin kun akusto on selkeästi vajaa. Tyypillisesti akuston varaustila on alle 80%, ja akkujännite (12V akussa) latauksen alussa alle ~13V. Tällöin akustoa ladataan maksimiteholla, eli siis latausteho käytännössä määrittyy aurinkopaneelitehon perusteella.

Latausvaiheessa akkujännite nousee pikkuhiljaa akuston täyttyessä. Lopulta saavutetaan boost (absorptio) rajajännite, jolloin siirrytään seuraavaan latausvaiheeseen, joka on absorptiolataus.

Absorptiolataus (boost-lataus, vakiojännitelataus)

Kun absorptiolatauksen jännitetaso on saavutettu, lataussäädin alkaa rajoittaa latausvirtaa. Akkujännite sen sijaan pysyy vakiona. Tyypillisesti lataussäätimissä on jokin ennalta asetettu kesto tälle latausvaiheelle, esimerkiksi 120 tai 60 minuuttia. Tässä latausvaiheessa akkua ei siis enää ladata täydellä aurinkopaneeliteholla, vaan latausteho on rajoitettu. Lataustehoa rajoitetaan, jotta akuston jännite ei nouse liian korkeaksi. Liian korkea jännite kuumentaa akkua, lisäksi akkuvesi alkaa hajoamaan elektrolyysin vuoksi vedyksi ja hapeksi. Rajoittamalla latausjännite absorptiolatausjännitteen arvoon, saadaan näitä ilmiöitä pienennettyä. Absorptiolatausjännitettä kuitenkin tarvitaan jotta akusto saadaan ladattua tehokkaasti täyteen. Kun absorptiolatauksen aikaviive tulee täyteen, siirrytään seuraavaan latausvaiheeseen, joka on ylläpitolataus

Ylläpitolataus (float-lataus)

Ylläpitolatauksessa akkua ladataan pienellä ylläpitovirralla. Akkujännite laskee alemmas kuin absorptiolatauksessa, tarkoituksena on vähentää akuston lämpenemistä sekä akkuveden kaasuuntumista. Aurinkopaneelitehosta ei siis tyypillisesti hyödynnetä tässä vaiheessa kuin pieni osa. Ylläpitolatauksen tehtävänä on ylläpitää akuston varaustilaa. Lisäksi lataussäädin reagoi akkua tyhjentävään kuormitukseen syöttämällä lisää virtaa, jotta kuormituksen sähkönkulutus voidaan kattaa aurinkopaneelien teholla. Ylläpitolataustilassa jatketaan kunnes akuston jännite tippuu esimerkiksi yöaikana tai suuren sähkönkäytön vuoksi riittävän matalalle (luokkaa alle 13V), jotta siirrytään uudestaan bulkkilataukseen.

Ekvalisointilataus (tasapainotuslataus)

Ekvalisointilataus on valinnainen latausvaihe, jota käytetään perinteisissä lyijyhappoakuissa, mutta ei ikinä geeliakuissa. Latausvaiheessa akkujännitettä nostetaan absorptiolatausta korkeammaksi. Tällä varmistetaan että akun eri kennojen varaustilat saadaan tasapainotettua, sekä akuston mahdollista sulfatoitumista saadaan purettua. Ekvalisointilatausjännite on niin korkea, että akussa alkaa tapahtua kaasuuntumista ja lämpenemistä, sen vuoksi latausta ei käytetä jokaisessa lataussyklissä. Ekvalisointilataus tehdään useimmissa lataussäätimissä esimerkiksi kerran kuukaudessa.

Mitä tapahtuu aurinkopaneeliteholle jota ei hyödynnetä akuston lataukseen?

Kun lataussäädin alkaa rajoittaa akuston lataustehoa, siirrytään aurinkopaneelin tehokäyrällä vain toiseen pisteeseen. Ääritapauksessa, eli ylläpitolatauksessa, kun aurinkopaneelista otettava teho on lähellä nollaa, siirrytään aurinkopaneelin tehokäyrällä lähelle avoimen virtapiirin jännitettä. Eli aurinkopaneelin jännite nousee, mutta virta laskee. Aurinkopaneelista ei siis oteta ulos enempää tehoa kuin mitä lataussäädin kulloinkin vaatii. Ylimääräinen teho muuttuu siten lämmöksi aurinkopaneelissa, ja tämä on täysin normaalia, eikä ole aurinkopaneeleille tai lataussäätimelle haitallista millään tavalla.