Hva er en laderegulator?
Som navnet forteller har en laderegulatortil oppgave å lade opp batteriet og holde det fulladet uten å overlade det. I et solcelleanlegg er vanligvis regulatoren koblet i serie med batteri og panel, det vil si at all strøm inn til batteriet går gjennom regulatoren. Når batteriet er fulladet, kobler regulatoren bort solcellepanelet som derved står i åpen krets. Strømmen som panelet produserer blir da borte i varme og temperaturen i panelet stiger noe. Med panelet i åpen krets kan vi ikke ikke nyttiggjøre oss den effekten panelet produserer, det er litt dumt. Enhver regulator kutter ut panelet når spenningen målt over batteripolene når en viss verdi, fra 13,8V til 14,4V for syrefylte batterier. På mer avanserte regulatorer er denne spenningsverdi regulerbar slik at brukeren selv kan velge optimal verdi. Gode laderegulatorer har såkalt 3-trinns lading, hvilket virker som følgende: I 1. fase ("bulk charge") tilfører regulatoren maksimal strømstyrke til batteriene. I denne fasen øker batterispenningen kontinuerlig. Når spenningen er kommet opp til den verdi som regulatoren vet er maksimalverdi, vil regulatoren gå over til 2. fase ("absorption") der ladespenningen holdes konstant mens ladestrømmen reguleres ned. Etter en viss tid i denne fasen kobler regulatoren over i en 3. fase, vedlikeholdsfase ("float"), der såvel batteri/ladespenning og (en liten) ladestrøm holdes konstant. Hvis det kobles inn last i fase 3, fører dette til at batterispenningen faller og regulatoren går derfor tilbake til fase 1 og begynner en ny syklus som beskrevet. Hvis man f. eks. velger 14V i fase 1 og 13,5V i fase 3, vil altså regulatoren først ta batteripakken opp til 14V i fase 1, holde den der i en tid (timer) i fase 2 og så redusere og holde batteriet konstant på 13,5V i fase 3.
Temperaturkompensert lading.
En god regulator har også en annen viktig egenskap, nemlig såkalt temperaturkompensert lading. Maksimal ladespenning for et batteri er vanligvis oppgitt ved +25 C til f.eks. 14,2V. Når temperaturen i batteriet avviker fra nevnte +25 C, bør ladespenningen økes når batteriet blir kaldere og reduseres når batteriet blir varmere. I et 12V system bør ladespenningen endres med 30mV per grad Celsius. Med andre ord, hvis ladespenningen er stilt inn på 14,1V ved +25 grader Celsius, skal den være 0,9V høyere, altså 15V, hvis temperaturen i batteriet er -5 C. Hvis batteriet står innendørs i et uoppvarmet rom, må altså ladespenningen økes om vinteren og ofte reduseres om sommeren. Derfor er temperaturkompensert lading viktig. Siden det er temperaturen inne i batteriet som er av betydning, må verdien måles på batteriet og ikke i selve regulatoren. Med temperaturkompensert lading unngår man å overlade batteriet om sommeren og underlade det om vinteren, slik det blir hvis regulatoren lader fast til f.eks.14V uten mulighet for justering. Underlig nok kompenserer noen regulatorer ladespenningen ut fra en temperaturføler i selve regulatoren, hvilket ikke gjenspeiler temperaturen i batteribanken. Det eneste som duger er en temperaturføler som via en kabel forteller regulatoren hvilken temperatur det er på eller ved batteriet, siden det er praktisk vanskelig å måle temperaturen nede i batterisyren. Hvis det er flere batterier er det greitt å feste sensoren på batteriveggen mellom batteriene og under syrenivået. Det kan ta dagevis før en batteripakke kommer opp i vanlig romtemperatur hvis utgangsverdien er -5 grader eller kaldere. På noen regulatorer kan ladespenningen justeres manuelt i en vinter- og en sommerverdi, men automatisk temperaturkompensert lading er mye mer elegant og nøyaktig og man slipper plunderet med justering to ganger i året.
Hvor høy strømstyrke må regulatoren kunne tåle?
Det er også viktig å vite hvor "stor" regulator som behøves. Et 55W panel tilfører et "sultent" batteri ca. 3,2 A ladestrøm. Flere paneler betyr høyere ladestrøm og regulatoren må dimensjoneres slik at den klarer denne strøm pluss 25%. For 150W panelstørrelse altså ca. 12A. Et ord i forbifarten om forbrukskursene. Noen regulatorer har uttak for en eller flere forbrukskurser, vanligvis med 10A sikringer. Hvis regulatoren har batterivakt ("low voltage disconnect"), kuttes forbrukskursene når spenningen blir for lav og batteriet er tappet til 20-30% restkapasitet. All strøm vil da gå gjennom regulatoren, som må dimensjoneres for å tåle full belastning på forbrukskursene. Eksempel: 150W panel, ca. 9A ladestrøm, ikke "low voltage disconnect" = regulator 12A. Hvis "low voltage disconnect" og 3 forbrukskurser a 10A, må regulatoren minst kunne håndtere 30A, helst ca. 40A pga. sikkerhetsmargin. Med andre ord, uten "low voltage disconnect" er det solcellepanelenes maksimale adestrøm som avgjør hvor kraftig regulatoren må være, med "low voltage disconnect" er det forbrukskursene fordi disse tar ut mer av batteriene enn solcellene lader. Eksempelvis vil en 10A regulator med batterivakt ("low voltage disconnect") fint håndtere 100W paneleffekt, men kommer til kort hvis forbrukskursene til sammen trekker 30A. Personlig ville jeg kanskje la solcellepanelene bestemme regulatorens størrelse og så ta forbrukskursene rett fra batteriet (utenom regulatoren) via egen sikringsboks (kjøpes hos bilrekvisita-forretning) der man fritt kan dimensjonere kabler og sikringer etter det behov man har. Jeg ville spandert et voltmeter for å kunne følge med når det er på tide å redusere forbruket, altså gjøre en manuell "low voltage disconnect".
Kabel.
Husk forøvrig at ved så lav spenning som 12V er spenningstapet i kabelen stort, hvilket er særlig merkbart ved lange kabelstrekk, tynne kabler og spenningsfølsomt utstyr, særlig TV-apparater. Jeg har laget en tabell som sier noe om dette. Hvis praktisk mulig kan man legge opp en tykk stamkabel, (f.eks. 2 ledere a 25-30 mm2) og så ta tynnere kabel (2,5-4 mm2, evt med (henge)sikringer) fra denne til de forskjellige forbruksstedene. Tykk kobberkabel er svinedyrt, prøv evt. skraphandler der du kan få 100m fingertykk kabel kanskje for etpar hundrelapper. Vær forberedt på å lodde siden kabellengdene kan være ned mot 3-5 m lange. (Stripp kabelen, sett inn en passende hylse eller rørbit av kobber på endene og lodd med propanflamme og dekk deretter "såret" med en passende krympekabelstrømpe). Det finnes mange fine typer kabelsko. Velg å lodde fremfor å bruke den typen som skal klemmes på med en kabelskotang. Nedenfor ser du noen eksempler på slike kabelsko:
Fra venstre: 1) Clas Ohlson, 2) og 6) ELFA 3), 4) og 5) Biltema.
Mellom batteri og regulator er kabelene vanligvis ikke så lange, likevel bør dimensjonen være forholdsvis grov, 8-16-20 mm2 avhengig av hvor stor strømstyrken kan bli.
Måleinstrumenter / batterimonitor.
Noen regulatorer har innebygd voltmeter, det er fint. Digitalt eller analogt blir en smaksak. Amperemeter som måler strøm ut og inn av batteriet er etter min mening av begrenset verdi. Skrur du på en 20W lyspære, vet du at den drar ca. 1,7A og du behøver ikke noe instrument som sier det. Noe som jeg derimot anser som en nødvendighet er en amperetime-teller, altså et amperemeter koblet til en timeteller eller timerkrets som registrerer hvor mange Ah (amperetimer) som siden siste nullstilling ("reset") har gått inn eller ut av batteriet. Hvis batteribanken fulladet er på si 500Ah, bør man maksimalt ta ut 70-80%, ergo har man 350-400Ah til disposisjon før batteripakken må lades. Forbruk fra fulladet batteripakke vil vises som negative Ah-tall og lading fra solcellene vil bringe dette negative tall tilbake mot null, altså mot fulladet batteri. Elegant. Kan sammenlignes med tripptelleren på bilen. Til enhver tid ser man hvor mye som er igjen i batteripakken, spesielt nyttig om kvelden når solcellene på dagtid har gjort sitt til å redusere det underskuddet som var i batteriet om morgenen. De færreste vil investere i så mange solcellepaneler at ladingen fra dem balanserer det daglige forbruket. På vinteren vil uansett selv ikke tallrike solcellepaneler greie å dekke inn det daglige forbruket, som kanskje kan ligge på 80-100Ah. Kanskje trenger man en vindmølle eller en liten vannturbin i tillegg, men det kommer jeg inn på et annet sted. Det finnes flere digitale instrumenter på markedet som registrerer amperetimer ut og inn av batteriet. I tillegg gir slike instrumenter en rekke andre funksjoner som angivelse av batterispenning eller prosentuell angivelse av batteriets restkapasitet, hvis man vil ha det. Strømstyrken i ampere (lading eller forbruk) på ethvert tidspunk kan avleses. Instrumentet angir gjerne max. og min. batterispenning siden siste nullstilling og hvor mange timer det er gått siden batteriet ble fulladet sist. Det finnes gjerne også et telleverk som ikke kan nullstilles som forteller hvor mange amperetimer som er tatt ut av batteripakken etterat den første gang ble tatt i bruk, sammenlign med km-teller på bilen. Slike måleinstrumenter kan være innebygd i regulatoren, men leveres vanligvis separat. Instrumentet kobles via en shunt (60A 60mV) eller brokobling i minusledningen til batteriet, slik bildet under viser.
I Norge må man regne med å betale 3000-4500 kr inkl. moms for en slik monitor, shunten er da med. Blodpris. Kjøpt direkte fra utlandet kommer man langt med halvparten av beløpet. Såvidt jeg vet finnes det dessverre ikke enklere og rimeligere instrumenter som bare måler kumulative Ah, som er den viktigste parameter man stort sett kan greie seg med. Kjøper man en batterimonitor får man en rekke andre funksjoner i tillegg, enten man trenger dem eller ikke. Likevel vil jeg hevde at en batterimonitor ikke er noe "kjekt å ha"-instrument, men er nødvendig hvis batteribanken brukes hyppig og man vil ha oversikt over systemet. Alternativet er å måle syrevekten på en eller flere celler på hvert batteri. I såfall må man ta hensyn til at også syrevekten påvirkes av temperaturen i batteriet. Det synes enklere å bruke en batterimonitor, selv om den koster penger. Til slutt, hvis man synes ting er kjekt å ha, kan man koble et (analogt) amperemeter til 200 kr i serie med plussledningen fra solcellene slik at man kan glede seg over synet av en viser som slår ut på skalaen avhengig av hvor mange ampere solcellepanelet til enhver tid lader med. Evt. også et amperemeter i hovedledningen foran sikringsboksen til forbrukerkursene, så kan man se hvor mye strøm som brukes til enhver tid. Et amperemeter på hver forbrukskurs blir nok for ekstremt, selv for "gadget lovers".
På ovenstående bilde ser du batterimonitor TriMetric TM 1B under pågående lading og visning av batterispenning.
Ovenstående bilde viser TriMetric TM 2020, en noe viderutviklet utgave av TM 1B, ikke nødvendigvis mer avansert.
”Dump last regulator” – for vindmølle og vannturbin, kanskje også for solcellepanel?
Dette bringer meg over til et annet interessant emne – vindmøller. Laderegulering av batterier med vindmølle som ladekilde er ikke praktisk mulig med en seriekoblet regulator slik det er beskrevet ovenfor. Primus sier i sin Hyttekatalog: ”Det må benyttes en egen regulator til vindmøllene. Årsaken er at vindmøllene gir en så kraftig ladning i sterk vind, at en ordinær styringstavle for solstrøm ikke tåler denne belastningen.” Primus har IKKE skjønt det, eller sier i beste fall bare en halv sannhet. En kraftig solcelleregulator på si 60A tåler nemlig glatt all den strøm små vindmøller måtte gi. Det er ikke der det ligger. Forklaringen ligger i seriekoblingen som fører til at regulatoren kobler vekk ladekilden (dvs. vindgeneratoren) når maks. batterispenning er nådd. Et solcellepanel tåler som sagt å stå i åpen krets, men en vindmølle tåler det ikke, annet enn for kort tid. En vindmølle med bortkoblet last vil løpe løpsk uten motstand og rotere seg inn i døden på kort tid. For å unngå en slik skjebne anvendes en ”dump last regulator”, en avbrennings- eller overskuddsregulator på norsk. Den virker slik: ladekildene (sol, vind eller vanndrevne) kobles direkte på batteriet, det samme gjør regulatoren som nå altså er koblet i parallell med batteri og ladekilder. Laderegulatoren er også koblet mot en ekstern last, for eksempel en lavohmig effektmotstand som virker som en liten varmeovn. Motstanden må være minst så stor at den kan absorbere summen av den effekt ladekildene maksimalt kan gi. Når laderegulatoren oppfatter at maks. ladespenning målt over batteripolene er nådd, slipper regulatoren overskuddet gjennom seg ut på den eksterne lasten, derav navnet ”dump last regulator”. Ladespenningen holdes under maks. verdi inntil ladingen avtar så mye at batterispenningen faller under en gitt (regulerbar) verdi, for eksempel 13V, hvoretter regulatoren kobler ladekildene tilbake til batteriet, dumplasten blir altså koblet ut. Og slik fortsetter det…På denne måten kan man nyttiggjøre seg all effekt fra både vind og sol, hverken vindmølle eller solcellepanel vil kunne stå i åpen krets, det vil alltid være motstand i systemet, enten til batterilading eller til varme i dump-lasten. Det sier seg selv at laderegulatoren må være dimensjonert for max. strømstyrke (pluss 25%) av det ladekildene til sammen kan gi. Hvis vindmøllen maksimalt kan yte 35A og solcellepanelet 5A, bør laderegulatorenklare ca. 50A ladestrøm. Det er viktig å være oppmerksom at en vanlig seriekoblings-laderegulator for solceller IKKE kan virke som en ”dump last regulator”. Til gjengjeld kan altså en ”dump last regulator” håndtere alle slags ladekilder og er således den mest praktiske løsningen for hybridanlegg med sol og vind- eller vannkraft. Løsningen er lite brukt hos oss, kanskje fordi det knapt finnes ”dump last regulatorer” å få kjøpt på det norske marked. I USA derimot…….Selve dumplasten kan altså være en stor lavohmig effektmotstand. Det er et eget avsnitt om dumplaster der emnet er mer utførlig behandlet.
Maximum Power Point Tracking (MPPT) regulator, hva i all verden er det?
Et solcellepanels merkeeffekt er angitt i watt ved en bestemt spenning og temperatur, vanligvis 25 grader C. Celleantallet kan være fra 30 til 36. Er da et panel med 36 celler "bedre" enn ett med 30? Svaret er oftest nei. Solceller lader dårligere jo varmere de blir og i varmt klima er det ikke sikkert at et 30 cellers panel greier å komme opp i høyere spenning enn det batteriet har, ergo ingen lading. Under våre klimatiske forhold er det selv om sommeren lite sannsynlig at et 30 cellers panel underskrider 14V. Iallefall er 33 celler mer enn tilstrekkelig (og billigere), men de aller fleste paneler idag har likevel 36 celler. Siden solceller virker bedre ved lave temperaturer, kan et 75W panel på en kald, solfylt vinterdag kanskje gi 80W. Et 36 cellers solpanel har maksimal ladespenning på mellom 17V og 18V og merkeeffektem i W er som nevnt over angitt ved denne spenningen ved 25 grader C. Et 85W panel kan derfor lade batteriet med ca. 4,72A (85W : 18V = 4,72A)og denne strømstyrken er ganske konstant og uavhengig av batterispenningen, hvilket vil si at panelets oppgitte effekt bare er tilgjengelig ved 17V til 18V, hvilket er uaktuelt i praksis. Et 85W panel gir altså aldri fulle 85W til batteriet. Ved ladespenning på 14,2V er ladestrømmen fortsatt 4,72A, og panelet gir nå iflg Ohms lov (Watt=Volt x Ampere) bare 67W, altså 18W eller over 20% mindre enn panelets oppgitte effekt.
Det er her en MPPT-regulator kommer inn. Den tar inn panelets fulle effekt under de aktuelle værforhold og regulerer panelspenningen ned til litt over den til enhver tid registrerte batterispenningen og øker derved ladestrømmen. I motsetning til en vanlig laderegulator som er en konstantstrøm-regulator er altså en MPPT-regulator en variabelstrøm-regulator. I eksemplet over vil regulatoren tilpasse seg batteriets kanskje 14,4V, men nå lade med rundt 5,9A ladestrømi stedet for 4,72A som konvensjonelle regulatorer ville ha gitt. Navnet MPPT er utledet av at regulatoren alltid tilpasser (”tracker”) panelets til enhver tid maksimale effekt og reduserer panelspenningen til litt over batterispenningen og derved øker antallet ampere inn i batteriet, hvilket jo er det som betyr noe. I teorien gir en MPPT-regulator 20-30% mer ladestrøm fra et solcellepanel enn en konvensjonell regulator, det være seg serie- eller parallellkoblet. Iflg. amerikanske rapporter viser praktiske forsøk at gevinsten er størst i kjølig vær uansett årstid, særlig om vinteren og i overskyet vær. Ladestrømmen øker også mer jo mer batteriene er utladet. Det høres fint ut. En annen fordel med MPPT-regulatoren er at flere solcellepaneler kan seriekobles opp til 40-60V slik at kabeltykkelsen kan være mye mindre enn ved parallellkoblede paneler. Foreløpig er MPPT-regulatorene dyre, minst det dobbelte av konvensjonelle regulatorer. Men gevinsten for våre forhold synes stor, så fremtiden vil kanskje være lys. Meg bekjent selges ikke MPPT-regulatorer i Norge i noen særlig grad og for mange er de nok for dyre. Finske NAPS selger sin dyreste solcelleregulator under navnet GENIO for litt inder kr. 3000 uten måleshunt. Denne regualtoren har MPPT-funksjon på en av sine to innganger som standard. NAPS kaller MPPT-ladefunksjonen for "booster"-lading. Det er fascinerende hvis man virkelig kan få ca. 20% effekt mer ut av solcellepanelene med enn uten MPPT-reguleringog merkostnadene vil fort betale seg fordi man kan kjøpe mindre paneler enn man pr. idag ville ha gjort. MPPT-regulatorer produseres såvidtjeg vet av 3-4 finske, amerikanske og australske firmaer,
Er kontrollert overlading eller ”equalizing” av batteribanken nødvendig?
Mange påstår det. Equalizing er en kortvarig overlading av batteriet, gjerne av 1-2 timers varighet. Ved kontrollert overlading, økes ladespenningen når batteriet er fulladet med ytterligere ca. 1V slik at batteriet gasser (bobler) heftig. Svovelsyreren blander seg jevnt i alle battericellene og evt. belegg på blyplatene løsner og synker til bunns. Evt. spennningsforskjeller cellene imellom blir utjevnet. Batteriet friskner til og levetiden øker, sies det. Noen regulatorer gjør denne overladningsprosessen automatisk med jevne mellomrom, på andre kan prosessen (over)styres manuelt. Hvis man har en regulator med temperaturkompensert lading og innstilt batterispenning på for eksempel 14,4V, vil stort sett alltid batteriet gasse litt før laderen kutter ut eller skifter over til dump lasten. I dette tilfellet er muligens equalizing unødvendig. Men jeg vet ikke, kanskje en equalizing en gang i året om sommeren kan ha noe for seg. Uansett, man må sjekke om batteriet trenger destillert vann ETTER at equalizingen er gjort og ikke fylle på for mye vann. Etter en equalizing er det også riktig tidspunkt å synkronisere batterimonitoren med batteriet ved å nullstille amperetimetelleren (tripptelleren).
Hvilke egenskaper bør en laderegulator ha?
Hvis det er snakk om en seriekoblet regulator for solcelleanlegg ville jeg vektlegge følgende ved anskaffelse:
Det sier seg selv at regulatoren med god margin må kunne tåle den maksimale ladestrøm som panelene kan gi, for 100W panelstørrelse minimum 10A. Hvis lasten derimot er større enn det regulatoren er dimensjonert for, er det lett å komme utenom det problemet ved at deler av forbrukskursene tas direkte fra batteriene utenom regulatoren, hvilket dog fører til at man mister regulatorens evt.batterivaktfunksjon på de direktekoblede kursene. Dette er ikke er så farlig, iallefall ikke sålenge en eller flere andre kurser har "low voltage disconnect".. Hvis lyset går på en kurs som HAR batterivakt, er det på tide å ta all last bort fra batteriet. Amperemeter på lade og/eller forbrukssiden synes jeg ikke er så viktig. Derimot er registrering av ampere over tid, altså Ah ut og inn av batteriet vesentlig, men til det ville jeg heller satse på en separat batterimonitor. Vær forberedt på at en regulator med temperaturføler som skissert over koster fra vel 2000 kr og oppover. En batterimonitor koster ca. 4500 hos tradisjonelle forhandlere, men ELFA har en som inkludert shunt koster ca. kr 2500 inkl. mva.
Hvordan får man plass til all leamikken?
Regulator, kabler, panelinstrumenter, koblingspunkter, shunter, sikringer og brytere tar plass. Jeg har montert alt på en finérplate som står noen cm ut fra veggen og er hengslet slik at den kan svinges ut. Mye kan skjules på baksiden og forsiden kan lages om ikke vakker så iallefall funksjonell. Fra og til koblingsplaten går 11 kabler, to fra vindmøllen, to fra solcellepanelet, to til batteripakken, to til fordelingsboksen for forbrukskurser, to til dumplasten og en til temperatursensoren. Nedenfor ser du et bilde av oppsettets forside.
Sist endret 18.06.2009