NordicOffGrid´ Logo
Off-grid solcellssystem.
I Nordiskt klimat!
 by Bosse
By AutonomTech.se Frittliv webbplats

 Webbsidan är senast uppdaterad:  

Nordisk solladd­regulator

Speciella behov utifrån Nordiskt kli­mat & sol­energi

Webbsidan skapad 2021-10-27
Det Nordiska klimatet med korta dagar av dagsljus runt midvinter och perioder med låg solinstrålning ställer lite speciella krav på en solladdregulator för att ge ett välfungerande standalone off-grid solcellssystem. Speciellt ihop med blybatterier, men även med LiFePO4.
Kommer uppdatera här när jag har mer kunskap att tillföra.
"A problem well stated is a problem half-solved." - Charles F. Kettering
Fler Kettering citat.

Några speciella Nordiska behov:

  • Laddcykelstyrning efter tillgänglig sol­cells­effekt: 2021-10-27 / 2021-10-28
    I Wikipedia artikeln IUoU_battery_charging om DIN 41773 standarden för ett laddningsförfarande för blybatterier beskrivs ett typiskt liknande Nordiskt problem vid låg solinstrålning: "If a battery is connected to a significant load during charging, the end of the Uo-phase may never be reached and the battery will gas and be damaged, depending on the charge current relative to the battery capacity."
    Dvs vid dagar med låg solinstrålning under midvinterns korta dagar är det inte säkert att en daglig laddcykels bulk-laddning hinner nå upp till absorptions-laddspänningen och man får då som en float-laddning med för hög spänning som överladdar blybatterierna, speciellt vid långvarig standby-drift. En Nordisk solladdregulator måste förhindra detta!
    Under mina off-grid erfarenheter sedan 2007 har jag sett att detta är ett verkligt problem!

    Vid en laddström ≤0,02C (≤2A/100Ah) i mer än >1hr bör sol­ladd­regulatorn då begränsas till float-laddspänningen i bulk-laddning och absorptions-laddning, med regelbundet testande 1ggr/hr om ström >0,02C blivit tillgänglig igen. Eventuellt lite överskott på ström från solpanelerna då kommer vid PWM-regulator ändå att nyttjas till strömpulsladdning, vilket gynnar batterierna och förbereder dem att kunna ta emot större ström när solpanelerna levererer det igen i det växlande vädret.
  • Effektiv laddcykelstyrning: 2021-10-27
    Det nordiska klimatet innebär en hel del väder med låg solcellseffekt (låg solinstrålning) där laddningen av blybatterier måste hanteras effektivt oavsett väder, för bästa utnyttjande av blybatteribanken för allra mest tillgänglig dåligt-väder-reserv i dem.
    Det innebär att fasta tidsgränser för absorptions-laddningen fungerar dåligt och främst ofta ger onödigt långa laddtider till 100% SOC fulladdade blybatterier, men även riskerar att överladda dem i visst väder.
    Man bör istället låta blybatterierna själva tala om när de är så fulladdade att absorptions-laddningen ska växla över till float, vilket får styras av när laddströmmen går under <0,02C under 5 minuter (<2A/100Ah), den s.k. tail-current. Då fås en absorptions-laddning som oavsett väder leder till i stort 100% SOC fulladdade blybatterier, med bara någon enstaka procent kvar att laddas under float.
    Man bör ändå ha en max tidsgräns för absorptions-laddningen, där troligen <8hr blir bra.
    Detta innebär att sol­ladd­regulatorn måste kunna mäta vad laddströmmen in i batteribanken är oavsett övrig strömförbrukning i elsystemet! Antingen via tillgång till extern strömshunt data eller via egen inbyggd strömshunt då all strömförbrukning måste gå via regulatorn.
  • Nettoströmproduktion/dygn runt midvinter: 2021-10-27 / 2021-11-14
    Vid korta midvinterdagar är det den totala effektiviteten samt netto­ström­produk­tionen per dygn som är avgörande för hur väl en solladd­regulator klarar att hålla blybatterier 100% SOC fulladdade. Samt även för att kunna ge lite netto­nytto­ström, även vid drift med låg solinstrålning.
    Så dels måste en solladdregulator ha låg egenström­förbrukning, samt dels måste den kunna arbeta med hög verkningsgrad även vid låg solinstrålning / effekt. De flesta av dagens MPPT-regulatorer har för låg verkningsgrad vid låga effekter, då när det är som mest kritiskt kring midvinter. Samt en del har för hög egenförbrukning, så netto­ström­utbytet/dygn blir för dåligt eller t.o.m. negativt vid korta midvinterdagar. Dvs sol­ladd­regulatorn måste producera mer ström per dygn än den själv förbrukar, så batterierna hålls laddade av den strömproduktion solcellerna ändå ger! Har provat MPPT-regulatorer där det inte blev så runt midvinter.
    Behövs då PFM MPPT-regulator med högre effektivitet även vid små strömmar från solpanelerna, vilket jag inte har sett hos någon regulator för off-grid solcellssystem. PFM = Pulse-Frequency Modulation.
    2021-11-14
    Eller en PWM-regulator som normalt är strömsnåla, som Solara SR350 LCD 20A regulator vars egenström­förbrukning är låga 4mA, vilken NordicOffGrid använder i sitt off-grid solcellssystem! En PWM-regulator i sig har därför hög verkningsgrad, sedan tappar man lite på att den inte kan omvandla solpanelernas högre spänning över batterispänningen till extra ström. Men vid låga effekter typ runt midvinter eller i riktigt mulet väder blir ändå den totala netto­ström­produk­tion/dygn bra hos PWM jämfört med många MPPT-regulatorer.

    Detta är lika för både blybatterier och LiFePO4-batterier, även om blybatterier skadas mer av långvarigt partiellt laddade.
  • Hantering av långvarig standby-drift: 2021-10-27
    Det nordiska klimatet gör att fritidsstugor ofta kan få långa driftstider i standby-mode, vilka då måste hanteras med fokus på bästa batterilivslängd.
    För blybatterier innebär det att man ska undvika en daglig komplett laddcykel bulk-absorption-float-laddning i standby-drift. Det överladdar blybatterierna med både ökad elektrokemisk korrosion av de positiva blyelektroderna samt gasar onödigt mycket, vilket kan leda till uttorkning hos AGM/GEL batterier. Båda vanliga felkällor vid för tidigt blybatterihaveri.
    Vid långvarig standby-drift (>30hr float) bör float-mode växla över till en kontinuerlig standby-mode där laddspänningen sänks till 13,4V, samt man 1ggr/10dygn gör en absorptions-laddning på max 2hr, normalt avbruten vid tail-current <0,02C. Denna absorptions-laddning genomförs bara om solcellerna ger tillräckligt med effekt för det, dvs laddström >0,02C (>2A/100Ah). Annars görs regelbundet upprepade försök tills absorptions-laddningen kan genomföras, kanske typ 1ggr/timme dagtid.
    Blybatterier mår allra bäst av att på så sätt hållas vid 100% SOC fulladdat under långvarig standby-drift, vilket ger väldigt bra drift för fritidsstugor då man kommer dit till fulladdad blybatteribank att utnyttja även vid spontanbesök.
    LiFePO4-batterier bör vid långvarig standby-drift hållas inom 40-60% SOC. Riktigt hur det bör styras har jag inte trängt in i då jag satsat på blykol-batterier istället. Detta är en nackdel då man vid långvarig standby-drift i fritidsstuga inte kan komma till en fulladdad LiFePO4-batteribank vid oplanerat spontanbesök när man styr laddningen så!
    Hur viktigt det är med 40-60% SOC så i standby-drift för LiFePO4 kan diskuteras, då dess stora cyklingstålighet ändå är svår att hinna utnyttja i ett fritidbeoende innan LiFePO4 åldrats av ren kalendertid. Men 100% SOC standby-drift skadar även inom kalender­tids­åldrandet!
  • Strömpulsladdning blybatteri: 2021-10-28 / 2021-10-29
    Strömpulsladdning och pulskonditionering av blybatterier ökar batteri­verknings­graden samt förbättra ström­mot­tagningen, så att blybatterierna laddas signifikant snabbare under aktiv daglig cykling. Särskilt under de sista 20% kapacitet mellan 80% - 100% SOC. Kan räcka med strömpulsladdning under absorptions- och float-laddning som från PWM-regulator, men fullständig pulsladdning är nog än bättre. Och en kontinuerlig puls-rekondi­tionering under laddningen förstärker effekten. Gör att i nordiskt varierande väder blir en blybatteribank oftare 100% SOC fulladdad under aktiv drift, vilket både minskar sulfateringen samt förbättrar tillgängligheten av dåligt-väder-reserven så blybatteribanken lite mer sällan bli riktigt djupt urladdad. Ger ihop en bättre off-grid drift och längre batterilivslängd!

    En MPPT-regulator kan ladda upp riktigt djupt urladdade blybatterier (= urladdad dåligt-väder-reserv) lite snabbare i bra solväder upp till runt 70-80% SOC än en PWM-regulator, medan PWM-regulatorn laddar de sista 20% av kapaciteten upp till 100% SOC betydligt snabbare. Så är svårt att säga vilken som i snitt håller blybatterierna mest fulladdade, även om min erfarenhet från båda lutar åt PWM-regulatorn. För den vanliga dagliga cyklingen upplever jag PWM-regulatorn mest effektiv totalt sett då den ger signifikant bättre batteriverkningsgrad och markant bättre laddmottaglighet inom 80-100% SOC med sitt strömpulsande. I vart fall i ett off-grid solcellssystem i storleken 250Wp och 2x106Ah AGM blykol-batterier.
    Är möjligt att MPPT-regulatorns fördelar laddmässigt ökar i en större anläggning (är en del som pekar mot det), samt den ger stora fördelar med att kunna hantera solpanelspänningar långt över batterisystemspänningen.
    Idealet vore en MPPT-regulator med en smart strömpulsladdning som hanterar allt beskrivet här på webbsidan, men inte sett någon sådan.
  • Förstärkt strömpulsande: 2021-10-28
    Vid off-grid solcellssystem dimensionerat för sommarboende blir laddströmmen väldigt låg långa perioder under det nordiska vinterhalvåret, och därmed även strömpulserna från PWM-regulatorns pulsladdande. PWM-regulatorns strömpulser har den strömstyrka solpanelerna för stunden max kan leverera då de blir direktkopplade mot batteribanken.
    För att få den riktiga nyttan av strömpulsladdning för blybatterier blir det för låg strömstyrka i dessa strömpulser då, speciellt några månader runt nordisk midvinter!
    För bra vårdande långvarig standby-drift av blybatterier under nordisk vinter behöver därför PWM-regulatorns strömpulsladdning förstärkas via en strömbuffrande RC-krets, vilken samlar på sig sol­cells­strömmen kontinuerligt och laddas ur som en stark strömpuls varje gång PWM-regulatorn släpper fram en kortvarig strömpuls i sin reglering. Vid standby-drift i ett sol­cells­system med 250Wp solcellseffekt och 2x106Ah AGM blykol-batterier fås då alltid minst 8A i strömpulsen så länge solpanelerna levererar lite drygt den ström som under­hålls­ladd­ningen förbrukar, jämfört med <0,5A långa perioder runt midvinter annars. Som ytterligare fördel sänks då även pulskvoten (duty cycle) till runt 0,5-3%, dvs blybatterierna laddas bara 0,5-3% av tiden dagtid vilket minskar den elektrokemiska korrosionen och gasbildningen samt förstärker desulfateringen så strömpulseffektens gynnsamma verkan förstärks totalt sett.
    Har synts väldigt tydligt i drift sedan 2017-09-29 med tydligt aktivare och mer välmående blybatterier under vintern med mest standby-drift och lite glesa weekend-boenden!
    De tidigare Tudor 2x80Ah fritdsblybatterierna uppvisade ingen märkbar sulfatering ännu vid en ålder på 9 år våren 2021, då de tillslut gav upp i en battericell i April då, vilket är anmärkningsvärt bra!
  • Trippelt strömpulssystem: 2021-11-07 / 2021-11-10
    Jag har sedan 2007 kört med dybbelströmpulssystem med PWM-regulators 30Hz strömpulsladdning ihop med en blyaktivators urladdningsströmpulser på 90-100A 1ggr/20s, och sedan 2014 kompletterat med ett tredje system en puls-rekonditionerare som ger 9kHz 50-100A korta laddströmpulser och 4A urladdningsströmpulser, samt sedan 2017 gett PWM-regulatorn förstärkt strömpulsladdning med >8A laddpulser via min strömbuffrande RC-krets.
    (De 9kHz 50-100A korta strömpulserna är så snabba så svårt att mäta upp pga induktans i den grova strömshunten, men ser ut att vara runt 100A mätt med 200MHz oscilloskop.)

    Jag kan se på driftsdatan för mitt off-grid solcellssystem att alla de tre olika strömpulsprinciperna bidrar till att ge blybatterierna en aktiv, fräsch effektiv drift och funktion, med bra kristallstruktur för blybatteriets elektroder samt hög batteriverkningsgrad med blybatterier som får bra laddmottaglighet. Ger ihop även bättre livslängd för blybatterierna.
    De påverkar alla tre blybatteriets kemi positivt på olika sätt som kompletterar varandra.
    Så slipper den där klassiskt sega långsamma laddningen under 80-100% SOC laddfasen som många pratar om hos blybatterier, samt även den normalt dåliga batteriverkningsgraden under den laddfasen, där off-grid solcellssystem har stor del av sin drift inom.
    Denna trippla strömpulsning motverkar även i stort all sulfatering av blybatterierna under sund bra drift, vilket annars är det klassiska åldrandet hos blybatterier. Samt motverkar dendriter.

    Ett sunt dimensionerat off-grid solcellssystem med 5 dygns dåligt-väder-reserv har sin normala regelbundna drift huvudsakligen inom 10-30% DOD dygnscykling vid 70-100% SOC!
    Med 5 dygns (120h) dåligt-väder-reserv blir medelströmmen för urladdning låg, så strömpulsandet med högre strömmar är även bra för blybatterierna ur den synvinkeln. Råder en stor konsensus från en stor del av världen att ett sunt fungerande off-grid solcellssystem bör dimensioneras med 5 dygns dåligt-väder-reserv för bruk under sommarhalvåret.
    För 212Ah blykol-batterier (C20-kapacitet), med 90% DOD dimensionerande max urladdning, 120h (5dygn) urladdningstid blir medelströmmen 1,59A. Bara 0,0075C i förhållande till C20-batterikapaciteten.
    Ihop med de låga solcellsströmmarna kring Nordisk midvinter blir detta trippla strömpulsande extra värdefullt för blybatterier, för deras livslängd och funktion!
    Detta med 5 dygns dåligt-väder-reserv och den låga strömmen av det gäller oavsett LiFePO4 eller blybatterier. Är därför blybatterier ofta kan fungera väldigt bra i ett sådant off-grid solcellssystem och man ofta inte får någon nytta alls av LiFePO4´s stora strömförmåga!

    Man kan se detta strömpulsande och dess elektronik till blybatterier lite som BMS till LiFePO4, med den skillnaden att utan BMS riskeras haveri medan utan strömpulsande fås bara lite sämre prestanda, så den ena kritisk den andra robust okritisk funktion!

    2021-11-10
    Aktiv permanent inkopplad puls-rekonditionering till blybatterier är numera en allmänt accepterad teknik för bättre livslängd och funktion, där både Volvo Trucks och Scania m.fl. har det i sina tillbehörssortiment samt Sutars-Skyllermarks och Dometic också säljer sådan elektronik. Är Dometic PerfectBattery BR 12 jag använder.
    Volvo Sweden: "After 7 years of intensive field testing beginning in 2004 and ending in 2011, Volvo increased battery service life in vehicles from an average of 2 years to over 5 years plus decreased electrical system faults by installing VEES, a saving of $1,100 per annum, per vehicle over 5 years."
    Från accessories.scania.com: "Extends the service life of your lead-acid batteries. This battery reconditioner prevents the harmful sulphating process from starting on new batteries. Battery related issues causes a lot of problems and are costly for our customers. In many cases these issues are due to a sulphated battery. When a battery has started the sulphating process it becomes less able to charge. It will also empty faster than a non-sulphated battery. By sending out pulses, the battery reconditioner prevents the harmful sulphating process from starting. The battery reconditioner prolongs the life of the battery. The battery reconditioner can be used for all types of 12V and 24V lead-acid batteries. The battery reconditioner does not harm the vehicle´s electronic equipment or other installed devices connected to the battery."

    2022-01-21 New
    Och nu har forskare upptäckt nyttan med kraftiga urladdningsströmpulser för litium-batterier också, och då blir det säkert genast mer accepterat att det gör nytta:
    "Researchers from SLAC and Stanford discovered that they could drive the island´s growth in the direction of the anode by adding a brief, high-current discharging step right after the battery charges. Reconnecting the island to the anode increased the lifetime of their lithium-ion test cell by nearly 30%." källa

    Dock riskerar stora kondensatorer anslutna med grova kablar nära mot blybatterierna att suga upp strömpulserna så de inte når in i batterierna, typ växelriktare eller MPPT-regulator!

    Finns mycket att läsa kring detta på FrittLiv webbsidan Solelladdning av blybatterier.
    (Där kommer även snart mycket ny information och uppdaterad kunskap!)
SOC = State Of Charge, laddningsstatus
DOD = Depth Of Discharge, urladdningsdjup
Solcellsström vid svagt ljus är ett viktig tillskott!
Webpage: server time: 66.8 ms, (incl. log: 46.8 ms) ||