Kontrollerid, inverterid ja laadijad

Kuna päikesepaneelide ja tuulikute toodetava voolu ja pinge parameetrid on erinevad meile kasutamiseks sobilikest ning kõiguvad väga suurtes piirides (sõltuvalt päikese kõrgusest, pilvkattest, tuule tugevusest), ei saa nende toodetud voolu üldjuhul otse tarbimiseks kasutada. Võrguühendusega  süsteemide puhul kasutatakse  tavaliselt  otse energiaallikaga ühendatud võrguinverterit, mis muundab  toodetud elektri võrgule sobivate parameetritega elektrivooluks.

Kontrollerid

Klassikalise off-grid lahenduse korral  kasutatakse toodetud energiat akude laadimiseks ja  12, 24 või 48 V tarbijate toiteks. Selleks kasutatakse laadimiskontrollereid (Charge Controller). Laadimiskontrolleri põhiliseks parameetriks on maksimaalne voolutugevus, mida antud kontroller talub. Kuna enamus kontrollereid on võimelised töötama mitme erineva akupanga pingega, siis sõltuvalt kasutavast pingest  erinevad ka lubatavad võimsused.

Näiteks suuremate kodukasutuses olevate kontrollerite maksimaalne vool on 80 A ja nominaalne akupinge võib olla 12/24/48 VDC ning sellise kontrolleri maksimaalsed võimsused on:

     * 12 VDC  süsteemis 1250 W                      

     * 24 VDC süsteemis 2500 W                      

     * 48 VDC süsteemis 5000 W                      

Kontrollerid jagunevad kahte suurde rühma. PWM (Pulse Width Modulation) pulsilaiusmoduleerimisega kontrollerid. Sellise ehitusega on enamasti väiksema võimsusega odavamad kontrollerid. Seda tüüpi kontroller alustab laadimist siis kui sisendpinge on tõusnud akude laadimiseks vajalikule tasemele ning ei lase paneeli pingel tõusta üle akude laadimispinge. Kui aku saab täis, siis laadimisvoolu ja pinge tõusu piiramiseks üle aku laadimiseks vajaliku taseme, hakkab vool pulseerima. Sellega piiratakse paneelidelt tulevat voolu.

Sellised kontrollerid on tavaliselt maksimaalse vooluga 5 - 40 A.

Täiuslikumad kontrollerid kasutavad oma töös MPPT (Maximum Power Point Tracking) tehnoloogiat. MPPT tehnoloogia annab samade paneelide korral keskmiselt 30% rohkem energiat (talvel 20 - 45% rohkem, suvel 10 - 15% rohkem) kui PWM tehnoloogial baseeruv kontroller. Milles on saladus? Kui PWM kontroller alustab laadimist siis kui pinge paneelidel on tõusnud akude laadimiseks vajaliku tasemini ning paneelide pinge jääb aku laadimispinge tasemele (vt joonis Power Point at Battery Voltage), siis MPPT kontroller sisaldab MPP punkti otsiva algoritmiga muutuva karakteristikuga alalispinge (DC-DC) muundurit. Oletame, et meil on 24 V nimipingega akupank (laadimispinge olenevalt aku laetusest 26 - 28.8 V) ning paneelid, mille MPPT punkt on 32 V (vt joonis Array Maximum Power Point). MPPT kontroller laseb  paneelipingel tõusta MPP punktini ja konverteerib selle aku laadimiseks sobivaks pingeks. Antud näite puhul annab PWM kontroller 1220 W, sama ajal kui MPPT kontrolleriga saadakse samadest paneelidest 1500 W. MPPT kontrolleri sisendpinge (MPP voltage range) võib jääda vahemikku       6 - 1000 VDC (igal kontrolleril on see erinev). Kogu sisendpinge ulatuses leiab kontroller üles MPP punkti ja DC-DC muundur hoiab väljundpinget vajalikul tasemel ning laadimine toimub optimaalsel tasemel kogu sisendpinge vahemikus. Kõrgema sisendpinge saamiseks ühendatakse paneelid MPPT kontrolleri sisendisse järjestikku ja kontrolleri tehnilistes andmetes esitatakse paneelide maksimaalne lubatud avatud ahela pinge Voc. Kokkuvõtteks võib öelda, et MPPT kontroller suudab kõik paneelide toodetu akudele vastuvõetavasse vormi muundada, PWM tehnoloogia puhul jääb aga osa energiat kasutamata.

Suuremad, mitmekilovatised kontrollerid kasutavad üldjuhul MPPT tehnoloogiat. Nende kontrollerite kõrge sisendpinge (100 - 400 V) võimaldab omakorda vähendada juhtmete ristlõiget ja voolukadusid juhtmetes.

Kui paneelid ja nende kontrolleri võib rahuliku südamega eraldi osta, sobitades omavahel vaid pinged ja võimsused, siis tuulikute kontrollerid tulevad üldjuhul koos tuulikuga, kuna lisaks laadimisfunktsiooni kontrollimisele on neil veel täiendavad tuuliku juhtimiseks vajalikud omadused (pidurdamine, pööramine, voolu alaldamine).

Kontrolleri ühendamisel on üks ja kindel soovitus - enne lugege läbi instruktsioon! Kui paljud kontrollerid on seetõttu oma lõpu leidnud, et tarkpead on enne tegutsenud ja alles hiljem tarkust kogunud, ei tea keegi.

Kui üldjuhul on lihtsamad kontrollerid nn tehaseseades ja nende parameetreid annab muuta vaid väga väheses ulatuses, siis keerukamate kontrollerite seadistamine on võimalik üpris suures ulatuses. Nad mõõdavad aku temperatuuri ja kohandavad laadimise sellele vastavaks, nad suhtlevad omavahel (kui on paigaldatud rohkem kui üks kontroller) ja muunduriga (muundur /laadijaga); salvestavad andmeid akupanka salvestatud energia koguse kohta; neid on võimalik ühendada distantsjuhtimismonitoriga ja arvutivõrku selleks, et te saaksite jälgida koduse elektrijaama toimimist. Seega tasub enne kontrolleri soetamist selgusele jõuda, kas piisab lihtsalt tehaseseades kontrollerist või on vajalik seade, mis võimaldab ümberseadistamist ja andmete kogumist.

Lihtsad reeglid, mida tasub alati järgida:

  1. Kontrolli, et nimipinged (voolud, võimsused) omavahel sobivad.
  2. Ühenda alati esimesena akupank, sest sealt saab kontroller ka toite. Toite puudumisel ei saa kontroller reageerida paneelidelt/tuulikult  tulevale kõrgemale pingele (lahti ühenda akupank viimasena).
  3. PWM ja MPPT kontrollerite puhul käib sobivate paneelide valik erinevalt. PWM  kontrolleri puhul jälgitakse paneelide maksimaalse võimsuse pinget Umpp (Vmp) - 12 V kontrolleril peaks Umpp (Vmp) olema 17 - 18 V ja vastavalt 24 V puhul 34 - 36 V , 48 V korral 68 - 72 V.
  4. MPPT kontrolleri puhul on antud lubatud maksimaalne paneelide avatud ahela pinge Uoc. Ära unusta madalatest temperatuuridest tingitud pinge tõusu.  

Kontrolleritel on ühendusotsad paneelide ja aku tarbeks, lisaks on osadel kontrolleritel veel seadistatav väljund akupanga nimipingel olevate tarbijate ühendamiseks. Siinjuures tuleb hoolikalt jälgida, et sinna ühendatud tarbijate kasutatav vool ei ületaks kontrolleri nimivoolu. Seda väljundit tuleks kasutada n-ö rumalate tarbijate, mis pinge langemisel välja ei lülitu,  ühendamiseks (lambid, jne). Sel juhul jälgib kontroller, et akut liigselt ei tühjendataks. Kui on vajadus suuremate voolude järgi ja üldjuhul see nii on, siis võetakse tarbitav vool otse akult ja pinget mitte kontrollivate tarbijate puhul lisatakse ahelasse relee, mida kontrollib kontrolleri väljundahel. 

Inverterid 

Kuigi võimalik on majapidamine üles ehitada kasutades ainult 12/24 V alalisvoolu, läheb enamikul juhtudel tarvis ka elektrivõrgust tuttavat 230 V vahelduvvoolu. Siin tulevad mängu DC-AC inverterid. Nende valik on tänapäeval väga lai, samuti nagu hinnavahemik - sajast mitmetuhande euroni.

Inverteri valikul tuleb jälgida mitmeid parameetreid:

1.    Akupanga pinge, võimalik on 12/24/36/48/60 V.

2.    Vajalik võimsus. 

Inverterite võimsused jäävad vahemikku 100 - 10 000 W. Suuremate võimsuste korral saab täiuslikumaid invertereid panna koos töötama nii, et üks neist on juht (master) ja ülejäänud alluvad (salve). Sellisel süsteemil on kaks võimalikku toimimist: esimesel juhul on alluvad inverterid puhkeasendis ja kui juhtinverteri võimsusest jääb väheks, siis käivitub järgmine. Teisel juhul töötavad inverterid kõik koos paralleelselt. Selleks ühendatakse inverterid juhtkaabliga. Nii on võimalik saada ka mitmekümnekilovatist võimsust. Kui sellist võimalust ei ole ette nähtud, ei tohi erinevate inverterite väljundeid suurema võimsuse saamiseks kokku ühendada, kuna nad ei suuda omavahel vahelduvvoolu faasi sünkroniseerida.

3.    Toodetava siinuspinge järgi jagunevad inverterid puhta siinusega (true sine wave) ja modifitseeritud siinusega (modified sine-wave) inverteriteks. Kui puhta siinusega inverterid sobivad kõikidele tarbijatele, siis modifitseeritud siinuse puhul ei pruugi osa elektrimootoreid (näiteks kaevudes kasutatavad veepumbad) käivituda. Samas on viimased odavamad.

4.    Muunduri ostmisel kodumaisest kaubandusvõrgust jälgib juba müüja, et inverteri  väljundpinge vastaks kohalikule võrgustandardile 230 VAC 50 Hz. Interneti kaudu ostes tasub seda hoolikalt jälgida. USA standard on 220/110 VAC 60 Hz. Enamikku seadmeid see sagedusevahe ei häiri või ongi nad arvestatud töötama 50-60 Hz sagedusvahemikus. Siiski tasub probleemide vältimiseks valida kohalikule standardile vastav muundur.

See kõik kehtib sõltumatute (Off-Grid) süsteemide korral. Võrguga ühendatud süsteemide korral on vajalik spetsiaalset võrguga kohanduv nn võrguinverter (Grid-Tie Inverter), mille väljundvoolu parameetrid kohanduvad ühendatud võrguga (standard EVS-EN 50438).

Võrguinverterid on ette nähtud tööks ilma akupangata ja toodavad elektrit otse võrku. Süsteem koosnebki paneelidest/tuulikust ja võrguinverterist (vt joonis 1). Elektri müümisel võrku lisatakse süsteemi veel kahesuunaline voolumõõtja, mis registreerib, kas toodetakse võrku või tarbitakse võrgust. Selliste inverterite võimsused algavad 1 kW ja lõpevad 1500 kW juures. Võrguinverterid toodavad elektrit ainult siis kui nad on võrku ühendatud. Võrguühenduse puudumisel ei saa nad sünkroniseerimiseimpulssi ja elektri tootmist ei toimu.

Kui võrguinverteriga ühendatud paneele/tuulikut soovitakse kasutada ka varutoitena (UBS), siis kasutatakse süsteemis juhtinverterit/laadijat  ja akupanka. Juhtinverteri ülesandeks on võrguinverterite juhtimine, akupanga laadimine, akudelt lisaenergia andmine kui paneelide/ tuuliku toodangust jääb väheks. Lisaks juhib juhtinverter ka generaatori tööd. Juhtinverterid on võimelised sünkroniseerima oma tööd välise võrguga (generaatoriga), kuid nad ei ole mõeldud tootma elektrit avalikku võrku. Seetõttu ei saa neid lugeda võrguinverteriteks. 

Laadjad

Kui süsteemi töökindluse huvides on lisatud sisepõlemismootoriga generaator, mida kasutatakse akude tühjenemise korral või siis kui sõltumatu süsteemi korral vajatakse suuremat võimsust kui inverter suudab anda, on kasulik generaatori töötamisel täis laadida ka akud. Lihtsamal juhul võib selleks kasutada tavalist kaheastmelist auto akulaadijat, mis on kindlasti kõige odavam variant. Seda siis, kui kasutatakse avatud plii-happeakusid, mis ei ole laadimisrežiimi suhtes väga tundlikud. Sel juhul tuleks laadimise käiku pidevalt jälgida, et ei toimuks ülelaadimist.

Akude eluea huvides on siiski kasulik kasutada  elektroonilist laadijat, mille laadimisvool ei sõltu laadija sisendpingest ja mis suudab valida akude laadimiseks kõige sobilikuma režiimi ning väldib ülelaadimist.

Laadija suurim laadimisvool peaks olema umbkaudu 10% akupanga mahutavusest. Seega nt  500 Ah mahutavusega akupanga laadimiseks sobib 50 A laadija. 

Paljudel juhtudel on energiasüsteemide jaoks mõeldud inverterid kokku ehitatud akulaadijatega nii, et kui toimub akude energia kasutamine, toimib seade DC-AC inverterina, generaatori käivitamisel aga hakkab sama seade toimima akulaadijana.