ECN-C--02-007
LEVENSDUUR VAN SOLAR HOME SYSTEMEN Opzet en uitvoering van laboratoriumtests E.J. Wiggelinkhuizen M.R. Vervaart
MEI 2002
Verantwoording Het in dit rapport beschreven werk is uitgevoerd in opdracht van Novem BV onder het contractnummer 146.610-202.1. Het corresponderende ECN projectnummer is 7.4552. De oorspronkelijke looptijd van het project is vanaf 1 januari 2000 t/m 31 mei 2001. Op aanvraag van ECN is door Novem uitstel van de einddatum verleend tot 15 februari 2002. Voor het uitvoeren van laboratoriumtesten zijn producten beschikbaar gesteld door diverse Nederlandse en buitenlandse leveranciers. Ook is dank aan hen verschuldigd voor het aanleveren van gegevens omtrent hun ervaringen met SHS in de praktijk.
Abstract Introduction In this work the reliability and lifetime of small domestic stand-alone PV-systems is studied. The main focus has been on premature failure of lead-acid batteries as this proves to be the dominant factor in the lifetime of these PV-systems. Literature study As only few results from monitoring studies are available, little is known about the long-term performance of domestic stand-alone PV-systems in the field. The observed battery degradation is mostly due to sulphation and in some cases also due to corrosion. However, the effect of different system configurations and operating conditions on the battery degradation is not clear. For example a number of tests have been conducted to study the effect of different voltage set points of battery chargers, but little information is available on the effect of different charging algorithms and system sizing. Test set-up Data from field monitoring and previous test results have been used to determine the principal factors that cause premature failure of lead-acid batteries. This information has been used to choose 6 different system configurations of solar home systems (SHS). These SHS and 2 solar lanterns have been tested in the laboratory during 6 months under simulated field conditions, see also the table below. In this table the typical differences between the configurations are marked with arrows. The daily load was chosen proportional to the nominal battery capacity, so that the daily depth of discharge (DDOD) of the different batteries is similar. For the simulation of the modules in the 6 SHS hourly irradiation and temperature data are applied (Madrid, South oriented, 30° tilted), combined with measured IV-curves. By means of skipping the night hours with zero load, an acceleration in time of approximately a factor 2 was reached for these 6 systems. In total 9 fluorescent lamps have been tested. Electronic loads compensated for the difference between the specified consumed power, following from the table below, and the power consumption of the lights. During each daily cycle the lamps were switched on and off once.
2
ECN-C--02-007
Table: Applied system configurations Ref. Module peak power Battery and type capacity and type
Charge regulator type and rating
Load (Ah/day)
SHS1
24 Wp
16 Ah,
2-point regulator
2.5
(simulated a-Si)
car-battery (SLI)
10 A
5 (last month)
24 Wp
70 Ah, deep-cycle,
2-point regulator
9
(simulated a-Si)
flat plates
10 A
5 (last month)
SHS3
24 Wp (simulated a-Si)
16 Ah, car-battery (SLI)
None
2.5 5 (last month)
SHS4
50 Wp
32 Ah,
2-point regulator
5
(simulated c-Si)
car-battery (SLI)
10 A
10 (last month)
50 Wp
70 Ah, deep-cycle,
10
(simulated c-Si)
flat plates
Constant voltage reg., PWM, 6A
SHS6
50 Wp (simulated c-Si)
62 Ah, car-battery (SLI)
2-point regulator 8A
10
SL1
12 Wp a-Si (winter)
3.1Ah, valveregulated (AGM)
Internal 2-point reg. 1.0 … 1.4
3.1Ah, valveregulated (AGM)
Internal 2-point reg. 1.0 … 1.8
SHS2
SHS5
6 Wp a-Si (from 17-7) SL2
12 Wp a-Si (winter) 6 Wp a-Si (from 17-7)
Note: The components that have identical specifications are also of the same type.
Performance of the batteries After a 6-month period of testing all car-batteries showed serious degradation. The average remaining capacity was only 58% of the nominal value. The number of daily cycles for the SHS lies between 208 and 247 and the average DDOD lies between 11% and 18%. The solar lanterns performed an average of 134 cycles with a DDOD of 33%. The number of cycles corresponds approximately to a practical use of 9 months for the SHS and 6 months for the solar lanterns. One of the car-batteries broke down before the end of the tests (after 208 cycles) and two others after the final capacity measurement. In all the cases the defect happened abruptly and was caused by a defect cell. In the period preceding the defect an increase in the gassing, and therefore a decrease in the charging efficiency, was visible. The battery that failed first was part of SHS 3. In this configuration a relatively small battery was directly connected to the simulated module without the use of a charge regulator. Although for safety reasons the charging voltage has been limited to 15 volts, the battery showed a fast degradation and excessive water loss. The two deep-cycle batteries did not show any significant degradation, although these have been operated at partial state of charge (SOC) for a most of the time. The average remaining capacity was 99% of the nominal value. Performance of the fluorescent lights At the end of the test period 4 out of 9 lamps showed blackening over a length of 10 to 15 mm. One of these 4 lamps broke down in the last week of the test due to a defect of the filament.
ECN-C--02-007
3
In order to determine the lifetime of the other lamps, especially the lamps that showed blackening, either the test period should be extended or the number of cold starts per day should be increased, thereby accelerating the degradation. System performance The test results showed that in most cases a lower battery capacity due to ageing did not directly lead to reduced energy output. The common definition for the end-of-life, which is reached when the remaining capacity is less than 80% of the nominal value, is therefore not a proper estimate for the practical lifetime. The various system configurations clearly showed a different utilisation of the energy from the module. In SHS with a relatively high module peak-power compared to the battery capacity and daily load more float charging takes place. This reduces the utilisation of the energy but reduces the battery degradation caused by sulphation. In SHS with a relatively high module peak-power and a classical 2-point regulator, this utilisation was less than in the SHS with a constant voltage regulator (SHS5). The main cause is that this 2-point regulator switches off the charging current prematurely because of a rapid increase of the battery voltage, which does not happen in the SHS where the constant voltage regulator is applied. Conclusions In a laboratory test of 6 months, which can be compared to 9 months of practical use, the degradation of car-batteries in SHS is assessed. All car-batteries showed serious degradation and three samples did break down within this period. Two deep-cycle batteries of the same type did not show signs of degradation. The utilisation of the energy from the module is increased when a charge regulator with a constant voltage algorithm, e.g. by means of PWM, is applied in stead of a classical 2-point regulator. The utilisation is higher and also it is less dependent upon the sizing.
4
ECN-C--02-007
INHOUD 1. 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6
INLEIDING Algemene beschrijving en toepassing van SHS Kwaliteitsborging Levensduur van SHS en losse componenten Voorspelling van de levensduur Doelstelling Werkwijze
9 9 9 9 10 10 10
2. 2.1 2.2
BESTAANDE NORMEN EN TESTEN Overzichten Relevante normen voor levensduur van accu's
11 11 11
3. 3.1 3.2 3.3
KRITISCHE FACTOREN VOOR LEVENSDUUR Opzet van literatuurstudie Samenvatting resultaten Resultaten enquête
12 12 12 14
4. 4.1 4.2 4.3 4.4
OPZET VAN DE LABORATORIUMTESTS Uitgangspunten Testprocedures Testfaciliteit Keuze van de te testen systemen
16 16 16 16 17
5. 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7
RESULTATEN UIT LABORATORIUMTESTS Overzicht verloop van de tests Initiële prestaties van de systemen Gedrag van de laadregelaars Veroudering van de accu's Veroudering van de lampen Prestaties van de systemen Evaluatie van de testprocedures
18 18 18 19 19 21 22 23
REFERENTIES
24
BIJLAGEN: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Resultaten literatuurstudie Enquête Verslag veldbezoeken Swaziland Testprocedures Testfaciliteit Specificaties geteste systemen Testresultaten
ECN-C--02-007
25 37 40 53 55 58 62
5
6
ECN-C--02-007
SAMENVATTING EN CONCLUSIES Door middel van laboratoriumtests van SHSn onder gesimuleerde praktijkcondities is het mogelijk om zwakke punten t.a.v. prestatie en levensduur in componenten en systemen te signaleren. Hierdoor kan worden voorkomen dat inferieure componenten of slecht gedimensioneerde systemen in het veld terechtkomen. Het voorspellen van de praktische levensduur of Mean Time Between Failures (MTBF) is niet mogelijk gebleken. De belangrijkste redenen hiervoor zijn dat de praktische omstandigheden, zoals het gebruikspatroon en onderhoudsregime, niet goed bekend zijn. Hierdoor is een gemeten of ingeschatte levensduur niet één op één te vertalen naar de praktijk. Verder is slechts een klein aantal systemen getest, zodat geen statistisch onderbouwde uitspraken kunnen worden gedaan over de levensduur. Gedurende 6 maanden zijn 6 solar home systemen (SHSn) en twee zonnelantaarns getest. In het geval van de SHSn zijn de PV-modules gesimuleerd d.m.v. voedingen waarbij realistische instralingspatronen en modulekarakteristieken zijn toegepast. Op deze wijze is de dagelijkse cyclus met bijna een factor twee versneld. De duur van de test bleek voldoende om veroudering van zowel accu's als lampen vast te kunnen stellen, zowel voor de SHSn als de zonnelantaarns. De accu's in de SHSn hebben tussen de 208 en 247 partiële laad-ontlaadcycli doorlopen, met een onladingsdiepte van tussen de 11 % en 18 %. Voor de accu's in de twee zonnelantaarns liggen deze aantallen rond de 134 cycli en 33 %. Dit correspondeert met een praktische gebruiksduur van naar schatting 9 maanden voor de SHSn en 6 maanden voor de lantaarns. Gedurende deze periode zijn drie accu's defect geraakt (38%) terwijl de restcapaciteit van vijf accu's (63 %) beneden 80 % van de nominale capaciteit was gedaald. Ook is één van de twee zonnelantaarns defect geraakt (50 %) evenals één van de zes laadregelaars (17 %). Van de SHSn bleken vier van de zes accu's, alle starteraccu's, sterk te zijn verouderd. De gemiddelde restcapaciteit was slechts 58 % van de nominale capaciteit. Eén accu raakte voortijdig defect (na 208 cycli) en twee accu's raakten na de laatste capaciteitsmeting defect. In alle gevallen betrof het een abrupt defect t.g.v. een defecte cel, waaraan een periode met afnemende laadefficiëntie en toenemende gasproductie vooraf ging. De tussentijds defect geraakte accu was als enige direct op het gesimuleerde zonnepaneel aangesloten, dus zonder laadregelaar. Hoewel uit veiligheidsoogpunt de laadspanning begrensd was, bleek dit toch een configuratie met een korte levensduur. Twee deep-cycle accu's, van hetzelfde type, lieten geen merkbare veroudering zien, hoewel deze net als de andere accu's gedurende langere tijd in gedeeltelijk geladen toestand waren. De gemiddelde restcapaciteit bedroeg 99% van de nominale waarde. Een verlaging van de restcapaciteit van de accu leidt niet automatisch tot een vermindering van de prestaties van het systeem. Bij intensief gebruik en op langere termijn is dit uiteraard wel het geval. Het bereiken van de 80 % restcapaciteit kan daarom niet gelijkgesteld worden aan het bereiken van de praktische levensduur van de accu in een SHS of zonnelantaarn. Er zijn negen fluorescentielampen getest, per laad-ontlaad cyclus de lampen eenmaal aan- en uitgeschakeld zijn. Vier van deze lampen lieten duidelijke zwarting zien en raakte één van deze vier defect. Omdat de levensduur van lampen niet eenduidig kan worden afgeleid uit de mate van zwarting is het aan te raden om de veroudering te versnellen dan wel de testperiode te verlengen. Deze versnelling kan eenvoudig worden gerealiseerd door de lamp een aantal malen in de dagelijkse cyclus uit te schakelen en na een afkoelingstijd weer aan te schakelen.
ECN-C--02-007
7
Bij systemen met een groot piekvermogen van de PV-module t.o.v. de nominale accucapaciteit en een klassieke laadregelaar bleek de benutting van de geleverde energie lager te zijn dan bij systemen met een relatief laag piekvermogen. De belangrijkste oorzaak hiervan is dat de laadregelaar de laadstroom voortijdig afschakelt dan wel reduceert door de snelle toename van de laadspanning. Bij systemen met een laadregelaar die op een constante laadspanning regelt, bijvoorbeeld m.b.v. pulsbreedte modulatie (PWM), is de benuttingsgraad van de geleverde energie beter.
8
ECN-C--02-007
1.
INLEIDING
1.1
Algemene beschrijving en toepassing van SHS
Wereldwijd beschikken ruim 1 miljoen huishoudens over een klein zonne-energie systeem voor o.m. verlichting, radio en TV. Dit zijn voor het merendeel z.g. Solar Home Systemen (SHS) die zijn geïnstalleerd in ontwikkelingslanden. Deze SHS bestaan uit een zonnepaneel van 20 à 50 watt-piek (Wp) van waaruit een 12 volts loodzwavelzuur accu wordt geladen. De elektrische koppeling van de accu aan zowel het zonnepaneel als de verbruikers loopt via de laadregelaar. De meeste laadregelaars geven tevens een indicatie of de module energie levert en of de accu leeg is. Sommige laadregelaars hebben ook de voorziening om centraal gebruikers aan- en af te schakelen en om gebruikers aan te sluiten die op een lagere spanning werken (veelal radio's). Naast een SHS met losse componenten bestaan er ook geïntegreerde verlichtingssystemen, z.g. zonnelantaarns. Deze lantaarns zijn uit hetzelfde type componenten opgebouwd, maar deze componenten zijn dan kleiner uitgevoerd en geïntegreerd in de behuizing. De genoemde systemen kunnen in veel gevallen in de elektriciteitsbehoefte van een huishouden voorzien. In diverse onderzoeken is echter aangetoond dat een aanzienlijk deel van de geïnstalleerde systemen niet naar behoren blijkt te functioneren [1]. Dit is een serieus knelpunt in de groei naar een grootschalige markt voor deze systemen. De gevonden technische problemen worden onder meer veroorzaakt door gebrekkig onderhoud, slechte kwaliteit van de geleverde componenten of van de installatie en onvoldoende kennis bij de gebruiker over de werking van het systeem.
1.2
Kwaliteitsborging
Eén van de noodzakelijke voorwaarden voor een succesvolle vergroting van de markt voor SHS en zonnelantaarns is het implementeren van een systeem voor kwaliteitsborging. Hiermee kan een minimaal kwaliteitsniveau worden gegarandeerd aan b.v. de consumenten, financiers, enz. Door inzicht in de kwaliteit is een betere inschatting van risico's mogelijk en kan er een meer gerichte productontwikkeling plaatsvinden. In de afgelopen jaren zijn er verschillende standaarden opgesteld en toegepast voor SHS [2,3]. Deze betreffen m.n. veiligheid, performance en EMC van de afzonderlijke componenten en de veiligheid van de installatie. Recentelijk is ook een draft IEC standaard ingediend voor het testen van de prestatie van een compleet SHS [4]. Slechts in enkele standaarden is de levensduur van afzonderlijke componenten gespecificeerd en zijn tests omschreven, b.v. [5-7]. Een acceptabele levensduur van de componenten is echter een belangrijke voorwaarde voor een betrouwbare werking van SHSn en daarmee het succes van marktintroductie.
1.3
Levensduur van SHS en losse componenten
De levensduur van de verschillende componenten verschillen sterk alsook de consequenties van optredende defecten. Van lampen en accu's is bekend dat ze vele malen sneller defect raken dan modules. Een defecte lamp is eenvoudig op te merken en te vervangen tegen lage kosten, mits buisjes eenvoudig te verkrijgen zijn. Een defecte laadregelaar daarentegen is door de gebruiker veel moeilijker te onderkennen en heeft bovendien als gevolg dat de accu snel defect raakt.
ECN-C--02-007
9
Hieruit wordt duidelijk dat levensduur van een compleet systeem o.m. afhangt van de systeemconfiguratie, de wijze van gebruik en de kennis en middelen van de gebruiker en de installateur. Het einde van de levensduur van een component is meer eenduidig vast te stellen, nl. wanneer de minimaal vereiste prestatie niet meer wordt gehaald. Deze prestatie kan voor een accu worden ingevuld als een bepaalde minimale restcapaciteit maar ook als een minimale waarde van de autonomie. De levensduur van een accu kan zowel worden gespecificeerd in een aantal jaren (kalendarische levensduur) als het aantal volledige cycli (cyclische levensduur), waarbij de relevantie wordt bepaald door de toepassing. Voor een PV-module kan b.v. een ondergrens aan het vermogen onder Standaard Test Condities (STC) worden gesteld en voor een laadregelaar kan de minimum prestatie b.v. zijn het correct functioneren conform de specificaties.
1.4
Voorspelling van de levensduur
De levensduur van SHS componenten in de praktische toepassing is niet eenvoudig vooraf te bepalen uit gemeten specificaties van deze losse componenten. De reden is dat de invloed van verschillende factoren zoals dimensionering, afstemming tussen accu en laadregelaar, installatie, wijze van gebruik, onderhoud en klimaat, niet worden meegenomen. Om toch een uitspraak te kunnen doen over de levensduur van SHS componenten d.m.v. tests moet eerst inzicht worden verkregen in de invloed van diverse factoren op de praktische levensduur. Daarna moeten testprocedures worden geformuleerd die zich toespitsen op de factoren die bepalend zijn voor de levensduur.
1.5
Doelstelling
Doel van het beschreven project is om dergelijke testprocedures te formuleren en te evalueren. Verder wordt getracht om de levensduur van een aantal SHS te bepalen, alsmede de levensduurbepalende factoren, op basis van laboratoriumtesten volgens deze procedures. Omdat algemeen bekend is dat de accu de zwakste schakel is in de betrouwbaarheid van een SHS en bovendien ook een relatief dure component is, beperkt het onderzoek zich tot de levensduur van de accu in een SHS. Dit houdt echter niet in dat andere componenten niet worden beschouwd. Zaken als de systeemdimensionering, het algoritme van de laadregelaar, enz. zijn namelijk van grote invloed op zowel de prestaties als de levensduur van de accu. Hoewel ook fluorescentielampen vaak snel defect raken is dit geen onderwerp van de literatuurstudie, omdat deze defecten meestal door de gebruiker kunnen worden opgelost. Ook is de oorzaak meestal eenvoudigweg de slechte kwaliteit van het betreffende product. De PV-module heeft in de regel een veel langere levensduur dan de overige componenten en wordt om deze reden niet meegenomen in het onderzoek. Wel is in veel gevallen de energieopbrengst lager dan vooraf ingeschat als gevolg van beschaduwing, vervuiling of degradatie. Naast de verminderde prestatie leidt dit vaak ook tot snelle veroudering van de accu.
1.6
Werkwijze
De gevolgde werkwijze bestaat achtereenvolgens uit het: 1. inventariseren van bestaande normen en testen; 2. identificeren van kritische factoren voor de levensduur; 3. formuleren van concept testprocedures voor levensduurtesten; 4. uitvoeren van levensduurtesten; 5. aanpassen van testprocedures op basis van de testervaringen; 6. analyseren van de testresultaten door deze te vergelijken met monitoring gegevens.
10
ECN-C--02-007
2.
BESTAANDE NORMEN EN TESTEN
2.1
Overzichten
De volgende documenten geven een uitgebreid en duidelijk overzicht van bestaande normen voor PV-systemen: "Survey of national and international standards, guidelines and QA procedures for standalone PV systems", ed. 1, IEA PVPV task III, October 2000 "Quality standards for solar home systems and rural health power supply, Photovoltaic systems in developing countries", GTZ, February 2000 Hieraan zijn de volgende draft normen toe te voegen: IEC 61427 (1999-11): "Secondary cells and batteries for solar photovoltaic energy systems General requirements and methods of test" IEC 61427 Ed. 2.0 E 1CD: Secondary cells and batteries for solar photovoltaic energy systems - General requirements and methods of test IEC 82/243/CD: "Photovoltaic (PV) stand-alone systems- Design qualification and type approval", (2000-08) IEC 82/257/CD: "Balance-of-system components - Design qualification and type approval", (2001-05)
2.2
Relevante normen voor levensduur van accu's
Naast safety tests en functionele tests van b.v. laadregelaars zijn de volgende duurtests belangrijk voor het beoordelen van de praktische levensduur: Test
Referenties
Recovery test
NF-C 58-510, ch. 10, Cenelec draft 1.2, 1998, doc. K, 10.5
Cyclic endurance test
NF-C 58-510, ch. 9, IEC 60896-1 Am1 ch. 15 en IEC 61896-2 ch. 5.3, IEC 61427, ch. 15
Overcharge test
NF-C 58-510, ch. 11
System performance test
IEC 82/243/CD, ch. 13 - 17
ECN-C--02-007
11
3.
KRITISCHE FACTOREN VOOR LEVENSDUUR
Het onderzoek richt in eerste instantie op het identificeren van de kritische factoren voor de levensduur van SHS in de praktijk. Dit betreft zaken als het type component dat is toegepast, het systeemontwerp, gebruik en onderhoud. Om deze factoren te identificeren is een korte literatuurstudie uitgevoerd. De opzet en samengevatte resultaten staan beschreven in hoofdstuk 3.1 en 3.2 en de uitgebreide resultaten staan beschreven in bijlage 1. De gevonden documenten zijn in drie categorieën ingedeeld. Verschillende documenten passen echter onder meerdere categorieën. Ook is er een beknopte enquête verspreid onder producenten en leveranciers. De samengevatte resultaten staan beschreven in hoofdstuk 3.3 en een voorbeeld van het enquête formulier is afgedrukt in bijlage 2. Ten derde zijn er veldbezoeken gebracht aan meerdere huishoudens met een SHS en aan enkele autonome PV-systemen die zijn geïnstalleerd in publieke voorzieningen in zuidelijk Afrika. Het verslag is afgedrukt in bijlage 3. Om de invloed van de gevonden kritische factoren te kunnen kwantificeren is een laboratoriumtest uitgevoerd. In deze test zijn meerdere complete systemen parallel getest, waarbij gevonden kritische factoren, zoals b.v. de accucapaciteit en het gebruikspatroon, onderling verschillen. De opzet en testresultaten zijn beschreven in de hoofdstukken 4 en 5.
3.1
Opzet van literatuurstudie
De uitgevoerde literatuurstudie was enkel gericht op de levensduur van in SHS toegepaste loodzwavelzuur accu's. Deze keuze is gemaakt omdat bekend is dat in de meeste gevallen de accu als eerste defect raakt. Dit defect heeft als gevolg dat het gehele SHS niet meer werkt totdat een vervangende accu is geïnstalleerd, wat hoge kosten met zich meebrengt. De levensduur van loodzwavelzuur accu's wordt bepaald door vele factoren, waarvan de meeste algemeen bekend zijn. Over in hoeverre een bepaalde factor bijdraagt tot het verkorten van de levensduur in autonome PV-systemen is echter weinig bekend. Dit geldt ook voor gegevens over in de praktijk behaalde levensduur en de daarbij opgetreden gebruikscondities. Dit literatuuronderzoek concentreert zich op de onderstaande categorieën van informatie: - prestaties van systemen in de praktijk en de voorkomende gebruiksomstandigheden; - procedures voor en resultaten uit laboratoriumtests die zich op deze aspecten richten; - theorieën en modellen voor analyseren of voorspellen van de systeemprestaties.
3.2
Samenvatting resultaten
In het onderstaande beknopte overzicht is voor de verschillende onderzoeksvragen aangegeven wat er is gevonden aan bestaand onderzoek en welke antwoorden daaruit bekend zijn geworden. 1) 2)
Welke factoren zijn verantwoordelijk voor de levensduur van accu’s in SHSn? Hoe en in welke mate dragen deze factoren bij aan de veroudering c.q. het defect raken van accu's in SHSn?
12
ECN-C--02-007
Factor
Toelichting
Technologie
(zie vraag 3 boven aan p.12)
Tijdverloop ladingstoestand (SOC)
Onvoldoende vaak en onvolledig doorladen leidt elektrolyt stratificatie en veroudering t.g.v. sulfatering. Sulfatering versnelt ook het verouderingsmechanisme van corrosie.
Ontladingsdiepte
De cyclische levensduur neemt evenredig af met ontladingsdiepte in ideale omstandigheden, maar in praktijk treedt vaak snellere veroudering op t.g.v. onvoldoende ver en vaak en onvolledig opladen. Bij zeer diepe ontlading (b.v. wanneer de laadregelaar wordt omzeild) kan ook door inversie van een cel zeer snelle veroudering optreden.
Laadregelaar setpoints (ontladen)
Low Voltage Disconnect (LVD) setpoint omstreeks 11,4 V is een veilige waarde, waarbij stroomcompensatie aan te bevelen is om ook bij hogere ontlaadstromen de gewenste ontladingsdiepte te halen. Een oplopend LVD setpoint (naarmate de accu langer geleden volledig is opgeladen) gaat de oorzaak van sulfatering tegen (geen praktijkdata). Zie verder onder "Ontladingsdiepte"
Laadregelaar setpoints (laden)
klassieke regelaars: Te hoog High Voltage Disconnect (HVD) setpoint leidt tot veroudering door corrosie van het positieve grid of overmatig waterverbruik en loslaten van actief materiaal (plate buckling) t.g.v. overmatig gassen (te hoge laadspanning). Te laag High Voltage Reconnect (HVR) leidt tot onvoldoende ver opladen van de accu met als gevolg stratificatie en sulfatering. Constant-voltage algoritme: De regeling van de laadspanning (m.n. float-spanning) komt zeer nauw i.v.m. enerzijds voldoende doorladen en anderzijds voorkomen van overmatig gassen en corrosie. Bij juist ingestelde setpoints kan met dit algoritme de maximale laadspanning lager zijn terwijl het de toegevoerde lading gelijk blijft of zelfs groter is dan bij klassieke regelingen. Alle genoemde setpoints zijn afhankelijk van zowel accutechnologie als temperatuur (voor data: zie verwijzingen).
Grootte van stroom in/uit
Laden met lage stromen leidt m.n. bij starteraccu's tot minder efficiënt laden en tot minder effectief gassen. Ook vindt door het wisselende aanbod van de zon het gassen vaak niet langdurig genoeg plaats
Onderhoud
Defecte cellen t.g.v. laag elektrolytniveau, overgangsweerstanden door corrosie van terminals
Temperatuur
Snelheid van de verouderingsmechanismen verdubbelt per 10 °C en 8 °C temperatuurverhoging voor resp. open en gesloten accu's. Onjuiste of geen temperatuurcorrectie van de laadspanning leidt tot onnodig snelle veroudering t.g.v. onjuiste setpoints.
ECN-C--02-007
13
3)
Wat is de geschiktheid van diverse technologieën voor loodzwavelzuuraccu’s en typen laadregelaars voor SHSn? Hierbij zijn de volgende documenten gevonden (bijlage 3): 2, 6, 7, 31, 42, 45, 46 en 47.
4)
Welke praktijkervaringen zijn er beschikbaar over levensduur van SHSn? Zie documenten: 1, 10, 14, 17, 19, 20, 22 en 47 In deze artikelen worden verschillende oorzaken aangegeven voor de waargenomen veroudering van accu's die op sommige punten strijdig lijken. Zo geeft document 19 als oorzaak onderdimensionering en te diep ontladen aan, terwijl document 22 de oorzaak ziet in overladen van de accu's. Beide oorzaken kunnen, afhankelijk van de systeemconfiguratie en de gebruikers, belangrijk zijn.
5)
Welke laboratoriumtests zijn uitgevoerd gericht op levensduur van SHSn? Zie documenten: 3, 11, 25, 28, 29, 30, 31, 32, 35, 36, 39, 51, 60, 61
6)
Welke modellen voor optimalisering van SHSn zijn bekend die rekening houden met levensduur van de accu? Zie documenten: 68, 70, 52, 56, 73 (Systeem modellen) Zie documenten: 41, 54, 55, 56, 57, 74, 75, 76 (Accu modellen)
3.3
Resultaten enquête
Ondanks de kleine aantal ontvangen enquêtes is wel een globaal te geven van de typen systemen die worden aangeboden en de praktijkervaringen hiermee. In de enquêtes zijn drie typen systemen beschreven: Benaming Module Accu SHS groot 50 Wp, c-Si ca. 100 Ah SHS klein Solar lantern
12 tot 25 Wp, c-Si of a-Si 4 tot 6 Wp, a-Si
ca. 70 Ah ca.5 Ah VRLA
Belasting 3 à 4 fluorescentielampen (CFL of TL) plus radio en TV 1 à 2 fluorescentielampen plus radio ofwel B/W TV 1 CFL plus evt. radio
De SHS zijn veelal geleverd met een starteraccu dan wel een solar accu, terwijl de zonnelantaarn geleverd wordt met een gesloten, meestal AGM-type, accu. In twee van de drie gevallen zijn complete, door de leverancier samengestelde, systemen geleverd. Deze zijn door een professionele installateur of een locale technicus geïnstalleerd. Voor het onderhoudsinterval is in één geval 2 à 3 maal per jaar aangegeven, uitgevoerd door de gebruiker en/of een technicus. In de andere twee gevallen is het onderhoudsinterval 1 à 2 maal per jaar en wordt dit uitgevoerd door de gebruiker. Voor de aard van het onderhoud is aangegeven: schoonmaken van de module(s), vervangen van defecte lampen en controleren en bijvullen elektrolyt. Als belangrijkste defecten werden genoemd: - het snel defect raken van lampen t.g.v. slechte productkwaliteit; - het defect raken van zekeringen en de accu t.g.v. verkeerd gebruik, zoals overbelasting en kortsluiting. Ook tijdelijk gebruik van accu’s in andere toepassingen wordt genoemd; - het snel defect raken van de laadregelaar en de accu (voor specifiek type zonnelantaarn)*; - breuk van de module (voor specifiek type a-Si module).
14
ECN-C--02-007
Eén van de respondenten leverde aantallen defecten op basis van 70 geleverde SHSn en 200 zonnelantaarns: lamp: > 10 % (enkel SHS) laadregelaar: > 7 % (enkel zonnelantaarn) module: 6 % (breuk) accu: > 5% bedrading, zekeringen: 0 % Als belangrijkste verbeterpunten worden genoemd: - het verbeteren van de kwaliteit van de geleverde producten door samen te werken met betrouwbare leveranciers; - training van de gebruikers. * Als oorzaak van defecte accu’s werd corrosie aangegeven, maar dit kan b.v. ook lekkage van het elektrolyt zijn geweest.
ECN-C--02-007
15
4.
OPZET VAN DE LABORATORIUMTESTS
4.1
Uitgangspunten
De relevantie van de testresultaten voor de prestaties, m.n. de levensduur, van SHSn in de praktijk is het belangrijkste uitgangspunt. Essentiële voorwaarden hiervoor zijn dat wordt uitgegaan van realistische systeemconfiguraties en realistische gebruikscondities. Dit laatste moet ook blijken uit de metingresultaten. De test is verder bedoeld om inzicht te verkrijgen in de invloed van diverse ontwerp- en gebruiksaspecten op deze levensduur. Om hierover uitspraken te kunnen doen moet de testperiode voldoende lang zijn om enige veroudering waar te nemen. Voor de betrouwbaarheid van de meetresultaten moeten verder meerdere systemen parallel bemeten worden. Hiertoe zijn zes SHSn en twee zonnelantaarns parallel getest waarbij onderling de dimensionering, het gebruikspatroon, de accutechnologie en het type laadregelaar verschillen. Deze verschillen zijn zodanig gekozen dat elk systeem steeds vergeleken kan worden met één of twee andere. Onderling verschilt dan slechts één aspect, b.v. de grootte van de accu. Het aantal geteste systemen is echter te klein om statistisch onderbouwde uitspraken te doen over het verband tussen b.v. dimensionering en de praktische levensduur van de accu. Vooral de variaties in de specificaties van de accu’s t.g.v. toleranties in de productie kunnen de meetresultaten verstoren. Daarnaast zijn veel zaken niet bekend, zoals als de tijdsduur en condities waaronder accu’s worden opgeslagen voordat ze worden geïnstalleerd, het onderhoudsregime, enz. Om de testperiode te bekorten en toch het effect van seizoensinvloeden mee te nemen zijn achtereenvolgens enkele zomer- en wintermaanden doorlopen. Daarnaast is bij de SHSn de dagelijkse cyclus ingekort met ongeveer de helft door na het ontladen van de accu ’s avonds direct het opladen te starten. Dit is niet uitgevoerd bij de zonnelantaarns, omdat deze via het bijgeleverde zonnepaneel zijn opgeladen. De winst in het aantal doorlopen cycli in kortere tijd gaat waarschijnlijk wel ten koste van een vermindering van stratificatie en sulfatering. Dit omdat deze verouderingseffecten m.n. optreden tijdens langere perioden bij lage SOC.
4.2
Testprocedures
De gevolgde testprocedures staan beschreven in bijlage 3 De belastingspatronen zijn aangepast aan de nominale accucapaciteit zodat de dagelijkse ontladingsdiepte DDoD onderling gelijk is. Het verschil in degradatie kan dan eenvoudiger in verband worden gebracht met de wijze waarop de accu’s zijn herladen, door keuze van verschillende laadalgoritmen en dimensionering modulevermogen t.o.v. accucapaciteit, en de accutechnologie. Echter gedurende de laatste maand van de test is de belasting genormeerd op het modulevermogen om verschillen en de autonomie van de systemen met daarin verouderde accu's te analyseren.
4.3
Testfaciliteit
Een beschrijving van de geteste systemen is te vinden in bijlage 4.
16
ECN-C--02-007
4.4
Keuze van de te testen systemen
Een beschrijving van de gekozen systeemconfiguraties en de productspecificaties is te vinden in bijlage 5. De volgende onderlinge vergelijkingen kunnen worden gemaakt: - SHS1 ↔ SHS3: klassieke laadregelaar ↔ geen laadregelaar - SHS1 ↔ SHS2: kleine accucapaciteit ↔ grote accucapaciteit Starteraccu ↔ deep-cycle accu - SHS 2 ↔ SHS 5: kleine module ↔ grote module - SHS 5 ↔ SHS 6: PWM laadregelaar ↔ klassieke laadregelaar Starteraccu ↔ deep-cycle accu - Lantaarn 1 ↔ 2: verschillend gebruikspatroon
ECN-C--02-007
17
5.
RESULTATEN UIT LABORATORIUMTESTS
5.1
Overzicht verloop van de tests
De periode waarin de tests zijn uitgevoerd is 5 april 2001 t/m 22 oktober 2001. De tests startten met een volledige ontlading om de initiële ladingstoestand te bepalen. Daarna is een break-in test uitgevoerd, bestaande uit drie laad-ontlaadcycli om de accu’s te conditioneren. Na deze break-in test is een capaciteitsmeting uitgevoerd. Vervolgens is een duurtest gestart waarin zes SHSn en twee zonnelantaarns onder gesimuleerde praktijkomstandigheden zijn bemeten. Naast de veroudering van de accu’s is gekeken naar het gedrag van de laadregelaars en de veroudering van de lampen door visuele inspectie. In het geval van de zonnelantaarns is ook de gemeten opbrengst van de modules onderzocht. De testresultaten staan beschreven in bijlage 7.
5.2
Initiële prestaties van de systemen
De prestaties van de twee nog niet gedegradeerde single-junction amorf-silicium modules, behorend bij de zonnelantaarns, zijn gemeten door ECN onder Standaard Test Condities (STC). De gemeten vermogens zijn resp. 13 % en 9 % lager dan het nominale vermogen van 6 Wp. Tabel 5.1: Gemeten prestatie van a-Si modules Gemeten grootheid Module 1 (Wp) 5,23 PSTC (V) 22,8 VOC (A) 0,36 ISC (V) 17,5 VMPP (A) 0,30 IMPP
Module 2 5,44 23,3 0,39 17,9 0,30
Tabel 5.2 geeft een overzicht van de capaciteit van de accu’s, gemeten direct na ontvangst. De relatief lage waarden voor de capaciteit van de accu’s in SHS1 en SHS6, resp. 88% en 90 %, zijn niet abnormaal, omdat de capaciteit kan toenemen na enkele volledige laad-ontlaadcycli, waarin het actief materiaal wordt geformeerd. Door een programmeerfout zijn in deze eerste drie laadcycli de accu’s niet volledig opgeladen. Voor de daaropvolgende capaciteitsmeting zijn de accu’s echter wel volledig opgeladen. Toch bleek de gemeten capaciteit van alle accu’s duidelijk te zijn afgenomen, voor twee samples zelfs onder 80%. Omdat de tijdsduur tussen de twee metingen slechts 6 dagen bedraagt zal het effect van elektrolyt-stratificatie op de capaciteit gering zijn. Waarschijnlijke oorzaak is de niet optimale formatie van het actief materiaal door de lage laadstroom (C/10) en het niet volledig doorladen. Tabel 5.2: Initiële capaciteitsmeting. SHS1 Volgnummer Starter Type accu
SHS2 Deepcycle
SHS3 Starter
SHS4 Starter
SHS5 Deepcycle
SHS6 Starter
Nominale capaciteit C10 (Ah)
16
70
16
32
70
62
GemetenC10 /Cnominaal
(%)
88
112
92
99
103
90
Idem na 3 cycli
(%)
79
94
85
89
92
67
18
ECN-C--02-007
5.3
Gedrag van de laadregelaars
Het tijdverloop van de accuspanning en –stroom tijdens het laden geeft een indruk van het gedrag van de laadregelaars in de verschillende configuraties, zie bijlage 7 figuur 7.3 t/m 7.6. De waarde HVD is de accuspanning direct voor het afschakelen van de accu en HVR de accuspanning direct voor het aanschakelen ervan. Bij deze grafieken is het volgende op te merken: - De overgang van boost- naar float-charging is zichtbaar in fig. 7.3 (op tijdstip 12:57) - Bij vergelijking van SHS 2 en SHS 4 (resp. fig. 7.3 en 7.4) is zichtbaar dat de HVD waarden voor SHS 4 veel hoger zijn dan bij SHS 2. Dit wordt veroorzaakt door de hogere modulestroom van SHS4 in combinatie met de kleinere accucapaciteit. Hierdoor stijgt de accuspanning van SHS4 sneller tijdens het laden. Daarbij heeft de laadregelaar in SHS1, 2, 4 en SL1 en 2 de eigenschap dat de laadstroom hoogstens eenmaal per minuut wordt aan- of afgeschakeld. Daardoor is een grote spreiding van de HVD en HVR waarden zichtbaar. - De laadregelaar van SHS5, die m.b.v. PWM regelt naar een constante laadspanning heeft een duidelijk hogere gemiddelde laadspanning terwijl de maximale laadspanning lager is dan bij de overige regelaars. Dit heeft als voordeel dat de laadsnelheid groter is terwijl de hoeveelheid geproduceerd gas niet evenredig toeneemt of zelfs lager is. Verder is bij deze regeling de laadspanning veel minder afhankelijk van de dimensionering (de verhouding tussen het modulevermogen en de accucapaciteit). De ontlaadspanning waarop de belasting wordt afgeschakeld (LVD) is voor de verschillende laadregelaars bepaald uit de continu gemeten ontlaadstroom en accuspanning, zie tabel 5.3. De waarden zijn gemiddelden uit 3 tot 7 metingen per systeem op momenten waarop de belasting werd afgeschakeld. Tabel 5.3: Gemeten LVD setpoints SHS1 SHS2
SHS3
SHS4
SHS5
SHS6
SL1
SL2
LVD (V)
n.v.t.
11,57
11,71
11,21
11,44
11,16
11,35
11,54
Gedurende de test is de laadregelaar van SHS 6 defect geraakt en per 26-4 vervangen door eenzelfde type (echter met een 8A stroombereik i.p.v. 5 A). Het defect is waargenomen doordat de modulestroom bij het bereiken van een hoge accuspanning niet werd afgeschakeld. Hoewel de elektronica is ingegoten is een kleine beschadiging waar te nemen, die waarschijnlijk verband houdt met oververhitting t.g.v. dit defect. Het defect is vermoedelijk ontstaan tijdens het aansluiten van de regelaar na de break-in test op 11-4. De regelaar heeft aparte aansluitingen voor sense-lijnen naar de accu die zijn aangesloten voordat de stroomvoerende lijnen werden aangesloten. Mogelijk is de volgorde van aansluiten kritisch, b.v. dat eerst de stroomvoerende lijnen naar de accu moeten worden aangesloten en pas daarna de sense-lijnen. Hiervan is echter geen melding gemaakt in de handleiding of op de behuizing. Verder is de laadregelaar op eenvoudige wijze hiertegen te beveiligen.
5.4
Veroudering van de accu's
Het aantal doorlopen cycli over de gehele testperiode en de gemiddelde ontladingsdiepte zijn vermeld in tabel 5.4.
ECN-C--02-007
19
Tabel 5.4: Aantal doorlopen cycli SHS1 1 SHS2
SHS3 2 SHS4
SHS5
SHS6 1 SL1
SL2
# partiële cycli
232
231
208
236
238
247
137
130
# nominale cycli
42
25
34
42
31
33
41
47
DoD gemiddeld
18%
11%
17%
18%
13%
13%
30%
36%
1
: Accu's SHS3 en SHS 6 defect d.d. 22-10-2001 2 : Accu SHS3 defect d.d. 15-08-2001
De DoD percentages van de SHSn verschillen onderling t.g.v. een aangebrachte wijziging van de dagelijkse belastingspatronen per 15-08-2001. De belasting in het eerste deel van de testperiode was zodanig gekozen dat de gemiddelde DoD per systeem rond de 15 % lag. Na deze datum is de belasting zodanig gekozen dat deze ongeveer overeenkomt met de opgewekte energie bij een dagelijkse instraling van 4 kWh/m². Dit is gekozen om gedurende de laatste maand de effecten van verschillende waarden van de autonomie te kunnen waarnemen. De verouderingstoestand van de accu's in de SHSn is bepaald door het uitvoeren van capaciteitsmetingen van de losse accu's. De resultaten zijn afgebeeld in bijlage 7, figuur 7.1. Ook voor de zonnelantaarns zijn meerdere ontladingsmetingen uitgevoerd. Hierbij zijn de accu's niet los getest maar als onderdel van de lantaarn, waardoor de minimale ontlaadspanning hoger ligt (zie tabel 5.3). De resultaten staan vermeld in figuur 7.2. Figuur 7.7 geeft een beeld van het verloop van de cycli d.m.v. een dagelijkse ladingsbalans. Hierin is met een laadefficiëntie gerekend die is ingeschat op basis van twee ijkpunten. Dit zijn de momenten waarop de accu's volledig ontladen waren. Deze grafiek geeft duidelijk geen nauwkeurig verloop weer van de ladingstoestand over deze lange periode, maar enkel een grove schatting. Uit deze grafiek is het volgende af te leiden: - de accu's blijven gedurende lange periodes in een gedeeltelijk geladen toestand; - de efficiëntie van accu in SHS3, en aan het eind van de testperiode ook die van accu in SHS1, neemt sterk af t.g.v. defecte cellen. Dit is waargenomen door overmatige gasproductie; - bij de relatief kleine accu's in SHS 1, 3 en 4 is de laadefficiëntie lager dan bij de overige vanwege de hogere laadspanningen die voorkomen door de relatief hoge laadstromen en toepassing van klassieke laadregelaars. Tabel 5.5: Gemeten restcapaciteiten C10 genormaliseerd op de nominale capaciteit. restcapaciteit (%) SHS1 SHS3 1 SHS4 SHS2 SHS5 SHS6 SL1
SL2
04-07-2001
96%
108%
21-09-2001
65%
geen data
25-10-2001
46%
106%
62%
76%
91%
46%
1
: Starteraccu (32 Ah), geïnstalleerd op 15-08-2001, aantal partiële cycli = 48, aantal nominale cycli = 10.
Uit deze gemeten restcapaciteiten kunnen de volgende conclusies worden getrokken: - De beide deep-cycle accu's (SHS 2 en 5) zijn niet merkbaar verouderd, i.t.t. de overige (starter)accu's - De restcapaciteit van de deep-cycle accu in SHS2 is gedurende de laatste maand toegenomen. Dit is mogelijk het gevolg van de lage dagelijkse belasting gedurende deze periode. Bij een langdurig opladen bij hoge ladingstoestand kunnen de stratificatie en veroudering door sulfatering deels worden verminderd. - De restcapaciteiten van de starteraccu's zijn, na gemiddeld 38 nominale cycli te hebben doorlopen, alle lager dan 80 % van de nominale capaciteit, de algemeen gangbare grenswaarde voor het einde van de levensduur.
20
ECN-C--02-007
-
De accu in SHS 3 is zeer snel verouderd en defect geraakt. De accu in SHS1, waarin wel een laadregelaar is toegepast, presteert duidelijk beter. Uit de restcapaciteit van beide zonnelantaarns, gemeten op 04-07-2001, is geen veroudering waarneembaar. Vanwege het afschakelen van de laadregelaar (LVD) wordt de accu maar voor een gedeelte (typisch 80 %) ontladen, daarom wijzen de gemeten 71 % en 80 % op een goede restcapaciteit van de accu's. De gemeten restcapaciteit van SL1 op 21-09 is duidelijk lager. Dit houdt verband met de hogere dagelijkse belasting van de lantaarns in de tussenliggende periode, zie figuur 7.7. Bij SL2 is geen LVD opgetreden in de periode na 4-7 geen LVD is opgetreden, waardoor geen gemeten restcapaciteit beschikbaar is. Wel is op te maken dat deze accu niet sterk verouderd is. De onttrokken lading in de periode 19-9 … 20-9 is 1,6 Ah en de uiteindelijke ladingstoestand is geschat op 50% op basis van de gestabiliseerde onbelaste eindspanning van 12,3 V. De geschatte restcapaciteit (50 % * 3,1 Ah + 1,6 Ah) is ongeveer gelijk aan de nominale capaciteit.
-
-
Naast de capaciteitsmetingen geeft het ladingsverloop tijdens opladen (figuur 7.9) nog informatie over het gedrag en de veroudering van de accu's. Uit deze grafiek blijkt dat de laadstroom van 16 Ah starter accu in SHS 3 niet wordt gereduceerd en dat ook de laadstroom van de 16 Ah starter accu in SHS 1 slechts een weinig afneemt. In het eerste geval bleek één cel defect te zijn waardoor de laadspanning laag bleef en de acculader de laadstroom niet reduceerde. Eén cel in de accu van SHS1 bleek ook verouderd te zijn. In beide gevallen liep de temperatuur van de accu's op tot ca. 40 °C wat samengaat met een hoge gasproductie. Ook viel op dat de laadstroom van beide deep cycle accu's bij constante laadspanning van 14,5V slechts langzaam afneemt. Dit verschijnsel trad reeds op toen de accu's nieuw waren en gaat niet gepaard met een hoge gasproductie. Deze lage laadefficiëntie bij hoge SOC heeft echter wel een negatief effect op de prestaties van het systeem. Tijdens de capaciteitsmeting is op 16-08 de interne weerstand gemeten van de accu's behorend bij de SHSn, zie figuur 7.10. Hiertoe is gedurende een korte periode van ca. 2 minuten de ontlaadstroom (I10) verhoogd met 20 % en is de inwendige weerstand bepaald uit ÄU/ÄI.
5.5
Veroudering van de lampen
Als belasting van de SHSn zijn 5 typen fluorescentielampen aangesloten. Deze lampen zijn steeds eenmaal per cyclus aan- en afgeschakeld terwijl de brandduur per cyclus is 3 uur bedroeg voor SHS 1, 2 en 3 en 3,5 uur voor SHS 4, 5 en 6. Het verschil in opgenomen vermogen per SHS is gecompenseerd door een parallel geschakelde elektronische load synchroon met de lamp(en) aan- en af te schakelen. De ingestelde stroom is daarbij berekend uit het verschil van de gewenste stroom en de gemeten lampstroom. Het de waargenomen zwarting is omschreven in tabel 5.6 en op foto's vastgelegd in figuur 7.14. Tabel 5.6: Aantal cycli en branduren van de lampen in de verschillende systemen. SHS3 1 SHS4 SHS5 SHS6 SL1 SHS1 SHS2
SL2 1
# starts
232
231
284
236
238
247
137
# branduren
760
775
935
890
900
935
1050 2
2 ringen ± 0,5 cm
1 ring, ± 0,5 cm
2 ringen, 1 en 2 cm
1 ring, ± 0,5 cm
±1,5 cm
Zwarting
2 ringen ± 0,5 cm
ca. 2 cm, geen zwarting
130
1
1220 2 ±1,5 cm,
defect
1
: het schakelen tussen vol vermogen en dim-stand is niet meegerekend : waarvan ca. eenderde van de tijd op dim-stand
2
ECN-C--02-007
21
5.6
Prestaties van de systemen
In figuur 7.15 is de hoeveelheid door de module geleverde energie, de z.g. array-yield, vergeleken met de beschikbare hoeveelheid energie, de reference yield. Beide grootheden zijn genormeerd op het nominale module-vermogen (de eenheid is kWh/kWp/dag ofwel h/dag). Vrijwel alle beschikbare energie van de module in SHS2 wordt benut, terwijl in SHS 3, bij dezelfde beschikbare energie en belasting, aanmerkelijk minder energie in de accu's wordt geladen. Hieruit blijkt dat het verschil in grootte van de accu t.o.v. de module een grote invloed heeft op de benutting van de beschikbare energie uit de module. Dit blijkt ook uit de vergelijking van SHS 4 met SHS 5 en 6, met ook hier enkel onderling dezelfde beschikbare energie en belasting, Verder blijkt dat de laadregelaar in SHS 5 meer lading in de accu krijgt dan SHS 6, zie ook figuur 7.17. Dit is waarschijnlijk het effect van het constant voltage laadalgoritme (SHS 5), maar ook het onderlinge verschil tussen de accu's, m.n. in het verloop van de laadspanning, is van invloed. Dezelfde grafiek voor beide zonnelantaarns, figuur 7.16, laat zien dat de beschikbare hoeveelheid energie van de module voor ongeveer de helft wordt benut. De daling van de gemiddelde ladingstoestand van de beide accu's aan het einde van de testperiode, door het verhogen van de dagelijkse belasting, leidt niet tot een groter aandeel van benutte energie uit de module. Bij het verloop van de beschikbare energie moet worden bedacht dat op 19-7 de 6 Wp modules zijn aangesloten i.p.v. de 12 Wp modules. In de figuren 7.17 en 7.18 is de verhouding tussen de toegevoerde en uitgaande lading, de laadfactor, van de accu's in afgebeeld. Afgezien van SHS 1 en 3, waarin t.g.v. slechte accu's de laadefficiëntie slecht is, liggen deze laadfactoren gemiddeld tussen 1,01 en 1,07, wat erop duidt dat de gemiddelde ladingstoestand over de testperiode is gedaald. Voor het gelijk blijven van de ladingstoestand moeten immers de interne verliezen tijdens het laden en de zelfontlading worden gecompenseerd. Deze dalende ladingstoestand is ook terug te vinden in de z.g. loss of load t.g.v. het afschakelen van de laadregelaar bij een lage accuspanning, De gemiddelde loss of load percentages zijn afgebeeld in de figuren 7.19 en 7.20. Voor de SHSn is een grillig verloop zichtbaar met als uitschieters SHS3 en SHS1, t.g.v. de sterk verouderde accu's. Verder komt loss of load het minst voor bij SHS2 en SHS5 waarin de 70 Ah deep cycle accu's zijn geplaatst. Dit hangt samen met de grote nominale capaciteit waardoor ontlaadstromen en de daardoor optredende spanningsdaling relatief klein zijn. Ook de goede benutting van de beschikbare energie in vergelijking tot de overige SHSn speelt mee. Ten derde bleek ook de veroudering van de beide deep cycle accu's minimaal te zijn in vergelijking tot de overige accu's. De loss of load voor beide zonnelantaarns neemt sterk toe in de tijd. Als oorzaken zijn aan te wijzen dat de beschikbare energie afneemt, zie figuur 7.16, terwijl de ingestelde dagelijkse belasting in de tijd toenam. De sterke toename van de loss of load voor SL1 wordt ook veroorzaakt door de degradatie van de accu. De toename van de loss of load van SL 2 in de periode na 7-9 wordt enkel veroorzaakt door de defect geraakte lamp. Hierbij moet worden opgemerkt dat loss of load in de meeste gevallen optrad tijdens het omschakelen tussen de vol-vermogen stand en de dim-stand van de lamp. De hierbij optredende korte belastingsverhoging heeft dan tot gevolg dat de accuspanning kortstondig daalt onder het LVD setpoint waardoor laadregelaar de belasting afschakelt. Wanneer de gebruiker op een eerder moment omschakelt naar de dim-stand kan dit worden voorkomen, zodat de prestatie van de lamp verbetert.
22
ECN-C--02-007
5.7
Evaluatie van de testprocedures
Door het uitvoeren van deze test over een periode van 6 maanden kan duidelijk veroudering van bepaalde typen accu's worden vastgesteld, hoewel het aantal doorlopen nominale cycli klein is vergeleken met de gemiddelde specificaties van starteraccu's. Gezien de sterke veroudering van de starteraccu's zou een kortere testduur volstaan. Om een beter beeld te krijgen van de veroudering van deep cycle accu's is het aan te raden om de dagelijkse ontladingsdiepte te verhogen. Hierbij moet worden opgemerkt dat slechts één type deep cycle accu is getest. De invloed van verschillende keuzen voor de dimensionering, m.n. de verhouding tussen het modulevermogen en de accucapaciteit is duidelijk af te leiden uit het verloop van de test. Het tussentijds aanpassen van het belastingspatroon en een opeenvolging van verschillende zomer- en wintermaanden bemoeilijken de verwerking en interpretatie van de meetgegevens. Daarom is het aan te raden om het belastingspatroon constant te houden en b.v. slechts één periode van enkele maanden met hoge instraling te laten volgen door enkele maanden met lage instraling. Hoewel na de test 4 van de 9 lampen duidelijke zwarting liet zien en 1 lamp defect raakte is het aan te raden om de lampen sneller te laten verouderen. Dit kan eenvoudig door het aantal malen dat de lamp wordt aangeschakeld na een periode van afkoelen (koude start) wordt opgevoerd naar 2 à 3 maal per dag.
ECN-C--02-007
23
REFERENTIES 1
Monitoring and Evaluation of Solar Home Systems, Experiences with applications of Solar PV for households in developing countries, F.D.J. Nieuwenhout, et al., ECN-C-00-089, September 1999
2
PV-GAP PVRS
3
IEC82/257/CD (BOS components)
4
IEC82/243/CD (PLISE)
5
IEC 61427, 11-1999, Secondary cells and batteries for solar photovoltaic applications, general requirements and methods of test, (Ch 15: Cycling endurance test)
6
IEC 60925, CFL, (section 5: Starting performance test)
7
IES LM-40, CFL (lifetime)
24
ECN-C--02-007
Batteries and BCR in small stand-alone PV-systems
Energie opslag systemen voor PV-toepassingen
Analysis of mechanisms and causes of LAB in PV-app.
The role of car batteries in rural electrification
Energy storage in PV-stand-alone systems
Long term operating experience with thirty stand-alone PV- G.Bopp, R Neufeld, S.Senft, M. Schulz (Fraunhofer-ISE) systems
Neuro-Methoden zur Prognose und Fehler Erkennung
Performance evaluation of LA-batteries for use with solar panels
Field investigation of relationship battery size / PV-system performance
Implementing and field testing SPS at a Palestinian Village D. Berman, D.Faiman - Ben-Gurion University, I.Yehia (Sol- 1999 http://www.greenstar.org/PVStudy/index.htm nur Enterprise)
Performance of a battery in wind and PV stand-alone systems
Performance of a Grid connected PV-sys with Energy Storage
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
ECN-C--02-007
PV-batteries and controllers
G.E. Palomino (SRP, Phoenix), J.Wiles (STDI), J.Stevens (Sandia), F.Goodman (EPRI, alo Alto, CA)
T. Degner, H. Gabler, E. Wiemken, University Oldenburg
J. Stevens, J. Kratochvil (Sandia)
V.Alminauskas - EPSD Crane
D. Kray, D.U. Sauer
G. Bopp, H. Gabler, K. Preiser, D.U. Sauer, H. Schmidt (Fraunhofer ISE)
M. Hankins, F.Omondi, B. Osawa, R v.d. Plas (WB)
A. Brunia (TNO-MEP) et. Al.
A. Brunia (TNO-MEP), K. Burges (Ecofys), R.A.A. Schillemans
J.R. Woodworth, Th. Stevens, Harrington (Sandia), Dunlop, Swamy, Demetrius (Florida Solar Energy Centre)
R.L. Hammond, J.F. Turpin (Arisona State Univers.), G.P. Corey, T.D. Hund (Sandia), S.R. Harrington
artikel
artikel 1997 artikel
-
1993 article, IEEE
-
1998 artikel
1998 2nd PVSEC, Vienna
1998 PIP, vol.6,1998
1998 artikel
1994 12th EPSEC, 1994
1995 rapport
25
1994 45th IEEE Photovoltaic Specialists Conf. 1995
1997 artikel, Sandia publication
1994 12th EPSEC, 1994
2
V.S. Donepudi, W. Pell, Electrochemical S&T Centre, Canada
Status of PV storage systems in IEA member countries
1
Referentie
A) Praktische toepassingen, veldtests, marktinformatie
Jaar
-
Auteur(s)
Titel
Nr.
Gevonden documenten
BIJLAGE 1: RESULTATEN LITERATUURSTUDIE
Life-cycle optimisation of SHS, hoofdstuk 4.2.3
Handboek accu's in pv-systemen - deel II
Field performance of Lead-acid batteries in photovoltaic rural electrification kits
Sukatani revisited: on the performance of nine-year-old SHS and street lighting systems in Indonesia
From candles to PV electricity: a four-year experience at Iguape-Cananeia, Brazil
A field experience with automotive batteries in SHS's
Charge strategies for Valve-regulated lead-acid batteries in R. Wagner, D.U. Sauer FhG-ISE solar power applications
B) Laboratoriumtests
Testing, dissection and analysis of LA-batteries
Performance test and prediction method for PV-battery systems
Test procedure for Solar Home Systems
Battery testing for PV-applications
Capacity Loss in PV-batteries and recovery procedures
Standardised PV battery test
Battery evaluation methods and results for stationary applications
Predicting the service lifetime of LA batteries in PV-systems D.J.Spiers, A.D.Rasinkoski (NAPS / Neste)
17
18
19
20
21
22
23
-
24
25
26
27
28
29
30
31
1997 Artikel PVSEC, 1997
Comparison of the IEC and NFC cycling procedures for the D. Desmettre (CEA-GENEC) qualification of PV batteries
36
26
2000 Artikel PVSEC, 2000
Quicker assessment of lifetime of PV batteries (QUALIBAT) Ph. Malbranche (CEA-GENEC)
35
P. Mc. Nutt et. Al. (NREL)
boek
Validation testing of procedures for the determining of performance of stand-alone photovoltaic systems
-
ECN-C--02-007
2000 NREL/TP-520-29185
1998 standard
34
E. Lorenzo (IES) et.al.
ZSW
Lebensdauer test von Batterien
Universal Technical Standards for SHS
33
1995 artikel Journal of Power Sources 53, 1995
1997 artikelSAND--97-2334C
1995 internet
1999 artikel
1997 artikel, 14th EPSEC, 1997 1999 http://www.sandia.gov/pv/bos/battery1.thm
1994 artikel, 12th EPSEC, 1994
http://pats.crane.navy.mil/pubdoc/test5.htm
2001 Journal of Power sources 95, 2001
1998 artikel PVSEC 1998
2000 Artikel PIP
1999 Renewable and Sustainable Energy Reviews 3
1995 artikel Solar Energy, vol. 55, No. 4
Novem rapport RC4152
2000 ECN rapport: ENC-C-01-057
2000 http://www.powerquality.com/art0029/art1.html
2000 http://www.powerquality.com/art0053/art1.html
32
P.C.Butler, J.T.Crow (Sandia)
T.Hund (Sandia)
T.Hund (Sandia)
T.Hund (Sandia)
J.M. Servant, D. Desmettre,, et. al. (CEA-GENEC)
W.D. Cowan (University of Capetown)
V.L.Hammersley, K.L.Holloway
E. Lorenzo (IES) et.al.
R. Zilles et. Al.
A.H.M.E Reinders (UvU) et. Al.
J.M. Huacuz
K. Burges (Ecofys) et. Al.
F.D.J. Nieuwehout (ECN) et. Al.
C.B. Cotton (DataPower)
Battery Impedance Monitoring update
16
L.A. Ray (Square D company)
Induction Furnaces Damaged by Transients
15
What happens to batteries in PV-systems or do we need special batteries…..
Battery guide for small Stand-alone PV-applications
Analysis of mechanisms and causes of aging of lead-acid batteries in PV-systems
A Model for aging of lead-acid batteries in PV-systems
Lifetime Model for Lead-acid Batteries
Battery efficiency near Top of Charge and impact on PVsystem
Battery Alterung verstehen durch Modellierung und Simulation
Analysis of performance parameters of Lead Acid batteries in PV-systems
Lead-Acid Batteries State of Charge vs. Voltage
Battery SOC calculations
Moglichkeiten und Grenzen der Ladezustandsbestimmung M.Rothert, B.Willer (ISET) von Bleibatteries in PV-anlagen
45
46
47
48
50
51
52
53
54
55
56
ECN-C--02-007
Energie-opslagsystemen voor fotovoltaische toepassingen A. Brunia et. Al. (TNO) (zie H 3.3.3 en H 4,2)
44
NASA
artikel
1998 artikel
27
2000 http://godzilla.grc.nasa.gov/heva/appx_bty.html
1993 Power Quality magazine http://ww.powerquality.com
1997 Journal of Power sources, 64, 1997
-
D.U. Sauer, S. Schatter (FhG-ISE)
artikel
html
1998 http://ise.fhg.de/projects/components98/kap85.
1994 artikel, 12th EPSEC, 1994
1994 artikel 12th EPSEC, 1994
Final draft IEA Task III
1997 artikel 14th PEPSEC, 1997
TNO rapport: TNO-MEP - R 95/221
Novem rapport RC4151
2001 Renewable Energy World, March-April
2000 http://www.powerquality.com/art0044/art1.html
1977 boek
-
R. Perez
artikel
artikel
1998 test rapport
J.W. Stevens, G.P.Cory (Sandia)
D.U. Sauer, S.Schattner, G. Bopp (FhG-ISE)
T. Degner, H. Gabler, A. Stocklein, University Oldenburg, Germany
A.Brunia, D.Schmal, H.P.W. Fransen, R.J.C. van Zolingen, C.P.M. Dunselman, - TNO - R&S - ECOFYS
Bo Anderson, Catella Generics, B. Perers (Vattenfall Utveckling AB)
D.U. Sauer, G.Bopp, M.Bachler, W.Hohe, A.Jossen, P.Sprau, B.Willer, M.Wollny(ZSW,ISET,WIP,ISE)
K. Burges (Ecofys) et. Al.
D. Lambert
Staying in charge
handboek accu's in pv-systemen - deel I
L.S. Holden, C&D Charter Power Systems
43
Valve regulated LA-batteries
41
H. Bode
BPPT, LSDE
42
C) Theorie en modellering
Lead-Acid Batteries
40
Test rapport LSDE, Indonesia van INCO 70 T solar accu
39
-
Test results from the PV battery cycle-life test procedure
38
T. Hund (Sandia)
A long term cycle test of storage batteries newly developed K. Takigawa (CRIEPI, Japan) for advanced PV application
37
Modeling and simulation of Lead-Acid Batteries for photovoltaic systems
Evaluating Battery Condition.
Can-Pulse Charging Partner
Can-Pulse CP technical bulletin
What does PWM to your battery?
Optimal battery design for applications in photovoltaic systems - theoretical considerations
Non intrusive measurement of the state-of-charge of lead- I.R. Hill (Nat. Research council Canada), E.E. Adrukaitis acid batteries using wire-wound coils
62
63
64
65
66
67
74
State of Charge determination of LA-Bat.
D) Systeemontwerp
Role of battery model in PV-simulation and sizing programmes
Storage of PV-Sys, Design rules and meteorological site char.
Optimising the PV-energy in PV-systems with storage
Lifetime and sizing of LA-batteries for stand-alone PV-sys.
Achieving the full potential of the VRLA Battery
Simulation and dimension of the PV-rural systems in Tunesia
76
-
68
69
70
71
72
73
28
D.U. Sauer (FhG-ISE), J. Garche (ZSW)
Morningstar corp.
Solartech
Bob Brady - HiTech consulting Ltd.
F. Steffens
William Anthony Facinelly, Arizona state University, Univerity Microfilms International.
S.R.Harrington, T.D.Hund - Ktech - Sandia
C.Armenta, J.Doria, M.C.Andres - Grupo de energia solar Spain
Moncef Jraidi, Ahmed Dhouib, ENIT, Tunesia
P. W. Clarke
F. Chenlo, J.B. Copetti, N. Vela
John Kaye, University of New South Wales
Anne Haas, University Oldenburg
J.B. Copetti, F. Chenlo, E. Lorenzo, UFRGS-Promec, Brazil, Spain
P. Adelmann, D. Gutzeit
their S. Piller, M. Perrin, A. Jossen (ZSW)
Methods for applications
75 and
Rating Batteries for Initial Capacity, Charging parameters and Cycle life in PV-app
61
determination
Influence of current rate onto a lead-acid cell performance in PV-app.
60
state-of-charge
PV-Anlage Brunnenbach: 6 jahre Batterie Betrieb
59
Bachler, A.Masch, T.Kraus, P.Sprau - WIP - Isar
A systematic effort to define evaluation and performance … Bopp, Gabler, Sauer - FhG-ISE - ZSW - WIP - ISET
58
Ch. Ehret (ZSW) et.al
SOC determination for LA- batteries in PV-applications
57
ECN-C--02-007
1997 14th EPSEC, 1997
1994 12th EPSEC, 1994 2000 http://www.powerquality.com/art0009
1994 12th EPSEC, 1994
1994 12th EPSEC, 1994
1994 12th EPSEC, 1994
1997 PVSEC, 1997
2001 Journal of Power sources 96, 2001
2001 Journal of Power sources 103, 2001
2001 Journal of Power sources, 95, 2001
http://www.entityconnect.com.au/~doranje/PW M.html
http://www.solartech.com/tech_battery_perf.ht m
http://www.solartech.com/sirdo_test.htm
1997 Batteries International July/1997
1983 Dissertatie
1995 Sandia CONF - 9509247--1
1989 Solar & Wind technology Vol. 6, 1989
1995 artikel
1995 artikel
2000 PVSEC, 2000
Resultaten A: Praktische toepassingen, marktinformatie en veldtests Document 1 betreft een IEA onderzoek uit 1994 en geeft informatie over diverse technologieën en de fabrikantspecificaties. Hierin wordt geconcludeerd dat het gebruik van loodzwavelzuur accu's in PV-systemen niet goed is gekarakteriseerd en dat levensduur in de praktijk varieert. Accutests onder gesimuleerde praktijkomstandigheden zijn nodig alsook modellen om het falen van accu's beter te begrijpen en om verbeterde laadalgoritmes te ontwikkelen. Daarnaast wordt aanbevolen om de toepassing van geavanceerde accu's te onderzoeken. Document 47 geeft uitleg over de belangrijkste verouderingsmechanismen, sulfatering en corrosie, van accu's in PV-toepassingen. Capaciteitsverlies door z.g. active mass shedding bleek voor de onderzochte toepassingen geen belangrijk verouderingsmechanisme. Een groot aantal accu's die meerdere jaren in bedrijf waren is onderzocht met behulp van niet destructieve metingen, metingen aan de individuele cellen en inspectie van de platen. Naast conductantiemetingen, die een goede indicatie van de veroudering gaven, bleken destructieve tests noodzakelijk voor het achterhalen van de verouderingsmechanismen. De onderzochte toepassingen die voor SHS het meest relevant zijn, zijn (1) recreatie & landbouw en (2) schepen & boothuizen. In beide categorieën bleek sulfatering t.g.v. onvoldoende doorladen de belangrijkste oorzaak van degradatie. In categorie 2 is ook corrosie waargenomen door hoge laadspanningen in combinatie met een gesulfateerde accu. Met name in categorie 1 bleek minder degradatie te zijn opgetreden bij accu's die goed slecht waren onderhouden. Wordt daarnaast ook een juiste dimensionering gekozen dan presteren relatief goedkope vlakke plaat accu's goed gedurende ca. 5 jaren. Document 10: De conclusies van dit artikel komen overeen met die uit artikel 47: sulfatering door onvolledig doorladen en corrosie door hoge laadspanning, versneld door de aanwezige sulfatering. Het effect van goed onderhoud, zo is aangetoond m.b.v. veldonderzoek, is een verlenging van de levensduur met 60 %. Document 17: In dit rapport wordt een survey van 170 SHS in Swaziland beschreven. De toegepaste accu's zijn starteraccu's van 61 Ah (20 %) en gemodificeerde starteraccu's van 96 Ah (80 %). Een deel van de gebruikers die hun accu moesten vervangen bleek te kiezen voor 'gewone' starteraccu's. De gemiddelde levensduur van de accu's in de onderzochte SHSn ligt tussen 2 en 3 jaar. De resultaten uit de interviews, de visuele inspectie en gemeten open klem spanning laten verder zien dat: - de behaalde levensduur van de accu's tussen 1½ en 2½ jaar ligt; - 16 % van de geïnspecteerde accu's vervangen moet worden; - 10 % van de accu's een te laag elektrolyt niveau heeft; - 14 % losse of ondeugdelijke verbindingen heeft; 7 % gecorrodeerde terminals heeft; - 56 % van de accu's een open klem spanning van onder 12 V (i.h.a. lage SOC). Het merendeel van de SHS had echter wel een goed werkende laadregelaar: 3 % van de SHS had geen laadregelaar geïnstalleerd; 4 % van de laadregelaars was defect (veelal door blikseminslag); 6 % van de laadregelaars was overbrugd. Document 19 beschrijft de resultaten van 555 onderzochte accu's van SHS afkomstig uit 83 dorpsgemeenschappen in Mexico. Lokaal gefabriceerde starteraccu's zijn het meest aangetroffen (87 %) en daarnaast ook gesloten accu's. De helft van de accu's was minder dan 1 jaar in bedrijf en 30 % tussen 1 en 1½ jaar.
ECN-C--02-007
29
De belangrijkste fouten en gebreken zoals waargenomen uit de inspecties en metingen zijn: - er blijkt een duidelijk verband te bestaan tussen het handmatig afschakelen van LVD op de laadregelaar en de slechte conditie van de accu; - de conditie van de accu's in de hete droge gebieden blijkt veel beter dan die in de gebieden met gematigd klimaat; - 47 % laag soortelijk gewicht van het elektrolyt (S.G. < 1.20 kg/m3); - 13 % soortelijk gewicht van het elektrolyt (mogelijke oorzaak is bijvullen met zuur i.p.v. gedestilleerd water) - 11 % lage open klem spanning (< 12 V); - 10 % laag elektrolyt niveau; 6 % overmatig gassen; 6 % overbrugde laadregelaar; Als belangrijkste oorzaak van veroudering en degradatie noemt de auteur onderdimensionering van de accu's. De geïnstalleerde capaciteit is echter sterk gecorreleerd met de ouderdom van de accu en bovendien blijkt m.n. het (te) diep ontladen het meest frequent op te treden, wat blijkt uit het grote percentage met laag elektrolyt niveau en het verband tussen klimaat en de conditie van de accu's. Document 20 beschrijft de bevindingen uit een technische inspectie van 62 SHS in Sukatani, Indonesië, interviews met gebruikers (1997) en monitoring data (1988 - 1993). De gemiddelde levensduur van Solar accu's bedroeg 4,2 jaar en van starteraccu's 3,5 jaar. Hierbij moet worden opgemerkt dat het geïnstalleerde modulevermogen (80 Wp) is hoog in vergelijking met de meeste andere SHS. Ook bleek de energieconsumptie laag te zijn, wat blijkt uit het feit dat de originele accu's van 100 Ah na het einde van hun levensduur werden vervangen door kleinere typen (70 Ah). Andere bevindingen uit de inspectie zijn dat een grote spreiding in de laadregelaar setpoints gemeten en dat in 22 % van de gevallen was de laadregelaar overbrugd. Document 22 beschrijft de resultaten uit een survey van 20 van 1000 SHS, geïnstalleerd tussen 1988 en 1993, op het Alti Plano in Bolivia. In deze systemen zijn 120 Ah starteraccu's toegepast, waarvan nog ca. 80 % van de originele accu's in gebruik is. Uit ontladingsmetingen bleek echter de restcapaciteit zeer laag te zijn: 59 Ah, 56 Ah, 21 Ah, 19 Ah en 3 Ah. Er bleek in veel gevallen vergaande corrosie te zijn opgetreden, met name bij SHS waarin het verbruik laag was. De voorgestelde maatregelen richten zicht daarom alle op voorkoming van snelle corrosie: lage elektrolyt dichtheid, overlaadbeveiliging, grote accucapaciteit. Document 14 beschrijft een demonstratieproject van een netgekoppeld PV-systeem met opslag van elektriciteit buiten de piekuren. Interessant hierin is dat de grootte van de (ont)laadstromen en de temperatuur weinig invloed bleken te hebben op de behaalde energie-efficëntie. Ter vergelijking werden in één geval de stromen gegrensd op ca. C/100 en de temperatuur geregeld op 25 °C (behaalde efficiëntie tussen 75 en 80 %). In het andere geval traden stromen op tot ca. C/9 en temperaturen tussen ca. -7 °C tot +38 °C (behaalde efficiëntie ca. 75 %). De accu's werden verder dagelijks opgeladen tot ca. 85 % SOC en tweewekelijks geheel volgeladen. Document 2 betreft een marktonderzoek uit 1997 voor accu's en laadregelaars in autonome en hybride PV-systemen. Voor SHS, hybride systemen en dorpsnetten worden i.h.a. open accu's toegepast, in tegenstelling tot de meeste andere autonome toepassingen met PV. Naast de lagere kosten voor open accu's zijn deze ook beter geschikt voor cyclisch gebruik en overladen. Systeemhuizen gaven aan dat ca. 80 % van de laadregelaars klassieke aan/uit regelaars zijn. Volgens de meeste accufabrikanten is het belangrijk dat het merendeel van de toegepaste laadregelaars regelt op een constante laadspanning die gemiddeld hoger ligt dan nu meestal wordt toegepast. Ook wordt een hoger LVD setpoint geadviseerd. Ca. 60 % van de toegepaste laadregelaars heeft een temperatuurcompensatie ingebouwd.
30
ECN-C--02-007
Document 6: vergelijkt diverse opties voor accu's in SHS, uitgaande van ervaring van de auteurs in oost- en zuidelijk Afrika. Vele huishoudens gebruiken autoaccu's, zowel in combinatie met een centraal laadstation als met PV. Als hoofdoorzaak voor de beperkter levensduur wordt genoemd dat accu's veelal zonder laadregelaar worden gebruikt waardoor deze te diep worden ontladen. Bovendien worden de accu's in de regel onvoldoende ver doorgeladen. Beide factoren leiden tot defecte cellen ten gevolge van sulfatering. Als typische levensduur voor autoaccu's wordt 2 tot 4 jaar genoemd, waarbij in het laatste geval sprake is van een PV-systeem mét laadregelaar. Rekening houdend met een stijgende elektriciteitsvraag wordt als advies gegeven om aan relatief grote accu te kopen waarbij het geïnstalleerde modulevermogen wordt vergroot met de elektriciteitsvraag. Wat niet wordt vermeld is dat een dergelijke overdimensionering van de accu t.o.v. het geïnstalleerde PV-vermogen in huishoudelijke toepassingen vaak leidt tot onvolledig doorladen van de accu, wat tot snelle veroudering door sulfatering tot gevolg heeft. Document 7: beschrijft de gebruikscondities, onderverdeeld in 4 klassen, van autonome systemen (waaronder SHS), de daaruit voortkomende verouderingsmechnismen en de gebruikelijke regelstrategieën en implementatiewijzen. Typerend is (zie in het artikel tabel 1) dat voor klasse 1 en 2, waaronder SHS vallen, vele typen accu's als "acceptabel" worden omschreven en dat voor klasse 1 zelfs drie technologieën als "optimale" accu worden genoemd. Opmerkelijk is ook dat er geen accutechnologie is die zowel voor klasse 1 als 2 optimaal is, waarbij op te merken is dat, afhankelijk van, met name, het klimaat een SHS in klasse 1 of 2 valt. In klasse 1 is er een sterke seizoensafhankelijkheid, waardoor het systeem voor het grootste deel van het jaar is overgedimensioneerd; dit in tegenstelling tot klasse 2. Waar in klasse 1 voornamelijk stratificatie, sulfatering ('s winters) en corrosie ('s zomers) de belangrijkste verouderingsoorzaken zijn, in klasse 2 de veroudering t.g.v. het grote aantal partiële cycli belangrijk: sulfatering en PAM softening, AM shedding. Naast veroudering tijdens normaal gebruik worden ook productiefouten, onoordeelkundig(e) installatie en gebruik genoemd. Een overzicht van de setpoint van 9 laadregelaars uit Indonesië laat zien dat de LVD setpoints goed staan afgesteld, waarbij wordt opgemerkt dat en beperkt instelbereik wordt aangeraden om fouten tijdens productie of installatie te voorkomen. In document 42 geeft de auteur op basis van eigen ervaring een overzicht van de prestaties van vier typen accu's (starter-, solar-, deep-cycle, en gel-VRLA accu's). De volgende aspecten zijn beoordeeld: efficiëntie, robuustheid, veiligheid, onderhoudsgevoeligheid, levensduur en kWhkosten. Als belangrijkste selectiecriteria voor PV-toepassingen worden genoemd: dikke positieve platen, voldoende elektrolyt reserve (voor open typen), lood-calcium typen behoeven minder onderhoud door lager waterverbruik maar zijn minder geschikt tegen diep ontladen dan loodantimoon typen. Daarom moet de positieve plaat (met name) bij lood-calcium accu's worden overgedimensioneerd. VRLA-gel accu's kunnen goed presteren in PV-toepassingen maar zijn aanmerkelijk duurder dan open typen accu’s. In document 45 wordt een overzicht gegeven van laadstrategieën, beginnend bij een klassiek laadalgoritme, gebaseerd op accuspanning, een verbeterd algoritme met boost-charging en een modern algoritme op basis van SOC-schatting, een lager HVD-setpoint, gecombineerd met frequent boost-charging en een stroom-afhankelijk LVD-setpoint. De bovengenoemde artikelen beperken zich tot een kwalitatieve beschrijving. Document 11 toont aan de hand van een veldtest met 4 autonome PV-systemen aan dat bij verkleining van de accucapaciteit t.o.v. het module vermogen bij constante dagelijkse consumptie de gemiddelde SOC stijgt. In deze test is bepaald na hoeveel dagen met lage instraling de belasting niet meer voldoende kan worden voorzien van elektriciteit. Naderhand is de restcapaciteit van de accu gemeten. Een belangrijke conclusie is, dat bij relatief kleine accu's aan/uit-regelaars de accu's onvoldoende ver opladen, waardoor o.m. de behaalde autonomie daalt. De oorzaak is dat door de relatief hoge laadstromen (> C20) de klemspanning zodanig snel
ECN-C--02-007
31
toeneemt, dat de laadregelaar te vroeg afschakelt. Laadregelaars die regelen naar een constante laadspanning, vaak door middel van (Pulse Width Modulation) PWM, vertonen dit euvel niet. Document 58 betreft een verslag van autonoom PV-systeem te Brunnenbach, waarbij is aangetoond dat na 7 jaren bedrijf de opslag goed functioneert. Hooguit enkele slechte cellen moesten worden vervangen. Zowel de installatie, het type accu's alsook de bedrijfsvoering zijn echter niet representatief voor SHS.
B: Laboratoriumtests Document 32 beschrijft laboratoriumtests, uitgevoerd door ZSW over 6 jaren. De resultaten tonen een verschil in bereikte levensduur (80% restcapaciteit) aan tussen verschillende typen loodzwavelzuur accu's (2, 3 en >5 jaren). Ook is aangetoond dat hierbij verschillende verouderingsmechanismen dominant zijn (corrosie van het positieve grid, sulfatering, active mass shedding) voor verschillende typen loodzwavelzuur accu's (tubular, flat plate, vented leadantimony, valve-regulated lead-calcium). Slechts een deel van deze mechanismen is te beïnvloeden door de wijze van gebruik. Dit is onderzocht door per type drie accu's parallel te bemeten onder drie bedrijfscondities. Naast de dalende restcapaciteit zijn ook de dalende efficiëntie en de stijgende zelfontlading aanwijzingen voor optredende veroudering. Document 51 beschrijft een procedure ter bepaling van de laadefficiëntie van een accu in relatie tot de SOC. Uit de testresultaten blijkt dat de efficiëntie ongeveer lineair afneemt van bij toenemende SOC tot zelfs 45 % bij een SOC van 96 %. De beschrijving van de oorzaken van de nevenreacties waardoor deze efficiëntie daalt valt buiten de scope van dit document. Het onderzoek is verricht om te kunnen bepalen hoe groot het piekvermogen van de PV-module moet zijn om een accu volledig te kunnen opladen. Uit de meetresultaten blijkt dat met name bij ondiepe cycli, zoals die in PV-systemen vaak voorkomen, de accu aanmerkelijk verder moet worden overladen dan gebruikelijk wil een ladingstoestand van 100 % worden bereikt, wat leidt tot een groter gedimensioneerde PV-module. Document 25 beschrijft een performance test van autonome PV-systemen waarin het gedrag van de regelaar wordt geanalyseerd. Dit gebeurt tijdens meerdere dagen bij lage instraling en een vast gedefinieerde dagelijkse belasting. Daaruit wordt een voorspelling gemaakt van de betrouwbaarheid van deze systemen. Voor en na deze test wordt de accu capaciteit gemeten, waarbij een maximale degradatie van 15 % wordt toegestaan. Document 3 beschrijft langdurige tests van 14 verschillende SHS waarin het effect van de laadregelaar setpoints op de degradatie en het waterverbruik is gemeten. Met deze tests is aangetoond dat de te behalen levensduur van geventileerde accu's in de buurt komt van de door de fabrikant gespecificeerde levensduur mits een laadregelaar met juist ingestelde setpoints en een juiste systeemdimensionering is gekozen. Deze dimensionering is uitgedrukt in de verhouding van de energieopbrengst van het modulevermogen en de energievraag gemiddeld over de maand met minimale instraling en moet voor een betrouwbare werking (afhankelijk van het klimaat) ca. 1,3 of meer bedragen. Bij de resultaten moet de kanttekening worden geplaatst dat de temperatuur nooit boven 35 °C uit is gekomen en de accu's soms met een voeding zijn onderhouden. Met de volgende procedure is de invloed van de laadregelaar setpoints getest: De accu's zijn met 7A doorgeladen tot een maximale laadspanning van 14,4V. Deze constante laadspanning is daarna voor 30 uur aangehouden. Het ontladen gebeurde met 5A tot een spanning van 10,75 V. Uit de resultaten, over een periode van 23 maanden, bleek dat: - meting van de zuurdichtheid met name belangrijk is voor de detectie van defecte cellen, maar onvoldoende nauwkeurig bleek voor de meting van de ladingstoestand. - het geleidelijk verhogen van het LVD setpoint in geval van een energie onderproductie een effectieve manier is om de levensduur van de accu te verlengen. - de gemiddelde ladingstoestand niet verhoogd kon worden door het verhogen van het highvoltage disconnect (HVD) setpoint, maar wel door het verhogen van het high voltage 32
ECN-C--02-007
-
-
reconnect (HVR) setpoint. Verhoging van het HVD setpoint leidde enkel tot een toename van het waterverbruik (onderhoud) en snellere corrosie (veroudering). er een duidelijk (bij benadering lineair) verband bestaat tussen het HVR setpoint en de gemiddelde SOC: Bij een HVR setpoint van 12,7 V was de gemiddelde SOC 55 % en bij 14,2 V was deze 90 %. met name in PWM regelaars kan het setpoint voor de laadspanning verlopen t.g.v. warmteontwikkeling in de laadregelaar. Dit pleit voor het toepassen van een externe temperatuursensor.
Document 28: Laboratoriumtests hebben uitgewezen dat m.n. een hogere reconnect spanning (HVR) zorgt voor een hogere gemiddelde SOC en daarmee een hogere restcapaciteit. Dit effect is veel sterker dan de invloed van de disconnect spanning (HVD). Dit is hier voor "Solar" accu's bekeken. Als setpoints voor geventileerde accu's zijn aanbevolen: 14,4 V (consant voltage) en 13,7V/14,7V (on/off-regeling), waarbij temperatuur-correctie is ingebouwd. De setpoints zijn m.n. kritisch bij gesloten accu's. De belangrijkste degradatiemechanismen, waargenomen bij accu's waarbij een lage HVR is toegepast, zijn: elektrolyt stratificatie, in het actief materiaal opgesloten gasbellen en sulfatering. Het laatste mechanisme is weinig tot niet reversibel. Het belangrijkste probleem ter voorkoming van de genoemde snelle veroudering is dat in PV systemen tijd en energie vaak te beperkt zijn om accu's regelmatig volledig op te laden. Door middel van gepulseerde laadstromen is verhoging van de laadefficiëntie mogelijk, maar uit de testresultaten kunnen geen conclusies worden getrokken over de effecten op degradatie. Document 29: Hierin wordt een testprocedure gepresenteerd bestaande uit 20 ondiepe laad/ontlaad-cycli, met een laadstroom van C/33 gedurende 5 uur en een zelfde ontlaadstroom gedurende 4 uur. Hierna wordt de restcapaciteit gemeten en wordt, na herladen, het cyclisch (ont-)laden herstart. Document 60: In dit artikel wordt met behulp van experimenten van 2V cellen gekeken wat er met de zuurdichtheid verdeling gebeurt bij het laden met verschillende constante stroomsterktes. Ook hier is een korte beschrijving gegeven van testprocedure. Verder wordt de dichtheidsgradiënt gerelateerd aan de celprestaties. Het effect van de niet-uniforme ladingsverdeling is, dat de SOC lager wordt bij hogere stroom als er gekeken wordt naar de celspanning. Dit alles is vergeleken met een referentie accucel waarin het elektrolyt wordt gecirculeerd. Document 31 beschrijft laboratoriumtests die zijn uitgevoerd om de geschiktheid onder PVcondities te kunnen voorspellen. Dit betrof zowel capaciteitsmetingen recovery tests. Bij deze laatste test presteerden gesloten vlakke plaat accu's, zoals te verwachten, het slechtst. Om deze reden wordt voor dit type accu's een hoge maximale laadspanning > 14,4 V, aangeraden. Daarnaast wordt aan de hand van een eenvoudig maar illustratief model van de zuurverdeling het effect van stratificatie toegelicht. Als gevolgen van stratificatie worden genoemd dat de SOC meting aan de hand van zuurweging boven in de cellen een afwijkend resultaat geeft en dat na het beëindigen van het opladen er nog vereffeningsstromen binnen de cel kunnen lopen als gevolg van de inhomogene zuurconcentratie. Bij een klassieke spanningsgeregelde laadregelaar wordt vaak vroegtijdig het laden beëindigd, zodat de zuurconcentratie in de cel nog niet homogeen is. De volgende levensduurbepalende factoren worden genoemd en kwalitatief toegelicht: autonomie, gekoppeld aan de z.g. useful battery capacity en de gemiddelde SOC; HVD setpoint, gekoppeld aan het waterverbruik; laadstroom (gemiddeld zeer laag: C100); variaties in de beschikbare energie op lange (seizoenen) en korte termijn (dag); ontlaadstroom (gemiddeld laag, wat gunstig is voor de beschikbare accucapaciteit); afschakelen van de belasting LVD (wat volgens dit artikel zelden voorkomt); Daily Depth Of Discharge (DDOD) en de daarmee samenhangende cyclische levensduur;
ECN-C--02-007
33
-
verhouding tussen dagelijkse belasting en accucapaciteit.
Document 30 beschrijft de opzet van een verouderingstest waarin PV-condities worden gesimuleerd: de accu doorloopt 6 cycli waarin deze onvolledig wordt opladen en mogelijk LVD bereikt, gevolgd door het volledig opladen tot 120 % van de onttrokken lading. Zowel starteraccu's en VRLA accu's zijn getest. Uit de resultaten blijkt dat de starteraccu's, zij het na een korte periode, nog weinig degradatie laten zien (< 10 %). Document 61: In dit artikel zijn laboratoriumtests beschreven met verschillende typen loodzuur accu's. In de gevolgde procedure worden de effecten van setpoints van klassieke regelaars op de verwachte levensduur geanalyseerd. Dit is uitgevoerd door na 25 ondiepe cycli, gevolgd door een ontlading tot LVD in 4 cycli en 25 recovery-cycli de restcapaciteit te meten. De ontlaaddiepte van de cycli is 10 % en bij het laden is temperatuurcompensatie van de laadspanning toegepast. De ladingsacceptatie (gepresenteerd door het percentage overladen) is bestudeerd als functie van het aantal doorlopen cycli. Naast deze laboratoriumtests is ook een aantal veldtests uitgevoerd met meerdere laadregelaars. Document 35: Door een aantal verschillende verouderingsmechnismen en prestaties afzonderlijk te testen kan snel een beeld worden verkregen van de prestaties en levensduur van accu's in PV-systemen. Er zijn tests uitgevoerd gericht op active mass shedding, veroudering als gevolg van cycleren (m.n. positive active mass softening), recovery test na diepe ontlading, versnelde corrosie tijdens overladen op zeer hoge elektrolyt temperatuur (71 °C), Ah en Wh efficiëntie test. Deze tests zijn geschikt voor het selecteren van accu's voor PV toepassingen d.m.v. vergelijkende tests maar geven geen voorspelling voor de te verwachten levensduur in de praktijk. Document 36: Uit een vergelijking van twee verschillende cyclische verouderingstests blijkt de grote invloed van de gekozen procedure en de moeilijkheid om uitspraken te doen over de in de praktijk te verwachten levensduur. Takigawa en Hund: Beide artikelen laten testresultaten zien van verouderingstests met weer andere laad-ontlaad cycli. Uit de gemeten restcapaciteiten na 1000 partiële cycli (tussen 65 en 80 % van de nominale capaciteit) verwacht de auteur een praktische levensduur van minstens 3 jaren. Document 39: LSDE heeft INCOE 70 T solar accu's cyclisch verouderd. In elke cyclus werd de accu ontladen met 3 A tot 11,7 V en vervolgens opgeladen met 3 A tot 14,7 V. Voorafgaand hieraan zijn achtereenvolgens drie capaciteitsmetingen uitgevoerd: C20 = 84,7 Ah, C10 = 84,0 Ah, C20 = 74,2 Ah. De capaciteit C10 na resp. 100 en 200 cycli was resp. 69,5 Ah en 60,9 Ah. Het is vreemd dat niet is vermeld of en, zo ja, hoe lang het laden bij de maximale laadspanning is voortgezet alvorens de capaciteit te meten. Ook is de gehanteerde ondergrens van 11,7 V niet in overeenstemming met de Wereldbank norm die namelijk een DOD van 75 % voorschrijft. De dikte van de positieve plaat is 2,0 mm (negatieve plaat: 1,5 mm), wat gunstig is voor de cyclische levensduur.
C: Technologie en modellering Document 41: De dikte van de positieve plaat van diverse VLRA met een vergelijkbare levensduurspecificatie blijkt significant te verschillen. De levensduur (m.n. bij cyclisch gebruik) is namelijk sterk afhankelijk van deze plaatdikte. Document 46: In deze accu-gids voor kleine PV-systemen, gepubliceerd door IEA taak III, worden solar-accu's aanbevolen en starteraccu's afgeraden waar het gaat om cyclische levensduur tegen aanvaardbare kosten.
34
ECN-C--02-007
Geavanceerde laadtechnieken, Documenten: 64 - 66 • PWM laden: Na de eerste fase van laden, waarbij de laadstroom wordt bepaald door de module, start de fase waarbij de laadspanning op een constante waarde wordt geregeld door de laadstroom te moduleren. Hierbij kan eerst een korte tijd op een hogere 'boost' spanning worden geladen, waarna deze spanning wordt verlaagd tot de 'float' spanning. Bij open accu's zijn deze spanningen resp. ca. 14,5 V en 13,9 V bij 25 °C. Zowel de modulatiefrequentie als de variatie in de duty-cycle verschillen per type laadregelaar. • Puls laden: Bij enkele typen laadregelaars wordt de vorm van de gemoduleerde laadstroom zo aangepast dat kort steile bipolaire pulsen worden aangeboden met als doel om m.n. de laatste fase SOC > 95 %, te versnellen en de groei van sulfaatkristallen tegen te gaan. Door de hoge amplitudes wordt een groot deel van de actieve plaatmassa geactiveerd en door de korte negatieve puls wordt de nevenreactie van het gassen onderdrukt. Van deze technieken zijn geen resultaten bekend over de effecten op veroudering in de praktijk. Schatting ladingstoestand (SOC) Verder zijn er 7 verschillende artikelen gevonden over het bepalen van de SOC van loodzwavelzuur accu's. De gevonden modellen, documenten 54 - 57, 74-76, variëren van een simpel verband tussen accuspanning en SOC, artikel(en) tot meer bewerkelijke berekeningen. Veel methodes zijn gebaseerd op een ladingsbalans, gecorrigeerd met interne verliezen en tussentijdse kalibraties. Document 56 presenteert een neuraal netwerk dat kan worden getraind om uit data van een cyclisch bedreven accu de ladingstoestand te schatten. Document 52: In dit artikel wordt aan de hand van een model de veroudering door sulfatering verduidelijkt en wordt als (algemeen bekende) oorzaak aangetoond het niet volledig volladen van de accu. Verder wordt aangetoond dat laden met niet constante (blok- of pulsvormige) stroom de laadtijd wordt verkort. De tijdwinst zit in de laatste fase van het laadproces (SOC > 85 %, constante laadspanning). In deze fase neemt bij hogere frequenties de het rendementsverlies t.g.v. gasontwikkeling af.
D: Systeemontwerp Document 68: Het artikel maakt de invloed van een genormaliseerd accumodel op de prestaties van autonome PV-systemen. Met name de relatie met de laadstrategie is beschouwd voor het geval van een klassieke aan/uit regeling. Een variatie van de spanningsniveaus (setpoints) waarop de laadregelaar schakelt levert te verwachten resultaten op: een afschakelspanning (HVD) van 14.0 V levert een hoge Loss of Load factor (LLF) op, omdat de accu niet ver genoeg wordt opgeladen, en een HVD van 14.8 V of hoger doet de laadefficiëntie dalen, vanwege de sterkere gassing en warmteontwikkeling. Wanneer de opbrengst van het zonnepaneel wordt vergroot bij gelijkblijvende dimensionering van de accu en de belasting stijgt de gemiddelde ladingstoestand en wordt daarmee de invloed van de HVD en HDR setpoints op de systeemprestaties significant groter. Door een verhoging van het HVR setpoint van 12.0 V naar 12.8 V wordt de accu verder opgeladen wat resulteert in een verlaging van de LLF. Als laatste zijn de temperatuurcompensatie van HVD en HVR setpoints en het belastingsprofiel gevarieerd met te verwachten resultaten. Conclusie: de instelling setpoints is erg kritisch, zowel voor de efficiëntie van de accu als voor de LLF. In tegenstelling to wat het abstract doet vermoeden worden helaas de resultaten niet gekoppeld aan een verouderingsmodel, waaruit blijkt hoe sterk het effect is van hogere HVD op waterverlies (onderhoud) en grid-corrosie en van een lage HVD en op stratificatie. De laatste twee effecten staan bekend als belangrijke verouderingsmechanismen. Ook de effecten van systeemdimensionering op de veroudering zijn niet uitgewerkt.
ECN-C--02-007
35
Document 70: In dit artikel wordt een model gepresenteerd voor de optimalisatie van de operationele kosten van loodzwavelzuur accu's in een autonoom PV-systeem. Deze kosten worden berekend als som van de kosten van periodieke vervanging van de accu's en de onderhoudskosten. De vervangingskosten zijn berekend als het product van drie factoren die elk behoren bij één verouderingsmechanisme: sulfatering, corrosie en cyclische levensduur. De onderhoudskosten zijn evenredig met het waterverbruik, genormeerd op de aanwezige waterreserve. De schattingen zijn afgeleid uit simulaties op uurbasis voor één specifieke systeemconfiguratie, waarbij als de capaciteit van de accu de enige variabele is. De veroudering door sulfatering en de cyclische veroudering nemen in het model langzaam toe met de geïnstalleerde accucapaciteit. Het waterverbruik en de veroudering door corrosie nemen echter snel af met de geïnstalleerde accucapaciteit (resp. met Cap -3,4 en Cap -2,2). Uit simulaties over looptijden van resp. 20, 30 en 40 jaren volgt als optimum een accucapaciteit tussen 3,5 en 5,5 maal de dagelijkse belasting. Hierin is geen rekening gehouden instralings- en belastingsvariaties en de effecten daarvan op zowel de prestaties (LLF) als de veroudering. Document 73: Hierin worden simulaties gepresenteerd van de Loss of Load Fraction (LLF) en de efficiëntie van een SHS die zijn uitgevoerd met het pakket INSEL. Het effect van veroudering wordt gemodelleerd en een optimale dimensionering wordt berekend voor diverse gewenste LLF niveaus. Voor een vaste dimensionering is de LLF gesimuleerd alsook gemeten over een periode van 2 jaren. Hoewel de strekking van dit artikel precies past binnen het lopende onderzoek is het onbruikbaar, omdat de onderbouwing van de gepresenteerde resultaten alsook van de toegepaste modellen ontbreekt.
36
ECN-C--02-007
BIJLAGE 2: ENQUÊTE Questionnaire on technical performance of small stand-alone PV systems Company profile Company name Address
Branch or type of activities (production, installation, research, trade) Which type of systems are installed (PV, wind, …) and for which applications (lighting, pumping, communications,…) In which countries are the PV systems installed? Name of contact person e-mail address Phone number Fax
ECN-C--02-007
37
1 A
B
C
2 A
B
C
38
Type of system Which types of small standalone PV systems have been installed? (max. 3 types: a, b, c) Please add technical specifications and additional data of each system mentioned on separate sheet What type and number of applications are used?
Do the customers buy complete systems or do they buy components separately and assemble a system themselves?
a.
…
…. Wp
b.
…
…. Wp
c.
…
…. Wp
fluoresc. incandesc. radio TV other lights lights
Total power
a.
…..
…..
…..
…..
…. W
b.
…..
…..
…..
…..
…. W
c.
…..
…..
…..
…..
…. W
complete system
What other activities are included in the maintenance?
comments
a.
…..
b.
…..
c.
…..
Installation and maintenance Who carries out the installation?
Who carries out the battery maintenance and, if known, what is the maintenance interval?
separate components
qualified local installer electrician
user
comments
a.
.….
b.
…..
c.
….. qualified local installer electrician
user
Interval
a.
…. Year
b.
…. Year
c.
…. Year
a.
…
b.
…
c.
…
ECN-C--02-007
3 A
Technical performance What are the most common components or system failures and what is the failure rate per year?
failures Module
…
…. per year
Battery
…
…. per year
Charge controller Lights Radio/TV Wiring & fuses B
failure rate
… …
…. per year …. per year
…
…. per year …
…. per year product installation wrong corrosion other wear & tear quality use
Which is most likely the cause of failure? Module Battery Lights Wiring & Fuses General
C
Which are the dominant failure mechanisms for each the components mentioned?
Battery
1. ….. 2. …..
Lights
1. ….. 2. …..
Wiring & Fuses
1. ….. 2. …..
D
What are the main causes of failure that should be solved to warrant a successful large-scale application of SHS?
…
E
Please add your suggestions to overcome these problems?
…
ECN-C--02-007
39
BIJLAGE 3: REISVERSLAG VELDBEZOEK SWAZILAND Periode 20 sept. 2000 - 26 sept. 2000 Edwin Wiggelinkhuizen ECN Zonne-energie Datum: 11 november 2000
1. Doel Doel van het bezoek is het bestuderen van de technische staat van een aantal reeds geïnstalleerde SHSn in Swaziland. De resultaten worden o.m. gebruikt voor het opzetten van levensduurtests aan SHS. De bezoeken konden worden gecombineerd met een lopende survey van Solar International Swaziland (SIS). Verder is gekeken naar het productassortiment in de winkel van SIS, zijn defecte producten geïnspecteerd en bemeten en zijn aanbevelingen gedaan ter verbetering van de service.
2. Assortiment en inrichting van de winkel De verschillende producten als modules en lampen staan redelijk overzichtelijk opgesteld. Een overzicht van het assortiment is te vinden in bijlage 3.1. Alle lampen werken en zijn individueel schakelbaar (verbonden met een centrale accu). De bekabeling is echter provisorisch aangesloten, wat weinig professioneel overkomt en ook gevaar voor kortsluiting oplevert. In de winkel staan ca. vijf defecte en ter oplading aangeboden accu's op de vloer (fig. 1) . Dit zie ter behoorlijk rommelig uit en levert mogelijk gevaar op voor struikelen en voor lekken van zuur op de vloer. Ook staat er een aanzienlijke voorraad defecte accu's (11 stuks) in een speciaal rek voor in de winkel (ook niet in lekbakken). Deze defecte accu's moeten z.s.m. worden afgevoerd. Hierdoor is het ook mogelijk om nieuwe accu's te etaleren.
3. Service acculaden Regelmatig (3 tot 5 maal per dag) wordt er en accu aangeboden om te worden opgeladen. Ook als een accu defect is wordt geprobeerd om deze nog te herladen. Het opladen gebeurt achterin de winkel, waarbij geen gebruik wordt gemaakt van lekbakken of afzuiging (fig. 2). Ook staan de laders tussen de accu's opgesteld en wel zodanig dat er gevaar ontstaat voor omstoten, lekken van water in de acculaders en kortsluiting. Omdat de ruimte uitermate klein is en bovendien als opslag wordt gebruikt is hier dringend verbetering benodigd. Suggestie voor verbetering service: Sluit de opgeladen accu aan op een lamp zodat de klant ziet dat deze goed is opgeladen. Maak ook de behuizing en de polen van de accu goed schoon.
ECN-C--02-007
40
Fig. 1: Accu's die zijn aangeboden voor opladen
Fig. 2: Het opladen van accu's in de winkel
4. Metingen De volgende metingen zijn uitgevoerd (Zie bijlagen 3.2, 3.3 en 3.4): 1 Meting van elektrolyt niveaus en soortelijk gewicht voor de meerderheid van de defecte accu's 2 Inspectie en functionele test van als defect aangemerkte laadregelaars 3 Meting laadstroom onder volle zon van diverse panelen met ingebouwde DC/DC-omzetter, MSolar.
Fig.3a en b: MSolar Energiser 100
41
ECN-C--02-007
5. Veldbezoeken In de periode 20 tot 25 september heb ik met de technicus van SIS 7 SHS bezocht plus een UNESCO project, uitgevoerd door Ian Sault. Daarnaast heb ik met Petra en Chris een vijftal Shell/Eskom SHS systemen en een kliniek met drie PV-systemen bezocht. Verloop survey Werkzaamheden installateur: De gehele installatie wordt nagelopen (inspectie bedrading, testen van lampen en onbelaste en belast accuspanning). Zo nodig zijn lampen vervangen of schoongemaakt. Daarnaast heb ik het elektrolyt niveau gemeten en zonodig bijgevuld en de zuurdichtheid gemeten. Evt. overbrugde laadregelaars of los om de accupolen gewikkelde bedrading werd niet hersteld. Ook werden de accu's niet schoongemaakt of ingevet, tenzij door corrosie de elektrische verbindingen waren verbroken. In het algemeen was de installatie van de SHS in tact. Uitzondering hierop was dat regelmatig de laadregelaar was overbrugd, hetzij door extra belastingen (lampen RTV) direct over de accu aan te sluiten, hetzij door de reeds geïnstalleerde belastingen i.p.v. op de laadregelaar direct op de accu aan te sluiten (fig. 4). In één geval was de accubox onbruikbaar geraakt door wateroverlast. Het plaatmateriaal was vermolmd, wat met de eerdere types van gelakt multiplex niet zou zijn gebeurd (fig. 5). Bij hetzelfde systeem was, waarschijnlijk door kortsluiting, een accupool beschadigd (fig. 6).
Fig. 4: Overbrugde laadregelaar
Fig. 5: (links) Waterschade accubox Fig. 6: (boven) Accupool na kortsluiting Mpati In dit UNESCO project zijn een irrigatie systeem en verlichting op een nabijgelegen school (binnen en buiten) geïnstalleerd in sept. 1999. Het irrigatie systeem met PV is nog niet operationeel. Wel wordt m.b.v. een dieselgenerator + pomp of dieselpomp het reservoir bijgevuld. Enkele verbeterpunten zijn de aansluiting van de pomp op de opvoerbuis en het aanbrengen van een filter (fig. 7c). Deze opvoerbuis is gedeeltelijk nog niet afgedekt (fig. 7 a).
ECN-C--02-007
42
De PV modules zijn nog niet geïnstalleerd maar er was wel een rek voor 2 modules opgesteld. Dit rek moet verstevigd of omheind worden (fig. 7 b). Het is aan te bevelen om robuuste stekerverbindingen te gebruiken, zodat de modules dagelijks kunnen worden meegenomen. Een andere verbetering is zodat de modules kunnen worden gefixeerd en dat deze worden beschermd tegen beschadiging tijdens het dagelijks plaatsen / weghalen en vervoeren.
Fig. 7 a, b, c: Irrigatie systeem Mpati
43
ECN-C--02-007
De accu's in de PV verlichtingssystemen bleken op één uitzondering na niet te zijn onderhouden, zodat de meeste accu's waren droog gekookt. De behuizing van de toegepaste laadregelaars in de PV systemen voor buitenverlichting is onvoldoende afgedicht, waardoor insecten zich hierin hadden genesteld (fig. 9 a en b, 10). Ook de constructie en de afwerking binnen was onvoldoende Twee PL lampen voor buitenverlichting waren defect (fig. 14) en één TL lamp in een klaslokaal. De installatie van de accu's in het klaslokaal en in een aanbouw buiten was rommelig uitgevoerd (fig. 11 a en b). Fig. 8: PV straatlantaarns
Fig. 9 a, b: Mieren in laadregelaar en de aantasting van de printplaat
ECN-C--02-007
44
Fig. 10: Wespennest in laadregelaar (foto: Petra Lasschuit)
Fig. 11 a en b: Accuruimte verlichtingssystemen binnen
45
ECN-C--02-007
Fig. 12: Binnenverlichting klaslokaal
Fig. 13: RTV in klaslokaal Fig. 14 a en b: Buitenverlichting, defecte lampen
ECN-C--02-007
46
Bijlage 3.1: Assortiment winkel SIS Modules Technologie Multi-c-Si
Rating 45 Wp
Verkoop ++
Multi-c-Si Mono-c Si Multi-c-Si + DC/DC-omzetter Multi-c-Si + DC/DC-omzetter Amorf-Si
50 Wp ca. 50 Wp 12 ? Wp 16 ? Wp 14 Wp
? + + ?
Laadregelaars Technologie Analoog + LVD
Rating 12 V, 6 A
Analoog + boost + LVD LF-Schakelende regelaar met µcontroller + boost + LVD LF schakelende regelaar + LVD PWM regelaar + LVD
Accu's Technologie Loodzuur, open, deep cycle Loodzuur, open, deep cycle Loodzuur, open, deep cycle
Inverters Technologie Mod. Sinewave Mod. Sinewave Mod. Sinewave
Appliances Omschrijving B/W TV Bouwlamp met 2xCFL Looplamp Hanglamp PL TL Solar Lantern Solar Lantern
47
12 V, 15 A 12 V, 6 A, 10 A 12 V, 6 A t/m 20 A 12 V, 5 A
Opmerkingen Bijpassend montageframe te koop
Verkoop Niet leverbaar ? ++
Opmerkingen In verleden veel verkocht
+
Boost charging ??
+
+
Fabrikaat First Nat.
Type RV1
Rating 12V
Verkoop ?
Opmerkingen
First Nat.
RV2
12V
+
First Nat.
RV3
12V, 96Ah
++
Fabrikaat Franklin. Franklin. Homecell.
Type
Rating 130 W 130 W ?
Verkoop
Fabrikaat ? Maxlite
Type ?
Rating ?W 2 x 7 W?
Verkoop
Opmerkingen
Maxlite Maxlite Maxlite Maxlite Logic Electronics Neste
Bulkhead
9W
Ruby light Logic Lantern
18 W 5W
++ ++ 0 --
Met 4 W a-Si paneel
Magic Lantern
9 W?
--
Met 6 W a-Si paneel
Opmerkingen
Geen reverse polarity protection
ECN-C--02-007
Bijlage 3.2: Accu metingen
Metingen accu's Solar Int. Swaziland locatie of surveynr. 155 153 153 154
installatie datum datum 22-9-00 1-1-99 22-9-00 1-1-95 22-9-00 1-1-95 22-9-00 1-12-98
winkel winkel winkel winkel winkel
22-9-00 22-9-00 22-9-00 22-9-00 22-9-00
22-9-00 1-7-98 1-6-99 22-9-00 22-9-00
Mpati Mpati Mpati Mpati Mpati Mpati Mpati Mpati Mpati Mpati Mpati Mpati Mpati Mpati
25-9-00 25-9-00 25-9-00 25-9-00 25-9-00 25-9-00 25-9-00 25-9-00 25-9-00 25-9-00 25-9-00 25-9-00 25-9-00 25-9-00
1-9-99 1-9-99 1-9-99 1-9-99 1-9-99 1-9-99 1-9-99 1-9-99 1-9-99 1-9-99 1-9-99 1-9-99 1-9-99 1-9-99
type ? Exide Exide ? Willard RV2 RV2 Willard Willard
capaciteit onbelaste elektrolyt temp (Ah) spanning (V) niveau (°C) 96 enquete ? 20 96 13,4 redelijk 22 96 13,4 redelijk 22 96 enquete ? 20
s.g. cel 1 1,196 1,248 1,270 1,184
s.g. cel 2 1,197 1,253 1,289 1,184
s.g. cel 3 1,144 1,234 1,277 1,145
s.g. cel 4 1,182 1,245 1,210 1,185
s.g. cel 5 1,158 1,214 1,280 1,168
1,178 1,040 1,200 1,172 1,160
1,267 1,040 1,249 1,164 1,169
1,269 1,040 1,255 1,164 1,174
1,269 1,040 1,255 1,169 1,172
1,270 1,040 1,011 1,164 1,176
s.g. cel 6 opmerkingen 1,128 1,248 1,143 1,188
105 96 96 50 50
12,55 5,85 10,42 9,12 11,48
redelijk goed redelijk goed slecht
20 20 20 20 20
96 96 96 96 96 96 96 96 96 96 96 96 96 96
< 10 13,65 12,38
slecht goed slecht redelijk redelijk redelijk redelijk matig matig slecht slecht slecht slecht slecht
23 1,079 1,095 1,088 1,086 1,075 1,079 straatlantaarn 22 1,267 1,266 1,266 1,265 1,265 1,255 buitenverlichting bij klaslokaal 22 1,152 1,099 1,100 1,091 1,100 1,084 buitenverlichting bij klaslokaal 22 bovenste rij, binnenverlichting lokaal 1 22 bovenste rij, binnenverlichting lokaal 1 22 bovenste rij, binnenverlichting lokaal 1 22 bovenste rij, binnenverlichting lokaal 1 22 middelst rij, RTV lokaal 22 middelst rij, RTV lokaal 22 middelst rij, RTV lokaal 22 onderste rij, binnenverlichting lokaal 2 22 onderste rij, binnenverlichting lokaal 2 22 onderste rij, binnenverlichting lokaal 2 22 binnen, RTV lokaal
RV2 RV2 RV2 RV2 RV2 RV2 RV2 RV2 RV2 RV2 RV2 RV2 RV2 RV2
1,269 1,040 eerder in winkel bijgevuld 1,269 1,177 gebruikt zonder zonnepaneel 1,179 gebruikt zonder zonnepaneel
Survey Swaziland, s.g. metingen 1,35
1,30
s.g. (kg/m^3))
1,25
s.g. s.g. s.g. s.g. s.g. s.g.
1,20
1,15
1,10
1,05
1,00 155
153
153
154
winkel
winkel
winkel
winkel
winkel
Mpati
Mpati
Mpati
project of survey nr.
ECN-C--02-007
48
cel 1 cel 2 cel 3 cel 4 cel 5 cel 6
Measured battery electrolyte densities uncorrected values @ Tamb between 20 and 25 °C sept. 2000 1,30
minimum density of 6 cells (kg/l)
1,25
good
1,20
reasonable
1,15
1,10 cell inbalance bad
1,05
1,00 1,00
1,05
1,10
1,15
1,20
1,25
1,30
average density of 6 cells (kg/l)
49
ECN-C--02-007
Bijlage 3.3: Inspectie en functionele test van laadregelaars Datum: 20/09/2000 - 21/09/2000 Type Geconstateerd defect
Opmerkingen / oorzaak
6A
Diode opgeblazen
Reverse polarity of blikseminslag ?
6A
Shunt opgeblazen
Overload of reverse polarity ?
6A
Shunt opgeblazen
6A
Shunt opgeblazen
6A
Shunt opgeblazen
6A
OK
LED en LVD getest
15A
OK
LED en LVD getest
6A
Shunt opgeblazen
6A
Shunt opgeblazen
6A
OK
LED en LVD getest
6A
Diode opgeblazen
Reverse polarity of blikseminslag ?
15A
Batt. Low brandt bij Vbatt = 12,5 V; load wordt niet aangeschakeld wanneer groene LED 80 - 90% brandt; setpoint LVD te hoog
Blikseminslag geconstateerd
15A
Alle 3 FETs opgeblazen (kanaal), soldeereiland loadFET zwart geblakerd.
Blikseminslag geconstateerd
6A
Shunt opgeblazen en load-fet defect (gate doorgeslagen)
6A
Lijkt OK
6A
Shunt opgeblazen
Load FET ven anti-parallel diode zijn verwijderd
6A
Shunt opgeblazen
Print is verwijderd geweest (poging tot reparatie?)
6A
OK
LED en LVD getest
6A
OK
LED en LVD getest
6A
OK
LED en LVD getest
6A
OK
LED en LVD getest
6A
Geheel uitgebrand
Blikseminslag in regelaar
6A
Geheel uitgebrand
Blikseminslag in regelaar
6A (ander type dan bovenstaand)
Anti-parallel diodes accu en load defect
reversed polarity
ECN-C--02-007
50
Bijlage 3.4: Meting laadstroom MSolar panelen Type 1A
Type 2
Type 3
Type 1B
Type #cells Acell Amod
Type 1A 1A 1A 1B 1B 1B 1B 1B 1B 1B 1B
Ser. No. Meas. Current (A) 550 0,40 551 0,48 568 0,49 1302 0,70 1355 0,72 1386 0,41 1435 0,70 1818 0,54 1827 0,50 2849 0,42 4605 0,71
1A
1B 6 0,0156 0,0938
2 3 8 12 10 0,0100 0,009775 0,009775 0,0800 0,1173 0,09775
Nom. Current @ 12 V (A) 0,63 0,63 0,63 0,63 0,63 0,63 0,63 0,63 0,63 0,63 0,63
Yield compared to nominal yield 63 76 78 111 114 65 111 86 79 67 113
P Pnom (W) (W) 5,1 7,6 6,1 7,6 6,2 7,6 8,9 7,6 9,1 7,6 5,2 7,6 8,9 7,6 6,9 7,6 6,3 7,6 5,3 7,6 9,0 7,6
2 2
30351 31074
1,02 0,63
0,93 0,93
110 68
12,9 8,0
11,2 11,2
3
35730
0,30
0,78
39
3,8
9,3
51
ECN-C--02-007
Msolar Energizer modules Measured power compared to nominal power* ( *: nominal power is current value @ 12 V, 25 °C )
120
Power relative to nominal power (%)
100
Good
Reasonable
80
Bad
60
40
20
0 550 1A
551 1A
568 1A
1302 1B
1355 1B
1386 1B
1435 1B
1818 1B
1827 1B
2849 1B
4605 1B
30351 2
31074 2
35730 3
Serial No. Type
Msolar Energizer modules Module Efficiencies
12
Module efficiency (%)
10
Good
Reasonable
8
Bad
6
4
2
0 550 1A
551 1A
568 1A
1302 1B
1355 1B
1386 1B
1435 1B
1818 1B
1827 1B
2849 1B
4605 1B
30351 2
31074 2
35730 3
Serial No. Type
ECN-C--02-007
52
BIJLAGE 4: TESTPROCEDURES Instralingspatronen SHSn De instralingspatronen zijn berekend uitgaande van de uurlijkse globale instraling in Madrid op een zuid-georiënteerde module met een tilt van 45°, gegenereerd door Meteonorm V4.0. Deze instralingdata is omgerekend in een laadstroom (per uur een vaste waarde) met gebruikmaking van een IV-curve verkregen uit buitenmetingen van resp.: een multi-kristallijne module, type RSM 50 van Shell Solar Energy; een mono-kristallijne module, type BP 585 van BP; een gestabiliseerde triple-junction a-Si module, type US-32 van Uni-Solar, de gemeten accuspanningen, de geschatte moduletemperatuur op basis van de uurlijkse temperatuur-data en een opwarming van 20 °C per 1000 W/m². Instraling solar lanterns De instraling van de modules die zijn aangesloten op de solar lanterns is gemeten m.b.v. een mc-Si referentiecel. Ook is de omgevingstemperatuur is gemeten. Belastingspatronen De belastingsstroom is ingesteld volgens een dagelijks patroon dat per half uur kan variëren. De temperatuur van de accu's Deze temperatuur is niet geregeld. De ruimtetemperatuur varieerde tussen +18 ° C en + 25 °C. Break-in cycli accu's De nieuwe accu's hebben vijf volledige cycli doorlopen met (ont)laadstroom C/10. Door een programmeerfout zijn de accu's gedurende deze vijf cycli echter te kort opgeladen. Capaciteitsmetingen Alle capaciteitsmetingen zijn uitgevoerd met een ontlaadstroom C/10 tot een ontlaadspanning van 10,8 V. Het opladen is uitgevoerd met C/10 en is gecontinueerd totdat de reststroom was gestabiliseerd. Zuurweging en onderhoud Maandelijks is voor de open accu's (alle 6 SHSn) een zuurweging uitgevoerd en is zo nodig bijgevuld met demiwater. Data-acquisitie De volgende grootheden zijn gemeten, elk met een interval van 60 sec.: Tabel 4.1: Overzicht gemeten grootheden Gemeten grootheid Sensor Accustroom Shunt Accuspanning Instraling in modulevlak mc-Si ref. Cel Buitentemperatuur Miery luchttemp. meetset Functioneren van de lampen Lichtsensor (aan/uit)
ECN-C--02-007
Bereik 0 .. 15 A 0 .. 20 V 0 .. 1250 W/m² -30 .. + 40 °C
Nauwkeurigheid ± 0,05% f.s. ± 0,05% f.s. ±5% ± 1 °C
n.v.t.
n.v.t.
53
Elk verkregen meetpunt is het gemiddelde van 200 samples over een meettijd van 200 msec. De bewerking van de gemeten data alsook de sturing van de voedingen (laadstromen), de belastingsstromen (lampen met parallel de elektronische loads) is centraal vanuit één programma uitgevoerd. De instelresolutie van de hiervoor gebruikte apparatuur is in de onderstaande tabel vermeld: Tabel 4.2: Resolutie instelling (ont)laadstromen en -spanningen Geregelde grootheid Actuator Bereik Laadstroom HP 6642A 0 .. 20 A Laadspanning (CV mode, SHS3) HP 6642A 15,0 V Ontlaadstroom H&H PL 306 0 .. 50 A
54
Resolutie 13 mA 10 mV 50 mA
ECN-C--02-007
BIJLAGE 5: TESTFACILITEIT
Figuur 5.1: Faciliteit voor uitvoeren accutests en duurtests SHSn.
Figuur 5.2: Accuruimte met de geteste accu's behorend bij de SHSn
ECN-C--02-007
55
Figuur 5.4: Opstelling modules met instralingssensor en luchttemperatuursensor.
Figuur 5.5: Lampen onder test.
56
ECN-C--02-007
Tabel 5.1: Gebruikte apparatuur: Omschrijving Type Data-acquisitie kaart 16ch. multiplexer kaart met galvanische scheiding, 4 Hz. filter High Voltage attenuator block Digital I/O kaart Power supply Electronic load mc-Si referentiecel Luchttemperatuur meetset Zuurweger
ECN-C--02-007
Registratienr.
NI PCI-MIO 16E-4 NI SCXI 1122
DEPV 0349 DEPV 0331 en 0332
NI SCXI 1322 NI PCI 6601 HP 6642A Hocherl & Hackl PL306
DEPV 0333 en 0334 DEPV 0329 DEPV 0178 - 0182, 0211, 0212 DEPV 0213 - 0218 DEPV 0051 DEPV 0018 DEPV 0354
Miery meteo Anton Paar, DMA 35n
57
12 Wp a-Si (winter)
3,1 Ah
Intern
3
3
3
1 x 3,5 W CFL,
+ 1 x 2 W CFL, 2 h/dag
1 x 3,5 W CFL, 2 h/dag
3 h/dag
1 x CFL, 7 W,
3 h/dag
1 x TL, 7 W,
3 h/dag
1 x CFL, 7 W,
3 h/dag
1 x CFL, 9,5 W
2 x CFL, 13 W, 3 h/dag
3 h/dag;
1 x CFL, 7 W, Ah/dag Ah/dag
Ah/dag
5 Ah/dag
Ah/dag
ca. 1 Ah/dag
1,4 Ah/dag
ca. 1 Ah/dag
10 Ah/dag
10 Ah/dag
10 Ah/dag
5
2,5 Ah/dag
9 5
5
2,5 Ah/dag
Solar Lantern
belasting verhoogd (8-6)
Solar Lantern
Swaziland
Overgedimensioneerd
belasting gewijzigd(15-8)
belasting gewijzigd(15-8)
Ondergedimensioneerd belasting gewijzigd(15-8)
Belasting gewijzigd(15-8)
Belasting (lamp + elektronische load) Opmerkingen
58
1
ECN-C--02-007
6Wp a-Si (na 17-7) AGM 3 tot 5 h/dag 1,8 Ah/dag belasting verhoogd (8-6) : Modulestroom gesimuleerd m.b.v. voedingen, op basis van buitenmetingen van betreffende modules door ECN en uurlijkse instralingsdata uit Meteonorm 4.0 , station Madrid: cyclus van 4 maanden: sept, nov., dec, juni. 2 : Dagelijks verbruik (Ah/dag) voor systemen 1 en 2 gelijk gemaakt om zo een goede vergelijking te krijgen m.b.t. de veroudering van de accu met en zonder laadregelaar. Dit is gerealiseerd door een elektronisch geregelde belasting parallel te schakelen. 3 : Laadalgoritme regelt de accuspanning tussen twee grenzen (hysterese-band) d.m.v. aan/uit-regeling van de laadstroom.
SL2
SL1
SLI
3
3
Const. Voltage PWM, 6A
AGM
50 Wp
SHS6
1
70 Ah, deep cycle, vlakke platen
SLI
Klassiek 10 A
Geen
6 Wp a-Si (na 17-7)
50 Wp
SHS5
1
32 Ah
SLI
16 Ah
Intern
50 Wp
SHS4
1
1
Klassiek 10 A
3,1Ah
2x12 Wp
SHS3
70 Ah, deep cycle, vlakke platen
SLI
Klassiek 10 A
3
Laadregelaar
12 Wp a-Si (winter)
2x12 Wp
SHS2
1
16 Ah
Accu
Klassiek 8A
2x12 Wp
SHS1
1
62 Ah
Module
Nr.
BIJLAGE 6: SPECIFICATIES GETESTE SYSTEMEN
-
-
-
-
-
DEPVT 57
DEPVT 58
SHS2
SHS3
SHS4
SHS5
SHS6
SL1
SL2
ECN-C--02-007
LSHS A1A
-
SHS1
LSHS A3A
LSHS A6B
LSHS A5A
LSHS A5B
LSHS A1B
LSHS A6A
Accu
Samplenummers Nr. Module
DEPVT 81
DEPVT 80,
DEPVT 97
DEPVT 79
-
DEPVT 78
DEPVT 77
Laadregelaar
DEPVT 88
DEPVT 86
DEPVT 83
DEPVT 89
Lamp
59
Module vermogen 60
50
Pmodule (Wp)
40
30 Grotere module aangesloten in periode april - juli
20
10
0 SHS1
SHS2
SHS3
SHS4
SHS5
SHS6
SL1
SL2
SHS (1...6), Solar Lantern (7 en8)
Figuur 6.1: Gekozen modulevermogen van de zes SHSn (gesimuleerd) en de zonnelantaarns.
Dimensionering module t.o.v. Accu CR = Isc/Cbatt (-) Geschatte recovery time (dagen) 50
Max. CR
40
CR
(Mod SLI) Recomm. CR 30 (SLI)
7,9 dag
20
10
3,8 dag 1,8 dag
1,8 dag
3,3 dag
voor 6 Wp module
1,7 dag 1,4 dag
1,4 dag
SL1
SL2
0 SHS1
SHS2
SHS3
SHS4
SHS5
SHS6
SHS (1...6), Solar Lantern (7 en8) CR as required in "Universal Technical Standards for SHS"
Figuur 6.2: Dimensionering modulevermogen t.o.v. accucapaciteit (CR) en de geschatte recovery tijd van de SHSn en de zonnelantaarns. De recovery tijd is geschat op basis van opladen vanaf 20 % SOC met gemiddeld rendement van 90 %.
60
ECN-C--02-007
Maximale autonomie 12 autonomie autonomie na 15-8 10
aantal dagen
8
6
4
2
0 SHS1
SHS2
SHS3
SHS4
SHS5
SHS6
SL1
SL2
SHS (1...6), Solar Lantern (7 en8)
Figuur 6.3: Autonomie van de SHSn en de zonnelantaarns, geschat op basis van ontladen van een volle accu tot 20 % SOC.
ECN-C--02-007
61
BIJLAGE 7: TESTRESULTATEN Tabel 7.1: Verloop van de test Periode Periode versnelde test
Opmerkingen
05/04/2001 - 11/04/2001
n.v.t.
Break-in test en capaciteitsmeting SHS
12/04/2001 - 29/04/2001
01/03 - 31/03
Duurtest
01-05-2001 - 17/05/2001
01/06 - 26/06
18-05-2001 - 20/05/2001
Geen instraling
Diep ontladen
20/05/2001 - 10/06/2001
01/03 - 31/03
Recovery, vervolg duurtest
10/06/2001 - 24/06/2001
01/12 - 31/12
24/06/2001 - 02/07/2001
01/03 - 13/03
02/07/2001 - 05/07/2001
Geen instraling
Diep ontladen
05/07/2001 - 17/07/2001
01/03 - 22/03
17/07/2001 - 15/08/2001
01/11 - 25/12
Recovery, vervolg duurtest, belastingpatronen gewijzigd: SHS 1-3: 5 Ah/dag SHS4-6: 10 Ah/dag
15/08/2001 - 17/08/2001
n.v.t.
16/08/2001
Capaciteitsmeting SHS Accu SHS3 defect.
17/08/2001 - 13/10/2001
01/11 - 30/01
vervolg duurtest, onderbreking 09/09 18/09/2001 t.g.v. uitval elektriciteitsnet.
25/10/2001
n.v.t.
Capaciteitsmeting SHS
62
ECN-C--02-007
Gemeten capaciteit C10 genormaliseerd op nominale capaciteit 120%
SHS 1 SLI 16Ah SHS 2 deep cycle 70 Ah SHS 3 SLI 16Ah (geel), 32 Ah (groen)
100%
SHS 4 SLI 32Ah SHS 2 deep cycle 70 Ah SHS 6 SLI 62Ah
C10/Cnom (%)
80%
60%
40%
20%
0% 6-04-2001 nieuwe accu's
11-4-2001 17-8-2001 na break-in test Datum
25-10-2001
Figuur 7.1: Gemeten capaciteit, genormaliseerd op de nominale capaciteit De accu van systeem 3 is gedurende de test defect geraakt en vervangen door een 32 Ah versie.
Ontladingsmetingen zonnelantaarns
Gemeten lading, genormeerd op Cnom (%)
100%
80%
Q_SL1 (%) Q_SL2 (%) 60%
40%
20%
0% 10-5-2001
20-5-2001
4-7-2001
21-9-2001
Datum
Figuur 7.1: Gemeten capaciteit accu's in zonnelantaarns, genormaliseerd op nominale capaciteit
ECN-C--02-007
63
Laadspanning- en stroom 15,0
8
14,5
7
U_HVD SHS2 U_HVR SHS2 I SHS2
14,0
6
13,5
5
13,0
4
12,5
3
12,0
2
11,5
1
11,0 08:03 12:00
08:03 13:00
08:03 14:00
08:03 15:00
08:03 16:00
08:03 17:00
0 08:03 18:00
Laadstroom (A) dikke lijn is ingestelde modulestroom
Laadspanning (V)
U_av SHS2
Date (simulated)
Figuur 7.3: Gemeten laadstroom en laadspanning SHS 2
Laadspanning- en stroom 15,0
8
14,5
7
U_HVD SHS4 U_HVR SHS4 I SHS4
14,0
6
13,5
5
13,0
4
12,5
3
12,0
2
11,5
1
11,0 08:03 12:00
08:03 13:00
08:03 14:00
08:03 15:00
08:03 16:00
08:03 17:00
0 08:03 18:00
Laadstroom (A) dikke lijn is ingestelde modulestroom
Laadspanning (V)
U_av SHS4
Date (simulated)
Figuur 7.4: Gemeten laadstroom en laadspanning SHS 4
64
ECN-C--02-007
Laadspanning- en stroom 14,0
8
U_HVD SHS5
I SHS5
13,5 6 13,0 5
12,5
4
3 12,0 2 11,5 1
11,0 08:03 12:00
08:03 13:00
08:03 14:00
08:03 15:00
08:03 16:00
08:03 17:00
0 08:03 18:00
Laadstroom (A) dikke lijn is ingestelde modulestroom
Laadspanning (V)
U_HVR SHS5 7
Date (simulated)
Figuur 7.5: Gemeten laadstroom en laadspanning SHS 5 (PWM-regelaar)
Laadspanning- en stroom 15,5
1,35
15,0
1,20
14,5
1,05
14,0
0,90
13,5
0,75
13,0
0,60
12,5
0,45
12,0
0,30
11,5
0,15
U_HVD SL2 U_HVR SL2 I_SL2
0,00 11,0 29:06:200 29:06:200 29:06:200 29:06:200 29:06:200 29:06:200 29:06:200 29:06:200 29:06:200 29:06:200 29:06:200 1 10:00 1 11:00 1 12:00 1 13:00 1 14:00 1 15:00 1 16:00 1 17:00 1 18:00 1 19:00 1 20:00
I_max_SL (A)
Laadstroom (A) doorgetrokken lijn is geschatte Imax (0,80*Isc_STC*Gi)
Laadspanning (V)
U_av SL2
Date (simulated)
Figuur 7.6: Gemeten laadstroom en laadspanning zonnelantaarn nr.2
ECN-C--02-007
65
Ladingsbalans 250%
Q_SHS1 (%) Q_SHS2 (%) Q_SHS3 (%)
Ladingsbalans, genormeerd op Cnom (%)
200%
Q_SHS4 (%) defecte laadregelaar SHS6 vervangen
150%
belastingen uitgeschakeld
defecte accu SHS3 vervangen volledige ontlading
volledige ontlading
Q_SHS5 (%) Q_SHS6 (%)
belastingen gewijzigd
100%
50%
0%
22-1-2000
7-1-2000
23-12-2000
8-12-2000
23-11-2000
8-11-2000
15-3-2000
12-3-2000
9-3-2000
21-12-2000
7-12-2000
23-3-2000
11-3-2000
24-2-2000
13-6-2000
29-3-2000
16-3-2000
1-3-2000
-50%
datum (gesimuleerd) laadefficientie ingeschat op basis van de twee momenten waarop accu's volledig ontladen zijn
Figuur 7.7: Ladingsbalans SHSn over de gehele testperiode
Ladingsbalans 175%
Q_SL1_cum (%)
ontlading tot LVD
ontlading tot LVD
Q_SL2_cum (%)
Ladingsbalans genormeerd op Cnom (%)
150%
125%
100%
75%
50%
25%
0%
9-10-01
24-9-01
9-9-01
25-8-01
10-8-01
26-7-01
11-7-01
26-6-01
11-6-01
27-5-01
12-5-01
27-4-01
12-4-01
-25%
Datum de laadefficientie is ingeschat op basis van de twee momenten waarop LVD is opgetreden
Figuur 7.8: Ladingsbalans zonnelantaarns over de gehele testperiode
66
ECN-C--02-007
Recharging before capacity measurement (with I = Cnom/10) 250%
Q1 (SLI, 16 Ah) Q2 (deep cycle, 70 Ah) Q3 (SLI, 16 Ah) Q4 (SLI, 32 Ah)
200%
Batterijlading/Cnom (%)
Cel 1 en 6 defect
Q5 (deep cycle, 70 Ah) Q6 (SLI, 62 Ah)
150%
Overmatig gassen
100%
50%
0%
15-082001 10:00
15-082001 12:00
15-082001 14:00
15-082001 16:00
15-082001 18:00
15-082001 22:00
15-082001 20:00
16-082001 0:00
16-082001 2:00
16-082001 4:00
16-082001 6:00
16-082001 8:00
16-082001 10:00
datum & tijd
Figuur 7.9: Tijdverloop lading tijdens continu opladen van de accu's.
100
200
80
160
60
120
40
80
20
Normalised voltage drop @ I10 (mV)
Measured impedance (mOhm)
Measured impedance with batteries fully charged, applied discharge current = I 10, current variation + 20 %
R
delta V
40
0
0 16 Ah SLI
70 Ah deep cycle
32 Ah SLI
32 Ah SLI (fewer cycles)
70 Ah deep cycle
62 Ah SLI
Battery type
Figuur 7.10: Interne weerstand tijdens ontladen, Gemeten op 16-08-2001, ca. 30 minuten na start ontladen met I10.
ECN-C--02-007
67
Capacity test, charging @ C/10 10
15
I SHS1 (16 Ah SLI) I SHS2 (70 Ah deep cycle) I SHS3 (32 Ah SLI)
8
I SHS4 (32 Ah SLI)
14
I SHS5 (70 Ah deep cycle)
U SHS6 (62 Ah SLI) 6
13
Battery cell defect occurs 4
12
2
11
0 19-10-2001 12:00
20-10-2001 0:00
20-10-2001 12:00
Start recharging
21-10-2001 0:00
21-10-2001 12:00
22-10-2001 0:00
Accuspanning SHS 6 (V)
Accustroomstroom (A)
I SHS6 (62 Ah SLI)
10 22-10-2001 12:00
datum & tijd
Figuur 7.11: Opladen voor capaciteitsmeting met I10, defecte cel accu in SHS 6 Capacity measurement after cycling endurance test 15,0
14,5
14,0
Battery voltage (V)
13,5 Measurement error, manual restart of discharge
Overheating of battery 6 due to cell defect
13,0
12,5
Low charging voltage of battery 1 and 6 Low open circuit voltage of battery 1 due to cell defect
12,0 U SHS1 (16 Ah SLI) U SHS2 (70 Ah deep cycle)
11,5
U SHS3 (32 Ah SLI) U SHS4 (32 Ah SLI) 11,0
U SHS5 (70 Ah deep cycle) U SHS6 (62 Ah SLI)
10,5 22-10-2001 16:00
23-10-2001 0:00
23-10-2001 8:00
23-10-2001 16:00
24-10-2001 0:00
24-10-2001 8:00
date & time
Figuur 7.12: Capaciteitsmeting C10, defecte cellen accu's in SHS 1 en 6.
68
ECN-C--02-007
Cycling Endurance Test 1,5 Q SL1 Q SL2
1,0 fluorescentiebuisje SL 2defect
Batterijlading (Ah)
0,5
0,0
-0,5
-1,0
-1,5
-2,0
-2,5 2-10-2001
4-10-2001
6-10-2001
8-10-2001
10-10-2001
12-10-2001
14-10-2001
datum
Figuur 7.12: Defecte fluorescentielamp SL2.
Figuur 7.13: Defecte fluorescentielamp SL2 (DEPVT 58), Van één elektrode bleek de gloeidraad te zijn doorgebrand.
ECN-C--02-007
69
Zwarting lampen (25 oktober 2001)
fig. 7.14a: CFL 7W (DEPVT 57, SL 1)
fig. 7.14c: CFL 9 W (SHS 3)
70
fig. 7.14b: CFL 9 W (SHS 2)
fig. 7.14d: CFL (DEPVT 83, SHS 2)
ECN-C--02-007
T fig. 7.14e: L 7 W (SHS 5)
fig. 7.14f: CFL 7 W (DEVT 86 SHS4)
fig. 7.14g: CFL 7 W (DEPVT 89, SHS1)
fig. 7.14h: CFL 7 W (DEPVT 88, SHS6)
ECN-C--02-007
71
Reference Yield en Array Yield 10
8
Reference yield
Yref, Yarray
6
4
2
0 1-3-2000
16-3-2000
23-3-2000
1-6-2000
1-3-2000
12-3-2000
1-12-2000
1-3-2000
1-11-2000
25-11-2000 23-12-2000
total
Date
Figuur 7.15: Gemiddelde Reference- en Array Yield SHSn 1 t/m 6 over gehele testperiode
Reference yield en Array Yield (zonnelantaarns) 6
Hday
Reference yield
Ya 7 Ya 8
5
Yref en Yarray
4
3
2
1
0 12-04-2001
12-05-2001
29-05-2001
5-07-2001
30-07-2001
14-08-2001
7-09-2001
totaal
Datum (periode 12-4-2001 tot 13-10-2001)
Figuur 7.16: Gemiddelde Reference- en Array Yield zonnelantaarns over gehele testperiode. In juli zijn de i.p.v. de 12 Wp modules 6 Wp aangesloten, beide typen zijn reeds in februari 2001 buiten geïnstalleerd.
72
ECN-C--02-007
Average charge factors 350
CF 1 CF 2 CF 3
300
CF 4 CF 5 CF 6
Charge factor (%)
250
200 no data for system 3, defect battery was replaced 150
100
50
0 1-3-2000
16-3-2000
23-3-2000
1-6-2000
1-3-2000
12-3-2000
1-12-2000
1-3-2000
1-11-2000
25-11-2000
23-12-2000
total
Period
Figuur 7.17: Gemiddelde laadfactoren SHSn over gehele testperiode
Laadfactoren (%) (zonnelantaarns) 130 CF 7 (%) CF 8 (%) 120
110
CF (%)
100
90
80
70
60 12-04-2001
12-05-2001
29-05-2001
5-07-2001
30-07-2001
14-08-2001
7-09-2001
totaal
Datum
Figuur 7.18: Gemiddelde Laadfactoren zonnelantaarns over gehele testperiode
ECN-C--02-007
73
Loss of Load (%) 100
LoL SHS1 (%) LoL SHS2 (%)
90
LoL SHS3 (%) LoL SHS4 (%)
80
LoL SHS5 (%) LoL SHS6 (%)
70
LoL (%)
60 recovery test 50
40
30
20
10
0 1-3-2000
16-3-2000
23-3-2000
1-6-2000
1-3-2000
12-3-2000
1-12-2000
1-3-2000
1-11-2000
25-11-2000 23-12-2000
totaal
Datum (gesimuleerd)
Figuur 7.19: Loss of Load percentages over gehele testperiode
Loss of Load (%) (zonnelantaarns) 90
LoL7 (%) LoL8 (%)
80
70
LoL (%)
60
50
40
30
20
10
0 12-04-2001
12-05-2001
29-05-2001
5-07-2001
30-07-2001
14-08-2001
7-09-2001
totaal
Datum (periode 12-4-2001 tot 13-10-2001)
Figuur 7.20: Loss of Load percentage zonnelantaarns over gehele testperiode
74
ECN-C--02-007
