Jak pomůže slunce a baterie s energeticky soběstačným karavanem?

Možnost vyrazit s rodinou nebo přáteli na dovolenou i přes uzavření standardních ubytovacích zařízení, či omezení jejich provozu se v posledních měsících stala velmi aktuální. Takže pokud si pořizujete karavan nebo vzhledem k jejich nedostatku řešíte přestavbu dodávky na karavan, tento článek je přesně pro vás. V takovém případě je totiž vhodné zamyslet se nad tím, jak vyřešit elektroinstalaci a energetickou bilanci obytného vozidla. Na všechny podstatné otázky s tím související odpovídá tento článek tak, že vás provází jedním příběhem přestavby dodávky na karavan. Dozvíte se v něm důvody, které vedly k volbě daného řešení a zároveň jsou v článku naznačeny možnosti, jak by se vše dalo řešit i jinak.

Závislost vs. nezávislost na elektrické přípojce

Pokud počítáte s elektrickou přípojkou, bude elektroinstalace provedena převážně v zásuvkách a světlech AC (střídavý proud) 230V. Alternativou k elektrické přípojce bude elektrocentrála nebo baterie s invertorem DC (stejnosměrný proud) 12V/AC 230V, které připojíte spíše krátkodobě na vstup místo přípojky. Elektroinstalace a elektrické spotřebiče pak budou stejné nebo podobné, jako máte doma.

Pokud chcete být na vnější elektřině maximálně nezávislí, zvolíte elektroinstalaci a spotřebiče tak, abyste nemuseli provádět konverzi z DC 12V na AC 230V (a částečně pak zase zpět). Celý systém tedy bude většinou proveden v systému DC 12V, kde jsou také k dispozici standardizované zásuvky a spotřebiče. Invertor DC/AC se standardní IEC / Schuko zásuvkou pak může sloužit pouze pro jeden spotřebič 230V na pohyblivém přívodu, takzvané prodlužovačce. Systémy DC a AC lze samozřejmě v různé míře kombinovat, nebo je mít v karavanu i vedle sebe.

Náš vzorový karavan vyrazí na expedici po odlehlých koutech Evropy, kde se s přípojkami 230V moc nepočítá. Zadání bylo dosáhnout co nejvyšší nezávislosti. V přestavbě jsme se proto rozhodli pro systém spotřebičů 12V s několika zdroji nabíjení baterie a s jednou zásuvkou 230V na invertoru, která je určena pro flexibilní zapojení různých pohyblivých spotřebičů.

Základní schéma blokové instalace 12 V a její realizace

Jednoduchý vs. sofistikovaný systém

Pro začátek připomeňme, že ať zvolíte jakkoliv, obytný vůz musí mít vždy dvě samostatné baterie. Klasickou startovací olověnou baterii a pak oddělnou pro obytný prostor. Na tuto trakční baterii karavanu se přitom v žádném případě nehodí olověné nebo lithiové baterie určené pro ruční nářadí či elektrokola, ale pouze lithium železo fosfátové, označované zkratkou LiFePO4. Ty jsou sice naprosto odolné proti požáru či explozi, ale je potřeba je chránit před poničením přebitím nebo hlubokým vybitím. O to se stará ochrana baterie, jejíž náležitosti jsou pro zájemce popsány v bezplatném ebooku, na nějž odkazujeme na konci článku. Bez této ochrany nelze LiFePO4 baterii do karavanu instalovat!

Pokud si zvolíte jednoduchý systém, tak se dle svých možností snáze seznámíte se základními komponenty systému a jeho celkovou funkcí. Naučíte se vyčíst potřebné hodnoty z grafických ukazatelů nebo číselných hodnot na display přímo v karavanu. Na základě získaných znalostí a zkušeností si pak především sami určíte, jak elektroinstalaci využívat a co je třeba udělat. Automatické funkce systému pak budou omezeny např. jen na ochranu baterie před nebezpečnými stavy, přetížení obvodů atd… V případě vyšší technické zdatnosti budete schopni identifikovat závadu (vadný komponent) a po telefonické konzultaci s odborníkem provést opravu nebo výměnu. Toto platí především v systémech s bezpečným napětím 12V.

Blokové schéma elektroinstalace popisovaného karavanu

Ale z karavanu lze též udělat do značné míry „smart home“. V takovém případě vás pak systém bude o všem informovat, a to například pomocí mobilní aplikace s varovnými SMS, přes vlastní dotykový display a obdobné moderní kanály. Většinu činností bude dělat za vás (sledovat předpovědi počasí, omezovat spotřebu, vybírat režim nabíjení baterie, dokonce i startovat elektrocentrálu). Toto řešení bude komfortní, drahé a servis většinou budete muset v plném rozsahu svěřit odborné firmě.

V naší přestavbě jsme již zvolili maximálně nezávislý DC systém 12V. Uživatel ale chce být pokud možno nezávislý i na servisní firmě. Nemá sice elektrotechnickou kvalifikaci, ale je ochoten (a tudíž i schopen) systém přiměřeně pochopit a plně obsluhovat. Je na to třeba v podstatě jen elektrotechnických znalostí ze základní školy. Proto jsme se rozhodli pro jednoduchý systém, sestavený ze snadno nahraditelných a dostupných komponentů, ovládaný převážně ručně na základě zobrazovaných údajů.

Jaké fotovoltaické panely použít, kam a jak je upevnit?

Panely na střeše v horizontální poloze většinou nedosáhnou 100% výkonu, ale v létě mají dlouhou a plochou křivku výroby, což je pro základní energetický zisk výhodné.

Umístění na šikmé části karavanu znamená potenciálně vyšší výkon, ovšem nerovnoměrně rozložený v průběhu dne. Pro dosažení maximálních zisků je v tomto případě třeba dbát na vhodnou orientaci panelů, což není vždy prakticky realizovatelné.

Zdroj: GWL - ELEKTROINSTALACE V KARAVANU 7 otázek a odpovědí.

OHEBNÉ FLEXI PANELY

Pro karavany lze použít bezrámové flexi panely. Jejich výhodou je tvarová flexibilita (omezená!), dále poměrně snadná instalace a minimální přesah přes obrys karavanu. Většinou je ale třeba zajistit odvětrání spodní plochy panelu a eliminovat rozdílnou roztažnost panelu a podkladu. Vhodné je použít např. mezivrstvu z odolného makrolonu (polykarbonátu).

STANDARDNÍ NEOHEBNÉ

Především na střechu karavanu lze dobře použít i klasické panely s rámem. Výhodou je široký výběr tvarů a výkonů a příznivější cena, nevýhodou pak horší aerodynamika. Pro upevnění na plochu se vyrábějí např. rohové úchyty. Existuje ale i mnoho různých Al profilů, které lze na karoserii karavanu upevnit a použít pro následnou montáž panelů.

V ukázkové přestavbě jsme mohli využít prostor na střeše karavanu o rozměru cca 140 x 200 cm. Použili jsme tedy 3 ks klasických 160 Wp panelů s hliníkovým rámem o rozměru 140 x 65 cm. Pro jejich upevnění dobře posloužily hliníkové profily původně určené pro střešní trapézové plechy. Ty jsme uložili do tmelu a upevnili šrouby do karosářských nýtů se závitem.

Jakou baterii použít, jak a kam ji nainstalovat?

Při volbě konkrétního typu baterie a její kapacity je třeba zohlednit především tato kritéria:

• Spotřebu elektroinstalace v denním/vícedenním cyklu.
• Možnost připojení z dalších zdrojů (alternátor vozidla, elektrocentrála, síť…).
• Výrobu z FV panelů v denním/vícedenním cyklu.
• Maximální příkon elektroinstalace (proudové zatížení baterie).
• Životnost baterie (počet cyklů, hloubka vybíjení…).
• Prostorový a váhový limit, které pro baterii máme.

Kalkulace příkonů a spotřeby ukázkového karavanu je zachycena v následující tabulce.

Zdroj: GWL - ELEKTROINSTALACE V KARAVANU 7 otázek a odpovědí.

Čím větší rezervu v kapacitě po propočtu přidáme, tím lépe (nečekané stavy, rozšíření instalace, nízké teploty…). Baterii je třeba umístit na bezpečném místě, a to z hlediska mechanického poškození při havárii, nadměrných teplot, vlivu vody, prachu, hmyzu a hlodavců. Vhodná je taktéž ochrana před „nafouknutím“ článků během jejich krátkodobého přetížení, vybití či přebití.

Jednotlivé články je třeba vhodně fixovat do celku a na jejich propojení použít originální propojky a krytky terminálů. Ideální je použít typový box, nebo alespoň stahovací set a baterii pak uložit a upevnit do vytvořeného uzavíratelného prostoru.  Takové fixační boxy lze koupit hotové či v různém stádiu připravenosti.

Ukázka toho, jak mohou vypadat typové boxy a stahovací sety, které mechanicky chrání baterii a zamezují „nafouknutí“.

V ukázkové přestavbě jsme se na základě uvedených propočtů rozhodli pro baterii sestavenou ze 4 kusů článků LiFePO4 300Ah. Máme tedy zásobu 3,6 kWh, což je v kritické situaci na tři dny plné nezávislosti. V běžném letním provozu lze ale předpokládat plné pokrytí spotřeby z fotovoltaických panelů v denním cyklu, a to částečně přímo. Denní cyklus baterie tak bude třeba jen 0,5 – 0,8 kWh, takže máme luxusní rezervu na rozšíření spotřeby nebo nečekaný energetický požadavek.

Graf: kalkulace soběstačnosti vzorového karavanu z fotovoltaiky (horizontální FV pole 480Wp, střední Evropa).

Zásady správné instalace

Hlavními uzly celé instalace jsou baterie, rozvaděč (pojistková skříň) a monitorovací panel. V malé instalaci jsou tyto části většinou v jednom prostoru, který by měl být dobře přístupný. V napěťové hladině 12V je třeba počítat s vysokými proudy, dbáme proto na dostatečné průřezy a co nejkratší délky vodičů, tzn. blízkost jednotlivých uzlů již při návrhu celého systému.

Používáme řádně barevně značené a ukončené splétané vodiče, v trasách a prostupech chráněné trubkami, spirálními bužírkami atd. Důležité je upevnění proti prodření a jinému poškození, které může vzniknout provozem vozidla, především otřesy. Každý obvod by měl mít svůj jistící prvek, nejlépe snadno mechanicky odpojitelný. Bezpečné a přístupné odpojení FV panelů a baterie je samozřejmostí. Oživování systému začínáme vždy s dobitou a zbalancovanou baterií. Postupně zapojujeme monitorovací systém a jednotlivé okruhy spotřeby. Sledujeme hodnoty napětí a proudu, ohřívání spojů (vhodná je infra kamera), vodičů, přístrojů atd. Po částečném vybití baterie postupujeme obdobně při testování nabíjecích prvků a nastavování jejich parametrů.

Zdroj: GWL - ELEKTROINSTALACE V KARAVANU 7 otázek a odpovědí.

V naší instalaci byl v bezpečné části vozidla vytvořen samostatný prostor pro baterii a její nástavbu. V blízkosti a na přístupném místě je prostor pro rozvaděč z elektrických prvků umístěných na DIN liště. Monitorovací panel je na dveřích rozvaděče a hlavní přístroje na sousedící stěně toalety. Rozvody jsou uloženy v elektroinstalačních trubkách a lištách skrytých za dřevěnými obklady.

Jak systém provozovat a udržovat

PROJEKTOVÁ DOKUMENTACE A MANUÁLY PŘÍSTROJŮ

V karavanu je třeba vyčlenit místo, kde bude bezpečně uložena veškerá dokumentace pro uživatelské i odborné servisní potřeby. Schéma elektroinstalace je vhodné umístit například i na vnitřní stranu dveří rozvaděče apod. Pokud bude někdy na cestě potřeba odborná pomoc elektrikáře, bude to první věc, kterou bude chtít vidět.

SERVISNÍ BALÍČEK, KONTAKTY

Na palubě je vhodné mít náhradní pojistky, izolační pásku, vázací pásky, spojovací el. svorkovnice, jednoduchý multimetr. Některé drobné poruchy a nehody můžete vyřešit sami, nebo např. videohovorem s odborníkem. Ten vždy ocení technické vybavení a každý stupeň zaškolení uživatele s provozovaným systémem. Pokud nemáte takového „přítele na telefonu“, mějte alespoň tip na servis v dané zemi.

PROVOZNÍ ÚDRŽBA

Doporučuje se alespoň jednou za měsíc prověřit tyto stavy (čím častěji, tím lépe):

• změřit napětí jednotlivých článků baterie (řešit hodnoty pod 3V a nad 3,6V)
• vizuálně zkontrolovat stav baterie (dotyk vodičů s rezistory balancérů, uvolněné součásti…)
• zkontrolovat upevnění FV panelů a jejich konstrukce
• věnovat pozornost nápadnému ohřívání přístrojů a spojů v silových obvodech 12V (terminály baterie, Battery Protect, jističe, invertor, svorky atd.)

Zdroj: GWL - ELEKTROINSTALACE V KARAVANU 7 otázek a odpovědí.

POSEZÓNNÍ ÚDRŽBA

• dobít baterii a spolehlivě (mechanicky) ji odpojit od veškeré zátěže, optimálně uskladnit v pokojové teplotě (není potřeba u LiFePO4 článků, např. značky Winston nebo Elerix)
• provádět kontrolní měření baterie, optimálně 1x za měsíc (eliminace možné poruchy hlídacího systému a následného vybití baterie jeho vlastní spotřebou – řešit hodnotu pod 3,2 V na článek)
• zajistit elektroinstalaci proti poškození hlodavci a hmyzem
• baterii dobít cca 1x za tři měsíce, před sezónou dobít a zbalancovat články
• před sezónou zkontrolovat celkový stav instalace (optimálně odborníkem)

BEZPEČNOST

• v karavanu, bateriovém prostoru a u jističů je vhodné osadit kouřové čidlo
• veškeré aktivní elektrické prvky připevňovat na nesnadno zápalné podložky (např. CEMVIN)
• na viditelném a dostupném místě mít funkční práškový hasící přístroj
• chránit baterii před mechanickým poškozením a možností nafouknutí
• zamezit dětem a nepoučeným osobám v manipulaci s elektroinstalací a el. přístroji

Jak to celé reálně funguje?

Dokončení ukázkové přestavby se potkalo s nástupem koronavirové pandemie na jaře r. 2020 spojené s obavou z brzkého uzavření hranic. Cestovně naladěná rodina tak na nic nečekala a s ne zcela dokončeným a odzkoušeným karavanem vyrazila z České republiky do cílové země – Portugalska. Se zavřenými hranicemi (a kempy s přípojkami elektro…) se setkali mezi Francií a Španělskem. Volba nezávislé a soběstačné elektroinstalace se tak ukázala jako velmi vhodná a funkční.

Běžná denní spotřeba karavanu byla přesně dle výpočtu 1 kWh. Ukázalo se, jak je užitečné si vše dopředu naplánovat a propočítat. Baterii tedy během většiny cesty stačily dobíjet pouze FV panely, na což si obyvatelé karavanu rychle zvykli a o dobíjení a šetření energií se přestali starat. Za deštivého počasí v Normandii, po delším vaření, topení (chodu ventilátoru naftového agregátu) koukání na filmy v tabletech atd… „najednou“ zhasla světla. Ostatní elektrické spotřebiče však fungovaly dál, včetně lampiček v zásuvkách. Ale zhasnutí světel si všichni všimli: „Proč to zhaslo?“

Ukázalo se, že nastavená bezpečnější (vyšší) úroveň napětí baterie pro vypnutí světelných obvodů je velmi účinná „kontrolka“ před celkovým blackoutem karavanu. Uživatelé si tak včas vzpomněli, že je třeba začít šetřit a zase někam popojet, aby se baterie dobila - zatím alespoň přes alternátor a booster. To bylo koncem března. S dubnovým a květnovým sluncem se již tato situace neopakovala a není třeba se jí obávat do října.

Zdroj: https://www.mygenerator.com

Na jednoduchých měřičích energie cestovatelé sledovali spíše přebytek energie, a tak cestou přikupovali další a další drobné spotřebiče, např. varnou konev na 12V a vysavač. Než se naučili rozložit spotřebu do více zásuvek, asi dvakrát jim vypadla přetížená pojistka. To byly jediné „komplikace“ na cestě dlouhé cca 6 000 kilometrů. V květnu se karavan objevil zpět v České Republice, tak jsme provedli servisní prohlídku a vyslechli připomínky uživatelů ohledně podsvícených USB zásuvek, které ruší svým svitem v noci. Na tyto okruhy jsme tedy přidali vypínač a až se podaří sehnat nepodsvícené, bude snadné je vyměnit. Jinak nebylo co servisovat, baterie byla vzorně zbalancovaná, přístroje funkční, majitel systému rozuměl více než jsme čekali… V červenci 2020 karavan opět zmizel za hranicemi a po týdnu se hlásil z Bragy v Portugalsku – vše OK. Tak snad bude tento dobrý příběh jedné instalace pokračovat. Přejeme mnoho šťastných kilometrů, objevů a zážitků!

Technické podrobnosti, které se nevešly do článku jsou k dispozici v plné verzi brožury zde: