DIY elverk för laddning av större batteribank

[JohnA]

Tjoh! Jag vill få ihop ett bensin- eller dieseldrivet elverk med bästa möjliga bränsleekonomi, och dessutom göra detta som ett lågbudgetbygge av gammalt skrot så långt det är möjligt. Det väsentliga är hur många kWh användbar el det ger per krona eller liter bränsle.

EDIT: Det slog mig att förbränningsmotorn inte är något som vi behöver fundera över i denna tråd, det räcker att den kan tänkas vara på 3-10 kW och ha varvtalsregulator.

Det som ska laddas är två st. 12V/200Ah AGM eller gel-batterier och jag har inte bestämt ännu om de ska seriekopplas för 24V systemspänning, kopplas parallellt för 12V eller kanske rent av som två mer eller mindre separata system. Det är bland annat detta jag hoppas tråden kan hjälpa till att klura ut. Laddning av batterier innebär förluster, inte bara i laddningstekniken utan också i själva batterierna, och ju mer bråttom man har att ladda desto större blir batteriernas laddningsförluster. Om detta sedan är förluster stora nog att ta hänsyn till vet jag inte, men det får i alla fall inte glömmas bort.

Vanliga bilgeneratorer är DIY-vänliga, men sägs ha bedrövlig verkningsgrad, i synnerhet när de pressas hårdare. Vid 12V systemspänning kan över 100W gå bort som värmeförluster enbart i likriktardioderna till följd av deras relativt höga spänningsfall. Vissa moderna bilgeneratorer har aktiv likriktning, men det löser inte problemet med kopparförlusterna i statorn, virvelströmsförluster/järnförluster och rotorns magnetiseringsström.  Äldre 12V bilgeneratorer har jag i drivor, och fler kan jag få gratis, så det kanske kan vara en god idé att koppla ihop flera stycken för att minska deras belastning och på så vis öka verkningsgraden? Inget hindrar att bilgeneratorer för 12V isoleras från höljet och sedan seriekopplas i det fall 24V känns vettigare än 12V att välja som systemspänning, men det löser som sagt inte problemet med likriktarförlusterna. En 24V lastbilsgenerator kanske kan förväntas ha högre verkningsgrad än två personbilsgeneratorer med samma summerade effekt? Åtminstone likriktarförlusterna borde minska till 1/4 med 24V.

Jag har en 230V/3500W Electrolux Travel Power generator med inverter, och det går förstås också att använda en vanlig 230V synkrongenerator, men om jag väljer att gå "omvägen" över 230V behövs något slags batteriladdare, vilken både har förluster och blir dyr i kW-klassen, om den inte har turen att skrotfyndas. Om 24V lastbilsgeneratorer generellt ger mycket bättre verkningsgrad än 12V personbilsgeneratorer kanske detta är vad som avgör "hela grejen" i mitt fall, alltså både laddningsmetod och systemspänning.

Kort och gott, finns något alternativ till vanliga bil- (och lastbils-) generatorer som kan ge 12 eller 24 V med betydligt bättre verkningsgrad än dessa? Kanske en gammal truckmotor med kolborstar kan ge bättre verkningsgrad än "bilgeneratorliknande" lösningar i det att den ordnar likström under mindre spänningsfall än hos dioder, samt att järn- och lindningsförlusterna kan bli relativt små om en inte allt för hög effekt plockas ut?

[JohnA]

Inser att jag höll på att falla in i snedtänk... 

Jag skrev ovan att det där med laddningsförluster inuti ett batteri är något som inte ska glömmas i sammanhanget, och nu slog det mig att det är något högst väsentligt. Det brukar ju vara så med fysik att verkningsgraden hos praktiskt taget vad som helst blir bättre i större skala, vilket kan tala för att ett elverk inte ska vara så litet att det måste vara igång många timmar i sträck. Om elverket därför byggs kraftigare ökar laddningsförlusterna i batteribanken, och det finns naturligtvis en gräns också för hur fort batterierna klarar att laddas upp utan att ta skada. En batteribank på i mitt fall 12V/400Ah eller 24V/200Ah är så klart inget man pumpar in flera kW i ostraffat. Därför blir förbränningsmotorn i elverket en större utmaning än jag först tänkte. Motorn får helt enkelt inte vara onödigt stor. Generatorfrågan är fortfarande viktig eftersom elverkets drifttid kan behöva bli många timmar i sträck.

Kan det vara så att med ett mindre elverk till följd av en långsammare batteriladdning så kanske omvägen över 230V generator med efterföljande batteriladdare har en chans att ge högre verkningsgrad än att "gå direkt" med generator för 12 eller 24 Volt? Med en sådan omväg antar jag det spelar mindre roll om batteribanken är på 12V eller 24V.

Hur tufft är det försvarligt att ladda blybatterier egentligen? (m.a.p. både verkningsgrad och livslängd)

[torbjorn]

När det gäller den dåliga verkningsgraden hos bilgeneratorer så är det ju, förutom framspänningsfallet i likriktarbryggan, kopparförlusterna i statorlindningen som är den stora boven. Och de ökar ju med kvadraten på strömmen.
Det har väl retts ut tidigare att om man ska få en bilgenerator att gå med någotsånär god verkningsgrad, så kan det vara lagom att belasta den med på sin höjd 20-30 % av märkström, och att driva den vid ett medelhögt varvtal så att den inte behöver magnetiseras så hårt att järnförlusterna blir otrevligt stora.  Alltför högt varvtal leder dock till att friktions- och hysteresförluster börjar bli alltför stora problem. Lagom kanske är att prova ut det lägsta varvtal där generatorn kan leverera önskad ström, och så köra den med dubbla det varvtalet.
En stor 24 V-generator från t ex en buss skulle således kunna vara utmärkt för sådana här användningsområden.

Den gamla tumregeln för blybatterier säger ju att de bör laddas med högst C/10 om man ska vara på den säkra sidan. I praktiken tror jag man utan vidare kan gå upp till kanske C/5 eller C/3 under början av laddningen (alltså innan gasning inträder, kanske upp till 60-75 % laddat batteri), men sista delen av laddförloppet bör ske med lägre ström av både livslängds- och verkningsgradsskäl.

[JohnA]

Det där om att minska laddningsströmmen över en viss laddningsnivå adderar ytterligare drifttid på elverket, vilket så klart ökar utmaningen att uppnå bra verkningsgrad i detta. Generatorns förluster verkar ju s.a.s. i rätt riktning här, d.v.s. förlusterna minskar med magnetiseringsströmmen. Förbränningsmotorn är det dessvärre precis motsatt med.

De batterier jag fått tag på ska alltså inte tvingas på mer än 20A när de börjar bli hyfsat laddade, och aldrig mer än 40-50A.
Säg att jag kopplar dem till 24V/200Ah och laddar max 50A med en bussgenerator. Vid den strömmen bör verkningsgraden i generatorn vara hyfsad. 50A x 30V = 1500W maximal inmatad laddningseffekt. Om generatorn har så låg verkningsgrad som 50% (ej sannolikt vid denna låga belastning) behövs alltså 3kW från förbränningsmotorn. Detta känns som storlek och resurser hos ett tämligen normalt portabelt elverk.

Likriktarförlusterna i en generator ökar brutalt när systemspänningen går ner, vilket nog är främsta anledningen att satsa på 24V i stället för 12V. Tillgång och priser på utrustning talar dock för 12V. Kan det vara så att även kopparförlusterna blir större vid 12V än vid 24? Det bör gå att hitta begagnade lastbils- eller truckladdare för 230V med ungefär dessa prestanda, så frågan är om "omvägen" över 230V kan bli en effektivare lösning i slutänden, när det nu verkar svårt att få till en effektiv generator för direkt batteriladdning?

Få se nu... Mer grovmatematik:
Säg att batteribanken driver ett vanligt hushållskylskåp och en frysbox via en inverter. Det kan i runda slängar röra sig om ett genomsnittligt effektbehov på 100W. Det behövs en kraftig inverter för att klara kompressorernas startströmmar, men vid drift blir belastningen låg och verkningsgraden i invertern säkert uppemot 90%. Tomgångsförlusten i en sinus-inverter är dock otrevligt hög, säkert 10-20W. Så säg att den kontinuerliga snitteffekten från batterierna ligger på 150W. Detta blir 3,6kWh under ett dygn. Om denna energi ska återföras med ett elverk och maximal laddningseffekt för batteriernas skull är 1500W enligt ovan, behöver elverket vara igång säkerligen tre timmar eller mer per dygn. Har jag inte slarvräknat fullständigt snett har mina batterier (2st 12V/200Ah) en maximal teoretisk kapacitet på 4,8 kWh, och ska man inte vara allt för elak mot dem får man nöja sig med hälften av det uttaget. Detta innebär att min batteribank förmodligen inte räcker till om elverket bara startas en gång per dygn. Möjligen att batterierna kan klara jobbet om elverkets drifttid är flera timmar och det då finns ett överskott på el som kan driva kyl och frys medan laddningen pågår. Det finns också god potential till förbättring genom att t.ex. placera kyl och frys kallt, samt modifiera dem så att deras termostater styr var sin inverter till/från vid behov,  i stället för att ha en gemensam inverter som är igång dygnet runt.

Om nu elverket måste vara igång flera timmar per dygn, lågvoltsgeneratorer för direktladdning av batteribanken är svåra att få till med bra verkningsgrad, och maximal laddström inte är högre än att det kan bli försvarbart att gå omvägen över 230V, finns möjligheten att eliminera förlusterna i 12/24V -> 230V sinus-invertrar under tiden elverket är igång, genom att driva kylskåp och frysbox direkt från elverkets 230V samtidigt som batterierna laddas.

Någon liter bensin per timme tycks vara ganska normalt för elverk i den storleksklass jag fått fram här, så 50-100 kr/dygn i bränslekostnad är nog inte att förvånas över. Med dieseldrivet elverk och motor av bra kvalitet bör det gå att trimma ner en bit av driftkostnaden, och om spillvärme från elverk, laddare och invertrar kan tas tillvara för uppvärmning får det ett stort värde i sig vintertid då solceller inte ger så mycket.

Det ser ut som att jag är på väg att "uppfinna" ett helt ok nödsystem för strömavbrott under några dygn, men är långt ifrån en hållbar off-grid-lösning. Naturligtvis förbättras situationen betydligt av att komplettera anläggningen med solceller. Dessa levererar blygsam energi vintertid, men då är också elbehovet till kyl och frys betydligt mindre. Detta är dock utanför trådens ämne.

Om målet är att leva off-grid permanent av rent ekonomiska skäl, utan att ta hänsyn till den bekvämlighet och trygghet det innebär att vara ansluten till elnätet är en bränslekostnad på ca 2000 kr/månad ändå inte så himla illa, så är man villig att ändra livsstil ganska radikalt behövs kanske inte så stora investeringar i alternativ energiteknik, om man vill behålla moderniteter som kyl och frys, och pumpa vatten, tända lampor m.m. ibland.

[ensamhet]

Diesel som går på frityrolja mm.?
Ångmaskin?