Elektrische 12V installatie voor off-the-grid kamperen.
In deze post een beschrijving van een zelfgebouwde 12V elektrische installatie met accu en zonnepaneel voor 'off-the-grid' gebruik waarmee ondertussen enkele jaren ervaring is opgedaan. Deze installatie zit in een 3Dog vouwwagen maar omdat er geen vouwwagen merk of type specifieke elementen in zitten is deze post in deze algemene projecten groep geplaatst.
Voor de leesbaarheid verdeel ik de informatie in deze post over meerdere reacties.
In deze eerste post de introductie met mijn uitgangspunten en gemaakte functionele keuzes afsluitend het schema. Het schema is ontstaan uit het evalueren van meerdere oplossingen waarna keuzes gemaakt zijn. In een reactie zal ik meer achtergrond informatie delen over gemaakte technische keuzes. Lees ook graag (of liever eerst) deze aanvulling, ik verwacht dat dit al veel vragen wegneemt.
Afhankelijk van reacties of vragen wil ik graag in meer aanvullende informatie delen.
Introductie:
Onze vouwwagen is in 2017 vanaf fabriek zonder elektrische installatie of keuken geleverd. Zelf heb ik een keuken, wagenbakinrichting en elektrische installatie toegevoegd. De elektrische installatie bestaat uit een 230V en 12V deel waarbij het 12V deel voorbereid was op latere toevoeging van accu en zonnepanelen. Zie voor details van dit project
https://www.vouwwagenclub.info/forum/index.php?topic=21444.0 , Let op: In latere posts van mij in dit draadje staat meer informatie over de elektrische installatie (reactie 4, 15, 40, 47 en 53) en ervaringen met off-the-grid kamperen. In voorjaar 2018 is de 12V installatie met toevoeging van een accu, zonnepaneel en wat elektronische onderdelen geschikt gemaakt voor off-the-grid kamperen. Deze post gaat over de uitgangspunten, de gemaakte afwegingen en de uitvoering van de complete off-the-grid elektrische installatie.
Uitgangspunten: (zie voor meer details de gelinkte post in het 3Dog gedeelte).
1) Plug & Play: Aansluiten aan stroompaal, auto of zonnepaneel met accu; automatisch moet de juiste energiebron voor de verschillende gebruikers gekozen worden.
2) Optionele accu, voldoende groot voor 4 dagen off-the-grid kamperen.
3) Optionele zonnepaneel met laadregelaar in combinatie met de accu voor onbepaalde tijd off-the-grid kamperen.
4) Minimaal noodzaak voor (verleng) snoeren. Aansluitingen op de plaatsen waar ze nodig zijn.
5) Goede toegankelijkheid van zekeringen, indicatoren en schakelaars, ook als de tent ingevouwen is.
6) Minimaal ruimte gebruik in de wagenbak. De installatie is waar mogelijk in ‘verloren’ ruimte weggewerkt.
Gemaakte afwegingen voor koken en koelen:
1) Wij hebben gekozen voor koken op gas. De gekozen 3 pits gaskookplaat heeft totaal 5,5kW brander vermogen. Een equivalente elektrische kookplaat op 230V is niet praktisch met het oog op beperkingen van de stroompaal of een off-the-grid stroomvoorziening.
2) Wij hebben gekozen voor een 40 liter absorptie koelbox (Dometic CombiCool RC2200 EGP) die tot 33 graden onder de omgevingstemperatuur koelt. Dit gebeurt afhankelijk van de situatie op 230V, 12V of gas. Een compressorkoelbox levert in extreme situaties betere koelprestaties maar was voor ons op moment van keuze (2017) economisch en praktisch niet een handig. De inhoud en koelprestaties van een Peltier koelbox zijn in het algemeen minder waarbij het elektriciteit verbruik ook relatief hoog is.
Voor een energie efficiënte 40 liter compressor koelbox op 12V moet met een (extra) elektriciteitsverbruik van zo'n 20 tot 40Ah per dag gerekend worden (afhankelijk van type en gebruikspatroon). Dit maakt dat er tot 4x zoveel zonnepanelen nodig zijn, oftewel meerdere kleine panelen of 1 joekel van een paneel zoals thuis op het dak ligt (1,65mx0,99m) worden noodzakelijk. Voor bewolkte dagen moet de accu capaciteit ook duidelijk omhoog, voor dezelfde 4 dagen autonomie is een tot een 300Ah accu noodzakelijk (80kg massa!). Bij een absorptie koelbox op elektriciteit moet je aan 4 à 5 keer meer energie verbruik rekenen, een Peltier box is relatief nog minder gunstig.
Met deze kennis zijn er mijns inziens als je met een koelbox off-the-grid (zonder 230V) wilt kamperen 2 reële opties; een 12V compressor koelbox of een absorptie koelbox op gas.
Een goede 12V compressor koelbox kost 3x zoveel als een goede absorptie koelbox. Als hierbij ook nog de extra investering in de noodzakelijke zonnepanelen, lader en accu’s meegenomen wordt dan kost de oplossing met een compressor koelbox meer dan 1000 Euro extra. En de accu is een terugkerende kostenpost; de capaciteit loopt terug waardoor deze periodiek (na enkele jaren) vervangen moet worden. Hiernaast moet je ook een plek vinden voor de zware accu('s) en de forse zonnepanelen.
Ik heb om bovenstaande redenen voor de traditionele oplossing gekozen; een goede betaalbare absorptie koelbox samen met een geminimaliseerde elektrische installatie. Ook zonder zon maak ik mij geen zorgen over de koeling. Op locatie hoef ik niet met zware panelen te slepen.
Elektrisch energie verbruik:
Wij kamperen met een gezin bestaande uit 5 personen. Het vooraf geschatte 12V elektrische energieverbruik was zo’n 10Ah (120Wh) per dag. Het geschatte verbruik klopte redelijk in de zomer van 2018, in zomer 2019 was het verbruik gemiddeld 165Wh (14Ah bij 12V) per dag. Verbruikers waren verlichting, mobiele communicatie zoals telefoons, computers en nog wat andere verbruikers zoals enkele kleine quadcopters (drones) en modelvliegtuigen.
Elektrisch Schema:
In de aangehechte installatie schema zijn alle installatie onderdelen voor zover mogelijk op een ook voor niet techneuten herkenbare wijze gevisualiseerd. Allen de logische verbindingen zijn zichtbaar gemaakt; let op dat voor de leesbaarheid sommige details vereenvoudigd of weggelaten zijn.
Het centrum van de 12V installatie staat in het midden (blauwe blok).
In een centraal gemonteerde kast in de vouwwagen zit alle techniek die onderdeel is van de vaste 12V installatie. Het gaat hier om de zekeringen, bron-prioriteit-circuit, LED indicatie lampen, ontvanger draadloos bedienbare lampen en schakelaars. De rest van de vaste 12V installatie bestaat slechts uit vast aangelegde bekabeling en aansluitpunten op de locaties waar de gebruikers zitten.
Links in het centrale blauwe blok zitten de ingangen (voedingsbronnen), rechts de uitgangen (gebruikers). De zekeringen zijn om de installatie te beschermen. Omdat er 4 12V spanningbronnen zijn en elke gebruiker achter elk aansluitpunt in principe de volledige beschikbare stroom kan vragen is er voor gekozen om alleen bij de bron af te zekeren. Alle bekabeling is 2,5mm dik en waarbij een 10Ampere zekering (15 zou ook nog mogen) voldoende laag is om de installatie tegen de gevolgen van overstroom te beschermen. Twee schakelaars zijn aanwezig om handmatig enkele functies te kunnen in of uitschakelen. Een schakelaar is voor de vonkontsteking en verlichting (master). Met de tweede schakelaar kan het aansluitpunt bedoeld voor de (optionele) acculader afgeschakeld worden. Alle geschakelde uitgangen hebben een LED indicatie die de status (aan of uit) weergeeft: 4x voor de lampen, 1x voor de vonkontsteking/lamp-master en de 6e LED geeft aan of de accu lader in functie is.
De rechts weergeven gebruikers worden eerst toegelicht, hierna komen de energiebronnen en de optionele off-the-grid onderdelen aan de beurt.
De 4 verlichting aansluitpunten, 1 vonkontsteking en de 3 permanente 12V aansluitpunten (rechtsboven en rechtsonder in het schema) zitten paarsgewijs zo dicht mogelijk bij de lichtpunten. Dit is in de keuken (vonk), onder de luifel, in de leefruimte met vastkuip (bij de kabeldoorvoer) en in het midden van de wagenbak onder de bagageklep. Alle aansluitpunten zijn van het XT60 connector type. De XT60 steker is gespecifieerd tot 60Ampere en is goed verkrijgbaar en voordelig. Ook zijn er meervoudige splitters en andere handige verdelers met XT60 stekkers verkrijgbaar, heel handig als er bijvoorbeeld meerdere gebruikers aan 1 aansluitpunt moeten.
De koelbox en kookunit staat bij onze 3Dog achterin de vouwwagen op kogelgelagerde rails. De elektriciteit kabels vanaf de koelbox en kookunit gaan via een kabelrups, die de kabel beschermd en geleid tijdens het in en uitrollen, en lopen naar de eerder genoemde centrale unit midden achterin de vouwwagen. Hiervandaan gaat ook de bekabeling naar de 13 polige stekker voor in de auto. Dit maakt dat er een aanzienlijke lengte tussen de 13 polige autostekker en de koelbox zit. Ondanks de relatief dikke 2,5mm2 kabels (dikste wat in de 13 polige stekker wilde ;-() zijn de spanningsverliezen toch aanzienlijk. Dit probleem is opgelost door bij de koelbox een step-up converter te zetten die de gereduceerde binnenkomende spanning weer omzet naar een keiharde 12V; hiermee koelt de koelbox ook goed tijden het rijden (ijs op de koelelement!).
Zowel in de hoofdtent als in de wagenbak (afsluitbaar) hebben wij USB en laptop laadpunten. De laadadapters zijn aangesloten aan de daar aanwezige 12V aansluitpunten. De USB lader is een van origine een 230V 8 poort snel lader met een LCD scherm die de stroomafname per poort weergeeft. Deze unit is omgebouwd naar 12V, enkele foto’s hiervan zijn toegevoegd.
Laptop laders, al dan niet via een 230V inverter, kunnen ook aan de constante 12V stroompunten aangesloten worden.
De spanningsbronnen zijn in het schema aan de linkerkant van de centrale unit weergegeven.
Er zijn er 4 verschillende spanningsbronnen;
1: Uitgang van de 230V naar 12V omvormer
2&3: Constante en geschakelde 12V uit 13 polige stekker vanuit de auto
4: Spanning uit (optionele) accu
1) De 230-AC naar 12V-DC omvormer is een compacte schakelende voeding die onder andere voor LED verlichting gebruikt wordt, een voorbeeld foto is toegevoegd. De maximale uitgangsstroom stroom is 10A, dit is tot nu toe ruim voldoende voor de verwachte gebruikers.
2&3) De twee 12V spanningbronnen uit de auto zijn gerealiseerd door de bestaande 8 polige stekker te vervangen door een 13 polige stekker en een extra kabel vanuit deze stekker naar de centrale 12V unit te leggen. In de unit zit een zekering voor elke spanningsbron. Achter de zekering worden de spanningbronnen al dan niet via de bron-prioriteit-keuze logica doorgezet naar de juiste gebruiker. De geschakelde 12V voedt de koelbox. De constante 12V voedt de overige gebruikers. De acculader krijg alleen voeding als ook de geschakelde 12V spanning aanwezig is.
4) De optionele accu spanningsbron samen met de acculader, zonnepaneel en bijbehorende elektronica bevat meerdere bijzonderheden die hieronder nader uitgelegd worden.
Het resterende hierboven niet beschreven deel van het schema is allemaal optioneel en geen deel van de vaste vouwwagen installatie. Het gaat hier om de accu, zonnepaneel, zon laadregelaar en een speciaal laad-bron selectie circuit met bijbehorend GND-lift relay. Al deze onderdelen vormen samen de zonne-energie-bron en is met slechts twee XT60 stekkers (Battery in, Battery charger out) aan de vaste vouwwagen installatie aangesloten. De zware accu en de aanverwante onderdelen zijn net voor de as middenin de vouwwagen geplaatst. Het zonnepaneel reist in een verloren ruimte onder de bagageklep onder het bed mee en staat op locatie naast de vouwwagen (in de zon).
Het intelligente hart van de zonne-energie-bron is de De Victron smartsolar MPPT 75 | 15 regelunit.
De zonnepaneelregelaar van Victron is van het MPPT type en zet op efficiënte wijze paneelspanningen om in de gewenste accuspanning. De paneelbelasting wordt hierbij geoptimaliseerd op maximaal afgegeven vermogen. Deze optimalisatie vind continu plaats en zorgt ervoor dat ook in mindere omstandigheden (bijvoorbeeld gedeeltelijk schaduw op het paneel) de maximale energie eruit gehaald wordt. Het paneel is met een ongeveer 13 meter lang 2,5mm2 dikke kabel met de regelaar verbonden. Ook hier zijn XT60 connectoren gebruikt. Om koperverliezen te beperken en de MPPT regelaar optimaal te laten functioneren is er voor een 72cellen (24V) zonnepaneel gekozen. Bij de veel gebruikte PWM regelaars wordt er normaliter voor 12V installaties een 36cellen paneel gekozen. Het voordeel van de gekozen dubbele spanning is dat bij hetzelfde vermogen de stroom de helft is. De kwadratische relatie tussen stroom en vermogensverlies maakt dat de energieverliezen in de kabel 4x zo klein zijn. Hiernaast start door de hogere spanning de MPPT omvormer bij mindere zonneomstandigheden net iets eerder op.
Naast de zonnepaneel regelaar functie zit er ook een accu laadregelaar en een belasting monitor in de Victron unit. De 3 fasen (Bulk, Absorptie en Float) laadregelaar zorgt ervoor dat de accu zo snel als mogelijk vol geladen maar nooit overladen wordt. Dagelijks wordt de geladen energie en laadstatus bijgehouden en bewaard.
De belasting monitor meet continu de afgenomen stroom en bewaard de dagelijkse en in totaal opgenomen energie. Bij een te grote belasting of onderspanning van de accu wordt de belasting afgeschakeld.
Last-but-not-least bezit de Victron smartsolar MPPT 75 | 15 over een Bluetooth interface waarmee met een APP op een smartphone de huidige en historische (tot een maand terug) gegevens bekeken kunnen worden. Dit is top, zeker omdat dit om een optioneel deel van de installatie gaat en er ook geen goed toegankelijke ruimte voor een gebruikerspaneel van een laadregelaar is. Met deze APP is de behoefte voor een vast paneel er zelfs totaal niet, vanuit de luie stoel kan op elk moment de status aanschouwd worden. Via deze APP is trouwens initieel ook de acculaadregelaar en belasting bewaking optimaal voor de gekozen accu ingesteld. De tijdens vakantie vergaarde data heb ik vorig jaar na de vakantie gedownload ter analyse in Excel.
De charge-power source selector doet iets meer dan de naam doet vermoeden. In een off-the-grid situatie schakelt dit onderdeel alleen het zonnepaneel door naar de ingang van de zonnelaadregelaar.
Alleen als de 12V spanning voor acculader aanwezig is wordt de charge-power source selector actief. De 12V acculader spanning komt OF vanaf de 230V (via de 230V naar 12V omvormer) OF vanuit de auto als zowel de constante als geschakelde 12V aanwezig is (automotor draait). De eerder genoemde accu-laad-schakelaar in het paneel van centrale 12V unit in de vouwwagen moet ook aan staan.
Voor het laden van de accu vanuit de hiervoor genoemde bronnen wordt ook de in de Victron controller de aanwezige acculaadregelaar gebruikt. Omdat deze geen speciale 12V ingang heeft is ervoor gekozen om de 12V om te vormen naar een hogere spanning geschikt voor de ingang bedoeld voor het zonnepaneel oftewel door de charge power source selector wordt een zonnepaneel geëmuleerd. Een zonnepaneel heeft voornamelijk een constante stroombron karakteristiek. Boven een bepaalde spanning begint de stroom af te nemen waarna spanningstoename ook afneemt; de karakteristieke stroombron veranderd hier in een spanningsbron. Ergens in het overgangsgebied levert een zonnepaneel het maximale vermogen. Met de zonnepaneel emulator in de charge power source selector wordt ook het maximale accu laad vermogen uit de genoemde 12V bronnen bepaald. Dit is heel handig, want hiermee wordt automatisch de vanuit de auto afgenomen stroom beperkt zonder dat er (handmatig) instellingen van de Victron controller aangepast hoeven te worden. Omdat de Victron unit totaal geen benul heeft van de bron van de spanning blijft het ook keurig alle statistieken bijhouden. Het is heel handig om bijvoorbeeld na een reisdag nog steeds een geldige accustatus te kunnen aanschouwen. Dit kan zelfs onderweg, ook tijdens het rijden werkt de Bluetooth verbinding naar de laadregelaar in de vouwwagen uitstekend ;-).
Helaas heeft de Victron regelaar 1 onhebbelijkheid; de stroommeetpunten zitten in de GND (-) leidingen! De power source selector verbind de + uitgang van de zonnepaneel emulator aan de + van zonnepaneel ingang door maar impliciet wordt ook de – van de uitgang van de regelaar aan de – van de zonnepaneel input verbonden. Hiermee worden (de meetweerstanden in) de meetpunten van de Victron overbrugt waardoor de regelaar niet meer goed kan functioneren. Dit is opgelost met de GND lift in de load uitgang van de Victron. Hiernaast zijn er nog van allerhande beveiligingen aan het uitgang circuit van de zonnepaneelemulator toegevoegd die meerdere onwaarschijnlijke maar niet uitgesloten transitie vereveningsstromen elimineert of beperkt; hiermee is het risico de boel door dit creatief gebruik van de controller kapot te maken nihil geworden.
Hiermee zijn denk ik alle onderdelen in het schema beschreven en ook de achterliggende afwegingen uitgelegd. Ondanks het lange verhaal ontbreken er nog details van onderdelen zoals bijvoorbeeld de USB lader ombouw, bron-prioriteit-schakeling, charge power source selector en zonnepaneel standaard. Indien er specifieke vragen zijn dan zie ik die graag in het commentaar.