Rakentelin veneen sähköt uusiksi 2018 keväällä ja kirjoittelin projektista aikanaan blogiartikkelin. Tuo artikkeli on selkeästi koko blogin luetuin juttu, joten jatketaan samalla linjalla. Edelleen pitää painottaa, etten ole sähkömies (enkä kemisti), joten asennusten ja suunnittelun tueksi suosittelen Sähkötekniikan ja energiatehokkuuden edistämiskeskus STEK ry:n uudistettua Sähkö ja vene -opasta.

Kokemuksista opittua

Edellinen sähköremontti oli monella tapaa onnistunut ja sen seurauksena emme käytännössä viimeisen neljän kesän aika ole olleet lainkaan maasähköstä riippuvaisia. Ennen viime vuoden lämppäriremonttia, vuoden 2020 syyslomapurjehduksella jouduimme turvautumaan maasähköön, mutta muuten aurinkopaneelit ovat pitäneet meidät hyvin sähköissä.

Akkujen varauksen seurantaan Victronin BMV-712 -akkumonitori on ehdoton peli. Saman valmistajan MPPT-säädin on myös osoittautunut tehokkaaksi. Se osaa tehokkaasti hyödyntää kahden 100W:n paneelin tuottaman energian. Käytännössä neljän vuoden aikana niiden hetkellinen huipputeho ei ole koskaan tainnut ylittää 150W, joka puhuu sen puolesta, ettei tehoa koskaan voi olla liikaa. Veneessä tasainen pinta-ala on tämän suhteen suurin rajoittava tekijä. Jos paneelit pystyy asentamaan niin, että niiden kulmaa aurinkoon nähden voi muuttaa, tämä lisää merkittävästi niiden tehoa. Kun seuraavaksi uusin paneelit joskus, otan suunnattavuuden tarkasti suunnittelussa huomioon.

Se mitä edellisellä kerralla tein ymmärtämättömyyttäni väärin oli, että käytin asennuksissa huonolaatuisia kaapeleita. Kuparikaapeleita on useita eri laatuja, jotka voi karkeasti jakaa kolmeen ryhmään:

• Tinattu kuparikaapeli (Tinned Copper)
• Kuparikaapeli (Copper)
• Kuparipinnoitettu alumiinikaapeli (Copper Clad Aluminium tai CCA)

CCA-kaapelin tunnistaa siitä, että se on suhteellisen edullista, kevyttä, hienosäikeistä ja taipuisaa kaapelia, jota usein käytetään HiFi-asennuksissa. Se on helppo asentaa, mutta ei kestä meriolosuhteissa pidemmän päälle. Suojaamattomat liitokset hapettuvat ja ennen pitkää tulee ongelmia. Itse tein ensimmäisellä kerralla 35mm2 asennukset tietysti CCA-kaapelilla ja jo neljässä vuodessa liitoksissa oli havaittavissa selkeitä hapettumia.

100% kuparikaapeli sopii hyvin useimpiin asennuksiin, joskin sekin suojaamattomana hapettuu ennen pitkään ja muuttuu meriolosuhteissa vihreäksi.

Ehdottomasti paras (ja kallein) valinta veneeseen on tinattu kuparikaapeli. Kaapeli on käytännössä 100% kuparia, mutta säikeet on pinnoitettu tinalla. Tämä suojaa tehokkaasti johtimien hapettumiselta ja takaa hyvän mekaanisen sidoksen puristusliitoksissa. Syksyllä 7,5m 70mm2 kaapelia maksoi 150€.

Akut vaihtoon – litiumia tilalle

Meillä vanhat huoltovapaat lyijyakut (2x115Ah) olivat vuodelta 2014 ja ne alkoivat selkeästi osoittaa hiipumisen merkkejä kapasiteetin suhteen. Aloin vakavasti ottaen suunnittelemaan konversiota viime kesänä, kun huomasin ettei paneelit kovimmilla helteillä pysty enää pitäämään akkuja täynnä. Vielä pari kesää sitten systeemi kesti kaksi sadepäivää, jonka jälkeisinä aurinkoisina päivinä akut olivat taas täynnä. Kun kylmäboksi viime kesänä aurinkoisena päivänä kävi oikein kovalla, ei akut enää päivän päätteeksi olleetkaan täynnä ja vääjäämättä tilanne alkoi kumuloitumaan.

En oikeastaan edes harkinnut akkujen korvaamista lyijyakuilla ihan jo siitäkin syystä, että akkutilan koko on hyvin rajallinen, eikä sinne saanut mahtumaan enempää akkuja. Siksi katse kääntyi litiumiin, jolloin tilan saisi käytettyä tehokkaammin. Litiumien etu on myös siinä, että litium-akun voi käytännössä purkaa lähes tyhjäksi asti ja se ottaa virtaa vastaan erittäin tehokkaasti. Näin ollen samaan tilaan saa mahtumaan selkeästi enemmän ”käytettävää virtaa” eli siis wattitunteja.

Litium-akkujen puolesta puhuu myös se, että ne kestävät huomattavasti enemmän käyttöä. Tyypillisesti lyijyakut kestävät noin 500 lataussyksiä, kun litium-akut kestävät vähintään 3000 sykliä, ennen kuin kapasiteetti alkaa merkittävästi laskemaan.

Litiumien problematiikka

Systeemiä suunnitellessa on hyvä huomioida, että litium-akkuja on useita eri tyyppejä joita ei saa sekoittaa toisiinsa. Ankarasti pelkistäen litium-akut voidaan jakaa kahteen ryhmään:

• Litiumionikut (LiCoO₂ tai Li-ion)
• Litium-rautafosfaattiakut (LiFePO₄ tai LFP)

Nämä eroavat ominaisuuksiltaan ja käyttökohteiltaan siten, että Li-ion-akkujen energiatiheys on suurempi, mikä tekee akuista kevyempiä. Siksi niitä käytetään esimerkiksi sähköautoissa. Ne ovat kuitenkin kemialliselta rakenteeltaan hieman ongelmallisia, koska mikäli akku jostain syystä vaurioituu ja syttyy palamaan, paloa ei välttämättä saa sammutettua (akku tuottaa vapaasti purkaessaan happea, joka kiihdyttää paloa).

Tästä syystä venekäyttöön suositellaankin pelkästään LiFePO₄-akkuja, jotka ovat rakenteeltaan huomattavasti turvallisempia, eikä ne puhjetessaankaan syty palamaan. Kolikon kääntöpuolena on hieman suurempi paino, mutta toki perinteisiin lyijyakkuihin verrattuna ne ovat energiatiheydeltään suuria ja painoltaan kevyitä. LFP-akun energiatiheys on 100 Wh/kg, kun se lyijyakulla on 30 Wh/kg.

Moni akkuvalmistaja myy tänä päivänä valmiita litium-akkuja ja niiden hinnat ovat viime vuosina olleet laskusuunnassa. Hintakehityksestä huolimatta ne ovat edelleen merkittävästi kalliimpia kuin perinteiset lyijyakut: 100 Ah litium-akku maksaa halvimmillaan 600€.

Litiumien lataus poikkeaa myös hieman perinteisistä lyijyakuista. Perinteiset akkulaturit (tai älylaturit) eivät lähtökohtaisesti sovellu litiumien lataukseen, koska niiden latausprofiili eroaa lyijyakuista huomattavasti.

Litiumeja ei voi myöskään laittaa suoraan perinteiseen moottorin laturiin kiinni. Ne pyytävät ja pystyvät ottamaan laturilta niin paljon virtaa, että tavallinen ilmajäähdytteinen laturi palaa ennen pitkää. Vaihtoehtona olisi vaihtaa moottorin laturi älymalliseen, joka osaa säädellä toimintaansa lämpötilan mukaan. Nuo ovat verrattain kalliita systeemejä ja totesin, ettei se kannata meidän käyttötunneilla.

Moottorilataus on mahdollista toteuttaa siten, että moottori lataa pelkästään omaa starttiakkuaan (lyijy), josta lataus litium-akustoon tehdään erillisellä DC-DC-muuntimella, joka lataa litiumia oikealla jännitteellä ja näin ollen pitää akut hyvässä kunnossa. Seurasin edelliskeväänä mielenkiinnolla Instagramissa s/y Sjöparlanin kipparin litium-projektia ja hän olikin suureksi avuksi syksyllä, kun omaa projektiani suunnittelin – kiitos vielä avusta!

Lyijyakkuihin verrattuna kannattaa huomioda, että litium-akkua saa purkaa, muttei ladata pakkasella (tai kun solujen lämpötila on alle 0 astetta). Myös tämä pitää huomioida latauksessa. Muuten sijoittelun kannalta litium-akku on hyvin joustava; akku voi olla missä asennossa tahansa.

Ostohousut jalkaan

Valmisakun ostaminen on turvallinen ratkaisu, mutta jos asiaan vähän paneutuu, akun pystyy rakentamaan myös itse – melko paljon halvemmalla.

Kaikki valmisakut koostuvat käytännössä neljästä sarjaan kytketystä 3,2V solusta, jolloin akun nimellisjännitteeksi tulee 12,8V. Akkukotelon sisältä löytyy BMS-palikka (Battery Management System), joka valvoo jokaisen solun jännitettä erikseen, ja mikäli yksittäinen solu purkautuu nopeammin kuin muut, BMS sulkee akun ja näin ollen suojaa soluja tuhoutumiselta. Kunnollinen BMS myös pitää huolen akkujen lämpötilasta ja estää latauksen ja purkamisen, kun tietyt raja-arvot ylittyvät.

Kaikki edellä mainitut komponentit ovat saatavilla helposti verkon nettikaupoista. Akkujen rakentaminen on yleistynyt viime vuosina ja tietoa asiasta on helposti saatavilla. Esimerkiksi Will Prowsen YouTube-kanavalta löytyy kattavasti tietoa akkujen rakentamisesta.

Tutkin ja vertailin saatavilla olevia komponentteja ja seuraavassa erittely meidän komponenteista ja niiden hankintahinnoista (kaikki hankinnat on tehty 2021 syksyn aikana). Ostokriteereinä oli, että komponenttien tulee olla laadukkaita. Varsinkin BMS-järjestelmään kannattaa panostaa. Soluissa kannattaa myös varmistaa, että ne ovat Grade A -laatua eli siis uusia.

Näillä 12V akuston kapasiteetiksi tuli 280Ah (jolla pitäisi pärjätä melkein viikon verran, ilman että pitää konetta käyttää) ja hinnaksi 955,92€.

• Tilasin Saksan Amazonista 4 kpl Ninthcit 3.2V 280Ah LiFePO₄-solua (https://www.amazon.de/-/en/gp/product/B09B57SJGW). Hinta kuljetuksien kanssa oli 784,79€.
• BMS:ksi valitsin amerikkalaisen Overkill Solarin 120 A -mallin (https://overkillsolar.com/product/bms-120a-4s-lifepo4/). Hintaa kuljetuksen kanssa tuli 171,13€ ja paketti tuli jenkeistä kotiovelle neljässä päivässä.
• Tilasin Suomen Akuilta Victronin 12/12-30A DC-DC-muuntimen (https://www.suomenakut.fi/lisavarusteet/victron-energy-orion-tr-smart-dc-laturi-12-12-30a-(360w)-non-isolated/p/8719076048954/) ja myös uuden maasähkölaturin, koska vanha Ctekin laturi oli litiumeille liian fiksu. Tilalle tuli ohjelmoitava Victron Blue Smart 25 A (https://www.suomenakut.fi/laturit-ja-lataustarvikkeet/victron-blue-smart-ip67-laturi-12v-25a-bluetooth-victron-connect/p/8719076038269/). Näiden yhteishinta kuljetuksien kanssa 328€.

Komponenteista vielä sen verran, että OverkillSolarin BMS:n mukana tuli saatekirje, joka ei jättänyt takuuasioiden suhteen paljon kysyttävää:

Our BMS warranty policy is quite simple:
If you need help, I will help.
If it isn’t working right I will replace it.
If it’s totally fried I will refund your money.
This includes anything you did to break it.

Enjoy,
Steve.

Victronin DC-DC-muuntimeen päädyin oikeastaan siitä syystä, että se tunnistaa automaattisesti milloin moottorin lataus on käynnissä ja vasta sen jälkeen se alkaa lataamaan litium-akustoa. Laskin myös sen eduksi, että kun kaikki laitteet ovat Victronin tuotteita, niitä voi hallita samalla mobiilisovelluksella.

Ja eikun rakentamaan

Ennen kuin solut voi kytkeä sarjaan, solujen varausten tulee olla keskenään identtiset. Tätä kutsutaan top balansoinniksi. Käytännössä solut kytketään rinnan (miinukset yhteen ja plussat yhteen) ja sen jälkeen niitä ladataan 3.6V jännitteellä kunnes ne eivät enää ota virtaa vastaan. Litium-solujen top balansointiin soveltuu mikä tahansa laboratoriovirtalähde, jossa on säädettävä virran- ja jännitteensyöttö. Myös top balansoinnista (perusteluineen) löytyy hyviä ohjeita vaikka YouTubesta (https://youtu.be/x5ABvbbics8).

Kun solut on balansoitu, ne voidaan kytkeä sarjaan, jolloin solujen jännitteet lasketaan yhteen ja näin ollen akun nimellisjännitteeksi tulee 12.8V. Solujen mukana tuli kytkentärimat, joilla ne saa yhdistettyä toisiinsa.

Internetissä tuntuu olevan kahta koulukuntaa sen suhteen tulisiko solujen olla puristuksissa vai ei. Osa on sitä mieltä, että solut säilyvät parempana mikäli ne ovat puristuksissa ja tällöin lataussyklien määrä voi jopa tuplaantua. Itse lähdin siitä ettei puristuksesta ole ainakaan haittaa ja se muutenkin helpotti kotelon rakentamista.

Tein kotelon 18mm muottivanerista. Solut tulivat puristuksiin 8mm kierretankojen avulla. Solujen päälle napojen suojaksi tarvittiin kansi, johon sain kätevästi sijoitettua tärkeimmät komponentit: BMS:n, akkumonitorin shuntin, pääsulakkeen (150A), pääkytkentärimat (+ ja -) sekä aurinkopaneeleiden MPPT-säätimen.

Valtaosan liitoksista sai tehtyä mukavasti autotallin lämmössä ja hyvissä työskentelyasennoissa, joten senkin puolesta vähän suuremman kotelon teko kannatti. Kun valmistelut oli tehty, nostin laatikon veneeseen ja paikalleen sitloodan lattian alle.

Seuraavaksi oli vuorossa kaapelointi, johon sai (taas) kulumaan yllättävän paljon aikaa. Poistin kaikki vanhat hapettuneet CCA-kaapelit ja laitoin tilalle uudet tinatut kuparikaapelit. Puristusliitoksia varten ostin hydraulisen kaapelikenkäpuristimen (16-300mm2 leuoilla), jolla puristuksista tuli tasalaatuisia ja kestäviä. Siirsin samalla päävirtakytkimet sitloodan laatikon puolelle. Starttipuolella kaikki on nyt 70mm2 ja muualla 35mm2 ja 16mm2. Lisäksi molemmilla akuilla on omat automaattiset 150A pääsulakkeet, joten näiden osalta ei pitäisi tulla uusimistarvetta seuraavaan 30 vuoteen. Helpommallakin olisi päässyt, mutta tulipahan nyt laitettua kuntoon.

Eikä siinä vielä kaikki

Veneen alkuperäinen katkaisinpaneeli alkoi olemaan uusimiskunnossa ja lisäksi halusin VHF:n ja radion sijoitettua parempaan paikkaan. Siitä se ajatus lähti.

Materiaaliksi valikoitui 12mm teak-lauta, jota oli jäänyt sopivasti yli viime vuoden hyllyremontista. Homma lähti siitä, että ensin piirsin Photoshopilla sapluunan, jonka läpi oli helppo painaa piikillä paikat katkaisimien ja sulakkeiden rei’ille.

Sen jälkeen ajoin jyrsimellä oikeasta kädestä kaksi sormea uuteen uskoon. Tarkoituksena oli tosin ottaa pala pois tiikkisestä reunalistasta VHF:ää varten. Noh, ei sitä lopuksi olisi edes tarvinnut avartaa.

Kuukauden päästä projekti jatkui taas. Teak-lauta oli sen verran paksu, ettei katkaisimia saanut kiinnitettyä lautaan. Sitä varten kääntöpuolelle piti jyrsiä kolo katkaisimia ja automaattisulakkeita varten. Vähän hirvitti tarttua jyrsimeen ensimmäistä kertaa haaverin jälkeen…

Sen jälkeen porasin reiät ja sahasin aukot VHF:ää ja radiota varten. VHF:ää varten piti vielä askarrella korotuskaulus, että sen sai sopimaan tilaan. Sitten neljä kerrosta lakkaa pintaan ja lopuksi vielä kytkimet paikalleen ja johtimien kolvaus. Kaikki tämä mukavasti autotallin lämmössä.

Sähkökytkentöjä varten asensin karttapöydän kaapiston taakse DIN-kiskon, johon sain tuotua kaikki veneen ja kytkinpaneelin johtimet.

Nyt sähkötyöt on toivottavasti tehty niin hyvin, ettei asiaan tarvitse palata useampaan vuoteen. Akkujenkin tulisi kestää ainakin seuraavat 10 vuotta, joten siinä kohtaa voidaan laskea sitten lopullisesti kannattiko investointi. Huolettomuutta ja omavaraisuutta saatiin toivottavasti rutkasti lisää. Palataan niihin kokemuksiin myöhemmin.