Альтернативная энергетика с каждым годом распространяется все шире. Соответственно растет спрос на солнечные батареи и контроллеры заряда для аккумуляторов. И это не удивительно, ведь одним из классических примеров свободной энергии является энергия солнца. Ее используют тремя основными способами:
- Гелиоколлектор.
- Солнечный концентратор.
- Солнечная батарея.
Если первые два метода заключаются в концентрировании и передачи тепла, то третий позволяет преобразовать солнечный свет в электроэнергию. Однако в альтернативной энергетике есть одна существенная проблема, чтобы в ней разобраться, нужно провести аналогию с классическими методами «добычи» электроэнергии.
Дело в том, что в привычных ТЭЦ и АЭС генератор приводит в движение паровая турбина, на ГЭС – течение воды. Это процесс беспрерывный. В случае альтернативной энергетики все немного иначе. Ни ветер, ни солнце не светит постоянно. Бывает штиль, облачность, ночь, в конце концов. А электроэнергия, в большей степени, требуется именно в темное время суток. Как же быть? Необходимо запасти ее в аккумуляторы.
Для чего нужен контроллер заряда для солнечной батареи?
Контроллер для солнечных батарей
Аккумуляторы были изобретены для того, чтобы в них запасать энергию. Поэтому они нашли широчайшее применение в альтернативной энергетике, в установках малых и крупных масштабов. Но есть ряд проблем:
- Солнечный свет в течение светлого времени суток имеет разную интенсивность.
- В зависимости от схемы соединений вашей СЭС на выходных клеммах панелей может быть разная величина напряжений.
Контроллер заряда солнечной батареи как раз и нужен для того, чтобы преобразовать энергию, которую отдают устройства в правильный для аккумулятора «вид». С его помощью потоки энергии распределяются таким образом, чтобы обеспечить зарядку приборов в правильном режиме.
Устройство не только помогает зарядить аккумулятор, но и благодаря тому, что этот процесс становится достаточно оптимизированным – срок ее жизни значительно продлевается.
Виды контроллеров для солнечной батареи
Виды контроллеров заряда солнечной батареи В современном мире выделяют три типа контроллеров:
— MPPT-контроллер;
On-Off – это простейшее решение для заряда, такой контроллер напрямую , когда его напряжение достигнет 14,5 вольта. Однако такое напряжение не свидетельствует о полном заряде аккумулятора. Для этого нужно какое-то время поддерживать ток, чтобы АКБ набрала необходимую для полного заряда энергию. В результате вы получаете хронический недозаряд аккумуляторов и сокращение их срока службы.
ШИМ-контроллеры поддерживают нужное напряжение для зарядки аккумулятора просто «срезая» лишнее. Таким образом, зарядка прибора происходит вне зависимости от напряжения, выдаваемого солнечной батареей. Главное условие, чтобы оно было выше, чем необходимое для заряда. Для аккумуляторов на 12 В, напряжение в полностью заряженном состоянии находится на уровне 14.5 В, а в разряженном около 11. Этот тип контроллеров является более простым, чем MPPT, однако, обладает меньшим КПД. Они позволяют наполнить АКБ на 100% от емкости, что дает значительное преимущество перед системами типа «On-Off».
MPPT-контроллер – имеет более сложное устройство, способное анализировать режим . Его название в полном виде звучит, как «Maximum power point tracking», что на русском языке значит – «Отслеживание точки максимальной мощности». Мощность, которую выдает панель, очень зависит от количества света, который на нее падает.
Дело в том, что ШИМ-контроллер никак не анализирует состояние панелей, а лишь формирует необходимые напряжения для зарядки АКБ. MPPT отслеживает его, а также токи, выдаваемые солнечной панелью, и формирует выходные параметры оптимальные для заряда накопительных элементов питания. Таким образом, снижается ток во входной цепи: от солнечной панели до контроллера, и рациональнее используется энергия.
Виды контроллеров солнечных панелей Что такое Точка Максимальной Мощности?
ВАХ элементов солнечной панели не линейна. Она способна выдавать номинальные токи до определенного выходного напряжения. При достижении нужных параметров ток, отдаваемый батареей, снижается. Точкой Максимальной Мощности называется состояние, когда панель дает максимальные напряжение и ток, после этой точки при повышении выходного напряжения падает и ток. MPPT-контроллер стремится использовать именно тот режим солнечной батареи, при котором созданы условия для достижения ТММ. Исходя из этого, следует, что мощность, отдаваемая такими приборами, будет выше.
Однако существует один нюанс, о котором внимательные читатели уже могли догадаться. Если ШИМ-контроллер независимо ни от чего выдает свои Вольты и Амперы, аккумуляторы будут заряжаться даже при минимальном освещении панели, когда ее выходные параметры малы. Тогда как MTTP контроллер может просто не отреагировать на это. Также существуют отдельные модели с возможностью настройки и адаптации под разные условия окружающей среды.
Внимание! Использование этого типа контроллеров может дать прирост эффективности установки (КПД) до 30%.
Можно ли обойтись без контроллера?
Грамотно выбранный контроллер снижает дальнейшие вложения на обслуживания вашей системы альтернативного электроснабжения. Неправильные процессы заряда аккумулятора ведут к снижению его ресурса. Что будет если не использовать контроллеров вообще? В случае, когда солнечная батарея подключается напрямую к АКБ, ток заряда не будет контролированным. Дело в том, что напряжение в точке максимальной мощности для 12-ти вольтных моделей солнечных панелей достигает значений выше 15,5 вольт. Большой ток заряда вызовет закипание ячеек в аккумуляторах, что повлечет за собой выделение тепла и повреждение целостности батарей.
Правильный режим заряда сохранит ресурс устройства, и вам не нужно будет проводить неплановую замену.
На что смотреть при выборе?
При покупке контроллера заряда нужно учитывать:
- Мощность установки.
- Количество батарей.
- Напряжение системы (12, 24 вольта, или иные, в зависимости от конструкции и соединения панелей).
- Ток заряда.
Некоторые батареи продаются с возможностью использования в цепях 12 и 24 вольта, например, BlueSolar MPPT.
Ток заряда – характеризует скорость зарядки ваших АКБ. Обычно его выбирают по формуле «Емкость/10», т.е. для аккумулятора емкостью в 50 А/ч достаточно тока в 5 А. Однако, если у вас стоит целая батарея аккумуляторов, общей емкостью в 200 А/ч, тогда понадобится контроллер способный выдать ток до 20 А, это минимум.
Принцип работы контроллеров для заряда солнечных батарей, устройство, что учитывать при выборе
В современных солнечных электростанциях для передачи выработанной электроэнергии рабочим аккумуляторам применяются разные схемы подключения источников тока. Они используют не одинаковые алгоритмы, созданы на основе микропроцессорных технологий, называются контроллерами.
Как работают контроллеры заряда солнечных батарей
Электроэнергия, вырабатываемая солнечной батареей, может передаваться накопительным аккумуляторным батареям:
2. через контроллер.
При первом способе электрический ток от источника пойдет к аккумуляторам и станет увеличивать напряжение на их клеммах. Вначале оно дойдет до определенного, предельного значения, зависящего от конструкции (типа) аккумуляторной батареи и окружающей температуры. Затем преодолеет рекомендуемый уровень.
На начальном этапе заряда схема работает нормально. А вот дальше начинаются крайне нежелательные процессы: продолжающееся поступление зарядного тока вызывает повышение напряжения сверх допустимых значений (порядка 14 В), возникает перезаряд с резким возрастанием температуры электролита, приводящей к его закипанию с интенсивным выбросом паров дистиллированной воды из элементов. Иногда вплоть до полного высыхания емкостей. Естественно, что ресурс аккумуляторной батареи резко снижается.
Поэтому задачу ограничения зарядного тока решают контроллерами или вручную. Последний способ: постоянно контролировать по приборам величину напряжения и коммутировать переключатели руками такой неблагодарный, что существует только в теории.
Алгоритмы работы контроллеров заряда солнечных батарей
По сложности способа ограничения предельного напряжения приборы изготавливают по принципам:
1. Откл/Вкл (или On/Off), когда схема просто коммутирует аккумуляторы к зарядному устройству по величине напряжения на клеммах,
2. широтно-импульсных (ШИМ) преобразований,
3. сканирования точки максимальной мощности.
Принцип №1: Схема Откл/Вкл
Это наиболее простой, но самый ненадежный метод. Его главный недостаток в том, что при возрастании напряжения на клеммах аккумумляторной батареи до предельного значения полного заряда емкости не происходит. Она доходит в этом случае примерно до 90% номинального значения.
У аккумуляторов постоянно происходит регулярный недобор энергии, который значительно снижает срок их эксплуатации.
Принцип №2: Схема ШИМ контроллеров
Сокращенное обозначение этих устройств на английском языке: PWM. Они выпускаются на основе конструкций микросхем. Их задачей является управление силовым блоком для регулирования напряжения на его входе в заданном диапазоне с помощью сигналов обратной связи.
PWM контроллеры дополнительно могут:
учитывать температуру электролита встроенным либо выносным датчиком (последний способ точнее),
создавать температурные компенсации зарядным напряжениям,
настраиваться под определенный тип аккумуляторов (GEL, AGM, жидко-кислотные) с разными показателями графиков напряжений в одинаковых точках.
Увеличение функций PWM контроллеров повышает их стоимость и надежность работы.
Принцип №3: сканирование точки максимальной мощности
Такие устройства обозначают английскими буквами MPPT. Они тоже работают по способу широтно-импульсных преобразователей, но предельно точны потому, что учитывают наибольшую величину мощности, которую способны отдать солнечные батареи. Это значение всегда точно определяется и вносится в документацию.
Например, для гелиобатарей 12 В точка отдачи максимальной мощности составляет порядка 17,5 В. Обыкновенный PWM контроллер прекратит заряд аккумумляторной батареи при достижении напряжения 14 - 14,5 В, а работающий по технологии MPPT — позволит дополнительно использовать ресурс солнечных батарей до 17,5 В.
С увеличением глубины разряда аккумуляторов возрастают потери энергии от источника. МРРТ контроллеры уменьшают их.
Характер отслеживания напряжения, соответствующего отдаче максимальной мощности солнечной батареи в 80 ватт, демонстрируется усредненным графиком.
Таким способом МРРТ контроллеры, используя широтно-импульсные преобразования во всех циклах заряда аккумуляторов, увеличивают отдачу солнечной батареи. В зависимости от разных факторов экономия может составлять 10 - 30%. При этом ток выхода из аккумулятора будет превышать ток входа в него из солнечной батареи.
Основные параметры контроллеров заряда солнечных батарей
При выборе контроллера для солнечной батареи кроме знания принципов его работы следует обратить внимание на условия, для которых он разработан.
Главными показателями приборов являются:
значение входного напряжения,
величина суммарной мощности солнечной энергии,
характер подключаемой нагрузки.
Напряжение солнечной батареи
На контроллер может подаваться напряжение от одной или нескольких солнечных батарей, соединенных по разным схемам. Для правильной работы прибора важно, чтобы суммарная величина подаваемого на него напряжения с учетом холостого хода источника не превышала предельной величины, указанной производителем в технической документации.
При этом следует сделать запас (резерв) ≥ 20% из-за ряда факторов:
не секрет, что отдельные параметры солнечной батареи иногда могут быть чуть-чуть завышены в рекламных целях,
происходящие на Солнце процессы не носят стабильного характера, а при аномально повышенных вспышках активности возможна передача энергии, создающая напряжение холостого хода солнечной батареи выше расчетного предела.
Мощность солнечной батареи
Она важна для выбора контроллера потому, что прибор должен быть способен надежно передавать ее рабочим аккумуляторам. В противном случае он просто сгорит.
Для определения мощности (в ваттах) умножают величину тока выхода из контроллера (в амперах) на напряжение (в вольтах), вырабатываемое солнечной батареей с учетом, созданного для него, 20% запаса.
Характер подключаемой нагрузки
Надо хорошо понимать назначение контроллера. Не стоит использовать его в качестве универсального источника питания, подключая к нему различные бытовые устройства. Конечно, часть из них сможет нормально работать, не создавая аномальных режимов.
Но…насколько долго это будет продолжаться? Прибор работает на основе широтно-импульсных преобразований, использует микропроцессорные и транзисторные технологии, которые учли в качестве нагрузки только , а не случайных потребителей со сложными переходными процессами при коммутациях и меняющимся характером потребляемой мощности.
Краткий обзор производителей
Выпуском контроллеров для солнечных электростанций занимаются многие страны. На Российском рынке популярна продукция компаний:
Morningstar Corporation (ведущий производитель США),
Beijing Epsolar Technology (работает с 1990-го года в Пекине),
AnHui SunShine New Energy Co (КНР),
Phocos (Германия),
Steca (Германия),
Xantrex (Канада).
Среди них всегда можно подобрать надежную модель контроллера, наиболее подходящую под конкретные условия эксплуатации солнечных электростанций с определенными техническими характеристиками. Для этого просто используете рекомендации этой статьи.
Схема контроллера заряда аккумулятора от солнечной батареи строится на базе чипа, который является ключевым элементом всего устройства в целом. Чип – основная часть контроллера, а сам контроллер – это ключевой элемент гелиосистемы. Данное устройство отслеживает работу всего устройства в целом, а также руководит зарядкой аккумулятора от солнечных батарей.
При максимальном заряде аккумулятора, контроллер будет регулировать подачу тока на него, уменьшая ее до необходимой величины компенсации саморазряда устройства. Если же аккумулятор полностью разряжается, то контроллер будет отключать любую входящую нагрузку на устройство.
Необходимость этого устройства можно свести к следующим пунктам:
- Зарядка аккумулятора многостадийная;
- Регулировка включения/отключения аккумулятора при заряде/разряде устройства;
- Подключение аккумулятора при максимальном заряде;
- Подключение зарядки от фотоэлементов в автоматическом режиме.
Контроллер заряда аккумулятора для солнечных устройств важен тем, что выполнение всех его функций в исправном режиме сильно увеличивает срок службы встроенного аккумулятора.
Схема работы контроллера
В отсутствие солнечных лучей на фотоэлементах конструкции он находится в спящем режиме. После появления лучей на элементах контроллер все еще находится в спящем режиме. Он включается лишь в том случае, если накопленная энергия от солнца достигает 10 В напряжения в электрическом эквиваленте.
Как только напряжение достигнет такого показателя, устройство включится и через диод Шоттки начнет подавать ток к аккумулятору.
Процесс зарядки аккумулятора в таком режиме будет продолжаться до тех пор, пока напряжение, получаемое контроллером, не достигнет 14 В.
Важным критерием выбора контроллера является стоимость контроллера. При возникновении вопроса, какой контроллер купить, дороже или дешевле, в случаях небольших солнечных электростанций возникает решение, купить контроллер проще и дешевле, а на разницу в цене купить еще одну две солнечные батареи.
Если вы хотите установить простую , то стоит выбрать недорогой, но качественный ШИМ контроллер, с запасом по мощности в 20-30%.
Если же вы очень критично относитесь к , вам важно все параметры станции, высокая эффективность, контроль параметров, возможности удаленного управления, а также переключение между электростанцией и электросетью, или автоматическое включение генератора, то стоит приобрести продвинутый, современный, MPPT контроллер, с множеством функций, встроенных защит, возможностью управления внешними устройствами и перераспределением нагрузок.
Выбор производителя
Не маловажным аспектом является выбор производителя контроллеров. При выборе производителя контроллеров следует учитывать следующие факторы:
1) Специализации производителя. Что выпускает данное предприятие. Специализируется ли оно на производстве компонентов автономных электростанций, или контроллер является дополнительно выпускаемым среди прочей разнообразной несерьезной электроники. Бывает еще, что профильное по электрическим и электронным приборам предприятие решило выпускать дополнительно контроллер заряда солнечных батарей, и хотя они имеют серьезный подход, хорошую компонентную базу, но часто их устройства могут быть непродуманными, иметь мало функций. Это связано с тем, что для выпуска контроллера не открывался специальный отдел, который бы занимался проработкой изделия, испытаниями, доработкой, сопровождением и поддержкой контроллера в эксплуатации. Скорее всего, предприятие приобрело патент на изготовление контроллера у сторонней фирмы для загрузки незадействованных мощностей. Причем данный контроллер будет устаревшим, прошлого поколения вряд ли кто будет продавать патент на совершенно новое технологичное перспективное устройство.
2) Страна производства. Если для вас важно, контроллеры можно выбрать по стране производства. Основное разделение идет на:
Европейские. Наиболее качественные продуманные и дорогие.
Американские. Аналогично европейским.
Российские. Рынок наших контроллеров только развивается. Но уже есть достаточно продуманные контроллеры, способные составить конкуренцию европейским контроллерам. Одним из плюсов является возможность гарантийного ремонта или замены в небольшие сроки.
Китайские. Такие контроллеры можно разделить на две категории:
1) От брендовых производителей, специализирующихся на выпуске именно компонентах солнечных электростанций.
2 ) Прочие китайские производители неизвестных марок. Такие контроллеры отличает невысокая цена, некачественное исполнение, отсутствие каких-либо инструкций, гарантий и поддержки производителя.
— вниманию читателей предлагается контроллер заряда фотоэлектрических систем при токе заряда до 8А и напряжении аккумуляторов 12 В. Контроллер оптимизирует процесс заряда, не допуская перезаряда аккумуляторов в широком диапазоне освещенности и температуры панели.
Контроллер заряда солнечной батареи содержит доступные компоненты общей стоимостью менее 3 долларов (менее 200 рублей). Несколько устройств в течение 6 месяцев эксплуатируются с панелями, имеющими максимальную мощность от 40 до 100 ватт.
Вступление
Несмотря на привлекательность идеи солнечной энергетики, ее реальное внедрение в энергоснабжение сельских и дачных домов условно рентабельно только на широтах Краснодарского края и южнее. Тем не менее, энтузиасты приобретают солнечные панели с максимальной мощностью от 40 до 100 ватт и пробуют использовать системы на их основе в качестве резервного источника питания для аварийного освещения и компьютерной техники. Как правило, эти люди обладают руками, растущими из правильного места, и знают практическую электронику. Вот именно для их подготовлена эта статья.
Описание схемы устройства
Существует закономерность, что для эффективного выбора мощности модуль контроллера обязан следить за точкой предельной мощности солнечной панели, то есть точку, в которой и напряжение и ток, отдаваемые панелью, максимальны. Универсальные промышленные контроллеры, отслеживающие положение рабочей точки и рассчитанные на широкий диапазон мощностей солнечных панелей, собранных в батареи, достаточно дороги и избыточны в случае эксплуатации одиночной панели.
Точка максимальной мощности и температурный диапазон эксплуатации указываются в паспортных данных качественных панелей.
При проектировании предлагаемого контроллера реализованы обе основных задачи эксплуатации — непрерывное поддержание батареи в точке максимальной мощности и температурная коррекция положения рабочей точки. Контроллер заряда солнечной батареи , а вернее блок-схема представлена на Рисунке 1 и содержит эквивалент солнечной батареи в виде источника тока SB, обладающего внутренним сопротивлением R BH .
При отсутствии внешнего освещения R BH стремится к бесконечности, а ток к нулю. При росте освещенности R BH стремится нулю, а ток к максимальному, технически допустимому значению. Рассмотрим работу схемы. В исходном состоянии (при отсутствии освещения) конденсатор С1 разряжен, на выходе компаратора U1 присутствует «1», ключ S1 разомкнут. U oп равно паспортному значению точки максимальной мощности солнечной панели.
При росте освещенности емкость С1 будет получать заряд через внутреннее сопротивление солнечной панели. Когда напряжение на С1 превышает опорное напряжение, в выходной цепи компаратора появляется «О», замыкающий ключ S1. Емкость С1 сбрасывает заряд через S1 на нагрузку R H , а далее процесс повторяется. Чем выше освещённость, тем чаще происходит повторение описанного выше процесса.
По сути, мы имеем релаксационный генератор — преобразователь освещенности в частоту.
В практической схеме частота следования импульсов тока составляет единицы герц на рассвете и в сумерки, до десятков килогерц при максимальной освещенности, что обеспечивает широкий динамический диапазон работоспособности контроллера.
Принципиальная схема: контроллер заряда солнечной батареи, представлена на Рисунке 2.
Поскольку ранее мы подробно разобрали алгоритм работы контроллера, то остановимся только на нескольких моментах.
- Схема гарантированно работоспособна с 12-вольтовыми солнечными панелями мощностью от 40 Вт до 100 Вт, имеющими напряжение холостого хода не более 22 В, номинальное напряжение, соответствующее точке максимальной мощности 17-18 В и номинальный ток2…8А.
- Компаратор U1-2 срабатывает при напряжении на аккумуляторной батарее выше 14.4 вольт, принудительно ограничивая длительность импульсов зарядного тока, что предотвращает перезаряд аккумулятора.
- Питание компаратора и источника опорного напряжения производится с выхода устройства, что гарантирует автоматическое отключение контроллера заряда солнечной батареи при отключении аккумулятора.
Настройка схемы
Перед началом настройки временно разорвите цепь выхода компаратора U1 -2. Вместо термистора подключите сопротивление 8.2 кОм, примерно равное сопротивлению 10-килоомного термистора при температуре 25 градусов Цельсия. Если вы не планируете использовать термокомпенсацию точки максимальной мощности, или расстояние от панели до контроллера больше 2 метров, резисторы R15, R17 и термистор R16 могут быть удалены без ущерба для работоспособности схемы. При этом резистор R4 подключается к плюсовой шине.
Операции настойки выполняются в следующей последовательности:
- Подключите к выходу контроллера заряженную примерно на 50-60% аккумуляторную батарею небольшой мощности, например 7 Ач от источника бесперебойного питания. Как правило, такие аккумуляторы есть в арсенале мастера.
- Проверьте наличие опорного напряжения 8 В.
- Подключите к входу контроллера регулируемый источник 10-24 В с током до 2 А через сопротивление 5 Ом, имитируя подключение солнечной батареи.
- Медленно поднимая напряжение, контролируйте состояние выходной части компаратора U1-1. Если при напряжении, равном номинальному напряжению панели, для примера 17.2 В, с которой будет использоваться контроллер заряда солнечной батареи , на выходе U1-1 все еще будет высокий потенциал, регулируем R5 до возникновения автоколебаний.
- Далее контролируя напряжение на конденсаторе С1 и увеличивая входное напряжение, убеждаемся, что напряжение на конденсаторе С1 остается неизменным и равным номинальному напряжению солнечной панели. При помощи осциллографа убедитесь, что форма сигнала на стоке G3 близка к показанной на Рисунке 3.
- Напряжение на аккумуляторе начнет расти. Когда оно достигнет 14.5 В, прекратите настройку, отключите аккумулятор и источник питания. Восстановите соединение выхода компаратора U1-2 с элементами схемы.
- Подключите аккумулятор и источник питания. Если форма импульсов изменилась, и ток заряда резко упал, регулируйте R10 до тех пор, пока изменение ограничения зарядного тока не будет наступать при напряжении на заряжаемом аккумуляторе 14.4 В.На этом настройка может считаться законченной.
Конструктивные особенности
При пиковом значении тока более 3 А для транзистора Q3 необходим теплоотвод. Разумеется, полевой МОП-транзистор не утратит работоспособность без заметного ухудшения параметров при температурных значениях в пределах 100 градусов, но в случае желания иметь уверенно работающий прибор, радиатор необходим.
В качестве дросселя L1 использован дроссель режекторного фильтра от блока питания компьютера. Обмотки дросселя соединены последовательно. При токах более 5 А дроссель может нагреваться до 60 градусов, но это не влияет на надежность устройства.
К вопросу о линеаризации характеристики термистора
В процессе разработки схемы контроллера были исследованы различные варианты управления положением рабочей точкой контроллера при помощи измерения температуры панели. В одной из моделей использовалась более сложная схема термокомпенсации, основанная на суммирующем ОУ для сложения опорного напряжения с выходным напряжением температурного датчика на термисторе. Это решение не применяется в описываемом контроллере, но автор считает полезным упомянуть его в рамках данной статьи.
Наилучшая линеаризация выходного сигнала датчика получается при включении термистора по схеме, показанной на Рис 4.
Динамический диапазон изменения выходного сигнала сужается, чувствительность термистора в данном случае значительно не ухудшается, оставаясь постоянной в довольно большом температурном диапазоне.
Загрузка...