Контроллеры заряда солнечной батареи

Контроллер заряда солнечных батарей — обязательный элемент энергосистемы на солнечных панелях, кроме аккумуляторов и самих панелей. За что он отвечает и как его сделать самому?

Когда нужен контроллер

Солнечная энергетика пока что ограничивается (на бытовом уровне) созданием фотоэлектрических панелей относительно невысокой мощности. Но независимо от конструкции фотоэлектрического преобразователя света солнца в ток это устройство оснащается модулем, который называют контроллер заряда солнечной батареи.

Действительно, в схему установки фотосинтеза солнечного света входит аккумуляторная батарея – накопитель энергии, получаемой от солнечной панели. Именно этот вторичный источник энергии обслуживается в первую очередь контроллером.

Далее мы разберемся в устройстве и принципах работы этого прибора, а также расскажем о способах его подключения.

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:

1. Зарядка аккумулятора многостадийная;
2. Регулировка включения/отключения аккумулятора при заряде/разряде устройства;
3. Подключение аккумулятора при максимальном заряде;
4. 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.

Функции контроллера для солнечных батарей

Электронный модуль, называемый контроллером для солнечной батареи, предназначен выполнять целый ряд контрольных функций в процессе заряда/разряда аккумулятора солнечной батареи.

Такой выглядит одна из многочисленных существующих моделей контроллеров заряда для солнечной батареи. Этот модуль относится к числу разработок типа PWM

Когда на поверхность солнечной панели, установленной, к примеру, на крыше дома, падает солнечный свет, фотоэлементами устройства этот свет преобразуется в электрический ток.

Полученная энергия, по сути, могла бы подаваться непосредственно на аккумулятор-накопитель. Однако процесс зарядки/разрядки АКБ имеет свои тонкости (определённые уровни токов и напряжений). Если пренебречь этими тонкостями, АКБ за короткий срок эксплуатации попросту выйдет из строя.

Чтобы не иметь таких грустных последствий, предназначен модуль, именуемый контроллером заряда для солнечной батареи.

Помимо контроля уровня заряда аккумулятора, модуль также отслеживает потребление энергии. В зависимости от степени разряда, схемой контроллера заряда аккумулятора от солнечной батареи регулируется и устанавливается уровень тока, необходимый для начального и последующего заряда.

В зависимости от мощности контроллера заряда аккумуляторных батарей солнечной энергетической установки, конструкции этих устройств могут иметь самую разную конфигурацию

В общем, если говорить простым языком, модуль обеспечивает беззаботную «жизнь» для АКБ, что периодически накапливает и отдаёт энергию устройствам-потребителям.

Как работает контроллер зарядки аккумулятора

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. Если это произойдет, то в схеме контроллера для солнечной батареи 35 ватт или любого другого будут происходить некоторые изменения. Усилитель откроет доступ к транзистору MOSFET, а два других, более слабых, будут закрыты.

Таким образом, заряд аккумулятора прекратится. Как только напряжение упадет, схема вернется в начальное положение и зарядка продолжится. Время, отведенное на выполнение этой операции контроллеру около 3 секунд.

Характеристики устройства

Низкое потребление мощности в режиме простоя. Схема была разработана для небольших и средних свинцово-кислотных аккумуляторных батарей и потребляет маленький ток (5 мА) в режиме простоя. Это увеличивает продолжительность жизни аккумуляторных батарей.

Легкодоступные компоненты. В устройстве используются обычные компоненты (не SMD), которые легко можно найти в магазинах. Ничего не требуется прошивать, единственное нужен будет вольтметр и регулируемый источник питания для настройки схемы.

Последняя версия устройства. Это уже третья версия устройства, поэтому в нем исправлены большинство ошибок и недочетов, которые присутствовали в предыдущих версиях зарядника.

Регулировка напряжения. В приборе используется параллельный стабилизатор напряжения, чтобы напряжение аккумулятора не превышало норму, обычно это 13.8 Вольт.

Защита от пониженного напряжения. В большинстве солнечных зарядных устройствах для защиты от утечки тока аккумулятора на солнечную панель, используется диод Шоттки. А шунтирующий стабилизатор напряжения используется когда аккумулятор полностью заряжен.
Одной из проблем такого подхода являются потери на диоде и как следствие его нагрев. К примеру, солнечная панель 100 Ватт, 12В, подает 8А на аккумуляторную батарею, на диоде Шоттки падение напряжение составит 0.4В, т.е. рассеиваемая мощность составит около 3.2 Ватта. Это во первых потери, а во вторых для диода понадобится радиатор для отвода тепла. Проблема в том, что уменьшить падение напряжения не получится, несколько диодов включенных параллельно, уменьшат ток, но падение напряжения такое и останется. В представленной ниже схеме, вместо обычных диодов используются мосфеты, следовательно мощность теряется только на активное сопротивление (резистивные потери).

Для сравнения, в 100 Вт панели при использовании мосфетов IRFZ48 (КП741А) потери мощности составляют всего 0.5Ватта (на Q2). А это значит меньший нагрев и больше энергии для аккумуляторов. Еще важным моментов является то, что мосфеты имеют положительный температурный коэффициент и могут быть включены в параллель для уменьшения сопротивления в включенном состоянии.

В приведенной выше схеме используется пара нестандартных решений.

Зарядка. Между солнечной панелью и нагрузкой не используется диод, вместо него стоит мосфет Q2. Диод в мосфете обеспечивает протекание тока от панели к нагрузке. Если на Q2 появляется значительное напряжение, то транзистор Q3 открывается, заряжается конденсатор С4, что заставляет ОУ U2c и U3b открыть мосфет Q2. Теперь, падение напряжения вычисляется по закону Ома, т.е. I*R, и оно намного меньше, чем если бы там стоял диод. Конденсатор С4 периодически разряжается через резистор R7, и Q2 закрывается. Если от панели протекает ток, то ЭДС самоиндукции дросселя L1 сразу же заставляет открыться Q3. Это происходит очень часто (множество раз за секунду). В случае, когда ток идет на солнечную панель, Q2 закрывается, а Q3 не открывается, т.к. диод D2 ограничивает ЭДС самоиндукции дросселя L1. Диод D2 может быть рассчитан на ток 1А, однако в процессе тестирования выяснилось, что такой ток возникает редко.

Подстроечник VR1 устанавливает максимальное напряжение. Когда напряжение превышает 13.8В, то операционный усилитель U2d открывает мосфет Q1 и выход с панели «закорачивается» на землю. Помимо этого, операционник U3b отключает Q2 и т.о. панель отключается от нагрузки. Это необходимо, поскольку Q1 помимо солнечной панели «коротит» нагрузку и аккумулятор.

Управление N-канальными мосфетами. Для управления мосфетами Q2 и Q4 требуется большее напряжение, чем используемое в схеме. Для этого, ОУ U2 с обвязкой из диодов и конденсаторов создает повышенное напряжение VH. Это напряжение используется для питания U3, на выходе которого будет повышенное напряжение. Связка U2b и D10 обеспечивают стабильность выходного напряжения на уровне 24 Вольт. При таком напряжении, через затвор-исток транзистора будет напряжение не меньше 10В, поэтому тепловыделение будет маленькое.
Обычно, N-канальные мосфеты имеют намного меньшее сопротивление, чем Р-канальные, поэтому они и были использованы в данной схеме.

Защита от пониженного напряжения. Мосфет Q4, операционник U3a с внешней обвязкой из резисторов и конденсаторов, предназначены для защиты от пониженного напряжения. Здесь Q4 используется нестандартною. Диод мосфета обеспечивает постоянное прохождение тока в аккумулятор. Когда напряжение выше установленного минимума, то мосфет открыт, допуская небольшое падение напряжения при зарядке аккумулятора, но более важным является то, что он дает возможность прохождения тока от аккумулятора на нагрузку, если солнечная батарея не может обеспечить достаточную выходную мощность. Предохранитель защищает от возникновения короткого замыкания на стороне нагрузки.

Ниже представлены рисунки расположения элементов и печатных плат.

Настройка устройства. При нормальной использовании устройства, джампер J1 не должен быть вставлен! Светодиод D11 используется для настройки. Для настройки устройства, к выводам «нагрузка» подключите регулируемый блок питания.

Установка защиты от пониженного напряжения
Вставьте джампер J1.
В блоке питание установите выходное напряжение на 10.5В.
Вращайте подстроечный резистор VR2 против часовой стрелки до тех пор, пока не загорится светодиод D11.
Немного поверните VR2 по часовой стрелке, пока светодиод не погаснет.
Выньте джампер J1.

Установка максимального напряжения
В блоке питание установите выходное напряжение на 13.8В.
Вращайте подстроечный резистор VR1 по часовой стрелке до тех пор, пока не погаснет светодиод D9.
Медленно поверните VR1 против часовой стрелки, пока светодиод D9 не загорится.

Контроллер настроен. Не забудьте вынуть джампер J1!

Если мощность всей системы будет небольшая, то мосфеты могут быть заменены на более дешевые IRFZ34. А если система будет мощнее, то мосфеты можно заменить на более мощные IRFZ48.

On/Off

Данный тип устройств считается наиболее простым и дешевым. Его единственная и главная задача – это отключение подачи заряда на аккумулятор при достижении максимального напряжения для предотвращения перегрева.

Однако данный тип имеет определенный недостаток, который заключается в слишком раннем отключении. После достижения максимального тока необходимо еще пару часов поддерживать процесс заряда, а этот контроллер сразу его отключит.

В результате зарядка аккумулятора будет в районе 70% от максимальной. Это негативно отражается на аккумуляторе.

Данный тип является усовершенствованным On/Off. Модернизация заключается в том, что в него встроена система широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Эта функция позволила контроллеру при достижении максимального напряжения не отключать подачу тока, а уменьшать его силу.

Из-за этого появилась возможность практически стопроцентной зарядки устройства.

Данный типаж считается наиболее продвинутым в настоящее время. Суть его работы строится на том, что он способен определить точное значение максимального напряжения для данного аккумулятора. Он непрерывно следит за током и напряжением в системе. Из-за постоянного получения этих параметров процессор способен поддерживать наиболее оптимальные значения тока и напряжения, что позволяет создать максимальную мощность.

Если сравнивать контроллер МРРТ и PWN, то эффективность первого выше примерно на 20-35%.

Параметры выбора

Критериев выбора всего два:

1. Первый и очень важный момент – это входящее напряжение. Максимум данного показателя должен быть выше примерно на 20% от напряжения холостого хода солнечной батареи.
2. Вторым критерием является номинальный ток. Если выбирается типаж PWN, то его номинальный ток должен быть выше, чем ток короткого замыкания у батареи примерно на 10%. Если выбирается МРРТ, то его основная характеристика – это мощность. Этот параметр должен быть больше, чем напряжение всей системы, умноженной на номинальный ток системы. Для расчетов берется напряжение при разряженных аккумуляторах.

Способы подключения контроллеров

Рассматривая тему подключений, сразу нужно отметить: для установки каждого отдельно взятого аппарата характерной чертой является работа с конкретной серией солнечных панелей.

Так, например, если используется контроллер, рассчитанный на максимум входного напряжения 100 вольт, серия солнечных панелей должна выдавать на выходе напряжение не больше этого значения.

Любая солнечная энергетическая установка действует по правилу баланса выходного и входного напряжений первой ступени. Верхняя граница напряжения контроллера должна соответствовать верхней границе напряжения панели

Прежде чем подключать аппарат, необходимо определиться с местом его физической установки. Согласно правилам, местом установки следует выбирать сухие, хорошо проветриваемые помещения. Исключается присутствие рядом с устройством легковоспламеняющихся материалов.

Недопустимо наличие в непосредственной близости от прибора источников вибраций, тепла и влажности. Место установки необходимо защитить от попадания атмосферных осадков и прямых солнечных лучей.

Техника подключения моделей PWM

Практически все производители PWM-контроллеров требуют соблюдать точную последовательность подключения приборов.

Техника соединения контроллеров PWM с периферийными устройствами особыми сложностями не выделяется. Каждая плата оснащена маркированными клеммами. Здесь попросту требуется соблюдать последовательность действий

Подключать периферийные устройства нужно в полном соответствии с обозначениями контактных клемм:

1. Соединить провода АКБ на клеммах прибора для аккумулятора в соответствии с указанной полярностью.
2. Непосредственно в точке контакта положительного провода включить защитный предохранитель.
3. На контактах контроллера, предназначенных для солнечной панели, закрепить проводники, выходящие от солнечной батареи панелей. Соблюдать полярность.
4. Подключить к выводам нагрузки прибора контрольную лампу соответствующего напряжения (обычно 12/24В).

Указанная последовательность не должна нарушаться. К примеру, подключать солнечные панели в первую очередь при неподключенном аккумуляторе категорически запрещается. Такими действиями пользователь рискует «сжечь» прибор. В этом материале более подробно описана схема сборки солнечных батарей с аккумулятором.

Также для контроллеров серии PWM недопустимо подключение инвертора напряжения на клеммы нагрузки контроллера. Инвертор следует соединять непосредственно с клеммами АКБ.

Порядок подключения приборов MPPT

Общие требования по физической инсталляции для этого вида аппаратов не отличаются от предыдущих систем. Но технологическая установка зачастую несколько иная, так как контроллеры MPPT зачастую рассматриваются аппаратами более мощными.

Для контроллеров, рассчитанных под высокие уровни мощностей, на соединениях силовых цепей рекомендуется применять кабели больших сечений, оснащённые металлическими концевиками

Например, для мощных систем эти требования дополняются тем, что производители рекомендуют брать кабель для линий силовых подключений, рассчитанный на плотность тока не менее чем 4 А/мм2. То есть, например, для контроллера на ток 60 А нужен кабель для подключения к АКБ сечением не меньше 20 мм2.

Соединительные кабели обязательно оснащаются медными наконечниками, плотно обжатыми специальным инструментом. Отрицательные клеммы солнечной панели и аккумулятора необходимо оснастить переходниками с предохранителями и выключателями.

Такой подход исключает энергетические потери и обеспечивает безопасную эксплуатацию установки.

Структурная схема подключения мощного контроллера MPPT: 1 – солнечная панель; 2 – контроллер MPPT; 3 – клеммник; 4,5 – предохранители плавкие; 6 – выключатель питания контроллера; 7,8 – земляная шина

Перед подключением солнечных панелей к прибору следует убедиться, что напряжение на клеммах соответствует или меньше напряжения, которое допустимо подавать на вход контроллера.

Подключение периферии к аппарату MTTP:

1. Выключатели панели и аккумулятора перевести в положение «отключено».
2. Извлечь защитные предохранители на панели и аккумуляторе.
3. Соединить кабелем клеммы аккумулятора с клеммами контроллера для АКБ.
4. Подключить кабелем выводы солнечной панели с клеммами контроллера, обозначенными соответствующим знаком.
5. Соединить кабелем клемму заземления с шиной «земли».
6. Установить температурный датчик на контроллере согласно инструкции.

После этих действий необходимо вставить на место ранее извлечённый предохранитель АКБ и перевести выключатель в положение «включено». На экране контроллера появится сигнал обнаружения аккумулятора.

Далее, после непродолжительной паузы (1-2 мин), поставить на место ранее извлечённый предохранитель солнечной панели и перевести выключатель панели в положение «включено».

Экран прибора покажет значение напряжения солнечной панели. Этот момент свидетельствует об успешном запуске энергетической солнечной установки в работу.

Самодельный контроллер: особенности, комплектующие

Устройство предназначено для работы только с одной солнечной панелью, которая создает ток с силой, не более 4 А. Емкость аккумулятора, зарядкой которого управляет контроллер, является 3 000 А*ч.

Для изготовления контроллера нужно подготовить следующие элементы:

• 2 микросхемы: LM385-2.5 и TLC271 (является операционным усилителем);
• 3 конденсатора: С1 и С2 являются маломощными, имеют 100n; С3 имеет емкость 1000u, рассчитан на 16 V;
• 1 индикаторный светодиод (D1);
• 1 диод Шоттки;
• 1 диод SB540. Вместо него можно использовать любой диод, главное, чтобы он мог выдержать максимальный ток солнечной батареи;
• 3 транзистора: BUZ11 (Q1), BC548 (Q2), BC556 (Q3);
• 10 резисторов (R1 – 1k5, R2 – 100, R3 – 68k, R4 и R5 – 10k, R6 – 220k, R7 – 100k, R8 – 92k, R9 – 10k, R10 – 92k). Все они могут быть 5%. Если хочется большей точности, то можно взять резисторы 1%.

Чем можно заменить некоторые комплектующие

Любой из этих элементов можно заменять. При установке других схем нужно подумать об изменении емкости конденсатора С2 и подборе смещения транзистора Q3.

Вместо транзистора MOSFET можно установить любой другой. Элемент должен иметь низкое сопротивление открытого канала. Диод Шоттки лучше не заменять. Можно установить обычный диод, но его нужно правильно разместить.

Резисторы R8, R10 равны 92 кОм. Такое значение нестандартное. Из-за этого такие резисторы найти сложно. Их полноценной заменой может быть два резистора с 82 и 10 кОм. Их нужно включать последовательно.

Если контроллер не будет использоваться в агрессивной среде, можно провести установку подстроечного резистора. Он дает возможность управлять напряжением. В агрессивной среде он долго не поработает.

При необходимости использовать контроллер для более сильных панелей нужно провести замену транзистора MOSFET и диода более мощными аналогами. Все остальные компоненты менять не нужно. Нет смысла устанавливать радиатор для регулирования 4 А. При установке MOSFET на подходящем теплоотводе устройство сможет работать с более продуктивной панелью.

Принцип работы

При отсутствии тока с солнечной батареи контроллер находится в спящем режиме. Он не использует ни одного вата из аккумулятора. После попадания солнечных лучей на панель электрический ток начинает поступать к контроллеру. Он должен включиться. Однако индикаторный светодиод вместе с 2 слабыми транзисторами включается только тогда, когда напряжение тока достигнет 10 В.

После достижения такого напряжения ток будет проходить через диод Шоттки к аккумулятору. Если напряжение поднимется до 14 В, начнет работать усилитель U1, который откроет транзистор MOSFET. В результате светодиод погаснет, и состоится закрытие двух не мощных транзисторов. Аккумулятор заряжаться не будет. В это время будет разряжаться С2. В среднем на это уходит 3 секунды. После разрядки конденсатора С2 гистерезис U1 будет преодолен, MOSFET закроется, аккумулятор начнет заряжаться. Зарядка будет происходить до момента, когда напряжение поднимется до уровня переключения.

Зарядка происходит периодически. При этом ее продолжительность зависит от того, каким является зарядный ток аккумуляторной батареи, и насколько мощные подключенные к ней устройства. Зарядка длится до тех пор, пока напряжение не станет равным 14 В.

Схема включается за очень короткое время. На ее включение влияет время зарядки С2 током, который ограничивает транзистор Q3. Ток не может быть больше 40 мА.

Какой контроллер выбрать для солнечных батарей

Автономные гелиосистемы, которые не требуют подключения к общей сети, состоят из множества элементов: солнечных батарей, инвертора, аккумулятора, реле и т.д. Ключевую роль в системе занимает контроллер. Он регулирует работу гелиосистемы и управляет аккумулятором. Главная задача контроллера — не допустить разрядки аккумулятора, а также не позволить ему перегружаться. Это позволяет продлить срок службы аккумулятора и предупредить его поломку в случае перегрузок.

Как подобрать контроллер заряда для солнечных батарей

В первую очередь стоит обратить внимание на такие параметры, как:

• Входное напряжение. Взгляните на информацию в техпаспорте: там указывается максимальное напряжение и напряжение «холостого хода» солнечной батареи. Первый параметр должен быть на 20% выше «холостого хода». Даже если производители указали в документациях завышенные показатели, с этим нехитрым расчетом подобрать подходящий контроллер — реально и без специалиста. Учитывайте и то, что при высокой активности Солнца (в летний период), напряжение в солнечных батареях будет на порядок выше, чем указано в техпаспорте.
• Наличие защиты. Многие модели оснащаются дополнительной защитой от различных неприятных ситуаций: неправильное подключение полярности, короткие замыкания, удар молнии, перегрев, разрядка в ночное время и т.п. Выбирайте контроллер с учетом индивидуальных потребностей: например, если в вашем регионе грозы — частое явление, тогда защита от удара молнии пригодится.
• Номинальный ток. Для моделей каждого типа устройства он свой. Для PWM-контроллеров номинальный ток на 10% выше тока короткого замыкания солнечного модуля. Для MPPT моделей номинальный ток вычисляется, исходя из мощности, которая должна быть равна или немного превышать произведение напряжения солнечной батареи на ток регулятора.

В период высокой инсоляции без контроллера не обойтись: случаются перегрузки, и вся гелиосистема способна выйти из строя. Чтобы этого не произошло, необходимо дополнительно рассчитать показатели номинального тока «про запас». Всегда лучше приобрести более дорогой контроллер с высокими параметрами мощности. Для вычисления показателей, необходимых для расчета «запаса», к полученным значениям по номинальному току прибавьте еще 20% мощности — этого достаточно, чтобы спасти гелиосистему от перегрузок.

Обзор контроллеров солнечной батареи: разновидности

По своему устройство различают четыре типа контроллеров (не считая самодельных):

• OnOff — отключает заряд по достижению верхнего предела напряжения;
• PWM — для понижения заряжающего тока при максимальных нагрузках;
• МРРТ — сложная система, снимающая высокое напряжение с батарей с последующей оптимизацией нагрузки;
• гибридные — созданы для комбинированных систем (солнечные модули + ветряки) для сброса избыточной энергии.

Чем сложнее модель, тем выше ее стоимость. Поэтому устройства типа «OnOff» всегда будут стоить дешевле, чем МРРТ. Необязательно покупать последнюю новинку техники, если вам необходим простой контроллер для солнечной батареи на даче. В этих случаях модели «OnOff» будет достаточно. Если вам необходимо позаботиться о гелиосистеме, работающей на постоянной основе и служащей для обеспечения электроэнергией жилого дома, тогда стоит задуматься о приобретении PWM или МРРТ моделей. Гибридные модели актуальны только для владельцев комбинированных систем. Они строятся на базе МРРТ или PWM с той разницей, что у них используются вольтамперные системы исчисления.

Советы по выбору контроллера для солнечной батареи

Чтобы не совершить ошибку при покупке, учитывайте такие аспекты:

• Мощность солнечных батарей не должна превышать мощности контроллера — это приводит к поломке. Учитывайте, что не каждое устройство располагает функцией ограничения мощности. На деле такой опцией оснащены только модели от продвинутых производителей. К примеру, линейка «Tracer A» от компании EpSolar. Подобный ограничитель указывается в технических характеристиках.
• В расчетах учитывайте, что из-за низких температур общий показатель КПД гелиосистемы увеличивается, в то время как показатель номинальной мощности (в техпаспорте) указывается для средней температуры 25°С. Для примера: у кремниевых батарей температурный коэффициент колеблется от 0,3% до 0,5% на градус по Цельсию. Значит, для -25°С мощность увеличится на 20%. Если не брать это во внимание, то высок риск купить неподходящий контроллер.
• Никогда не устанавливайте контроллер с меньшим номиналом — он сломается, даже если вы собираетесь использовать его для неполной нагрузки. Ситуации случаются разные, и от капризов погоды не застрахован никто.
• Сами производители отмечают, что лучший контроллер для солнечных батарей — тот, который оснащен температурной компенсацией зарядных напряжений. От температуры аккумулятора зависит предельное напряжение зарядки. Иными словами, с наличием встроенного или подключенного температурного датчика вы сможете следить за перегревом устройства. Это позволяет избежать поломок и повысить точность работы аккумулятора.
• Для измерения выработки энергии от Солнца учитывайте среднемесячные значения за пять-семь лет — не только последние показатели. Это позволяет увидеть широту колебаний солнечного массива и выбрать не только подходящие модули, но и соответствующий им контроллер.

• Какая жизнь без света?
• Солнце – источник жизни для Iphone
• Новые разработки в сфере солнечной энергетики
• Стратосферный самолет на солнечных батареях SolarStratos

Как подобрать контроллер заряда солнечных батарей.

При выборе контроллера заряда для солнечных батарей большинство задается вопросом, как выбрать контроллер заряда солнечных батарей.

Выбор контроллера заряда солнечных батарей следует разделить на несколько аспектов:

1. Подбор по мощности массива солнечных батарей;
2. Подбор по напряжению используемых солнечных батарей и акб;
3. Подбор по максимальной нагрузке или зарядному току акб, количеству акб;
4. Подбор по типу АКБ;
5. Подбор по необходимым функциям;
6. Подбор по типу регулировки и преобразования напряжения;
7. Подбор по стоимости;
8. Выбор производителя.

Подбор по мощности массива солнечных батарей

Основной параметр контроллера солнечного заряда это рабочее напряжение и максимальная сила тока, с которой может работать контроллер заряда. Очень важно знать такие параметры солнечных батарей, как:

Номинальное напряжение – рабочее напряжение контура солнечных батарей, замкнутого на нагрузку, т.е. на контроллер;

Напряжение открытого контура – максимальное достигаемое напряжение контура солнечных батарей, не подключенного к нагрузке. Также же это напряжение называется напряжением холостого хода. При подключении к контроллеру солнечных батарей, контроллер должен выдерживать данное напряжение.

Максимальная сила входного тока от солнечных батарей, сила тока контура солнечных батарей в режиме короткого замыкания. Этот параметр достаточно редко указывается в характеристиках контроллера. Для этого необходимо узнать номинал предохранителя в контроллере и посчитать величину тока короткого замыкания солнечных модулей в контуре. Для солнечных батарей ток короткого замыкания обычно всегда указан. Ток короткого замыкания всегда выше максимального рабочего тока.

Номинальный рабочий ток. Ток подключенного контура солнечных батарей, который вырабатывается солнечными батареями при нормальных условиях эксплуатации. Данный ток обычно ниже указанного тока в характеристиках для контроллера, так как производители, как всегда, указывают максимальную силу тока контроллера.

Номинальная мощность подключаемых солнечных батарей. Данная мощность представляет произведение рабочего напряжения на рабочий ток солнечных батарей. Мощность солнечных батарей, подключенных к контроллеру должна быть равна указанной или меньше, но никак не больше. При превышении мощности, контроллер при отсутствии предохранителей может сгореть. Хотя большинство контроллеров, естественно, имеют предохранители, рассчитанные на перегрузку в 10-20% в течение 5-10 минут.

Подбор контроллера по напряжению и току солнечных батарей и акб

Большинство выпускаемых солнечных батарей имеет номинальное напряжение 12 или 24 вольта. Это сделано для того чтобы можно было заряжать аккумуляторные батареи без дополнительного преобразования напряжения. Аккумуляторные батареи появились значительно раньше солнечных батарей и имеют распространённый стандарт номинального напряжения на 12 или 24 вольта. Соответственно большинство контроллеров для солнечных батарей выпускается с номинальным рабочим напряжением равным 12 или 24 вольта, а также двухдиапазонные на 12 и 24 вольта с автоматическим распознаванием и переключением напряжения.

Номинальное напряжение на 12 и 24 вольта достаточно низкое для мощных систем. Для получения необходимой мощности приходится увеличивать количество солнечных батарей и аккумуляторов, соединяя их в параллельные контуры и значительно увеличивая силу тока. Увеличение силы тока ведет к нагреву кабеля и электрическим потерям. Необходимо увеличивать толщину кабеля, возрастает расход металла. Также необходимы мощные контроллеры, рассчитанные на высокий ток, такие контроллеры получаются очень дорогими.

Чтобы исключить возрастание тока, контроллеры для мощных систем делают для номинально рабочего напряжения на 36, 48 и 60 Вольт. Стоит заметить, что напряжение контроллеров кратно по напряжению 12 вольтам, для того чтобы можно было подключать солнечные батареи и акб в последовательные сборки. Контроллеры с кратным напряжением выпускаются только для технологии зарядки ШИМ.

Как видно ШИМ контроллеры выбираются с напряжением кратным 12 вольтам, причем в них входное номинальное напряжение от солнечных батарей и номинальное напряжение контура подключенных аккумуляторов должно быть одинаковым, т.е. 12В от СБ – 12В к АКБ, 24В на 24, 48В на 48В.

У контроллеров MPPT входное напряжение может быть равным или произвольно выше в несколько раз без кратности 12 Вольтам. Обычно MPPT контроллеры имеют входное напряжение от солнечных батарей от 50 Вольт для простых моделей и до 250 вольт для мощных контроллеров. Но следует учесть, что опять же производители указывают максимальное входное напряжение, и при последовательном подключении солнечных батарей следует складывать их максимальное напряжение, или напряжение холостого хода. Проще говоря: входное максимальное напряжение любое от 50 до 250В, в зависимости от модели, номинальное или минимальное входное при этом будет 12, 24, 36 или 48В. При этом выходное напряжение для заряда АКБ у контроллеров MPPT стандартное, часто с автоматическим определением и поддержкой напряжений на 12, 24, 36 и 48 Вольта, иногда 60 или 96 вольт.

Существуют серийные промышленные очень мощные MPPT контроллеры с входным напряжением от солнечных батарей на 600В, 800В и даже 2000В. Данные контроллеры также можно свободно приобрести у российских поставщиков оборудования.

Окромя выбора контроллера по рабочему напряжению, контроллеры следует выбирать по максимальному входному току от солнечных батарей и максимальному току заряда акб.

Для ШИМ контроллера, максимальный входной ток от солнечных батарей будет переходить в зарядный ток АКБ, т.е. контроллер не будет заряжать большим током, чем выдают подключенные к нему солнечные батареи.

В MPPT контроллере все иначе, входной ток от солнечных батарей и выходной ток для заряда акб – это разные параметры. Эти токи могут быть равными, если номинальное напряжение подключенных солнечных батарей равно номинальному напряжению подключенных акб, но тогда теряется суть преобразования MPPT, и эффективность контроллера уменьшается. В MPPT контроллерах номинальное входное напряжение от солнечных батарей должно быть выше номинального напряжения подключенных АКБ оптимально в 2-3 раза. Если входное напряжение выше ниже чем в 2 раза, к примеру, в 1,5 раза, то будет меньшая эффективность, а выше более чем в 3 раза, то будут большие потери на разницу преобразования напряжения.

Соответственно входной ток всегда будет равен или ниже максимальному выходному току заряда АКБ. Отсюда следует, что MPPT контроллеры необходимо выбирать по максимальному зарядному току АКБ. Но чтобы не превысить данный ток, указывается максимальная мощность подключаемых солнечных батарей, при номинальном напряжении контура подключенных АКБ. Пример для контроллера заряда MPPT на 60 Ампер:

800Вт при напряжении АКБ электростанции 12В;

1600Вт при напряжении АКБ электростанции 24В;

2400Вт при напряжении АКБ электростанции 36В;

3200Вт при напряжении АКБ электростанции 48В.

Следует заметить, что данная мощность при 12 вольт указана для зарядного напряжения от солнечных панелей в 13 — 14 Вольт, и кратна для остальных систем с напряжениями на 24, 36 и 48вольт.

Подбор контроллера по максимальной нагрузке, зарядному току акб и по количеству акб

Одним из важных аспектов выбора контроллера является максимальная выходная мощность контроллера, которая должна учитываться как со стороны контроллера, так и со стороны акб. Рассмотрим почему.

Допустим, имеем комплект акб большой емкости. Соответственно чтобы зарядить данные акб в течение дня, контроллер должен выдавать необходимую мощность, ну и мощность подключенных солнечных батарей должна быть, естественно, не меньшей. Если мощность контроллера и массива солнечных батарей будет меньше, то акб не успеют зарядиться в течение дня, и при постоянной нагрузке разрядятся еще больше, и так каждый раз, что скажется на их последующем ресурсе.

Если подключенные акб к солнечному контроллеру имеют маленькую емкость. Для современных контроллеров эта проблема уже не актуальна, но стоит рассмотреть такой вариант. На старых или простых контроллерах очень важно было подобрать контроллер, мощность которого с равной мощностью солнечных батарей позволят в течение дня зарядить акб, разряженный за ночь, и обеспечить питанием дневные электрические нагрузки. Для аккумуляторных батарей максимальный зарядный ток не должен превышать 30% от номинала емкости, если акб имеет емкость 100АЧ, то зарядный ток не должен превышать 30 Ампер. Если же мощность солнечной системы была бы избыточна, то контроллер продолжал бы заряжать акб даже после полного их заряда, не опуская зарядный ток и напряжение, что приводило к закипанию электролита, его кипению, вскипанию и порче аккумулятора. Современные контроллеры имеют встроенный компьютер, который следит за параметрами акб, имеет программу заряда, управляемые реле отключения, а также может регулировать ток и напряжение заряда.

Подбор контроллера по типу АКБ

Различные по типу АКБ необходимо заряжать по различным программам зарядки. Это связано с различным химическим составом аккумуляторов. Программы зарядки имеют разные алгоритмы заряда. В соответствии с выбранной программой зарядки акб контроллер заряда регулирует напряжение и силу тока в установленном диапазоне. Современные контроллеры заряжают контроллеры по технологии широтно-импульсной модуляции, такие контроллеры называются ШИМ(PWM) контроллеры. Причем более дорогие контроллеры, которые называются MPPT, использующие технологию поиска точки максимальной мощности от массива солнечных батарей тоже заряжают аккумуляторы по технологии ШИМ. Сначала MPPT контроллер отбирает максимальную мощность, а далее используя ШИМ преобразователь, заряжает акб в соответствии с установленной программой зарядки.

В зависимости от имеющихся аккумуляторов, необходимо выбрать контроллер, имеющий программу заряда именно для вашего типа акб. Рассмотрим основные типы АКБ и условия их заряда:

1) Свинцово-кислотные с жидким электролитом. Заряжаются обычно напряжением не выше 14-15 вольт, можно и выше до 17 вольт, но электролит быстро закипит и начнется процесс его выкипания и разрушения пластин, поэтому придется безотрывно следить за процессом заряда и при начале образования пузырьков, все равно опустить напряжение до 14 вольт, или отключить заряд и дать остыть аккумулятору. Также такие аккумуляторы при заряде выделяют взрывоопасный газ, поэтому их необходимо заряжать с открытыми клапанами и в хорошо вентилируемом помещении.

2) Свинцово-кислотные герметичные с загущенным или абсорбированным электролитом. Это аккумуляторы, изготовленные по технологии GEL и AGM. Данные аккумуляторы необходимо заряжать напряжением не выше 14 вольт. Это связано с тем, что если начнется процесс нагрева, загущенного или абсорбированного электролита, то структура электролита начнет разрушаться, и потеряет свои свойства, причем в отличии от жидко-кислотных, электролит невозможно поменять или восстановить.

3) Щелочные АКБ. Требуют заряд напряжением от 10В до 17В, необходимо следить за процессом заряда.

5) Литиевые, имеют в составе специальный блок управления зарядом.

Простые контроллеры заряда имеют одну или две программы зарядки для свинцово-кислотных акб для негерметичных жидкостных и для герметичных GEL или AGM аккумуляторов.

Подбор контроллера заряда по необходимым функциям

В современном мире в стремлении увеличения эффективности, автономности и оперативности информационного контроля к контроллерам заряда от солнечных батарей также применяются требования к обеспечению различными функциями, в зависимости от места применения контроллера.

Наиболее востребованными функциями необходимыми в контроллере заряда являются:

Автоопределение номинального напряжения солнечных батарей и акб 12В/24В/36В/48В и др.

Наличие дисплея для отображения показаний и удобства настройки;

Возможность вручную устанавливать параметры работы контроллера;

Наличие коммуникационных портов для подключения внешнего дисплея или компьютера, с учетом удаленного доступа. Такие порты, как RS232, USB, Ethernet интерфейсы для связи с другими устройствами;

Поддержка различных типов аккумуляторов;

Встроенные защиты: перегрузка, перезаряд, короткое замыкание;

Комплексная самодиагностика и электронная защита может предотвратить ущерб от неправильной установки или системных ошибок;

Внешние датчики температуры, тока и др.;

Реле управления другими устройствами;

Встроенные таймеры на отключения нагрузки;

Электронный журнал параметров работы контроллера.

Солнечный контроллер заряда необходимо выбирать с учетом требуемых функций.

6. Выбор контроллера по типу регулировки напряжения и тока. ШИМ и MPPT.

По регулировке тока и напряжения современные контроллеры можно разделить на два основных типа ШИМ и MPPT.

Подбор по стоимости

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 автономную электростанцию на солнечных батареях, то стоит выбрать недорогой, но качественный ШИМ контроллер, с запасом по мощности в 20-30%.

Если же вы очень критично относитесь к установке электростанции, 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.

Источник https://remont-system.ru/alternativnaya-energiya/kontrollery-zaryada-solnechnoy-batarei

Источник https://altenergiya.ru/sun/kontroller-dlya-solnechnyx-batarej.html

Источник http://www.altcentr.ru/blogs/819-kak-podobrat-kontroller-zaryada-solnechnykh-batarey/