Драйвер для солнечной батареи

Солнечный контроллер

Приведена схема эффективного 12В зарядного устройства (солнечного контроллера), с защитой аккумуляторов от пониженного напряжения.

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
Контроллер отсоединяет аккумуляторную батарею, если напряжение падает ниже определенной точки (настраивается), обычно это 10.5 Вольт

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.

Источник

Схема и принцип работы контроллера заряда солнечной батареи — рассматриваем во всех подробностях

Опубликовано Артём в 09.02.2019 09.02.2019

Основной сложностью использования солнечной энергии в быту является ее накопление. Солнечная батарея вырабатывает электричество только в период воздействия света, но пользоваться электрикой приходится и вечером и ночью. Напрямую подключать солнечные батареи к аккумуляторам нельзя – сломается и то и другое. Используются специальные устройства – контроллеры солнечных батарей, которые можно собрать своими руками или приобрести готовые.

Необходимость

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 контроллеров

Аккумуляторы — капризны, при неправильной эксплуатации они теряют свою емкость или вовсе перестают работать. Это происходит по двум причинам:

Первая причина обусловлена тем, что напряжение заряда больше номинального напряжения аккумулятора. Если не отсоединить устройство в тот момент, когда оно зарядилось до номинального значения — происходит вскипание жидкости в его ячейках с дальнейшим испарением жидкого электролита. А это служит причиной потери емкости. Ячейки с электролитом могут утратить герметичность, вследствии высокого давления, образующегося при кипении жидкости. В таком случае девайс теряет свойство накапливать энергию.

Вторая причина заключается в том, что аккумуляторы не любят, когда их заряжают не полностью. И через несколько циклов заряда разряда могут потерять первоначальную емкость. В большинстве случаев это обратимый процесс, все зависит от изношенности батареи. Утрата емкости обусловлена так называемым «эффектом памяти». Особенно это явление актуально у свинцовых накопителей. Существуют экземпляры с электродами из других материалов, которым этот эффект практически не присущ. Но стоят они дороже. Свинцовые накопители хороши тем, что могут давать большие пиковые токи, что хорошо при питании двигателей и потребителей индуктивного и емкостного характера.

На практике аккумуляторы подключают к панелям последовательно с контроллером заряда. Это приспособление помогает функционировать батареям в оптимальном режиме независимо от всего и оберегает их от преждевременного износа. Эти модули следят за состоянием батареи и в зависимости от этого подают на клеммы определенные значения напряжения и тока. При дневном освещении модуль фотоэлементов генерирует определенную мощность. Ее значение указывают в инструкции, но следует помнить, что она была снята в режиме холостого хода. При подсоединении аккумулятора они уменьшатся, так как он имеет некоторое внутреннее сопротивление. Рекомендовано производить заряд током в 10 раз меньшим, чем мощность батареи. На практике этого сложно добиться так как сопротивление аккумулятора меняется при заряде. В разряженном состоянии оно наибольшее, в заряженном — наименьшее. Поэтому правильно регулировать зарядный ток динамически.

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.

Простейшие контроллеры типа Откл/Вкл (или On/Off)

Аппараты данного вида относятся к самым простым и, как следствие, они считаются самыми дешевыми. При получении аккумулятором предельного заряда, специальное реле осуществляет разрыв цепи и ток от солнечной панели прекращает свое поступление. Фактически, во многих случаях батарея оказывается заряженной не до конца, что отрицательно сказывается на ее последующей работоспособности. В связи с этим, такие регуляторы нежелательно применять в качественных системах.

Контроллеры для солнечных батарей типа включения-отключения обладает крайне ограниченной функциональностью. Хотя он и предотвращает перегрев и перезарядку батареи, тем не менее, полного заряда не обеспечивает. Ток может достичь максимального значения и это вызовет отключение, однако сам заряд АКБ в этот момент составляет всего лишь 70-90%, то есть является неполным.

Подобное состояние также отрицательно сказывается на общей функциональности батареи и постепенно приводит к снижению эксплуатационного ресурса. В таких ситуациях для полноценной зарядки дополнительно требуется не менее 3-4 часов.

Виды контроллеров

Существует три типа контроллеров для солнечных батарей, отличающиеся своей функциональностью и ценой соответственно.

• ON/OFF контроллер – самый простой из существующих. Редко применяется в современных системах, т.к. имеет массу недостатков. Суть его работы заключается в том, что он просто отключает поступление электричества с солнечной панели при достижении максимального заряда батареи. Напряжение и сила тока при этом будет изменяться в зависимости от интенсивности работы самих панелей. АКБ при этом сама регулирует сколько «взять» тока.
  В итоге, максимальный ток достигается при 70% уровня заряда, контроллер срабатывает. Батарея быстро приходит в негодность. Двумя ощутимыми достоинствами такого устройства является его стоимость и возможность собрать такой контроллер солнечных батарей своими руками.
• ШИМ или PWM – контроллеры обеспечивают ступенчатую зарядку АКБ путем переключения между различными режимами заряда. Эти режимы, в свою очередь, выбираются автоматически в зависимости от степени разряженности аккумулятора. АКБ заряжается до 100% за счет повышения напряжения и понижения силы тока. Недостатком такого контроллера являются потери при зарядке аккумулятора – до 40%
• MPPT контроллер. Наиболее экономичный и современный способ организовать зарядку аккумуляторной батареи от солнечных панелей. Этот вид контроллеров работает по вычислительной технологии. В каждый момент времени он сравнивает напряжение, подаваемое с солнечных панелей с напряжением на аккумуляторе и выбирает оптимальные преобразования для того, чтобы получить максимальный заряд АКБ.

Как выбрать контроллер для солнечной батареи?

Это очень важное устройство, которое достаточно сложно правильно подобрать среди великого многообразия. Чтобы взять то что действительно нужно придерживайтесь следующих данных:

• Мощность батареи. На выходе общая мощность не должна быть больше показателя тока.
• Уровень входящего напряжения. Он должен быть больше на 20% чем U АКБ, которое производится преобразователями света в ток.

Контроллер заряда солнечной батареи на данный момент выпускается всех мастей. Он может обладать защитой от плохих погодных условий, больших нагрузок, замыканий, перегреваний и даже от неправильного включения. Например, такое может случится, когда путаете полярность. В результате брать нужно такое устройство, которое будет иметь несколько уровней защиты.

Популярные компании производители

1. Автоматика-с.
2. Эмикон.
3. Овен.
4. SLC 500
5. Allen-Bradleo.
6. Micro Logix

Данные изготовители занимаются производством подобных приспособлений уже много лет.

Стоимость

Система электроснабжения от солнечных батарей собирается, прежде всего, для экономии средств, поэтому цена на отдельные детали – очень важный момент. Предлагаемые варианты прошли испытание временем и являются оптимальным по сочетанию цена/качество:

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.

Порядок подключения устройств МРРТ

Подключение контроллеров МРРТ в целом выполняется так же, как и в других устройств. Существуют некоторые отличия в технологии, связанные с повышенной мощностью такой аппаратуры. В связи с этим потребуется кабель для силового подключения, способный выдерживать плотность тока минимум 4 А/мм2. Если МРРТ контроллер рассчитан на ток 60 А, то сечение кабеля, подключаемого к АКБ, составит не менее 20 мм2.

На концах соединительных кабелей должны быть установлены медные наконечники, обжатые как можно плотнее. К отрицательным клеммам АКБ и солнечной панели подключаются переходники с выключателями и предохранителями. Это позволит снизить потери электроэнергии и обеспечить безопасность в процессе эксплуатации.

Все подключения к прибору МРРТ осуществляются в следующем порядке:

• Выключатели в переходниках АКБ и панели устанавливаются в отключенное положение.
• Далее производится извлечение защитных предохранителей.
• Клеммы контроллера, предназначенные для АКБ, соединяются кабелем с клеммами аккумулятора.
• К соответствующим клеммам контроллера подключаются выходные провода от солнечной батареи.
• Клемма заземления прибора соединяется с заземляющей шиной.
• В соответствии с инструкцией на контроллере устанавливается датчик температуры.

По завершении всех операций предохранитель АКБ вставляется на свое место, а выключатель переводится во включенное положение. На дисплее контрольного устройства должен появиться сигнал о том, что аккумулятор обнаружен. Через небольшой промежуток времени те же операции проделываются с предохранителем и выключателем солнечной панели. На экране прибора появится значение ее напряжения, что означает успешный запуск в работу всей энергетической установки.

Контроллер своими руками

Контроллер для солнечных батарей можно собрать своими руками, однако это тоже требует определенных вложений. Так, на сборку простенького ШИМ контроллера вам придется потратить 10$ на детали и 2-3 часа работы с паяльником. При стоимости готового изделия 20$ — такая перспектива уже не кажется раумной. Собрать качественный MPPT — контроллер в домашних условиях — вообще занятие невозможное, нужно и оборудование и соответствующий софт. Ролик будет полезен тем, кто любит и умеет пользоваться паяльником.

Ветряк для частного дома — игрушка или реальная альтернатива Как выбрать солнечную панель — обзор важных параметров Виды садовых светильников и фонарей на солнечных батареях, как и где использовать. Выгодно ли покупать комплектом солнечные батареи для дачи

Видео

Как правильно подключить контроллер, вы узнаете из нашего видео.

Кол-во блоков: 14 | Общее кол-во символов: 13535
Количество использованных доноров: 5
Информация по каждому донору:

Источник