Контроллеры для солнечных батарей

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:

1. напрямую, без использования коммутационных приборов и регулирующих устройств,

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.

Типовая схема подключения контроллера

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.

График работы солнечной батареи

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 характеристики аккумуляторов, 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),

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.

Источник

Как выбрать контроллер заряда солнечной батареи: теория и практика

Контроллер – электронный прибор, отвечающий за контроль и регулировку заряда аккумуляторной батареи. Различные модели отличаются по конструкции и режиму работы.

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.

Покупка контроллера заряда АКБ – на что обратить внимание

Выбирая контроллер, следует обратить внимание на ряд технических параметров, которые позволят получить оптимальную по мощности систему электроснабжения. Прежде всего, следует знать о технологических различиях контроллеров, которые реализованы в основных видах этих устройств, существующих на сегодняшний день.

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.

Какие бывают контроллеры заряда

В серийном выпуске имеются два вида контроллеров заряда для солнечных панелей – PWM и MPPT. У обоих типов есть достоинства и недостатки.

Контроллеры PWM

Устройства с широтно-импульсной модуляцией, или PWM контроллеры, уже считаются устаревшими. В их основе лежит простая ШИМ, который удерживает напряжение на выходе посредством изменения скважности генерируемого им сигнала.

Обычно он снимает напряжение с выходного контура DC-DC преобразователя, тем самым поддерживая на выходе некоторое заранее определенное напряжение (чаще всего 12-14 вольт, однако встречаются модели и с другими параметрами). Импульсы поступают на высокочастотные транзисторные ключи, которые управляют питанием дросселя.

Контроллер заряда PWM

В результате на последнем возникают быстрые подъемы и спады напряжения, амплитуда которых зачастую в несколько раз превышает входные параметры. На выходе напряжение стабилизируется диодом и выравнивается конденсатором.

К преимуществам PWM можно отнести:

• их стоимость;
• высокую надежность;
• простоту конструкции.

К сожалению, при их работе часть мощности рассеивается, что снижает КПД.

Контроллеры МРРТ

Принцип работы MPPT практически ничем не отличается от PWM за исключением того, что генерацию импульсов для работы преобразователя выполняет не широтно-импульсный модулятор, а небольшой компьютер, имеющий собственные процессор и память. Он постоянно контролирует напряжение и силу тока как на входе, так и на выходе преобразователя, а также температуру внутренних радиоэлементов.

Благодаря этому достигается максимальная производительность работы солнечных панелей, практически без потерь на рассеивание тепла. Все параметры задаются микропрограммой контроллера.

Аппарат типа МРРТ подходит крупных предприятий и промышленных электростанций, благодаря:

• высокой производительности;
• быстрой окупаемости.

Однако его стоимость значительно превышает цену аналогов с ШИМ.

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.

Какие параметры контроллера необходимо учитывать

Чтобы определить критерии при выборе контроллера, необходимо сформулировать функции, которые он выполняет, к ним можно отнести следующие:

• Обеспечение заряда аккумуляторной батареи;
• Отключение аккумуляторной батареи при полном заряде в автоматическом режиме;
• Отключение нагрузок при минимальном заряде в автоматическом режиме;
• Подключение нагрузок при восстановлении заряда;
• Подключение фотоэлементов при заряде аккумуляторной батареи в автоматическом режиме.

Определившись с функциями, за выполнение которых отвечает контроллер, можно сформулировать параметры, которые обязательно учитывают при выборе устройства.

Основных параметров два, это:

1. Напряжение, которое фиксируют на входе. Максимально допустимое напряжение может на 15 — 20% быть выше, чем на «холостом ходу» солнечной панели.
2. Показатели номинального тока. Для ШИМ (PWM) контроллера этот количественный показатель должен быть выше на 10% показателя тока при коротком замыкании в работе солнечной панели. MPPT-контроллер выбирают по мощности, которая должна быть выше величины произведения выходного тока регулятора и напряжения всей системы, плюс 20% от полученного значения, для создания запаса мощности в периоды активного солнца.

Современные модели контроллеров оснащены разнообразными защитными механизмами и возможностью работы в разных режимах. Наличие подобных элементов в конструкции того или иного прибора не влияет на основные параметры при его выборе, но дополнительно стимулирует приобретение той или иной модели.

К таким элементам защиты можно отнести:

• Защита от подключения неправильной полярностью;
• Защита на входе от случаев короткого замыкания;
• Защита во время нагрузок от короткого замыкания;
• Защита от перегревов;
• Защита на входе от высоких нагрузок напряжения;
• Защита от ударов молний;
• Схемы предотвращения ночного разряжения аккумуляторных батарей;
• Электронные предохранители.

Выбор инвертора

Основная функция инвертора заключается в преобразовании стандартного напряжения и постоянного тока аккумуляторных батарей в бытовой переменный ток напряжением 220В. График напряжения на выходе из инвертора имеет синусоидальную форму. И в зависимости от того, какие потребители будут подключены к питанию от СБ, инвертор должен выдавать напряжение либо с правильной синусоидальной формой графика (чистый синус), либо с модифицированным синусом (меандр). Как именно ведет себя график напряжения на выходе из инвертора, зависит от особенностей устройства.

Некоторые электроприборы стабильно работают и на «модифицированном синусе»: электронагреватели, компьютеры, устройства с импульсными источниками питания (определенные модели телевизоров). Опытные пользователи нашего портала рекомендуют приобретать инверторы, дающие на выходе «чистый синус». Форма выходного сигнала указывается в характеристиках устройства.

Выбирая инвертор, следует обращать внимание не только на форму выходного сигнала, но и на мощность устройства.

• Номинальная мощность (рабочая) должна быть на 25-30% выше суммарной мощности постоянно задействованных в работу потребителей.
• Пиковая мощность инвертора должна превышать мощность возможной кратковременной нагрузки на прибор. Речь идет о нагрузке, которая возникнет в случае одновременного включения нескольких потребителей, обладающих большой пусковой мощностью (холодильник, электродвигатель насоса и т. д.).
• В характеристиках инвертора указывается еще и максимальная мощность. Она меньше пиковой, но больше номинальной. Этот параметр обозначает допускаемую кратковременную нагрузку, при которой устройство проработает в течение нескольких минут (5-10 мин) и не выйдет из строя.

Пусковой ток холодильника может не потянуть инвертор, но у меня, к счастью, мощности инвертора вполне хватает. Мощность постоянная – 2,5 кВт, пиковая – 4,8.

КПД инвертора также имеет большое значение при выборе устройства. Он определяет потери электроэнергии во время работы устройства и может варьироваться в следующих пределах: 85-95% (в зависимости от модели). Рекомендуется выбирать устройство с КПД – от 90% и выше. Ведь за инвертор мы заплатим один раз, а за его низкий КПД платить придется постоянно.

Инверторы, подключаемые напрямую к свинцово-кислотным аккумуляторам, должны защищать АКБ от глубокого разряда. В большинство современных инверторов подобная функция встроена. Порог отсечки нагрузки может быть установлен заводом-изготовителем, а может регулироваться пользователем.

Нижний порог отсечки нагрузок от АКБ – 10В-10,5В (в 12-ти вольтовых системах) стандартен По сути, это аварийная защита от глубокого разряда батареи. Теперь про регулируемые настройки: есть инверторы с регулируемыми настройками, есть – без настроек. Бюджетные модели имеют меньше функционала, дорогие – больше. Потребитель сам определяет, что ему больше нужно и по какой цене.

Помимо обычных преобразователей, в системах автономного питания часто используются гибридные и комбинированные инверторы. Комбинированные – способны совмещать функции контроллера и инвертора. Гибридные – позволяют осуществлять питание потребителей как от сети, так и от аккумуляторов.

О сечениях проводников, которые соединяют различные элементы автономной системы электроснабжения, о параметрах защитных устройств и о способах монтажа используемого оборудования вы узнаете в заключительной часте настоящей статьи.

Какими соображениями руководствуются пользователи FORUMHOUSE, выбирая кислотные или щелочные аккумуляторы для автономных систем, вы можете прочитать в соответствующем разделе. О том, как правильно выбрать подходящий контроллер или автономный инвертор для систем, работающих от солнечных батарей, можно узнать, посетив темы нашего сайта, открытые для обсуждений. А о самых популярных способах, позволяющих решить проблему отсутствия электричества, вы узнаете из статьи, основанной на опыте пользователей нашего портала.

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.

Где купить

Купить контроллер заряда можно на алиэкспрессе. Там предлагается большой выбор устройств, как PWM, так и MPPT. Также ознакомьтесь с обзорами на ту или иную продукцию от реальных покупателей.

Цена популярных контроллеров заряда на алиэкспрессе начинается от 1000 рублей.

Более дешевые варианты вы можете поискать на радиорынках. Обратите внимание: когда вы покупаете товар с рук, убедитесь, что в комплекте идет инструкция или на приборе наглядно обозначено, как его подключать.

Выбирать его нужно аккуратно, в противном случае существует риск приобрести некачественный прибор.

Покупать подержанные устройства не рекомендуется, особенно МРРТ. Связанно это с тем, что интегральные схемы от постоянной работы постепенно деградируют. В них могут возникать как механические повреждения от перепадов температуры, так и внутрислойные короткие замыкания, из-за чего внешне рабочее устройство будет работать нестабильно.

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.

Источник