Солнечный контроллер заряда

Пост опубликован: 8 мая, 2017

Солнечный контроллер заряда – это электронный прибор, отвечающий за заряд аккумуляторной батареи. Устройства различаются по конструкции, мощности, номинальному напряжению, силе тока заряда и принципу действия.

Что это такое

Контроллер заряда является одним из электронных устройств в схеме управления солнечных электрических станций.

Устройство осуществляет контроль за параметрами заряда аккумуляторной батареи и регулирует процесс его выполнения.

Устройство выполняет следующие функции:

• Отключает аккумуляторную батарею при достижении ею полного заряда;
• Отключает потребителей при снижении заряда до минимальных значений;
• Осуществляет повторное подключение потребителей в случае восстановления заряда;
• Контролирует ход процесса зарядки;
• Подключает, в автоматическом режиме, источники энергии для выполнения заряда накопителями энергии.

Использование контроллеров позволяет продлить срок службы аккумуляторных батарей и автоматизировать работу электрических станций.

Для автоматической и безопасной работы аппараты оснащены различными режимами, при которых способны работать в соответствии с заданными параметрами, а также оснащены средствами и элементами защиты.

К таким элементам относятся:

1. От неправильной полярности на источнике тока и на нагрузке;
2. От коротких замыканий на входящих и исходящих линиях;
3. От различных видов перегрева и высоких напряжений.

Виды контроллеров

Существует три принципиально разных по принципу работу, но одинаковых по назначению

PWM контроллер

видов контроллеров заряда аккумуляторных батарей, это:

1. On/Off контроллеры. Устройства данного вида применяются редко. Малое распространение данного вида устройств обусловлено тем, что при их использовании происходит неполный заряд АКБ, что в свою очередь отрицательно отражается на их состоянии и может привести к их полному выходу из строя.
2. ШИМ (PWM) – контроллер. Аппараты данного вида после заряда АКБ не отключают солнечные батареи, это позволяет полностью зарядить АКБ. Устройства данного вида используются в установках мощностью до 2,0 кВт.
3. МРРТ контроллер

МРРТ – контроллер. Это наиболее сложные устройства. Данный аппараты эффективны в работе, обладают большим набором настроек и элементам защиты. Использование устройств данного вида позволяет сократить сроки окупаемости солнечных электрических станций.

Принцип действия

Для разных видов контроллеров, приведенных выше, принцип действия следующий:

• Для «On/Off» вида устройств – работа заключается в следующем: при достижении максимального настроенного значения напряжения на клеммах АКБ, устройство отсоединяет солнечные панели, зарядка АКБ приостанавливается.
• Для «ШИМ (PWM)» вида устройств – принцип действия основан на использовании широтно-импульсной модуляции.
• Для «МРРТ» вида устройств – принцип действия основан на управлении пиками, выходящими на максимальный энергетический уровень.

Инструкция по применению

Прежде чем изучить инструкцию по применению контроллера, необходимо запомнить три параметра, которые необходимо соблюдать при эксплуатации данных электронных устройств, это:

1. Входное напряжение устройства должно превышать на 15 – 20% напряжение «холостого хода» солнечной панели.
2. Для ШИМ (PWM) аппаратов — номинальный ток должен превышать на 10% ток короткого замыкания в линиях подключения источников энергии.
3. MPPT — контроллер должен соответствовать мощности системы, плюс 20% от этого значения.

Для успешной эксплуатации прибора необходимо изучить инструкцию по его эксплуатации, которая всегда прилагается к подобным электронным устройствам.

Инструкция информирует потребителя о следующем:

• Требования техники безопасности – в данном разделе определяются условия при которых эксплуатация прибора не приведет к поражению потребителя электрическим током и прочим негативным последствиям.

Вот основные из них:

• Перед установкой и настройкой контроллера, необходимо отключить солнечные панели и аккумуляторные батареи от прибора посредством коммутационных аппаратов;
• Исключить попадание воды на электронный прибор;
• Контактные соединения должны быть плотно затянуты, дабы избежать их нагрева в процессе работы.
• Технические характеристики устройства – этот раздел позволяет выбрать прибор по предъявляемым к нему требованиям в конкретной схеме и месте установки.

Как правило, это:

• Виды регулировок и настроек прибора;
• Режимы работы прибора;
• Описываются элементы управления и индикации устройства.
• Способы и место монтажа – каждый контроллер монтируется в соответствии с требованиями завода – изготовителя, что позволяет эксплуатировать устройство продолжительное время и с гарантированным качеством.

Дается информация по:

• Месту и пространственному размещению устройства;
• Указываются габаритные размеры до инженерных сетей и устройств, а также элементов строительных конструкций, по отношению к монтируемому прибору;
• Даются установочные размеры для мест крепления устройства.
• Способы включения в систему – данный раздел объясняет потребителю к какой клемме и как, следует выполнить подключение, для запуска в работу электронного прибора.

• В какой последовательности следует выполнять включение прибора в рабочую схему;
• Указываются недопустимые действия и мероприятия при включении прибора.
• Настройка прибора – важная операция, от которой зависит работа всей схемы солнечной электростанции, ее надежность.

В данном разделе сообщается о том как:

• Какие индикаторы и как сигнализируют о режиме работы прибора и его неисправностях;
• Дается информация как настроить нужный режим работы устройства по времени суток, режимам нагрузок и иным параметрам.
• Виды защиты – в этом разделе сообщается от каких аварийных режимов защищено устройство.

Как вариант это может быть:

• Защита от короткого замыкания в линии соединяющей прибор с солнечной панелью;
• Защита от перегрузки;
• Защита от короткого замыкания в линии соединяющей прибор с аккумуляторной батареей;
• Неправильное подключение солнечных панелей (обратная полярность);
• Неправильное подключение аккумуляторной батареи (обратная полярность);
• Защита от перегрева устройства;
• Защита от высокого напряжения вызванного грозой или иными атмосферными явлениями.
• Ошибки и неисправности – этот раздел разъясняет как действовать, если по какой-то причине прибор работает неправильно, или вообще не работает.

Рассматривается связь: неисправность – возможная причина неисправности – способ устранения неисправности.

• Поверка и обслуживание – в этом разделе дается информация какие профилактические мероприятия необходимо выполнять, для обеспечения безаварийной работы устройства.
• Гарантийные обязательства – указывается срок, в течение которого прибор может быть отремонтирован за счет производителя устройства, при условии правильной эксплуатации, в соответствии с инструкцией по эксплуатации.

Как сделать своими руками

При необходимости имея представление об электронных приборах, умея работатьпаяльником и способность изготовить печатную плату для монтажа комплектующих, можно изготовить контроллер заряда самостоятельно. Это будет простейший из видов контроллеров, который обладает незначительной мощностью и малым набором регулировок и настроек.

В основу работы подобного устройства заложен принцип – когда напряжение на аккумуляторной батарее достигает установленного уровня, зарядка прекращается, и при снижении напряжения на клеммах аккумуляторов – зарядка возобновляется.

Подобный прибор может быть собран по следующей схеме:

Контроллер заряда собранный по данной схеме будет обладать следующими характеристиками:

• Напряжение заряда аккумулятора регулируется, номинальная величина – 13,8 В;
• Отключение потребителя настраивается, номинальное значение – 11 В;
• Включение нагрузки при напряжении на аккумуляторе в 12,5 В.

Электронные компоненты схемы могут быть заменены на аналоги, без изменения физических свойств.

Источник

Что такое MPPT-контроллер для заряда солнечных батарей

MPPT — это один из способов использования ресурсов источника энергии, будь то солнечная батарея или ветрогенератор, но в этой статье мы поговорим именно о солнечной энергии. Его основная особенность — повышение эффективности работы альтернативного источника, путём «вытягивания» максимального количества энергии за счет выбора определенного напряжения и тока.

Выбор этих параметров сводится к анализу вольт-амперной характеристики источника и определения при каком напряжении и потребляемом токе будет потребляться максимальная мощность. Именно так и расшифровывается аббревиатура MPPT – Maximum Power Point Tracking (слежение за точкой максимальной мощности).

Общие сведения о принципе действия MPPT-контроллеров

С первого взгляда на вопрос, можно подумать: «Ну так использовать максимально возможное напряжение, значит будет максимальный ток нагрузки (заряда АКБ)». Это логично, но в действительности это не так. В первую очередь это связано с вольт-амперной характеристикой солнечного элемента.

В рабочем (полезном) режиме солнечный элемент (горизонтальный участок ВАХ) – это источник тока, то есть его выходной ток слабо зависит от напряжения на его зажимах. Выходное напряжение (Uвыхсб) же зависит от сопротивления подключенной нагрузки. Это мы можем видеть на ВАХ.

В правой части, где напряжение максимально, вы видите напряжение холостого хода Uхх, которое ограничено количеством элементов в батарее и их внутренним устройством. Ток при этом стремится к 0. И наоборот, в левой части, где напряжение стремится к 0 – напряжение короткого замыкания Uкз, а ток ограничен мощностью элементов.

Если принять силу тока солнечной батареи на полезном участке за неизменную величину, то напряжение будет определяться сопротивлением нагрузки, если оно равно бесконечности, то мы наблюдаем режим холостого хода (при Rн=∞ ⇒ Uвыхсб=Uр.хх), соответственно при коротком замыкании сопротивление нагрузки будет стремиться к нулю, как и выходное напряжение (при Rн=∞ ⇒ Uвыхсб=Uкз). Максимальная же мощность наступит при определенном соотношении сопротивления нагрузки, напряжения и тока.

Что всё это значит? Переходим от батарей к контроллерам!

Контроллер — это промежуточное звено между солнечной батареей и аккумулятором, он регулирует ток заряда посредством ШИМ, например, или любого другого, который выбрал конструктор. Но просто подать напрямую напряжение с батареи – это не значит обеспечить максимальную передачу мощности от панелей к АКБ.

Для эффективного заряда контроллер следит за током, получаемым от батареи и её выходным напряжением, а также током, отдаваемым АКБ и напряжением на ней. Чтобы убедится в этом выберем 2 произвольных точки на ВАХ (приведем её здесь еще раз) и сравним мощность в них с обозначенной на рисунке точкой максимальной мощности (ТММ), в которой вроде бы ток не является максимальным…

Допустим у нас АКБ с номинальным напряжением в 12В, это значит, в заряженном состоянии на выводах мы получим около 14,2-14,5 В, а в разряженном около 11В, пусть в одном случае у нас 13В, а в другом – 12В. Такие напряжения и выберем с ВАХ, для примерного анализа мощности при прямом подключении «солнечная панель — аккумулятор».

Согласно ВАХ в обоих случаях батарея отдаст ток около 3.6А, мы получим следующую мощность, передаваемую в процессе заряда:

А в отмеченной на ВАХ точке максимальной мощности:

Результат очевиден – мощность в ТММ больше примерно на 25-35% в зависимости от заряженности АКБ. Но как заставить батарею отдавать ток при напряжении в 18.5В, вместо того которое присутствует на клеммах аккумуляторной батареи?

Всё просто и сложно одновременно — поиск точки максимальной мощности

Как было отмечено ранее, контроллер устанавливается между солнечными панелями (батареей) и аккумуляторами, получается, что он служит нагрузкой панелей, а АКБ нагрузкой контроллера, он же — это источник вторичного питания. Любой источник питания, да и любой прибор в электротехнике может быть представлен в виде сопротивления. Это называется «эквивалентным» или «приведенным» сопротивлением (в зависимости от конкретного случая), которое определяется по тому же закону ома, то есть можно сказать, что входное сопротивление контроллера равно:

Rконтр= Uвходное/Iвх. потр.

Напряжение точки максимальной мощности у солнечных панелей зависит от ряда факторов:

Температуры (зависимость ВАХ и положения ТММ от температуры приведена на рисунке ниже);

Возраста элементов и пр.

Поэтому задать его фиксированным и универсальным не получится, плюс оно изменяется в соответствии с сопротивлением нагрузки и потребляемым током (выше приведена идеализированная ВАХ, на практике всё же будет некоторый наклон на рабочем участке).

Есть множество методов нахождения этой «волшебной», в одном из вариантов реализации MPPT-контроллер сканирует ВАХ солнечных элементов определяя оптимальные параметры для текущих рабочих условий, например, изменяя входной ток, соответственно изменяется его входное сопротивление. С помощью датчиков тока и напряжения система управления вычисляет значение мощности и сравнивает его с предыдущим, до тех пор, пока она не достигнет максимального значения. Это называется «методом возмущения и наблюдения».

В зависимости от конкретного метода определения ТММ и внутреннего устройства контроллера, в т.ч. его прошивки, поиск ТММ происходит с определенной периодичностью. Однако на практике большинство методов являются схожими и основаны на принципе «отклониться и наблюдать». В некоторых моделях есть возможность настройки этого периода в диапазоне от 1 раза в несколько минут, до 1 раза в несколько часов. В зависимости от периодичности поиска определяется эффективность работы системы в целом.

Так как в результате изменения входных параметров мы получаем максимально возможную мощность от конкретных элементов, следующей задачей становится отдать её нагрузке, то есть использовать для заряда АКБ. В конечном итоге всё сводится к управлению электронным силовым преобразователем, допустим мы получили ток ТММ в 5А при напряжении в 17.5В, это:

Значит есть возможность отдать аккумулятору с напряжением на клеммах в 12В такой ток:

В большинстве случаев преобразование осуществляется с помощью понижающего (buck) или понижающе-повышающего преобразователя (buck-boost). Типовые структуры преобразователей мы рассматривали в статье ранее.

Тогда как при использовании ON/OFF или ШИМ-контроллеров входной и выходной ток были бы равны. Что приводит к менее эффективному распоряжению доступной мощностью, например, так как входной ток был 5А, то при таком выходном токе мощность, затрачиваемая на заряд аккумуляторов, была бы равна:

Это еще раз иллюстрирует приведенные при обсуждении вольт-амперной характеристики выше расчеты.

Однако, не стоит считать MPPT-технологию панацеей для солнечной энергетике. Разница в эффективности заряда АКБ с помощью MPPT и PWM-контроллера тем меньше, чем больше заряжен аккумулятор. Когда напряжение на его клеммах (Uакб) повышается, а разница между Uтмм понижается, то используется большая мощность солнечной панели.

Аналогично приведенному выше примеру предположим, что напряжение на АКБ не 12, а 13.5В, при условии, что солнечная панель работает с теми же параметрами, это будет выглядеть следующим образом:

Если при 12В использовалось 68% от максимальной мощности, то при 13.5В используется уже 77%. Также учтите и то, что ваши аккумуляторы не будут постоянно заряжаться, и на них не будет поступать ток одной и той же силы постоянно. Поэтому в МРРТ-контроллерах обычно реализуется несколько стадий заряда, например: MPPT (с максимальной мощностью) — выравнивающий — быстрый (форсированный) — поддерживающий. Кроме всего прочего стоит помнить, что ток солнечной батареи не должен превышать номинальный ток контроллера, иначе не реализуется максимальное использование мощности.

Но это всё не говорит нам о том, что MPPT-контроллеры не нужно использовать, а только о том, что не стоит переоценивать их пользу.

Фактом остаётся лишь то, что в нижнем ценовом сегменте устройства с технологией MPPT дороже чем PWM, но не всегда. Например, есть MPPT-контроллер «EPSolar MPPT TRACER-2210A», стоимость которого находится в пределах 180 долларов, и аналогичный по стоимости (180-200 долларов) PWM-контроллер с выходным током 20А «STECA PR2020».

При этом же есть другой PWM-прибор с тем же выходным током — «SRNE SR-HP2420» стоимостью немногим больше 20 долларов, в то время, как MPPT от этого же производителя «SRNE SR-ML2420» с таким же выходным током стоит уже 85 долларов.

Цены на некоторые модели контроллеров мы рассмотрим ниже.

Обзор современного рынка MPPT-контроллеров

В таблице не приводился полный перечень функций и защит, так как он занимает большой объём. Для сведения типовой набор функций выглядит примерно так:

от неправильной полярности подключения СП и АКБ;

от КЗ на входе солнечной панели;

от КЗ в нагрузке;

отключение солнечной панели после достижения окончания заряда АКБ;

отключение нагрузки при слишком низком напряжении на АКБ;

от обрыва в цепи АКБ;

предотвращение разряда АКБ через солнечную панель в ночное время;

контроль потребление тока нагрузкой.

Таблица отражает то, что стоимость MPPT-контроллера зависит не только от его максимальной силы тока (мощности), но и от диапазона выходных напряжений, списка поддерживаемых аккумуляторов, возможности подключения средств отображения, индикации и мониторинга, и ряда других факторов. Выбор контроллера сложен и очень индивидуален, поэтому приводить какие-то сравнения и рейтинги по меньшей мере бессмысленно.

Источник