Регулятор зарядки для солнечной панели

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

Солнечная батарея на балконе: тестирование контроллера заряда

В предыдущей части была рассмотрена и проверена работа платы BMS, обеспечивающей корректный заряд литий-ионного аккумулятора. Китайская почта наконец доставила Solar charge controller, так что пора протестировать и его.

Результаты тестирования под катом.

Контроллер заряда (Solar charge controller)

Данное устройство является основным во всей системе — именно контроллер обеспечивает взаимодействие всех компонентов — солнечной панели, нагрузки и батареи (он нужен, только если мы хотим именно накапливать энергию в батарее, если отдавать энергию сразу в электросеть, нужен другой тип контроллера grid tie).

Контроллеров на небольшие токи (10-20А) на рынке довольно-таки много, но т.к. в нашем случае используется литиевая батарея вместо свинцовой, то нужно выбирать контроллер с настраиваемыми (adjustable) параметрами. Был куплен контроллер, как на фото, цена вопроса от 13$ на eBay до 20-30$ в зависимости от жадности местных продавцов. Контроллер гордо называется «Intelligent PWM Solar Panel Charge Controller», хотя по сути вся его «интеллектуальность» заключается в возможности задания порогов заряда и разряда, и конструктивно он не сильно отличается от обычного DC-DC конвертора.

Подключение контроллера весьма просто, у него всего 3 разъема — для солнечной панели, нагрузки и аккумулятора соответственно. В качестве нагрузки в моем случае была подключена светодиодная лента на 12В, аккумулятор все тот же тестовый с Hobbyking. Также на контроллере есть 2 USB-разъема, от которых можно заряжать различные устройства.

Все вместе выглядело так:

Перед тем как использовать контроллер, его надо настроить. Контроллеры этой модели продаются в разных модификациях для разных типов батарей, отличия скорее всего лишь в предустановленных параметрах. Для моей литиевой батареи c тремя ячейками (3S1P) я установил следующие значения:

Как можно видеть, напряжение отключения заряда (PV OFF) установлено на 12.5В (исходя из 4.2В на ячейку можно было поставить 12.6, но небольшой недозаряд положительно сказывается на количестве циклов батареи). Следующие 2 параметра — отключение нагрузки, в моем случае настроено на 10В, и повторное включение заряда на 10.5В. Минимальное значение можно было поставить и меньше, до 9.6В, небольшой запас был оставлен для работы самого контроллера, который питается от той же батареи.

Тестирование

С разрядом проблем ожидаемо не было. Заряда батареи хватило чтобы зарядить планшет, также горела светодиодная лента, и при пороговом напряжении в 10В, лента погасла — контроллер отключил нагрузку, чтобы не разряжать батарею ниже заданного порога.

А вот с зарядом все пошло не совсем так. Вначале все было хорошо, и максимальная мощность по ваттметру составила около 50Вт, что вполне неплохо. Но ближе к концу заряда подключенная в качестве нагрузки лента стала сильно мерцать. Причина ясна и без осциллографа — две BMS не очень дружат между собой. Как только напряжение на одной из ячеек достигает порога, BMS отключает батарею, из-за чего отключается и нагрузка и контроллер, затем процесс повторяется. Да и учитывая что пороговые напряжения уже заданы в контроллере, вторая плата защиты по сути и не нужна.

Пришлось вернуться к плану «Б» — поставить на батарею только плату балансировки, оставив контроллеру управление зарядом. Плата 3S balance board выглядит так:

Бонус этого балансира еще и в том, что он в 2 раза дешевле.

Конструкция получилась даже проще и красивее — балансир занял свое «законное» место на балансировочном разъеме батареи, к контроллеру батарея подключена через силовой разъем.
Все вместе выглядит примерно так:

Больше никаких неожиданностей не было. Когда напряжение на батарее поднялось до 12.5В, потребляемая от панелей мощность упала практически до нуля а напряжение увеличилось до максимума «холостого хода» (22В), т.е. заряд больше не идет.

Напряжение на 3х ячейках батареи в конце заряда составило 4.16В, 4.16В и 4.16В, что дает в сумме 12.48В, к контролю заряда, как и к балансиру претензий нет.

Заключение

Система работает, почти как и ожидалось. Днем электроэнергия может накапливаться, вечером ее можно использовать. В финальной версии батарея будет заменена на блок из элементов 18650, которые уже описывались в предыдущей части. Емкость батареи можно увеличить до 20Ач, больше для балконной системы уже избыточно. Если же приобрести другой балансир, можно использовать и LiFePo4-аккумуляторы, достаточно установить нужные пороги напряжений в контроллере. Однако в моем случае, смысла в этом скорее всего нет — стоимость LiFePo4 на 10-20Ач составляет 80-100$, что уже сопоставимо со стоимостью Grid Tie контроллера, который я собираюсь протестировать в дальнейшем.

Еще исключительно для тестов (понятно что экономического смысла в этом нет) была заказана батарея ионисторов на 12В, благо цены падают и сейчас они относительно дешевые. Будет интересно проверить, на сколько хватит их заряда. Stay tuned.

Примечание: показанная на фото батарея от Hobbyking была поставлена исключительно для теста. Эти батареи не тестировались для постоянного использования в подобных системах, также их не рекомендуется оставлять без присмотра.

Более-менее окончательная версия батареи выглядит вот так:

Это 12 ячеек 18650, соединенных в группы параллельно по 4. Примерная емкость батареи около 12ач, этого хватает для зарядки разных гаджетов и для вечернего освещения комнаты светодиодной лентой. В батарее используются элементы Panasonic, те же что и в автомобилях Tesla S, надежность данных ячеек можно считать вполне хорошей.

Для желающих посмотреть видео-версию, ролик выложен в youtube.

Источник