Простой стабилизатор для солнечной панели
Стабилизаторы для солнечных батарей весьма разнообразны. Самый простой тип стабилизатора – шунтовой. Он имеет следующие преимущества: простота, низкая рассеиваемая мощность, низкая стоимость, высокая надежность. Но в обмен на эти преимущества приходится мириться с тем, что напряжение на батарее постоянно изменяется, то вверх, то вниз, что аккумулятор переключается, то в режим зарядки полным током, то в состояние отсутствия зарядного тока, и, что постоянные переключения приводят к импульсным помехам на выходе стабилизатора. В зависимости от назначения, необходимо выбрать наиболее подходящий тип стабилизатора. В большинстве солнечных установок я использовал линейные стабилизаторы, который имеют преимущества плавного регулирования напряжения и крайне небольших выбросов напряжения на нагрузке. Правда, они имеют и существенные недостатки: более высокую стоимость, большие размеры и высокую рассеиваемую мощность. Но когда меня попросили сделать солнечный стабилизатор для яхты, который обслуживает только одну солнечную панель на 3.1 ампера, и подключается к аккумуляторной батарее на 300 A·ч, лучше было использовать маленькое и простое устройство, чем линейный стабилизатор. Так что я спроектировал и изготовил именно такой стабилизатор. Вы также можете применить его для таких случаев, когда мощность солнечных батарей довольно мала в сочетании с относительно большой емкостью аккумулятора, или когда низкая стоимость, простота конструкции и высокая надежность являются более важными, чем стабильность линейного регулирования.
Стабилизатор был собран на макетной плате и смонтирован в герметичном пластмассовом корпусе, который, в свою очередь, был установлен на алюминиевой монтажной пластине. Клеммы изготовлены из латуни. Такая конструкция устройства использована, чтобы противостоять суровой морской среде и небрежному обращению.
Схема
Если солнечная панель не генерирует энергию, вся схема отключена и не потребляет от аккумулятора абсолютно никакого тока. Когда солнце встает, и панель начинает выдавать не менее 10 В, включаются индикаторный светодиод и два маломощных транзистора. Устройство начинает работать. Пока напряжение батареи остается ниже 14 В, операционный усилитель (он имеет очень низкое потребление тока) будет держать MOSFET транзистор закрытым, так что ничего особенного не случится, и ток от солнечной панели будет проходить через диод Шоттки на батарею.
Когда напряжение батареи достигнет значения, равного 14.0 В, операционный усилитель U1 откроет MOSFET транзистор. Транзистор будет шунтировать солнечную панель (для нее это совершенно безопасно), аккумулятор перестанет получать ток заряда, индикатор погаснет, два маломощных транзистора закроются, и конденсатор С2 медленно разрядится. После истечения примерно 3 секунд, конденсатор С2 разрядится достаточно, чтобы преодолеть гистерезис микросхемы U1, которая снова закроет MOSFET транзистор. Теперь схема снова будет заряжать аккумулятор, пока его напряжение вновь не достигнет уровня переключения. Таким образом, устройство работает циклично, каждый период включения полевого транзистора длится 3 секунды, а каждый из периодов заряда аккумулятора длится столько, сколько необходимо для достижения напряжения 14.0 В. Длительность этого периода будет меняться в зависимости от зарядного тока аккумулятора и мощности подключенной к нему нагрузки.
Минимальное время включения схемы определяется временем заряда конденсатора С2 током, ограниченным транзистором Q3 примерно до 40 мА. Эти импульсы могут быть очень короткими.
Конструкция
Конструкция схемы очень проста. Все компоненты довольно доступны, и большинство из них могут быть легко заменены другими сходными компонентами. Я бы не советовал заменять TLC271 или LM385-2.5, если вы не уверены в правильности замены. Обе эти микросхемы – маломощные приборы, и их потребление непосредственно определяет время выключения стабилизатора. Если вы используете микросхемы, которые имеют другое энергопотребление, необходимо изменить емкость конденсатора С2, подобрать смещение транзистора Q3, но может, даже это не поможет правильно настроить схему.
MOSFET транзистор может быть заменен любым другим с достаточно низким сопротивлением открытого канала, чтобы оно позволяло эффективно шунтировать солнечную панель. Диод D2 также может быть любым, способным выдержать максимальный ток солнечной панели. Применение диода Шоттки предпочтительнее, потому что на нем будет падать вдвое меньшее напряжение, чем на стандартном кремниевом, и такой диод будет в два раза меньше греться. Стандартный диод подходит, если правильно размещен и смонтирован. С приведенными на схеме компонентами стабилизатор может работать с солнечными панелями с током до 4 А. Для более крупных панелей необходимо заменить лишь MOSFET транзистор и диод более мощными. Остальные компоненты схемы останутся прежними. Радиатор для управления 4 А панелью не требуется. Но если поставить MOSFET на подходящий теплоотвод, схема сможет работать с существенно более мощной панелью.
Резистор R8 в этой схеме равен 92 кОм, что является нестандартным значением. Я предлагаю, чтобы вы использовали включенные последовательно резисторы 82 кОм и 10 кОм, это проще, чем пытаться найти специальный резистор. Резисторы R8, R10 и R6 определяют напряжение отсечки, так что лучше, если они будут точными. Я использовал 5% резисторы, но если Вы хотите повысить надежность устройства, используйте 1% резисторы или выберите наиболее точные из 5% с помощью цифрового омметра. Вы можете также использовать подстроечный резистор, и таким образом, регулировать напряжение, но я бы не советовал этого делать, если Вы хотите получить высокую надежность в агрессивной среде. Подстроечные резисторы просто выходят из строя в таких условиях.
Перевод: Андрей Гаврилюк по заказу РадиоЛоцман
Источник
Стабилизатор для солнечной батареи и контроллер нагрузок
Введение
Это устройство позволяет подключать солнечные батареи к обычным свинцово-кислотным, герметичным свинцово-кислотным или литиевым аккумуляторам не беспокоясь об их перезаряде. Устройство также управляет двумя различными нагрузками при двух различных состояниях заряда батареи, чтобы максимально эффективно использовать полученную энергию.
Идея этого проекта возникла после того, как я купил термоэлектрический переносной холодильник для хранения прохладительных напитков. Схема управления питанием в этом холодильнике следит за разрядом аккумулятора автомобиля. При снижении напряжения до определенного уровня холодильник перестает работать. Это значит, что после выключения двигателя автомобиля, холодильник будет функционировать не очень долго. Эта разумная предосторожность препятствует использованию солнечной энергии для питания холодильника. Падение напряжения в гнезде прикуривателя и штатном проводе питания приводит к более быстрому отключению холодильника, несмотря на то, что автомобильный аккумулятор еще не полностью разрядился.
Я хотел иметь возможность на несколько минут включать охлаждение, даже если бы погода была не особенно солнечной. Что было нужно для этого: аккумулятор на несколько ампер•часов, панели солнечных батарей для его заряда, и схема контроллера, включающего холодильник, когда аккумулятор достаточно зарядится. Основанная на реле оригинальная схема управления питанием в холодильнике была удалена, и напряжение питания подавалось на вентилятор и элементы Пельтье напрямую. Номинальный ток потребления холодильника 4 А.
Аккумуляторные батареи
Свободное место в корпусе устройства позволило установить литиевые аккумуляторы мобильных телефонов общей емкостью 7 А·ч. Три аккумулятора номинальным напряжением 3.6 В соединены последовательно, в результате получилась батарея 10.8 В, и три таких батареи соединены параллельно. В процессе заряда напряжение изменяется от 3·3.0 = 9.0 В до 3·4.1 = 12.3 В. Напряжение 4.1 В является максимально допустимым напряжением для полностью заряженного литиевого элемента. Более высокое напряжение выведет его из строя. Напряжение полного заряда 12.3 В позволяет подключить батарею к 12 вольтовой солнечной панели. Напряжение полного разряда 9.0 В позволяет использовать эту батарею с 12 вольтовыми потребителями электроэнергии, не очень критичными к напряжению питания.
Если необходимо, можно подключить внешнюю батарею, но если она другого типа, внутреннюю батарею вначале необходимо отключить. Внешняя батарея также может быть, как сказано выше, литиевой, обычной свинцово-кислотной или герметичной свинцово-кислотной, и соответствующие уровни напряжения выбираются внутренним DIP переключателем.
Схема разработана так, чтобы использовать самый малый ток солнечной панели, поэтому заряд аккумуляторов происходит даже при пасмурной погоде.
Работа схемы
Кликните для увеличения
Надписи на схеме
To storage battery
К аккумуляторной батарее
Плюс схемы измерения напряжения
Плюс цепи нагрузки
Минус цепи нагрузки
Минус схемы измерения напряжения
Select for max battery voltage
Выбор макс. напряжения для батареи
Sealed lead acid
Three 4.1V litium cells
Три 4.1 В литиевых элемента
To 12V solar battery
К 12-вольтовой солнечной батарее
Use 1.225V LM4041, 0.5% version
Использовать версию источника опорного напряжения
LM4041 с точностью 0.5%
Main load LED indicator
Светодиодный индикатор основной нагрузки
Aux load LED indicator
Светодиодный индикатор вспомогательной нагрузки
В изготовленном устройстве транзисторы притянуты болтами к алюминиевому корпусу. Показанная принципиальная схема нарисована так, как если бы все элементы располагались на плате. Отдельные провода к нагрузкам и к схеме измерения позволяют точно измерить напряжение аккумулятора даже при токах потребления в несколько ампер.
Маломощный параллельный стабилизатор LM4041 обеспечивает точным опорным напряжением схему контроля заряда батарей. Это напряжение, равное 1.225 В, используется для обычных свинцово-кислотных аккумуляторов. Для герметичных свинцово-кислотных и литиевых аккумуляторов опорное напряжение снимается с соответствующих резистивных делителей. Использование прецизионного стабилизатора с точностью 1% и резисторов в делителях с допуском 1% позволяет обойтись без подстроечных резисторов. Схема точно отслеживает напряжение батареи и не позволяет ему превысить максимальный порог для одиночного элемента. Например, 4.1 В – граничное напряжение для литиевого элемента. В процессе заряда напряжение на батарее постепенно увеличивается и достигает определенного уровня, свидетельствующего, что батарея уже не разряжена и основная нагрузка подключается к ней. Если ток этой нагрузки превышает ток солнечной панели, напряжение батареи будет снижаться, достигнет уровня разряженного состояния и нагрузка будет отключена. Схема обладает некоторым гистерезисом, и это позволяет избежать слишком частого включения и отключения нагрузки. Частота переключения зависит от тока заряда, емкости батареи и тока нагрузки. Если ток заряда превышает ток нагрузки, напряжение батареи продолжит расти вплоть до напряжения полного заряда. В этот момент включается вторичная нагрузка, чтобы предотвратить перезаряд. При отсутствии какой либо вторичной нагрузки, вместо нее необходимо использовать резистор. Если ток основной нагрузки превышает максимальный ток солнечных батарей, вторичная нагрузка не нужна. Полевые транзисторы IRF350LC используются для коммутации нагрузок и позволяют управлять токами более 10 А. Сдвоенный КМОП rail-to-rail операционный усилитель служит для контроля уровней напряжения переключения нагрузок. Светодиодные индикаторы потребляют около 2 мА каждый и показывают, включены ли соответствующие нагрузки.
В схеме нет температурной компенсации напряжения заряда, поэтому обычный кислотный аккумулятор необходимо использовать в температурном диапазоне между 10 и 30 °C, т.к. коэффициент 2 мВ/К может привести к перезаряду герметичных гелевых аккумуляторов.
Уровни напряжений переключения
Тип аккумулятора
Основная нагрузка, В
Дополнительная нагрузка, В
Источник
Стабилизатор напряжения для солнечной батареи
Приобретя фотоэлектрические панели или сделав их своими руками требуется докупить дополнительное оборудование. Это нужно для того чтобы сделать электростанцию более эффективной и надежной. Кроме АКБ, инвертора и трекера, придется прикупить стабилизатор напряжения для солнечной батареи. Вещь именно от этой штуки зависит долговечность работы всей системы.
Стабилизатор напряжения — это преобразователь, производящий на выходе электричество нужного уровня. Подобное происходит в условиях высокого сопротивления нагрузки и U входа. Основной плюс таких устройств заключается в том, что они позволяют получить максимальный выхлоп от СБ в любую погоду. Так же делают зарядку АКБ от солнечных панелей наиболее безопасной. Если аккумуляторы заряжены, то лишняя мощность уходит в нагрузку.
Виды стабилизаторов для солнечной батареи
Выделяют несколько разновидностей подобных технических устройств.
Первый имеет маленькую рассеивающуюся мощность, повышенную надежность, низкую стоимость. Но кроме достоинств у него имеются и недостатки. Например, такие как переключение АКБ то в режим отсутствия тока зарядки, то в режим полного заряда. На постоянной основе меняет U на АКБ. Все это приводит к многочисленным помехам на выходе.
Второй тип обладает плавной регулировкой вольтажа и немного может выбрасывать напряжения в момент нагрузки. Из отрицательных сторон можно выделить большую цену и значительные размеры. Его можно присоединять как последовательно, так и параллельно.
Третий вариант преобразует напряжение на входе произвольно:
- Уменьшать – U будет на выходе ниже чем на входе.
- Увеличивать – U выхода будет выше входного.
- Повышать или понижать – Выходное U может быть либо выше, либо ниже.
- Инвертирование – Выходное напряжение обладает обратной полярностью если сравнивать его с U входа.
Подобный стабилизатор позволяет генерировать высокий КПД. Но на выходе имеют помехи импульсного типа.
Зачем нужен стабилизатор для солнечных батарей?
Кажется, что вот сейчас соединим панель фотоэлементов с АКБ и наша станция заработает. В действительности же все иначе. Между этими двумя установками обязательно следует ставить контроллер заряда. Он дает возможность включать и выключать солнечные батареи. Здесь все зависит от того какое зарядное напряжение. Продвинутые стабилизаторы способны еще и уменьшать напряжение. А затем удерживать на определенном уровне до тех пор, пока АКБ не зарядится.
При выборе учитывайте следующее:
Схема стабилизатора для солнечной батареи
Когда СБ не производит тока, схема выключена и не берет напряжение из АКБ. При попадание солнечного света на модуль происходит генерация 10 вольт. Это вызывает загорание светодиода и в работу включаются два транзистора малой мощности. Все начинает функционировать. Операционный усилитель U1 будет контролировать закрытие транзисторов. Это будет происходить до тех пор, пока напряжение будет находится не выше 14 V. В итоге в это время ток будет идти через диод Шоттки.
Как только напряжение скакнет до 14 в или выше переход в транзисторе откроется. АКБ перестанет потреблять ток зарядки. Светодиод погаснет, а два транзистора закроются. Кроме этого конденсатор C2 начнет терять заряд. Через 4 секунды разряд конденсатора будет велик и микросхема TLC271 закроет транзистор. После этого будет идти ток на АКБ. Это будет продолжаться до тех пор, пока напряжение снова не будет равно уровню переключения.
Источник