Шунтирующее сопротивление солнечной панели

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

Устройство солнечной батареи. Роль диодов в схеме солнечной панели

Понимание принципов работы солнечных панелей крайне важно при проектировании и эксплуатации электростанций. В этой статье мы изложим некоторые физические основы работы солнечных ячеек, а также особенности конструкции солнечных батарей.

Устройство солнечной батареи

Рассмотрим устройство солнечной батареи. Фотоэлектрическая ячейка является полупроводниковой гетероструктурой, имеющей один p-n переход, который возникает на границе раздела двух полупроводниковых пластин p и n типа, соответственно, с «дырочной» и электронной проводимостью. На переднюю и заднюю поверхность ячейки нанесены электрические контакты. При падении света на солнечный элемент фотоны «выбивают» электроны из кристаллической решетки, образуя таким образом электронно- дырочную пару. Далее носители заряда свободно движутся под действием электрического поля p-n перехода. Таким образом, на обкладках солнечной ячейки появляется электро-движущая сила (ЭДС).

Простейшая эквивалентная схема фотоэлектрической ячейки выглядит следующим образом:

Рис.1 Эквивалентная схема солнечной ячейки.

Здесь Rп – последовательное сопротивление солнечного элемента, Rш – шунтовое сопротивление солнечного элемента.

Мощность всей солнечной батареи складывается из мощности входящих в нее солнечных элементов, которые могут быть соединены последовательно или параллельно. Введем обозначения: I – максимальный ток отдельного элемента, U – напряжение отдельного элемента, Nпс – число последовательно соединенных элементов, Nпр – число параллельно соединенных элементов, Iб – максимальный ток солнечной батареи, Uб – напряжение солнечной батареи.

При последовательном соединении солнечных ячеек имеем: Uб=U* Nпс, Iб=I.

Рис.2 Последовательное соединение солнечных элементов.

При параллельном соединении: Uб=U, Iб=I* Nпр

Рис.3 Параллельное соединение солнечных элементов.

Руководствуясь данным принципом можно рассчитать максимальный ток и напряжение для любой системы солнечных элементов

Приведем пример. Ячейки соединены в три каскада по 2 штуки, как показано на Рис.4

Рис.4 Схема соединения солнечных ячеек в три каскада.

Для данной системы имеем: Uб=2U, Iб=3I.

Роль диодов в схеме солнечной панели

Как правило, в солнечной батареи все элементы соединены последовательно, вследствие чего возникает так называемая проблема «темного пятна». Рассмотрим солнечные панели, состоящие из большого числа элементов, соединенных последовательно. К батарее подключена нагрузка Rн. (Рис. 5)

Рис. 5 Схема солнечной панели из большого числа элементов и под нагрузкой

Предположим, один из солнечных элементов затенен. Сопротивление затененной ячейки намного больше сопротивления нагрузки, следовательно, на ней выделится почти вся энергия солнечной батареи, вследствие чего ячейка может перегреться и выйти из строя.

Для борьбы с таким явлением параллельно каждой ячейке нужно включить шунтирующий диод Rш, как показано на Рис. 6.

Рис. 6 Схема солнечной батареи с шунтирующими диодами.

В результате, когда солнечный элемент освещен, шунтирующий диод находится под прямым напряжением смещения самого солнечного элемента и ток не пропускает. Когда элемент затенен, то есть его напряжение меньше падения напряжения на нем при протекании тока, создаваемого остальными ячейками в цепи, шунтирующий диод «открыт» обратным напряжением смещения.

В реальной жизни диодами шунтируется не каждый солнечный элемент (это слишком сложно и дорого), а группы элементов в солнечной батарее. Например, батарея из 72 ячеек 125*125мм, обычно имеет в своем составе три шунтирующих диода.

В рамках данной статье, мы затронули основные физические принципы работы солнечных фотоэлектрических систем. Более подробно тема изложена в монографии Г. Раушенбах. Справочник по проектированию солнечных батарей: пер. с англ. – М.: энергоатомиздат, 1983.

Вам также могут быть интересны другие статьи..

Источник

Электрик и диод. Когда нужны диоды для солнечных батарей?

Ни для кого не секрет, что, при производстве солнечных батарей, а также при их монтаже, используют диоды. Тем не менее, у большинства пользователей нет четкого понимания о том, какую роль эти диоды выполняют и зачем они вообще нужны.
Мы постараемся пролить свет на этот сложный вопрос и сформулируем основные правила применения диодов при монтаже солнечных электростанций.

По большей части солнечные батареи состоят из некоторого количества солнечных ячеек. Простейшая эквивалентная схема солнечной ячейки выглядит следующим образом:

Рис. 1 Эквивалентная схема фотоэлектрической ячейки

Здесь Rп – последовательное сопротивление фотоэлектрической ячейки, Rш – шунтовое (параллельное) сопротивление фотоэлектрической ячейки.
Обычно в солнечной панели все элементы соединяются последовательно, что может приводить к проблеме «черного пятна». Рассмотрим схему солнечной батареи. Нагрузку обозначим как Rн.

Рис.2 Схема солнечной батареи

Если затеняется один из элементов, исчезает его ЭДС, а активное сопротивление растет по мере затенения. Нетрудно догадаться, что на затененной ячейке выделится большая часть мощности солнечной батареи, от чего ячейка может перегреться и выйти из строя, а вместе с ней и вся солнечная панель.
Для предотвращения этого нежелательного эффекта каждую фотоэлектрическую ячейку нужно шунтировать диодом.

Рис. 3 Схема фотоэлектрической панели с шунтирующими диодами.

Если солнечная ячейка освещена, шунтирующий диод заперт ЭДС самой ячейки, и ток через него не идет, солнечная батарея работает в обычном режиме. При затенении исчезает ЭДС, диод открывается и весть ток идет мимо ячейки, не повреждая её. Таким образом, фотоэлектрическая ячейка, равно как и вся солнечная батарея, не выходит из строя.

Конечно, шунтировать каждую ячейку очень сложно и дорого, поэтому обычно диоды подключают к некоторой группе ячеек. В зависимости от мощности и конструкции солнечной батареи, в монтажной коробке может быть различное количество шунтирующих диодов.

Теперь, наверняка, понятно, зачем нужны шунтирующие диоды, также совершенно ясно, что ставить их отдельно не нужно, они уже есть внутри солнечных батарей. Могут встречаться солнечные батареи и без шунтирующих диодов, однако это большая редкость.

Блокирующие диоды для солнечных панелей

Помимо шунтирующих диодов широко применяются и блокирующие. Зачем они нужны? Рассмотрим параллельное соединение двух солнечных батарей. Для наглядности изобразим их как диоды.

Рис.4 Параллельное соединение двух солнечных батарей.

При затенении одной из солнечных батарей, даже частичном, возникнет довольно неприятная картина: затененный модуль станет нагрузкой для освещенного, возникнет противоток и дополнительный нагрев. Ситуация усугубляется, если сопротивление нагрузки велико, а это запросто может быть, если аккумулятор заряжен. В предельном случае имеет место просто короткое замыкание освещенной панели через затененную.
Тем не менее, если солнечных батарей две, то все не так страшно, в цепи будет течь ток короткого замыкания одной солнечной батареи, который, как известно, не так велик, чтобы как-то повредить панель.

Рис.5 Параллельное соединение трех солнечных батарей.

Другое дело, если параллельно соединено много солнечных батарей, больше двух. Тогда, при затенении, в цепи может протекать сумма нескольких токов короткого замыкания и затененный солнечный модуль запросто может выйти из строя. В данном случае, чтобы исключить противоток, следует установить блокирующий диод для каждой параллельной цепочки, будь это одна солнечная батарея или несколько, соединенных последовательно.

Рис. 6 Применение блокирующих диодов при параллельном соединении солнечных батарей.

Итак, мы рассмотрели тот единственный случай, когда действительно нужно дополнительно устанавливать блокирующие диоды.
Подключается диод при помощи МС4 коннекторов. Прелесть в том, что подключить его в неверном направлении просто невозможно, так как МС4 + и – разные и они просто не подойдут, если направление неверное. Диоды характеризуются предельным током, от 5 до 30 А. Больше 30А вряд ли получится встретить, так как это максимальный ток для МС4 коннектора.

Намеренное затенение солнечных батарей

Затенение солнечных батарей является большой проблемой, однако иногда оно создается намеренно. Довольно популярна идея установки солнечных батарей на разные стороны света, допустим, на восток и на запад. Идея, действительна, хорошая. Пожертвовав суммарной дневной выработкой, мы улучшаем распределение этой выработки в течении дня, то есть увеличиваем утреннюю и вечернюю часть. Таким образом, аккумулятор меньше циклируется и живет дольше. Использовать в подобных системах следует два независимых трекера, то есть два солнечных контроллера, что вполне логично, солнечные массивы освещены по-разному и каждый имеет свою рабочую точку.
Пример такой электростанции мы уже разбирали в обзоре «Установка солнечных батарей на разные скаты крыши».
Тем не менее, очень часто, по большей части из экономии, оба солнечных массива подключают к одному контроллеру. Якобы второй контроллер вообще не нужен, а влияние солнечных батарей друг на друга можно исключить при помощи диодов. Применяется даже термин – «развязывающие» диоды. Действительно, блокирующие диоды в данной ситуации просто необходимы, и скорее уже как противопожарная мера. Тем не менее, в течение дня один из солнечных массивов постоянно блокирован диодом, работает только самый освещенный. По сути, солнечные батареи мешают работать друг другу и толку от такой системы совсем не много.
Итак, имея солнечные батареи в разных условиях, это могут быть просто разные солнечные панели, разная ориентация по сторонам света, или разный угол установки — используйте отдельные контроллеры заряда. Диоды вам не помогут сохранить выработку. Вообще, как мы выяснили, диоды нужно ставить лишь в одном случае, когда параллельно соединены три и более солнечных батареи или группы солнечных батарей.

Источник