Схемы питания микроконтроллеров от солнечных элементов

Ресурсы земной энергетики не безграничны. Это заставляет человечество искать новые источники энергии, и один из них — Солнце. Подсчитано, что Земля, находясь от Солнца на расстоянии 149 млн км, получает около 2-10^7 Вт лучистой энергии, при этом солнечная радиация естественной плотности в среднем составляет 0.8 кВт/м2. Если бы удалось полностью использовать этот ресурс, то проблема истощения полезных ископаемых отошла бы на второй план.

Солнечная батарея — это полупроводниковый фотоэлектрический генератор, непосредственно преобразующий энергию солнечной радиации в электрическую мощность. Главным сдерживающим фактором, препятствующим широкому внедрению гелиоэнергетики, является низкий КПД современных фотопреобразователей и их высокая стоимость. Однако первая составляющая имеет тенденцию к повышению, а вторая — к снижению. Остаётся лишь дождаться очередных успехов учёных. А пока можно использовать доступные в продаже солнечные батареи производства разных фирм и их самодельные аналоги (Рис. 6.18, а. ж).

Рис. 6.18. Схемы питания от солнечных батарей <начало):

а) малогабаритная солнечная батарея GBl (фирма IXYS) в планарном корпусе SOIC-16. Её энергии достаточно для питания МК, работающего в микромощном режиме с низкой тактовой частотой 32768 Гц. Максимальный ток обеспечивается при прямом солнечном освещении или вблизи от яркой лампы накаливания. Замена солнечной батареи GBl — CPC1822 фирмы IXYS;

б) GB1. GB8 — это сборная солнечная панель, состоящая из восьми батарей фирмы IXYS. Каждая батарея выдаёт напряжение 0.63 В при токе 24 мАс высоким (17%) КПД;

в) напряжение от солнечной батареи GBl одновременно подзаряжает аккумулятор GB1 и обеспечивает работу DC/DC-преобразователя напряжения, выполненного на микросхеме DA1

Рис. 6.18. Схемы питания от солнечных батарей (окончание):

г) совместная работа солнечной батареи GB1 и аккумулятора GB2. Как только напряжение на выходе аккумулятора становится меньше +4.6 В, супервизор DA1 закрывает транзистор VT1 и энергия начинает поступать от солнечной батареи. Диод VD1 предотвращает разряд аккумулятора GB2 через открытый транзистор VT1. При подборе замены микросхемы DA 1 следует учитывать, что у неё выход с открытым коллектором;

д) нестандартное применение сверхъярких светодиодов HL1. HL6 в качестве солнечных элементов для питания микромощных конструкций, в том числе и с применением МК. Выходное напряжение одного светодиода составляет 1.65 В при токе 25 мкА. Используется принцип световой обратимости, или, проще, принцип частичной взаимозаменяемости светодиодов и фотодиодов;

е) совместная работа солнечной батареи GB1 и аккумулятора GB2. На транзисторах VTI, VT2 собран DC/DC-преобразователь по схеме блокинг-генератора с регулировкой напряжения резистором R3. Трансформатор 77 наматывается на ферритовом кольце диаметром 7. 10 мм и содержит в первичной обмотке 20 витков, а во вторичной — 35 витков провода ПЭВ-0.3;

ж) промышленная солнечная батарея GB1 может служить бесплатным источником энергии для питания мобильных телефонов в тех местах, где по статистике наблюдается большое количество солнечных дней в году. Ничто не мешает использовать такую батарею для питания самодельных конструкций с МК.

Источник: Рюмик С.М. 1000 и одна микроконтроллерная схема.

Источник

Контроллер заряда солнечной батареи: основные типы и нужен ли он?

Контроллер заряда для солнечной батареи

Альтернативные источники энергии с каждым годом становятся популярными, проникая во все сферы нашей жизни. Однако при кажущейся простоте внедрения инновационных способов получения недорогой энергии, реализация любого проекта потребует немалых сил. Проекты, разработанные для внедрения альтернативных методов обеспечения энергией жилых домов, оправданны, и уже очень скоро после начала работы начинают приносить результаты.

Такое устройство, как контроллер для солнечной батареи позволяет без особых усилий использовать для обеспечения электрических приспособлений бесплатные ресурсы Солнца. Оно контролирует зарядку аккумулятора (АКБ), назначением которой является генерация энергии геопанелей, с целью организовать рациональное использование генерируемого тока.

Функции контроллера

Чип, отслеживающий работу прибора, отвечающий за процесс зарядки АКБ, остается главным его компонентом. Основные функции заключается в следующем:

· если заряд достигает наибольшего значения, аппарат ограничивает в автоматическом режиме подачу тока, обеспечивая ее необходимым количеством энергии;

· если же аккумулятор разряжен, контроллер в автоматическом режиме ограничивает все входящие нагрузки.

Функции данного агрегата можно разделить на несколько пунктов:

· автоматическая регулировка процесса включения и отключения батареи в режиме зарядки/разряда аккумулятора;

· автоматическое подключение фотоэлементов для зарядки;

Контроллер играет важную роль, его функции позволяют существенно увеличить сроки службы аккумулятора, генерирующего энергию солнечных панелей.

Если Солнце отсутствует, приспособление находится в «спящем режиме». С появлением первых лучей оно продолжает оставаться в состоянии покоя. Лишь достигнув заряда в 10В, контроллер включается автоматически. Напряжение, достигнув этого показателя, после включения начинает передавать электрический ток к аккумуляторной батарее, пока уровень зарядки не достигнет значения в 14V. Достигнув этой отметки, в схеме работы происходят изменения, что прекращает подачу тока для заряда АКБ. Как только она разряжается, схема в течение трех секунд переходит в рабочий режим.

Параметры контроллера

Важным фактором, который обязательно нужно учитывать, планируя строительство системы солнечных панелей, является показатель суммарной мощности. Это означает, что мощность панелей не должна быть выше, чем показатель, определяемый путем умножения коэффициента напряжения системы на размер входного тока. Здесь обязательно нужно помнить, что контроллер солнечных панелей должен подбираться с учетом данных полностью разряженной АКБ. Не менее важно предусмотреть случаи повышенной энергии Солнца и заложить в расчеты запас для напряжения не менее 20 процентов.

Основные типы

Для обеспечения надежной защиты солнечных панелей от перезаряда используются контроллеры. Сегодня эти устройства выпускаются нескольких видов.

1. Приборы «On-Off». Они простые и обходятся пользователям относительно недорого. Главной задачей, которую выполняют такие устройства, является автоматическое прекращение подачи тока и защита аккумуляторной батареи от перегрева при полной зарядке.

2. PWM-контроллеры. Эти приборы представляют более совершенные модели типа «On-Off». Модернизация заключается в использовании более современной ШИМ-функции, которая позволяет в случае, когда достигнут максимальный показатель напряжения, не отключать полностью подачу тока, а только снизить его силу. Это позволило добиться стопроцентной зарядки аккумулятора. Однако его отличает упрощенный подход к процессу управления. Пользователю перед покупкой контроллера заряда АКБ нужно определиться, каким должен быть оптимальный показатель тока, а также позаботиться о том, чтобы устройство имело определенный запас.

3. Прибор МРРТ на сегодня является наиболее продвинутым. Его работа построена на определении точного значения максимальной величины напряжения для конкретной модели аккумулятора. Он обеспечивает непрерывный контроль тока и напряжения в системе. Получая данные и обрабатывая их, агрегат поддерживает постоянные значения, которые являются оптимальными для создания максимальной мощности системы. Эффективность такого прибора, в среднем, на 20-30 процентов выше, в сравнении с другими моделями.

Способы подключения

Для каждого конкретного аппарата важно выбирать контроллер, показатели которого рассчитаны на работу с серией устройств. Перед подключением аппарата важно определить его место установки. Тут учитываются следующие правила:

· помещение должно быть сухим и хорошо проветриваемым, с невысоким уровнем влажности;

· запрещено размещать прибор в непосредственной близости от легковоспламеняющихся предметов, материалов;

· агрегат должен быть защищен от попадания прямых солнечных лучей, атмосферных осадков.

Подключения моделей PWM

Для установки всех видов PWM-контроллеров важно соблюдать определенную последовательность:

· подключение периферийных приборов производится в строгом соответствии с теми обозначениями, которые нанесены производителем на клеммы;

· при соединении проводов аккумулятора с клеммами контроллера также соблюдается полярность;

· включается защитный предохранитель, установленный в точке контакта положительного провода;

· проводники, выходящие из солнечной батареи, крепятся на контакторах прибора с соблюдением полярности;

· подключается контрольная лампа, напряжение которой составляет 12-24В.

Указанную последовательность нарушать нельзя.

Можно ли использовать солнечные панели без установки контроллера

Главной функцией этого устройства является управление уровнем заряда, аккумулирующего энергию, поступающую от солнечных панелей. Если прибор для контроля заряда АКБ не устанавливать, пользователь не сможет контролировать этот процесс, который будет длиться без остановки, вплоть до закипания электролита. Поэтому обойтись без него нельзя.

Однако контроллер для солнечной батареи можно заменить таким устройством, как вольтметр. Пользователь сможет при обнаружении максимальных значений напряжения и заряда АКБ самостоятельно управлять процессом, отключая ее блок. В сравнении с использованием контроллеров, такой способ неудобен, поскольку за работой системы приходится постоянно следить, рассчитывать на автоматический контроль не приходится.

Советы профессионала

С вопросом, какой контроллер выбрать , сталкиваются многие пользователи, выбирающие альтернативные источники энергии. Сегодня на рынке представлены панели, номинальный коэффициент напряжения которых составляет 12 или 24 Вольт. Такие показатели позволяют выполнять зарядку аккумуляторов, отказавшись от дополнительного преобразования напряжения. АКБ, которые используются намного дольше, чем солнечные батареи, также имеют показатель номинального напряжения в 12-24V. Выбирая прибор, в зависимости от типа используемого аккумулятора, важно учитывать, что АКБ используют различные программы зарядки, что связано с химическим составом.

Источник

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