Заряд аккумуляторов напрямую без контроллера, 27 ячеек на АКБ
Вопрос заряда аккумуляторов от солнечных батарей напрямую без контроллеров давно меня интересует, и мои тесты это пока подтверждают. Опираясь на цифры полученные из моего MPPT контроллера, на свой опыт и информацию из сети я понял что это возможно. В стандартном варианте когда на 12-ти вольтовый аккумулятор приходится по 36 солнечных элементов зарядка напрямую неэффективна, и даже опасна. И если не контролировать напряжение заряда то можно перезарядить аккумулятор вплоть до выкипания электролита и нагрева самого АКБ. Ну или с аккумулятором ничего не случится, это если у вас слабенькая солнечная панель с током в 1 ампер, а аккумулятор автомобильный 60Ач.
Точка максимальной мощности поликристаллической солнечной панели на 36 элементах зимой по данным моего контроллера составляет 85% от напряжения холостого хода. Это равняется 18.7 вольт, но в диапазоне от 17.0в до 19.5в мощность меняется не критично, и она остаётся максимально высокой. При этом такая картина остаётся даже в пасмурную погоду. Да при отсутствии солнца точка MPPT смещается ближе к 17-18 вольт, но и при 19в мощность солнечной панели всё ещё почти максимальная.
Летом в связи с перегревом солнечных батарей точка MPPT немного ниже, и пик держится на напряжении 17.3 вольта, это 79% от напряжения холостого хода. Но правда в самую жару, когда под 40 градусов в тени, смещение может доходить до 16 вольт.
Если бы наш аккумулятор был на 18 вольт, то есть не шесть, а восемь банок, то солнечную панель к нему можно было бы подключать напрямую. При этом даже в пасмурную погоду была бы зарядка ничуть не хуже чем через MPPT контроллер. И в таком варианте аккумулятор невозможно перезарядить так как с ростом напряжения от 19в и выше ток заряда будет снижаться и падать вплоть до нуля к 21 вольт. В данном случае я говорю о кальциевых автомобильных аккумуляторах.
Но таких аккумуляторов состоящих из восьми банок не бывает, да и инверторов на 18 вольт тоже нет. Но вообще если бы солнечная панель была не на 36 элементов, а на 27 элементов. То тогда без всяких MPPT контроллеров была бы максимальная эффективность заряда, так как в этом случае высокая точка максимальной мощности была бы в диапазоне от 12.0 до 13.7 вольт. А зимой поднималась бы до 14.2 вольт и даже выше. И только когда напряжение на АКБ будет подниматься выше, то ток заряда будет сам снижаться, это связано со смещением точки MPPT, и далее более подробно.
Вообще получается интересная картина, если на 27 элементов приходится АКБ 12в. Летом когда самая жара точка максимальной мощности смещается значительно ниже. И если напряжение на АКБ начинает расти выше то ток начинает падать, и уже на напряжении выше 13 вольт падение мощности очень заметно. Получается так, точка максимальной мощности в жару будет в диапазоне 12-13 вольт, и при росте напряжения на акб до 13.5 вольт ток от солнечной панели значительно снизится. А при 14 вольт ток будет уже совсем небольшой, и так как с аккумуляторов всегда берётся какая то энергия, пусть и небольшая, то напряжение на АКБ выше подниматься не будет. Плюс сам аккумулятор будет ограничивать напряжение снижая КПД заряда.
Но чтобы так было нужно чтобы ёмкость АКБ и максимальный ток от солнечных батарей были 1:10 или более. И под аккумуляторами я подразумеваю обычные автомобильные кальциевые. То есть на панель 12в 100вт с током заряда в 5.4А подойдёт аккумулятор ёмкостью 55Ач. И летом в эту самую жару от панели на 27 элементов при 14.0-14.7в на АКБ ток заряда будет всего около 1-2А, и этот ток не сможет вскипятить аккумулятор, и напряжение не будет расти далее. А с учётом небольшого потребления из акб напряжение и до 14в возможно не поднимется. Но если аккумулятор будет не заряжен то в диапазоне 12-13 вольт заряд АКБ будет максимальным от солнечной батареи, то есть максимальный ток заряда, и уменьшаться он будет сам по мере напряжения на АКБ.
С понижением температуры картина зарядки аккумулятора будет меняться. Точка MPPT будет сдвигаться вверх и при около нулевой температуре аккумулятор будет заряжаться уже до 14-14.5 вольт и только после этого начнётся значительное падение тока от солнечной батареи состоящей из 27 элементов. При этом если даже из аккумулятора ничего не будет потребляться то сам аккумулятор начнёт ограничивать рост напряжения. И если даже напряжение вырастет до 15 вольт, то ток от солнечной батареи ещё снизится и этот ток не в состоянии будет вскипятить акб и продолжить рост напряжения на нём.
В зимние морозы точка MPPT будет ещё выше, и это тоже большой плюс. Повышенное напряжение на АКБ после глубоких разрядов, когда солнца не было несколько дней скажется на последних очень хорошо. Зимой часто аккумуляторы разряжается глубоко, в вот полностью заряжаются не часто, и тут повышение напряжения до 15 вольт и даже 16 вольт будет способствовать десульфатации. Ну а понижение тока от солнечной панели не сможет вскипятить аккумулятор.
Получается идеальный балланс на круглый год, когда надо аккумулятор заряжается более полно, в зимние месяцы. А летом наоборот когда акб каждый день заряжается то его не нужно доводить до 14.7 вольт и выше.
В современных контроллерах пытаются сделать нечто подобное ступенчатым зарядом, и возможностью настройки контроллера. Но здесь при заряде напрямую от панели на 27 ячеек всё происходит само собой. Понятно что с гелевыми аккумуляторами лучше так не делать, а вот автомобильным и AGM аккумуляторам это очень понравится.
Вообще на рынке есть солнечные панели на 60 элементов, предназначены они для заряда аккумуляторов на 24 вольта. Но так как там приходится по 30 элементов на АКБ, то тут нужен обычный PWM контроллер. При этом в таком варианте даже MPPT контроллер не может дать больше чем заряд через простой PWM контроллер. Решение очень правильное, но всё же от необходимости контроллера это решение не избавляет. Зато с солнечной панели берётся почти максимальная мощность, а контроллер позволяет работать с разными типами АКБ, и PWM контроллер значительно дешевле чем MPPT.
Если же солнечные панели на 36 элементов, как у многих, и у меня в том числе, то тут можно сделать систему на 48 или 96 вольт. Если на 48 вольт то здесь четыре аккумулятора последовательно, а солнечных панелей нужно три штуки последовательно. В этом случае приходится как раз по 27 элементов на аккумулятор. Тоесть как я говорил выше получается что без всяких контроллеров можно заряжать аккумуляторы напрямую, и никак вообще не контролировать заряд АКБ. Там всё само будет происходить как надо, и с максимальным КПД.
Вообще в системе на 48 вольт одни плюсы в виде значительно меньших токов в сравнении с 12 или 24 вольта системами. Но есть такой минус как дисбаланс по напряжению в последовательно соеденённых аккумуляторах, правда и на 24 вольта тоже такая беда. Со временем этот дисбаланс усиливается и в итоге при казалось бы общем номинальном напряжении 56-60 вольт аккумуляторы заряжены, но нет. Оказывается на трёх акб уже по 14-15 вольт и они активно кипят, а на четвёртом всего 12 вольт. Потом при разряде его напряжение упадёт до 10 вольт и даже более. И вскоре вы поймёте что с аккумуляторами что то не то, не держат заряд и напряжение сильно проседает под нагрузкой.
Чтобы этого избежать придумали балансиры, и сейчас всё чаще люди их ставят. Балансиры выравнивают напряжение на аккумуляторах. Но вообще дисбаланс напряжения может произойти и в самих банках аккумулятора. Иногда бывает что умирает одна банка, и из-за неё приходится выкидывать аккумулятор. К чему я это говорю, а тому что если заряжать аккумуляторы до напряжения не выше 13.8-14.5 вольт то даже балансиры не помогут, хотя их наличие огромный плюс.
Иногда нужно аккумуляторы доводить до напряжения выше 15 вольт. При таком напряжении КПД заряда сильно снижается и начинается процесс тепловыделения, правда еле заметный при оптимальном малом токе, и процесс движения электролита. Так вот те банки в аккумуляторе, которые достигли напряжения по 2.5 вольт уже почти не заряжаются. А те банки на которых ещё по 2.1-2.3 вольта, они продолжают заряжаться и общий вольтаж постепенно выравнивается. Чем дольше аккумулятор под высоким напряжением тем лучше.
При этом нужно понимать что заряжать нужно малым током чтобы аккумулятор не закипел и не выкепал электролит, хотя водички и так нужно доливать.
Многие контроллеры этого делать не умеют. В основном в контроллерах зашиты готовые алгоритмы заряда, и вот именно они и портят АКБ. Хотя они сделаны такими чтобы можно было подключать аккумуляторы разной ёмкости, и солнечные панели, и при этом не закипятить перезарядом сами аккумуляторы. Это как бы защита от дурака. Понятно что например если у вас солнечные панели могут давать токи к примеру до 50А, а у вас там аккумулятор всего на 200Ач, то если выставить напряжение заряда в 15 вольт этот аккумулятор будет кипеть когда зарядится, и в итоге долго не проживёт. Так как нет ограничения по току то тут рекомендация уже стандартная, для гелевых не выше 13.8-14 вольт, а с жидким электролитом не выше 14.2-14.4 вольта. А вот если наоборот, большой аккумулятор и ток заряда слабенький, то тут если даже напряжение до 15 вольт поднимется то акб не закипит.
При этом в первом случае, аккумулятор при заряде до 14 вольт прослужит меньше так как после глубоких разрядов для восстановления плотности электролита напряжения 14 вольт маловато. Поэтому как бы и рекомендации не разряжать аккумуляторы глубоко.
Как пример автоматические зарядные устройства для автомобильных аккумуляторов. Их можно гонять сутками, при этом аккумуляторы не закипают, хотя там напряжение заряда ровно 16.2 вольта, и это не случайно. Зарядное устройство повышенным напряжением заставляет кристаллы сульфата свинца растворяться, высвобождается серная кислота и растёт плотность электролита. А слабый ток заряда не даёт аккумулятору кипеть.
Ну на этом я заканчиваю, думаю смысл всего этого понятен, хотя думаю те кто не в теме вряд ли осилят. Но всёже надеюсь что это кому то было полезно и интересно. Смысл это чтобы на аккумулятор приходилось по 27 ячеек, при этом нужно чтобы ёмкость аккумулятора была в десять раз больше максимального тока от солнечной батареи, или более. Тогда при заряде напрямую сложатся идеальные условия для заряда автомобильных аккумуляторов, да впринципе и других с жидким электролитом.
Зачем это нужно спросите вы, ну во-первых это экономия на MPPT контроллере заряда, и большой плюс в надёжности так-как контроллер может сломаться. При этом отбор энергии с солнечных батарей будет не хуже с MPPT. А также так аккумуляторы будут заряжаться более правильно.
Источник
Аккумулятор – важное звено «солнечной» системы электроснабжения
Дата публикации: 25 сентября 2020
Любая автономная система электроснабжения, которая питается от солнечной энергии, включает в себя несколько обязательных элементов: солнечные панели или батареи, инвертор, контроллер заряда и разряда и, конечно, аккумулятор. О нем то и пойдет речь в нашей сегодняшней статье. Как известно, солнечные батареи предназначены для получения энергии из солнечного излучения, так вот аккумуляторы для солнечных батарей, выполняют иную функцию. Их первостепенная задача – это накопление электроэнергии и последующая ее отдача.
Главная техническая характеристика аккумулятора – его емкость. По этому показателю можно определить максимальное время работы системы электроснабжения в автономном режиме. Помимо емкости следует учитывать срок службы, максимальное количество циклов заряда-разряда, температурный диапазон работы и другие показатели. Средний срок службы аккумулятора составляет 5-10 лет. Эта цифра зависит от типа аккумулятора и условий его использования.
Типы аккумуляторов
В солнечной энергетике наибольшей популярностью пользуется герметичный свинцово-кислотный аккумулятор, производимый с использованием 2 различных технологий:
- Gelled Electrolite.
- Absorptive Glass Mat.
Технология Gelled Electrolite стала применяться в конце 50-х годов. Она заключается в добавлении оксида 4-хвалетного кремния в электролит, что способствует переходу электролита в гелеобразное состояние. Этот метод позволяет достичь абсолютной герметичности батареи, а циркуляция газов осуществляется в многочисленных порах желеобразного электролита. Большой плюс гелевых аккумуляторов для солнечных батарей, производимых с применением технологии Gelled Electrolite, это отсутствие необходимости доливки воды в течение всей эксплуатации.
Технология Absorptive Glass Mat была разработана в 70-е годы. Она предполагает использование пористого стекловолоконного заполнителя-сепаратора. Его пропитывают электролитом и тем самым переводят в безжидкостное состояние. Дозируя количество электролита, добиваются того, чтобы заполненными оказались лишь мелкие поры, так как более крупные предназначаются для свободной циркуляции газов. AGM-батареи также не требуют дополнительного обслуживания.
Солнечные аккумуляторные батареи, производимые и по первой, и по второй технологии, обладают как достоинствами, так и недостатками. Узнать о них более подробно Вы сможете из таблиц 1 и 2.
Таблица 1. Преимущества
| AGM технология | GEL технология |
| Абсолютно герметичная конструкция исключает возможность утечки кислоты и коррозии клемм, а также позволяет монтировать АКБ в любом положении, за исключением вверх дном. | Допускается установка аккумулятора на боковую поверхность и вверх дном. Являются более устойчивыми к глубоким разрядам. |
| Исключена возможность взрыва и выделения газов, но при условии правильной зарядки. | Стабильная работа при повышенной влажности и высоком уровне вибрации. |
| Стабильная работа батареи при температуре ниже -30°С. | Возможность эксплуатации при температурном режиме выше +50°С и ниже -35°С, а также вблизи чувствительных электронных устройств. |
| Увеличение срока службы за счет повышенной виброустойчивости. | Увеличение срока службы за счет использования активного материала, увеличивающего емкость аккумуляторной батареи. |
| Время полной зарядки аккумулятора в 7 раз меньше, чем время зарядки обычной свинцово-кислотной АКБ. | Минимальная цена в категориях «Цена/Количество месяцев службы» и «Цена/Число циклов». |
Таблица 2. Недостатки
| AGM технология | GEL технология |
| Из-за меньшего количественного содержания электролита обладают повышенной чувствительностью к превышению зарядного напряжения | В сравнении с классическими аккумуляторами гелевые АКБ имеют худшие показатели нагрузочных характеристик |
Тонкости подключения
Первое с чем нужно определиться прежде, чем выбирать аккумулятор, — это требуемая емкость. Как правило, это значение выбирается с учетом среднесуточного потребления электроэнергии, не забывая при этом и про глубину разряда, которая должна составлять не более 50-70%. Правильный режим заряда/разряда – это главное условие, которое способно продлить срок службы аккумуляторов для солнечных батарей. Также следует помнить, что слишком большой ток заряда снижает количество содержащегося в АКБ электролита, что может привести к выходу из строя аккумуляторной батареи.
Наибольшее распространение получили «солнечные» аккумуляторы с рабочим напряжением в 12 В. Как правило, их используют для сборки аккумуляторных блоков требуемого напряжения, например 24 В, 48 В и т.д. Основные параметры такого блока:
- рабочая емкость;
- ток заряда;
- ток разряда.
Аккумуляторный блок рекомендовано составлять, используя последовательную схему соединения. В этом случае общее рабочее напряжение блока будет равняться сумме рабочих напряжений каждого подключенного аккумулятора.
Если же АКБ соединяются параллельно, то суммироваться будет не напряжение, а емкость. Напряжение же в этом случае останется неизменным. Но прежде, чем подключать батареи параллельно, необходимо выровнять на них напряжение.
Следующее условие – это температурный режим. Практически все АКБ для солнечной батареи способны выдерживать как низкие, так и очень высокие температуры. Но не стоит злоупотреблять этим, ведь увеличение температуры АКБ на 10°С приводит к ускорению всех химических процессов в 2 раза. А при заряде разница температур окружающей среды и батареи составляет 10-15°С, объясняется это процессом рекомбинации кислорода. Решить эту проблему поможет естественный обдув аккумуляторной батареи. Соблюдение всех правил – это залог долгой эксплуатации аккумулятора, об этом следует помнить.
Рекомендуемая схема подключения
Использование солнечной батареи, у которой максимальное значение генерируемого тока примерно равно току зарядки аккумулятора, позволяет автоматически заряжать АКБ при освещении. В этом случае следует предусмотреть некоторые правила подключения солнечной батареи к аккумулятору. Схема приведена на рисунке ниже.
Первое, что необходимо учесть – это подключение аккумулятора через диод (на схеме VD1). Такой способ поможет решить сразу 2 проблемы:
- При плохом освещении напряжение солнечной батареи может стать ниже, чем напряжение на аккумуляторе. Без диода это приведет к разряду аккумулятора через внутреннее сопротивление солнечной панели вместо заряда.
- Применение диода исключает необходимость отключения солнечной батареи от аккумулятора в темное время суток.
Помимо диода рекомендуется последовательное подключение миллиамперметра к солнечной батарее. Он позволяет определить ток какой величины потребляет аккумулятор солнечной энергии. Так вы сможете без проблем узнать, работает солнечная панель или нет. Если же Вы планируете использовать аккумулятор во время его зарядки или подзарядки, позаботьтесь о подключении в схему буферного конденсатора (на схеме С1).
Статью подготовила Абдуллина Регина
Небольшое видео о параллельном и последовательном подключении батарей:
Источник