У системах електростанцій, що працюють на сонячних батареях, для подачі отриманої енергії використовують різні схеми підключення, які виконані на різних алгоритмах на основі технології мікропроцесорної електроніки. На основі таких схем створено пристрої, які називаються контролери для сонячних батарей.

Принцип дії

Існує кілька методів передачі електроенергії від сонячних елементів до акумуляторної батареї:

• Без застосування приладів комутації та регулювання безпосередньо.
• Через контролери для

Перший спосіб зумовлює проходження електричного струму від джерела на акумулятори підвищення їх напруги. Спочатку напруга підвищиться до граничного певного значення, яке залежить від типу та різновиду конструкції акумуляторної батареї та температури зовнішньої обстановки. Далі перевищить цей рівень.

У початковий період заряджання акумуляторів йде в нормі. Далі починаються процеси, що характеризуються негативними моментами: зарядний струм продовжує надходити, викликає збільшення напруги вище за допустиму величину, настає перезаряд, і як наслідок, підвищується температура електроліту. Це призводить його до закипання і викиду водяної пари зі значною інтенсивністю окремих елементівбатареї. Такий процес може тривати до висихання банок. Зрозуміло, що ресурс акумуляторної батареї від цього явища не зростає.

Щоб обмежити струм заряду, користуються спеціальними пристроями- Контролерами заряду, або роблять це вручну. Останнім способом практично ніхто не користується, оскільки це завдає незручності стежити за величиною напруги по приладах, робити перемикання руками, потрібно призначати для цього спеціального працівника, щоб він обслуговував контролери для сонячних батарей.

Порядок дій контролера під час заряду

Контролери для сонячних батарей виготовляють різних модифікацій за принципами та складністю методу обмеження напруги:

• Просте відключення та включення. Контролер перемикає зарядний пристрій до акумулятора залежно від напруги на клемах.
• Перетворення.
• Контролює найбільшу потужність.

Перший принцип простої комутації

Це найпростіший вид роботи, проте він менш надійний. Основним недоліком методу є те, що при збільшенні напруги на клемах батареї акумуляторів до максимального значення остаточного заряду не настає. Заряд сягає 90% від номіналу. Акумулятори постійно перебувають у стані недозаряду. Це згубно впливає їх термін служби.

Широтно-імпульсний принцип

Такі прилади виробляються з урахуванням мікросхем. Вони керують силовим блоком підтримки напруги на вході у певному інтервалі сигналами зворотний зв'язок.

Контролери з широтно-імпульсним керуванням мають можливість:

• Вимірювати температуру електроліту в батареї виносного або вбудованого типу.
• Утворювати компенсацію температури напругою заряду.
• Підлаштовуватися під властивості конкретного типуакумуляторів з різними значеннямиза графіком напруги.

Чим більше функційвбудовано в контролери для сонячних батарей, тим їх надійність та вартість вища.

Графік дії сонячної батареї

Обмеження напруги за точкою найбільшої потужності

Ці пристрої теж можуть працювати за широтно-імпульсним способом. Їхня точність висока, оскільки йде облік максимального значення потужності, що віддається сонячною батареєю. Значення потужності обчислюється та зберігається.

Для геліобатарів із напругою 12 вольт максимальна потужність знаходиться на 17,5 вольтах. Простий контролер вимкне заряд акумулятора вже при 14 В, а контролер з спеціальною технологієюдозволяє використовувати запас сонячних батарей до 17,5 вольт.

Чим більше розрядилася батарея, тим більше втрати енергії від сонячних елементів, контролери для сонячних батарей знижують ці втрати. В результаті контролери, застосовуючи перетворення широтно-імпульсного вигляду, на всіх зарядних циклах підвищують віддачу енергії сонячною батареєю. Відсоток економії може сягати 30%, залежно від різних чинників. Вихідний струм акумулятора при цьому буде вищим за вхідний.

Властивості

При здійсненні вибору типу контролера необхідно звертати увагу як на принципи роботи, а й у умови, призначені щодо його роботи. Такими показниками пристроїв є:

• Розмір напруги входу.
• Значення загальної потужності сонячних елементів.
• Вид навантаження.

Напруга

На схему контролера може йти напруга кількох батарей, які з'єднані по-різному. Для правильного функціонування пристрою потрібно, щоб загальна величина напруги разом з холостим ходом не була більшою за межу, вказану виробником в інструкції.

Назвемо деякі фактори, завдяки яким необхідно робити 20% запас напруги:

• Необхідно враховувати чинник рекламного завищення даних контролера.
• Процеси, що відбуваються у фотоелементах, нестабільні, при надмірних сонячних спалахах світла енергія, що створює напругу холостої роботи батареї, може бути перевищена.

Потужність сонячної батареї

Ця величина важлива в роботі контролера, так як пристрій повинен мати достатню потужність, щоб передавати її акумуляторним батареям, якщо потужності не вистачатиме, то схема приладу вийде з ладу.

Для обчислення потужності значення вихідного струму з контролера множать на напругу, яку вироблено, не забуваючи про 20% резерв.

Вид навантаження

Контролер має використовуватись за своїм призначенням. Не потрібно застосовувати його як звичайне джерелонапруги, підключати до нього різні пристроїпобутового призначення. Можливо, деякі з них нормально працюватимуть, і не виведуть контролер з ладу.

Інше питання, скільки часу це триватиме. Пристрій працює на принципі перетворень широтно-імпульсного типу, застосовує технології мікропроцесорного виробництва. Ці технології враховують навантаження, закладену у властивостях акумуляторної батареї, а чи не різного роду споживачам, мають своєрідні властивості поведінки за зміни навантаження.

Як зробити контролер своїми руками

Щоб виготовити такий пристрій, достатньо мати деякі знання електротехніки та електроніки. Саморобний пристрійбуде поступатися промисловому зразку за наявністю функцій та ефективності, але для простих мережз невеликою потужністю, такий саморобний контролерцілком підійде.

Саморобний контролер повинен мати такі параметри:

• 1,2 P ≤ I × U. даному вираженнізастосовуються позначення загальної потужності джерел (Р), виходу струму контролера (I), напруги при розрядженому акумуляторі (U).
• Найбільша напруга входу контролера повинна відповідати загальному напрузі акумуляторів на холостому ходу без навантаження.

  Проста схема модуля саморобного контролера:

Контролери для сонячних батарей, зібрані самостійно, мають властивості:

• Напруга заряду – 13,8 вольт, змінюється від номінального струму.
• Напруга, що відключає – 11 вольт, може налаштовуватися.
• напруга, Що Включає, - 12,5 вольта.
• Зниження напруги на ключах - 20 мілівольт при струмі 0,5 А.

Контролери для сонячних батарей входять до складу будь-яких геліосистем, а також систем на сонячних батареях та вітряних генераторів. Вони дають можливість створення нормального режимузарядки батарей акумуляторів, збільшують ефективність і знижують зношування, можуть збиратися власними силами.

Розбір схеми контролера для гібридного живлення

Для прикладу будемо розглядати джерело аварійного освітлення або охоронної сигналізаціїпрацює в цілодобовому режимі.

Застосування енергії сонячної батареї дозволяє скоротити витрати електричної енергіївід живильної центральної мережі, а також захистити електропристрої від можливості віялового відключення живлення.

У темний час, коли немає сонячного світла, система перемикається на мережеве харчування 220 вольт. Запасним джерелом стала акумуляторна батарея на 12 вольт. Ця система функціонує за будь-якої погоди.

Схема найпростішого контролера

Фоторезистор здійснює керування транзисторами Т1 та Т2.

Днем, коли є сонячне світло, транзистори закриваються. Напруга 12 вольт подається на батарею акумуляторів від панелі через діод D2. Він не дає розряджатися акумулятору через панель. При достатньому освітленні панель видає струм потужністю 15 Вт, 1 ампер.

Коли акумулятори отримають повний заряд до 11,6 вольта, стабілітрон відкривається і включається червоний світлодіод (LED Red). При зниженні напруги на контактах акумулятора до 11 вольт червоний світлодіод вимикається. Це означає, що акумуляторна батарея потребує заряджання. Резистори R1 та R3 здійснюють обмеження струму світлодіода та стабілітрону.

Вночі, або у темний час, коли немає світла сонця, опір фотоелемента знижується, підключаються транзистори Т1 та Т2. Акумулятор отримує заряд від блока живлення. Струм заряду від лінії живлення 220 вольт через трансформатор, випрямляч, резистор і транзистори надходить на акумуляторну батарею. Місткість С2 згладжує пульсації напруги мережі.

Межа світлового потоку, При якому включається фотодатчик, налаштовують змінним резистором.

Альтернативна енергетика з кожним роком поширюється дедалі ширше. Відповідно зростає попит на сонячні батареї та контролери заряду для акумуляторів. І це не дивно, адже одним із класичних прикладів вільної енергії є енергія сонця. Її використовують трьома основними способами:

1. Геліоколектор.
2. Сонячний концентратор.
3. Сонячна батарея.

Якщо перші два методи полягають у концентруванні та передачі тепла, то третій дозволяє перетворити сонячне світло на електроенергію. Однак в альтернативній енергетиці є одна суттєва проблема, щоб у ній розібратися, чи потрібно провести аналогію з класичними методами «видобування» електроенергії.

Справа в тому, що в звичних ТЕЦ і АЕС генератор надає руху парова турбіна, на ГЕС - перебіг води. Це процес безперервний. У разі альтернативної енергетики дещо інакше. Ні вітер, ні сонце не світить постійно. Буває штиль, хмарність, ніч, зрештою. А електроенергія більшою мірою потрібна саме в темний час доби. Як же бути? Необхідно запасти її в акумулятори.

Навіщо потрібен контролер заряду для сонячної батареї?

Контролер для сонячних батарей
Акумулятори були винайдені для того, щоб запасати в них енергію. Тому вони знайшли найширше застосування в альтернативній енергетиці, в установках малих та великих масштабів. Але є низка проблем:

1. Сонячне світло протягом світлої доби має різну інтенсивність.
2. Залежно від схеми з'єднань вашої СЕС на вихідних клемах панелей може бути різна величина напруги.

Контролер заряду сонячної батареї якраз і потрібен для того, щоб перетворити енергію, яку віддають пристрої на правильний для акумулятора вигляд. З його допомогою потоки енергії розподіляються таким чином, щоб забезпечити заряджання приладів у правильному режимі.

Пристрій не тільки допомагає зарядити акумулятор, але й тому, що цей процес стає досить оптимізованим - термін її життя значно продовжується.

Види контролерів для сонячної батареї

У сучасному світівиділяють три типи контролерів:

- MPPT-контролер;

On-Off – це найпростіше рішення для заряду, такий контролер безпосередньо підключає сонячні батареї до акумулятора, коли напруга досягне 14,5 вольта. Однак така напруга не свідчить про повний заряд акумулятора. Для цього потрібно якийсь час підтримувати струм, щоб АКБ набрала необхідну для повного заряду енергію. В результаті ви отримуєте хронічний недозаряд акумуляторів та скорочення їх терміну служби.

ШИМ-контролери підтримують потрібну напругу для заряджання акумулятора просто «зрізаючи» зайве. Таким чином, зарядка приладу відбувається незалежно від напруги, що видається сонячною батареєю. Головна умова, щоб воно було вищим, ніж необхідне для заряду. Для акумуляторів на 12 В, напруга в повністю зарядженому стані знаходиться на рівні 14.5 В, а в розрядженому близько 11. Цей тип контролерів є більш простим, ніж MPPT, однак має менший ККД. Вони дозволяють наповнити АКБ на 100% від ємності, що дає значну перевагу перед системами типу On-Off.

MPPT-контролер – має складніший пристрій, здатний аналізувати режим . Його назва у повному вигляді звучить як «Maximum power point tracking», що означає «Відслідковування точки максимальної потужності». Потужність, яку видає панель, дуже залежить від кількості світла, яке падає на неї.

Справа в тому, що ШІМ-контролер ніяк не аналізує стан панелей, а лише формує необхідну напругу для зарядки АКБ. MPPT відстежує його, а також струми, що видаються сонячною панеллю, та формує вихідні параметри оптимальні для заряду накопичувальних елементів живлення. Таким чином, знижується струм у вхідному ланцюзі: від сонячної панелі до контролера, і раціональніше використовується енергія.

Що таке Точка Максимальної Потужності?

ВАХ елементів сонячної панелі не лінійна. Вона здатна видавати номінальні струми до певної вихідної напруги. При досягненні потрібних параметрівструм, що віддається батареєю, знижується. Крапкою Максимальної Потужностіназивається стан, коли панель дає максимальну напругу та струм, після цієї точки при підвищенні вихідної напруги падає і струм. MPPT-контролер прагне використовувати саме той режим сонячної батареї, за якого створено умови для досягнення ТММ. Виходячи з цього, слід, що потужність, що віддається такими приладами, буде вищою.

Однак є один нюанс, про який уважні читачі вже могли здогадатися. Якщо ШІМ-контролер незалежно ні від чого видає свої Вольти та Ампери, акумулятори заряджатимуться навіть при мінімальному освітленні панелі, коли її вихідні параметри малі. Тоді як контролер MTTP може просто не відреагувати на це. Також існують окремі моделі з можливістю налаштування та адаптації під різні умовидовкілля.

Увага! Використання цього контролерів може дати приріст ефективності установки (ККД) до 30%.

Чи можна обійтись без контролера?

Грамотно обраний контролер знижує подальші вкладення обслуговування вашої системи альтернативного електропостачання. Неправильні процеси заряду акумулятора призводять до зниження його ресурсу. Що буде, якщо не використовувати контролерів взагалі? Якщо сонячна батарея підключається безпосередньо до АКБ, струм заряду не буде контрольованим. Справа в тому, що напруга в точці максимальної потужності для 12-вольтних моделей сонячних панелей досягає значень вище 15,5 вольт. Великий струмзаряду викличе закипання осередків в акумуляторах, що спричинить виділення тепла та пошкодження цілісності батарей.

Правильний режим заряду збереже ресурс пристрою, і вам не потрібно буде проводити непланову заміну.

На що дивитись при виборі?

При покупці контролера заряду потрібно враховувати:

• Потужність встановлення.
• Кількість батарей.
• Напруга системи (12, 24 вольта, або інші, залежно від конструкції та з'єднання панелей).
• Струм заряду.

Деякі батареї продаються з можливістю використання в ланцюгах 12 і 24 вольти, наприклад, BlueSolar MPPT.

Струм заряду – характеризує швидкість заряджання ваших АКБ. Зазвичай його вибирають за формулою "Ємність/10", тобто. для акумулятора ємністю 50 А/год достатньо струму 5 А. Однак, якщо у вас стоїть ціла батареяакумуляторів, загальною ємністю 200 А/год, тоді знадобиться контролер здатний видати струм до 20 А, це мінімум.

Принцип роботи контролерів для заряду сонячних батарей, пристрій, що враховуватиме при виборі

У сучасних сонячних електростанціях передачі виробленої електроенергії робочим акумуляторам застосовуються різні схеми підключення джерел струму. Вони використовують однакові алгоритми, створені з урахуванням мікропроцесорних технологій, називаються контролерами.

Як працюють контролери заряду сонячних батарей

Електроенергія, що виробляється сонячною батареєю, може передаватися накопичувальним акумуляторним батареям:

2. через контролер.

При першому способі електричний струм від джерела піде до акумуляторів і збільшуватиме напругу на їх клемах. Спочатку воно дійде до певного, граничного значення, що залежить від конструкції (типу) акумуляторної батареї та температури навколишнього середовища. Потім подолає рівень, що рекомендується.

на початковому етапізаряду схема працює нормально. А ось далі починаються вкрай небажані процеси: надходження зарядного струму, що триває, викликає підвищення напруги понад допустимих значень(порядку 14), виникає перезаряд з різким зростанням температури електроліту, що призводить до його закипання з інтенсивним викидом парів дистильованої води з елементів. Іноді до повного висихання ємностей. Природно, що ресурс акумулятора різко знижується.

Тому завдання обмеження зарядного струму вирішують контролерами чи вручну. Останній спосіб: постійно контролювати прилади величину напруги і комутувати перемикачі руками такий невдячний, що існує тільки в теорії.

Алгоритми роботи контролерів заряду сонячних батарей

За складністю способу обмеження граничної напруги прилади виготовляють за принципами:

1. Вимк/Увімк (або On/Off), коли схема просто комутує акумулятори до зарядного пристроюза величиною напруги на клемах,

2. широтно-імпульсних (ШІМ) перетворень,

3. сканування точки максимальної потужності.

Принцип №1: Схема Вимк./Вкл.

Це найпростіший, але найненадійніший метод. Його головний недолік у тому, що при зростанні напруги на клемах акумумлятора до граничного значення повного заряду ємності не відбувається. Вона сягає у разі приблизно до 90% номінального значення.

У акумуляторів постійно відбувається регулярний недобір енергії, який значно знижує термін експлуатації.

Принцип №2: Схема ШІМ контролерів

Скорочені позначення цих пристроїв англійською мовою: PWM. Вони випускаються з урахуванням конструкцій мікросхем. Їхнім завданням є керування силовим блоком для регулювання напруги на його вході в заданому діапазоні за допомогою сигналів зворотного зв'язку.

PWM контролери додатково можуть:

враховувати температуру електроліту вбудованим або виносним датчиком (останній спосібточніше),

створювати температурні компенсації зарядної напруги,

налаштовуватися під певний типакумуляторів (GEL, AGM, рідко-кислотні) з різними показниками графіків напруги в однакових точках.

Збільшення функцій PWM контролерів підвищує їхню вартість та надійність роботи.

Принцип №3: сканування точки максимальної потужності

Такі пристрої позначають англійськими літерами MPPT. Вони теж працюють за способом широтно-імпульсних перетворювачів, але дуже точні тому, що враховують найбільшу величину потужності, яку здатні віддати сонячні батареї. Це значення завжди точно визначається та вноситься до документації.

Наприклад, для геліобатарів 12 В точка віддачі максимальної потужності становить близько 17,5 В. Звичайний PWM контролер припинить заряд акумумлятора при досягненні напруги 14 - 14,5 В, а працюючий за технологією MPPT - дозволить додатково використовувати ресурс сонячних батарей до 17,5 Ст.

Зі збільшенням глибини розряду акумуляторів зростають втрати енергії джерела. МРРТ контролери зменшують їх.

Характер відстеження напруги, що відповідає віддачі максимальної потужності сонячної батареї в 80 Вт, демонструється усередненим графіком.

У такий спосіб МРРТ контролери, використовуючи широтно-імпульсні перетворення у всіх циклах заряду акумуляторів, збільшують віддачу сонячної батареї. Залежно від різних чинників економія може становити 10 – 30%. При цьому струм виходу з акумулятора перевищуватиме струм входу до нього із сонячної батареї.

Основні параметри контролерів заряду сонячних батарей

При виборі контролера для сонячної батареї, крім знання принципів його роботи, слід звернути увагу на умови, для яких він розроблений.

Головними показниками приладів є:

значення вхідної напруги,

величина сумарної потужності сонячної енергії,

характер навантаження, що підключається.

Напруга сонячної батареї

На контролер може подаватися напруга від однієї або кількох сонячних батарей, з'єднаних по різним схемам. Для правильної роботиприладу важливо, щоб сумарна величина напруги, що подається на нього з урахуванням холостого ходуджерела не перевищувала граничної величини, вказаної виробником у технічній документації.

При цьому слід зробити запас (резерв) ≥ 20% через ряд факторів:

не секрет, що окремі параметри сонячної батареї іноді можуть бути завищені в рекламних цілях,

процеси, що відбуваються на Сонці, не носять стабільного характеру, а при аномально підвищених спалахах активності можлива передача енергії, що створює напругу холостого ходу сонячної батареї вище за розрахункову межу.

Потужність сонячної батареї

Вона важлива для вибору контролера, тому що прилад повинен бути здатним надійно передавати її робочим акумуляторам. Інакше він просто згорить.

Для визначення потужності (у ВАТ) множать величину струму виходу з контролера (в амперах) на напругу (у вольтах), що виробляється сонячною батареєю з урахуванням створеного для нього 20% запасу.

Характер навантаження, що підключається

Потрібно добре розуміти призначення контролера. Не варто використовувати його як універсальне джерело живлення, підключаючи до нього різні побутові пристрої. Звісно, ​​частина їх зможе нормально працювати, не створюючи аномальних режимів.

Але…наскільки довго це триватиме? Прилад працює на основі широтно-імпульсних перетворень, використовує мікропроцесорні та транзисторні технології, які врахували як навантаження тільки , а не випадкових споживачів зі складними перехідними процесами при комутаціях і мінливим характером споживаної потужності.

Короткий огляд виробників

Випуском контролерів для сонячних електростанційзаймаються багато країн. на Російському ринкупопулярна продукція компаній:

Morningstar Corporation (провідний виробник США),

Beijing Epsolar Technology (працює з 1990-го року в Пекіні),

AnHui SunShine New Energy Co (КНР),

Phocos (Німеччина),

Steca (Німеччина),

Xantrex (Канада).

Серед них завжди можна підібрати надійну модельконтролера, що найбільш підходить під конкретні умови експлуатації сонячних електростанцій з певними технічними характеристиками. Для цього просто використовуєте рекомендації цієї статті.