Контроллеры
Известный факт, что полное разряжение, как и чрезмерная зарядка, влияют на дальнейшую работу аккумуляторных батарей. Особо чувствительными являются свинцово-кислотные аккумуляторные панели. Для предохранения батарей от этих нагрузок и служит регулятор. При максимальной зарядке АКБ (аккумуляторной батареи) с помощью контроллеров уровень тока будет понижен, при понижении заряда до критических значений подача энергии будет остановлена.
Типы контроллеров
Существует несколько типов регуляторов: On/Off, ШИМ и МРРТ.
Перед подбором устройства необходимо ответить на два основных вопроса:
Какое напряжение на входе?
Какой номинальный ток?
Автоматический контроллер заряда с регулятором MPPT для солнечных батарей
Как и у большинства устройств, обязательно наличие прочностного запаса. Максимальное напряжение контроллера должно превышать общее напряжение на 20 процентов. Для определения запаса номинального тока нужно к величине тока короткого замыкания солнечных батарей прибавить 10–20 процентов, также данное значение зависит от типа регулятора. Эти данные можно найти в технических паспортах контроллеров. Например, для контроллера солнечных батарей SOL4UCN2 (ШИМ) выходное напряжение тока принимает значения 3 вольта, 6 вольт, 12 вольт. Также возможно подобрать контроллеры с выходным напряжением 36 или 48 вольт. К тому же необходимо предусмотреть инвертор для преобразования тока.
Контроллеры On/Off
В линейке контроллеров являются простейшими и, соответственно, недорогими. Когда заряд аккумулятора достигает предельного значения, контроллер разрывает соединение между солнечной панелью и батареей посредством реле. В действительности батарея не полностью заряжена, что оказывает влияние на дальнейшую работоспособность аккумулятора. Поэтому несмотря на низкую стоимость, лучше не использовать регулятор данного типа.
Контроллер On/Off для солнечных батарей
ШИМ (PWM) – контроллеры
Для этого типа контроллера применена технология широтно-импульсной модуляции. Преимуществом является прекращение заряда аккумуляторной батареи без отсоединения солнечных модулей, что позволяет продолжить зарядку АКБ до максимального уровня. Рекомендованная область применения – системы с небольшой мощностью (до 48 вольт).
МРРТ – контроллеры
Maximum power point tracker контроллер появился 80-х годах. Самым эффективным по праву считается именно этот тип контроллера. Он отслеживает максимальный энергетический пик и понижает напряжение, но увеличивает силу тока, не изменяя мощность. Благодаря высокому коэффициенту полезного действия МРРТ – контроллеры сокращают срок окупаемости солнечных станций. Выходные напряжения варьируются от 12 до 48 вольт.
Самодельные контроллеры
Безусловно, можно сделать контроллер своими руками. Прототипом служит . В его схеме с помощью реле коммутируется сигнал, полученный с ветрогенераторов или солнечных батарей. Реле управляется посредством пороговой схемы и полевого транзисторного ключа. Подстроечные резисторы регулируют пороги переключения режима.
Схема для создания контроллера своими руками
В данной схеме использовано 8 резисторов в качестве нагрузки для утилизации энергии. Эта схема является первоначальной, ее можно упростить самостоятельно, а можно прибегнуть к помощи достоверных источников. Несмотря на очевидную простоту конструкции, не рекомендуется использовать контроллеры, созданные своими руками, во избежание неблагоприятных последствий, таких как порча АКБ, например (при напряжениях 36–48 вольт).
Гибриды
Гибридным контроллером считается контроллер, использующий энергию ветра и солнца. Его преимуществом является возможность использование двух источников тока (ветрогенератора или солнечной батареи) совместно или попеременно. Незаменим для автономных производств.
Дополнительные функции аккумуляторных батарей
Прогресс не стоит на месте и благодаря ему можно подобрать контроллер с нужными характеристиками для каждого потребителя индивидуально. Модель контроллера может включать в себя дисплей с выводом информации о батарее, реле, солнечных панелях, количестве заряда, напряжении (вольт), токе. Также может присутствовать система оповещения при приближении разрядки и таймер для активации ночного режима. Существуют контроллеры с возможностью подключения к компьютеру.
Контроллер с возможностью подключения к компьютеру I-Panda SMART 2
Шаг 3: Выбор панелей
О том как правильно выбирать солнечных батарей в блоге магазина MyWatt есть отдельная статья, поэтому останавливаться на этом долго не будем. Рассматривать будем только монокристаллические или поликристаллические, а аморфные и прочие тонкопленочные панели рассматривать не будем, в виду их быстрой деградации – потери мощности.
Основные отличия моно и поли:
Монокристаллические панели дороже и эффективнее, чем поликристаллические панели. Но в целом эффективность отличается незначительно, она зависит не только от типа ячейки, но и от качества самих ячеек и добросовестности производителя.
Характеристики солнечных панелей, как правило, приводятся к стандартным условиям испытаний (STC):
- освещенность = 1 кВт/м2;
- воздушная масса (AM) – 1,5;
- температура – 25°C.
Как самостоятельно рассчитать мощность солнечных батарей?
Мощность солнечных батарей должна выбираться таким образом, чтобы потребляемая мощность нашими электроприборами, была восполнена обратно. Иными словами – сколько взяли, столько и нужно отдать + потери на преобразование, а также собственное потребления инвертора с контроллером заряда.
В связи с тем, что солнечный свет в течение дня поступает непостоянно и с разной интенсивностью, нельзя знать сколько выработает та или иная панель сегодня, но исходя их статистических данных это можно предположить достаточно точно.
Например, для средней полосы России в летнее время хорошим показателем считается если каждый 1 Ватт солнечной батареи выработал 6Вт*ч за световой день, но если рассматривать пасмурный, дождливый день этот показатель может быть в несколько раз меньше, поэтому при расчетах учтем этот факт и вместо 6Вт*ч, подставим 3Вт*ч.
Итак, наше потребление в Ватт-часах, с учетом КПД составило 32,5Ач * 12В = 390Вт*ч, разделим на 3Вт*ч и получим мощность солнечной батареи 130Вт, если у Вас получается не целое число – округляйте вверх.
Зимой и в весенне – осенний период запас по мощности требуется делать значительно больше, поскольку световой день короче – солнце находится над горизонтом меньше времени.
Схема устройства солнечной электростанции
Рассмотрим, как устроена и работает гелиосистема для загородного дома. Главное ее назначение – преобразовать энергию солнца в электричество 220 В, которое является основным источником питания для домашних электроприборов.
Основные части, из которых состоит СЭС:
- Батареи (панели), преобразующие солнечное излучение в ток постоянного напряжения.
- Контроллер, регулирующий заряд АКБ.
- Блок аккумуляторных батарей.
- Инвертор, преобразующий напряжение АКБ в 220 В.
Конструкция батареи продумана таким образом, что позволяет оборудованию функционировать в различных погодных условиях, при температуре от -35ºС до +80ºС.
Выходит, что правильно установленные солнечные батареи будут работать с одинаковой производительностью и зимой, и летом, но при одном условии – в ясную погоду, когда солнце отдает максимальное количество тепла. В пасмурную эффективность работы резко снижается.
Эффективность СЭС в средних широтах велика, но не настолько, чтобы полностью обеспечивать электричеством большие дома. Чаще гелиосистема рассматривается как дополнительный или резервный источник электроэнергии
Вес одной батареи на 300 Вт равен 20 кг. Чаще всего панели монтируют на крышу, фасад или специальные стойки, установленные рядом с домом. Необходимые условия: разворот плоскости в сторону солнца и оптимальный наклон (в среднем 45° к поверхности земли), обеспечивающий перпендикулярное падение солнечных лучей.
При возможности устанавливают трекер, отслеживающий движение солнца и регулирующий положение панелей.
Верхняя плоскость батарей защищена закаленным противоударным стеклом, которое легко выдерживает удары града или тяжелые снежные наносы. Однако необходимо следить за целостностью покрытия, иначе поврежденные кремниевые пластины (фотоэлементы) перестанут работать
Контроллер выполняет насколько функций. Кроме основной – автоматической регулировки заряда АКБ, контроллер регулирует подачу энергии от солнечных батарей, предохраняя тем самым аккумулятор от полной разрядки.
При полном заряде контроллер автоматически отключает АКБ от системы. Современные устройства оборудованы панелью управления с дисплеем, показывающим напряжение батарей.
Для самодельных гелиосистем лучшим выбором являются гелевые аккумуляторы, отличающиеся сроком бесперебойного функционирования 10-12 лет. После 10-летней работы их емкость уменьшается примерно на 15-25 %. Это необслуживаемые и абсолютно безопасные устройства, не выделяющие вредных веществ.
Зимой или в пасмурную погоду панели также продолжают работать (если их регулярно очищать от снега), но выработка энергии снижается в 5-10 раз
Задача инвертеров – преобразовывать постоянное напряжение от АКБ в переменное напряжение 220 В. Они отличаются такими техническими характеристиками, как мощность и качество получаемого напряжения. Синусовое оборудование способно обслуживать наиболее «капризные» к качеству тока приборы – компрессоры, бытовую электронику.
Обзор бытовой СЭС:
Стоит знать, что бытовые электростанции способны обслуживать постоянно работающий холодильник, периодически запускаемый погружной насос, телевизор, систему освещения. Чтобы обеспечить энергией функционирование котла или даже микроволновки, потребуется более мощное и очень дорогое оборудование.
Простейшая схема солнечной электростанции, включающая главные составные элементы. Каждый из них выполняет свою функцию, без которой работа СЭС невозможна
Существуют и другие, более сложные схемы сборки солнечных электростанций, однако данное решение является универсальным и наиболее востребованным в быту.
Основы и состав солнечных станций
Назначение гелиопанелей — сбор и концентрация (притягивание) на себе солнечного света (ультрафиолета), преобразование его через контроллеры, инвертор в электричество и подача его через аккумуляторные батареи или напрямую в сеть 220 В (или 380 В) дома.
Излишки электричества можно продавать. Одно из преимуществ системы — полная автономность, автоматичность. Недостаток — зависимость от погоды, климата, затенения.
Стандартная цель пользователя — подобрать элементы так, чтобы они окупились за наименьший срок. Поэтому очень важна правильная сборка — от нее зависит эффективность оснащения.
Контроллер зарядки АКБ
Контроллер зарядки батареи предназначен для перераспределения генерируемой электроэнергии. Приоритетом является поддержание АБК в заряженном состоянии, а при полной зарядке — направление энергии на инвертор.
Различают два способа организации контроля зарядки:
- PWM (ШИМ) контроллер — устройство, генерирующее собственные измерительные импульсы с частотой (около 1 Гц) для контроля состояния батареи в широком диапазоне характеристик (широко-импульсный). Схема с простой релейной логикой, т.е. выше напряжения на АКБ (кислотные АКБ — 16,2 В) — выключил зарядку, ниже — снова включил.
- MPPT-контроллер с процессором постоянно отслеживает положение точки максимальной мощности (ТММ) солнечной батареи по току и напряжению. Другое плечо контроллера отслеживает состояние АКБ. Процессор сопоставляет данные и определяет значения тока и напряжения, направляемые на АКБ в зависимости от уровня зарядки.
Оба типа контроллеров обеспечивают комфортный режим работы батареи и не имеют решающих преимуществ друг перед другом. Преимуществом МРРТ можно назвать наглядность процесса его работы и возможность накопления информации.
Тестирование
С разрядом проблем ожидаемо не было. Заряда батареи хватило чтобы зарядить планшет, также горела светодиодная лента, и при пороговом напряжении в 10В, лента погасла — контроллер отключил нагрузку, чтобы не разряжать батарею ниже заданного порога.
А вот с зарядом все пошло не совсем так. Вначале все было хорошо, и максимальная мощность по ваттметру составила около 50Вт, что вполне неплохо. Но ближе к концу заряда подключенная в качестве нагрузки лента стала сильно мерцать. Причина ясна и без осциллографа — две BMS не очень дружат между собой. Как только напряжение на одной из ячеек достигает порога, BMS отключает батарею, из-за чего отключается и нагрузка и контроллер, затем процесс повторяется. Да и учитывая что пороговые напряжения уже заданы в контроллере, вторая плата защиты по сути и не нужна.
Пришлось вернуться к плану «Б» — поставить на батарею только плату балансировки, оставив контроллеру управление зарядом. Плата 3S balance board выглядит так:
Бонус этого балансира еще и в том, что он в 2 раза дешевле.
Конструкция получилась даже проще и красивее — балансир занял свое «законное» место на балансировочном разъеме батареи, к контроллеру батарея подключена через силовой разъем. Все вместе выглядит примерно так:
Больше никаких неожиданностей не было. Когда напряжение на батарее поднялось до 12.5В, потребляемая от панелей мощность упала практически до нуля а напряжение увеличилось до максимума «холостого хода» (22В), т.е. заряд больше не идет.
Напряжение на 3х ячейках батареи в конце заряда составило 4.16В, 4.16В и 4.16В, что дает в сумме 12.48В, к контролю заряда, как и к балансиру претензий нет.
Подбор контроллера по напряжению и току солнечных батарей и акб
Большинство выпускаемых солнечных батарей имеет номинальное напряжение 12 или 24 вольта. Это сделано для того чтобы можно было заряжать аккумуляторные батареи без дополнительного преобразования напряжения. Аккумуляторные батареи появились значительно раньше солнечных батарей и имеют распространённый стандарт номинального напряжения на 12 или 24 вольта. Соответственно большинство контроллеров для солнечных батарей выпускается с номинальным рабочим напряжением равным 12 или 24 вольта, а также двухдиапазонные на 12 и 24 вольта с автоматическим распознаванием и переключением напряжения.
Номинальное напряжение на 12 и 24 вольта достаточно низкое для мощных систем. Для получения необходимой мощности приходится увеличивать количество солнечных батарей и аккумуляторов, соединяя их в параллельные контуры и значительно увеличивая силу тока. Увеличение силы тока ведет к нагреву кабеля и электрическим потерям. Необходимо увеличивать толщину кабеля, возрастает расход металла. Также необходимы мощные контроллеры, рассчитанные на высокий ток, такие контроллеры получаются очень дорогими.
Чтобы исключить возрастание тока, контроллеры для мощных систем делают для номинально рабочего напряжения на 36, 48 и 60 Вольт. Стоит заметить, что напряжение контроллеров кратно по напряжению 12 вольтам, для того чтобы можно было подключать солнечные батареи и акб в последовательные сборки. Контроллеры с кратным напряжением выпускаются только для технологии зарядки ШИМ.
Как видно ШИМ контроллеры выбираются с напряжением кратным 12 вольтам, причем в них входное номинальное напряжение от солнечных батарей и номинальное напряжение контура подключенных аккумуляторов должно быть одинаковым, т.е. 12В от СБ – 12В к АКБ, 24В на 24, 48В на 48В.
У контроллеров MPPT входное напряжение может быть равным или произвольно выше в несколько раз без кратности 12 Вольтам. Обычно MPPT контроллеры имеют входное напряжение от солнечных батарей от 50 Вольт для простых моделей и до 250 вольт для мощных контроллеров. Но следует учесть, что опять же производители указывают максимальное входное напряжение, и при последовательном подключении солнечных батарей следует складывать их максимальное напряжение, или напряжение холостого хода. Проще говоря: входное максимальное напряжение любое от 50 до 250В, в зависимости от модели, номинальное или минимальное входное при этом будет 12, 24, 36 или 48В. При этом выходное напряжение для заряда АКБ у контроллеров MPPT стандартное, часто с автоматическим определением и поддержкой напряжений на 12, 24, 36 и 48 Вольта, иногда 60 или 96 вольт.
Существуют серийные промышленные очень мощные MPPT контроллеры с входным напряжением от солнечных батарей на 600В, 800В и даже 2000В. Данные контроллеры также можно свободно приобрести у российских поставщиков оборудования.
Окромя выбора контроллера по рабочему напряжению, контроллеры следует выбирать по максимальному входному току от солнечных батарей и максимальному току заряда акб.
Для ШИМ контроллера, максимальный входной ток от солнечных батарей будет переходить в зарядный ток АКБ, т.е. контроллер не будет заряжать большим током, чем выдают подключенные к нему солнечные батареи.
В MPPT контроллере все иначе, входной ток от солнечных батарей и выходной ток для заряда акб – это разные параметры. Эти токи могут быть равными, если номинальное напряжение подключенных солнечных батарей равно номинальному напряжению подключенных акб, но тогда теряется суть преобразования MPPT, и эффективность контроллера уменьшается. В MPPT контроллерах номинальное входное напряжение от солнечных батарей должно быть выше номинального напряжения подключенных АКБ оптимально в 2-3 раза. Если входное напряжение выше ниже чем в 2 раза, к примеру, в 1,5 раза, то будет меньшая эффективность, а выше более чем в 3 раза, то будут большие потери на разницу преобразования напряжения.
Соответственно входной ток всегда будет равен или ниже максимальному выходному току заряда АКБ. Отсюда следует, что MPPT контроллеры необходимо выбирать по максимальному зарядному току АКБ. Но чтобы не превысить данный ток, указывается максимальная мощность подключаемых солнечных батарей, при номинальном напряжении контура подключенных АКБ. Пример для контроллера заряда MPPT на 60 Ампер:
- 800Вт при напряжении АКБ электростанции 12В;
- 1600Вт при напряжении АКБ электростанции 24В;
- 2400Вт при напряжении АКБ электростанции 36В;
- 3200Вт при напряжении АКБ электростанции 48В.
Следует заметить, что данная мощность при 12 вольт указана для зарядного напряжения от солнечных панелей в 13 — 14 Вольт, и кратна для остальных систем с напряжениями на 24, 36 и 48вольт.
Схема подключения оборудования гелиостанции
Сборка схемы солнечной электростанции достаточно проста. Ниже будет приведена последовательность подключений, проиллюстрированная фотографиями. Для сборки простой системы используется солнечная панель с поликристаллическими элементами, контроллер заряда и аккумулятор. Сборку начинаем с подключения кабеля к солнечной батарее.
Для батарей, которые идут в комплекте с кабелем, этот шаг не требуется. К выходным клеммам контроллера подключаем АКБ. Далее провода, идущие от панели, необходимо присоединить к входным клеммам контроллера заряда.
Все присоединения производятся по принципу «+» к «+», а «-» к «-». На входные клеммы инвертора подаем питание от аккумулятора. После включения контроллера заряда и инвертора мы видим, что генерируемое солнечной панелью электричество начинает зарядку аккумулятора.
Для того чтобы определить полярность выводов солнечной батареи, достаточно замерить напряжение на клеммах с помощью мультиметра. Если возле показаний величины напряжения стоит знак «минус», то положение черного щупа соответствует плюсовой клемме (проверьте правильность подключения щупов перед измерением). Если знак «минус» отсутствует, то положение черного щупа соответствует отрицательной клемме батареи.
6 Как грамотно выбрать контроллер заряда аккумулятора?
Для того, чтобы выбрать нужный контроллер, необходимо определиться с функцией, которую будет нести данное устройство и с масштабом всей установки. Если предполагается сборка небольшой солнечной системы, которая будет контролировать бытовые приборы с мощностью не более двух киловатт, то достаточно установки PWM контроллера. Если же речь идет о более мощной системе, которая будет контролировать сетевое электричество и работать в автономном режиме, тогда необходима установка MTTP контроллера. Все зависит от напряжения которое поступает на контроллер аккумулирующего устройства. PWM-контроллера способны выдержать показатели до 5 кВт, в свою очередь MTTP-модули выдерживают до 50 кВт.
6.1 Подбор по мощности массива солнечных батарей
Основной параметр контроллера солнечного заряда это рабочее напряжение и максимальная сила тока, с которой может работать контроллер заряда
Очень важно знать такие параметры солнечных батарей, как:
Номинальное напряжение – рабочее напряжение контура солнечных батарей, замкнутого на нагрузку, т.е. на контроллер;
Напряжение открытого контура – максимальное достигаемое напряжение контура солнечных батарей, не подключенного к нагрузке. Также же это напряжение называется напряжением холостого хода. При подключении к контроллеру солнечных батарей, контроллер должен выдерживать данное напряжение.
-
Максимальная сила входного тока от солнечных батарей, сила тока контура солнечных батарей в режиме короткого замыкания. Этот параметр достаточно редко указывается в характеристиках контроллера. Для этого необходимо узнать номинал предохранителя в контроллере и посчитать величину тока короткого замыкания солнечных модулей в контуре. Для солнечных батарей ток короткого замыкания обычно всегда указан. Ток короткого замыкания всегда выше максимального рабочего тока.
Номинальный рабочий ток. Ток подключенного контура солнечных батарей, который вырабатывается солнечными батареями при нормальных условиях эксплуатации. Данный ток обычно ниже указанного тока в характеристиках для контроллера, так как производители, как всегда, указывают максимальную силу тока контроллера.
Номинальная мощность подключаемых солнечных батарей. Данная мощность представляет произведение рабочего напряжения на рабочий ток солнечных батарей. Мощность солнечных батарей, подключенных к контроллеру должна быть равна указанной или меньше, но никак не больше. При превышении мощности, контроллер при отсутствии предохранителей может сгореть. Хотя большинство контроллеров, естественно, имеют предохранители, рассчитанные на перегрузку в 10-20% в течение 5-10 минут.
6.2 Покупка контроллера заряда АКБ – на что обратить внимание
Выбирая контроллер, следует обратить внимание на ряд технических параметров, которые позволят получить оптимальную по мощности систему электроснабжения. Прежде всего, следует знать о технологических различиях контроллеров, которые реализованы в основных видах этих устройств, существующих на сегодняшний день
Источники
- https://sovet-ingenera.com/eco-energy/sun/kontroller-zaryada-solnechnoj-batarei.html
- https://usilitelstabo.ru/kontroller-zaryada-solnechnoy-batarei.html
- https://kachestvolife.club/ekologiya/solnechnaya-energiya/principy-i-shema-raboty-kontrollera-zaryada-dlya-solnechnoy-batarei-vinur
- https://strop-snab.ru/novosti/kontroller-zaryada-akkumulyatora.html
- https://alter220.ru/solnce/mppt-kontroller.html
- https://alter220.ru/solnce/kak-sdelat-kontroller-zaryada-akkumulyatora-svoimi-rukami.html
- https://favoritedishes.ru/kak-sdelat-kontroller-zaryada-akkumulyatora/
- https://pro-lampy.ru/raznoe/kakoy-kontroller-vybrat-dlya-solnechnyh-batarey.html
