Контроллер заряда солнечной батареи МРРТ или ШИМ — что лучше выбрать?

Сборка, угол наклона

Саму установку, как соединять солнечные панели опишем вкратце, так как крепления и прочие нюансы также отдельные темы. Монтаж состоит в закреплении панелей на каркасе, есть несколько типов фиксаторов, кронштейнов: на шифер, на металл, черепицу, скрытые на обрешетку крыши.
Опорные рейки, зажимы, прижимы (концевые и центральные) направляющие покупаются или есть в комплекте для выбранного варианта установки.

Соединяющие стыковые элементы создают из фиксирующих реек каркас. Применяют также клеммные элементы и держатели для жил — они объединяют алюминиевые рамки и заземляют их, фиксируют кабели.

Если монтаж производится на крышу с наклоном, то оптимальный угол для панелей 30… 40° в северных широтах больше, например, 45°. В общем, для самоочистки модулей дождем угол должен быть от 15°.

Указанные позиции создают опорными профилями, часто делают удобную сборно-разборную регулируемую, поворачивающуюся конструкцию.

При неравномерно освещении массива, панель на более светлом месте выдает больший ток, который частично расходуется на нагрев СБ нагруженных меньше. Чтобы исключить такое явление, используют отсекающие диоды, впаиваемые между плоскостями с внутренней стороны.

Принцип работы

При отсутствии тока с солнечной батареи контроллер находится в спящем режиме. Он не использует ни одного вата из аккумулятора. После попадания солнечных лучей на панель электрический ток начинает поступать к контроллеру. Он должен включиться. Однако индикаторный светодиод вместе с 2 слабыми транзисторами включается только тогда, когда напряжение тока достигнет 10 В.

После достижения такого напряжения ток будет проходить через диод Шоттки к аккумулятору. Если напряжение поднимется до 14 В, начнет работать усилитель U1, который откроет транзистор MOSFET. В результате светодиод погаснет, и состоится закрытие двух не мощных транзисторов. Аккумулятор заряжаться не будет. В это время будет разряжаться С2. В среднем на это уходит 3 секунды. После разрядки конденсатора С2 гистерезис U1 будет преодолен, MOSFET закроется, аккумулятор начнет заряжаться. Зарядка будет происходить до момента, когда напряжение поднимется до уровня переключения.

Зарядка происходит периодически. При этом ее продолжительность зависит от того, каким является зарядный ток аккумуляторной батареи, и насколько мощные подключенные к ней устройства. Зарядка длится до тех пор, пока напряжение не станет равным 14 В.

Схема включается за очень короткое время. На ее включение влияет время зарядки С2 током, который ограничивает транзистор Q3. Ток не может быть больше 40 мА.

Принцип работы контроллера заряда аккумулятора

Без интеллектуальной системы распределения энергоресурсов, генерируемый ток будет поступать на клеммы АКБ постоянно, что неизбежно приведет к повышению напряжения. Для каждой аккумуляторной батареи предусмотрены собственные показатели предельного значения — этот параметр зависит от типа конструкции АКБ и температуры окружающей среды.

Когда напряжение превысит рекомендуемый уровень, возникнет перезаряд, что приведет к резкому повышению температуры электролита. Аккумулятор начнет закипать и интенсивно выбрасывать в воздух пары дистиллированной воды. Если ничего не предпринимать, то ресурс АКБ сократится вдвое. На практике известны случаи, когда аккумулирующие емкости спустя время полностью пересыхали. Чтобы этого избежать, производители модульных фотопанелей предлагают два альтернативных варианта:

1. измерять напряжение вручную и самостоятельно контролировать процесс генерации и аккумуляции электрического тока;
2. установить контроллер для солнечных батарей — в данном случае коммутационный прибор автоматически адаптирует работоспособность гелиосистемы под нужды потребителя.

В ночное время суток контроллер батареи находится в «спящем» режиме. После попадания лучей солнца на фотоэлементы генерируемый постоянный ток будет проходить через коммутационное устройство. Когда напряжение станет больше 10 В, электрический ток будет перенаправлен на диод Шоттки, а затем только попадет в аккумуляторную батарею.

Если напряжение превысит 14 В, автоматически включится усилитель, который откроет MOSFET — транзистор с изолированным затвором. В этот момент заряда аккумуляторов не будет. После полной разрядки конденсатора МДП-транзистор закроется, и АКБ автоматически будет заряжаться. Сам процесс подзарядки длится до того момента, пока напряжение снова не поднимется до предельного уровня.

Какие параметры контроллера надо учитывать

На контроллер для солнечной панели может поступать напряжение одновременно от нескольких гелиосистем, которые соединены по различным схемам. Чтобы контроллер заряда батареиработал правильно, крайне важно принимать во внимание суммарные показатели входного напряжения и номинальные значения тока.

Желательно предусмотреть также запас технических характеристик на уровне 20–25%. Для чего это нужно? Во-первых, производители часто завышают реальные параметры работы фотоэлементов на солнечных панелях. Во-вторых, излучение солнца нестабильно — при аномальной активности показатели солнечной энергии запросто могут превысить допустимый расчетный предел.

Формула для приблизительных расчетов — 1,2P ≤ I×U, где:

• P – суммарная мощность фотопанелей;
• I – ток на выходе коммутационного прибора;
• U – выходное напряжение под нагрузкой.

Нежелательно использовать контроллеры для солнечных панелей, как универсальные источники электропитания — не рекомендуется подключать к ним электронные приборы бытового применения, так как по умолчанию эти модули рассчитаны исключительно на «прямой контакт» с аккумуляторами.

В каком месте надо устанавливать регулятор

Монтируется устройство непосредственно между аккумуляторной батареей и активной гелиосистемой. При использовании бытовых приборов (стиральная машина, телевизор и др.) в схему подключения обязательно надо добавить 1–2 инвертора, которые необходимы для преобразования постоянного тока (12 В) в переменный на 220V. Инвертер подключается к системе сразу после АКБ.

Дополнительно потребуется установка предохранителя для надежной защиты оборудования от перегрузок и коротких замыканий. Если используется сразу несколько фотопанелей, то рекомендуется монтировать автоматические предохранители между каждым рабочим узлом системы, начиная монтаж от солнечной батареи.

Типы

On/Off

Данный тип устройств считается наиболее простым и дешевым. Его единственная и главная задача – это отключение подачи заряда на аккумулятор при достижении максимального напряжения для предотвращения перегрева.

Однако данный тип имеет определенный недостаток, который заключается в слишком раннем отключении. После достижения максимального тока необходимо еще пару часов поддерживать процесс заряда, а этот контроллер сразу его отключит.

В результате зарядка аккумулятора будет в районе 70% от максимальной. Это негативно отражается на аккумуляторе.

PWM

Данный тип является усовершенствованным On/Off. Модернизация заключается в том, что в него встроена система широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Эта функция позволила контроллеру при достижении максимального напряжения не отключать подачу тока, а уменьшать его силу.

Из-за этого появилась возможность практически стопроцентной зарядки устройства.

МРРТ

Данный типаж считается наиболее продвинутым в настоящее время. Суть его работы строится на том, что он способен определить точное значение максимального напряжения для данного аккумулятора. Он непрерывно следит за током и напряжением в системе. Из-за постоянного получения этих параметров процессор способен поддерживать наиболее оптимальные значения тока и напряжения, что позволяет создать максимальную мощность.

Основные функции

Когда речь идет о мобильном устройстве, контроллер:

• отслеживает процесс зарядки. От 0 до 10% емкость накапливается предварительно, а от 10 до 70 – 80% скорость наполнения увеличивается за счет постоянного тока. Дозарядка проходит медленнее, так как в цепи увеличено сопротивление;
• регулирует просадки. Когда выполняется

• блокирует перезаряд. Каждый аккумулятор характерен лимитом предельного напряжения. В случае с Li-Ion изделиями это примерно 4.2 В. Когда напряжение доходит до этой отметки, контроллер отключает питание. Если это не произойдет, батарея может вздуться, а то и взорваться;
• защищает от «глубокого разряда». Если напряжение элемента упадет ниже критической отметки (для литиевых батарей это 3 В), снизится номинальная емкость, уменьшится автономность;
• балансирует. Одна из функций контроллера – следить, чтобы все звенья электросхемы заряжались равномерно. Тем самым увеличивается срок службы АКБ;
• отслеживает температуру. В случае перегрева или переохлаждения в работу включается терморезистор, задача которого – отключить питание, идущее на аккумулятор.

Параметры, свойственные контроллеру, задаются еще в ходе его изготовления.

Инструкция по применению

Прежде чем изучить инструкцию по применению контроллера, необходимо запомнить три параметра, которые необходимо соблюдать при эксплуатации данных электронных устройств, это:

1. Входное напряжение устройства должно превышать на 15 – 20% напряжение «холостого хода» солнечной панели.
2. Для ШИМ (PWM) аппаратов — номинальный ток должен превышать на 10% ток короткого замыкания в линиях подключения источников энергии.
3. MPPT — контроллер должен соответствовать мощности системы, плюс 20% от этого значения.

Для успешной эксплуатации прибора необходимо изучить инструкцию по его эксплуатации, которая всегда прилагается к подобным электронным устройствам.

Инструкция информирует потребителя о следующем:

Требования техники безопасности – в данном разделе определяются условия при которых эксплуатация прибора не приведет к поражению потребителя электрическим током и прочим негативным последствиям.

Вот основные из них:

• Перед установкой и настройкой контроллера, необходимо отключить солнечные панели и аккумуляторные батареи от прибора посредством коммутационных аппаратов;
• Исключить попадание воды на электронный прибор;
• Контактные соединения должны быть плотно затянуты, дабы избежать их нагрева в процессе работы.
• Технические характеристики устройства – этот раздел позволяет выбрать прибор по предъявляемым к нему требованиям в конкретной схеме и месте установки.

Как правило, это:

• Виды регулировок и настроек прибора;
• Режимы работы прибора;
• Описываются элементы управления и индикации устройства.
• Способы и место монтажа – каждый контроллер монтируется в соответствии с требованиями завода – изготовителя, что позволяет эксплуатировать устройство продолжительное время и с гарантированным качеством.

Дается информация по:

• Месту и пространственному размещению устройства;
• Указываются габаритные размеры до инженерных сетей и устройств, а также элементов строительных конструкций, по отношению к монтируемому прибору;
• Даются установочные размеры для мест крепления устройства.
• Способы включения в систему – данный раздел объясняет потребителю к какой клемме и как, следует выполнить подключение, для запуска в работу электронного прибора.

Сообщается:

• В какой последовательности следует выполнять включение прибора в рабочую схему;
• Указываются недопустимые действия и мероприятия при включении прибора.
• Настройка прибора – важная операция, от которой зависит работа всей схемы солнечной электростанции, ее надежность.

В данном разделе сообщается о том как:

• Какие индикаторы и как сигнализируют о режиме работы прибора и его неисправностях;
• Дается информация как настроить нужный режим работы устройства по времени суток, режимам нагрузок и иным параметрам.
• Виды защиты – в этом разделе сообщается от каких аварийных режимов защищено устройство.

Как вариант это может быть:

• Защита от короткого замыкания в линии соединяющей прибор с солнечной панелью;
• Защита от перегрузки;
• Защита от короткого замыкания в линии соединяющей прибор с аккумуляторной батареей;
• Неправильное подключение солнечных панелей (обратная полярность);
• Неправильное подключение аккумуляторной батареи (обратная полярность);
• Защита от перегрева устройства;
• Защита от высокого напряжения вызванного грозой или иными атмосферными явлениями.
• Ошибки и неисправности – этот раздел разъясняет как действовать, если по какой-то причине прибор работает неправильно, или вообще не работает.

Рассматривается связь: неисправность – возможная причина неисправности – способ устранения неисправности.

• Поверка и обслуживание – в этом разделе дается информация какие профилактические мероприятия необходимо выполнять, для обеспечения безаварийной работы устройства.
• Гарантийные обязательства – указывается срок, в течение которого прибор может быть отремонтирован за счет производителя устройства, при условии правильной эксплуатации, в соответствии с инструкцией по эксплуатации.

Способы подключения контроллеров

Рассматривая тему подключений, сразу нужно отметить: для установки каждого отдельно взятого аппарата характерной чертой является работа с конкретной серией солнечных панелей.

Так, например, если используется контроллер, рассчитанный на максимум входного напряжения 100 вольт, серия солнечных панелей должна выдавать на выходе напряжение не больше этого значения.

Прежде чем подключать аппарат, необходимо определиться с местом его физической установки. Согласно правилам, местом установки следует выбирать сухие, хорошо проветриваемые помещения. Исключается присутствие рядом с устройством легковоспламеняющихся материалов.

Недопустимо наличие в непосредственной близости от прибора источников вибраций, тепла и влажности. Место установки необходимо защитить от попадания атмосферных осадков и прямых солнечных лучей.

Техника подключения моделей PWM

Практически все производители PWM-контроллеров требуют соблюдать точную последовательность подключения приборов.

Подключать периферийные устройства нужно в полном соответствии с обозначениями контактных клемм:

1. Соединить провода АКБ на клеммах прибора для аккумулятора в соответствии с указанной полярностью.
2. Непосредственно в точке контакта положительного провода включить защитный предохранитель.
3. На контактах контроллера, предназначенных для солнечной панели, закрепить проводники, выходящие от солнечной батареи панелей. Соблюдать полярность.
4. Подключить к выводам нагрузки прибора контрольную лампу соответствующего напряжения (обычно 12/24В).

Указанная последовательность не должна нарушаться. К примеру, подключать солнечные панели в первую очередь при неподключенном аккумуляторе категорически запрещается. Такими действиями пользователь рискует «сжечь» прибор. В этом материале более подробно описана схема сборки солнечных батарей с аккумулятором.

Также для контроллеров серии PWM недопустимо подключение инвертора напряжения на клеммы нагрузки контроллера. Инвертор следует соединять непосредственно с клеммами АКБ.

Порядок подключения приборов MPPT

Общие требования по физической инсталляции для этого вида аппаратов не отличаются от предыдущих систем. Но технологическая установка зачастую несколько иная, так как контроллеры MPPT зачастую рассматриваются аппаратами более мощными.

Например, для мощных систем эти требования дополняются тем, что производители рекомендуют брать кабель для линий силовых подключений, рассчитанный на плотность тока не менее чем 4 А/мм2. То есть, например, для контроллера на ток 60 А нужен кабель для подключения к АКБ сечением не меньше 20 мм2.

Соединительные кабели обязательно оснащаются медными наконечниками, плотно обжатыми специальным инструментом. Отрицательные клеммы солнечной панели и аккумулятора необходимо оснастить переходниками с предохранителями и выключателями.

Такой подход исключает энергетические потери и обеспечивает безопасную эксплуатацию установки.

Структурная схема подключения мощного контроллера MPPT: 1 – солнечная панель; 2 – контроллер MPPT; 3 – клеммник; 4,5 – предохранители плавкие; 6 – выключатель питания контроллера; 7,8 – земляная шина

Перед подключением солнечных панелей к прибору следует убедиться, что напряжение на клеммах соответствует или меньше напряжения, которое допустимо подавать на вход контроллера.

Подключение периферии к аппарату MTTP:

1. Выключатели панели и аккумулятора перевести в положение «отключено».
2. Извлечь защитные предохранители на панели и аккумуляторе.
3. Соединить кабелем клеммы аккумулятора с клеммами контроллера для АКБ.
4. Подключить кабелем выводы солнечной панели с клеммами контроллера, обозначенными соответствующим знаком.
5. Соединить кабелем клемму заземления с шиной «земли».
6. Установить температурный датчик на контроллере согласно инструкции.

После этих действий необходимо вставить на место ранее извлечённый предохранитель АКБ и перевести выключатель в положение «включено». На экране контроллера появится сигнал обнаружения аккумулятора.

Далее, после непродолжительной паузы (1-2 мин), поставить на место ранее извлечённый предохранитель солнечной панели и перевести выключатель панели в положение «включено».

Экран прибора покажет значение напряжения солнечной панели. Этот момент свидетельствует об успешном запуске энергетической солнечной установки в работу.

Разновидности

На сегодняшний день существует несколько типов контроллеров заряда. Рассмотрим некоторые из них.

MPPT-контроллер

Данная аббревиатура расшифровывается как Maximum Power Point Tracking, то есть мониторинг или отслеживание точки, где мощность максимальна. Такие устройства способны понижать напряжение солнечной батареи до напряжения аккумулятора. При таком раскладе сила тока на солнечной батарее уменьшается, в результате чего можно уменьшить сечение проводов и удешевить конструкцию. Также использование данного контроллера позволяет заряжать аккумулятор, когда солнечного света недостаточно, например, в условиях непогоды или ранним утром и вечером. Является наиболее распространенным из-за своей универсальности. Применяется при порядковом подключении. MPPT-контроллер имеет достаточно большой спектр настройки, благодаря чему обеспечивается наиболее эффективная зарядка.

Характеристики устройства:

• Стоимость таких устройств высокая, однако она окупается при использовании солнечных батарей свыше 1000 Вт.
• Входное суммарное напряжение в контроллер может достигать 200 В, это значит, что к контроллеру могут быть последовательно подключены несколько солнечных панелей, в среднем до 5. В пасмурную погоду общее напряжение последовательно соединенных панелей остается высоким, благодаря чему обеспечивается бесперебойная подача электроэнергии.
• Данный контроллер может работать с нестандартным напряжением, например, 28 В.
• Коэффициент полезного действия MPPT-контроллеров достигает 98%, это означает, что практически вся солнечная энергия преобразуется в электрическую.
• Возможность подключения аккумуляторов различного типа, таких как свинцовые, литий-железо-фосфатные и другие.
• Максимальный ток заряда равен 100 А, при данной величине тока максимальная мощность, выдаваемая контроллером может достигать 11 кВт.
• В основном все модели MPPT-контроллеров способны функционировать при температурах от -40 до 60 градусов.
• Для начала заряда АКБ необходимо минимальное напряжение в 5 В.
• Некоторые модели имеют возможность одновременно работать с гибридным инвертором.

Контроллеры данного типа могут применяться как на коммерческих предприятиях, так и на загородных домах, так как имеются различные модели с отличающимися показателями. Для загородного дома подойдет MPPT-контроллер с максимальной мощностью 3,2 кВт, с наибольшим входным напряжением в 100 В. В больших объемах применяются гораздо более мощные контроллеры.

PWM-контроллер

Технология данного устройства проще, чем у MPPT. Принцип работы такого устройства заключается в том, что, пока аккумуляторное напряжение находится ниже придела в 14,4 В, солнечная батарея подключена к аккумулятору практически напрямую, и заряд происходит достаточно быстро, после того, как значение будет достигнуто, контроллер понизит напряжение аккумулятора до 13,7 В, в результате чего аккумулятор зарядится полностью.

Характеристики устройства:

• Напряжение на входе не более 140 В.
• Работают с солнечными батареями на 12 и 24 В.
• КПД практически равен 100%.
• Возможность работы с множеством аккумуляторов различного типа.
• Максимальное значение тока на входе достигает 60 А.
• Температура функционирования от –25 до 55 ºC.
• Возможность зарядить АКБ с нуля.

Таким образом, PWM-контроллеры применяются чаще всего, когда нагрузка не очень велика и солнечной энергии достаточно. Такие устройства больше подходят собственникам небольших загородных домов, где установлены солнечные панели небольшой мощности.

MPPT-контроллер, как уже было сказано выше, на сегодняшний день наиболее популярен, потому что имеет высокий КПД, способен работать даже в условиях недостатка солнечного света. MPPT-контроллер также способен работать на повышенных мощностях, идеально подойдет для большого загородного дома. Однако, при выборе определенного типа нужно учитывать объем входного и выходного тока, а также степень мощности и показатели напряжения.

Установка MPPT-контроллера на маленьких участках нецелесообразна, так как он не окупится. Если суммарное напряжение солнечной батареи больше 140 В, то следует применять MPPT-контроллер. PWM-контроллеры наиболее доступны, так как их цена начинается от 800 рублей. Есть модели за 10 тысяч, когда стоимость MPPT-контроллера примерно равна 25 тысячам.

Инверторы и ББП

Самодельный контроллер: особенности, комплектующие

Устройство предназначено для работы только с одной солнечной панелью, которая создает ток с силой, не более 4 А. Емкость аккумулятора, зарядкой которого управляет контроллер, является 3 000 А*ч.

Для изготовления контроллера нужно подготовить следующие элементы:

• 2 микросхемы: LM385-2.5 и TLC271 (является операционным усилителем);
• 3 конденсатора: С1 и С2 являются маломощными, имеют 100n; С3 имеет емкость 1000u, рассчитан на 16 V;
• 1 индикаторный светодиод (D1);
• 1 диод Шоттки;
• 1 диод SB540. Вместо него можно использовать любой диод, главное, чтобы он мог выдержать максимальный ток солнечной батареи;
• 3 транзистора: BUZ11 (Q1), BC548 (Q2), BC556 (Q3);
• 10 резисторов (R1 – 1k5, R2 – 100, R3 – 68k, R4 и R5 – 10k, R6 – 220k, R7 – 100k, R8 – 92k, R9 – 10k, R10 – 92k). Все они могут быть 5%. Если хочется большей точности, то можно взять резисторы 1%.

Где и как применяют солнечную энергию?

Гибкие панели применяются в разных сферах. Прежде чем составлять проект энергообеспечения дома при помощи этих солнечных батарей, выясните, где они применяются и каковы особенности их использования в нашем климате.

Область применения солнечных батарей

Применение гибких солнечных батарей очень широкое. Они с успехом используются в электронике, электрификации зданий, автомобиле- и авиастроении, на космических объектах.

В строительстве такие панели используют для обеспечения жилых и промышленных зданий электричеством.

Портативные зарядные устройства на основе гибких солнечных элементов доступны каждому и продаются повсеместно. Большие гибкие туристические панели для добычи электроэнергии в любом уголке Земного шара очень популярны среди путешественников.

Очень необычная, но практичная идея – использовать в качестве основы для гибких батарей дорожное полотно. Специальные элементы защищены от ударов и не боятся больших нагрузок.

Эта идея уже реализована. «Солнечная» дорога обеспечивает энергией окрестные деревни, при этом не занимая ни одного лишнего метра земли.

Особенности применения гибких аморфных панелей

Те, кто планирует начинать использование гибких солнечных панелей в качестве источника электроэнергии для своего дома, должны знать особенности их эксплуатации.

Солнечные панели с гибкой металлической основой находят применение там, где к износостойкости мини-электростанций предъявляются повышенные требования:

Прежде всего пользователей волнует вопрос, а что делать зимой, когда световой день короткий и электричества не хватит на функционирование всех приборов?

Да, в условиях пасмурной погоды и короткого светового дня производительность панелей снижается. Хорошо, когда есть альтернатива в виде возможности переключения на централизованное электроснабжение. Если ее нет, нужно запасаться аккумуляторами и заряжать их в те дни, когда погода благоприятная.

Интересная особенность солнечных батарей заключается в том, что при нагревании фотоэлемента его эффективность существенно снижается.

Число ясных дней в году зависит от региона. Разумеется, на юге использовать гибкие батареи рациональнее, поскольку солнце там светит дольше и чаще.

Так как в течение дня Земля меняет свое положение относительно Солнца, панели лучше располагать универсально – то есть с южной стороны под углом около 35-40 градусов. Такое положение будет актуальным как в утренние и вечерние часы, так и в полдень.

Структурные схемы контроллеров

Принципиальные схемы контроллеров PWM и MPPT для рассмотрения их обывательским взглядом – это слишком сложный момент, сопряжённый с тонким пониманием электроники. Поэтому логично рассмотреть лишь структурные схемы. Такой подход понятен широкому кругу лиц.

PWM

Напряжение от солнечной панели по двум проводникам (плюсовой и минусовой) приходит на стабилизирующий элемент и разделительную резистивную цепочку. За счёт этого куска схемы получают выравнивание потенциалов входного напряжения и в какой-то степени организуют защиту входа контроллера от превышения границы напряжения входа.

Здесь следует подчеркнуть: каждая отдельно взятая модель аппарата имеет конкретную границу по напряжению входа (указано в документации).

Далее напряжение и ток ограничиваются до необходимой величины силовыми транзисторами. Эти компоненты схемы, в свою очередь, управляются чипом контроллера через микросхему драйвера. В результате на выходе пары силовых транзисторов устанавливается нормальное значение напряжения и тока для аккумулятора.

Также в схеме присутствует датчик температуры и драйвер, управляющий силовым транзистором, которым регулируется мощность нагрузки (защита от глубокой разрядки АКБ). Датчиком температуры контролируется состояние нагрева важных элементов контроллера PWM.

Обычно уровень температуры внутри корпуса или на радиаторах силовых транзисторов. Если температура выходит за границы установленной в настройках, прибор отключает все линии активного питания.

MPPT

Сложность схемы в данном случае обусловлена её дополнением целым рядом элементов, которые выстраивают необходимый алгоритм контроля более тщательно, исходя из условий работы.

Уровни напряжения и тока отслеживаются и сравниваются схемами компараторов, а по результатам сравнения определяется максимум мощности по выходу.

• Контроллер MPPT для солнечных батарей

Главное отличие этого вида контроллеров от приборов PWM в том, что они способны подстраивать энергетический солнечный модуль на максимум мощности независимо от погодных условий.

Схемой таких устройств реализуются несколько методов контроля:

• возмущения и наблюдения;
• возрастающей проводимости;
• токовой развёртки;
• постоянного напряжения.

А в конечном отрезке общего действия применяется ещё алгоритм сравнения всех этих методов.

Почему следует контролировать заряд и как работает котроллер заряда солнечной батареи?

Основные причины:

1. Даст возможность проработать аккумулятору дольше! Перезаряд может спровоцировать взрыв.
2. Каждый АКБ работает с определенным напряжением. Контроллер позволяет подобрать нужное U.

Так же котроллер заряда отключает батарею от приборов потребления если она сильно села. Кроме этого он производит отсоединение АКБ от солнечного элемента если тот полностью заряжен.

Таким образом происходит страховка и работа системы становится более безопасней.

Принцип работы чрезвычайно прост. Прибор способствует поддержанию баланса и не позволяет напряжение сильно падать или подниматься.

Виды контроллеров для заряда солнечной батареи

1. Самодельные.
2. МРРТ.
3. On/Of.
4. Гибриды.
5. PWM типы.

Ниже кратко охарактеризуем эти варианты устройств литиевых и других АКБ

Контроллеры сделанные своими руками

Когда есть опыт и навыки в радиоэлектронике данный прибор можно смастерить самостоятельно. Но вряд ли такой прибор будет иметь высокую эффективность. Самодельное устройство скорее всего подойдет в том случае если ваша станция имеет малую мощность.

Чтобы соорудить данный прибор заряда придется отыскать его схему. Но учтите, что погрешность должна быть 0,1.

Приводим простую схемку.

МРРТ

Способно выполнять отслеживание самого большого предела мощности подзарядки. Внутри программного обеспечения находится алгоритм позволяющим отслеживать уровень напряжения и тока. Оно находит некий баланс, при котором вся установка будет работать с максимальным КПД.

Прибор mppt считается одним из лучших и совершенных на сегодняшний день. В отличие от PMW он увеличивает эффективность системы на 35%. Такое устройство подойдет, когда у вас много солнечных батарей.

Прибор по типу ONOF

Он является самым простым что есть в продаже. У него не так уж и много функций, как у других. Прибор выключает подзарядку АКБ, как только напряжение поднимется до максимума.

К сожалению данный тип контроллера заряда для солнечных батарей неспособен выполнить заряд до 100%. Как только ток прыгнет до максимума происходит отключение. В итоге неполный заряд снижает его срок пользования.

Гибриды

Применяются данные прибору, когда имеется два типа источника тока, например, солнце и ветер. Их конструирование основано на PWM и МРРТ. Основное его отличие от подобных устройств заключается характеристиках тока и напряжения.

Его цель: выровнять нагрузку, идущую на АКБ. Такое происходит из-за неравномерно поступления тока с ветра генераторов. Из-за этого может существенно снижаться срок накопителей энергии.

PWM или ШИМ

В основе работы лежит широтно импульсная модуляция тока. Позволяет решить проблему неполной зарядки. Он понижает ток и тем самым доводит подзарядку до 100%.

В результате работы pwm, не наблюдается перегрев АКБ. В итоге данный блок управления солнечными батареями считается очень эффективным.

Контроллеры типа ВКЛ/ВЫКЛ

Этот модуль выполняет функцию выключения аккумуляторов от источника при предельных нагрузках. На сегодняшний день, эти контроллеры используются довольно редко и считаются одним из самых примитивных. Принцип действия контроллера построен на постоянном контроле определенных значений генератора и плеча аккумулирующего устройства. Включение контроллера происходит тогда, когда напряжение на батарее будет ниже номинала, либо будет находиться в пределах параметров напряжения. Выключение устройства происходит в том случае, если напряжение превышает лимит нагрузки, которую может выдержать контроллер. Такие контроллеры широко используются в системах с прогнозируемой нагрузкой, к примеру, в системах аварийного освещения и сигнализации (контроллер заряда-разряда hcx-2366).

Виды контроллеров для солнечной батареи

В современном мире выделяют три типа контроллеров:

– On-Off;

– ШИМ;

– MPPT-контроллер;

On-Off – это простейшее решение для заряда, такой контроллер напрямую подключает солнечные батареи к аккумулятору, когда его напряжение достигнет 14,5 вольта. Однако такое напряжение не свидетельствует о полном заряде аккумулятора. Для этого нужно какое-то время поддерживать ток, чтобы АКБ набрала необходимую для полного заряда энергию. В результате вы получаете хронический недозаряд аккумуляторов и сокращение их срока службы.

ШИМ-контроллеры поддерживают нужное напряжение для зарядки аккумулятора просто «срезая» лишнее. Таким образом, зарядка прибора происходит вне зависимости от напряжения, выдаваемого солнечной батареей. Главное условие, чтобы оно было выше, чем необходимое для заряда. Для аккумуляторов на 12 В, напряжение в полностью заряженном состоянии находится на уровне 14.5 В, а в разряженном около 11. Этот тип контроллеров является более простым, чем MPPT, однако, обладает меньшим КПД. Они позволяют наполнить АКБ на 100% от емкости, что дает значительное преимущество перед системами типа «On-Off».

MPPT-контроллер – имеет более сложное устройство, способное анализировать режим работы солнечной батареи. Его название в полном виде звучит, как «Maximum power point tracking», что на русском языке значит – «Отслеживание точки максимальной мощности». Мощность, которую выдает панель, очень зависит от количества света, который на нее падает.

Дело в том, что ШИМ-контроллер никак не анализирует состояние панелей, а лишь формирует необходимые напряжения для зарядки АКБ. MPPT отслеживает его, а также токи, выдаваемые солнечной панелью, и формирует выходные параметры оптимальные для заряда накопительных элементов питания. Таким образом, снижается ток во входной цепи: от солнечной панели до контроллера, и рациональнее используется энергия.

Платформа контроллера

Одним из оптимальных вариантов служит платформа фирмы Arduino (Ардуино). Плюсов достаточно много. Основным преимуществом является доступность, ведь программная оболочка бесплатна. Печатные платы есть в свободном доступе. Благодаря открытой архитектуре системы проблем с дополнением линейки не возникнет. Данные контроллеры поддерживают двигатели с напряжением до 12 вольт, можно подключить реле. Также Arduino выпускают и другие аппаратно-программные средства. Например, микроконтроллеры, для подпитки которых требуется 5 вольт или 3,3 вольта. К тому же программистам доступны специальные возможности портов (ШИМ, АЦП).

Многие усовершенствования можно выполнить своими руками. Но в 2008 году фирма разделилась на две части, которые оставили одно и то же название, но разные сайты (arduino.cc и arduino.org). При выборе продукции необходимо обращать внимание на это, ведь несмотря на общее прошлое, сейчас продукция Arduino отличается.

Какие различают виды модулей-контроллеров

Перед тем, как выбрать контроллер заряда, не лишним будет разобраться в основных технических характеристиках приборов. Главным отличием между популярными моделями регуляторов заряда солнечных батарей считается метод обхода ограничения лимитного напряжения. Выделяют также функциональные характеристики, от которых напрямую зависит практичность и удобство использования «умной» электроники. Рассмотрим популярные и востребованные разновидности контроллеров для современных гелиосистем.

1) On/Off контроллеры

Самый примитивный и ненадежный способ распределения энергоресурсов. Его главный недостаток — аккумулирующая емкость заряжается до 70–90% от фактической номинальной емкости. Первостепенная задача On/Off моделей заключается в предотвращении перегрева и перезаряда АКБ. Контроллер для солнечной батареи блокирует подзарядку при достижении лимитного значения напряжения, поступающего «свыше». Обычно это происходит при 14,4V.

На таких солнечных контроллерах используется порядком устаревшая функция автоматического отключения режима подзарядки при достижении максимальных показателей генерируемого электрического тока, что не позволяет зарядить АКБ на 100%. Из-за этого происходит постоянный недобор энергоресурсов, что негативно сказывается на сроке службы аккумулятора. Поэтому такими солнечными контроллерами пользоваться при установке дорогостоящих гелиосистем нецелесообразно.

2) PWM контроллеры (ШИМ)

Управляющие блоки-схемы, функционирующие по методу широтно-импульсной модуляции, справляются со своими прямыми обязанностями гораздо лучше, чем приборы типа On/Off. ШИМ контроллеры предотвращают чрезмерный перегрев аккумулятора в критических ситуациях, повышают способность принятия электрического заряда и контролируют сам процесс обмена энергией внутри системы. PWM контроллер дополнительно выполняет ряд других полезных функций:

• оснащен специальным датчиком для учета температуры электролита;
• вычисляет температурные компенсации при различных напряжениях заряда;
• поддерживает работу с разными видами аккумулирующих емкостей для дома (GEL, AGM, жидко-кислотные).

Пока напряжение находится ниже 14,4 В, АКБ подключен к солнечной панели напрямую, благодаря чему процесс подзарядки происходит очень быстро. Когда показатели превысят максимально допустимое значение, солнечным контроллером напряжение автоматически будет понижено до 13,7 В — в этом случае процесс подзарядки не будет прерван и батарея зарядится на 100%. Температура работы устройства колеблется в пределах от -25℃ до 55℃.

3) МРРТ контроллер

Данный тип регулятора постоянно контролирует ток и напряжение в системе, принцип работы построен на обнаружении точки «максимальной мощности». Что это дает на практике? Использовать МРРТ контроллер выгодно, поскольку он позволяет избавиться от излишков напряжения с фотоэлементов.

Эти модели регуляторов используют широтно-импульсные преобразования в каждом отдельном цикле процесса подзарядки АКБ, что позволяет увеличить отдачу солнечных панелей. В среднем экономия составляет порядка 10–30%

Важно помнить, что ток на выходе из аккумуляторной батареи всегда будет выше входящего тока, который поступает от фотоэлементов

МРРТ-технология обеспечивает зарядку аккумуляторов даже при облачной погоде и недостаточной интенсивности солнечного излучения. Целесообразнее применять такие контроллеры в гелиосистемах мощностью 1000 Вт и выше. МРРТ контроллер поддерживает работу с нестандартными напряжениями (28 В или другие значения). КПД держится на уровне 96–98%, а значит, практически все солнечные ресурсы будут преобразованы в постоянный электрический ток. Контроллер МРРТ считается самым лучшим и надежным вариантом для бытовых гелиосистем.

4) Гибридные контроллеры заряда

Это оптимальный вариант, если в качестве электростанции для частного дома используется комбинированная схема электроснабжения, которая состоит из гелиоустановки и ветрогенератора. Гибридные устройства могут работать по технологии МРРТ или PWM, но при этом вольтамперные характеристики будут отличаться.

Ветрогенераторы вырабатываю электричество неравномерно, что приводит к непостоянной нагрузке на аккумуляторы — они функционируют в так называемом «стрессовом режиме». При возникновении критической нагрузки солнечный контроллер гибридного типа сбрасывает избыточную энергию при помощи специальных тэнов, которые подключаются к системе отдельно.

Критерии выбора контроллера

Контроллер процесса зарядки аккумуляторов для солнечных панелей является очень важным элементом системы энергоснабжения. Разнообразный ассортимент моделей может немного озадачить при выборе устройства.

Подобрать подходящую модель проще, если при покупке взять во внимание следующие критерии:

1. Показатель входного напряжения. Данное значение выбранного прибора должно быть выше примерно на 20% показателей напряжения батарей, которые генерируют преобразователи солнечного света в ток.
2. Значение общей мощности батарей. Оно не должно быть выше показателя тока на выходе.

Современные модели имеют ряд дополнительных функций, предназначенных для повышения безопасности при использовании регуляторов процесса зарядки. Устройства управления процессами зарядки-разрядки могут иметь защиту от воздействия погодных условий, излишней нагрузки, коротких замыканий, перегрева, а также от неправильного подключения (это касается несоблюдения полярности). Поэтому выбирать прибор следует не только в зависимости от описанных критериев, но и с учетом функций защиты, которые лучшим образом обеспечат безопасную эксплуатацию устройства.

Требования к контроллеру.

Если солнечные панели должны обеспечить энергией большое количество потребителей, самодельный гибридный контроллер заряда аккумуляторов не будет хорошим вариантом — по надежности он все же будет существенно уступать промышленному оборудованию. Однако для бытового применения микросхему собрать можно — схема ее несложна.

Он выполняет всего две задачи:

• не дает батареям зарядиться сверх меры, что может привести к взрыву;
• исключает полную разрядку аккумуляторов, после которой снова зарядить их становится невозможно.

Прочитав любой обзор дорогостоящих моделей, легко убедиться, что за громкими словами и рекламными лозунгами скрывается именно это. Придать микросхеме соответствующий функционал самостоятельно — задача выполнимая; главное — это применение качественных деталей, чтобы гибридный контроллер зарядабатарей от панелей не сгорел в процессе работы.

К качественному оборудованию, сделанному своими руками, предъявляются следующие требования:

• оно должно работать по формуле 1,2P≤UxI, где P — мощность всех фотоэлементов в сумме, I — сила выходного тока, а U — напряжение в сети с пустыми элементами питания;
• максимальное U на входе должно быть равно суммарному напряжению во всех батареях в простое.

Собирая устройство своими руками, необходимо прочитать обзор найденного варианта и убедиться, что его схема соответствует этим параметрам.

Сборка простого контроллера.

В то время как гибридный контроллер заряда позволяет подключать несколько источников напряжения, простой подходит для систем, в которые входят только солнечные панели. Использовать его можно для питания сетей с небольшим числом потребителей энергии. Схема его состоит из стандартных электротехнических элементов: ключей, конденсаторов, резисторов, транзистора и компаратора для регулировки.

Принцип работы устройства прост: он определяет уровень заряда подключенных батарей и прекращает подзарядку, когда напряжение достигает максимального значения. Когда оно падает, процесс зарядки возобновляется. Потребление тока прекращается, когда U достигает минимального значения (11 В) — это не позволяет ячейкам полностью разрядиться, когда энергии Солнца недостаточно.

Характеристики такого оборудования для солнечных панелей следующие:

• стандартное U тока на входе — 13,8 В, может быть отрегулировано;
• отключение батарей происходит при U менее 11 В;
• зарядка возобновляется при напряжении аккумуляторов 12,5 В;
• используется компаратор TLC 339;
• при силе тока 0,5 А напряжение падает не более, чем на 20 мВ.

Гибридный вариант своими руками.

Усовершенствованный гибридный контроллер солнечной батареи позволяет пользоваться энергией круглосуточно — когда солнца нет, постоянный ток поступает от ветрогенератора. Схема устройства включает в себя подстроечные резисторы, которые используются для регулировки параметров. Коммутация осуществляется при помощи реле, которое управляется ключами транзисторов.

В остальном гибридный вариант не отличается от простого. Схема имеет такие же параметры, принцип его работы аналогичен. Придется использовать больше деталей, поэтому собрать его сложнее; на каждый применяемый элемент стоит прочитать обзор, чтобы убедиться в его качестве.

Причины блокировки аккумулятора контроллером

Если контроллер блокирует работу аккумулятора, причина может заключаться в следующем:

• короткое замыкание внутри элемента питания;
• глубокий разряд – критическое падение напряжения на ячейках.

Разрядившуюся батарею нужно скорее поставить на зарядку. Если же хранить ее в таком состоянии, дальнейший саморазряд приведет к полному разряду, и зарядить АКБ не получится. Контроллер в целях безопасности просто не позволит запустить процесс зарядки.

Это объясняется тем, что при хранении разряженных аккумуляторов в их структуре происходят необратимые процессы деградации, образуются кристаллы лития, возникает опасный контакт между полюсами и опасность взрыва. Задача контроллера – не допустить подобных последствий, поэтому он блокирует дальнейшее использование аккумуляторов с напряжением, упавшим ниже критического минимума.

Предыдущая статья блога VirtusTec посвящена литиевым АКБ для погрузчиков, штабелеров, и других видов складской техники.

Когда нужен контроллер

Солнечная энергетика пока что ограничивается (на бытовом уровне) созданием фотоэлектрических панелей относительно невысокой мощности. Но независимо от конструкции фотоэлектрического преобразователя света солнца в ток это устройство оснащается модулем, который называют контроллер заряда солнечной батареи.

Действительно, в схему установки фотосинтеза солнечного света входит аккумуляторная батарея – накопитель энергии, получаемой от солнечной панели. Именно этот вторичный источник энергии обслуживается в первую очередь контроллером.

Далее мы разберемся в устройстве и принципах работы этого прибора, а также расскажем о способах его подключения.

Необходимость этого устройства можно свести к следующим пунктам:

1. Зарядка аккумулятора многостадийная;
2. Регулировка включения/отключения аккумулятора при заряде/разряде устройства;
3. Подключение аккумулятора при максимальном заряде;
4. Подключение зарядки от фотоэлементов в автоматическом режиме.

Контроллер заряда аккумулятора для солнечных устройств важен тем, что выполнение всех его функций в исправном режиме сильно увеличивает срок службы встроенного аккумулятора.

Выводы и полезное видео по теме

Промышленностью выпускаются устройства многоплановые с точки зрения схемных решений. Поэтому однозначных рекомендаций относительно подключения всех без исключения установок дать невозможно.

Однако главный принцип для любых типов приборов остаётся единым: без подключения АКБ на шины контроллера соединение с фотоэлектрическими панелями недопустимо. Аналогичные требования предъявляются и для включения в схему инвертора напряжения. Его следует рассматривать как отдельный модуль, подключаемый на АКБ прямым контактом.