Контроллеры заряда для солнечных батарей

Структурные схемы контроллеров

Разбираться в принципиальных схемах приборов могут не все пользователи. Но это и не обязательно, вполне достаточно понять принцип их работы на уровне блоков или узлов прибора. Рассмотрим структурные схемы двух разновидностей контроллеров:

Устройства PWM

После этого ток проходит через блок из двух силовых транзисторов, где происходит преобразование значений напряжения и тока. Управление этими процессами производится через микросхему драйвера, при помощи чипа контроллера. Сам драйвер предназначен для коррекции режима работы транзисторов. Одна из основных задач — регулировка уровня мощности нагрузки, предотвращающая глубокий разряд аккумуляторов.

Помимо этих компонентов в состав схемы входит датчик температуры. Он обеспечивает поддержание заданного температурного режима работы прибора, ограничивая его мощность по необходимости. Перегрев весьма опасен для контроллера, поэтому датчик относят к основным узлам схемы.

Приборы MPPT

Контроллер заряда аккумулятора от солнечной батареи, созданный по схеме MPPT, представляет собой более сложное устройство, чем PWM. Увеличено количество узлов и деталей, поскольку более тщательное выполнение алгоритмов работы требует определенных ресурсов. Основная функция устройства заключается в определении максимальной мощности солнечных батарей в текущих условиях и соответствующей перенастройке их работы.

Производится определение точки максимальной мощности (ТММ), определяющей напряжение, при котором выходные показатели будут максимально высокими. Заряд АКБ происходит в 4 этапа:

• объемный. Это первый этап после ночного перерыва. Аккумуляторы активно накапливают энергию, используя всю энергию солнечных батарей
• повышающий. Начинается сразу по достижении максимального заряда аккумуляторов. Напряжение заряда снижается, чтобы исключить нагрев и выделение газов. Этот режим, как правило, длится 1-3 часа, после чего следует переход на следующую стадию зарядки
• плавающий. Этот этап необходим для поддержания заряда на максимальном уровне и недопущения перегрева или газоотделения, а также снижения количества накопленной энергии. Если нагрузка начинает требовать повышенной отдачи, контроллер переводит систему из плавающего режима в повышающий. Как только мощность на выходе упадет, будет вновь задействован плавающий режим
• выравнивание. Этап, при котором происходит выравнивание плотности электролита, восстановление состояния электродов, переработка сульфата свинца

Работа контроллеров MPPT зависит от окружающей температуры. В жару выработка энергии падает, при сильном охлаждении процессы в аккумуляторах замедляются, что грозит выходом их из строя. Встроенный датчик температуры постоянно контролирует состояние и дает команду на соответствующую корректировку режима работы.

Использование контроллеров MPPT рекомендовано при мощности системы от 200 В или при нестабильном производстве энергии. Постоянное определение максимальной эффективности улучшает работу комплекса и позволяет обходиться без установки дополнительных модулей.

Виды приборов

Контроллеры для солнечных батарей представлены в нескольких видах:

• Устройства On/Off.
• PWM контроллеры.
• MPPT контроллеры.
• Устройства гибридного типа.
• Самодельные контроллеры.

Познакомимся с каждым из этих видов. На сегодняшний день самыми популярными считаются PWM контроллер и контроллер MPPT.

Устройства On/Off

Такие контроллеры заряда аккумуляторов являются самыми простыми из всех моделей, которые представлены на современном рынке. Их функциональность весьма ограничена. Устройства этого типа отключают процесс зарядки аккумулятора при достижении максимального значения напряжения. Таким образом, предотвращается перегрев и перезарядка АКБ.

Важно подчеркнуть, что контроллер такого типа не сможет обеспечить 100% уровень заряда АКБ. Этот нюанс объясняется тем, что отключение происходит по достижении максимального значения тока

На момент обесточивания уровень заряда может находиться в пределах от 70 до 90%

Чтобы загрузить аккумуляторную батарею полностью, потребуется еще несколько часов. Неполная зарядка неблагоприятно сказывается на функционировании прибора и уменьшает срок его эксплуатации.

Контроллеры типа PWM

Контроллер уровня заряда PWM (Pulse-Width Modulation) по-другому называется ШИМ. ШИМ контроллер − устройство, принцип действия которого основан на широтно-импульсной модуляции тока. Прибор разработан с целью устранения проблемы неполной зарядки. 100% уровень достигается благодаря тому, что механизм при обнаружении максимального значения тока, понижает его продлевая таким образом зарядку аккумулятора.

Описанное устройство предотвращает перегрев аккумуляторной батареи, способствует повышению принятия заряда. В общем, хорошо сказывается на ее состоянии. Прибор этого типа считается весьма эффективным, но MPPT контроллер, если сравнивать его принцип действия с PWM, является более предпочтительным вариантом по ряду функциональных возможностей.

MPPT контроллеры

МРРТ контроллер (Maximum Power Point Tracking) − устройство, которое отслеживает максимальный предел мощности заряда. С помощью сложного алгоритма устройство этого типа следит за показаниями тока и напряжения системы энергоснабжения, определяя оптимальное соотношение параметров для обеспечения максимальной продуктивности всей солнечной электростанции.

Без преувеличения можно утверждать, что именно MPPT контроллер является наиболее усовершенствованной и эффективной моделью по сравнению с другими. Для сравнения: MPPT контроллер повышает продуктивность системы энергообеспечения до 35% относительно PWM.

На сегодняшний день MPPT контроллер считается более подходящим для систем, в которых солнечные панели занимают значительные площади. Но высокая стоимость приборов данного типа вводит определенные ограничения при его использовании. Поэтому PWM модель является доступной для эксплуатации в системах энергоснабжения частных домов.

Устройства гибридного типа

Используются в случае энергоснабжения с помощью комбинирования источников энергии, например, ветра и солнца. В основу разработки гибридного прибора положен принцип работы МРРТ и PWM контроллеров. Единственное, чем он отличается от других моделей, − это вольтамперные параметры.

Главная цель моделей гибридного типа состоит в своеобразном выравнивании нагрузки на аккумуляторы. Эта проблема возникает в результате работы ветрогенераторов, которые производят ток непостоянной величины. При этом аккумуляторы работают в усиленном режиме, который значительно уменьшает срок эксплуатации.

Самодельные приборы

В некоторых случаях, при наличии соответствующего опыта и навыков, собирают контроллер аккумуляторов для солнечной панели самостоятельно. Но, скорее всего, такой прибор будет значительно уступать в плане функциональности и эффективности. Устройства подобного типа подходят только для очень маленькой системы энергообеспечения, которая работает с низкой мощностью.

Для изготовления контроллера заряда аккумуляторов вам понадобится его схема. Погрешность работы самодельного контроллера должна позволять фиксировать перепады измеряемых величин с точностью до одной десятой.

Основные функции и работа контроллера

Устройство, контролирующее заряд, можно смело назвать одним из основных компонентов солнечных электростанций. Конструктивно, он является прибором электронного типа, функционирующим на основе специального чипа. Данный чип осуществляет контроль над действием всей системы, а его первоочередная задача состоит в управлении процессом зарядки аккумуляторной батареи. Таким образом, предотвращается избыточный ток или полный разряд аккумулятора.

Когда степень заряженности выходит на максимальный уровень, подача электричества от солнечных фотоэлементов сокращается и опускается до уровня, обеспечивающего компенсацию саморазряда. В случае сильной разрядки контроллер автоматически отключает батарею от нагрузки. После того как уровень заряда оказывается восстановлен, нагрузка снова подключается к источнику тока.
Электрическая энергия, выработанная солнечными батареями, может передаваться на аккумулятор по разным схемам. Один из способов предусматривает прямую передачу тока, без каких-либо коммутационных и регулирующих устройств. В результате такой подачи, напряжение на клеммах станет постепенно расти, и в конце концов оно достигнет определенного уровня, в зависимости от конструкции АКБ и температуры окружающей среды. То есть, на начальной стадии зарядки такая схема полностью себя оправдывает.

Однако, после того как заряд превысит рекомендуемое значение, в батарее возникают негативные процессы. Ток, продолжающий поступать, приводит к росту напряжения и последующей перезарядке. Из-за этого нагрев электролита резко увеличивается, после чего он закипает и начинается интенсивный выброс дистиллированной воды, превратившейся в пар. В некоторых случаях емкости могут полностью высохнуть, что приводит к резкому снижению ресурса аккумулятора.

Во избежание подобных ситуаций зарядный ток ограничивается с помощью контроллеров. Эту операцию можно выполнять вручную, однако такой способ требует постоянного контроля напряжения по приборам и своевременного переключения. Поэтому в реальных условиях он практически не используется, поскольку существует автоматика.

Для ограничения тока используются разные контроллеры – от простых до более сложных. Условно они разделяются на следующие типы:

• Приборы, где применяется схема обычного включения-отключения в зависимости от состояния напряжения на клеммах АКБ.
• Устройства, использующие широтно-импульсные преобразования (ШИМ).
• Контроллеры заряда солнечной батареи, сканирующий точки с максимальной мощностью (МРРТ).

Каждое из этих устройств следует рассмотреть более подробно, чтобы в дальнейшем не ошибиться и правильно выбрать нужный.

Подбор контроллера заряда по необходимым функциям

В современном мире в стремлении увеличения эффективности, автономности и оперативности информационного контроля к контроллерам заряда от солнечных батарей также применяются требования к обеспечению различными функциями, в зависимости от места применения контроллера.

Наиболее востребованными функциями необходимыми в контроллере заряда являются:      

• Автоопределение номинального напряжения солнечных батарей и акб 12В/24В/36В/48В и др.

• Наличие дисплея для отображения показаний и удобства настройки;

• Возможность вручную устанавливать параметры работы контроллера;

• Наличие коммуникационных портов для подключения внешнего дисплея или компьютера, с учетом удаленного доступа. Такие порты, как RS232, USB, Ethernet интерфейсы для связи с другими устройствами;

• Поддержка различных типов аккумуляторов;

• Встроенные защиты: перегрузка, перезаряд, короткое замыкание;

• Комплексная самодиагностика и электронная защита может предотвратить ущерб от неправильной установки или системных ошибок;

• Внешние датчики температуры, тока и др.;

• Реле управления другими устройствами;

• Встроенные таймеры на отключения нагрузки;

• Электронный журнал параметров работы контроллера.

Солнечный контроллер заряда необходимо выбирать с учетом требуемых функций.

6.   Выбор контроллера по типу регулировки напряжения и тока. ШИМ и MPPT.

По регулировке тока и напряжения современные контроллеры можно разделить на два основных типа ШИМ и MPPT.

1)    ШИМ контроллеры.

2)    MPPT контроллеры.

Подробное описание технологии лучше всего смотреть в статьях ШИМ контроллеры, MPPT контроллеры, в чем отличие ШИМ и MPPT контроллера.

Разновидности контроллеров для солнечных батарей

Обеспечить максимальную эффективность СЭС, вынужденную использовать в роли источника энергии то сами панели, то АКБ – технологически сложная и недешевая задача. По этой причине выбор контроллера для системы совершается исходя из наиболее важных факторов

Таковыми являются потенциальная производительность СЭС, важность обеспечения максимальной эффективности и ожидаемая прибыль. В итоге приходится идти на компромисс, выбирая один из пяти возможных вариантов.

Мы предлагаем наиболее популярные и эффективные контроллеры для солнечных электростанций разных мощностей:

1. PWM (ШИМ).
   Широтно-импульсный контроллер солнечной панели типа PWM (Pulse-Width Modulation) способен надежно модулировать величину тока. Результатом становится возможность подзаряжать АКБ полностью, хотя и за довольно длительное время. Цена на данные модели для небольших частных электростанций вполне приемлемая.
2. МРРТ.
   Купить контроллер заряда для солнечных батарей типа MPPT (Maximum Power Point Tracking) рекомендуется владельцам станций достаточно большой мощности. В этом случае немалая стоимость такого регулятора быстро окупится, поскольку он на 30-35% эффективнее любого конкурента. Это достигается за счет работы сложного компьютерного алгоритма, в режиме реального времени, постоянно рассчитывающего и выдающего ток оптимальной силы и напряжения.

Принцип работы солнечного контроллера и стадии заряда аккумулятора:

• Накопление (Bulk) – зарядка максимальным током до достижения заданного значения напряжения стадии – поглощение, при этом АКБ заражается на 80%;
• Поглощение или абсорбция (Absorbtion) – это поглощающий заряд, при котором контроллер заряда поддерживает напряжение, уменьшая зарядный ток до полного заряда АКБ;
• Поддерживающий заряд или равновесие (Float) – уменьшение напряжение ниже значения стадии абсорбция, для предотвращения перегрева или газообразования;
• Уравновешивающий заряд или выравнивание (Equalize) – применяется только для АКБ с жидким электролитом, в процессе которого подается более высокое напряжение, на пластинах образовываются пузырьки воздуха, подымаясь в верх перемешивают электролит. Данный процесс сопровождается образованием водорода и кислорода, что повышает его взрывоопасность. Для безопасной работы данного устройства достаточно обеспечить вентиляцию и устранить все источники возгорания. Этот режим нельзя применять для герметизированных аккумуляторов.

Обзор контроллеров солнечной батареи: разновидности

По своему устройство различают четыре типа контроллеров (не считая самодельных):

• OnOff — отключает заряд по достижению верхнего предела напряжения;
• PWM — для понижения заряжающего тока при максимальных нагрузках;
• МРРТ — сложная система, снимающая высокое напряжение с батарей с последующей оптимизацией нагрузки;
• гибридные — созданы для комбинированных систем (солнечные модули + ветряки) для сброса избыточной энергии.

Чем сложнее модель, тем выше ее стоимость. Поэтому устройства типа «OnOff» всегда будут стоить дешевле, чем МРРТ. Необязательно покупать последнюю новинку техники, если вам необходим простой контроллер для солнечной батареи на даче. В этих случаях модели «OnOff» будет достаточно. Если вам необходимо позаботиться о гелиосистеме, работающей на постоянной основе и служащей для обеспечения электроэнергией жилого дома, тогда стоит задуматься о приобретении PWM или МРРТ моделей. Гибридные модели актуальны только для владельцев комбинированных систем. Они строятся на базе МРРТ или PWM с той разницей, что у них используются вольтамперные системы исчисления.

Комментарии:

Если вы задумывались над альтернативным способом получения энергии и решили устанавливать солнечные батареи, то наверняка хотите сэкономить. Одной из возможностей экономии — сделать контроллер заряда своими руками

. При установке солнечных генераторов — панелей, требуется много дополнительного оборудования: контроллеры заряда, аккумуляторы, для перевода тока под технические стандарты.

Рассмотрим изготовление контроллера заряда солнечной батареи своими руками.

Это устройство контролирующее уровень зарядки свинцовых аккумуляторов, не допускающее их полной разрядки и перезарядки. Если аккумулятор начнет разряжаться в аварийном режиме, аппарат снизит нагрузку и не допустит полной разрядки.

Стоит отметить, что самостоятельно изготовленный контроллер не сравниться по качеству и функционалу с промышленным, но он будет вполне достаточен для работы элетросети. В продаже попадаются изделия, изготовленные в подвальных условиях, которые имеют очень низкий уровень надежности. Если у вас не хватает средств на дорогостоящий агрегат, лучше собрать его самостоятельно.

Контроллер заряда акб от солнечных батарей изготовленный самостоятельно

Даже самодельный продукт должен соответствовать следующим условиям:

• 1,2P
• Максимально разрешенное входное напряжение должно равняться общему напряжению всех батарей без нагрузки.

На изображении ниже вы увидите схему такого электрооборудования. Для того чтобы собрать его потребуются небольшие познания в электроники и немного терпения. Конструкция немного доработана и теперь вместо диода установлен полевой транзистор, регулирующийся компаратором. Такой контролер заряда будет достаточен для использования в сетях не высокой мощности, с использованием только . Отличается простотой изготовления и дешевизной материалов.

Контроллер заряда для солнечных батарей

работает по простому принципу: когда напряжение на накопителе достигает указанного значения, он прекращает зарядку, дальше идет только капельный заряд. В случае падения напряжения показателя ниже установленного порога подача тока на аккумулятор возобновляется. Использование аккумуляторов отключается контролером когда в них заряд менее 11 V. Благодаря работе такого регулятора акб самопроизвольно не разрядится во время отсутствия солнца.

Основные характеристики схемы контролера заряда

• Напряжение заряда V=13,8V (настраивается), измеряется при наличии тока заряда;
• Отключение нагрузки происходит когда Vbat мене 11V (настраивается);
• Включение нагрузки когда Vbat=12,5V;
• Температурная компенсация режима заряда;
• Экономичный компаратор TLC339 можно заменить на более распространенный TL393 или TL339;
• Падение напряжения на ключах менее 20mV при заряде током 0,5А.

Усовершенствованный контроллер заряда солнечной батареи

Если вы уверены в своих познаниях электронного оборудования, можно попробовать собрать более сложную схему контроллера заряда. Она более надежна и способна работать как от солнечных батарей, так и от ветрогенератора, который поможет вам получать свет по вечерам.

Выше представлена усовершенствованная схема котроллера заряда своими руками. Для изменения пороговых значений применяются подстроечные резисторы, с помощью которых вы будете регулировать параметры работы. Ток, поступающий от источника коммутируется реле. Само реле управляется ключом полевых транзисторов.

Все схемы контроллера заряда

проходили проверку на практике и отлично зарекомендовали себя на протяжении нескольких лет.

Для дачи и прочих объектов, где не требуется большое потребление ресурсов, нет смысла затрачиваться на дорогостоящие элементы. Если вы имеете необходимые знания, можно доработать предложенные конструкции или добавить необходимый функционал.

Так вы можете сделать своими руками контроллер заряда при использовании устройств альтернативной энергии. Не стоит отчаиваться если первый блин вышел комом. Ведь никто не застрахован от ошибок. Немного терпения, старания и экспериментов доведут дело до конца. Зато работающее электроснабжение будет отличным поводом для гордости.

Контроллер заряда является очень важным узлом системы, в которой электрический ток создают солнечные панели. Устройство управляет зарядкой и разрядкой аккумуляторных батарей. Именно благодаря ему, батареи не могут перезарядиться и разрядиться настолько, что восстановить их рабочее состояние будет невозможно.

Такие контролеры можно сделать своими руками.

Функции

Контролеры созданы для:

1. Наблюдения за процессом зарядки. При восстановлении емкости от 0 до 10% работает предварительное накопление емкости. От 10 до 70-80% происходит увеличение скорости наполнения постоянным током. Дозарядка проходит медленнее, из-за увеличившегося сопротивления в цепи.
2. Регулировки просадок. Защищает электрическую цепь от короткого замыкания, просадок напряжения.
3. Блокировки перезаряда. У каждой батареи есть лимит максимального напряжения (у Li-Ion он составляет около 4,2 В). Достигнув указанной цифры, питание автоматически отключается, препятствуя вздутию и взрыву АКБ.
4. Защиты от глубокой разрядки. Если напряжение аккумулятора падает ниже критического значения (3 В в Li-Ion), происходит потеря номинальной емкости, уменьшается время автономной работы.
5. Балансировки. Следит за равномерной зарядкой всех звеньев электросхемы, увеличивая срок службы элемента питания.
6. Наблюдения за температурой. При перегреве или переохлаждении срабатывает терморезистор, который отключает питание, поданное на батарею.

Все параметры задают микросхеме или контролеру на этапе производства.

Схема подключения модуля

Клик для увеличения схемы

После снятия задней стенки можно получить доступ к печатной плате устройства.

В качестве аккумулятора была выбрана батарея 12 В емкостью 1,2 А/ч, потому, что она у автора была. На самом деле в ясный солнечный день панель сможет зарядить 2-3 таких аккумулятора. Для уменьшения опасности короткого замыкания в цепь аккумулятора включен плавкий предохранитель. Для недопущения разряда аккумулятора через солнечную панель при малом освещении последовательно с панель включен диод Шотки типа IN5817. Когда аккумулятор полностью заряжен ток, отбираемый от солнечной батареи, составляет около 50 мА, при напряжении 19 В.

В качестве тестовой нагрузки использована самодельная светодиодная фитолампа на 4-х последовательно включенных фитосветодиода мощностью 1 Вт, последовательно со светодиодами включен резистор типа МЛТ-2, сопротивлением 30 Ом. При напряжении 12,6 В, ток потребляемый лампой составит около 60 мА. Таким образом аккумулятор на 1,2 А*ч позволяет питать эту лампу около 20 часов.

В целом собранная автономная конструкция оказалась вполне работоспособной с технической точки зрения. Но с экономической точки зрения, учитывая стоимость солнечной батареи, аккумулятора и блока управления картина получается безрадостной. Солнечная батарея стоит 2700 р, аккумулятор 12 В 1,2 А/ч стоит около 500 р, блок управления 400 р. Так же автор пробовал использовать два последовательно включенных аккумулятора 6 В 12 А/ч (они будут иметь стоимость около 3000 р), такой аккумулятор у автора заряжается за 3-4 солнечных дня, при этом ток зарядки доходит до 270 мА.

Общая стоимость использованного оборудования в минимальной комплектации 3600 р. Как несложно видеть, данная фитолампа потребляет около 0,8 Вт. При тарифе 3,5 р за 1 кВт/ч, лампа должна работать от сети при КПД источника питания 50%, около 640000 ч или 73 года только для того, что бы можно было оправдать затраты на оборудование. При этом за такой промежуток времени, несомненно, придется несколько раз полностью сменить оборудование, деградацию аккумулятора и фотоэлементов ни кто не отменял.

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.