Первый способ решения проблемы: STEP-UP DC-DC и буферная АКБ 18В
Здесь в качестве блока повышения напряжения был использован популярный китайский повышающий DC-DC преобразователь “400W” совместно с буферной Li-ion АКБ 18В 7.8Ач 5S2P 21700 (собственной сборки):
В процессе экспериментов было обнаружено, что при мощностях более 100Вт его желательно оснастить принудительным охлаждением, что легко реализуется за счет установки кулера 40х40 или 50х50 непосредственно на радиаторы сверху.
Ссылка на магазин.Выяснилось, что преобразователь довольно “дуракоустойчив”: есть защита от КЗ (предохранитель), при перегреве сгорает только силовой ключ MOSFET (не цепляя других SMD-компонентов), силовой ключ может быть заменен на любую модель, удовлетворяющую следующим характеристикам:
напряжение сток-исток: более 75В;
макс.ток стока: более 50А;
макс.сопротивление открытого канала: 23 мОм;
макс. входная емкость: 5000 пФ.
(Хорошо проявили себя IRF4115, IRF3710).Также, у него неплохая стабилизация выходного тока и напряжения, удовлетворительное, измеренное в ходе тестов, значение КПД 91-93% (в зависимости от мощности). К тому же он достойно проявил себя в походных условиях со скачками температуры и влажности, что и обусловило желание сохранить его в проекте для дальнейшей работы.
С буферной АКБ я проездил более года.
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.
Видео
Как правильно подключить контроллер, вы узнаете из нашего видео.
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.
Электронный модуль, называемый контроллером для солнечной батареи, предназначен выполнять целый ряд контрольных функций в процессе заряда/разряда .
Такой выглядит одна из многочисленных существующих моделей контроллеров заряда для солнечной батареи. Этот модуль относится к числу разработок типа PWM
Когда на поверхность солнечной панели, установленной, к примеру, на крыше дома, падает солнечный свет, фотоэлементами устройства этот свет преобразуется в электрический ток.
Полученная энергия, по сути, могла бы подаваться непосредственно на аккумулятор-накопитель. Однако процесс зарядки/разрядки АКБ имеет свои тонкости (определённые уровни токов и напряжений). Если пренебречь этими тонкостями, АКБ за короткий срок эксплуатации попросту выйдет из строя.
Чтобы не иметь таких грустных последствий, предназначен модуль, именуемый контроллером заряда для солнечной батареи.
Помимо контроля уровня заряда аккумулятора, модуль также отслеживает потребление энергии. В зависимости от степени разряда, схемой контроллера заряда аккумулятора от солнечной батареи регулируется и устанавливается уровень тока, необходимый для начального и последующего заряда.
В зависимости от мощности контроллера заряда аккумуляторных батарей солнечной энергетической установки, конструкции этих устройств могут иметь самую разную конфигурацию
В общем, если говорить простым языком, модуль обеспечивает беззаботную «жизнь» для АКБ, что периодически накапливает и отдаёт энергию устройствам-потребителям.
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.
Гибридные виды для ветростанций
В Скандинавии, Германии, Испании, США ветрогенераторы покрывают приличную часть общих потребностей государства в электричестве. В них также находится место для такого узла, как контроллер заряда.
А в случае, если ЭС является комбинированной (на солнечных панелях и ветряках), используется так называемый гибридный модуль.
Он также может работать по принципу ШИМ или МРРТ . Главным отличием гибридного контроллера является использование несколько других вольтамперных характеристик. Происходит это потому, что ветрогенераторы имеют большие скачки выработки и потребления энергии, а батареи, в свою очередь, значительно перегружаются. Контроллер сбрасывает лишнюю энергию на сторону (например, на блок-тэны).
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.
Любая солнечная энергетическая установка действует по правилу баланса выходного и входного напряжений первой ступени. Верхняя граница напряжения контроллера должна соответствовать верхней границе напряжения панели
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:
- Соединить провода АКБ на клеммах прибора для аккумулятора в соответствии с указанной полярностью.
- Непосредственно в точке контакта положительного провода включить защитный предохранитель.
- На контактах контроллера, предназначенных для солнечной панели, закрепить проводники, выходящие от солнечной батареи панелей. Соблюдать полярность.
- 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 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.
Для контроллеров, рассчитанных под высокие уровни мощностей, на соединениях силовых цепей рекомендуется применять кабели больших сечений, оснащённые металлическими концевиками
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/мм 2 . То есть, например, для контроллера на ток 60 А нужен кабель для подключения к АКБ сечением не меньше 20 мм 2 .
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 к прибору следует убедиться, что напряжение на клеммах соответствует или меньше напряжения, которое допустимо подавать на вход контроллера.
Подключение периферии к аппарату MTTP:
- Выключатели панели и аккумулятора перевести в положение «отключено».
- Извлечь защитные предохранители на панели и аккумуляторе.
- Соединить кабелем клеммы аккумулятора с клеммами контроллера для АКБ.
- Подключить кабелем выводы солнечной панели с клеммами контроллера, обозначенными соответствующим знаком.
- Соединить кабелем клемму заземления с шиной «земли».
- 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.
Экран прибора покажет значение напряжения солнечной панели. Этот момент свидетельствует об успешном запуске энергетической солнечной установки в работу.
Виды контроллеров
Существует три принципиально разных по принципу работу, но одинаковых по назначению
PWM контроллер
видов контроллеров заряда аккумуляторных батарей, это:
- On/Off контроллеры. Устройства данного вида применяются редко. Малое распространение данного вида устройств обусловлено тем, что при их использовании происходит неполный заряд АКБ, что в свою очередь отрицательно отражается на их состоянии и может привести к их полному выходу из строя.
- ШИМ (PWM) – контроллер. Аппараты данного вида после заряда АКБ не отключают солнечные батареи, это позволяет полностью зарядить АКБ. Устройства данного вида используются в установках мощностью до 2,0 кВт.
МРРТ – контроллер. Это наиболее сложные устройства. Данный аппараты эффективны в работе, обладают большим набором настроек и элементам защиты. Использование устройств данного вида позволяет сократить сроки окупаемости солнечных электрических станций.
Самостоятельное изготовление
Если у человека имеются определенные познания в области электроники и электротехники, то можно попробовать собрать схему контроллера для солнечных панелей и ветрогенератора своими руками. Такой агрегат будет сильно уступать в функционале и эффективности промышленным серийным образцам, но в маломощных сетях его может быть вполне достаточно.
Кустарный регулирующий модуль должен отвечать основным условиям:
- 1,2P ≤ I × U. В этом уравнении используются обозначения суммарной мощности всех источников (Р), выходного тока контроллера (I), напряжения в системе при полностью разряженных АКБ (U),
- Максимальное входное напряжение контроллера должно отвечать суммарному напряжению батарей без нагрузки.
Наиболее простая схема подобного модуля будет иметь следующий вид:
Устройство, собранное своими руками, работает с такими характеристики:
- Зарядное напряжение – 13,8 В (может меняться в зависимости от номинала тока),
- Напряжение отключения – 11 В (настраивается),
- Напряжение включения – 12,5 В,
- Падение напряжения на ключах – 20 мВ при значении тока 0,5А.
Контроллеры заряда ШИМ или МРРТ типа являются одной из неотъемлемых частей любой гелиосистемы или гибридной системы на солнечных и ветрогенераторах. Они обеспечивают нормальный режим заряда аккумуляторных батарей, повышают эффективность и предотвращают их преждевременный износ, к тому же могут быть вполне собраны своими руками.
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
