Контроллер заряда солнечных батарей: принцип работы, способы подключения и изготовления

Эффективное использование солнечной энергии возможно в комплексных системах, куда входят: контроллер заряда солнечных батарей, солнечные панели, аккумуляторы (АКБ) и инверторы.

Что такое контроллер заряда и каким он бывает?

Каждый из элементов приведенной схемы выполняет свою роль:

• Солнечный модуль воспринимает световое излучение и преобразует его в постоянный электрический ток. Сам модуль состоит из множества полупроводников (фотоэлементов),
• Аккумулятор (блок батарей) используется для накопления и раздачи энергии, поступающей с модулей,
• Инвертор используется для преобразования постоянного тока в переменный с изменением выходных значений частоты и напряжения в сети.

Здесь может возникнуть закономерный вопрос: «а зачем тогда контроллер, ведь можно напрямую соединить солнечный модуль и блок аккумуляторов?». Если этого не сделать, то на клеммы АКБ будет постоянно поступать зарядный ток, что в свою очередь вызовет рост напряжения. Рано или поздно, в зависимости от типа аккумулятора, напряжение достигнет максимального значения в 14,4 В, после чего начнется процесс перезаряда батареи и выкипания электролита в ней. А это прямой путь к сокращению срока службы АКБ. Можно контролировать этот процесс вручную, используя простой вольтметр, и отключать питание в нужный момент. Но в этом случае человек будет постоянно привязан к системе и назвать ее автономной уже будет нельзя.

Контроллер как раз и является тем звеном в цепи, которое должно за процессом заряжания и раздачи энергии с АКБ следить в автоматическом режиме. Кроме этого, он выполняет ряд других функций, перечень которых зависит от конкретной модели и типа:

• Автоматическое соединение АКБ и модулей цепью зарядки,
• Подбор оптимальных режимов накопления заряда,
• Полный контроль процесса и, при необходимости, отключение или подключение потребителей,
• Поддержка правильной полярности,
• Защита от коротких замыканий, прекращения подачи энергии (обрыв),
• Учет уровней заряда АКБ,
• Контроль расхода энергии и т.д.

Для существующих гелиосистем необходимо собрать своими руками или выбрать один из трех существующих видов:

1. On/Off,
2. ШИМ (PWM),
3. MPPT.

On/Off контроллеры

Это самый простой из существующих устройств, которое осуществляет отключение заряда при достижении определенного напряжения (14,4 В). Таким образом, происходит предотвращение перегрева устройства и последующего перезаряда. При этом невозможно обеспечить полный заряд АКБ, поскольку при достижении максимального тока происходит отключение, тогда как необходимо поддерживать процесс еще несколько часов. В результате, уровень заряда постоянно находится в пределах 60-70 %, что отражается на состоянии пластин и снижении срока службы батареи.

По сути, назвать этот модуль контроллером можно только с большой натяжкой – на практике они больше называются автоматами отключения и сегодня практически не используются.

ШИМ (PWM)

Решение проблемы неполного заряда может быть достигнуто, если выбрать управляющие блоки нового поколения, в которых используется принцип широтно-импульсной модуляции (ШИМ) подающего тока.

Принцип его работы базируется на снижении номинала заряжающего тока при достижении пикового напряжения. Это позволяет достичь уровня заряда 100 %, повысив при этом общую эффективность на 20-30 %. Некоторые из моделей позволяют корректировать напряжение поступающего тока в зависимости от температуры наружного воздуха. Они предотвращают перегрев батареи, повышают способность принятия заряда и осуществляют автономное регулирование процесса.

Примерная схема работы ШИМ выглядит следующим образом:

MPPT

Наиболее совершенным на сегодня типом регулирующего заряд солнечной батареи устройства, которые можно выбрать на рынке, является МРРТ. Он позволяет повысить эффективность выработки электроэнергии и ее количество на одном и том же блоке солнечных панелей. Принцип действия любого mppt модуля базируется на отслеживании так называемой «точки максимальной мощности».

Любой регулятор mppt постоянно контролирует параметры тока и напряжения, на основе которых микропроцессорный аналитический блок вычисляет их наиболее оптимальное соотношение для выработки полной мощности. Процессор, при выборе номиналов тока и напряжения, также учитывает стадию зарядного процесса.

При использовании mppt контроллеров становится возможным снятие большего напряжения с солнечных панелей, которое затем преображается в оптимальное для заряда АКБ (как правило, оно отличается от паспортного напряжения питания). Общая эффективность гелиосистемы в сравнении с ШИМ контроллерами увеличивается на 15-35%. При этом МРРТ технология позволяет работать даже при снижении освещенности панели на 40%.

Преимущества МРРТ модулей можно отобразить в виде следующей схемы:

Возможность создания высокого напряжения на выходе mppt контроллера позволяет использовать провода меньшего сечения и увеличить расстояние между самим блоком и солнечными панелями.

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).

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.