Контроллер заряда солнечных батарей: принцип работы, способы подключения и изготовления. Контроллер заряда аккумулятора для солнечной панели

Одним из важнейших компонентов домашней солнечной электростанции является контроллер заряда аккумуляторов. Именно это устройство следит за процессом заряда/разряда аккумуляторов, поддерживая оптимальный режим их работы. Существует множество схем контроллеров для солнечных батарей – от самых простых, выполненных порою кустарным способом, до очень сложных, с применением микропроцессоров. Причем контроллеры заряда для солнечных батарей, сделанные своими руками, частенько работают лучше аналогичных промышленных устройств такого же типа.

Для чего нужны контроллеры заряда аккумуляторов

Если аккумулятор подсоединить напрямую к клеммам солнечных батарей, то заряд его будет происходить непрерывно. В конечном итоге на уже полностью заряженный аккумулятор будет продолжать поступать ток, что вызовет повышение напряжения на несколько вольт. В результате происходит перезаряд АКБ, повышается температура электролита, причем эта температура достигает таких значений, что электролит закипает, происходит резкий выброс паров из банок аккумулятора. Как следствие, может произойти полное испарение электролита и высыхание банок. Естественно, это не добавляет «здоровья» аккумулятору и резко снижает ресурс его работоспособности.

Контроллер в системе солнечного заряда аккумуляторов

Вот, чтобы не допустить подобных явлений, чтобы оптимизировать процессы заряда/разряда, и нужны контроллеры.

Три принципа построения контроллеров заряда

По принципу действия различают три типа солнечных контроллеров.
Первый, самый простой тип – это устройство, выполненное по принципу «On/Off» («Вкл./Выкл.»). Схема такого аппарата представляет собой простейший компаратор, который включает или выключает цепь заряда в зависимости от значения напряжения на клеммах аккумулятора. Это самый простой и дешевый тип контроллеров, но и способ, которым он производит заряд, самый ненадежный. Дело в том, что контроллер отключает цепь заряда по достижении предельного значения напряжения на клеммах аккумуляторной батареи. Но при этом не происходит полного заряда банок. Максимально достигается не более 90% заряда от номинального значения. Вот такой постоянный недобор заряда значительно уменьшает работоспособность аккумулятора и срок его работы.

Вольт-амперная характеристика солнечного модуля

Второй тип контроллеров – это устройства, построенные по принципу ШИМ (широтно-импульсной модуляции). Это более сложные аппараты, в которых кроме дискретных компонентов схемы имеются уже и элементы микроэлектроники. Аппараты на базе ШИМ (англ. – PWM) осуществляют зарядку аккумуляторов ступенчато, выбирая оптимальные режимы заряда. Эта выборка производится автоматически и зависит от того, как глубоко разряжены АКБ. Контроллер повышает напряжение, одновременно понижая силу тока, обеспечивая тем самым полную зарядку аккумуляторной батареи. Большой недостаток ШИМ-контроллера – заметные потери в режиме зарядки аккумулятора – теряются до 40%.

Третий тип – это контроллеры MPPT , то есть работающие по принципу отыскания точки максимальной мощности солнечного модуля. В процессе работы устройства этого типа используют максимально доступную мощность для любого режима заряда. По сравнению с другими, аппараты этого типа отдают на заряд аккумуляторных батарей примерно на 25% - 30% больше энергии, чем другие аппараты.

Заряд АКБ производится меньшим напряжением, чем это делают контроллеры других типов, но большей силой тока. Коэффициент полезного действия аппаратов MPPT достигает 90% - 95%.

Простейший самодельный контроллер

При самостоятельном изготовлении любого контроллера необходимо обязательно соблюдать определенные условия. Во-первых, максимальное напряжение на входе должно быть равным напряжению АКБ без нагрузки. Во-вторых, должно быть выдержано соотношение: 1,2P

Этот аппарат предназначен для работы в составе солнечной электростанции малой мощности. Принцип работы контроллера предельно прост. Когда напряжение на клеммах аккумуляторов достигнет заданного значения, заряд прекращается. В дальнейшем производится только так называемый капельный заряд.

Контроллер, смонтированный на печатной плате

При падении напряжения ниже установленного уровня подача энергии на аккумуляторы возобновляется. Если при работе на нагрузку в отсутствии заряда напряжение АКБ будет ниже 11 вольт, контроллер отключит нагрузку. Тем самым исключается разряд аккумуляторов в период отсутствия солнца.

Аналоговый контроллер для маломощных гелиевых систем

Аналоговые устройства используются, в основном, в гелиевых системах, имеющих небольшую мощность. В мощных системах целесообразно применять цифровые последовательные аппараты типа MPPT. Эти контроллеры прерывают зарядный ток, когда аккумулятор будет полностью заряжен. В предлагаемой схеме аналогового контролера используется параллельное подключение. При таком подключении солнечный модуль всегда соединен с аккумулятором через специальный диод. Когда напряжение на аккумуляторе достигнет заданного значения, контроллер параллельно солнечному модулю включает цепь нагрузочного сопротивления, которое принимает на себя избыток энергии от модуля.

Это устройство было разработано и собрано под конкретную систему, состоящую из солнечной панели с 36 ячейками, с выходным напряжением холостого хода 18 вольт и с током короткого замыкания до одного ампера. Емкость аккумулятора до 50 ампер-часов, при номинальном напряжении 12 вольт. Перед тем, как включить собранный аппарат в рабочую конфигурацию системы, необходимо произвести его настройку. Для быстрой настройки нужно взять предварительно заряженный аккумулятор. Солнечную батарею с соблюдением полярности нужно подключить к клеммам PV по схеме, а аккумулятор – к клеммам ВАТ. К клеммам аккумулятора необходимо также подключить цифровой вольтметр.

Теперь для получения максимальной отдачи от солнечной батареи, нужно сориентировать ее на солнце. После этого медленно поворачивать винт двадцатиоборотного переменного резистора номиналом в 100 кОм. Вращение винта производится до тех пор, пока светодиод не начнет мигать. После того, как начнется мигание, винт следует продолжать медленно поворачивать до тех пор, пока вольтметр не покажет значение напряжения на клеммах аккумулятора, равное желаемому. На этом настройка устройства завершена.

В процессе эксплуатации системы при достижении напряжением на клеммах аккумулятора предельного значения светодиод начинает выдавать краткие световые импульсы с длительными промежутками. При продолжении заряда аккумулятора длительность световых импульсов увеличивается, а интервал между ними, наоборот, сокращается.

Разумеется, при наличии определенных знаний и навыков можно собрать и более сложное устройство, например, MPPT, но если речь заходит о покупке дорогостоящего оборудования для домашней электростанции, то, вероятно, есть смысл все-таки купить промышленный аппарат, на который распространяется к тому же и гарантия изготовителя. И не подвергать аккумуляторные батареи риску повреждения.

Альтернативная энергетика с каждым годом распространяется все шире. Соответственно растет спрос на солнечные батареи и контроллеры заряда для аккумуляторов. И это не удивительно, ведь одним из классических примеров свободной энергии является энергия солнца. Ее используют тремя основными способами:

1. Гелиоколлектор.
2. Солнечный концентратор.
3. Солнечная батарея.

Если первые два метода заключаются в концентрировании и передачи тепла, то третий позволяет преобразовать солнечный свет в электроэнергию. Однако в альтернативной энергетике есть одна существенная проблема, чтобы в ней разобраться, нужно провести аналогию с классическими методами «добычи» электроэнергии.

Дело в том, что в привычных ТЭЦ и АЭС генератор приводит в движение паровая турбина, на ГЭС – течение воды. Это процесс беспрерывный. В случае альтернативной энергетики все немного иначе. Ни ветер, ни солнце не светит постоянно. Бывает штиль, облачность, ночь, в конце концов. А электроэнергия, в большей степени, требуется именно в темное время суток. Как же быть? Необходимо запасти ее в аккумуляторы.

Для чего нужен контроллер заряда для солнечной батареи?

Контроллер для солнечных батарей
Аккумуляторы были изобретены для того, чтобы в них запасать энергию. Поэтому они нашли широчайшее применение в альтернативной энергетике, в установках малых и крупных масштабов. Но есть ряд проблем:

1. Солнечный свет в течение светлого времени суток имеет разную интенсивность.
2. В зависимости от схемы соединений вашей СЭС на выходных клеммах панелей может быть разная величина напряжений.

Контроллер заряда солнечной батареи как раз и нужен для того, чтобы преобразовать энергию, которую отдают устройства в правильный для аккумулятора «вид». С его помощью потоки энергии распределяются таким образом, чтобы обеспечить зарядку приборов в правильном режиме.

Устройство не только помогает зарядить аккумулятор, но и благодаря тому, что этот процесс становится достаточно оптимизированным – срок ее жизни значительно продлевается.

Виды контроллеров для солнечной батареи

В современном мире выделяют три типа контроллеров:

— 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 . 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.

Что такое Точка Максимальной Мощности?

ВАХ элементов солнечной панели не линейна. Она способна выдавать номинальные токи до определенного выходного напряжения. При достижении нужных параметров ток, отдаваемый батареей, снижается. Точкой Максимальной Мощности называется состояние, когда панель дает максимальные напряжение и ток, после этой точки при повышении выходного напряжения падает и ток. MPPT-контроллер стремится использовать именно тот режим солнечной батареи, при котором созданы условия для достижения ТММ. Исходя из этого, следует, что мощность, отдаваемая такими приборами, будет выше.

Однако существует один нюанс, о котором внимательные читатели уже могли догадаться. Если ШИМ-контроллер независимо ни от чего выдает свои Вольты и Амперы, аккумуляторы будут заряжаться даже при минимальном освещении панели, когда ее выходные параметры малы. Тогда как MTTP контроллер может просто не отреагировать на это. Также существуют отдельные модели с возможностью настройки и адаптации под разные условия окружающей среды.

Внимание! Использование этого типа контроллеров может дать прирост эффективности установки (КПД) до 30%.

Можно ли обойтись без контроллера?

Грамотно выбранный контроллер снижает дальнейшие вложения на обслуживания вашей системы альтернативного электроснабжения. Неправильные процессы заряда аккумулятора ведут к снижению его ресурса. Что будет если не использовать контроллеров вообще? В случае, когда солнечная батарея подключается напрямую к АКБ, ток заряда не будет контролированным. Дело в том, что напряжение в точке максимальной мощности для 12-ти вольтных моделей солнечных панелей достигает значений выше 15,5 вольт. Большой ток заряда вызовет закипание ячеек в аккумуляторах, что повлечет за собой выделение тепла и повреждение целостности батарей.

Правильный режим заряда сохранит ресурс устройства, и вам не нужно будет проводить неплановую замену.

На что смотреть при выборе?

При покупке контроллера заряда нужно учитывать:

• Мощность установки.
• Количество батарей.
• Напряжение системы (12, 24 вольта, или иные, в зависимости от конструкции и соединения панелей).
• Ток заряда.

Некоторые батареи продаются с возможностью использования в цепях 12 и 24 вольта, например, BlueSolar MPPT.

Ток заряда – характеризует скорость зарядки ваших АКБ. Обычно его выбирают по формуле «Емкость/10», т.е. для аккумулятора емкостью в 50 А/ч достаточно тока в 5 А. Однако, если у вас стоит целая батарея аккумуляторов, общей емкостью в 200 А/ч, тогда понадобится контроллер способный выдать ток до 20 А, это минимум.

На этот раз я решил сделать автомат, который автоматически включает светодиодное освещение в садовой беседке. Поскольку поблизости нет розетки, а постоянное протягивание удлинителя достаточно утомительное занятие, я решил запитать светодиоды от аккумулятора с подзарядкой от солнечных элементов.

Ранее был описан очень похожий , который освещает стеклянную полку в шкафу. Используя этот драйвер, возникла бы проблема, поскольку для освещения беседки нам нужно больше света, чем для освещения стеклянной полки. Так же, применение более мощного источника света будет быстрее разряжать аккумулятор, который может выйти из строя в результате глубокой разрядки элементов в батарее.

Чтобы этого не допустить, я решил создать простой драйвер с защитой от слишком глубокого разряда батареи на основе . В свою очередь, солнечные элементы также служат в качестве датчика освещенности, что значительно упростило всю схему.

Печатная плата имеет размеры 40мм на 45мм. Кроме того, добавлены два монтажных отверстия. Все устройство питается от трех Ni-MH аккумуляторов (1,2В/1000мАч). Для зарядки используется солнечная батарея с номинальным напряжением 5 вольт и максимальным выходным током до 80 мА. Солнечная батарея заряжает аккумуляторы через выпрямительный диод D1. Схема не имеет защиты от перезаряда батареи из-за того, что в такой конфигурации перезарядка просто невозможна.

Полностью заряженный аккумулятор должен иметь напряжение около 4,2-4,35 В Солнечная батарея вырабатывает напряжение 5В, но происходит падение на выпрямительном диоде в районе 0,7 В, что дает нам напряжение 4,3 В. Транзистор Q1 отвечает за включение освещения в ночное время и отключение его днем. База этого транзистора подключена через резистор 2,2 кОм к положительному полюсу солнечной батареи.

Когда солнечная батарея не вырабатывает электроэнергию, или она слишком маленькая, транзистор Q1 заперт. Тогда ток с вывода («REF») стабилитрона TL431 будет течь только через резистор R4, который создает делитель напряжения вместе с резисторами R2 и R3. Транзистор Q2 управляет нагрузкой в виде светодиодов. Чтобы схема работала правильно, мы не можем игнорировать резистор R5, задачей которого является подтягивание базы транзистора Q2 к плюсу источника питания.

По расчетам для имеющегося напряжения выходит, что резистор должен иметь сопротивление 100 Ом. С таким сопротивлением схема переключается очень быстро. Но проблема состоит в том, что этот резистор имеет достаточно маленькое значение, и через него течет очень большой ток. Общий ток потребления составляет около 23 мА! Я решил этот резистор заменить на резистор большего значения. В итоге я поставил резистор номиналом 1 кОм. Теперь отключение нагрузки не такое быстрое, но ток потребления сократился до 8mA.

Конечно, текущее значения 8 мА потребляется только тогда, когда солнечная батарея находится в темном месте — то есть, только в ночное время, когда горят светодиоды. И это такой же максимальный ток (8 мА), который поступает от батареи при напряжении 4,2 В. Напряжение отключения нагрузки я поставил на 2,9 В. Предельное напряжение для одной ячейки 0,9 В, что при подключении последовательно трех дает нам 2,7 В, и следовательно, у нас есть еще в запасе 0,2 В.

Схема после отключения нагрузки (т.е. при 2,9 В и ниже), потребляет только 50 мкА. Такой же ток будет, когда солнечная батарея заряжает аккумуляторы. Устройство очень отзывчиво на свет, но не на столько, чтобы уличное освещение мешало бы определить сумерки. С момента обнаружения заката до включения светодиодов на 100% проходит примерно 2 мин.

Удалив из системы транзистор Q1, резистор R1 и выпрямительный диод D1 получаем простую схему защиты аккумулятора от глубокого разряда. Подобная схема может использоваться для отключения Li-Ion или Li-Pol аккумулятора от зарядки. Ее можно использовать, например, в фонарике. Существует также возможность создания подобной защиты и на другие напряжения, для этого нужно рассчитать делитель напряжения. Формулы и пример расчета есть

Переход на альтернативные источники энергии продолжается уже довольно много лет, охватывая разные сферы. Несмотря на привлекательность концепции получения бесплатной энергии, на практике ее реализовать непросто. Возникают и технические, и финансовые сложности. Тем не менее в случае небольших по объему проектов альтернативное энергоснабжение себя оправдывает. Например, контроллер для позволяет использовать бесплатное питание для электроприборов даже в домашних условиях. Данный компонент регулирует работу аккумулятора, позволяя оптимально расходовать генерируемый заряд.

Какие параметры контроллера нужно учитывать?

В первую очередь следует исходить из суммарной мощности и входного напряжения системы, под которую подбирается контроллер. То есть именно мощность батареи или комплекса элементов питания не должна превышать произведения напряжения системы на величину выходного тока управляющего устройства. Причем контроллер для подбирается из расчета напряжения в разряженном аккумуляторе. К тому же следует предусмотреть и 20-процентный запас для напряжения на случай повышенной солнечной активности.

Также контроллер рассчитывается в показателе соответствия входному напряжению. Эта величина строго регламентируется на те же случаи аномальной активности излучения. На рынке контроллер для солнечной батареи представлен в разных видах, каждый из которых предполагает свою специфику оценки описанных характеристик.

Особенности выбора контроллеров PWM

Выбор данного типа управляющего устройства отличается простым подходом - будущему пользователю нужно определиться только с оптимальными показателями тока короткого замыкания в используемом модуле. Также следует предусматривать некоторый запас. Например, если ток солнечного генератора мощностью 100 Вт стабильно функционирует при показателе в 6,7 А, то контроллер должен располагать номинальным значением тока порядка 7,5 А.

Иногда берется в расчет и ток разряда. Особенно его важно учитывать при эксплуатации контроллеров с функцией управления нагрузкой. В данном случае выбор контроллера для солнечной батареи делается с таким расчетом, чтобы ток разряда не превышал аналогичное номинальное значение в управляющем устройстве.

Особенности выбора контроллеров MPPT

Данный тип контроллеров подбирается по критерию мощности. Так, если максимальный ток устройства составляет 50 А и система оптимально функционирует с напряжением 48 В, то пиковая мощность контроллера составит около 2900 Вт с учетом добавки страхующего потенциала. И здесь важен еще один аспект. Дело в том, что напряжение солнечных генераторов может понижаться в случаях их разряда. Соответственно, и мощность может упасть на существенную долю процента. Но это не значит, что можно делать скидку и на показатели самого контроллера - его мощностный потенциал должен охватывать именно предельные значения.

Кроме того, в вопросе о том, как выбрать контроллер для солнечных батарей типа MPPT, следует учитывать и особенности излучаемой радиации. На поверхности земли интенсивность солнечного света добавляет еще 20% к мощности аккумуляторной инфраструктуры. Такие явления нельзя назвать правилом, но даже как случайность они должны предусматриваться в расчете мощности контроллера.

Как сделать котроллер самостоятельно?

Типовой вариант самодельного контроллера предполагает использование скромного набора элементов. Среди них будет транзистор, выдерживающий ток до 49 А, реле-регулятор от автомобиля, резистор на 120 кОм и диодный элемент. Далее реле подключается к аккумулятору, а затем провод по резистору проходит к затвору транзистора. В процессе работы реле-регулятора плюсовой сигнал должен отпирать затвор, и ток от модуля солнечного света будет проходить через лапки транзистора в аккумулятор.

Если делается универсальный контроллер для с расчетом на исключение самопроизвольного потребления накапливаемой энергии, то интеграция в систему диода будет обязательной. В ночное время он создаст для подсветку, исключая дополнительное потребление энергии модулем.

Можно ли обойтись без контроллера для солнечной батареи?

Перед тем как дать ответ на этот вопрос, нужно вспомнить, какова вообще функция контроллера в составе солнечного модуля. С его помощью владелец может автономно управлять процессом заряда аккумуляторного блока за счет энергии света. Если контроллера не будет, то процесс наполнения энергией может происходить вплоть до момента выкипания электролита. То есть совсем без средства управления взаимодействием солнечной панели и аккумулятора обойтись нельзя. Другое дело, что контроллер для солнечной батареи может быть заменен вольтметром. При обнаружении пиковых значений заряда и напряжения пользователь самостоятельно может остановить процесс путем отключения блока АКБ. Такой подход, конечно, неудобен по сравнению с автоматическим контролем, но в случае редкого использования системы и он себя может оправдать.

Заключение

Изготовлением солнечных контроллеров и других комплектующих для подобного рода модулей сегодня занимаются многие компании. Этот сегмент уже не рассматривается обособленным и специфическим. На рынке такие компоненты можно приобрести за 10-15 тыс. рублей, причем хорошего качества. Конечно, самодельный контроллер для солнечной батареи с применением бюджетных резисторов и деталей автомобильной электротехники обойдется в разы дешевле, но он едва ли сможет гарантировать должный уровень надежности. А момент стабильности работы и безопасности особенно важен в эксплуатации солнечных панелей, не говоря об аккумуляторе. В случае успешного оснащения солнечного модуля качественным контроллером владелец сможет рассчитывать на автоматическое накопление электроэнергии без необходимости вмешательства в процесс генерации.