Солнечные контроллеры заряда для солнечных батарей — для чего они нужны?

Зачем нужны солнечные контроллеры

Любая автономная система электроснабжения, содержащая аккумуляторные батареи, должна включать средства контроля зарядки и разрядки батарей.

Контроллеры заряда используются в автономных солнечных системах для правильной зарядки аккумуляторных батарей (АБ), защиты от перезаряда (когда батарея заряжается, а солнечная панель выдает избыточный ток). Некоторые модели также имеют контакты для подключения нагрузки постоянного тока и защищают аккумулятор от глубокого разряда.

Функции контроллера

Основным компонентом остается чип, следящий за работой устройства, отвечающий за процесс зарядки аккумулятора. Основная функция заключается в следующем:

если заряд достигает максимального значения, устройство автоматически ограничивает подачу питания, отдавая ему необходимое количество энергии;

если батарея разряжена, контроллер автоматически ограничивает все входящие нагрузки.

Функции этого устройства можно разделить на несколько пунктов:

зарядка батареи;

автоматическая регулировка процесса включения и выключения аккумулятора в режиме зарядки/разрядки аккумулятора;

автоматическое подключение фотоэлементов для зарядки;

Контроллер играет важную роль, его функции позволяют значительно увеличить срок службы батареи, вырабатывающей энергию от солнечных батарей.

Если светит солнце, устройство находится в «спящем режиме». С появлением первых лучей он продолжает оставаться неподвижным. Только по достижении заряда 10В контроллер включается автоматически. Напряжение, достигнув этого показателя, после включения начинает передавать электрический ток на аккумулятор до тех пор, пока уровень заряда не достигнет значения 14В.

После достижения этой отметки в схеме работы происходят изменения, которые прекращают подачу электроэнергии для зарядки аккумулятора. После разрядки схема переходит в рабочий режим в течение трех секунд.

Параметры контроллера

Важным фактором, который необходимо учитывать при планировании строительства системы солнечных батарей, является показатель общей мощности. Это означает, что мощность панелей не должна быть выше значения, определяемого путем умножения коэффициента напряжения системы на величину входного тока.

Здесь необходимо помнить, что контроллер солнечной панели нужно подбирать с учетом данных полностью разряженного аккумулятора. Не менее важно учитывать случаи повышенной солнечной энергии и включать в расчеты запас по напряжению не менее 20 процентов.

Основные типы

Контроллеры используются для обеспечения надежной защиты солнечных панелей от перезарядки. Сегодня эти устройства выпускаются нескольких типов.

1. Устройства «Вкл-Выкл». Они просты и обходятся пользователям относительно недорого. Основная задача, которую выполняют такие устройства, — автоматическое отключение питания и защита аккумулятора от перегрева при его полной зарядке.

2. ШИМ-контроллеры. Эти устройства представляют собой более совершенные модели типа «On-Off». Модернизация заключается в использовании более современной функции ШИМ, дающей возможность при достижении максимального напряжения не отключать питание полностью, а только уменьшать мощность. Это позволило добиться 100% заряда аккумулятора.

Однако его отличает упрощенный подход к процессу управления. Перед покупкой контроллера заряда аккумулятора пользователь должен решить, каким должен быть оптимальный показатель тока, а также убедиться, что устройство имеет определенный запас.

3. Блок MPRT на сегодняшний день является самым совершенным. Его работа основана на определении точного значения максимального напряжения для конкретной модели аккумулятора. Он обеспечивает непрерывный контроль тока и напряжения в системе.

Получая данные и обрабатывая их, устройство поддерживает постоянные значения, оптимальные для создания максимальной мощности системы. КПД такого устройства в среднем на 20-30 процентов выше по сравнению с другими моделями.

Применяемые на практике виды

На промышленном уровне налажен и осуществляется выпуск двух типов электронных устройств, конструкция которых пригодна для установки в схему солнечной энергосистемы:

1. Устройства серии PWM.
2. Устройства серии MPPT.

Первый тип контроллера для солнечной батареи можно назвать «старичком». Такие схемы разрабатывались и вводились в эксплуатацию в начале становления солнечной и ветровой энергетики.

Принцип работы схемы ШИМ-регулятора основан на алгоритмах широтно-импульсной модуляции. Функционал таких устройств несколько уступает более продвинутым устройствам серии MPPT, но в целом они тоже работают достаточно эффективно.

Одна из популярных в сообществе моделей контроллера заряда аккумулятора солнечной станции, несмотря на то, что схема устройства выполнена с использованием ШИМ-технологии, которая считается устаревшей

Конструкции, где используется технология Maximum Power Point Tracking (отслеживание предела максимальной мощности), отличаются современным подходом к схемным решениям и обеспечивают большую функциональность.

Но если сравнивать оба типа контроллеров и притом с уклоном в бытовую сферу, устройства MPPT выглядят не в том радужном свете, в котором их традиционно рекламируют.

Контроллер типа MPPT:

• имеет более высокую стоимость;
• имеет сложный алгоритм настройки;
• дает выигрыш в мощности только на панелях большой площади.

Этот тип оборудования больше подходит для глобальных систем солнечной энергетики.

Контроллер, предназначенный для работы в составе конструкции солнечной электростанции. Является представителем класса устройств MPPT — более совершенным и эффективным

Для нужд обычного пользователя из домашних условий, который, как правило, имеет небольшие панели, выгоднее купить и эксплуатировать ШИМ-регулятор (ШИМ) той же мощности).

Структурные схемы контроллеров

Принципиальные схемы ШИМ и МРРТ контроллеров для неспециалиста слишком сложный момент, сочетающийся с тонким пониманием электроники. Поэтому логично рассматривать только структурные схемы. Такой подход понятен широкому кругу людей.

Вариант #1 — устройства PWM

Напряжение от солнечной панели по двум проводникам (положительному и отрицательному) поступает на стабилизирующий элемент и цепь разделительного сопротивления. Благодаря этой части схемы потенциалы входного напряжения выравниваются, и в какой-то мере организуют защиту входа контроллера от превышения предела входного напряжения.

Здесь следует подчеркнуть: каждая отдельная модель устройства имеет определенный предел входного напряжения (указанный в документации).

Вот так выглядит блок-схема устройств, выполненных на основе ШИМ-технологий. Для работы в составе малых бытовых станций такой схемный подход обеспечивает вполне достаточную эффективность

Кроме того, напряжение и ток ограничиваются до необходимого значения силовыми транзисторами. Эти компоненты схемы, в свою очередь, управляются микросхемой контроллера через микросхему драйвера. В результате на выходе пары силовых транзисторов устанавливаются нормальные для аккумулятора значения напряжения и тока.

Также в схеме присутствует датчик температуры и драйвер, управляющий силовым транзистором, регулирующим мощность нагрузки (защита от глубокого разряда аккумулятора). Датчик температуры следит за состоянием нагрева важных элементов ШИМ-контроллера.

Обычно уровень температуры внутри корпуса или на радиаторах силовых транзисторов. Если температура выходит за пределы, установленные в настройках, устройство отключает все активные линии питания.

Вариант #2 — приборы MPPT

Сложность схемы в этом случае обусловлена ​​добавлением в нее ряда элементов, более тщательно выстраивающих необходимый алгоритм управления, исходя из условий эксплуатации.

Уровни напряжения и тока контролируются и сравниваются схемами компараторов, и результаты сравнения определяют максимальную выходную мощность.

Схемное решение в конструктивном виде для контроллеров заряда на основе технологий MPPT. Здесь уже упоминался более сложный алгоритм мониторинга и управления периферией

Основное отличие этого типа контроллера от ШИМ-устройств заключается в том, что они способны настроить солнечный модуль на максимальную мощность, независимо от погодных условий.

В схеме таких устройств реализовано несколько способов управления:

• возмущения и наблюдения;
• повысить проводимость;
• текущая развертка;
• постоянное напряжение.

И в последнем сегменте общего действия также используется алгоритм для сравнения всех этих методов.

Способы подключения контроллеров

Рассматривая тему подключений, сразу следует отметить: для установки каждого отдельного устройства характерная функция работает с определенной серией солнечных панелей.

Так, например, если используется контроллер, рассчитанный на максимальное входное напряжение 100 вольт, серия солнечных панелей должна выдавать напряжение не выше этого значения.

Любая солнечная электростанция работает по правилу балансировки выходного и входного напряжений первой ступени. Верхний предел напряжения регулятора должен совпадать с верхним пределом напряжения панели

Перед подключением устройства необходимо определить место его физической установки. По нормативам местом установки должны быть сухие, хорошо проветриваемые помещения. Наличие рядом с устройством легковоспламеняющихся материалов исключено.

Недопустимо наличие источников вибрации, тепла и влаги в непосредственной близости от устройства. Место установки должно быть защищено от дождя и прямых солнечных лучей.

Техника подключения моделей PWM

Практически все производители ШИМ-контроллеров требуют соблюдения точного порядка подключения устройств.

Техника соединения ШИМ-контроллеров с периферией не представляет особой сложности. Каждая карта оснащена маркированными клеммами. Здесь нужно просто соблюдать последовательность действий

Подключать внешние устройства необходимо в полном соответствии с обозначениями контактных клемм:

1. Подсоедините провода аккумулятора к клеммам аккумулятора на устройстве в соответствии с указанной полярностью.
2. Непосредственно в месте контакта плюсового провода включите защитный предохранитель.
3. Подсоедините провода, выходящие из солнечных панелей, к разъемам контроллера, предназначенным для солнечной панели. Соблюдайте полярность.
4. Подсоедините индикаторную лампу с правильным напряжением (обычно 12/24 В) к клеммам нагрузки блока).

Указанный порядок не должен нарушаться. Например, категорически запрещается подключать солнечные батареи в первую очередь с неподключенной батареей. Такими действиями пользователь рискует «сжечь» устройство. В этом материале более подробно описана схема монтажа солнечных панелей с аккумулятором.

Для контроллеров серии PWM также недопустимо подключение преобразователя напряжения к клеммам нагрузки контроллера. Преобразователь должен быть подключен непосредственно к клеммам аккумулятора.

Порядок подключения приборов MPPT

Общие требования к физической установке для этого типа устройств такие же, как и для предыдущих систем. Но настройка процесса часто несколько отличается, так как контроллеры MPPT часто считаются более мощными машинами.

Для контроллеров, рассчитанных на высокие уровни мощности, рекомендуется использовать кабели большого сечения, оснащенные металлическими наконечниками в местах соединения силовых цепей

Для систем большой мощности, например, эти требования дополняются тем, что производители рекомендуют брать кабель для силовых линий связи, рассчитанный на плотность тока не менее 4 А/мм2. То есть, например, для контроллера на ток 60 А нужен кабель для подключения аккумулятора сечением не менее 20 мм2.

Соединительные кабели должны быть снабжены медными башмаками, плотно обжатыми специальным инструментом. Отрицательные полюса солнечной панели и аккумулятора должны быть снабжены переходниками с предохранителями и выключателями.

Такой подход исключает потери энергии и обеспечивает безопасную работу установки.

Перед подключением солнечных панелей к устройству убедитесь, что напряжение на клеммах равно или меньше напряжения, которое можно подать на вход контроллера.

Подключите периферийные устройства к MTTP-устройству:

1. Переведите панель и выключатели батареи в положение «выключено».
2. Выньте предохранители на панели и аккумуляторе.
3. Подсоедините кабель от клемм аккумулятора к клеммам управления аккумулятором.
4. Подключите выходы солнечной панели кабелем к клеммам контроллера, помеченным соответствующей этикеткой.
5. Подсоедините кабель к клемме заземления с шиной заземления».
6. Установите датчик температуры на контроллер согласно инструкции.

После этих действий необходимо заменить снятый ранее предохранитель аккумулятора и повернуть переключатель в положение «включено». На экране контроллера появится предупреждение об обнаружении батареи.

Затем, после небольшой паузы (1-2 минуты), замените снятый ранее предохранитель солнечной панели и поверните выключатель панели в положение «включено».

На экране прибора отобразится значение напряжения солнечной панели. Этот момент свидетельствует об успешном запуске солнечной установки.

Какие бывают солнечные контроллеры заряда для аккумуляторов?

Современные контроллеры заряда солнечных батарей делятся на 2 большие группы — ШИМ (PWM и) TMM (с отслеживанием MPPT .

Для зарядки аккумулятора от ШИМ-контроллера необходимо, чтобы напряжение солнечной батареи совпадало с напряжением аккумулятора.

Итак, для зарядки аккумулятора 12В нужна солнечная батарея с 36 солнечными элементами, соединенными последовательно (для увеличения мощности таких цепочек их может быть несколько параллельно). Подробно о соответствии напряжения батареи и количества солнечных элементов в панели описано в статье Как выбрать солнечную батарею и не пожалеть?

Чтобы зарядить батарею через контроллер MPPT, напряжение солнечной батареи просто должно быть выше, чем напряжение батареи. Также необходимо следить за тем, чтобы напряжение холостого хода солнечной батареи не превышало максимально допустимое напряжение солнечного контроллера.

Процедура выбора мощности и тока солнечного контроллера подробно описана в разделе «Вопросы и ответы — Контроллеры — Как правильно выбрать контроллер заряда для солнечных батарей?»

Солнечные контроллеры заряда могут быть встроены в инверторы или источники бесперебойного питания. Зарядные устройства обычно встроены в ИБП. См., например, ИБП Prosolar Combi и инверторы Studer AJ-S

Мы не рекомендуем экономить на хорошем контроллере заряда солнечной батареи. Типичное распределение затрат элементов энергосистемы выглядит следующим образом:

Элемент	Срок службы, лет	Цена
Солнечный модуль	20-30	25–30%
Управление зарядкой	10	2-4%
Батареи	2-6	50–60%
Остальные	старше 10	10%

Как видите, стоимость солнечного контроллера составляет малую часть от общей стоимости энергосистемы. Однако технологии зарядки сильно влияют как на эффективность использования солнечной энергии, так и на срок службы одной из самых дорогих частей автономной системы электроснабжения — аккумуляторов.

Контроллеры заряда отличаются

1. алгоритм зарядки на последнем этапе зарядки при достижении напряжения заряжаемой батареи,
2. по методам регулирования тока (шунтовое и последовательное),
3. по возможности отслеживание точки максимальной мощности (MPP) солнечного модуля.

Сравнение контроллеров MPPT и PWM (ШИМ)

В солнечных и ветряных установках для производства электрической энергии используются контроллеры двух типов, это MPPT, о котором было рассказано выше, и PWM (ШИМ) контроллеры.

ШИМ-устройства — более дешевые устройства, принцип работы которых основан на использовании широтно-импульсной модуляции. Устройства этого типа делятся на шунтирующие и последовательные.

Чтобы выбрать наиболее подходящий для конкретной системы, нужно их сравнить, изучить преимущества и недостатки каждого типа таких устройств.

Читайте также:Какой КПД электродвигателя? 

Достоинства устройств разного типа:

1. MRPT-контроллеры.

• Возможность использования в разных системах, отличающихся источником энергии (солнечные, ветряные, комбинированные системы)
• Высокая эффективность.
• создание оптимальных условий работы аккумуляторов позволяет продлить срок их службы.
• Высокое входное напряжение позволяет уменьшить количество кабелей и проводов, используемых для соединения элементов системы, или увеличить расстояние от источника питания до контроллера.
• Использование устройств этого типа позволяет повысить КПД солнечных батарей, за счет возможности зарядки аккумуляторов при слабом освещении.

1. ШИМ-контроллеры.

• Бюджетный.
• Последовательные модели: позволяют одновременно использовать разные источники энергии и создают низкий нагрев при регулировании;
• Модели с шунтом: незначительные потери тока при работе, низкие электромагнитные помехи и низкое падение напряжения в выключателях.

Недостатки устройств разного типа:

1. MRPT-контроллеры.

• Высокая цена.
• Более сложная технология, по сравнению с аналогами.

1. ШИМ-контроллеры.

• Серийные модели: при полной зарядке отключается источник питания, значительные потери в последовательном включении, электромагнитные помехи.
• Шунтовые модели: значительный нагрев при работе, невозможность использования с другими источниками энергии, кроме солнечных батарей.

Методы регулирования, применяемые в солнечных контроллерах

Самые простые контроллеры просто отключают источник энергии (солнечную батарею) при достижении напряжения батареи около 14,4 В (для АКБ с номинальным напряжением 12 В). Когда напряжение на аккумуляторе падает примерно до 12,5-13 В, снова подключается солнечная батарея и возобновляется зарядка.

При этом максимальный уровень зарядки АКБ в этом случае составляет 60-70%. При обычном недозаряде происходит сульфатация пластин и резкое сокращение срока службы аккумулятора.

Такие контроллеры практически уже не производятся серийно, и в основном с этим типом контроллеров можно встретить различных «самоделов», которые либо не имеют возможности купить современный контроллер, либо пытаются «сэкономить» (сбережения, в до конца не будет ничего — см ниже) о преимуществах контроллеров с ШИМ и СТММ)

Более продвинутые контроллеры на завершающей фазе заряда используют так называемую широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) зарядного тока — по-английски PWM (pulse width modulation). ШИМ-контроллеры обеспечивают 100% заряд аккумулятора. Узнайте больше о ШИМ-контроллерах здесь…

Самые сложные контроллеры способны контролировать точку максимального тока фотогальванических систем. Такие контроллеры называются контроллерами MPPT (Maximum Power Point Tracking). Кроме того, контроллеры MPPT также используют ШИМ для регулирования тока зарядки аккумулятора.

ШИМ-контроллеры также делятся на шунтирующие и последовательные.

В шунтовых контроллерах солнечная панель закорочена; таким образом, ток от солнечной панели проходит через шунт и не поступает в батарею. Такой принцип работы не позволяет подключать ко входу контроллера другие источники энергии, кроме фотогальванических батарей.

В последовательных контроллерах источник питания отключен от батареи и нагрузки. Напряжение на источнике тока возрастает до значения напряжения холостого хода.

Каждый тип регулирования имеет свои преимущества и недостатки.

Регулирование	Преимущества	Недостатки	Иллюстрация
Последовательный все управление EPSolar, SRNE Steca (кроме PR и Tarom) Утренняя звезда RE Санстар	1. Можно использовать разные источники 2. Меньше тепла при регулировании 3. Выключите источник, когда он полностью заряжен	1. Потеря серийных ключей 2. Большие скачки напряжения при регулировании приводят к высоким электромагнитным помехам	Последовательная регулировка зарядного тока
Шунт Steca PR и Таром	1. Низкий уровень электромагнитных помех 2. Низкое падение напряжения на ключах 3. Небольшие потери тока на СБ за счет прямого подключения СБ к АБ	1, больше нагрева во время регулирования 2. Можно использовать только с SB	Шунтовое управление зарядным током
MPPT EPSolar Tracer, SRNE MR, Стека Соларкс MPPT Прослар SunStar MPPT Аутбэк ФлексМакс Морнинстар Тристар MPPT СМОТРЕТЬ XW MPPT Изучите VarioTrack и VarioString	1. Разное напряжение на входе и выходе контроллера 2. На вход можно подключать разные источники 3. Гальваническая развязка входа и выхода 4. Большая выработка энергии за счет работы в модуле ТММ	1. Потеря конверсии 2. Более сложные технологии 3. Более высокая цена	Топология MPPT-контроллер

Как выбрать

При выборе контроллера важно учитывать следующие нюансы.

Напряжение солнечной батареи

На контроллер подается напряжение от одной или нескольких панелей, объединенных по разным схемам. При выборе устройства важно, чтобы общее приложенное напряжение с учетом холостого хода не превышало предельного значения, указанного производителем.

Параметры панели не всегда соответствуют заявленным, солнечную генерацию нельзя назвать стабильной, поэтому контроллер рекомендуется покупать с запасом 20-30%.

Мощность солнечной батареи

Суммарная мощность солнечных батарей, питаемых через контроллер, не должна превышать технических характеристик, указанных в руководстве пользователя.

Ток заряда

Выбирая контроллер для солнечной электростанции, помните, что оптимальный зарядный ток для аккумулятора составляет 10% от емкости аккумулятора. Зарядка источников для накопителей энергии с другими параметрами тока приводит к ускоренному пробою пластин, а также может привести к закипанию электролита.

Контроллер заряда солнечных батарей – важный элемент солнечной энергосистемы, обеспечивающий нормальную работу. Задача модуля – распределять поток электроэнергии, вырабатываемой солнечными панелями, поддерживать стабильное напряжение на выходе, минимизировать перезарядку и возникновение аварийных ситуаций.

Для бытовых нужд лучше выбирать ШИМ-регуляторы, они дешевле, проще в обслуживании. Для тяжелых установок целесообразно приобрести устройство MPPT с микроконтроллером. Не рекомендуется устанавливать устройства малоизвестных марок, так как они не всегда способны обеспечить параметры, соответствующие указанным в инструкции.

Вычисление степени заряженности аккумуляторной батареи

Различаются контроллеры и алгоритмом регулирования. Большинство контроллеров обеспечивают регулировку по напряжению, либо по состоянию заряда аккумулятора (SOC — state of charge). SOC могут быть прочитаны только продвинутыми контроллерами.

Многие недорогие контроллеры, которые показывают уровень заряда батареи в %, не могут фактически рассчитать SOC и выдать приблизительное число в зависимости от напряжения батареи и, в лучшем случае, скорости изменения.

Считается, что регулирование SOC улучшает производительность батареи и продлевает срок службы батареи.

Следующие модели контроллеров действительно могут рассчитывать SOC, при условии, что контроллер учитывает полный зарядный и разрядный ток батареи (может потребоваться измерительный шунт на батарее):

• Серия Steca PR и Tarom
• MPPTProsolar SunStar (с дополнительным шунтом)
• Outback FlexMax (с дополнительным шунтом и управлением FlexNet DC)