Контроллер заряда солнечной батареи: схема, принцип работы, способы подключения

Виды контроллеров

В продаже представлены контроллеры двух типов PWM и MPPT, у каждого положительные, отрицательные нюансы.

Контроллеры PWM

Контроллер PWM.

Прибор с широтно-импульсной модуляцией, которая считается устаревшей

В основе контролера ШИМ, удерживающий напряжение путём дифференциации скважности генерируемого сигнала

PWM-контроллер снимает напряжение на входе, с контура DC-DC-трансформатора. Таким образом, обеспечивается поддержка напряжения, заданного пользователем. Как правило, это 12-14 вольт, но существуют модели, где можно установить другие параметры. Импульсы ШИМ передаются на высокочастотные транзисторные ключи, ответственные за контроль питания дросселя.

На последнем в результате создаются быстрые перепады напряжения, чья амплитуда больше входных параметров. На выходе напряжение выравнивается конденсатором, стабилизируется диодом.

Среди преимуществ:

• надёжность;
• цена;
• простота конструкции.

Недостатки:

сниженный КПД.

Контроллеры МРРТ

Контроллер МРРТ.

MPPT, по своему принципу работы – модернизированная версия PWM, только за генерацию импульсов отвечает не ШИМ, а микрокомпьютер, состоящий из процессора и внутренней памяти. Такое решение предлагает расширенные возможности, в частности, контроль силы тока и напряжения, как на выходе, так и на входе преобразователя. Также микроконтроллер способен отслеживать температуру внутренних элементов цепи, исключая перегрев.

Более точный контроль входящих/исходящих параметров увеличивает производительность солнечных панелей, фактически исключая потери тепла на этапе светорассеивания.

Контроллер МРРТ применяется на крупных предприятия, промышленных солнечных электростанциях.

Среди преимуществ:

• производительность;
• возможность установить точные параметры работы;
• быстрая окупаемость;
• процент энергопотерь.

Недостатки:

цена выше ШИМ-аналогов.

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.

Как выбрать контроллер для заряда солнечных батарей

Чтобы выбрать необходимый контроллер, необходимо определиться, какие солнечные панели установлены,или планируется установить. Далее необходимо рассчитать их мощность, определить, на какое рабочее напряжение они рассчитаны, уточнить прочие параметры формируемой системы.

Затем изучают параметры, предъявляемые к контроллеру, и увязывают их с характеристиками системы, в которой будет работать устройство. Когда технические величины определены и отвечают предъявляемым к ним требованиям, необходимо выбрать страну и фирму производителя устройства, решить из какого ценового диапазона следует выбрать котроллер. Определиться с местом приобретения и купить выбранный аппарат.

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.

Схема устройства солнечной электростанции

Рассмотрим, как устроена и работает гелиосистема для загородного дома. Главное ее назначение – преобразовать энергию солнца в электричество 220 В, которое является основным источником питания для домашних электроприборов.

Основные части, из которых состоит СЭС:

1. Батареи (панели), преобразующие солнечное излучение в ток постоянного напряжения.
2. Контроллер, регулирующий заряд АКБ.
3. Блок аккумуляторных батарей.
4. Инвертор, преобразующий напряжение АКБ в 220 В.

Конструкция батареи продумана таким образом, что позволяет оборудованию функционировать в различных погодных условиях, при температуре от -35ºС до +80ºС.

Выходит, что правильно установленные солнечные батареи будут работать с одинаковой производительностью и зимой, и летом, но при одном условии – в ясную погоду, когда солнце отдает максимальное количество тепла. В пасмурную эффективность работы резко снижается.

Эффективность СЭС в средних широтах велика, но не настолько, чтобы полностью обеспечивать электричеством большие дома. Чаще гелиосистема рассматривается как дополнительный или резервный источник электроэнергии

Вес одной батареи на 300 Вт равен 20 кг. Чаще всего панели монтируют на крышу, фасад или специальные стойки, установленные рядом с домом. Необходимые условия: разворот плоскости в сторону солнца и оптимальный наклон (в среднем 45° к поверхности земли), обеспечивающий перпендикулярное падение солнечных лучей.

При возможности устанавливают трекер, отслеживающий движение солнца и регулирующий положение панелей.

Верхняя плоскость батарей защищена закаленным противоударным стеклом, которое легко выдерживает удары града или тяжелые снежные наносы. Однако необходимо следить за целостностью покрытия, иначе поврежденные кремниевые пластины (фотоэлементы) перестанут работать

Контроллер выполняет насколько функций. Кроме основной – автоматической регулировки заряда АКБ, контроллер регулирует подачу энергии от солнечных батарей, предохраняя тем самым аккумулятор от полной разрядки.

При полном заряде контроллер автоматически отключает АКБ от системы. Современные устройства оборудованы панелью управления с дисплеем, показывающим напряжение батарей.

Для самодельных гелиосистем лучшим выбором являются гелевые аккумуляторы, отличающиеся сроком бесперебойного функционирования 10-12 лет. После 10-летней работы их емкость уменьшается примерно на 15-25 %. Это необслуживаемые и абсолютно безопасные устройства, не выделяющие вредных веществ.

Зимой или в пасмурную погоду панели также продолжают работать (если их регулярно очищать от снега), но выработка энергии снижается в 5-10 раз

Задача инвертеров – преобразовывать постоянное напряжение от АКБ в переменное напряжение 220 В. Они отличаются такими техническими характеристиками, как мощность и качество получаемого напряжения. Синусовое оборудование способно обслуживать наиболее «капризные» к качеству тока приборы – компрессоры, бытовую электронику.

Обзор бытовой СЭС:

Стоит знать, что бытовые электростанции способны обслуживать постоянно работающий холодильник, периодически запускаемый погружной насос, телевизор, систему освещения. Чтобы обеспечить энергией функционирование котла или даже микроволновки, потребуется более мощное и очень дорогое оборудование.

Простейшая схема солнечной электростанции, включающая главные составные элементы. Каждый из них выполняет свою функцию, без которой работа СЭС невозможна

Существуют и другие, более сложные схемы сборки солнечных электростанций, однако данное решение является универсальным и наиболее востребованным в быту.

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%

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.

Поиск прибора

Как выбрать контроллер заряда для солнечной батареи для ежедневной эксплуатации? Прежде всего решите, какие источники альтернативной энергии вы будете задействовать. При использовании одновременно как солнечных панелей, так и ветрогенератора, вам понравится гибридный, который позволяет либо задействовать их одновременно, чтобы обеспечить зарядку аккумулятора, либо попеременно.

Подберите себе оптимальное рабочее напряжение для работы вашего оборудования. В качестве накопителя может быть использована свинцово-кислотная аккумуляторная батарея на 12 вольт и 60 ампер-часов из автомобиля. Найти контроллер на это напряжение будет проще всего ввиду их распространенности.

Себе можно приобрести PWM контроллер для солнечной батареи. Он не очень дорогой, а небольшая разница в КПД практически не отразится на скромном хозяйстве. Зато благодаря высокой надежности вы покупаете его раз и навсегда. PWM контроллеры не требуют настройки и дополнительного обслуживания во время эксплуатации.

Для чего контроллер аккумулятора

Несмотря на то, что емкость современных АКБ, как и их функциональные возможности, существенно увеличилась, алгоритм их зарядки остался практически неизменным. Когда батарея разряжается, к ней подключают специальное оборудование, которое за счет стимулирования химических реакций в аккумуляторе производит пополнение его емкости.

Важно! Если своевременно не прекратить зарядку, то АКБ может перегреться, и даже произойти взрыв. В ситуации, когда тока для восполнения заряда недостаточно, батарея не может восстановить свою емкость, нахождение длительное время в разряженном состоянии может существенно сократить срок эксплуатации

Чтобы все процессы происходили корректно, а встроенный в мобильный прибор элемент питания работал как можно дольше, необходим контроллер заряда аккумулятора

В его основе, как правило, находятся два резистора, которые контролируют верхний и нижний пределы напряжения. В самом начале восполнения энергии они пропускают через себя максимальный ток, затем его постепенно сокращают, предохраняя АКБ от перезарядки. Если напряжение ниже минимально необходимого, резистор дополняет его до требуемого уровня за счет ранее накопленной энергии

Чтобы все процессы происходили корректно, а встроенный в мобильный прибор элемент питания работал как можно дольше, необходим контроллер заряда аккумулятора. В его основе, как правило, находятся два резистора, которые контролируют верхний и нижний пределы напряжения. В самом начале восполнения энергии они пропускают через себя максимальный ток, затем его постепенно сокращают, предохраняя АКБ от перезарядки. Если напряжение ниже минимально необходимого, резистор дополняет его до требуемого уровня за счет ранее накопленной энергии.

Контроллер заряда АКБ в обязательном порядке присутствует в ноутбуках, мобильных телефонах, переносных кассовых аппаратах, планшетах и так далее. Устанавливают его и в возобновляемые источники энергии, поскольку принцип их работы заключается в том, чтобы накопить энергию в специальную батарею в период солнечной или ветряной активности, а затем передавать ее потребителю. Чтобы контролировать данные процедуры, нужен в данном оборудовании описываемый элемент.

Применение приборов для отслеживания заряда аккумулятора

Как осуществить подключение самостоятельно

Подключить контроллер заряда MPPT для солнечных батарей достаточно просто. Для этого следует понимать принципиальную схему подключения, уметь в ней разбираться и ориентироваться, а также соединить все провода и элементы с полным соблюдением полярности, то есть «плюс» соединить с «плюсом», а «минус» с «минусом».

На рисунке ниже можно увидеть специальные отверстия с «плюсом» и минусом», собственно следует правильно засунуть в них нужные провода.

Более подробная схема представлена ниже.

Схема подключения довольно-таки проста, важно соединить все элементы, соблюдая полярность, а также необходимо учесть, чтобы они безопасно располагались в доме и не угрожали жизни. Справиться с такой задачей сможет каждый. Возможно подключение нескольких аккумуляторов, однако здесь присоединять необходимо смешанным способом, а именно: группа аккумуляторных батарей подключается между собой параллельно, а к контроллеру последовательно

Подобную схему можно увидеть на рисунке ниже

Возможно подключение нескольких аккумуляторов, однако здесь присоединять необходимо смешанным способом, а именно: группа аккумуляторных батарей подключается между собой параллельно, а к контроллеру последовательно. Подобную схему можно увидеть на рисунке ниже.

Как видно из схемы, количество аккумуляторов не ограничено. Однако, следует понимать, что при таком числе необходимо приобрести соответствующий инвертор, который будет способен справиться с такой большой нагрузкой.