Как выбрать контроллер заряда солнечной батареи

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.

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.

Самодельный контроллер: особенности, комплектующие

Устройство предназначено для работы только с одной солнечной панелью, которая создает ток с силой, не более 4 А. Емкость аккумулятора, зарядкой которого управляет контроллер, является 3 000 А*ч.

Для изготовления контроллера нужно подготовить следующие элементы:

• 2 микросхемы: LM385-2.5 и TLC271 (является операционным усилителем);
• 3 конденсатора: С1 и С2 являются маломощными, имеют 100n; С3 имеет емкость 1000u, рассчитан на 16 V;
• 1 индикаторный светодиод (D1);
• 1 диод Шоттки;
• 1 диод SB540. Вместо него можно использовать любой диод, главное, чтобы он мог выдержать максимальный ток солнечной батареи;
• 3 транзистора: BUZ11 (Q1), BC548 (Q2), BC556 (Q3);
• 10 резисторов (R1 – 1k5, R2 – 100, R3 – 68k, R4 и R5 – 10k, R6 – 220k, R7 – 100k, R8 – 92k, R9 – 10k, R10 – 92k). Все они могут быть 5%. Если хочется большей точности, то можно взять резисторы 1%.

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.

Подбор контроллера по максимальной нагрузке, зарядному току акб и по количеству акб

Одним из важных аспектов выбора контроллера является максимальная выходная мощность контроллера, которая должна учитываться как со стороны контроллера, так и со стороны акб. Рассмотрим почему.

Допустим, имеем комплект акб большой емкости. Соответственно чтобы зарядить данные акб в течение дня, контроллер должен выдавать необходимую мощность, ну и мощность подключенных солнечных батарей должна быть, естественно, не меньшей. Если мощность контроллера и массива солнечных батарей будет меньше, то акб не успеют зарядиться в течение дня, и при постоянной нагрузке разрядятся еще больше, и так каждый раз, что скажется на их последующем ресурсе.

Если подключенные акб к солнечному контроллеру имеют маленькую емкость. Для современных контроллеров эта проблема уже не актуальна, но стоит рассмотреть такой вариант

На старых или простых контроллерах очень важно было подобрать контроллер, мощность которого с равной мощностью солнечных батарей позволят в течение дня зарядить акб, разряженный за ночь, и обеспечить питанием дневные электрические нагрузки. Для аккумуляторных батарей максимальный зарядный ток не должен превышать 30% от номинала емкости, если акб имеет емкость 100АЧ, то зарядный ток не должен превышать 30 Ампер

Если же мощность солнечной системы была бы избыточна, то контроллер продолжал бы заряжать акб даже после полного их заряда, не опуская зарядный ток и напряжение, что приводило к закипанию электролита, его кипению, вскипанию и порче аккумулятора. Современные контроллеры имеют встроенный компьютер, который следит за параметрами акб, имеет программу заряда, управляемые реле отключения, а также может регулировать ток и напряжение заряда.

Это интересно: Как не зацепить провод во время сверления?

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.

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.

Инвертор

Способы подключения солнечных батарей могут быть разными, но подбор параметров частей системы имеет общие принципы. Рассмотрим, как подобрать инвертор для СЭС разных типов.

Электростанция полностью автономного типа. Такая система не подключена к сети Энергосбыта (внешней магистрали), пользователь получает все электричество только от панелей. Подойдет инвертор off-grid. Эти автономные модели могут быть одно и трехфазными, способны преобразовывать постоянный токи разного вольтажа 12, 24, 48, 96 В и выше. Данные изделия самые дешевые (25–600 долл.), но это не означает их неэффективность — для не особо требовательной сборки указанного типа они подойдут, нет смысла брать более дорогие изделия, так как их потенциал не будет использоваться.

Схема с подключением к центральной сети. СЭС работает как автономно, так и совместно с главной магистралью. Но без аккумуляторов. Тут подойдет инвертор on-grid:

• регулирует забор электричества, но не из АКБ, а из сети Энергосбыта, если модули не выдают достаточного его количества;
• отправляет излишки продуцируемой энергии в центральную сеть, например, для продажи «по зеленым тарифам».

Стоимость изделия on-grid 200–20 000 $. Зависит от мощности конкретной модели, например, для устройства на 3–6 кВт — 2000 $, на 1000 кВт — 15 000 $ и выше. Для дома хватит 5 кВт.

Аккумуляторно-сетевая СЭС — самый распространенный оптимальный тип: вырабатывается энергия для запитывания приборов дома, излишек накапливается в АКБ, которые отдают заряд ночью и/или когда модули не справляются с нагрузкой, а также в центральную сеть для продажи. Если система из-за возросших потребностей не справится с нагрузкой, то предполагается забор энергии из магистрали Энергосбыта. Для таких условий подойдет модель hybrid (с сетевыми функциями). Цена начинается с 500–600 $ и до около 20 000 $.

Иные параметры

Дальше кратко подбор инвертора по иным критериям, которые необходимо учесть перед тем, как подключить солнечную панель.

Параметр	Описание
Мощность	Зависит от номинала по мощности СЭС, связанной со стороной от постоянного тока и максимумом нагрузки — от переменного. Надо взять полное значение по мощности СЭС (допустимая погрешность 90–120%) и мощность всех приборов при их одновременном включении. Первая характеристика указана в ТД панелей, по второй считают не просто кВт, а совокупное пиковое (пусковое) значение, которое может превышать рабочее в 5–7 раз. Из-за перегрузки во время запуска даже на 2–3 сек. инвертор не запустится.
По напряжению	Рекомендованное соотношение (вольтаж/мощность СЭС): 12 В /600 Вт; 24 В/ 600…1500 Вт; 48 В/ больше 1500 Вт.
КПД	Это малозначимый параметр — все современные изделия имеют 90–95% КПД. Энергопотребление прибора не должно быть большим 5–10% проходящей через него энергии.
Вес	1 кг — 100 Вт. Качественный прибор не может быть легким, так как чем он мощнее, тем больше трансформатор и его медные обмотки.
Меандровые, синусоидальные типы сигнала	Меандр (прямоугольная форма) — дешевый, не защитит полностью от скачков напряжения. Плохо влияет на индуктивные нагрузки, например, на компрессор, насосы кондиционеры, стиралки. К нему ставят дополнительные стабилизаторы. Чистая синусоида — дорогое изделие, колебания очень плавные, только такая модель рекомендована без оговорок для частного дома для запитывания перечисленных выше и всех других приборов. Квазисинусоид — тут применен компромисс, грубо говоря, имитация чистой синусоиды, подойдет для таких же целей, как в предыдущем пункте, прибор менее качественный, но дешевле.
1 или 3 фазный	Трехфазный можно поставить и на 1 и на 3-фазную сеть. Однофазный — только на такую же систему.

Количество инверторов

Теоретически 1 прибора, если он подобран правильно под мощность, другие параметры, хватит для всей СЭС. Но при большом количестве пластин в нескольких линях желательно на каждую ставить свой инвертор. Причина в том, что нестабильность одной ветки (расположенность на чуть ниже освещаемой стороне) негативно влияет на общий инвертор, КПД понизится. А с отдельными такими устройствами этот недостаток нивелируется.

Хороший вариант — модель для нескольких отдельных MPPT входов (2– 4 и больше). Но цена такого оснащения часто неоправданно высокая.

Контроллер заряда солнечной батареи: обзор, разновидности, установка, схема для самостоятельного изготовления

• Инвертор напряжения является отдельным модулем, крепящимся к акб напрямую.
• Создает необходимое напряжение для сети, получая энергию, накопленную акб и преобразует ее в 220 В. Для работы с панелями применяют инверторы гибридного типа.
• С панелью может использоваться более 1 инвертора. Расчет такой: панели мощностью 5 кВт оборудуются одним инвертором. Панели большей мощности требуют установки 2-х и устройств. На каждые 5 кВт желательно ставить еще один инвертор.
• Мощность инвертора должна быть на 25-30% больше совокупной мощности всех находящихся в доме электроприборов. КПД инвертора лучше выбирать на уровне 90 %.
• Главное правило подключения инвертора – кабель, передающий ток, должен быть максимально коротким и иметь самое большое сечение провода. Длина провода между инвертором и панелью должна быть не больше 3-х метров.
• Инвертор желательно располагать рядом с электростанцией.
• Соединения кабеля должно быть надежным, чтобы избежать искрения. Автоматическим выключателем должна быть снабжена цепь постоянного тока.
• При подключении инвертора применяют обвязки гибридного типа для постоянного и переменного тока. Инвертор включается контроллером после зарядки акб.

Подключение солнечной батареи к аккумулятору

Итак, теперь рассмотрим этапы установки солнечных панелей к аккумуляторной батарее, контроллеру и инвертору.

Обычно последовательность подсоединения блоков к оборудованию гелиостанции такая: аккумулятор соединяют с контроллером, последний – с батареями, далее аккумулятор подключают к инвертору и в конце разводят по бытовым приборам, которые будут потреблять энергию от солнечных батарей.

Начнём с подключения аккумуляторной батареи (АКБ) к солнечным панелям. Они подсоединяются не напрямую, а, с одной стороны, через контроллер, и, с другой, посредством инвертора. Первый регулирует режим работы АКБ, второй – занимается преобразованием солнечной энергии в ток.