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.
Контроллер Майкла Дэвиса
Это устройство предназначено для более мощных солнечных панелей. Оно прекрасно справляется с регулированием зарядки аккумуляторов током, произведенным ветрогенератором. Поскольку аппарат имеет достаточно простое строение, его можно изготовить своими руками.
Есть два варианта этого контроллера. Первый является старым и несовершенным. Второй — простым и более эффективным. Его схема на рисунке:
Для его создания нужно подготовить:
- 2 регулятора: 7805 (К142ЕН5А) (IC1) и NE555 (IC1);
- 2 стандартные кнопки (РВ1 и РВ2);
- 2 LED-лампочки. Одна зеленого цвета, другая – желтого;
- 1 автомобильное реле на 12 В (RLY1). Желательно подбирать такое реле, которое позволяет коммутировать токи 30-40 А;
- 1 диод 1N4001. Можно взять любой подобный;
- 2 подстроечных резистора 10К. На схеме они обозначены, как R1 и R2. Лучше, чтобы они были многооборотными. Разрешается брать такие резисторы, интервал подстройки которых составляет 0-100К. Однако элементы с 10К дают лучшую подстройку;
- 3 резистора 1К Ом 1/8 Вт 10% (обозначены R3-R5);
- 1 резистор 330 Ом (R6);
- 1 резистор 100 Ом (R7);
- 2 транзистора 2N2222 и IRF540. Обозначены как Q1 и Q2 соответственно. Вместо первого транзистора можно взять 2N3904, NTE123 или любой другой, имеет биполярную NPN структуру и аналогичные характеристики. Так же можно поступить со вторым транзистором;
- 2 конденсатора 0,33 uF и 0,1uF. Оба рассчитаны на 35 V. Вид конденсатора может быть любой.
Все эти элементы размещают на плате и припаивают. После чего проводят первичную регулировку схемы. Она заключается в выставлении уровней напряжения на контрольных точках ТР1 и ТР2. Напряжение на первой должно равняться 1,667 В, на второй — 3,333 В. Эти уровни выставляют, настраивая кнопки. Также на каждую цепочку питания следует установить предохранитель на соответствующий ток.
Какой контроллер выбрать для солнечной батареи
Исходя из выше представленного описания, можно понять, что ON/OFF контролер не подходит для длительного использования. Его можно установить только в качестве тестера для работы всей системы. Его использовать, мы не рекомендуем, ведь цены на АКБ помнят все.
Лучше смотреть на ШИМ или PWM или MPPT, они являются более функциональными. Конечно, на них кусается и стоимость, но оно того стоит. Если говорить за технологию MPPT то она существенно продлевает жизнь АКБ, ведь заряд держится на уровне 93-97%, у ШИМ или PWM 60-70%.
Цена на контроллеры
Любая солнечная электростанция собирается только для экономии, так что, переплачивать лишние деньги для покупки дорогих комплектующих – это плохо. Интересная статья по теме: как выбрать недорогой аккумулятор для солнечной электростации.
Мы собрали для вас два самых популярных контролера для солнечных батарей, которые являются универсальными и лучшими в соотношении цена/качеств:
- MPPT Tracer 2210RN Solar Charge Controller Regulator он стоит 75 долларов, универсальный, распознает день/ночь, есть сертификаты качества и отличный КПД – 93%.
- Solar controller 20a его мы выделили из-за низкой цены – всего 20 долларов. Работает по технологии ШИМ или PWM, можно управлять с помощью компьютера. Установлен простой и понятный интерфейс, он позволяет с легкостью устанавливать все стандартные настройки.
Разновидности
На сегодняшний день существует несколько типов контроллеров заряда. Рассмотрим некоторые из них.
MPPT-контроллер
Данная аббревиатура расшифровывается как Maximum Power Point Tracking, то есть мониторинг или отслеживание точки, где мощность максимальна. Такие устройства способны понижать напряжение солнечной батареи до напряжения аккумулятора. При таком раскладе сила тока на солнечной батарее уменьшается, в результате чего можно уменьшить сечение проводов и удешевить конструкцию. Также использование данного контроллера позволяет заряжать аккумулятор, когда солнечного света недостаточно, например, в условиях непогоды или ранним утром и вечером. Является наиболее распространенным из-за своей универсальности. Применяется при порядковом подключении. MPPT-контроллер имеет достаточно большой спектр настройки, благодаря чему обеспечивается наиболее эффективная зарядка.
Характеристики устройства:
- Стоимость таких устройств высокая, однако она окупается при использовании солнечных батарей свыше 1000 Вт.
- Входное суммарное напряжение в контроллер может достигать 200 В, это значит, что к контроллеру могут быть последовательно подключены несколько солнечных панелей, в среднем до 5. В пасмурную погоду общее напряжение последовательно соединенных панелей остается высоким, благодаря чему обеспечивается бесперебойная подача электроэнергии.
- Данный контроллер может работать с нестандартным напряжением, например, 28 В.
- Коэффициент полезного действия MPPT-контроллеров достигает 98%, это означает, что практически вся солнечная энергия преобразуется в электрическую.
- Возможность подключения аккумуляторов различного типа, таких как свинцовые, литий-железо-фосфатные и другие.
- Максимальный ток заряда равен 100 А, при данной величине тока максимальная мощность, выдаваемая контроллером может достигать 11 кВт.
- В основном все модели MPPT-контроллеров способны функционировать при температурах от -40 до 60 градусов.
- Для начала заряда АКБ необходимо минимальное напряжение в 5 В.
- Некоторые модели имеют возможность одновременно работать с гибридным инвертором.
Контроллеры данного типа могут применяться как на коммерческих предприятиях, так и на загородных домах, так как имеются различные модели с отличающимися показателями. Для загородного дома подойдет MPPT-контроллер с максимальной мощностью 3,2 кВт, с наибольшим входным напряжением в 100 В. В больших объемах применяются гораздо более мощные контроллеры.
PWM-контроллер
Технология данного устройства проще, чем у MPPT. Принцип работы такого устройства заключается в том, что, пока аккумуляторное напряжение находится ниже придела в 14,4 В, солнечная батарея подключена к аккумулятору практически напрямую, и заряд происходит достаточно быстро, после того, как значение будет достигнуто, контроллер понизит напряжение аккумулятора до 13,7 В, в результате чего аккумулятор зарядится полностью.
Характеристики устройства:
- Напряжение на входе не более 140 В.
- Работают с солнечными батареями на 12 и 24 В.
- КПД практически равен 100%.
- Возможность работы с множеством аккумуляторов различного типа.
- Максимальное значение тока на входе достигает 60 А.
- Температура функционирования от –25 до 55 ºC.
- Возможность зарядить АКБ с нуля.
Таким образом, PWM-контроллеры применяются чаще всего, когда нагрузка не очень велика и солнечной энергии достаточно. Такие устройства больше подходят собственникам небольших загородных домов, где установлены солнечные панели небольшой мощности.
MPPT-контроллер, как уже было сказано выше, на сегодняшний день наиболее популярен, потому что имеет высокий КПД, способен работать даже в условиях недостатка солнечного света. MPPT-контроллер также способен работать на повышенных мощностях, идеально подойдет для большого загородного дома. Однако, при выборе определенного типа нужно учитывать объем входного и выходного тока, а также степень мощности и показатели напряжения.
Установка MPPT-контроллера на маленьких участках нецелесообразна, так как он не окупится. Если суммарное напряжение солнечной батареи больше 140 В, то следует применять MPPT-контроллер. PWM-контроллеры наиболее доступны, так как их цена начинается от 800 рублей. Есть модели за 10 тысяч, когда стоимость MPPT-контроллера примерно равна 25 тысячам.
Как сделать контроллер своими руками
При наличии знаний в области электроники и умения обращаться с паяльником, можно изготовить контроллер заряда из подручных материалов самостоятельно. Конечно, это будет простейший из видов контроллеров, так называемый тип «On/Off» контроллеров.
В приведенной внизу схеме с помощью электронных компонентов формируется сигнал, получаемый от солнечных панелей. Транзисторы, установленные в схеме, управляют работой последней, резисторы регулируют параметры переключения режимов работы, а микросхемы выполняют роль операционного усилителя и регулятора параметров.
Хотя из приведенной схемы видно, что изготовить подобный элемент системы несложно, к тому же всегда схему можно дополнить и доработать, но все же несмотря на очевидную простоту, использовать контроллеры, изготовленные подручными средствами самостоятельно не рекомендуется, дабы избежать неблагоприятных последствий, таких как вывод из строя аккумуляторных батарей.
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.
Определение солнечной батареи
Конструктивно солнечная батарея представляет собой схему преобразователя одного вида энергии в другой. В частности, энергия света преобразуется в электрическую энергию. Причём результатом преобразования становится электрический ток постоянной величины.
Активными элементами конструкции солнечной панели выступают полупроводники, обладающие свойствами фотохимического синтеза. Например, кремний (Si), применением которого были отмечены самые первые исследования в области получения электричества солнца.
Простейший набор из солнечной панели и автомобильного аккумулятора уже составляет конструкцию настоящей домашней энергетической установки
На текущий момент кремний уже не рассматривается безальтернативным химическим элементом, опираясь на который есть смысл сооружать солнечные батареи из панелей, в том числе своими руками.
Более перспективными и эффективными теперь видятся другие представители таблицы Менделеева (в скобках цифры энергетической отдачи):
- Арсенид галлия GaAs (кристаллический 25,1).
- Фосфит индия InP ( 21,9).
- Фосфат индия с галлием + Арсенид галлия + Германий GaInP + GaAs + Ge (32).
Рассматривать солнечную панель глазами обывателя следует как пластину полупроводника (кремния и т.п.), каждая из сторон которой является положительным и отрицательным электродом.
Под влиянием света солнца, в результате химического фотосинтеза, на электродах панели образуются электрические потенциалы. Казалось бы, всё просто. Остаётся только подключить провода к нагрузке и пользоваться электричеством. Но на деле всё несколько иначе.
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.
MPPT
Наиболее совершенным на сегодня типом регулирующего заряд солнечной батареи устройства, которые можно выбрать на рынке, является МРРТ. Он позволяет повысить эффективность выработки электроэнергии и ее количество на одном и том же блоке солнечных панелей. Принцип действия любого mppt модуля базируется на отслеживании так называемой «точки максимальной мощности».
Любой регулятор mppt постоянно контролирует параметры тока и напряжения, на основе которых микропроцессорный аналитический блок вычисляет их наиболее оптимальное соотношение для выработки полной мощности. Процессор, при выборе номиналов тока и напряжения, также учитывает стадию зарядного процесса.
При использовании mppt контроллеров становится возможным снятие большего напряжения с солнечных панелей, которое затем преображается в оптимальное для заряда АКБ (как правило, оно отличается от паспортного напряжения питания). Общая эффективность гелиосистемы в сравнении с ШИМ контроллерами увеличивается на 15-35%. При этом МРРТ технология позволяет работать даже при снижении освещенности панели на 40%.
Преимущества МРРТ модулей можно отобразить в виде следующей схемы:
Возможность создания высокого напряжения на выходе mppt контроллера позволяет использовать провода меньшего сечения и увеличить расстояние между самим блоком и солнечными панелями.
Контроллеры
Известный факт, что полное разряжение, как и чрезмерная зарядка, влияют на дальнейшую работу аккумуляторных батарей. Особо чувствительными являются свинцово-кислотные аккумуляторные панели. Для предохранения батарей от этих нагрузок и служит регулятор. При максимальной зарядке АКБ (аккумуляторной батареи) с помощью контроллеров уровень тока будет понижен, при понижении заряда до критических значений подача энергии будет остановлена.
Типы контроллеров
Существует несколько типов регуляторов: On/Off, ШИМ и МРРТ.
Перед подбором устройства необходимо ответить на два основных вопроса:
Какое напряжение на входе?
Какой номинальный ток?
Автоматический контроллер заряда с регулятором MPPT для солнечных батарей
Как и у большинства устройств, обязательно наличие прочностного запаса. Максимальное напряжение контроллера должно превышать общее напряжение на 20 процентов. Для определения запаса номинального тока нужно к величине тока короткого замыкания солнечных батарей прибавить 10–20 процентов, также данное значение зависит от типа регулятора. Эти данные можно найти в технических паспортах контроллеров. Например, для контроллера солнечных батарей SOL4UCN2 (ШИМ) выходное напряжение тока принимает значения 3 вольта, 6 вольт, 12 вольт. Также возможно подобрать контроллеры с выходным напряжением 36 или 48 вольт. К тому же необходимо предусмотреть инвертор для преобразования тока.
Контроллеры On/Off
В линейке контроллеров являются простейшими и, соответственно, недорогими. Когда заряд аккумулятора достигает предельного значения, контроллер разрывает соединение между солнечной панелью и батареей посредством реле. В действительности батарея не полностью заряжена, что оказывает влияние на дальнейшую работоспособность аккумулятора. Поэтому несмотря на низкую стоимость, лучше не использовать регулятор данного типа.
Контроллер On/Off для солнечных батарей
ШИМ (PWM) – контроллеры
Для этого типа контроллера применена технология широтно-импульсной модуляции. Преимуществом является прекращение заряда аккумуляторной батареи без отсоединения солнечных модулей, что позволяет продолжить зарядку АКБ до максимального уровня. Рекомендованная область применения – системы с небольшой мощностью (до 48 вольт).
МРРТ – контроллеры
Maximum power point tracker контроллер появился 80-х годах. Самым эффективным по праву считается именно этот тип контроллера. Он отслеживает максимальный энергетический пик и понижает напряжение, но увеличивает силу тока, не изменяя мощность. Благодаря высокому коэффициенту полезного действия МРРТ – контроллеры сокращают срок окупаемости солнечных станций. Выходные напряжения варьируются от 12 до 48 вольт.
Самодельные контроллеры
Безусловно, можно сделать контроллер своими руками. Прототипом служит . В его схеме с помощью реле коммутируется сигнал, полученный с ветрогенераторов или солнечных батарей. Реле управляется посредством пороговой схемы и полевого транзисторного ключа. Подстроечные резисторы регулируют пороги переключения режима.
Схема для создания контроллера своими руками
В данной схеме использовано 8 резисторов в качестве нагрузки для утилизации энергии. Эта схема является первоначальной, ее можно упростить самостоятельно, а можно прибегнуть к помощи достоверных источников. Несмотря на очевидную простоту конструкции, не рекомендуется использовать контроллеры, созданные своими руками, во избежание неблагоприятных последствий, таких как порча АКБ, например (при напряжениях 36–48 вольт).
Гибриды
Гибридным контроллером считается контроллер, использующий энергию ветра и солнца. Его преимуществом является возможность использование двух источников тока (ветрогенератора или солнечной батареи) совместно или попеременно. Незаменим для автономных производств.
Дополнительные функции аккумуляторных батарей
Прогресс не стоит на месте и благодаря ему можно подобрать контроллер с нужными характеристиками для каждого потребителя индивидуально. Модель контроллера может включать в себя дисплей с выводом информации о батарее, реле, солнечных панелях, количестве заряда, напряжении (вольт), токе. Также может присутствовать система оповещения при приближении разрядки и таймер для активации ночного режима. Существуют контроллеры с возможностью подключения к компьютеру.
Контроллер с возможностью подключения к компьютеру I-Panda SMART 2
