Как работает контроллер заряда солнечной батареи. Контроллер заряда для солнечных батарей своими руками

— вниманию читателей предлагается контроллер заряда фотоэлектрических систем при токе заряда до 8А и напряжении аккумуляторов 12 В. Контроллер оптимизирует процесс заряда, не допуская перезаряда аккумуляторов в широком диапазоне освещенности и температуры панели.

Контроллер заряда солнечной батареи содержит доступные компоненты общей стоимостью менее 3 долларов (менее 200 рублей). Несколько устройств в течение 6 месяцев эксплуатируются с панелями, имеющими максимальную мощность от 40 до 100 ватт.

Вступление

Несмотря на привлекательность идеи солнечной энергетики, ее реальное внедрение в энергоснабжение сельских и дачных домов условно рентабельно только на широтах Краснодарского края и южнее. Тем не менее, энтузиасты приобретают солнечные панели с максимальной мощностью от 40 до 100 ватт и пробуют использовать системы на их основе в качестве резервного источника питания для аварийного освещения и компьютерной техники. Как правило, эти люди обладают руками, растущими из правильного места, и знают практическую электронику. Вот именно для их подготовлена эта статья.

Описание схемы устройства

Существует закономерность, что для эффективного выбора мощности модуль контроллера обязан следить за точкой предельной мощности солнечной панели, то есть точку, в которой и напряжение и ток, отдаваемые панелью, максимальны. Универсальные промышленные контроллеры, отслеживающие положение рабочей точки и рассчитанные на широкий диапазон мощностей солнечных панелей, собранных в батареи, достаточно дороги и избыточны в случае эксплуатации одиночной панели.
Точка максимальной мощности и температурный диапазон эксплуатации указываются в паспортных данных качественных панелей.

При проектировании предлагаемого контроллера реализованы обе основных задачи эксплуатации — непрерывное поддержание батареи в точке максимальной мощности и температурная коррекция положения рабочей точки. Контроллер заряда солнечной батареи , а вернее блок-схема представлена на Рисунке 1 и содержит эквивалент солнечной батареи в виде источника тока SB, обладающего внутренним сопротивлением R BH .

При отсутствии внешнего освещения R BH стремится к бесконечности, а ток к нулю. При росте освещенности R BH стремится нулю, а ток к максимальному, технически допустимому значению. Рассмотрим работу схемы. В исходном состоянии (при отсутствии освещения) конденсатор С1 разряжен, на выходе компаратора U1 присутствует «1», ключ S1 разомкнут. U oп равно паспортному значению точки максимальной мощности солнечной панели.

При росте освещенности емкость С1 будет получать заряд через внутреннее сопротивление солнечной панели. Когда напряжение на С1 превышает опорное напряжение, в выходной цепи компаратора появляется «О», замыкающий ключ S1. Емкость С1 сбрасывает заряд через S1 на нагрузку R H , а далее процесс повторяется. Чем выше освещённость, тем чаще происходит повторение описанного выше процесса.

По сути, мы имеем релаксационный генератор — преобразователь освещенности в частоту.
В практической схеме частота следования импульсов тока составляет единицы герц на рассвете и в сумерки, до десятков килогерц при максимальной освещенности, что обеспечивает широкий динамический диапазон работоспособности контроллера.

Принципиальная схема: контроллер заряда солнечной батареи, представлена на Рисунке 2.

Поскольку ранее мы подробно разобрали алгоритм работы контроллера, то остановимся только на нескольких моментах.

Схема гарантированно работоспособна с 12-вольтовыми солнечными панелями мощностью от 40 Вт до 100 Вт, имеющими напряжение холостого хода не более 22 В, номинальное напряжение, соответствующее точке максимальной мощности 17-18 В и номинальный ток2…8А.
Компаратор U1-2 срабатывает при напряжении на аккумуляторной батарее выше 14.4 вольт, принудительно ограничивая длительность импульсов зарядного тока, что предотвращает перезаряд аккумулятора.
Питание компаратора и источника опорного напряжения производится с выхода устройства, что гарантирует автоматическое отключение контроллера заряда солнечной батареи при отключении аккумулятора.

Настройка схемы

Перед началом настройки временно разорвите цепь выхода компаратора U1 -2. Вместо термистора подключите сопротивление 8.2 кОм, примерно равное сопротивлению 10-килоомного термистора при температуре 25 градусов Цельсия. Если вы не планируете использовать термокомпенсацию точки максимальной мощности, или расстояние от панели до контроллера больше 2 метров, резисторы R15, R17 и термистор R16 могут быть удалены без ущерба для работоспособности схемы. При этом резистор R4 подключается к плюсовой шине.

Операции настойки выполняются в следующей последовательности:

1. Подключите к выходу контроллера заряженную примерно на 50-60% аккумуляторную батарею небольшой мощности, например 7 Ач от источника бесперебойного питания. Как правило, такие аккумуляторы есть в арсенале мастера.
2. Проверьте наличие опорного напряжения 8 В.
3. Подключите к входу контроллера регулируемый источник 10-24 В с током до 2 А через сопротивление 5 Ом, имитируя подключение солнечной батареи.
4. Медленно поднимая напряжение, контролируйте состояние выходной части компаратора U1-1. Если при напряжении, равном номинальному напряжению панели, для примера 17.2 В, с которой будет использоваться контроллер заряда солнечной батареи , на выходе U1-1 все еще будет высокий потенциал, регулируем R5 до возникновения автоколебаний.
5. Далее контролируя напряжение на конденсаторе С1 и увеличивая входное напряжение, убеждаемся, что напряжение на конденсаторе С1 остается неизменным и равным номинальному напряжению солнечной панели. При помощи осциллографа убедитесь, что форма сигнала на стоке G3 близка к показанной на Рисунке 3.

Напряжение на аккумуляторе начнет расти. Когда оно достигнет 14.5 В, прекратите настройку, отключите аккумулятор и источник питания. Восстановите соединение выхода компаратора U1-2 с элементами схемы.
Подключите аккумулятор и источник питания. Если форма импульсов изменилась, и ток заряда резко упал, регулируйте R10 до тех пор, пока изменение ограничения зарядного тока не будет наступать при напряжении на заряжаемом аккумуляторе 14.4 В.На этом настройка может считаться законченной.

Конструктивные особенности

При пиковом значении тока более 3 А для транзистора Q3 необходим теплоотвод. Разумеется, полевой МОП-транзистор не утратит работоспособность без заметного ухудшения параметров при температурных значениях в пределах 100 градусов, но в случае желания иметь уверенно работающий прибор, радиатор необходим.

В качестве дросселя L1 использован дроссель режекторного фильтра от блока питания компьютера. Обмотки дросселя соединены последовательно. При токах более 5 А дроссель может нагреваться до 60 градусов, но это не влияет на надежность устройства.

К вопросу о линеаризации характеристики термистора

В процессе разработки схемы контроллера были исследованы различные варианты управления положением рабочей точкой контроллера при помощи измерения температуры панели. В одной из моделей использовалась более сложная схема термокомпенсации, основанная на суммирующем ОУ для сложения опорного напряжения с выходным напряжением температурного датчика на термисторе. Это решение не применяется в описываемом контроллере, но автор считает полезным упомянуть его в рамках данной статьи.

Наилучшая линеаризация выходного сигнала датчика получается при включении термистора по схеме, показанной на Рис 4.

Динамический диапазон изменения выходного сигнала сужается, чувствительность термистора в данном случае значительно не ухудшается, оставаясь постоянной в довольно большом температурном диапазоне.

Основной сложностью использования солнечной энергии в быту является ее накопление. вырабатывает электричество только в период воздействия света, но пользоваться электрикой приходится и вечером и ночью. Напрямую подключать солнечные батареи к аккумуляторам нельзя – сломается и то и другое. Используются специальные устройства – контроллеры солнечных батарей, которые можно собрать своими руками или приобрести готовые.

Виды контроллеров

Существует три типа контроллеров для солнечных батарей, отличающиеся своей функциональностью и ценой соответственно.

Какой выбирать

Как видно из описаний, первый вариант (ON/OFF контроллер) – совсем не подходит для длительного использования. Т.е. если он у вас имеется, то его можно поставить для тестирования работы системы, но затем заменить на ШИМ (PWM) контроллер или MTTP.

Последний – предпочтительнее. Технология MTTP предусматривает КПД контроллера солнечных батарей на уровне 93-97%, тогда как ШИМ дает только 65-70%. Если учитывать стоимость солнечных панелей, то покупка более дорогого контроллера оправдывается эффективностью их использования.

Стоимость

Система электроснабжения от солнечных батарей собирается, прежде всего, для экономии средств, поэтому цена на отдельные детали – очень важный момент. Предлагаемые варианты прошли испытание временем и являются оптимальным по сочетанию цена/качество:

Solar controller 20a ссылка на алиэкспресс (откроется в новом окне) – стоимость 20,75$ - простое управление, яркий ЖК дисплей, понятный интерфейс. Отлично справляется с задачей по заряду АКБ. Технология ШИМ (PWM). Имеется возможность подключения через USB к компьютеру для настройки.
MPPT Tracer 2210RN Solar Charge Controller Regulator ссылка на алиэкспресс (в новом окне), цена 75$ – MTTP контроллер на 20А – качественный и надежный, сертифицированный, распознает день/ночь. Высокий КПД – 97%

Видео, контроллер своими руками

Контроллер для солнечных батарей можно собрать своими руками, однако это тоже требует определенных вложений. Так, на сборку простенького ШИМ контроллера вам придется потратить 10$ на детали и 2-3 часа работы с паяльником. При стоимости готового изделия 20$ - такая перспектива уже не кажется раумной. Собрать качественный MPPT - контроллер в домашних условиях - вообще занятие невозможное, нужно и оборудование и соответствующий софт. Ролик будет полезен тем, кто любит и умеет пользоваться паяльником.

Дополнения к видео: схема контроллера, расположение деталей на печатной плате:

Схема контроллера солнечной батареи LAY печатной платы Расположение деталей на плате

Схема контроллера заряда аккумулятора от солнечной батареи строится на базе чипа, который является ключевым элементом всего устройства в целом. Чип – основная часть контроллера, а сам контроллер – это ключевой элемент гелиосистемы. Данное устройство отслеживает работу всего устройства в целом, а также руководит зарядкой аккумулятора от солнечных батарей.

При максимальном заряде аккумулятора, контроллер будет регулировать подачу тока на него, уменьшая ее до необходимой величины компенсации саморазряда устройства. Если же аккумулятор полностью разряжается, то контроллер будет отключать любую входящую нагрузку на устройство.

Необходимость этого устройства можно свести к следующим пунктам:

Зарядка аккумулятора многостадийная;
Регулировка включения/отключения аккумулятора при заряде/разряде устройства;
Подключение аккумулятора при максимальном заряде;
Подключение зарядки от фотоэлементов в автоматическом режиме.

Контроллер заряда аккумулятора для солнечных устройств важен тем, что выполнение всех его функций в исправном режиме сильно увеличивает срок службы встроенного аккумулятора.

Схема работы контроллера

В отсутствие солнечных лучей на фотоэлементах конструкции он находится в спящем режиме. После появления лучей на элементах контроллер все еще находится в спящем режиме. Он включается лишь в том случае, если накопленная энергия от солнца достигает 10 В напряжения в электрическом эквиваленте.

Как только напряжение достигнет такого показателя, устройство включится и через диод Шоттки начнет подавать ток к аккумулятору.

Процесс зарядки аккумулятора в таком режиме будет продолжаться до тех пор, пока напряжение, получаемое контроллером, не достигнет 14 В.

Необходимость этого устройства можно свести к следующим пунктам:

Зарядка аккумулятора многостадийная;
Регулировка включения/отключения аккумулятора при заряде/разряде устройства;
Подключение аккумулятора при максимальном заряде;
Подключение зарядки от фотоэлементов в автоматическом режиме.

Как работает контроллер зарядки аккумулятора

Как только напряжение достигнет такого показателя, устройство включится и через диод Шоттки начнет подавать ток к аккумулятору. Процесс зарядки аккумулятора в таком режиме будет продолжаться до тех пор, пока напряжение, получаемое контроллером, не достигнет 14 В. Если это произойдет, то в схеме контроллера для солнечной батареи 35 ватт или любого другого будут происходить некоторые изменения. Усилитель откроет доступ к транзистору MOSFET, а два других, более слабых, будут закрыты.

Таким образом, заряд аккумулятора прекратится. Как только напряжение упадет, схема вернется в начальное положение и зарядка продолжится. Время, отведенное на выполнение этой операции контроллеру около 3 секунд.

Типы

Данный тип устройств считается наиболее простым и дешевым. Его единственная и главная задача – это отключение подачи заряда на аккумулятор при достижении максимального напряжения для предотвращения перегрева.

Однако данный тип имеет определенный недостаток, который заключается в слишком раннем отключении. После достижения максимального тока необходимо еще пару часов поддерживать процесс заряда, а этот контроллер сразу его отключит.

В результате зарядка аккумулятора будет в районе 70% от максимальной. Это негативно отражается на аккумуляторе.

PWM

Данный тип является усовершенствованным On/Off. Модернизация заключается в том, что в него встроена система широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Эта функция позволила контроллеру при достижении максимального напряжения не отключать подачу тока, а уменьшать его силу.

Из-за этого появилась возможность практически стопроцентной зарядки устройства.

Данный типаж считается наиболее продвинутым в настоящее время. Суть его работы строится на том, что он способен определить точное значение максимального напряжения для данного аккумулятора. Он непрерывно следит за током и напряжением в системе. Из-за постоянного получения этих параметров процессор способен поддерживать наиболее оптимальные значения тока и напряжения, что позволяет создать максимальную мощность.

Если сравнивать контроллер МРРТ и PWN, то эффективность первого выше примерно на 20-35%.

Параметры выбора

Критериев выбора всего два:

Первый и очень важный момент – это входящее напряжение. Максимум данного показателя должен быть выше примерно на 20% от напряжения холостого хода солнечной батареи.
Вторым критерием является номинальный ток. Если выбирается типаж PWN, то его номинальный ток должен быть выше, чем ток короткого замыкания у батареи примерно на 10%. Если выбирается МРРТ, то его основная характеристика – это мощность. Этот параметр должен быть больше, чем напряжение всей системы, умноженной на номинальный ток системы. Для расчетов берется напряжение при разряженных аккумуляторах.

Как сделать своими руками

Если нет возможности приобрести уже готовый продукт, то его можно создать своими руками. Но если разобраться в том, как работает контроллер заряда солнечной батареи довольно просто, то вот создать его будет уже сложнее. При создании стоит понимать, что такой прибор будет хуже аналога, произведенного на заводе.

Это простейшая схема контроллера солнечной батареи, которую создать будет проще всего. Приведенный пример пригоден для создания контроллера для зарядки свинцово-кислотного аккумулятора с напряжением в 12 В и подключением маломощной солнечной батареей.

Если заменить номинальные показатели на некоторых ключевых элементах, то можно применять эту схему и для более мощных систем с аккумуляторами. Суть работы такого самодельного контроллера будет заключаться в том, что при напряжении ниже, чем 11 В нагрузка будет выключена, а при 12,5 В будет подана на аккумулятор.

Стоит сказать о том, что в простой схеме используется полевой транзистор, вместо защитного диода. Однако если есть некоторые знания в электрических схемах, можно создать контроллер более продвинутый.

Данная схема считается продвинутой, так как ее создание намного сложнее. Но контроллер с таким устройством вполне способен на стабильную работу не только с подключением к солнечной батарее, а еще и к ветрогенератору.

Видео

Как правильно подключить контроллер, вы узнаете из нашего видео.

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

Гелиоколлектор.
Солнечный концентратор.
Солнечная батарея.

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

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

Для чего нужен контроллер заряда для солнечной батареи?

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

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

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

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

Виды контроллеров для солнечной батареи

Виды контроллеров заряда солнечной батареи

В современном мире выделяют три типа контроллеров:

— MPPT-контроллер;

On-Off – это простейшее решение для заряда, такой контроллер напрямую , когда его напряжение достигнет 14,5 вольта. Однако такое напряжение не свидетельствует о полном заряде аккумулятора. Для этого нужно какое-то время поддерживать ток, чтобы АКБ набрала необходимую для полного заряда энергию. В результате вы получаете хронический недозаряд аккумуляторов и сокращение их срока службы.

ШИМ-контроллеры поддерживают нужное напряжение для зарядки аккумулятора просто «срезая» лишнее. Таким образом, зарядка прибора происходит вне зависимости от напряжения, выдаваемого солнечной батареей. Главное условие, чтобы оно было выше, чем необходимое для заряда. Для аккумуляторов на 12 В, напряжение в полностью заряженном состоянии находится на уровне 14.5 В, а в разряженном около 11. Этот тип контроллеров является более простым, чем MPPT, однако, обладает меньшим КПД. Они позволяют наполнить АКБ на 100% от емкости, что дает значительное преимущество перед системами типа «On-Off».

MPPT-контроллер – имеет более сложное устройство, способное анализировать режим . Его название в полном виде звучит, как «Maximum power point tracking», что на русском языке значит – «Отслеживание точки максимальной мощности». Мощность, которую выдает панель, очень зависит от количества света, который на нее падает.

Дело в том, что ШИМ-контроллер никак не анализирует состояние панелей, а лишь формирует необходимые напряжения для зарядки АКБ. MPPT отслеживает его, а также токи, выдаваемые солнечной панелью, и формирует выходные параметры оптимальные для заряда накопительных элементов питания. Таким образом, снижается ток во входной цепи: от солнечной панели до контроллера, и рациональнее используется энергия.

Виды контроллеров солнечных панелей

Что такое Точка Максимальной Мощности?

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

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

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

Можно ли обойтись без контроллера?

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

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

На что смотреть при выборе?

При покупке контроллера заряда нужно учитывать:

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

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

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