Контролер за зареждане на слънчева батерия: схема, принцип на работа, начини на свързване

Слънчевата енергетика засега се ограничава (на битово ниво) до създаването на фотоелектрически панели с относително ниска мощност. Но независимо от конструкцията на фотоелектрическия преобразувател на слънчева светлина в ток, това устройство се оборудва с модул, наречен контролер за зареждане на слънчева батерия.

Наистина, в схемата на инсталацията за фотосинтеза на слънчева светлина влиза акумулаторна батерия – акумулатор на енергия, получена от слънчевия панел. Именно този вторичен източник на енергия се обслужва предимно от контролера.

В представената от нас статия ще разберем устройството и принципите на работа на този уред, а също така ще разгледаме начините за свързването му.

Контролери за слънчеви батерии

Електронният модул, наречен контролер за слънчева батерия, е предназначен да изпълнява редица контролни функции в процеса на зареждане/разреждане на акумулатора на слънчева батерия.

Когато върху повърхността на слънчевия панел, инсталиран например на покрива на къщата, падне слънчева светлина, фотоелементите на устройството преобразуват тази светлина в електрически ток.

Получената енергия, по същество, би могла да се подава директно към акумулатора-накопител. Въпреки това, процесът на зареждане/разреждане на акумулаторната батерия (АКБ) има своите тънкости (определени нива на токове и напрежения). Ако се пренебрегнат тези тънкости, акумулаторната батерия за кратък период на експлоатация просто ще излезе от строя.

За да не се стигне до такива тъжни последствия, е предназначен модул, наречен контролер за зареждане на слънчева батерия.

Освен контрола на нивото на зареждане на акумулатора, модулът също така следи потреблението на енергия. В зависимост от степента на разреждане, схемата на контролера за зареждане на акумулатора от слънчева батерия регулира и задава нивото на тока, необходимо за началното и последващото зареждане.

В зависимост от мощността на контролера за зареждане на акумулаторните батерии на соларната енергийна инсталация, конструкциите на тези устройства могат да имат най-различна конфигурация.

Общо взето, ако говорим с прости думи, модулът осигурява безгрижен „живот“ на АКБ, която периодично натрупва и отдава енергия на устройствата-консуматори.

Прилагани на практика видове

На промишлено ниво е организирано и се осъществява производството на два вида електронни устройства, чието изпълнение подхожда за инсталиране в схемата на соларна енергийна система:

1. Устройства от серията PWM.
2. Устройства от серията MPPT.

Първият вид контролер за слънчева батерия може да се нарече „старият“. Такива схеми са били разработвани и внедрявани в експлоатация още в зората на слънчевата и вятърната енергетика.

Принципът на работа на схемата на PWM контролера се основава на алгоритми на широкоимпулсна модулация. Функционалността на такива апарати донякъде отстъпва на по-съвършените устройства от серията MPPT, но като цяло те също работят доста ефективно.

Един от популярните в обществото модели контролер за зареждане на АКБ на слънчева станция, въпреки че схемата на устройството е изпълнена по технология PWM, която смятат за остаряла.

Конструкциите, където се прилага технологията Maximum Power Point Tracking (проследяване на максималната граница на мощност), се отличават с модерен подход към схемотехническите решения, осигуряват по-голяма функционалност.

Но ако сравним двата вида контролери и, още повече, с наклон към битовата сфера, MPPT устройствата изглеждат не в онази розова светлина, в която традиционно ги рекламират.

Контролер от типа MPPT:

• има по-висока цена;
• притежава сложен алгоритъм за настройка;
• дава преимущество по мощност само на панели със значителна площ.

Този вид оборудване е по-подходящ за системи на глобалната слънчева енергетика.

Контролер, предназначен за експлоатация в състава на конструкцията на слънчева енергийна инсталация. Той е представител на клас апарати MPPT – по-съвършени и ефективни.

За нуждите на обикновения потребител от битова среда, който обикновено притежава панели с малка площ, по-изгодно е да купи и със същия ефект да експлоатира ШИМ-контролер (PWM).

Структурни схеми на контролери

Принципните схеми на контролери PWM и MPPT за разглеждане с обикновен поглед – това е твърде сложен момент, свързан с тънко разбиране на електрониката. Затова е логично да разгледаме само структурните схеми. Този подход е разбираем за широк кръг хора.

Вариант #1 – устройства PWM

Напрежението от слънчевия панел по два проводника (плюсов и минусов) пристига до стабилизиращ елемент и разделителна резистивна верига. Благодарение на тази част от схемата се получава изравняване на потенциалите на входното напрежение и до известна степен се организира защита на входа на контролера от превишаване на границата на входното напрежение.

Тук следва да се подчертае: всеки отделен модел апарат има конкретна граница по входно напрежение (посочено в документацията).

Така приблизително изглежда структурната схема на устройства, изпълнени на базата на PWM технологии. За експлоатация в състава на малки битови станции такъв схемен подход осигурява напълно достатъчна ефективност.

След това напрежението и токът се ограничават до необходимата стойност от силови транзистори. Тези компоненти на схемата от своя страна се управляват от чипа на контролера чрез микросхема на драйвера. В резултат на изхода на двойката силови транзистори се установява нормална стойност на напрежение и ток за акумулатора.

Също така в схемата присъства датчик за температура и драйвер, управляващ силов транзистор, с който се регулира мощността на товара (защита от дълбоко разреждане на АКБ). Чрез датчика за температура се контролира състоянието на нагряване на важни елементи на контролера PWM.

Обикновено нивото на температура е вътре в корпуса или на радиаторите на силовите транзистори. Ако температурата излезе извън границите, зададени в настройките, уредът изключва всички линии на активно захранване.

Вариант #2 – устройства MPPT

Сложността на схемата в този случай се дължи на нейното допълване с цял ред елементи, които изграждат необходимия алгоритъм на контрол по-внимателно, въз основа на работните условия.

Нивата на напрежение и ток се следят и сравняват от схеми на компаратори, а по резултатите от сравнението се определя максималната мощност на изхода.

Схемното решение в структурен вид за контролери на зареждане, основани на технологии MPPT. Тук вече се отбелязва по-сложен алгоритъм за контрол и управление на периферни устройства.

Основната разлика на този вид контролери от PWM устройствата е, че те могат да настройват соларния модул към максимална мощност независимо от метеорологичните условия.

Схемата на такива устройства реализира няколко метода на контрол:

• пертурбация и наблюдение;
• нарастваща проводимост;
• токова разврътка;
• постоянно напрежение.

А в крайния участък на общото действие се прилага и алгоритъм за сравнение на всички тези методи.

Начини на свързване на контролери

Разглеждайки темата за свързванията, веднага трябва да се отбележи: за инсталирането на всяко отделно устройство характерна черта е работата с конкретна серия слънчеви панели.

Така например, ако се използва контролер, проектиран за максимум входно напрежение 100 волта, серията слънчеви панели трябва да дава на изхода напрежение не по-голямо от тази стойност.

Всяка слънчева енергийна инсталация действа по правилото на баланса на изходното и входното напрежение на първото стъпало. Горната граница на напрежението на контролера трябва да съответства на горната граница на напрежението на панела.

Преди да свържете апарата, трябва да се определи мястото на неговата физическа инсталация. Според правилата, мястото за инсталиране трябва да се избират сухи, добре проветрени помещения. Изключва се присъствието на леснозапалими материали в близост до устройството.

Недопустимо е наличието в непосредствена близост до апарата на източници на вибрации, топлина и влажност. Мястото за инсталиране трябва да се защити от попадение на атмосферни валежи и преки слънчеви лъчи.

Техника на свързване на модели PWM

Практически всички производители на PWM-контролери изискват да се спазва точна последователност на свързване на устройствата.

Техниката за свързване на PWM-контролерите с периферни устройства не се отличава с особени сложности. Всяка платка е оборудвана с маркирани клеми. Тук просто трябва да се спазва последователността на действията.

Трябва да свързвате периферните устройства в пълно съответствие с обозначенията на контактните клеми:

1. Свържете проводниците на акумулаторната батерия на клемите на апарата за акумулатора в съответствие с указаната полярност.
2. Директно в точката на контакта на положителния проводник включете защитен предпазител.
3. На контактите на контролера, предназначени за слънчевия панел, закрепете проводниците, излизащи от слънчевата батерия на панелите. Спазвайте полярността.
4. Свържете към изводите за товар на апарата контролна лампа с подходящо напрежение (обикновено 12/24V).

Посочената последователност не трябва да се нарушава. Например, да свързвате слънчевите панели на първо място при неподключен акумулатор е категорично забранено. С такива действия потребителят рискува да «изгори» апарата. В този материал по-подробно е описана схемата за сглобяване на слънчеви батерии с акумулатор.

Също така за контролери от серията PWM е недопустимо свързването на инвертор на напрежение към клемите за товар на контролера. Инверторът трябва да се свързва директно с клемите на акумулаторната батерия (АКБ).

Ред на свързване на устройства MPPT

Общите изисквания за физическа инсталация за този вид апарати не се различават от предишните системи. Но технологичната настройка често е малко по-различна, тъй като контролерите MPPT често се разглеждат като по-мощни апарати.

За контролери, предназначени за високи нива на мощност, при свързване на силовите вериги се препоръчва да се използват кабели с големи сечения, оборудвани с метални накрайници.

Например, за мощни системи тези изисквания се допълват от факта, че производителите препоръчват да се вземе кабел за линиите за силово свързване, проектиран за плътност на тока не по-малка от 4 A/mm². Тоест, например, за контролер с ток 60 A е необходим кабел за свързване към АКБ с напречно сечение не по-малко от 20 mm².

Свързващите кабели задължително се оборудват с медни накрайници, плътно обхванати със специален инструмент. Отрицателните клеми на соларния панел и акумулатора трябва да се оборудват с адаптери с предпазители и превключватели.

Такъв подход изключва енергийните загуби и осигурява безопасна експлоатация на инсталацията.

Структурна схема на свързване на мощен контролер MPPT: 1 – соларен панел; 2 – контролер MPPT; 3 – клемна връзка; 4,5 – плавки предпазители; 6 – превключвател за захранване на контролера; 7,8 – заземителна шина.

Преди свързване на соларните панели към уреда трябва да се уверите, че напрежението на клемите съответства или е по-малко от напрежението, което е допустимо да се подаде на входа на контролера.

Свързване на периферията към апарата MTTP:

1. Превключвателите на панела и акумулатора да се поставят в положение «изключено».
2. Да се извадят защитните предпазители на панела и акумулатора.
3. Да се свържат с кабел клемите на акумулатора с клемите на контролера за АКБ.
4. Да се свържат с кабел изводите на соларния панел с клемите на контролера, обозначени със съответния знак.
5. Да се свърже с кабел заземителната клема с шината «земя».
6. Да се инсталира температурният датчик на контролера според инструкциите.

След тези действия е необходимо да се постави на място изваденият предпазител на АКБ и да се превключи превключвателят в положение «включено». На екрана на контролера ще се появи сигнал за откриване на акумулатора.

След това, след кратка пауза (1-2 мин), да се постави на място изваденият предпазител на соларния панел и да се превключи превключвателят на панела в положение «включено».

Екранът на уреда ще покаже стойността на напрежението на соларния панел. Този момент свидетелства за успешното стартиране на соларната енергийна инсталация в работа.

Изводи и полезно видео по темата

Промишлеността произвежда устройства с многопланови схемни решения. Поради това не е възможно да се дадат еднозначни препоръки относно свързването на всички без изключение инсталации.

Основният принцип за всички видове устройства остава един и същ: без свързване на АКБ към шините на контролера, свързването с фотоволтаичните панели е недопус тимо. Аналогични изисквания се предявяват и за включването във веригата на инвертора на напрежение. Той трябва да се разглежда като отделен модул, свързван към АКБ чрез пряк контакт.

Ако имате необходимия опит или знания, моля, споделете ги с нашите читатели. Оставете своите коментари в разположения по-долу блок. Тук можете да зададете въпрос по темата на статията.