Как работает mppt контроллер

Что такое MPPT-контроллер для заряда солнечных батарей

MPPT — это один из способов использования ресурсов источника энергии, будь то солнечная батарея или ветрогенератор, но в этой статье мы поговорим именно о солнечной энергии. Его основная особенность — повышение эффективности работы альтернативного источника, путём «вытягивания» максимального количества энергии за счет выбора определенного напряжения и тока.

Выбор этих параметров сводится к анализу вольт-амперной характеристики источника и определения при каком напряжении и потребляемом токе будет потребляться максимальная мощность. Именно так и расшифровывается аббревиатура MPPT – Maximum Power Point Tracking (слежение за точкой максимальной мощности).

Общие сведения о принципе действия MPPT-контроллеров

С первого взгляда на вопрос, можно подумать: «Ну так использовать максимально возможное напряжение, значит будет максимальный ток нагрузки (заряда АКБ)». Это логично, но в действительности это не так. В первую очередь это связано с вольт-амперной характеристикой солнечного элемента.

В рабочем (полезном) режиме солнечный элемент (горизонтальный участок ВАХ) – это источник тока, то есть его выходной ток слабо зависит от напряжения на его зажимах. Выходное напряжение (Uвыхсб) же зависит от сопротивления подключенной нагрузки. Это мы можем видеть на ВАХ.

В правой части, где напряжение максимально, вы видите напряжение холостого хода Uхх, которое ограничено количеством элементов в батарее и их внутренним устройством. Ток при этом стремится к 0. И наоборот, в левой части, где напряжение стремится к 0 – напряжение короткого замыкания Uкз, а ток ограничен мощностью элементов.

Если принять силу тока солнечной батареи на полезном участке за неизменную величину, то напряжение будет определяться сопротивлением нагрузки, если оно равно бесконечности, то мы наблюдаем режим холостого хода (при Rн=∞ ⇒ Uвыхсб=Uр.хх), соответственно при коротком замыкании сопротивление нагрузки будет стремиться к нулю, как и выходное напряжение (при Rн=∞ ⇒ Uвыхсб=Uкз). Максимальная же мощность наступит при определенном соотношении сопротивления нагрузки, напряжения и тока.

Что всё это значит? Переходим от батарей к контроллерам!

Контроллер — это промежуточное звено между солнечной батареей и аккумулятором, он регулирует ток заряда посредством ШИМ, например, или любого другого, который выбрал конструктор. Но просто подать напрямую напряжение с батареи – это не значит обеспечить максимальную передачу мощности от панелей к АКБ.

Для эффективного заряда контроллер следит за током, получаемым от батареи и её выходным напряжением, а также током, отдаваемым АКБ и напряжением на ней. Чтобы убедится в этом выберем 2 произвольных точки на ВАХ (приведем её здесь еще раз) и сравним мощность в них с обозначенной на рисунке точкой максимальной мощности (ТММ), в которой вроде бы ток не является максимальным…

Допустим у нас АКБ с номинальным напряжением в 12В, это значит, в заряженном состоянии на выводах мы получим около 14,2-14,5 В, а в разряженном около 11В, пусть в одном случае у нас 13В, а в другом – 12В. Такие напряжения и выберем с ВАХ, для примерного анализа мощности при прямом подключении «солнечная панель — аккумулятор».

Согласно ВАХ в обоих случаях батарея отдаст ток около 3.6А, мы получим следующую мощность, передаваемую в процессе заряда:

А в отмеченной на ВАХ точке максимальной мощности:

Результат очевиден – мощность в ТММ больше примерно на 25-35% в зависимости от заряженности АКБ. Но как заставить батарею отдавать ток при напряжении в 18.5В, вместо того которое присутствует на клеммах аккумуляторной батареи?

Всё просто и сложно одновременно — поиск точки максимальной мощности

Как было отмечено ранее, контроллер устанавливается между солнечными панелями (батареей) и аккумуляторами, получается, что он служит нагрузкой панелей, а АКБ нагрузкой контроллера, он же — это источник вторичного питания. Любой источник питания, да и любой прибор в электротехнике может быть представлен в виде сопротивления. Это называется «эквивалентным» или «приведенным» сопротивлением (в зависимости от конкретного случая), которое определяется по тому же закону ома, то есть можно сказать, что входное сопротивление контроллера равно:

Rконтр= Uвходное/Iвх. потр.

Напряжение точки максимальной мощности у солнечных панелей зависит от ряда факторов:

Температуры (зависимость ВАХ и положения ТММ от температуры приведена на рисунке ниже);

Возраста элементов и пр.

Поэтому задать его фиксированным и универсальным не получится, плюс оно изменяется в соответствии с сопротивлением нагрузки и потребляемым током (выше приведена идеализированная ВАХ, на практике всё же будет некоторый наклон на рабочем участке).

Есть множество методов нахождения этой «волшебной», в одном из вариантов реализации MPPT-контроллер сканирует ВАХ солнечных элементов определяя оптимальные параметры для текущих рабочих условий, например, изменяя входной ток, соответственно изменяется его входное сопротивление. С помощью датчиков тока и напряжения система управления вычисляет значение мощности и сравнивает его с предыдущим, до тех пор, пока она не достигнет максимального значения. Это называется «методом возмущения и наблюдения».

В зависимости от конкретного метода определения ТММ и внутреннего устройства контроллера, в т.ч. его прошивки, поиск ТММ происходит с определенной периодичностью. Однако на практике большинство методов являются схожими и основаны на принципе «отклониться и наблюдать». В некоторых моделях есть возможность настройки этого периода в диапазоне от 1 раза в несколько минут, до 1 раза в несколько часов. В зависимости от периодичности поиска определяется эффективность работы системы в целом.

Так как в результате изменения входных параметров мы получаем максимально возможную мощность от конкретных элементов, следующей задачей становится отдать её нагрузке, то есть использовать для заряда АКБ. В конечном итоге всё сводится к управлению электронным силовым преобразователем, допустим мы получили ток ТММ в 5А при напряжении в 17.5В, это:

Значит есть возможность отдать аккумулятору с напряжением на клеммах в 12В такой ток:

В большинстве случаев преобразование осуществляется с помощью понижающего (buck) или понижающе-повышающего преобразователя (buck-boost). Типовые структуры преобразователей мы рассматривали в статье ранее.

Тогда как при использовании ON/OFF или ШИМ-контроллеров входной и выходной ток были бы равны. Что приводит к менее эффективному распоряжению доступной мощностью, например, так как входной ток был 5А, то при таком выходном токе мощность, затрачиваемая на заряд аккумуляторов, была бы равна:

Это еще раз иллюстрирует приведенные при обсуждении вольт-амперной характеристики выше расчеты.

Однако, не стоит считать MPPT-технологию панацеей для солнечной энергетике. Разница в эффективности заряда АКБ с помощью MPPT и PWM-контроллера тем меньше, чем больше заряжен аккумулятор. Когда напряжение на его клеммах (Uакб) повышается, а разница между Uтмм понижается, то используется большая мощность солнечной панели.

Аналогично приведенному выше примеру предположим, что напряжение на АКБ не 12, а 13.5В, при условии, что солнечная панель работает с теми же параметрами, это будет выглядеть следующим образом:

Если при 12В использовалось 68% от максимальной мощности, то при 13.5В используется уже 77%. Также учтите и то, что ваши аккумуляторы не будут постоянно заряжаться, и на них не будет поступать ток одной и той же силы постоянно. Поэтому в МРРТ-контроллерах обычно реализуется несколько стадий заряда, например: MPPT (с максимальной мощностью) — выравнивающий — быстрый (форсированный) — поддерживающий. Кроме всего прочего стоит помнить, что ток солнечной батареи не должен превышать номинальный ток контроллера, иначе не реализуется максимальное использование мощности.

Но это всё не говорит нам о том, что MPPT-контроллеры не нужно использовать, а только о том, что не стоит переоценивать их пользу.

Фактом остаётся лишь то, что в нижнем ценовом сегменте устройства с технологией MPPT дороже чем PWM, но не всегда. Например, есть MPPT-контроллер «EPSolar MPPT TRACER-2210A», стоимость которого находится в пределах 180 долларов, и аналогичный по стоимости (180-200 долларов) PWM-контроллер с выходным током 20А «STECA PR2020».

При этом же есть другой PWM-прибор с тем же выходным током — «SRNE SR-HP2420» стоимостью немногим больше 20 долларов, в то время, как MPPT от этого же производителя «SRNE SR-ML2420» с таким же выходным током стоит уже 85 долларов.

Цены на некоторые модели контроллеров мы рассмотрим ниже.

Обзор современного рынка MPPT-контроллеров

В таблице не приводился полный перечень функций и защит, так как он занимает большой объём. Для сведения типовой набор функций выглядит примерно так:

от неправильной полярности подключения СП и АКБ;

от КЗ на входе солнечной панели;

от КЗ в нагрузке;

отключение солнечной панели после достижения окончания заряда АКБ;

отключение нагрузки при слишком низком напряжении на АКБ;

от обрыва в цепи АКБ;

предотвращение разряда АКБ через солнечную панель в ночное время;

контроль потребление тока нагрузкой.

Таблица отражает то, что стоимость MPPT-контроллера зависит не только от его максимальной силы тока (мощности), но и от диапазона выходных напряжений, списка поддерживаемых аккумуляторов, возможности подключения средств отображения, индикации и мониторинга, и ряда других факторов. Выбор контроллера сложен и очень индивидуален, поэтому приводить какие-то сравнения и рейтинги по меньшей мере бессмысленно.

Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Автономное электроснабжение, Электрообзоры

Как работает mppt контроллер

СмартПульс — держите руку на пульсе высоких технологий! Новости, статьи, обзоры мобильных устройств, компьютеров, комплектующих, радиолюбительских конструкций

Главная — DIY (Сделай сам!) — Питание электронных устройств — Что такое MPPT контроллер для солнечных панелей, и как он работает (на примере применения с древнесоветской солнечной батареей "Электроника М1")

Что такое MPPT контроллер для солнечных панелей, и как он работает на примере применения с древнесоветской солнечной батареей "Электроника М1"

Эта статья-обзор посвящена важному элементу солнечных батарей: контроллеру MPPT. Поскольку рассматривать его отдельно от солнечной батареи бессмысленно, то в статье рассмотрим его применение для возвращения к активной жизни древнесоветской солнечной батареи "Электроника М1". Собственно, эта батарея — всего лишь пример, взятый для изучения работы MPPT контроллера. В реальной жизни возможно применение любой солнечной батареи с достаточной величиной номинального выходного напряжения.

Сокращение MPPT расшифровывается как Maximum Power Point Tracking (слежение за точкой максимальной мощности). Его необходимость диктуется тем, что соотношение тока и напряжения в солнечной батарее далеко не всегда оказывается оптимальным для питания полезной нагрузки, из-за чего в нагрузку поступает меньшая мощность, чем могла бы отдать батарея. Контроллер MPPT устраняет это несоответствие.

В статье будет рассмотрен одноплатный MPPT контроллер Eletechsup SD30CRMA для систем питания на солнечных батареях небольшой мощности. Выглядит он так:

(кликнуть для увеличения, откроется в новом окне)

Теория MPPT контроллеров для солнечных панелей

В отличие от сетевого электричества в розетке солнечная панель не может выдать ток по принципу "сколько хочешь, столько и бери". Если взять много тока, то на панели упадёт напряжение, и мощность получится малой. Точно так же работает и обратный вариант: если тока взять мало, то напряжение не упадёт, но из-за низкого тока мощность тоже окажется малой.

В обзоре микромощной солнечной панели в ходе экспериментов был получен такой график зависимости мощности от напряжения на нагрузке, отражающий эту ситуацию:

По оси X — напряжение (В), по оси Y — мощность (мВт).

Такая форма графика характерна для всех солнечных панелей, хотя точка максимума может, конечно, немного смещаться вправо-влево.

Итак, на графике присутствует явно выраженный максимум отдаваемой мощности; и задача контроллера солнечной батареи — "поймать" этот максимум и удерживать его.

Несмотря на кажущуюся простоту, это — довольно сложная математическая задача: ведь на каком-то участке характеристики, на котором в данный момент находится контроллер, он "не знает", достигнут ли уже максимум или ещё нет. Чтобы убедиться в этом, контроллер должен сделать шаг вперёд или шаг назад, и посмотреть, как изменится отдаваемая в нагрузку мощность. А затем, в зависимости от итогов пробного изменения величины отдаваемой мощности, подвинуть рабочую точку вперёд или назад, или же оставить всё как есть. По-научному это называется "метод возмущения и наблюдения".

Так работают наиболее продвинутые контроллеры MPPT.

Но есть контроллеры и с упрощением этого алгоритма, которое основано на том, что точка максимальной мощности находится примерно в одном и том же месте вольт-амперной характеристики, расположенной на уровне 70-80% от напряжения холостого хода. Такие контроллеры получаются более простыми по аппаратной реализации, поскольку им достаточно проследить только за одним параметром — напряжением на выходе солнечной батареи (он же — вход контроллера).

Хотя здесь тоже есть "тонкости". Например, когда нагрузка потребляет всю мощность, генерируемую солнечной панелью, то контроллер должен работать именно по описанному выше алгоритму ("притягивать" рабочую точку по напряжению к точке максимальной мощности); а когда нагрузке столько мощности не требуется или она совсем не подключена, то контроллер должен "отпустить" напряжение на солнечной панели по принципу "сколько получится, столько и ладно".

Кроме того, на приведённом выше графике надо обратить внимание, что падение мощности влево от точки максимума — более пологое, чем вправо. Иными словами, при выборе точки максимума мощности ошибка в сторону меньшего напряжения будет менее критична, чем в сторону более высокого напряжения.

Недостаток таких упрощённых контроллеров — потеря мощности (как правило, небольшая) из-за возможного ухода вольт-амперной характеристики солнечной батареи от первоначального положения вследствие изменения температуры, освещённости или физического старения солнечных элементов (хотя этот процесс и занимает десятилетия).

Именно такой упрощённый контроллер и будет рассмотрен далее.

Кроме следящих MPPT контроллеров (полнофункциональных или упрощённых), бывают и контроллеры без отслеживания точки максимальной мощности: PWM (они же ШИМ) — контроллеры. Они имеют в своей основе DC-DC преобразователь, который один раз настраивается оптимальным образом под наиболее типовые условия работы системы, и так и работает всё время, невзирая на изменение условий.

Но преобразование и передача энергии для контроллеров любого типа — это не единственная их задача. Как минимум, они должны обладать функцией защиты от короткого замыкания на выходе и/или ограничения тока выхода, а также функцией защиты аккумулятора от перезаряда.

Желательны, конечно, и дополнительные функции, вроде защиты от переполюсовки по входу и выходу, формирования оптимальной кривой заряда аккумулятора, ограничения напряжения холостого хода на выходе и т.п. Некоторые из этих функций будут реализованы и в тестируемом контроллере.

Теперь, после разбора теории, перейдём к практике и изучим тестируемый MPPT-контроллер. Куплен MPPT контроллер был на Алиэкспресс здесь.

Внешний вид, конструкция и схемотехника одноплатного MPPT контроллера

Сначала осмотрим его со всех сторон (за исключением той, которая уже была изображена на первой фотографии в обзоре).

Размеры платы — очень небольшие, 45*20*15 мм.

Теперь — вид на обратную сторону платы:

Как и положено по современным манерам хорошего тона в разводке плат, проводник земли занимает почти всю свободную поверхность платы. Одобряем!

Красной точкой обозначено номинальное напряжение точки максимальной мощности, на которой будет работать этот контроллер. Теоретически, это напряжение можно изменить, изменив номиналы одного-двух резисторов; но для этого потребуется умение аккуратно работать с SMD- компонентами.

Теперь — главный вид (т.е. сверху) и разбор схемотехники:

Самая яркая деталь — синий многооборотный подстроечник в середине платы. Он регулирует напряжение на выходе контроллера в пределах 1.2 — 25 В; при этом входное напряжение обязательно должно быть выше выходного и должно находиться в пределах 6.6 — 30 В. То есть, для работы с низковольтными солнечными батареями, у которых точка максимальной мощности находится ниже уровня 6.6 В, этот контроллер не подходит в принципе, даже с переделками.

Слева от подстроечника находится собственно сам главный чип этого MPPT контроллера: CN3795 (datasheet).

Над подстроечником находится ещё один 8-ногий чип с маркировкой 4435. Это — транзистор MOSFET FDS4435 ; основные характеристики: допустимый ток 8.8 А, в импульсе до 50 А, напряжение до 30 В, сопротивление в открытом состоянии 20-35 миллиом.

В качестве диода применён SS54 . Это — диод Шоттки, ток до 5 А, обратное напряжение до 40 В. То, что он рассчитан на более высокий ток, чем требуется для работы контроллера, записываем в "плюс": чем больше допустимый ток, тем меньше падение напряжения в прямом направлении, и тем выше КПД.

Теперь немного обсудим схему контроллера (взята из datasheet на CN3795 ) .

Хорошо то, что нумерация элементов на схеме и на плате совпадает (для тех элементов на плате, которые имеют обозначения; есть элементы и без обозначений).

Принцип работы схемы почти совпадает с принципом работы понижающих DC-DC преобразователей, но при этом добавлено слежение за напряжением на входе.

Делитель R5/R6 отвечает за выбор точки максимальной мощности (жаль, что там не установлено подстроечника).

Делитель R1/R2 отвечает за установку выходного напряжения. Здесь подстроечник есть; он установлен вместо резистора R1 .

Резистор Rcs отвечает за установку тока ограничения и защиты от короткого замыкания. Его номинал — очень низкий (0.12 Ом), благодаря чему на нём не происходит сколь-нибудь существенных потерь мощности.

Внешний вид, конструкция и схемотехника советской солнечной батареи "Электроника М1"

Главная причина, почему эта некогда популярная солнечная батарея в наши дни осталась "не у дел", это — номинальное напряжение её выхода, составляющее 9 В. В старые добрые времена это напряжение было весьма востребованным и использовалось в транзисторных радиоприёмниках и кассетных магнитофонах; но сейчас устройства с таким напряжением питания практически не выпускаются.

Внешний вид солнечной батареи "Электроника М1" не лишен красоты и изящества:

За передним защитным стеклом находятся 30 солнечных элементов в форме секторов круга, соединённых последовательно. Слово "стекло" употреблено в переносном смысле, на самом деле применён прозрачный пластик, возможно, полистирол (довольно хрупкий, т.е. обращаться всё равно надо как со стеклом).

Изнутри пластик имеет рельефную структуру, похожую на структуру автомобильных и велосипедных отражателей (катафотов).

Особое удобство устройству придаёт откидная подставка, благодаря которой батарею можно расположить под углом, близким к оптимальному для середины дня в "светлое" время года (март — октябрь).

Напряжение холостого хода на прямом солнце составляет 16.3 В, ток короткого замыкания ровно в полдень — 111 мА. Но отдаваемая мощность, естественно, будет меньше, чем если эти два значения просто перемножить друг на друга. К этому вопросу ещё вернёмся.

Вид солнечной панели сзади в сложенном виде:

В нижней части панели находится аккумуляторный отсек, крышка которого удерживается 3-мя винтами.

Открыв её, видим душераздирающее зрелище: аккумуляторы с мощным солевым налётом и ржавчиной.

Аккумуляторы — "таблеточные" никель-кадмиевые типа Д-0,26. Они установлены в ячейках, разделённых перегородками. Эти перегородки будут мешать установке в отсеке чего-нибудь путного, а выломать перегородки довольно сложно.

В общем, аккумуляторы подлежат выбросу без права замены, ибо срок их жизни мал; да и вряд ли они сейчас выпускаются.

В левом верхнем углу отсека расположена небольшая платка, на которой был расположен диод, препятствующий обратному разряду аккумуляторов через солнечную панель, когда она не освещена.

Модернизация солнечной панели "Электроника М1" с применением MPPT контроллера

Модернизация делается очень просто: достаточно определить полярность проводников, идущих от солнечной батареи в аккумуляторный отсек, и припаять MPPT контроллер.

Кроме того, необходимо будет установить необходимое напряжение выхода на контроллере (например, стандартные 5 В) и вывести его наружу (например, использовав часть USB- удлинителя).

Получившаяся конструкция выглядит так:

Из аккумуляторного отсека были убраны все лишние "железки" (и с его крышки тоже); собственный разъём солнечной батареи просто снят и переложен внутрь в ближайшую ячейку "сот", а через образовавшееся отверстие USB- кабель выведен наружу.

Так всё это выглядит вблизи:

Из-за того, что рёбра аккумуляторного отсека мешают "культурно" уложить плату контроллера в этот отсек, полностью закрыть крышку отсека не получится: крышка не войдёт на своё место, а будет лежать сверху над задней стенкой солнечной батареи:

Да, это не очень красиво, но зато требует минимума усилий при модернизации.

Бонусный материал: почему могут не заряжаться смартфоны с поддержкой "быстрой зарядки" (QC)

При испытаниях этой конструкции для зарядки реальных смартфонов выяснился интересный эффект: "старорежимный" смартфон без поддержки быстрой зарядки ( QC ) успешно с ней заряжался, а новомодный смартфон с поддержкой QC почти не заряжался (ток заряда составлял 9 мА, что даже не компенсировало собственный расход энергии смартфона без выполнения каких-либо операций!).

Для выяснения, что это за проблема, были сняты осциллограммы напряжений на выходе MPPT контроллера в моменты вблизи подключения смартфонов на зарядку.

Осциллограмма процесса постановки на зарядку "обычного" смартфона:

Здесь всё ясно и понятно: в момент старта зарядки аккумулятора смартфона течёт сильный ток, мощности солнечной батареи не хватает, напряжение немного падает.

Теперь — постановка на зарядку смартфона с поддержкой "быстрой зарядки":

В этом случае в на осциллограмме есть несколько колебаний, при которых напряжение падает; а затем оно возвращается к прежнему уровню.

Здесь контроллер заряда смартфона оказался слишком умным: он сначала опробовал источник зарядки на предмет поведения под нагрузкой, и при этом убедился, что нагрузку источник держит плохо; после чего нагрузку на источник сбавил до очень малой (т.е. даже ниже, чем источник может отдать).

Вот такое "горе от ума" получилось: подобного рода смартфон от такой батареи нельзя зарядить!

Как можно убедить смартфон, что источник будто бы мощный? Очень просто: повесить на его выход большую ёмкость, создающую дополнительный запас энергии на то время, пока смартфон проверяет источник.

Была припаяна ёмкость 10000 мкФ, но это ничего не изменило: заряжаться смартфон не захотел.

Тогда было принято радикальное решение: припаять ионистор (суперконденсатор) ёмкостью 5 Фарад на напряжение 5.5 В (на самом деле это два последовательных ионистора 10 Ф на 2.8 В).

В этом случае зарядка смартфона пошла, но в "качающемся" режиме (то начиналась, то прекращалась).

Вот осциллограмма одного из периодов этих "качелей":

В момент подключения смартфона зарядка начиналась успешно, затем напряжение на выходе контроллера постепенно снижалось до 4.15 В, зарядка прекращалась, напряжение на ионисторе начинало подниматься; и, когда оно достигало примерно 4.7 В, зарядка возобновлялась с током до 470 мА, а затем весь процесс повторялся.

Пусть и в режиме "качелей", но зарядка смартфона шла успешно. Учитывая, что напряжение на ионисторе при этом постоянно находилось в зоне высокой токовой отдачи контроллера MPPT (4.15 — 4.7 В), можно считать, что зарядка постоянно работала в точке оптимальной передачи мощности солнечной батареи в нагрузку.

Вернёмся к механической конструкции модернизированной солнечной панели (её возможным вариациям).

Альтернативный вариант конструкции: попробовать выпилить каким-то образом рёбра аккумуляторного отсека, а высокие элементы на плате контроллера — перепаять, расположив лёжа. Тогда будет возможно полностью уложить плату в аккумуляторный отсек и культурно закрыть его крышку, но это потребует от владельца панели наличия очумелых (очень умелых) ручек. 🙂

Альтернативный вариант схемотехники: можно настроить MPPT -контроллер для прямой зарядки литий-ионного аккумулятора. Для этого достаточно установить напряжение его выхода на 4.2 В для односекционного аккумулятора или 8.4 В — для двухсекционного. Для прямой зарядки трёхсекционных и более аккумуляторов данная комбинация солнечной батареи и MPPT- контроллера не подойдёт.

Кроме того, можно радикально изменить подход к схемотехнике и полностью расположить в аккумуляторном отсеке повербанк собственной сборки с зарядкой от Солнца (все необходимые ингридиенты в продаже имеются). Но это — тоже для очумелых ручек. 🙂

Тест солнечной панели "Электроника М1" и MPPT контроллера

В этой главе будет как отдельный тест солнечной панели, так и совместный тест панели и MPPT- контроллера.

Начнём с теста солнечной панели. Нас будет интересовать вольт-амперная (ВАХ) характеристика солнечной панели и её отдача при разных погодных условиях.

На следующем графике представлена вольт-амперная характеристика панели при её оптимальной ориентации в солнечную погоду около 11:00 дня, снятая по точкам (середина мая):

На графике по оси X — напряжение (В), по оси Y — ток (мА).

Характеристика далека от идеальной, она имеет слишком пологий скат. Для источников питания чем характеристика прямоугольнее, тем она лучше. У более современных солнечных панелей дела с характеристикой обстоят значительно благообразнее (пример).

Максимум тока составил 108.7 мА.

Теперь на основании снятой вольт-амперной характеристики можно построить график зависимости отдаваемой мощности панели от напряжения на её выходе (т.е. на нагрузке):

На графике по оси X — напряжение, по оси Y — мощность (мВт).

Максимальная отдаваемая мощность получается при при напряжении на выходе около 9 — 9.5 В, так что выбор 9-вольтового контроллера MPPT был сделан верно.

Максимальная мощность на выходе в точке максимума получилась 737 мВт (это и есть реальная максимальная мощность солнечной панели). Для сравнения: если бы мы просто перемножили напряжение холостого хода (16.3 В) на ток короткого замыкания (108.7 мА), то получили бы 1772 мВт.

Для более современных панелей разница будет не столь велика, но она есть всегда.

Теперь оценим, что можно снять с MPPT контроллера, работающего совместно с этой солнечной панелью. Контроллер настроен на выходное напряжение 5 В.

Для этого тоже снимем вольт-амперную характеристику и построим график мощности. Начнём с вольт-амперной характеристики:

На графике по оси X — ток (мА), по оси Y — напряжение (В).

Теперь попробуем эту ВАХ объяснить научно.

Сначала с ростом тока напряжение не меняется, поскольку нагрузка потребляет меньше мощности, чем может отдать солнечная панель. Затем, когда они сравнялись, в графике наступил излом, и напряжение начало падать.

В конце графика, когда напряжение падает до нуля (короткое замыкание), в контроллере начинает работать просто ограничение по выходному току; в данном случае оно составило 439 мА.

Теперь на основании этих же данных построим график зависимости мощности в нагрузке от тока:

На графике по оси X — ток (мА), по оси Y — мощность (мВт).

Здесь видно, что сначала мощность на нагрузке растёт от нуля, пока не достигнет точки перелома. Затем контроллер пытается удержать мощность на нагрузке на том уровне, который может отдать солнечная панель. Но при этом мощность в нагрузке всё-таки немного снижается; это происходит из-за падения КПД контроллера при повышении тока (рассеяние мощности на выпрямительном диоде, на активном сопротивлении индуктивности и на сопротивлении ключевого транзистора). Увы, это неизбежно.

В конце графика начинает работать ограничение выходного тока, заданное в контроллере, и мощность начинает резко падать до нуля в режиме короткого замыкания на выходе.

Максимум мощности на выходе контроллера составил 538 мВт.

Зная максимум мощности на выходе панели без контроллера MPPT (737 мВт, определён выше), можно рассчитать КПД контроллера для оптимальной точки; он составляет 73%. Нельзя сказать, что это — много, но приемлемо.

И последний график — зависимость напряжения на солнечной батарее от тока нагрузки на выходе контроллера:

На этом графике тоже можно отметить интересные закономерности.

Пока ток — небольшой (потребляемая мощность ниже, чем может отдать солнечная батарея), напряжение на батарее падает с ростом тока.

Затем, когда потребление забирает от батареи всю генерируемую мощность, напряжение стабилизируется на уровне 9 В, т.е. в точке максимальной отдаваемой мощности для солнечной батареи.

Эти графики позволяют оценить преимущество применения солнечной батареи с MPPT контроллером по сравнению с применением без контроллера.

Для этого сравним ток в нагрузке, который солнечная батарея может отдать напрямую, и ток с контроллером для трёх типовых напряжений: 3.2 В (начало заряда Li-ion аккумулятора), 4.2 В (конец заряда Li-ion аккумулятора) и 5 В (стандартное напряжение зарядки телефонов и т.д.).

Напряжение на нагрузке	Ток нагрузки без MPPT контроллера	Ток нагрузки с MPPT контроллером
5 В	104 мА	109 мА
4.2 В	107 мА	140 мА
3.2 В	108 мА	177 мА

Как видно из таблицы, применение MPPT контроллера позволяет во всех трёх случаях повысить ток в нагрузке по сравнению с вариантом без контроллера; причём, чем ниже напряжение на нагрузке, тем больше выигрыш по току. Наибольшая выгода получается в случае использования контроллера для прямой зарядки Li-ion аккумуляторов.

При этом может показаться, что для режима с напряжением 5 В на выходе выигрыш очень небольшой, около 5%. Но результат для нагрузки без MPPT контроллера указан при прямом прохождении тока; а в реальности должен будет стоять какой-либо стабилизатор (линейный или DC-DC преобразователь). Если взять их КПД на уровне 90% (что неплохо), то реальный выигрыш составит около 15%.

Кстати, потребление контроллера на холостом ходу (без нагрузки) составляет 3.3 мА. Это — незначительная величина для солнечной погоды, и заметная — для погоды со значительной облачностью.

В заключение этой главы — таблица с током короткого замыкания солнечной батареи "Электроника М1" для разных погодных условий вблизи полудня:

Погодные условия	Ток короткого замыкания
Солнце	111 мА
Полупрозрачная облачность	39 мА
Облачность 9 баллов (редкие просветы)	18 мА
Сплошная густая облачность	8 мА

Таблица явным образом показывает, что применение этой солнечной батареи при погоде с какой-либо облачностью по существу бессмысленно.

Окончательный диагноз MPPT контроллера и древнесоветской солнечной панели "Электроника М1"

Главной целью обзора была проверка полезности MPPT контроллера для солнечных панелей; и эта цель была успешно выполнена.

Контроллер MPPT , даже упрощённый, показал себя с самой наилучшей стороны. Наиболее полезен он будет для прямой зарядки литий-ионных аккумуляторов (как это и происходит в солнечных электростанциях масштаба домохозяйства и крупнее).

Но и при применении в качестве источника питания для зарядки мобильных устройств он тоже пригоден. Можно предположить, что при совместном применении с более современной солнечной панелью в этом назначении он повысит свою полезность.

Купить MPPT контроллер можно на Алиэкспресс, например, здесь. Цена на момент обзора — $4.7.
Но необходимо внимательно следить за соответствием номинального напряжения контроллера напряжению холостого хода солнечной батареи! Номинальное входное напряжение MPPT контроллера должно быть около 70-80% от напряжения холостого хода солнечной панели; иначе потребуется возиться с перепайкой SMD- компонентов, что может доставить мало удовольствия.

И, разумеется, не надо покупать контроллер, если солнечная батарея уже имеет встроенный контроллер.

Теперь — о солнечной батарее "Электроника М1".

Хотя батарея вполне работоспособна и с помощь MPPT контроллера может быть "доведена до ума", область её применения весьма ограничена.

Для применения в качестве более-менее серьёзного источника энергии она слишком слаба.

С другой стороны, для применения в качестве походной солнечной батареи она — тяжеловата и совсем не имеет защиты от влаги.

Её применение — только "на чёрный день" для подпитки телефона при перебоях с электроснабжением; да и то при условии, что телефон потребляет не слишком много энергии.

Можно с этой же целью подзаряжать портативный аккумулятор (повербанк), а затем от него заряжать любой телефон (не только маломощный), планшет и т.п.

И, в любом случае, эта солнечная панель послужит хорошим украшением в ретро-техно-стиле. 🙂

Весь раздел "Сделай сам! ( DIY) " — здесь.

Ваш Доктор.
19 мая 2022 г.

Вступайте в группу SmartPuls.Ru Контакте! Анонсы статей и обзоров, актуальные события и мысли о них.

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

Солнечная энергетика пока что ограничивается (на бытовом уровне) созданием фотоэлектрических панелей относительно невысокой мощности. Но независимо от конструкции фотоэлектрического преобразователя света солнца в ток это устройство оснащается модулем, который называют контроллер заряда солнечной батареи.

Действительно, в схему установки фотосинтеза солнечного света входит аккумуляторная батарея — накопитель энергии, получаемой от солнечной панели. Именно этот вторичный источник энергии обслуживается в первую очередь контроллером.

В представленной нами статье разберемся в устройстве и принципах работы этого прибора, а также рассмотрим способы его подключения.

Контроллеры для солнечных батарей

Электронный модуль, называемый контроллером для солнечной батареи, предназначен выполнять целый ряд контрольных функций в процессе заряда/разряда аккумулятора солнечной батареи.

Когда на поверхность солнечной панели, установленной, к примеру, на крыше дома, падает солнечный свет, фотоэлементами устройства этот свет преобразуется в электрический ток.

Полученная энергия, по сути, могла бы подаваться непосредственно на аккумулятор-накопитель. Однако процесс зарядки/разрядки АКБ имеет свои тонкости (определённые уровни токов и напряжений). Если пренебречь этими тонкостями, АКБ за короткий срок эксплуатации попросту выйдет из строя.

Чтобы не иметь таких грустных последствий, предназначен модуль, именуемый контроллером заряда для солнечной батареи.

Помимо контроля уровня заряда аккумулятора, модуль также отслеживает потребление энергии. В зависимости от степени разряда, схемой контроллера заряда аккумулятора от солнечной батареи регулируется и устанавливается уровень тока, необходимый для начального и последующего заряда.

В общем, если говорить простым языком, модуль обеспечивает беззаботную «жизнь» для АКБ, что периодически накапливает и отдаёт энергию устройствам-потребителям.

Применяемые на практике виды

На промышленном уровне налажен и осуществляется выпуск двух видов электронных устройств, исполнение которых подходит для установки в схему солнечной энергетической системы:

1. Устройства серии PWM.
2. Устройства серии MPPT.

Первый вид контроллера для солнечной батареи можно назвать «старичком». Такие схемы разрабатывались и внедрялись в эксплуатацию ещё на заре становления солнечной и ветряной энергетики.

Принцип работы схемы PWM контроллера основан на алгоритмах широтно-импульсной модуляции. Функциональность таких аппаратов несколько уступает более совершенным устройствам серии MPPT, но в целом работают они тоже вполне эффективно.

Конструкции, где применяется технология Maximum Power Point Tracking (отслеживание максимальной границы мощности), отличаются современным подходом к схемотехническим решениям, обеспечивают большую функциональность.

Но если сравнивать оба вида контроллера и, тем более, с уклоном в сторону бытовой сферы, MPPT устройства выглядят не в том радужном свете, в котором их традиционно рекламируют.

Контроллер типа MPPT:

• имеет более высокую стоимость;
• обладает сложным алгоритмом настройки;
• даёт выигрыш по мощности только на панелях значительной площади.

Этот вид оборудования больше подходит для систем глобальной солнечной энергетики.

Под нужды обычного пользователя из бытовой среды, имеющего, как правило, панели малой площади, выгоднее купить и с тем же эффектом эксплуатировать ШИМ-контроллер (PWM).

Структурные схемы контроллеров

Принципиальные схемы контроллеров PWM и MPPT для рассмотрения их обывательским взглядом – это слишком сложный момент, сопряжённый с тонким пониманием электроники. Поэтому логично рассмотреть лишь структурные схемы. Такой подход понятен широкому кругу лиц.

Вариант #1 — устройства PWM

Напряжение от солнечной панели по двум проводникам (плюсовой и минусовой) приходит на стабилизирующий элемент и разделительную резистивную цепочку. За счёт этого куска схемы получают выравнивание потенциалов входного напряжения и в какой-то степени организуют защиту входа контроллера от превышения границы напряжения входа.

Здесь следует подчеркнуть: каждая отдельно взятая модель аппарата имеет конкретную границу по напряжению входа (указано в документации).

Далее напряжение и ток ограничиваются до необходимой величины силовыми транзисторами. Эти компоненты схемы, в свою очередь, управляются чипом контроллера через микросхему драйвера. В результате на выходе пары силовых транзисторов устанавливается нормальное значение напряжения и тока для аккумулятора.

Также в схеме присутствует датчик температуры и драйвер, управляющий силовым транзистором, которым регулируется мощность нагрузки (защита от глубокой разрядки АКБ). Датчиком температуры контролируется состояние нагрева важных элементов контроллера PWM.

Обычно уровень температуры внутри корпуса или на радиаторах силовых транзисторов. Если температура выходит за границы установленной в настройках, прибор отключает все линии активного питания.

Вариант #2 — приборы MPPT

Сложность схемы в данном случае обусловлена её дополнением целым рядом элементов, которые выстраивают необходимый алгоритм контроля более тщательно, исходя из условий работы.

Уровни напряжения и тока отслеживаются и сравниваются схемами компараторов, а по результатам сравнения определяется максимум мощности по выходу.

Главное отличие этого вида контроллеров от приборов PWM в том, что они способны подстраивать энергетический солнечный модуль на максимум мощности независимо от погодных условий.

Схемой таких устройств реализуются несколько методов контроля:

• возмущения и наблюдения;
• возрастающей проводимости;
• токовой развёртки;
• постоянного напряжения.

А в конечном отрезке общего действия применяется ещё алгоритм сравнения всех этих методов.

Способы подключения контроллеров

Рассматривая тему подключений, сразу нужно отметить: для установки каждого отдельно взятого аппарата характерной чертой является работа с конкретной серией солнечных панелей.

Так, например, если используется контроллер, рассчитанный на максимум входного напряжения 100 вольт, серия солнечных панелей должна выдавать на выходе напряжение не больше этого значения.

Прежде чем подключать аппарат, необходимо определиться с местом его физической установки. Согласно правилам, местом установки следует выбирать сухие, хорошо проветриваемые помещения. Исключается присутствие рядом с устройством легковоспламеняющихся материалов.

Недопустимо наличие в непосредственной близости от прибора источников вибраций, тепла и влажности. Место установки необходимо защитить от попадания атмосферных осадков и прямых солнечных лучей.

Техника подключения моделей PWM

Практически все производители PWM-контроллеров требуют соблюдать точную последовательность подключения приборов.

Подключать периферийные устройства нужно в полном соответствии с обозначениями контактных клемм:

1. Соединить провода АКБ на клеммах прибора для аккумулятора в соответствии с указанной полярностью.
2. Непосредственно в точке контакта положительного провода включить защитный предохранитель.
3. На контактах контроллера, предназначенных для солнечной панели, закрепить проводники, выходящие от солнечной батареи панелей. Соблюдать полярность.
4. Подключить к выводам нагрузки прибора контрольную лампу соответствующего напряжения (обычно 12/24В).

Указанная последовательность не должна нарушаться. К примеру, подключать солнечные панели в первую очередь при неподключенном аккумуляторе категорически запрещается. Такими действиями пользователь рискует «сжечь» прибор. В этом материале более подробно описана схема сборки солнечных батарей с аккумулятором.

Также для контроллеров серии PWM недопустимо подключение инвертора напряжения на клеммы нагрузки контроллера. Инвертор следует соединять непосредственно с клеммами АКБ.

Порядок подключения приборов MPPT

Общие требования по физической инсталляции для этого вида аппаратов не отличаются от предыдущих систем. Но технологическая установка зачастую несколько иная, так как контроллеры MPPT зачастую рассматриваются аппаратами более мощными.

Например, для мощных систем эти требования дополняются тем, что производители рекомендуют брать кабель для линий силовых подключений, рассчитанный на плотность тока не менее чем 4 А/мм 2 . То есть, например, для контроллера на ток 60 А нужен кабель для подключения к АКБ сечением не меньше 20 мм 2 .

Соединительные кабели обязательно оснащаются медными наконечниками, плотно обжатыми специальным инструментом. Отрицательные клеммы солнечной панели и аккумулятора необходимо оснастить переходниками с предохранителями и выключателями.

Такой подход исключает энергетические потери и обеспечивает безопасную эксплуатацию установки.

Перед подключением солнечных панелей к прибору следует убедиться, что напряжение на клеммах соответствует или меньше напряжения, которое допустимо подавать на вход контроллера.

Подключение периферии к аппарату MTTP:

1. Выключатели панели и аккумулятора перевести в положение «отключено».
2. Извлечь защитные предохранители на панели и аккумуляторе.
3. Соединить кабелем клеммы аккумулятора с клеммами контроллера для АКБ.
4. Подключить кабелем выводы солнечной панели с клеммами контроллера, обозначенными соответствующим знаком.
5. Соединить кабелем клемму заземления с шиной «земли».
6. Установить температурный датчик на контроллере согласно инструкции.

После этих действий необходимо вставить на место ранее извлечённый предохранитель АКБ и перевести выключатель в положение «включено». На экране контроллера появится сигнал обнаружения аккумулятора.

Далее, после непродолжительной паузы (1-2 мин), поставить на место ранее извлечённый предохранитель солнечной панели и перевести выключатель панели в положение «включено».

Экран прибора покажет значение напряжения солнечной панели. Этот момент свидетельствует об успешном запуске энергетической солнечной установки в работу.

Выводы и полезное видео по теме

Промышленностью выпускаются устройства многоплановые с точки зрения схемных решений. Поэтому однозначных рекомендаций относительно подключения всех без исключения установок дать невозможно.

Однако главный принцип для любых типов приборов остаётся единым: без подключения АКБ на шины контроллера соединение с фотоэлектрическими панелями недопустимо. Аналогичные требования предъявляются и для включения в схему инвертора напряжения. Его следует рассматривать как отдельный модуль, подключаемый на АКБ прямым контактом.

Если у вас есть необходимый опыт или знания, пожалуйста, поделитесь им с нашими читателями. Оставляйте свои комментарии в расположенном ниже блоке. Здесь же можно задать вопрос по теме статьи.

MPPT контроллер — принцип работы и алгоритмы поиска точки максимальной мощности

Если вы хотите увеличить выработку энергии вашими солнечными батареями без добавления солнечных панелей, то вам нужно заменить ваш солнечный контроллер на контроллер со слежением за точкой максимальной мощности (ТММ) солнечной батареи. Такой контроллер позволит в большинстве случаев увеличить выработку электроэнергии по сравнению с контроллерами ШИМ .

MPPT контроллеры появились на рынке в конце 80-х годов. Постепенно они стали применяться все шире и шире, и в будущем, скорее всего, все контроллеры будут иметь функцию слежения за ТММ солнечного модуля. Сейчас на рынке появились MPPT контроллеры с улучшенной схемотехникой, надежными электронными компонентами и с управлением микропроцессором.

В простых контроллерах солнечный модули подключается к аккумулятору напрямую, таким образом напряжение их сравнивается. В реальности же оптимальное напряжение солнечной батареи почти всегда отличается от напряжения на аккумуляторе. Типичный 12В аккумулятор требует для полного заряда поддерживать заряд при 14,4В в течение 2-4 часов. Эта стадия называется стадией абсорбции (насыщения).

Точка максимальной мощности солнечной батареи

Если посмотреть на типичную вольт-амперную характеристику солнечной батареи, можно увидеть, что выработка энергии может быть увеличена, если контроллер заряда будет следить за точкой максимальной мощности солнечной батареи.

Типичный MPPT контроллер постоянно отслеживает ток и напряжение на солнечной батарее, перемножает их значения и определяет пару ток-напряжение, при которых мощность СБ будет максимальной. Встроенный процессор также следит, на какой стадии заряда находится аккумулятор (наполнение, насыщение, выравнивание, поддержка) и на основании этого определяет, какой ток должен подаваться в аккумуляторы. Одновременно процессор может давать команды на индикацию параметров на табло (при наличии), хранение данных, и т.п.

Точка максимальной мощности может вычисляться разными способами. В простейшем случае контроллер последовательно снижает напряжение от точки холостого хода до напряжения на аккумуляторе. Точка максимальной мощности будет находиться где-то в промежутке между этими значениями.

Повышение выработки энергии солнечным модулем при слежении за точкой максимальной мощности

Положение ТММ зависит от нескольких параметров — от освещенности модуля, температуры, разнородности используемых модулей и т.д. Контроллер периодически пытается немного «отойти» от найденной на предыдущей стадии точки в обе стороны, и если мощности при этом увеличивается, то он переходит на работу в этой точке. Теоретически, при поиске ТММ теряется немного энергии, но эта потеря очень незначительна по сравнению в той дополнительной энергией, которую обеспечивает MPPT контроллер.

Встроенный преобразователь постоянного тока поддерживает разное напряжение на входе и выходе контроллера. Это похоже на работу бесступенчатой коробки передач в автомобиле, которая поддерживает оптимальные обороты двигателя при разной скорости движения автомобиля.

Количество дополнительно полученной энергии при использовании MPPT контроллера трудно однозначно определить. Основными факторами, влияющими на дополнительную выработку. являются температура и степень заряженности аккумуляторной батареи. Наибольшая добавка к выработке будет при низких температурах модуля и разряженных батареях.

Точка максимальной мощности солнечной батареи при разных температурах модуля

На рисунке справа показано, как может меняться напряжение в точке максимальной мощности при разных температурах модуля. Чем горячее солнечный модуль, тем меньше напряжение на модуле и, соответственно, выработка энергии солнечной батареей. В какие-то моменты точка максимальной мощности может быть ниже напряжения на аккумуляторе, и в этом случае вы не получите никакого выигрыша в выработке энергии по сравнению с ШИМ контроллером. Такое же влияние оказывает и частичное затенение солнечной батареи.

Поэтому обычно при использовании MPPT контроллеров нужно коммутировать солнечные батареи на более высокое напряжение. Большинство контроллеров может отслеживать точку максимальной мощности в широких пределах. Такое решение также позволит повысить выработку энергии солнечной батареей при пониженных освещенностях. Однако, не нужно делать слишком большую разницу между входным и выходным напряжением, иначе КПД контроллера падает.

Для чего нужен контроллер заряда для солнечной батареи?

Аккумуляторы, которые используются в комплекте солнечных батарей для накопления заряда, имеют ряд собственных особенностей. Они нуждаются в создании определенных условий в процессе зарядки. Необходимо своевременно ограничить ток и напряжение, не допустить слишком сильного разряда и исключить перезарядку АКБ. Обеспечить эти условия может специальное устройство, наблюдающее за блоком батарей и своевременно прекращающее все процессы, когда они достигают критических значений.

Это устройство — контроллер солнечной батареи, обеспечивающий сохранность и долговечность аккумуляторов. Обойтись без этих приборов невозможно, так как бесконтрольный заряд или разрядка всегда заканчиваются выходом АКБ из строя.

Задачи, которые решают контроллеры заряда для солнечных батарей:

• выполнение диспетчерских функций, определение текущего режим работы и изменение его при возникновении соответствующих условий
• ограничение величины заряда, предотвращение излишнего поглощения электроэнергии
• наблюдение за расходованием и своевременный перевод батарей в режим зарядки

Есть контроллеры, совмещающие функции источника питания. К ним подключаются низковольтные потребители, например — осветительные приборы или иная нагрузка подобного типа. Такие системы работают в малом составе и не используются в качестве полноценного источника питания для бытовой или хозяйственной техники.

Применяемые на практике виды

На промышленном уровне налажен и осуществляется выпуск двух видов электронных устройств, исполнение которых подходит для установки в схему солнечной энергетической системы:

1. Устройства серии PWM.
2. Устройства серии MPPT.

Первый вид контроллера для солнечной батареи можно назвать «старичком». Такие схемы разрабатывались и внедрялись в эксплуатацию ещё на заре становления солнечной и ветряной энергетики.

Принцип работы схемы PWM контроллера основан на алгоритмах широтно-импульсной модуляции. Функциональность таких аппаратов несколько уступает более совершенным устройствам серии MPPT, но в целом работают они тоже вполне эффективно.

Одна из популярных в обществе моделей контроллера заряда АКБ солнечной станции, несмотря на то, что схема устройства выполнена по технологии PWM, которую считают устаревшей

Конструкции, где применяется технология Maximum Power Point Tracking (отслеживание максимальной границы мощности), отличаются современным подходом к схемотехническим решениям, обеспечивают большую функциональность.

Но если сравнивать оба вида контроллера и, тем более, с уклоном в сторону бытовой сферы, MPPT устройства выглядят не в том радужном свете, в котором их традиционно рекламируют.

Контроллер типа MPPT:

• имеет более высокую стоимость;
• обладает сложным алгоритмом настройки;
• даёт выигрыш по мощности только на панелях значительной площади.

Этот вид оборудования больше подходит для систем глобальной солнечной энергетики.

Контроллер, предназначенный под эксплуатацию в составе конструкции солнечной энергетической установки. Является представителем класса аппаратов MPPT – более совершенных и эффективных

Под нужды обычного пользователя из бытовой среды, имеющего, как правило, панели малой площади, выгоднее купить и с тем же эффектом эксплуатировать ШИМ-контроллер (PWM).

Как подобрать контроллер заряда для солнечных батарей

В первую очередь стоит обратить внимание на такие параметры, как:

• Входное напряжение. Взгляните на информацию в техпаспорте: там указывается максимальное напряжение и напряжение «холостого хода» солнечной батареи. Первый параметр должен быть на 20% выше «холостого хода». Даже если производители указали в документациях завышенные показатели, с этим нехитрым расчетом подобрать подходящий контроллер — реально и без специалиста. Учитывайте и то, что при высокой активности Солнца (в летний период), напряжение в солнечных батареях будет на порядок выше, чем указано в техпаспорте.
• Наличие защиты. Многие модели оснащаются дополнительной защитой от различных неприятных ситуаций: неправильное подключение полярности, короткие замыкания, удар молнии, перегрев, разрядка в ночное время и т.п. Выбирайте контроллер с учетом индивидуальных потребностей: например, если в вашем регионе грозы — частое явление, тогда защита от удара молнии пригодится.
• Номинальный ток. Для моделей каждого типа устройства он свой. Для PWM-контроллеров номинальный ток на 10% выше тока короткого замыкания солнечного модуля. Для MPPT моделей номинальный ток вычисляется, исходя из мощности, которая должна быть равна или немного превышать произведение напряжения солнечной батареи на ток регулятора.

В период высокой инсоляции без контроллера не обойтись: случаются перегрузки, и вся гелиосистема способна выйти из строя. Чтобы этого не произошло, необходимо дополнительно рассчитать показатели номинального тока «про запас». Всегда лучше приобрести более дорогой контроллер с высокими параметрами мощности. Для вычисления показателей, необходимых для расчета «запаса», к полученным значениям по номинальному току прибавьте еще 20% мощности — этого достаточно, чтобы спасти гелиосистему от перегрузок.

Обзор контроллеров солнечной батареи: разновидности

По своему устройство различают четыре типа контроллеров (не считая самодельных):

• OnOff — отключает заряд по достижению верхнего предела напряжения;
• PWM — для понижения заряжающего тока при максимальных нагрузках;
• МРРТ — сложная система, снимающая высокое напряжение с батарей с последующей оптимизацией нагрузки;
• гибридные — созданы для комбинированных систем (солнечные модули + ветряки) для сброса избыточной энергии.

Чем сложнее модель, тем выше ее стоимость. Поэтому устройства типа «OnOff» всегда будут стоить дешевле, чем МРРТ. Необязательно покупать последнюю новинку техники, если вам необходим простой контроллер для солнечной батареи на даче. В этих случаях модели «OnOff» будет достаточно. Если вам необходимо позаботиться о гелиосистеме, работающей на постоянной основе и служащей для обеспечения электроэнергией жилого дома, тогда стоит задуматься о приобретении PWM или МРРТ моделей. Гибридные модели актуальны только для владельцев комбинированных систем. Они строятся на базе МРРТ или PWM с той разницей, что у них используются вольтамперные системы исчисления.

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.

• 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.

• 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.

Если выбрать контроллер, который не будет соответствовать требованиям, то в лучшем случае он просто выйдет из строя, а в худшем может испортиться проводка в доме.

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.

Советы по выбору контроллера для солнечной батареи

Чтобы не совершить ошибку при покупке, учитывайте такие аспекты:

• Мощность солнечных батарей не должна превышать мощности контроллера — это приводит к поломке. Учитывайте, что не каждое устройство располагает функцией ограничения мощности. На деле такой опцией оснащены только модели от продвинутых производителей. К примеру, линейка «Tracer A» от компании EpSolar. Подобный ограничитель указывается в технических характеристиках.
• В расчетах учитывайте, что из-за низких температур общий показатель КПД гелиосистемы увеличивается, в то время как показатель номинальной мощности (в техпаспорте) указывается для средней температуры 25°С. Для примера: у кремниевых батарей температурный коэффициент колеблется от 0,3% до 0,5% на градус по Цельсию. Значит, для -25°С мощность увеличится на 20%. Если не брать это во внимание, то высок риск купить неподходящий контроллер.
• Никогда не устанавливайте контроллер с меньшим номиналом — он сломается, даже если вы собираетесь использовать его для неполной нагрузки. Ситуации случаются разные, и от капризов погоды не застрахован никто.
• Сами производители отмечают, что лучший контроллер для солнечных батарей — тот, который оснащен температурной компенсацией зарядных напряжений. От температуры аккумулятора зависит предельное напряжение зарядки. Иными словами, с наличием встроенного или подключенного температурного датчика вы сможете следить за перегревом устройства. Это позволяет избежать поломок и повысить точность работы аккумулятора.
• Для измерения выработки энергии от Солнца учитывайте среднемесячные значения за пять-семь лет — не только последние показатели. Это позволяет увидеть широту колебаний солнечного массива и выбрать не только подходящие модули, но и соответствующий им контроллер.

Способы подключения контроллеров

Рассматривая тему подключений, сразу нужно отметить: для установки каждого отдельно взятого аппарата характерной чертой является работа с конкретной серией солнечных панелей.

Так, например, если используется контроллер, рассчитанный на максимум входного напряжения 100 вольт, серия солнечных панелей должна выдавать на выходе напряжение не больше этого значения.

Любая солнечная энергетическая установка действует по правилу баланса выходного и входного напряжений первой ступени. Верхняя граница напряжения контроллера должна соответствовать верхней границе напряжения панели

Прежде чем подключать аппарат, необходимо определиться с местом его физической установки. Согласно правилам, местом установки следует выбирать сухие, хорошо проветриваемые помещения. Исключается присутствие рядом с устройством легковоспламеняющихся материалов.

Недопустимо наличие в непосредственной близости от прибора источников вибраций, тепла и влажности. Место установки необходимо защитить от попадания атмосферных осадков и прямых солнечных лучей.

Техника подключения моделей PWM

Практически все производители PWM-контроллеров требуют соблюдать точную последовательность подключения приборов.

Техника соединения контроллеров PWM с периферийными устройствами особыми сложностями не выделяется. Каждая плата оснащена маркированными клеммами. Здесь попросту требуется соблюдать последовательность действий

Подключать периферийные устройства нужно в полном соответствии с обозначениями контактных клемм:

1. Соединить провода АКБ на клеммах прибора для аккумулятора в соответствии с указанной полярностью.
2. Непосредственно в точке контакта положительного провода включить защитный предохранитель.
3. На контактах контроллера, предназначенных для солнечной панели, закрепить проводники, выходящие от солнечной батареи панелей. Соблюдать полярность.
4. Подключить к выводам нагрузки прибора контрольную лампу соответствующего напряжения (обычно 12/24В).

Указанная последовательность не должна нарушаться. К примеру, подключать солнечные панели в первую очередь при неподключенном аккумуляторе категорически запрещается. Такими действиями пользователь рискует «сжечь» прибор. В этом материале более подробно описана схема сборки солнечных батарей с аккумулятором.

Также для контроллеров серии PWM недопустимо подключение инвертора напряжения на клеммы нагрузки контроллера. Инвертор следует соединять непосредственно с клеммами АКБ.

Порядок подключения приборов MPPT

Общие требования по физической инсталляции для этого вида аппаратов не отличаются от предыдущих систем. Но технологическая установка зачастую несколько иная, так как контроллеры MPPT зачастую рассматриваются аппаратами более мощными.

Для контроллеров, рассчитанных под высокие уровни мощностей, на соединениях силовых цепей рекомендуется применять кабели больших сечений, оснащённые металлическими концевиками

Например, для мощных систем эти требования дополняются тем, что производители рекомендуют брать кабель для линий силовых подключений, рассчитанный на плотность тока не менее чем 4 А/мм2. То есть, например, для контроллера на ток 60 А нужен кабель для подключения к АКБ сечением не меньше 20 мм2.

Соединительные кабели обязательно оснащаются медными наконечниками, плотно обжатыми специальным инструментом. Отрицательные клеммы солнечной панели и аккумулятора необходимо оснастить переходниками с предохранителями и выключателями.

Такой подход исключает энергетические потери и обеспечивает безопасную эксплуатацию установки.

Структурная схема подключения мощного контроллера MPPT: 1 – солнечная панель; 2 – контроллер MPPT; 3 – клеммник; 4,5 – предохранители плавкие; 6 – выключатель питания контроллера; 7,8 – земляная шина

Перед подключением солнечных панелей к прибору следует убедиться, что напряжение на клеммах соответствует или меньше напряжения, которое допустимо подавать на вход контроллера.

Подключение периферии к аппарату MTTP:

1. Выключатели панели и аккумулятора перевести в положение «отключено».
2. Извлечь защитные предохранители на панели и аккумуляторе.
3. Соединить кабелем клеммы аккумулятора с клеммами контроллера для АКБ.
4. Подключить кабелем выводы солнечной панели с клеммами контроллера, обозначенными соответствующим знаком.
5. Соединить кабелем клемму заземления с шиной «земли».
6. Установить температурный датчик на контроллере согласно инструкции.

После этих действий необходимо вставить на место ранее извлечённый предохранитель АКБ и перевести выключатель в положение «включено». На экране контроллера появится сигнал обнаружения аккумулятора.

Далее, после непродолжительной паузы (1-2 мин), поставить на место ранее извлечённый предохранитель солнечной панели и перевести выключатель панели в положение «включено».

Экран прибора покажет значение напряжения солнечной панели. Этот момент свидетельствует об успешном запуске энергетической солнечной установки в работу.

Можно ли обойтись без контроллера?

Контроллер заряда солнечной батареи выполняет всего одну, но очень важную функцию – управляет уровнем заряда АКБ. Если его не устанавливать, будет невозможно контролировать процесс заряда-разряда, он будет длиться без остановки, что неизбежно приведет к закипанию электролита и выходу аккумулятора из строя.

Есть вариант, который используют некоторые умельцы, – заменяют контроллер вольтметром. Это не удобно и мало эффективно, поскольку приходится самостоятельно управлять процессом, что не исключает человеческий фактор.

• https://www.solarhome.ru/control/mppt
• https://Energo.house/sol/kontroller-zaryada-solnechnoj-batarei-mrrt-ili-shim-chto-luchshe-vybrat.html
• https://sovet-ingenera.com/eco-energy/sun/kontroller-zaryada-solnechnoj-batarei.html
• https://altenergiya.ru/sun/kontroller-dlya-solnechnyx-batarej.html
• https://VashUmnyiDom.ru/elektropitanie/alternativnaya-energiya/kontroller-zaryada-solnechnoj-batarei.html
• https://e-solarpower.ru/faq/solnechnyy-kontroller-zaryada-batarei/

• Биогазовая установка в домашних условиях, принцип работы, виды
• Стоит ли использовать биотопливо и почему
• Зеленый тариф: как выгодно продавать электроэнергию государству
• Солнечный коллектор для отопления дома, в чём плюсы подобного обогрева

Дизайн и настройка WordPress — Андрей Морковин
Разработка каталога производителей и поставщиков оборудования — HTML and CMS