Сделать контроллер заряда для солнечной батареи в два счета

Самодельный контроллер: особенности, комплектующие

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

Для изготовления контроллера нужно подготовить следующие элементы:

Читайте также:  Кухонная вытяжка в частном доме: как подобрать, установить, инструкции (схема) и правила монтажа

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

Что будет, если не производить установку

Если не установить контроллеры MPPT или PWM для солнечных батарей, то потребуется самостоятельный контроль за уровнем напряжения на батареях. Осуществить это можно с помощью вольтметра, как показано на рисунке ниже.

Однако, при таком подключении уровень заряда аккумулятора не будет фиксироваться, в результате чего он может перегореть и выйти из строя. Данный способ подключения возможен при подключении небольших солнечных панелей для питания устройств мощностью не более 0,1 кВт. Для панелей, которые будут питать целый дом, монтаж без контроллера не рекомендуется, так как оборудование выйдет из строя намного раньше. Также из-за перезарядки аккумулятора могут выйти из строя: инвертор, так как он не будет справляться с таким напряжением, может от этого сгореть проводка и так далее. Поэтому следует проводить правильный монтаж, учитывать все факторы.

Три принципа построения контроллеров заряда

По принципу действия различают три типа солнечных контроллеров.
Первый, самый простой тип – это устройство, выполненное по принципу «On/Off» («Вкл./Выкл.»). Схема такого аппарата представляет собой простейший компаратор, который включает или выключает цепь заряда в зависимости от значения напряжения на клеммах аккумулятора. Это самый простой и дешевый тип контроллеров, но и способ, которым он производит заряд, самый ненадежный. Дело в том, что контроллер отключает цепь заряда по достижении предельного значения напряжения на клеммах аккумуляторной батареи. Но при этом не происходит полного заряда банок. Максимально достигается не более 90% заряда от номинального значения. Вот такой постоянный недобор заряда значительно уменьшает работоспособность аккумулятора и срок его работы.

Вольт-амперная характеристика солнечного модуля

Второй тип контроллеров – это устройства, построенные по принципу ШИМ (широтно-импульсной модуляции). Это более сложные аппараты, в которых кроме дискретных компонентов схемы имеются уже и элементы микроэлектроники. Аппараты на базе ШИМ (англ. – PWM) осуществляют зарядку аккумуляторов ступенчато, выбирая оптимальные режимы заряда. Эта выборка производится автоматически и зависит от того, как глубоко разряжены АКБ. Контроллер повышает напряжение, одновременно понижая силу тока, обеспечивая тем самым полную зарядку аккумуляторной батареи. Большой недостаток ШИМ-контроллера – заметные потери в режиме зарядки аккумулятора – теряются до 40%.

ШИМ – контроллер

Третий тип – это контроллеры MPPT, то есть работающие по принципу отыскания точки максимальной мощности солнечного модуля. В процессе работы устройства этого типа используют максимально доступную мощность для любого режима заряда. По сравнению с другими, аппараты этого типа отдают на заряд аккумуляторных батарей примерно на 25% — 30% больше энергии, чем другие аппараты.

MPPT — контроллер

• Контроллер заряда для солнечной батареи

Заряд АКБ производится меньшим напряжением, чем это делают контроллеры других типов, но большей силой тока. Коэффициент полезного действия аппаратов MPPT достигает 90% — 95%.

Где устанавливается

Подключается контроллер между аккумулятором и панелью солнечных батарей. Однако, в схему подключения обязательно должен входить инвертор для солнечной батареи. Инвертор используется для преобразования постоянного 12 В тока, который идет от солнечной батареи, в переменный 220 В, текущий в любой розетке в доме, монтируется после аккумуляторной батареи.

Также важно наличие предохранителя, который выполняет защитную функцию от различных перегрузок и замыканий. Поэтому, для того чтобы обезопасить свой дом, необходимо произвести монтаж предохранителя. При наличии большого количества солнечных панелей желательна установка предохранителей между каждым элементом схемы.

На рисунке ниже показано, как выглядит инвертор (черная коробка):

Стандартная схема подключения выглядит примерно так, как представлена на рисунке ниже.

Схема показывает, что солнечные панели соединены с контроллером, электрическая энергия поступает в контроллер, а затем накапливается в аккумуляторе. Из аккумулятора она снова идет в контроллер, а после поступает в инвертор. А уже после инвертора идет распределение на потребление.

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. Им и адресуется эта статья.

Самостоятельное изготовление

Если у человека имеются определенные познания в области электроники и электротехники, то можно попробовать собрать схему контроллера для солнечных панелей и ветрогенератора своими руками. Такой агрегат будет сильно уступать в функционале и эффективности промышленным серийным образцам, но в маломощных сетях его может быть вполне достаточно.

Кустарный регулирующий модуль должен отвечать основным условиям:

• 1,2P ≤ I × U. В этом уравнении используются обозначения суммарной мощности всех источников (Р), выходного тока контроллера (I), напряжения в системе при полностью разряженных АКБ (U),
• Максимальное входное напряжение контроллера должно отвечать суммарному напряжению батарей без нагрузки.

Наиболее простая схема подобного модуля будет иметь следующий вид:

Устройство, собранное своими руками, работает с такими характеристики:

• Зарядное напряжение – 13,8 В (может меняться в зависимости от номинала тока),
• Напряжение отключения – 11 В (настраивается),
• Напряжение включения – 12,5 В,
• Падение напряжения на ключах – 20 мВ при значении тока 0,5А.

Контроллеры заряда ШИМ или МРРТ типа являются одной из неотъемлемых частей любой гелиосистемы или гибридной системы на солнечных и ветрогенераторах. Они обеспечивают нормальный режим заряда аккумуляторных батарей, повышают эффективность и предотвращают их преждевременный износ, к тому же могут быть вполне собраны своими руками.

Как подключить контроллер заряда для солнечных батарей?

Этот прибор может находится внутри инвертора, а также может быть, как отдельным инструментом.

Задумываясь о подключении следует учитывать характеристики всех составляющих электростанции. К примеру, U не должно быть выше того с которым может работать контроллер.

Установку нужно выполнять в то место где не будет влаги. Дальше приведем варианты подключения двух распространенных типов контроллеров для солнечной батареи.

Подключение МРРТ

Это достаточно мощное устройство и подключается определенным образом. На концах проводов с помощью которых он подсоединяется имеются медные наконечники с зажимами. Минусовые клеймы прицепляемые к контроллеру нужно снабдить переходниками предохранителями и выключателями. Подобное решение не даст потерять энергию и сделает солнечную электростанцию более безопасней. Напряжение на солнечных панелях должно соответствовать напряжению контроллера.

Перед тем как включить устройство mppt в цепь переключите выключатели на контактах в положение «Выкл» и вытащите предохранители. Все это делается по такому алгоритму:

1. Выполнить сцепление клеймов АКБ и контроллера.
2. Прицепить солнечные панели к контроллеру.
3. Обеспечить заземление.
4. Поставить на контролирующий прибор датчик отслеживающий уровень температуры.

Выполняя данную процедуру следить за правильностью полярности контактов. Когда все будет выполнено переведите выключатель в положение «ВКЛ» и вставьте предохранители. Правильность работы будет заметна если на табло контроллера высветится информация о заряде.

Подключение солнечной батареи к контроллеру PWM

Чтобы это сделать выполните простой алгоритм соединения:

1. Кабеля АКБ сцепите с клеймами контроллера pwm.
2. У провода с полярностью «+» нужно включить предохранитель для защиты.
3. Соедините провода от СБ контроллером заряда солнечной батареи.
4. Присоедините лампочку на 12 вольт к выводам нагрузки контроллера.

В момент подключения соблюдайте маркировку. В противном случае приборы могут поломаться. Не следует соединять инвертор с контактами контролирующего устройства. Он должен цепляться к контактам АКБ.

Простейший самодельный контроллер

При самостоятельном изготовлении любого контроллера необходимо обязательно соблюдать определенные условия. Во-первых, максимальное напряжение на входе должно быть равным напряжению АКБ без нагрузки. Во-вторых, должно быть выдержано соотношение: 1,2P

Схема простейшего контроллера

Этот аппарат предназначен для работы в составе солнечной электростанции малой мощности. Принцип работы контроллера предельно прост. Когда напряжение на клеммах аккумуляторов достигнет заданного значения, заряд прекращается. В дальнейшем производится только так называемый капельный заряд.

Контроллер, смонтированный на печатной плате

При падении напряжения ниже установленного уровня подача энергии на аккумуляторы возобновляется. Если при работе на нагрузку в отсутствии заряда напряжение АКБ будет ниже 11 вольт, контроллер отключит нагрузку. Тем самым исключается разряд аккумуляторов в период отсутствия солнца.

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.

Описание схемы устройства

Известно, что для эффективного отбора мощности контроллер должен отслеживать точку максимальной 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.

Блок-схема контроллера представлена на Рисунке 1 и содержит эквивалент солнечной батареи в виде источника тока SB, обладающего внутренним сопротивлением RВН.

Рисунок 1.	Блок-схема контроллера солнечной панели.

При отсутствии внешнего освещения RВН стремится к бесконечности, а ток к нулю. При росте освещенности RВН 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. UOП равно паспортному значению точки максимальной мощности солнечной панели.

При росте освещенности конденсатор С1 начинает заряжаться через внутреннее сопротивление солнечной панели. Когда напряжение на С1 превышает опорное напряжение, на выходе компаратора появляется «0», замыкающий ключ S1.

Конденсатор С1 разряжается через S1 на нагрузку RН, после чего процесс повторяется.

Чем выше освещённость, тем чаще повторяется описанный выше процесс.

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 контроллера представлена на Рисунке 2.

Рисунок 2.	Принципиальная схема контроллера солнечной панели.

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 ток 2…8 А.
   
• 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 при отключении аккумулятора.

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).

Аннотация

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

Как осуществить подключение самостоятельно

Подключить контроллер заряда MPPT для солнечных батарей достаточно просто. Для этого следует понимать принципиальную схему подключения, уметь в ней разбираться и ориентироваться, а также соединить все провода и элементы с полным соблюдением полярности, то есть «плюс» соединить с «плюсом», а «минус» с «минусом».

На рисунке ниже можно увидеть специальные отверстия с «плюсом» и минусом», собственно следует правильно засунуть в них нужные провода.

Более подробная схема представлена ниже.

Схема подключения довольно-таки проста, важно соединить все элементы, соблюдая полярность, а также необходимо учесть, чтобы они безопасно располагались в доме и не угрожали жизни. Справиться с такой задачей сможет каждый.

Возможно подключение нескольких аккумуляторов, однако здесь присоединять необходимо смешанным способом, а именно: группа аккумуляторных батарей подключается между собой параллельно, а к контроллеру последовательно. Подобную схему можно увидеть на рисунке ниже.

Как видно из схемы, количество аккумуляторов не ограничено. Однако, следует понимать, что при таком числе необходимо приобрести соответствующий инвертор, который будет способен справиться с такой большой нагрузкой.

Чем можно заменить некоторые комплектующие

Любой из этих элементов можно заменять. При установке других схем нужно подумать об изменении емкости конденсатора С2 и подборе смещения транзистора Q3.

Вместо транзистора MOSFET можно установить любой другой. Элемент должен иметь низкое сопротивление открытого канала. Диод Шоттки лучше не заменять. Можно установить обычный диод, но его нужно правильно разместить.

Резисторы R8, R10 равны 92 кОм. Такое значение нестандартное. Из-за этого такие резисторы найти сложно. Их полноценной заменой может быть два резистора с 82 и 10 кОм. Их нужно включать последовательно.

Схема подключения модуля

Клик для увеличения схемы

После снятия задней стенки можно получить доступ к печатной плате устройства.

Читайте также:  Сколько электроэнергии потребляет кондиционер, как снизить расходы

В качестве аккумулятора была выбрана батарея 12 В емкостью 1,2 А/ч, потому, что она у автора была. На самом деле в ясный солнечный день панель сможет зарядить 2-3 таких аккумулятора. Для уменьшения опасности короткого замыкания в цепь аккумулятора включен плавкий предохранитель. Для недопущения разряда аккумулятора через солнечную панель при малом освещении последовательно с панель включен диод Шотки типа IN5817. Когда аккумулятор полностью заряжен ток, отбираемый от солнечной батареи, составляет около 50 мА, при напряжении 19 В.

В качестве тестовой нагрузки использована самодельная светодиодная фитолампа на 4-х последовательно включенных фитосветодиода мощностью 1 Вт, последовательно со светодиодами включен резистор типа МЛТ-2, сопротивлением 30 Ом. При напряжении 12,6 В, ток потребляемый лампой составит около 60 мА. Таким образом аккумулятор на 1,2 А*ч позволяет питать эту лампу около 20 часов.

В целом собранная автономная конструкция оказалась вполне работоспособной с технической точки зрения. Но с экономической точки зрения, учитывая стоимость солнечной батареи, аккумулятора и блока управления картина получается безрадостной. Солнечная батарея стоит 2700 р, аккумулятор 12 В 1,2 А/ч стоит около 500 р, блок управления 400 р. Так же автор пробовал использовать два последовательно включенных аккумулятора 6 В 12 А/ч (они будут иметь стоимость около 3000 р), такой аккумулятор у автора заряжается за 3-4 солнечных дня, при этом ток зарядки доходит до 270 мА.

Общая стоимость использованного оборудования в минимальной комплектации 3600 р. Как несложно видеть, данная фитолампа потребляет около 0,8 Вт. При тарифе 3,5 р за 1 кВт/ч, лампа должна работать от сети при КПД источника питания 50%, около 640000 ч или 73 года только для того, что бы можно было оправдать затраты на оборудование. При этом за такой промежуток времени, несомненно, придется несколько раз полностью сменить оборудование, деградацию аккумулятора и фотоэлементов ни кто не отменял.