Принцип работы солнечного контроллера. Контроллер заряда для солнечной батареи: правила выбора, схема для сборки своими руками

Особую популярность в последнее время приобрели системы, функционирующие автономно, без подключения к электросети. Подобные устройства идеально подходят для работы в замкнутом режиме. Конструкции подобных систем довольно сложные и состоят из нескольких элементов, самым главным из которых является контроллер.

Особенности

Контроллеры заряда имеют несколько немаловажных особенностей. Наиболее важными являются функции защиты, которые служат для повышения степени надежности работы данного устройства.

Необходимо отметить наиболее распространенные в подобных конструкциях разновидности защит:

• устройства оснащены надежной защитой от неправильного подсоединения полярности;
• очень важно предотвратить вероятность коротких замыканий в нагрузке и на входе, поэтому производители обеспечивают контроллеры надежной защитой от возникновения подобных ситуаций;
• немаловажной является защита устройства от молнии, а также различных перегревов;
• конструкции контроллеров оснащаются специальной защитой от перенапряжений и разрядки аккумулятора в ночное время суток.

Дополнительно устройство оснащается разнообразными электронными предохранителями и специальными информационными дисплеями. Монитор позволяет узнать необходимую информацию о состоянии аккумулятора и всей системы.

Помимо этого, на экране отображается множество другой немаловажной информации: напряжение аккумуляторной батареи, степень заряда и многое другое.

В конструкцию многих моделей контроллеров входят специальные таймеры, благодаря которым активируется ночной режим работы прибора.

Кроме того, существуют более сложные модели подобных устройств, способные одновременно управлять работой двух независимых друг от друга батарей. В наименовании подобных приборов присутствует приставка Duo.

Необходимо отметить современные модели приборов, которые способны сбрасывать лишнюю энергию на ТЭНы.

Виды

Существует несколько типов контроллеров для заряда солнечных батарей. Наиболее простым и доступным по стоимости прибором является On/Off.

Основным предназначением и преимуществом данного вида приборов является своевременное отключение подачи заряда на аккумулятор. Это свойство аппарата немаловажно: во время достижения оптимального напряжения оно помогает избежать перегревания прибора. При этом обязательно следует упомянуть о недостатке подобного вида устройств – быстрое отключение. После того как будет достигнут максимальный ток, нужно в течение примерно двух часов поддержать процесс заряда, однако данный прибор отключает его сразу. Степень заряда аккумулятора в этом случае будет порядка 70 процентов, что значительно ниже необходимого значения. Этот показатель оказывает негативное влияние на работу аккумуляторной батареи.

Второй тип контроллеров для заряда солнечной батареи – электронный прибор PWM. Выпуск подобной конструкции был налажен сравнительно давно. В основу работы устройства заложены специальные алгоритмы широтно-импульсной модуляции. Несмотря на это, подобные приборы достаточно эффективны. PWM-устройства являются оптимальным вариантом для использования в бытовых условиях.

Более современное электронное устройство – МРРТ. Прибор оснащен новейшими технологиями, направленными на отслеживание максимальной степени мощности. Это в несколько раз увеличивает эффективности и функциональность данного устройства. Однако, несмотря на это, необходимо отметить, что при выборе устройства для использования в бытовых условиях следует выбирать прибор из серии PWM. Это обусловлено высокой стоимостью приборов из серии МРРТ, а также сложной настройкой. Подобные устройства являются оптимальным вариантом для применения в системах масштабной солнечной энергетики.

Если вы хотите подобрать гибридный вариант, тогда, прежде всего, необходимо понять, как микроконтроллер работает (принцип работы и ШИМ).

Как выбрать

Выбирая подходящий контроллер для заряда солнечной батареи, необходимо обратить особое внимание на несколько очень важных критериев.

На первом месте стоит входящее напряжение. Максимальное значение данного показателя должно соответствовать определенным нормам. В конструкциях подобных устройств иногда используются несколько батарей. Поэтому напряжение на схему прибора идет одновременно от всех батарей, соединенных различными способами. Чтобы прибор правильно функционировал, необходимо определенное напряжение, показатели которого не должны превышать предусмотренные производителем нормы.

Для расчета значения мощности за основу берется показатель напряжения при разряженных аккумуляторах аппарата. При этом необходимо перемножить показатели выходного тока и напряжение, которое вырабатывается солнечной батареей. После этого следует добавить к полученному результату 20 процентов на резерв.

Еще одним важным критерием при выборе контроллера является вид нагрузки. Не следует использовать устройство для подключения различных бытовых приборов. Это приведет к выводу контроллера из строя, что обусловлено использованием в конструкции прибора различных технологий, которые учитывают всю нагрузку, заложенную в свойствах аккумулятора. Чтобы избежать возникновения подобных ситуаций, необходимо использовать устройство строго по назначению.

Схема установки

Вы можете сделать самодельный вариант своими руками и настроить его, если будете учитывать все наши рекомендации.

Следует отметить, что при подключении каждого типа подобных приборов необходимо использовать максимально соответствующий вид солнечных панелей. Например, при использовании устройства, рассчитанного на входное напряжение порядка 100 вольт, следует воспользоваться солнечными панелями, у которых подобный показатель на выходе соответствует данному значению.

Прежде чем приступить к подключению прибора, следует определиться с наиболее подходящим местом для его установки. Оптимальным решением данного вопроса является сухое, хорошо проветриваемое помещение. Категорически не рекомендуется располагать рядом с аппаратом легковоспламеняющиеся материалы. Помимо этого, категорически недопустимо расположение устройства очень близко к различным источникам вибрации, влажности, а также разнообразным обогревателям и печам. Место для размещения аппарата должно быть надежно защищено от различных атмосферных осадков и прямых солнечных лучей.

Последовательность подключения устройств PWM

Чтобы добиться максимального эффекта от использования подобного устройства, необходимо точно следовать инструкции, а также соблюдать определенную последовательность при подключении аппарата. Процесс подсоединения приборов PWM и различных периферийных устройств не вызовет больших затруднений – справиться с данной задачей сможет любой человек.

Каждая конструкция оснащена специальными маркированными клеммами.

Подключение периферийных устройств необходимо осуществлять в точном соответствии с обозначениями на контактных клеммах:

• необходимо соединить аккумулятор и аккумуляторную батарею при помощи специального провода и клеммы, внимательно соблюдая полярность;
• к определенному положительному проводу нужно подсоединить предохранитель, предназначенный для защиты прибора;
• на соответствующих контактах контроллера следует зафиксировать специальные проводники, выходящие от батареи солнечных панелей, при этом также нужно тщательно соблюдать полярность;
• следует подсоединить к определенным выходам аппарата специальную лампу для контроля соответствующего напряжения.

Не следует нарушать указанную последовательность. Например, категорически не рекомендуется подсоединять к контроллеру при отключенном аккумуляторе солнечные панели – это может привести к поломке аппарата. Инвертор конструкции нужно соединять с аккумуляторной батареей при помощи специальных клемм.

Порядок подключения приборов MPPT

Общие правила подключения этого типа аппаратов практически идентичны монтажу других видов приборов. Однако технология установки немного отличается, так как контроллеры MPPT относятся к более мощным устройствам.

Для конструкций, рассчитанных на высокую мощность, для соединения силовых цепей необходимо использовать электрокабели с большим сечением.

Соединительные электрокабели обязательно должны быть оснащены специальными наконечниками , выполненными из меди, которые необходимо предварительно обжать с помощью определенного инструмента. Отрицательные клеммы солнечной панели и аккумулятора следует оснастить специальными переходниками с предохранителями и выключателями. Благодаря подобному оснащению конструкции прибора можно добиться значительного сокращения потери энергии и гарантированной максимально безопасной эксплуатации конструкции.

Предварительно перед подключением прибора обязательно следует убедиться, что напряжение на клеммах соответствует либо имеет значение меньше допустимой нормы, которая необходима для подачи на вход контроллера.

Подсоединение периферии к аппарату MTTP:

• предварительно следует отключить прибор и аккумулятор при помощи специальных выключателей;
• необходимо демонтировать специальные предохранители на солнечной панели и аккумуляторе;
• нужно подсоединить при помощи электрокабеля и клемм аккумулятор и контроллер;
• подключить с помощью специального провода и клемм солнечную панель с аппаратом (данные элементы обозначены соответствующими знаками);
• соединить с помощью электрокабеля определенную клемму заземления с шиной «земли»;
• установить на конструкции специальный датчик, определяющий температуру.

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

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

Необходимость этого устройства можно свести к следующим пунктам:

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

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

Как работает контроллер зарядки аккумулятора

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

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

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

Типы

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

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

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

PWM

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

Из-за этого появилась возможность практически стопроцентной зарядки устройства.

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

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

Параметры выбора

Критериев выбора всего два:

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

Как сделать своими руками

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

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

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

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

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

Видео

Как правильно подключить контроллер, вы узнаете из нашего видео.

Данный контроллер заряда солнечной батареи предназначен для зарядки свинцово-кислотного аккумулятора от солнечной панели. Эта схема подходит для солнечных батарей мощностью от 15 ватт и содержит световой индикатор процесса работы контроллера.

Солнечная батарея представляет собой непрерывный источник напряжения, которое поступает на вход контроллера, к выходу же контроллера подключается аккумулятор. В результате этого не происходит перезаряда аккумуляторной батареи и соответственно продлевается срок ее службы.

Описание работы контроллера заряда солнечной батареи

Напряжение от солнечной батареи сначала проходит через диод D6 (желательно диод Шоттки), который препятствует разрядку аккумулятора обратно через панель, когда солнце не светит. После диода D6 идет классической линейный регулятор на основе LM317. Выходное напряжение регулятора определяется соотношением сопротивлений резисторов R20 и R1.

Напряжение на выходе должно быть в районе 13,6…13,8 вольт. Точное значение можно выставить подбором сопротивления R19, значение которого определяется опытным путем. Конкретно в данном случае его сопротивление (R19) равнялось 390K, так что это значение можно взять за отправную точку.

Диод D5 является защитным. После стабилизатора LM317 следует цепь световой индикации состоящей из трех светодиодов (D2, D3, D4). Свечение светодиода D2 указывает на то, что аккумулятор полностью заряжен (напряжение 13 вольт).

Светодиод D3 используется для указания напряжение на солнечной батареи (15,5 вольт). Последний светодиод D4 указывает на процесс заряда аккумулятора. Для срабатывания индикации выбрано пороговое значение 50 мА.

Для работы светодиода D3 применен компаратор на операционном усилителе LM339, который сравнивает напряжение с выхода солнечной панели с опорным напряжением, полученным с помощью стабилитрона D1. Для экономии энергии аккумулятора светодиоды питаются непосредственно от солнечной панели через стабилизатор 78L12.

Настройка контроллера заряда аккумулятора солнечной батареи

После монтажа деталей и проверке на ошибки, на вход (вместо солнечной панели) необходимо подключить регулируемый блок питания и подать сначала напряжение 17…20 вольт. Изменяя сопротивление резистора R19 необходимо установить выходное напряжения стабилизатора в районе 13,6…13,8 вольт. После этого входное напряжение от блока питания необходимо выбрать около 13,1 вольт и подстроечным резистором R18 добиться, чтобы загорелся светодиод D2. При снижении напряжения блока питания ниже 13 вольт светодиод D2 должен погаснуть.

Далее устанавливаем входное напряжение 15,5 вольт и, вращая подстроичник R4 добиваемся, чтобы загорелся светодиод D3. Для настройки индикации зарядки понадобится аккумулятор. Подключите его к контроллеру через амперметр, а напряжение на блоке питания выставите такое, чтобы аккумулятор заряжался током около 50мА. После этого выставьте резистор R14 так, чтобы загорелся D4. При снижении тока ниже 40мА светодиод D4 должен погаснуть. Собственное потребление контроллера (от аккумулятора) составляет около 9-10мА, что при использовании свинцово-кислотного аккумулятора незначительно.

http://www.pctun.czechian.net/solarko/solarko.html

Преобразующие энергию солнца в электрический ток, не имеют движущихся частей, поэтому экономичны, надежны и находят все более широкое применение. В составе таких устройств несколько компонентов, каждый из которых выполняет свою функцию.

Наиболее «продвинутые» комплекты содержат , преобразующий постоянное напряжение 12в в переменное 220в. Это позволяет подключать к автономной системе питания обычные сетевые приборы, такие, как телевизор и радиоприемник.

Обязательным элементом, необходимым для эффективной работы всей системы, является контроллер заряда.

Главная задача контроллера заряда – распределение потоков электрической энергии, полученной от солнечной панели. Поддержание стабильного напряжения на выходе, а также исключения перезаряда или полного разряда встроенного в систему .

Таким образом, значительно увеличивается срок службы дорогостоящей аккумуляторной батареи.

Основные функции

Энергосистема с использованием контроллера. (Для увеличения нажмите)

Контроллер осуществляет:

1. Выбор оптимального тока заряда аккумулятора .
2. Отключение аккумулятора при заряде до установленного предела .

Не обязательно покупать такой контроллер в специализированном магазине. Имея паяльник и минимальные знания в электротехнике, можно собрать схему начального уровня самостоятельно.

Есть несколько типов таких устройств. Простейшие имеют только одну функцию: подключает и отключает батарею в зависимости от уровня заряда.

Сложные устройства отслеживают пиковую мощность, поэтому гарантируют больший выходной ток, что увеличивает КПД системы.

Каждый контроллер обязан соответствовать требованиям:
1,2P ≤ I×U, где P – общая мощность панелей; I – ток на выходе контроллера; U – напряжение на выходе под нагрузкой.

Разбор конкретной схемы

В качестве примера рассмотрим гибридный источник для питания аварийного освещения или системы охранной сигнализации дома, которая должна работать круглосуточно.

Питание на основе солнечной панели в дневное время позволяет не только значительно сократить потребление электроэнергии от сети, но и обезопасить оборудование от веерных отключений.

В темное время суток схема переходит на питание от сети 220в. Резервным источником питания является аккумуляторная батарея (АКБ) на 12 в, 4.5 А/ч. Такая система будет работать эффективно в любую погоду.

Схема простого контроллера

Цоколевка транзистора.

Фоторезистор LDR управляет транзисторами T1 и T2. На рисунке слева приводится цоколевка транзисторов, где Е (1) – эмиттер, С (2) – коллектор, В (3) – база.

В светлое время суток фоторезистор освещен и транзисторы закрыты. Поэтому питание 12 вольт подается на АКБ от панели (Solar pаnеl) через диод D2.

Он же препятствует разряду аккумулятора через панель. При хорошем освещении панель мощностью 15 Вт обеспечивает ток в 1 А.

Когда батарея полностью зарядится до 11,6 в, стабилитрон ZD пробивается и зажигается светодиод красного цвета (LED Red). При уменьшении напряжения на клеммах аккумулятора до 11в, светодиод гаснет. Это значит, что аккумулятор нуждается в зарядке. Резисторы R1, R3 ограничивают ток стабилитрона и светодиода.

В темное время суток сопротивление фоторезистора LDR уменьшается, включаются транзисторы T1, T2 . АКБ заряжается через блок питания. Зарядный ток от сети 220в через трансформатор, диодный мост D3 - D6, резистор R4, транзистор T2 и диод D1 поступает на аккумулятор. Конденсатор C2 сглаживает пульсации сетевого напряжения.

Порог освещенности, при которой срабатывает фотодатчик LDR, настраивается с помощью переменного резистора VR1.

На этот раз я решил сделать автомат, который автоматически включает светодиодное освещение в садовой беседке. Поскольку поблизости нет розетки, а постоянное протягивание удлинителя достаточно утомительное занятие, я решил запитать светодиоды от аккумулятора с подзарядкой от солнечных элементов.

Ранее был описан очень похожий , который освещает стеклянную полку в шкафу. Используя этот драйвер, возникла бы проблема, поскольку для освещения беседки нам нужно больше света, чем для освещения стеклянной полки. Так же, применение более мощного источника света будет быстрее разряжать аккумулятор, который может выйти из строя в результате глубокой разрядки элементов в батарее.

Чтобы этого не допустить, я решил создать простой драйвер с защитой от слишком глубокого разряда батареи на основе . В свою очередь, солнечные элементы также служат в качестве датчика освещенности, что значительно упростило всю схему.

Печатная плата имеет размеры 40мм на 45мм. Кроме того, добавлены два монтажных отверстия. Все устройство питается от трех Ni-MH аккумуляторов (1,2В/1000мАч). Для зарядки используется солнечная батарея с номинальным напряжением 5 вольт и максимальным выходным током до 80 мА. Солнечная батарея заряжает аккумуляторы через выпрямительный диод D1. Схема не имеет защиты от перезаряда батареи из-за того, что в такой конфигурации перезарядка просто невозможна.

Полностью заряженный аккумулятор должен иметь напряжение около 4,2-4,35 В Солнечная батарея вырабатывает напряжение 5В, но происходит падение на выпрямительном диоде в районе 0,7 В, что дает нам напряжение 4,3 В. Транзистор Q1 отвечает за включение освещения в ночное время и отключение его днем. База этого транзистора подключена через резистор 2,2 кОм к положительному полюсу солнечной батареи.

Когда солнечная батарея не вырабатывает электроэнергию, или она слишком маленькая, транзистор Q1 заперт. Тогда ток с вывода («REF») стабилитрона TL431 будет течь только через резистор R4, который создает делитель напряжения вместе с резисторами R2 и R3. Транзистор Q2 управляет нагрузкой в виде светодиодов. Чтобы схема работала правильно, мы не можем игнорировать резистор R5, задачей которого является подтягивание базы транзистора Q2 к плюсу источника питания.

По расчетам для имеющегося напряжения выходит, что резистор должен иметь сопротивление 100 Ом. С таким сопротивлением схема переключается очень быстро. Но проблема состоит в том, что этот резистор имеет достаточно маленькое значение, и через него течет очень большой ток. Общий ток потребления составляет около 23 мА! Я решил этот резистор заменить на резистор большего значения. В итоге я поставил резистор номиналом 1 кОм. Теперь отключение нагрузки не такое быстрое, но ток потребления сократился до 8mA.

Конечно, текущее значения 8 мА потребляется только тогда, когда солнечная батарея находится в темном месте — то есть, только в ночное время, когда горят светодиоды. И это такой же максимальный ток (8 мА), который поступает от батареи при напряжении 4,2 В. Напряжение отключения нагрузки я поставил на 2,9 В. Предельное напряжение для одной ячейки 0,9 В, что при подключении последовательно трех дает нам 2,7 В, и следовательно, у нас есть еще в запасе 0,2 В.

Схема после отключения нагрузки (т.е. при 2,9 В и ниже), потребляет только 50 мкА. Такой же ток будет, когда солнечная батарея заряжает аккумуляторы. Устройство очень отзывчиво на свет, но не на столько, чтобы уличное освещение мешало бы определить сумерки. С момента обнаружения заката до включения светодиодов на 100% проходит примерно 2 мин.

Удалив из системы транзистор Q1, резистор R1 и выпрямительный диод D1 получаем простую схему защиты аккумулятора от глубокого разряда. Подобная схема может использоваться для отключения Li-Ion или Li-Pol аккумулятора от зарядки. Ее можно использовать, например, в фонарике. Существует также возможность создания подобной защиты и на другие напряжения, для этого нужно рассчитать делитель напряжения. Формулы и пример расчета есть