Простой самодельный контроллер солнечных батарей. Простой контроллер для солнечной батареи

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

1. Гелиоколлектор.
2. Солнечный концентратор.
3. Солнечная батарея.

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

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

Для чего нужен контроллер заряда для солнечной батареи?

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

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

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

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

Виды контроллеров для солнечной батареи

В современном мире выделяют три типа контроллеров:

— MPPT-контроллер;

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

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

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

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

Что такое Точка Максимальной Мощности?

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

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

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

Можно ли обойтись без контроллера?

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

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

На что смотреть при выборе?

При покупке контроллера заряда нужно учитывать:

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

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

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

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

Контроллер – электронный прибор, отвечающий за контроль и регулировку заряда аккумуляторной батареи. Различные модели отличаются по конструкции и режиму работы.

Виды контроллеров

On/Off контроллер

Наиболее дешевый аппарат. Отличительная черта данного типа аппарата в том, что при достижении определённого максимального показателя напряжения аппарат отсоединяет блок солнечных батарей от аккумуляторов, и зарядка приостанавливается. Контроллер этого типа применяются редко, т. к. при их использовании происходит неполный заряд батарей, что плохо отражается на их состоянии, и в продолжительной перспективе, приводит к полному выходу из строя. Единственный плюс у данного типа – низкая стоимость.

ШИМ (PWM) – контроллер

В основу работы данного типа электронного устройства заложена широтно-импульсная модуляция. В процессе эксплуатации контроллер этого типа, прекратив заряжать аккумуляторную батарею, не отключает солнечные панели, что позволяет полностью зарядить АКБ. Как правило, такие аппараты используются в установках небольшой мощности, до 2,0 кВт.

МРРТ – контроллер

Это наиболее дорогие по стоимости устройства. Работа приборов данного типа основана на управлении пиками, выходящими на максимальный энергетический уровень. Данный тип контроллера более эффективен при использовании и сокращает сроки окупаемости солнечных электрических станций.

Какие параметры контроллера необходимо учитывать

Чтобы определить критерии при выборе контроллера, необходимо сформулировать функции, которые он выполняет, к ним можно отнести следующие:

• Обеспечение заряда аккумуляторной батареи;
• Отключение аккумуляторной батареи при полном заряде в автоматическом режиме;
• Отключение нагрузок при минимальном заряде в автоматическом режиме;
• Подключение нагрузок при восстановлении заряда;
• Подключение фотоэлементов при заряде аккумуляторной батареи в автоматическом режиме.

Определившись с функциями, за выполнение которых отвечает контроллер, можно сформулировать параметры, которые обязательно учитывают при выборе устройства.

Основных параметров два, это:

Современные модели контроллеров оснащены разнообразными защитными механизмами и возможностью работы в разных режимах. Наличие подобных элементов в конструкции того или иного прибора не влияет на основные параметры при его выборе, но дополнительно стимулирует приобретение той или иной модели.

К таким элементам защиты можно отнести:

• Защита от подключения неправильной полярностью;
• Защита на входе от случаев короткого замыкания;
• Защита во время нагрузок от короткого замыкания;
• Защита от перегревов;
• Защита на входе от высоких нагрузок напряжения;
• Защита от ударов молний;
• Схемы предотвращения ночного разряжения аккумуляторных батарей;
• Электронные предохранители.

Как выбрать контроллер для заряда солнечных батарей

Чтобы выбрать необходимый контроллер, необходимо определиться, какие солнечные панели установлены,
или планируется установить. Далее необходимо рассчитать их мощность, определить, на какое рабочее напряжение они рассчитаны, уточнить прочие параметры формируемой системы.

Затем изучают параметры, предъявляемые к контроллеру, и увязывают их с характеристиками системы, в которой будет работать устройство. Когда технические величины определены и отвечают предъявляемым к ним требованиям, необходимо выбрать страну и фирму производителя устройства, решить из какого ценового диапазона следует выбрать котроллер. Определиться с местом приобретения и купить выбранный аппарат.

Как сделать контроллер своими руками

При наличии знаний в области электроники и умения обращаться с паяльником, можно изготовить контроллер заряда из подручных материалов самостоятельно. Конечно, это будет простейший из видов контроллеров, так называемый тип «On/Off» контроллеров.

В приведенной внизу схеме с помощью электронных компонентов формируется сигнал, получаемый от солнечных панелей. Транзисторы, установленные в схеме, управляют работой последней, резисторы регулируют параметры переключения режимов работы, а микросхемы выполняют роль операционного усилителя и регулятора параметров.

Хотя из приведенной схемы видно, что изготовить подобный элемент системы несложно, к тому же всегда схему можно дополнить и доработать, но все же несмотря на очевидную простоту, использовать контроллеры, изготовленные подручными средствами самостоятельно не рекомендуется, дабы избежать неблагоприятных последствий, таких как вывод из строя аккумуляторных батарей.

Можно ли обойтись без контроллера для солнечной батареи

Иногда при самостоятельной разработке солнечной электрической станции возникает вопрос, а можно ли обойтись без контроллера? Для ответа на поставленный вопрос необходимо вспомнить о роли данного устройства в системе преобразования солнечной энергии в электрическую. Если сформулировать коротко, то — контроллер управляет процессом заряда аккумуляторных батарей.

При отсутствии данного элемента схемы управления, возможно закипание электролита в АКБ, что в свою очередь приведет к повреждению аккумуляторной батареи, стоимость которой значительно превышает стоимость контроллера. Из этого делаем вывод, что работа солнечной электрической станции в автоматическом режиме без контроллера недопустима.

Единственный случай, когда можно исключить контроллер из схемы управления — это не продолжительное по времени использование солнечных панелей. В этом случае, в цепь зарядки АКБ, устанавливается вольтметр и в моменты, когда заряд достигает пиковых значений, аккумуляторные батареи в ручном режиме отключают. После прохождения пиковых нагрузок, цепь зарядки, опять же в ручном режиме, включается в работу.

В настоящее время изготовлением разнообразных электронных устройств занимается большое количество отечественных и зарубежных компаний. Стоимость контроллеров разнообразных типов колеблется от 5,0 до 10,0 тысяч рублей, поэтому нет необходимости изготавливать такое сложное электронное устройство самому или вообще исключать его из схемы управления солнечной электростанции.

Получив экономию в малом, можно потерять больше при выходе из строя АКБ, к тому же работа в автоматическом режиме, которую осуществляет прибор, изготовленный профессионалами, позволяет экономить время владельца, а в современном мире, когда все быстро течет и происходит, это немаловажный фактор. Однако каждый для себя делает индивидуальный выбор, благо он, это выбор, есть всегда.

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.