Своими руками контроллер зарядки для солнечной батареи. Что такое контроллер заряда и каким он бывает? Подсоединение периферии к аппарату MTTP

Для чего нужны и какие бывают контроллеры заряда солнечной батареи?

Среди современных гелиосистем большую популярность приобрели те, что работают автономно и не подключаются к электрической сети. То есть, они функционируют в замкнутом режиме. Например, в рамках энергоснабжения одного дома. В состав подобных систем входят солнечные панели (и/или ветряной генератор), контроллер заряда, инвертор, реле, аккумулятор, провода. Контроллер в этой схеме является ключевым элементом. В этой статье мы поговорим о том, для чего нужен контроллер солнечных батарей, какие бывают разновидности и как выбрать такое устройство.

Как уже было сказано, контроллер заряда является ключевым элементом гелиосистемы. Это электронное устройство, работающее на базе чипа, который контролирует работу системы и управляет зарядом аккумулятора. Контроллеры для солнечных батарей не допускают полной разрядки аккумулятора и его излишнего заряда. Когда заряд аккумуляторной батареи находится на максимальном уровне, то величина тока от фотоэлементов уменьшается. В результате подаётся ток, необходимый для компенсации саморазряда. Если аккумулятор чрезмерно разряжен, то контроллер отключит от него нагрузку.

Итак, можно обобщить функции, которые выполняет контроллер солнечных батарей:

• многостадийный заряд аккумулятора;
• отключение зарядки или нагрузки при максимальном заряде или разряде, соответственно;
• включение нагрузки, когда заряд батареи восстановлен;
• автоматическое включение тока с фотоэлементов для зарядки аккумулятора.

Можно сделать вывод, что подобное устройство продлевает срок службы аккумуляторов и их поломку.

Параметры выбора

На что же следует обратить внимание при выборе контроллера для солнечных батарей? Основные характеристики изложены ниже:

• Входное напряжение. Максимальное напряжение, указанное в техническом паспорте, должно быть на 20 процентов выше напряжения «холостого хода» батареи фотоэлементов. Это требование появилось из-за того, что производители часто ставят завышенные параметры контроллеров в спецификациях. Кроме того, при высокой солнечной активности напряжение может быть выше, чем указано в документации;
• Номинальный ток. Для контроллера типа PWM номинал по току должен на 10 процентов превышать ток короткого замыкания батареи. Контроллер типа MPPT нужно подбирать по мощности. Его мощность должен быть равна или выше напряжения гелиосистемы умноженного на тока регулятора на выходе. Напряжение системы берётся для разряженных аккумуляторов. В период высокой солнечной активностью к полученной мощности следует прибавить 20 процентов про запас.

Не нужно экономить на этом запасе. Ведь экономия может плачевно сказаться в период высокой солнечной инсоляции. Система может выйти из строя и убытки будут гораздо больше.

Виды контроллеров

Контроллеры On/Off

Эти модели являются самыми простыми из всего класса контроллеров заряда для солнечных батарей.

Модели типа On/Off предназначены для того, чтобы отключать заряд аккумулятора, когда достигается верхний предел напряжения. Обычно это 14,4 вольта. В результате предотвращается перегрев и излишний заряд.

С помощью контроллеров On/Off не получится обеспечить полную зарядку аккумуляторной батареи. Ведь здесь отключение происходит в том момент, когда достигнут максимальный ток. А процесс зарядки до полной ёмкости ещё необходимо поддерживать несколько часов. Уровень заряда в момент отключения находится где-то 70 процентов от номинальной ёмкости. Естественно, что это негативно отражается на состоянии аккумулятора и снижает срок его эксплуатации.

Контроллеры PWM

В поисках решения неполной зарядки аккумулятора в системе с устройствами On/Off были разработаны блоки управления, основанные на принципе широтно-импульсной модуляции (сокращённо ШИМ) заряжающего тока. Смысл работы такого контроллера заключается в том, что он понижает заряжающий ток, когда достигается предельное значение напряжения. При таком подходе заряд аккумулятора доходит практически до 100 процентов. Эффективность процесса увеличивается до 30 процентов.

Есть модели PWM, которые умеют в зависимости от температуры ОС регулировать ток. Это хорошо сказывается на состоянии аккумулятора, уменьшается нагрев, лучше принимается заряд. Процесс становится регулируемым в автоматическом режиме.

ШИМ контроллеры заряда для солнечных батарей специалисты рекомендуют применять в тех регионах, где наблюдается высокая активность солнечных лучей. Их часто можно встретить в гелиосистемах маленькой мощности (менее двух киловатт). Как правило, в них работают аккумуляторные батареи небольшой ёмкости.

Регуляторы типа MPPT

Контроллеры заряда МРРТ сегодня являются самыми совершенными устройствами для регулирования процесса заряда аккумуляторной батареи в гелиосистемах. Эти модели увеличивают эффективность генерации электричества на одних и тех же солнечных батареях. Принцип работы устройств MPPT основан на определении точки максимального значения мощности.

MPPT в постоянном режиме следит за током и напряжением в системе. На основании этих данных микропроцессор подсчитывает оптимальное отношение параметров для того, чтобы достигнуть максимальной выработки по мощности. При регулировке напряжения и учитывается даже этап процесса зарядки. MPPT контроллеры солнечных батарей даже позволяют снимать большое напряжение с модулей, затем преобразовывая его в оптимальное. Под оптимальным понимается то, которое обеспечивает полную зарядку АКБ.

Если оценивать работу MPPT по сравнению с PWM, то эффективность функционирования гелиосистемы возрастёт от 20 до 35 процентов. К плюсам также стоит отнести возможность работы при затенении солнечной панели до 40 процентов. Благодаря возможности поддержания высокого значения напряжения на выходе контроллера можно использовать проводку небольшого сечения. А также можно поставить солнечные панели и блок на большее расстояние, чем в случае с PWM.

Гибридные контроллеры заряда

В некоторых странах, например, США, Германии, Швеции, Дании значительную часть электроэнергии вырабатывают ветрогенераторы. В некоторых маленьких странах альтернативная энергетика занимает большую долю в энергосетях этих государств. В составе ветряных систем также работают устройства для управления процессом заряда. Если же электростанция представляет собой комбинированный вариант из ветрогенератора и солнечных батарей, то применяют гибридные контроллеры.

Эти устройства могут быть построены схеме МРРТ или PWM. Основное отличие заключается в том, что в них используются другие вольтамперные характеристики. В процессе работы ветряные генераторы дают очень неравномерную выработку электроэнергии. В результате на аккумуляторные батареи поступает неравномерная нагрузка, и они работают в стрессовом режиме. Задача гибридного контроллера заключается в сбросе избыточной энергии. Для этого, как правило, используются специальные тэны.

Контроллер очень прост и состоит всего из четырех деталей.

Это мощный транзистор (я использую IRFZ44N выдерживает ток до 49Ампер).

Автомобильное реле-регулятор с управлением по плюсу (ВАЗ "классика").

Резистор120кОм.

Диод по мощнее, чтобы держал ток отдаваемый солнечной панелью (к примеру из автомобильного диодного моста).

Принцип работы тоже очень простой. Пишу для совсем не понимающих в электронике людей, так-как сам в ней ничего не понимаю.

Реле регулятор подключается к АКБ, минус на алюминиевую основу (31к), плюс на (15к), с контакта (68к) провод через резистор подсоединяется к затвору транзистора. У транзистора три лапки, первая это затвор, вторая сток, третья исток. Минус солнечной панели подключается к истоку, а плюс к АКБ, со стока транзистора минус солнечной панели идет на АКБ.

Когда реле-регулятор подключен и работает, то плюсовой сигнал с (68к) отпирает затвор и ток с солнечной панели течет через исток-сток в АКБ, а когда напряжение на АКБ превысит 14 вольт, реле-регулятор отключает плюс и затвор транзистора разряжаясь через резистор на минус закрывается тем самым разрывает минусовой контакт солнечной панели, и она отключается. А когда напряжение немного упадет реле-регулятор снова подаст плюс на затвор, транзистор откроется и снова ток от панели потечет в аккумулятор. Диод на плюсовом проводе СБ нужен чтобы ночью аккумулятор не разряжался, так-как без света солнечная панель сама потребляет электроэнергию.

Ниже наглядный рисунок соединения элементов контроллера.

Я не силен в электронике и может в моей схеме есть какие-то недочеты, но она работает без всяких настроек и работает сразу, и делает то что делают заводские контроллеры для солнечных панелей, а себестоимость всего порядка 200 рублей и час работы.

Ниже не совсем понятная фотография этого контроллера, вот так грубо и неряшливо просто на корпусе ящика закреплены все детали контроллера. Транзистор немного греется и я его закрепил на маленький вентилятор. Параллельно резистору поставил маленький светодиод, который показывает работу контроллера. Когда горит СБ подключена, когда нет значит аккумулятор заряжен, а когда быстро мигает аккумулятор почти заряжен и просто подзаряжается.

Этот контроллер работает уже более полугода и за это время никаких проблем, подключил и все, теперь не слежу за АКБ, все само работает. Это мой второй контроллер, первый я собирал для ветрогенераторов как балластный регулятор, о нем смотрите в предыдущих статьях в разделе мои самоделки.

Внимание - контроллер оказывается не полностью рабочий. После некоторого времени работы вяснилось что транзистор в данной схеме не полностью закрывается, и в аккумулятор все равно продалжает течь ток даже при привышении 14 вольт

Извиняюсь за нерабочую схему, сам долго пользовался и думал что все работает, а оказывается нет, и даже после полной зарядки в аккумулятор все равно идет ток. Транзистор закрывается только на половину при достижении 14 вольт. Схему пока убирать не буду, как время и желание появятся доделаю я этот контроллер и выложу рабочую схему.

А сейчас у меня в качестве контроллера балластный регулятор стоит, который отлично работает уже продрлжительное время. Как только напряжение переваливает за 14 вольт транзистор открывается и включает лампочку, которая сжигает все излишки энергии. Одновременно сейчас две солнечные панели и ветрогенератор на этом балласте.

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.

Контроллер заряда является очень важным узлом системы, в которой электрический ток создают солнечные панели. Устройство управляет зарядкой и разрядкой аккумуляторных батарей. Именно благодаря ему, батареи не могут перезарядиться и разрядиться настолько, что восстановить их рабочее состояние будет невозможно.

Такие контролеры можно сделать своими руками.

Самодельный контроллер: особенности, комплектующие

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

Для изготовления контроллера нужно подготовить следующие элементы:

• 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%.

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 .

Читайте также: Особенности внешних аккумуляторов с солнечной батареей

Если контроллер не будет использоваться в агрессивной среде, можно провести установку подстроечного резистора. Он дает возможность управлять напряжением. В агрессивной среде он долго не поработает.

При необходимости использовать контроллер для более сильных панелей нужно провести замену транзистора MOSFET и диода более мощными аналогами. Все остальные компоненты менять не нужно. Нет смысла устанавливать радиатор для регулирования 4 А. При установке MOSFET на подходящем теплоотводе устройство сможет работать с более продуктивной панелью.

Принцип работы

При отсутствии тока с солнечной батареи контроллер находится в спящем режиме. Он не использует ни одного вата из аккумулятора. После попадания солнечных лучей на панель электрический ток начинает поступать к контроллеру. Он должен включиться. Однако индикаторный светодиод вместе с 2 слабыми транзисторами включается только тогда, когда напряжение тока достигнет 10 В.

После достижения такого напряжения ток будет проходить через диод Шоттки к аккумулятору . Если напряжение поднимется до 14 В, начнет работать усилитель U1, который откроет транзистор MOSFET. В результате светодиод погаснет, и состоится закрытие двух не мощных транзисторов. Аккумулятор заряжаться не будет. В это время будет разряжаться С2. В среднем на это уходит 3 секунды. После разрядки конденсатора С2 гистерезис U1 будет преодолен, MOSFET закроется, аккумулятор начнет заряжаться. Зарядка будет происходить до момента, когда напряжение поднимется до уровня переключения.

Зарядка происходит периодически. При этом ее продолжительность зависит от того, каким является зарядный ток аккумуляторной батареи, и насколько мощные подключенные к ней устройства. Зарядка длится до тех пор, пока напряжение не станет равным 14 В.

Схема включается за очень короткое время. На ее включение влияет время зарядки С2 током, который ограничивает транзистор Q3. Ток не может быть больше 40 мА.

В 21 веке уже ни для кого не секрет, что энергию солнца можно трансформировать в электрический ток. Такое преобразование достигается с помощью специального оборудования – . Но не все знают, каким образом и в каких отраслях могут применяться солнечные батареи.

Сперва следует сказать о том, что данное оборудование может использоваться и в автономных системах, и в сетевых. То есть оно распространено во многих сферах, среди которых:

• сельскохозяйственная отрасль;
• телекоммуникации;
• навигационные системы;
• подсветка автодорожных знаков ночью;
• системы уличного освещения и т.д.

Но использование фотоэлектрических установок может демонстрировать низкую эффективность, если не задействован контроллер заряда, обеспечивающий контроль за процессом . Этот прибор может выступать отдельной единицей или монтироваться в инверторы либо блоки бесперебойного питания. Различают несколько разновидностей контроллеров заряда солнечных батарей – ШИМ и МРРТ.

МРРТ контроллеры

Такие контроллеры наделены важной функциональной особенностью – поиск точки максимальной мощности. Электрическая энергия, которая вырабатывается батареями, должна максимально применяться в нагрузке – один из главных принципов контроллера данного вида.

Чтобы иметь четкое представление о работе МРРТ контроллеров, для начала нужно разобраться, что такое точка максимальной мощности. В данной точке значение напряжения, а также силы тока определяются несколькими аспектами, главными из которых являются яркость света, нагрев батареи и угол падения лучей. Поскольку эти величины непостоянны, точка максимальной мощности тоже будет изменять собственное положение. И чтобы оборудование работало наиболее эффективно, и производило как можно больше электроэнергии от солнца, необходим аккумулятор, подстраивающийся под регулярно меняющиеся параметры. Но даже он не способен точно «ловить» точку максимальной мощности – и тут на помощь приходят контроллеры заряда МРРТ.

Согласно с результатами исследований, данная технология позволяет достичь увеличения эффективности солнечных батарей на целых 25 процентов.

ШИМ контроллеры

Применяющаяся же в ШИМ контроллерах технология, дает возможность достигнуть постоянного напряжения аккумуляторного заряда благодаря коммутации солнечной батареи. Схема действия данных устройств такова: в момент достижения заявленной величины напряжения на аккумуляторной батарее, контроллер выполняет функцию снижения тока заряда и предотвращения перегрева аккумулятора. Также такие контроллеры учитывают «возраст» батарей, понижают степень выработки газа (за исключением AGM и GEL технологий, которые вообще не выделяют газ), повышают способность принятия заряда, и обеспечивают выравнивание качества их отдельных элементов.

Получаемая солнечной батареей энергия применятся наиболее эффективно, если установлен ШИМ контроллер – на 30 процентов больше энергии для аккумуляторов, понижение стоимости системы, расходование электроэнергии с максимальной пользой.

Выбираем контроллер – МРРТ или ШИМ

МРРТ устройства позволяют достигнуть большей эффективности, в сравнении с ШИМ, однако к их минусам относится цена – почти вдвое большая. Исходя из этого, для небольших мощностей, когда применяется 1-2 солнечных модуля, лучше приобрести ШИМ контроллер – на столь маленьких «масштабах» установок, МРРТ будет демонстрировать практически ту же эффективность, что и ШИМ, лишь немногим большую. Если же у вас уже есть небольшая мощность солнечных модулей, но в будущем вы хотите ее нарастить с помощью добавления новых единиц оборудования, то в таком случае рекомендуется купить МРРТ контроллер.

Как вы уже могли понять из приведенных выше материалов, солнечные батареи для высокоэффективной работы обязательно должны быть оборудованы контроллерами заряда. Ведь контроллер является одной из наиболее важных составляющих всей системы, которая выполняет значимые функции – регулировка температуры, режима зарядки и многое другое.

К сожалению не все продавцы данного оборудования, как в наземных магазинах, так и во всемирной сети интернет, хорошо разбираются в реализуемых устройствах. По этой причине перед покупкой лучше собрать о них полную информацию, чтобы сделать правильный выбор. Также желательно покупать в надежных магазинах, которые пользуются доверием покупателей и хорошей репутацией.

Современные контроллеры заряда оборудованы большим количеством различных защит. Если говорить конкретнее, то это защита от перезарядки, перегрева, недопущение коротких замыканий и так далее. За счет этого достигается надежная, качественная и стабильная работа прибора. И перед тем как остановить свой выбор на том или ином контроллере, обязательно выясните, какие конкретно имеет защитные схемы устройство, достаточно ли оно защищено.

Сегодня купить контроллер заряда не проблема – множество магазинов предлагают такую аппаратуру своим покупателям. Но иногда случается так, что потребитель обнаруживает, что контроллер не совсем подходит для солнечной батареи, существует некая «несовместимость», в паре их работа оставляет желать лучшего. Поэтому будьте внимательны при выборе данных приборов и доверяйтесь только надежным продавцам, которые в своем деле считаются профессионалами – в таком случае покупка не разочарует вас и будет служить «верой и правдой» в течение долгого времени.