Circuito controlador de carga de batería solar. Análisis de un esquema específico. ¿Cómo elegir un controlador para paneles solares? Controlador de batería solar de bricolaje

Un criterio importante para elegir un controlador es el costo del controlador. Cuando surge la duda de qué controlador comprar, más caro o más barato, en el caso de pequeñas centrales solares, surge una decisión: es más fácil y barato comprar un controlador, y aprovechar la diferencia de precio para comprar otros dos paneles solares. .

Si desea instalar uno simple, debe elegir un controlador PWM económico pero de alta calidad, con una reserva de energía del 20-30%.

Si es muy crítico con la planta, todos los parámetros de la estación son importantes para usted, alta eficiencia, control de parámetros, capacidades de control remoto, así como conmutación entre la planta de energía y la red eléctrica, o el encendido automático del generador. , entonces vale la pena comprar un controlador MPPT moderno y avanzado, con muchas funciones, protecciones integradas, la capacidad de controlar dispositivos externos y redistribuir cargas.

Selección del fabricante

Un aspecto importante es la elección del fabricante del controlador. Al elegir un fabricante de controladores, considere los siguientes factores:

1) Especialización del fabricante. ¿Qué produce esta empresa? ¿Se especializa en la producción de componentes para centrales eléctricas autónomas o el controlador se fabrica además entre otros componentes electrónicos no serios? También sucede que una empresa especializada en dispositivos eléctricos y electrónicos ha decidido producir un controlador de carga adicional para baterías solares, y aunque tienen un enfoque serio y una buena base de componentes, sus dispositivos muchas veces pueden estar mal concebidos y tener pocas funciones. Esto se debe al hecho de que para el lanzamiento del controlador no se abrió un departamento especial que se ocuparía del desarrollo del producto, pruebas, modificaciones, mantenimiento y soporte del controlador en funcionamiento. Lo más probable es que la empresa haya adquirido una patente para la fabricación de un controlador de una empresa externa para cargar la capacidad no utilizada. Además, este controlador quedará obsoleto; es poco probable que alguien de la generación anterior venda una patente para un dispositivo completamente nuevo y tecnológicamente avanzado.

2) País de fabricación. Si es importante para usted, puede seleccionar los controladores por país de fabricación. La división principal es en:

Europeo. La más alta calidad, pensada y cara.

Americano. Similares a los europeos.

Ruso. El mercado para nuestros controladores apenas se está desarrollando. Pero ya existen controladores bastante bien pensados ​​que pueden competir con los controladores europeos. Una de las ventajas es la posibilidad de reparación o sustitución en garantía en poco tiempo.

Chino. Estos controladores se pueden dividir en dos categorías:

1) De fabricantes de marca especializados en la producción de componentes para plantas de energía solar.

2 ) Otros fabricantes chinos de marcas desconocidas. Estos controladores se distinguen por su bajo precio, mala calidad y la ausencia de instrucciones, garantías o soporte del fabricante.

Esta vez decidí hacer una máquina automática que encienda automáticamente la iluminación LED en el mirador del jardín. Como no hay un tomacorriente cerca y tirar constantemente de un cable de extensión es una tarea bastante tediosa, decidí alimentar los LED con una batería con recarga con células solares.

Anteriormente se describió uno muy similar, que ilumina un estante de vidrio en un armario. Utilizar este driver supondría un problema porque necesitamos más luz para iluminar un cenador que para iluminar una estantería de cristal. Además, el uso de una fuente de luz más potente descargará rápidamente la batería, lo que puede fallar como resultado de una descarga profunda de los elementos de la batería.

Para evitar esto, decidí crear un controlador simple con protección contra descargas excesivas de la batería basado en . A su vez, las células solares también sirven como sensor de luz, lo que simplifica enormemente todo el circuito.

La placa de circuito impreso mide 40 mm por 45 mm. Además, se han agregado dos orificios de montaje. Todo el dispositivo funciona con tres baterías Ni-MH (1,2 V/1000 mAh). Para la carga se utiliza una batería solar con una tensión nominal de 5 voltios y una corriente de salida máxima de hasta 80 mA. La batería solar carga las baterías a través del diodo rectificador D1. El circuito no tiene protección contra sobrecarga de la batería debido a que en esta configuración la sobrecarga es simplemente imposible.

Una batería completamente cargada debe tener un voltaje de aproximadamente 4,2-4,35 V. La célula solar produce un voltaje de 5 V, pero hay una caída en el diodo rectificador de aproximadamente 0,7 V, lo que nos da un voltaje de 4,3 V. Transistor Q1 Se encarga de encender la luz durante la noche y apagarla durante el día. La base de este transistor está conectada a través de una resistencia de 2,2 kOhm al polo positivo de la célula solar.

Cuando la célula solar no produce electricidad o es demasiado pequeña, el transistor Q1 se apaga. Entonces, la corriente del pin ("REF") del diodo Zener TL431 fluirá solo a través de la resistencia R4, que crea un divisor de voltaje junto con las resistencias R2 y R3. El transistor Q2 controla la carga en forma de LED. Para que el circuito funcione correctamente no podemos ignorar la resistencia R5, cuya tarea es llevar la base del transistor Q2 al positivo de la fuente de alimentación.

Según los cálculos del voltaje disponible, resulta que la resistencia debe tener una resistencia de 100 ohmios. Con tal resistencia, el circuito cambia muy rápidamente. Pero el problema es que esta resistencia tiene un valor bastante pequeño y a través de ella fluye una corriente muy grande. ¡El consumo total de corriente es de aproximadamente 23 mA! Decidí reemplazar esta resistencia con una resistencia de mayor valor. Al final instalé una resistencia de 1 kOhm. Ahora el deslastre de carga no es tan rápido, pero el consumo de corriente se ha reducido a 8 mA.

Por supuesto, los 8 mA actuales sólo se consumen cuando la célula solar está en un lugar oscuro, es decir, sólo por la noche cuando los LED están encendidos. Y esta es la misma corriente máxima (8 mA) que proviene de la batería a un voltaje de 4,2 V. Configuré el voltaje de corte de carga en 2,9 V. El voltaje máximo para una celda es 0,9 V, que cuando se conectan tres en La serie nos da 2,7 V y, por lo tanto, todavía nos quedan 0,2 V.

El circuito, después de desconectar la carga (es decir, a 2,9 V o menos), consume solo 50 μA. La misma corriente fluirá cuando el panel solar cargue las baterías. El dispositivo responde muy bien a la luz, pero no tanto como para que el alumbrado público interfiera con la detección del crepúsculo. Desde que se detecta el atardecer hasta que los LED se encienden al 100%, pasan aproximadamente 2 minutos.

Quitando el transistor Q1, la resistencia R1 y el diodo rectificador D1 del sistema, obtenemos un circuito simple para proteger la batería de una descarga profunda. Se puede utilizar un circuito similar para desconectar la carga de una batería Li-Ion o Li-Pol. Se puede utilizar, por ejemplo, en una linterna. También es posible crear una protección similar para otros voltajes; para ello es necesario calcular el divisor de voltaje. Hay fórmulas y un ejemplo de cálculo.

El uso eficaz de la energía solar es posible en sistemas complejos, que incluyen: controlador de carga de baterías solares, paneles solares, baterías (baterías) e inversores.

• PWM (PWM)
• MPPT
• Autoproducción

¿Qué es un controlador de carga y en qué tipos viene?

Cada uno de los elementos del diagrama anterior juega su papel:

• El módulo solar percibe la radiación luminosa y la convierte en corriente eléctrica continua. El módulo en sí consta de muchos semiconductores (fotocélulas);
• La batería (paquete de baterías) se utiliza para acumular y distribuir la energía suministrada por los módulos;
• El inversor se utiliza para convertir corriente continua en corriente alterna cambiando los valores de frecuencia y voltaje de salida en la red.

Aquí puede surgir una pregunta lógica: "¿Por qué entonces utilizar un controlador, si puedes conectar directamente el módulo solar y la batería?" Si no se hace esto, la corriente de carga fluirá constantemente hacia los terminales de la batería, lo que a su vez provocará un aumento de voltaje. Tarde o temprano, dependiendo del tipo de batería, el voltaje alcanzará un valor máximo de 14,4 V, tras lo cual comenzará el proceso de recarga de la batería y ebullición del electrolito que contiene.
Y este es un camino directo para reducir la vida útil de la batería. Puedes controlar este proceso manualmente usando un simple voltímetro y apagar la alimentación en el momento adecuado. Pero en este caso, la persona estará constantemente atada al sistema y ya no será posible llamarlo autónomo.

El controlador es precisamente el eslabón de la cadena que debe controlar automáticamente el proceso de carga y distribución de energía de la batería. Además, realiza una serie de otras funciones, cuya lista depende del modelo y tipo específico:

• Conexión automática de baterías y módulos con circuito de carga;
• Selección de modos óptimos de acumulación de carga;
• Control total del proceso y, si es necesario, desconectar o conectar a los consumidores;
• Admite polaridad correcta;
• Protección contra cortocircuitos, corte de energía (rotura);
• Contabilización de los niveles de carga de la batería;
• Control del consumo de energía, etc.

Para los sistemas solares existentes, deberá montarlos usted mismo o elegir uno de los tres tipos existentes:

1. encendido/apagado;
2. PWM (PWM);
3. MPPT.

Este es el dispositivo existente más simple que apaga la carga cuando se alcanza un cierto voltaje (14,4 V). Esto evita el sobrecalentamiento del dispositivo y la posterior sobrecarga. En este caso, es imposible asegurar una carga completa de la batería, ya que cuando se alcanza la corriente máxima se produce un apagado, siendo necesario mantener el proceso durante varias horas más. Como resultado, el nivel de carga está constantemente en el rango del 60-70%, lo que afecta el estado de las placas y reduce la vida útil de la batería.

De hecho, llamar a este módulo controlador solo puede ser exagerado; en la práctica, se les llama más bien disyuntores y prácticamente no se usan en la actualidad.

PWM (PWM)

Se puede lograr una solución al problema de la carga incompleta eligiendo unidades de control de nueva generación que utilicen el principio de modulación de ancho de pulso (PWM) de la corriente de suministro.

El principio de su funcionamiento se basa en reducir la corriente nominal de carga cuando se alcanza el voltaje máximo. Esto le permite alcanzar un nivel de carga del 100% y al mismo tiempo aumentar la eficiencia general entre un 20 y un 30%. Algunos de los modelos le permiten ajustar el voltaje de la corriente entrante en función de la temperatura exterior. Evitan el sobrecalentamiento de la batería, aumentan la capacidad de aceptar carga y realizan una regulación autónoma del proceso.

Un diagrama aproximado del funcionamiento de PWM se ve así:

Para ahorrar en la factura de la luz, nuestros lectores recomiendan la Caja de Ahorro de Electricidad. Los pagos mensuales serán entre un 30% y un 50% menos que antes de utilizar el ahorro. Elimina el componente reactivo de la red, lo que resulta en una reducción de la carga y, como consecuencia, del consumo de corriente. Los electrodomésticos consumen menos electricidad y se reducen los costes.

MPPT

El tipo más avanzado de dispositivo regulador de carga de batería solar disponible en el mercado hoy en día es el MPPT. Permite aumentar la eficiencia de la generación eléctrica y su cantidad a partir de un mismo bloque de paneles solares. El principio de funcionamiento de cualquier módulo mppt se basa en el seguimiento del llamado "punto de máxima potencia".

Cualquier regulador mppt monitorea constantemente los parámetros de corriente y voltaje, en función de los cuales la unidad analítica del microprocesador calcula su relación más óptima para generar potencia total. El procesador, al elegir los valores de corriente y voltaje, también tiene en cuenta la etapa del proceso de carga.

Cuando se utilizan controladores mppt, es posible extraer más voltaje de los paneles solares, que luego se transforma en el voltaje óptimo para cargar la batería (por regla general, difiere del voltaje de suministro indicado en la placa de características). La eficiencia general del sistema solar en comparación con los controladores PWM aumenta entre un 15 y un 35%. Al mismo tiempo, la tecnología MPRT le permite trabajar incluso cuando la iluminación del panel se reduce en un 40%.

Las ventajas de los módulos MPPT se pueden mostrar en el siguiente diagrama:

La capacidad de crear alto voltaje en la salida del controlador mppt le permite utilizar cables de una sección transversal más pequeña y aumentar la distancia entre la unidad y los paneles solares.

Tipos híbridos para parques eólicos

En Escandinavia, Alemania, España y EE.UU., los generadores eólicos cubren una buena parte de las necesidades eléctricas totales del estado. También contienen espacio para una unidad como un controlador de carga.

Y si se combinan ES (paneles solares y aerogeneradores), se utiliza el llamado módulo híbrido.

También puede funcionar según el principio PWM o MPPT. La principal diferencia entre un controlador híbrido es el uso de características de corriente-voltaje ligeramente diferentes. Esto sucede porque los generadores eólicos experimentan grandes aumentos repentinos en la producción y el consumo de energía y las baterías, a su vez, están significativamente sobrecargadas. El controlador arroja el exceso de energía a un lado (por ejemplo, para bloquear los elementos calefactores).

Autoproducción

Si una persona tiene algún conocimiento en el campo de la electrónica y la ingeniería eléctrica, puede intentar ensamblar un circuito controlador para paneles solares y un generador eólico con sus propias manos. Una unidad de este tipo será muy inferior en funcionalidad y eficiencia a los modelos industriales en serie, pero en redes de baja potencia puede ser suficiente.

Un módulo de control casero debe cumplir las condiciones básicas:

• 1.2P ≤ I × U. Esta ecuación utiliza las designaciones de la potencia total de todas las fuentes (P), la corriente de salida del controlador (I), el voltaje en el sistema con una batería completamente descargada (U);
• La tensión máxima de entrada del controlador debe corresponder a la tensión total de las baterías sin carga.

El diagrama más simple de dicho módulo se verá así:

El dispositivo, montado por usted mismo, funciona con las siguientes características:

• Voltaje de carga: 13,8 V (puede variar según la corriente nominal);
• Tensión de apagado – 11 V (configurable);
• Tensión de encendido – 12,5 V;
• La caída de voltaje entre las teclas es de 20 mV a un valor de corriente de 0,5 A.

Los controladores de carga tipo PWM o MPRT son una de las partes integrales de cualquier sistema solar o sistema híbrido basado en generadores solares y eólicos. Garantizan una carga normal de la batería, aumentan la eficiencia y previenen el desgaste prematuro, y también se pueden montar con sus propias manos.

La principal dificultad a la hora de utilizar la energía solar en casa es su acumulación. Genera electricidad solo cuando se expone a la luz, pero hay que usar electricidad por la tarde y por la noche. No se pueden conectar directamente los paneles solares a las baterías; ambas se romperán. Se utilizan dispositivos especiales: controladores de paneles solares, que puede ensamblar con sus propias manos o comprar unos ya preparados.

Tipos de controladores

Hay tres tipos de controladores de paneles solares, que se diferencian por su funcionalidad y precio respectivamente.

cual elegir

Como puede verse en las descripciones, la primera opción (controlador ON/OFF) no es adecuada para un uso prolongado. Aquellos. Si tiene uno, puede instalarlo para probar el funcionamiento del sistema, pero luego reemplazarlo con un controlador PWM (PWM) o MTTP.

Es preferible esto último. La tecnología MTTP proporciona una eficiencia del controlador solar del 93-97 %, mientras que PWM proporciona solo del 65-70 %. Si tenemos en cuenta el coste de los paneles solares, la compra de un controlador más caro se justifica por la eficiencia de su uso.

Precio

Un sistema de suministro de energía solar se ensambla principalmente para ahorrar dinero, por lo que el precio de las piezas individuales es un punto muy importante. Las opciones propuestas han resistido la prueba del tiempo y son la combinación óptima de precio/calidad:

• Enlace del controlador solar 20a a aliexpress (se abre en una ventana nueva) – costo 20,75$ - controles simples, pantalla LCD brillante, interfaz intuitiva. Hace un excelente trabajo cargando la batería. Tecnología PWM. Es posible conectarse vía USB a una computadora para su configuración.
• Regulador de carga solar MPPT Tracer 2210RN enlace a aliexpress (en nueva ventana), precio 75$ – Controlador MTTP 20A – de alta calidad y fiable, certificado, reconoce día/noche. Alta eficiencia – 97%

Vídeo, controlador de bricolaje

Usted mismo puede montar un controlador para paneles solares, pero esto también requiere cierta inversión. Entonces, para ensamblar un controlador PWM simple tendrás que gastar $10 en piezas y 2-3 horas de trabajo con un soldador. Dado que el coste del producto terminado es de 20 dólares, esa perspectiva ya no parece razonable. Por lo general, montar un controlador MPPT de alta calidad en casa es imposible; se necesitan tanto el equipo como el software adecuado. El video será útil para aquellos que aman y saben usar un soldador.

Complementos al video: diagrama del controlador, ubicación de las piezas en la placa de circuito impreso:

Diagrama del controlador de batería solar Placa de circuito impreso LAY Ubicación de las piezas en la placa

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El circuito controlador de carga de la batería solar se basa en un chip, que es un elemento clave de todo el dispositivo. El chip es la parte principal del controlador y el controlador en sí es el elemento clave del sistema solar. Este dispositivo monitorea el funcionamiento de todo el dispositivo en su conjunto y también gestiona la carga de la batería desde paneles solares.

Cuando la batería está en carga máxima, el controlador regulará el suministro de corriente, reduciéndola a la cantidad requerida para compensar la autodescarga del dispositivo. Si la batería está completamente descargada, el controlador apagará cualquier carga entrante al dispositivo.

La necesidad de este dispositivo se puede reducir a los siguientes puntos:

1. Carga de batería en varias etapas;
2. Ajustar el encendido/apagado de la batería durante la carga/descarga del dispositivo;
3. Conectando la batería a carga máxima;
4. Conexión de carga desde fotocélulas en modo automático.

Un controlador de carga de batería para dispositivos solares es importante porque realizar todas sus funciones en el modo adecuado aumenta considerablemente la vida útil de la batería incorporada.

¿Cómo funciona el controlador de carga de la batería?

En ausencia de luz solar sobre las células solares de la estructura, ésta se encuentra en modo de suspensión. Después de que los rayos aparecen en los elementos, el controlador todavía está en modo de suspensión. Se enciende sólo si la energía acumulada del sol alcanza los 10 V en equivalente eléctrico.

Tan pronto como el voltaje alcance este valor, el dispositivo se encenderá y comenzará a suministrar corriente a la batería a través del diodo Schottky. El proceso de carga de la batería en este modo continuará hasta que el voltaje recibido por el controlador alcance los 14 V. Si esto sucede, se producirán algunos cambios en el circuito del controlador para una batería solar de 35 vatios o cualquier otra. El amplificador abrirá el acceso al transistor MOSFET y los otros dos, más débiles, estarán cerrados.

Esto dejará de cargar la batería. Tan pronto como caiga el voltaje, el circuito volverá a su posición original y la carga continuará. El tiempo asignado al controlador para realizar esta operación es de aproximadamente 3 segundos.

Tipos

Este tipo de dispositivo se considera el más sencillo y económico. Su única y principal tarea es cortar el suministro de carga a la batería cuando se alcanza el voltaje máximo para evitar el sobrecalentamiento.

Sin embargo, este tipo tiene una cierta desventaja: se apaga demasiado pronto. Después de alcanzar la corriente máxima, debe mantener el proceso de carga durante un par de horas más y este controlador lo apagará inmediatamente.

Como resultado, la carga de la batería rondará el 70% del máximo. Esto tiene un impacto negativo en la batería.

PWM

Este tipo es un encendido/apagado mejorado. La modernización radica en que lleva incorporado un sistema de modulación de ancho de pulso (PWM). Esta función permitió al controlador, cuando se alcanzó el voltaje máximo, no cortar el suministro de corriente, sino reducir su fuerza.

Gracias a esto, fue posible cargar el dispositivo casi al 100%.

Este tipo se considera el más avanzado en la actualidad. La esencia de su trabajo se basa en el hecho de que es capaz de determinar el valor exacto del voltaje máximo para una batería determinada. Monitorea continuamente la corriente y el voltaje en el sistema. Gracias a la adquisición constante de estos parámetros, el procesador es capaz de mantener los valores de corriente y voltaje más óptimos, lo que le permite generar la máxima potencia.

Si comparamos los controladores MPPT y PWN, la eficiencia del primero es aproximadamente un 20-35% mayor.

Opciones de selección

Sólo hay dos criterios de selección:

1. El primer punto y muy importante es el voltaje entrante. El máximo de este indicador debe ser mayor en aproximadamente un 20% del voltaje sin carga de la batería solar.
2. El segundo criterio es la corriente nominal. Si se selecciona el tipo PWN, entonces su corriente nominal debe ser mayor que la corriente de cortocircuito de la batería en aproximadamente un 10%. Si se selecciona MPPT, entonces su característica principal es la potencia. Este parámetro debe ser mayor que el voltaje de todo el sistema multiplicado por la corriente nominal del sistema. Para los cálculos, el voltaje se toma cuando las baterías están descargadas.

Como hacerlo tu mismo

Si no es posible comprar un producto ya preparado, puede crearlo usted mismo. Pero si es bastante sencillo entender cómo funciona un controlador de carga de una batería solar, crear uno será más difícil. Al crearlo, debe comprender que dicho dispositivo será peor que el análogo producido en la fábrica.

Este es el circuito controlador de panel solar más simple y será el más fácil de crear. El ejemplo dado es adecuado para crear un controlador para cargar una batería de plomo-ácido con un voltaje de 12 V y conectar una batería solar de baja potencia.

Si reemplaza los valores nominales en algunos elementos clave, podrá aplicar este esquema a sistemas más potentes con baterías. La esencia del funcionamiento de un controlador casero de este tipo será que a un voltaje inferior a 11 V la carga se apagará y a 12,5 V se alimentará a la batería.

Cabe mencionar que el circuito simple utiliza un transistor de efecto de campo en lugar de un diodo protector. Sin embargo, si tienes algunos conocimientos de circuitos eléctricos, puedes crear un controlador más avanzado.

Este esquema se considera avanzado, ya que su creación es mucho más complicada. Pero un controlador con un dispositivo de este tipo es bastante capaz de funcionar de manera estable no solo cuando se conecta a una batería solar, sino también a un generador eólico.

Video

Aprenderá cómo conectar el controlador correctamente en nuestro video.