Расчет идеального размера солнечного контроллера заряда: практическое руководство

Что такое солнечный контроллер заряда? Типы, подбор и выбор PWM и MPPT контроллеров

Солнечные контроллеры заряда — жизненно важная часть любой солнечной установки. Они защищают аккумуляторные батареи и обеспечивают их плавную и надежную работу на протяжении всего срока службы. В статье рассмотрим введение в DC-DC преобразователи, контроллеры заряда и MPPT в ФЭУ.

Что такое солнечные контроллеры заряда?

Контроллер заряда в солнечной установке находится между источником энергии (солнечные панели) и накопителем (батареи). Контроллеры предотвращают перезаряд батарей, ограничивая объем и интенсивность заряда. Часто отключают нагрузку, если заряд упал ниже 50% емкости. Батареи заряжаются правильным уровнем напряжения, что защищает их жизнь и здоровье.

DC-DC преобразователи:

DC-DC преобразователи широко используются для преобразования нестабилизированного/неконтролируемого DC напряжения в стабилизированное/контролируемое (Рис. 1).

Помимо стабилизации напряжения, они преобразуют напряжение с одного уровня на другой (выше или ниже). Пример: ФЭУ выдает 24 В DC, но инвертору на входе нужно более высокое DC напряжение для 230 В AC выхода. Ставим DC-DC преобразователь между фотоэлектрическим массивом и инвертором. Эти преобразователи играют ключевую роль: используются как контроллеры заряда, MPPT-трекеры, интерфейс с ФЭИ для разных нагрузок. Применение: регулирование шины питания, усиление тока, гальваническая развязка.

В DC-DC преобразователе на входе и выходе DC ток. Зная входное напряжение и ток, определяем входную мощность; зная выходные — выходную мощность. Зная обе, легко находим КПД.

Пример: DC-DC преобразователь, на входе батарея 50 В, ток 8 А. На выходе 100 В и 3,6 А. Определить входную/выходную мощность, потери, КПД.

• Входное напряжение = 50 В
• Входной ток = 8 А
• Выходное напряжение = 100 В
• Выходной ток = 3,6 А

Входная мощность = 50 × 8 = 400 Вт

Выходная мощность = 100 × 3,6 = 360 Вт

Потери = 400 – 360 = 40 Вт

КПД % = (360/400) × 100 = 90%

Принцип работы и функции контроллеров заряда

Простыми словами, контроллер заряда — это обычный регулятор, продлевающий жизнь солнечным батареям. В большинстве контроллеров ток проходит через полупроводник, работающий как клапан, регулирующий ток.

Контроллеры не допускают перезаряда, снижая ток заряда при достижении определенного напряжения. Перезаряд особенно вреден батарее, поэтому контроллеры критически важны.

Контроллер управляет потоком заряда от батареи и к ней. Поддерживает долгую жизнь и производительность, предотвращая глубокий разряд и перезаряд. При подключении PV-модуля к батарее через контроллер, контроллер отключает PV от батареи во избежание перезаряда.

Аналогично, при подключении батареи к нагрузке через контроллер, контроллер отключает нагрузку при обнаружении глубокого разряда. Такая способность продлевает жизнь и производительность батареи.

Перезаряд и глубокий разряд обнаруживаются измерением напряжения батареи. При перезаряд напряжение поднимается выше порога, при глубоком разряде — падает ниже порога. Контроллер отключает батарею в обоих случаях и снова подключает, когда напряжение возвращается в нормальный рабочий диапазон.

При перезаряде напряжение растет, контроллер отключает батарею от PV-модуля (или источника заряда DC). Когда напряжение падает из-за потребления нагрузкой, контроллер фиксирует это падение и снова подключает PV-модуль для заряда.

Похожее при глубоком разряде: батарея отключается от нагрузки при падении напряжения ниже порога. Если батарея заряжается, клеммовое напряжение поднимается. Этот рост детектируется, и если он выше порога глубокого разряда, контроллер снова подключает батарею к нагрузке.

Солнечные контроллеры также предоставляют другие важные функции: защиту от перегрузки, отключение при низком напряжении, блокировку обратного тока.

• Защита от перегрузки: Если ток в батарею намного выше допуска цепи, устройство может перегрузиться, перегреться, взорваться. Контроллеры предотвращают это. В крупных системах нужна двойная защита — автоматы/предохранители.
• Отключение при низком напряжении (LVD): Автоматическое отключение некритичных нагрузок от батареи при падении напряжения ниже порога. При восстановлении напряжения — немедленное переподключение. Предотвращает глубокий разряд.
• Блокировка обратного тока: Панели передают ток в батарею в одном направлении. Ночью панели могут передавать заряд в обратном направлении, вызывая малый саморразряд. Контроллеры блокируют это, работая как клапан.

Типы контроллеров заряда:

Два основных типа:

1. MPPT (Maximum Power Point Tracking) — контроллеры отслеживания точки максимальной мощности
2. PWM (Pulse Width Modulation) — контроллеры широтно-импульсной модуляции

У MPPT напряжение на батарее и PV-массиве разное. Работает в точке максимальной мощности PV-массива, выдавая макс. доступную мощность от излучения.

Такой контроллер позволяет иметь напряжение PV-массива выше напряжения батареи. Преимущество: выше напряжение — меньше ток при той же мощности → можно использовать более тонкие провода, снижая затраты.

У PWM напряжение на PV-массиве и батарее идентично.

Различные характеристики контроллера заряда:

Напряжения и токи контроллера определяются так:

1. Номинальное системное напряжение: напряжение, на котором работают контроллер и батарея в ФЭУ.
2. Номинальный ток нагрузки: макс. ток нагрузки, который должен выдерживать контроллер.
3. Номинальный ток PV-массива: макс. ток PV-массива, который должен выдерживать контроллер. Это ток КЗ всего PV-массива. При проектировании коэф. безопасности 1,25 для вариаций тока КЗ при не-STC.
4. Уставки регулятора заряда: контроллер заряжает/разряжает батарею, чувствует клеммовое напряжение (SOC — состояние заряда) и решает: отключить от нагрузки (глубокий разряд) или от PV-массива (перезаряд). У контроллера есть уставки для этих решений.

5. Уставка регулирования напряжения (VR): макс. напряжение, до которого можно заряжать батарею без перезаряда. При достижении контроллер отключает батарею от PV или регулирует ток заряда.
6. Истерезис регулирования напряжения (VRH): разница между VR и напряжением, при котором контроллер снова подключает батарею к PV для заряда. Если разница слишком мала — колебательный режим (частое откл./вкл.), ухудшающий жизнь батареи. Но большая разница может давать перезаряд каждый цикл. Нужен баланс. VRH показывает эффективность заряда.
7. Отключение при низком напряжении (LVD): мин. напряжение, до которого разряд разрешен без глубокого разряда. Также — глубина разряда (DOD). Настоятельно рекомендуется не разряжать ниже этого уровня. Контроллер отключает батарею от нагрузки при достижении LVD.
8. Истерезис LVD (LVDH): разница между LVD и напряжением переподключения батареи к нагрузке. Не делают слишком малым — частые переключения сокращают жизнь батареи.

Как выбрать правильно номинальный солнечный контроллер заряда?

Два примера подбора контроллера для системы с заданным номинальным током в амперах при заданном номинальном напряжении и нагрузке в ваттах.

Пример 1:

В гостиной следующие DC нагрузки на 24 В:

1. Три лампы по 20 Вт
2. Один вентилятор 25 Вт

Все нагрузки питаются от двух параллельно соединенных PV-модулей, каждый с I_MP = 5 А и I_SC = 7 А. Найти: номинальное системное напряжение, номинальный ток PV-массива, номинальный ток нагрузки контроллера.

Общая DC нагрузка = (3 × 20) + (1 × 25) = 60 + 25 = 85 Вт

Номинальное системное напряжение контроллера = номинальное напряжение нагрузки и PV-массива = 24 В

Номинальный ток PV-массива = 2 × 7 (I_SC каждого модуля 7 А, параллельно) = 14 А

Коэф. безопасности 1,25 для вариаций I_SC при не-STC.

С учетом коэф. 1,25: Номинальный ток PV-массива = 1,25 × 14 = 17,5 А

Номинальный ток нагрузки = Общая DC нагрузка / Номинальное системное напряжение = 85 / 24 = 3,54 А

Контроллер должен выдерживать ~3,54 А на выходе.

Пример 2:

В аудитории DC нагрузки на 12 В:

1. Три лампы по 30 Вт
2. Один вентилятор 20 Вт

Два параллельных PV-модуля: I_MP = 3 А, I_SC = 5 А. Найти те же параметры.

Общая DC нагрузка = (3 × 30) + (1 × 20) = 90 + 20 = 110 Вт

Номинальное системное напряжение = 12 В

Номинальный ток PV-массива = 2 × 5 = 10 А

С коэф. 1,25: 1,25 × 10 = 12,5 А

Номинальный ток нагрузки = 110 / 12 = 9,17 А

Контроллер должен выдерживать ~9,17 А на выходе.

Отслеживание точки максимальной мощности (MPPT)

Нагрузка, подключенная к PV-модулю, определяет выдаваемую модулем мощность. Смотрим ВАХ и ВПХ (Рис. 3).

При КЗ (V=0) модуль выдает макс. ток — ток КЗ I_SC. При постепенном повышении напряжения на нагрузке (вариацией нагрузки) выдаваемая мощность растет.

Рост напряжения увеличивает мощность до определенной точки, после которой дальнейший рост напряжения снижает мощность. Эта точка — Точка максимальной мощности (MPP). ВАХ PV-модуля имеет точку, соответствующую макс. мощности — MPP.

Необходимо, чтобы нагрузка работала на напряжении и токе, соответствующих MPP, для извлечения макс. мощности. Рабочая точка — пересечение ВАХ модуля и нагрузки.

Производители рейтингут модули по пиковой мощности. Но выходная мощность зависит не только от излучения, но и от сочетания напряжения и тока. В полдень при высоком солнце модуль не выдаст мощность в холостом или КЗ режиме.

Существует рабочая точка на ВАХ, где произведение U×I дает макс. мощность. Но эта точка меняется с изменением интенсивности излучения. Чтобы всегда получать макс. мощность, нужны электронные устройства, обеспечивающие работу модуля в MPP при любом излучении в течение дня. Эта идея — MPPT (Maximum Power Point Tracking).

На практике ВАХ меняется с изменением интенсивности излучения. Нельзя удержать модуль в MPP для фиксированной нагрузки. Солнечное излучение ниже утром, растет к полдню. Этот рост меняет ВАХ (Рис. 4).

Меняется рабочая точка для заданной нагрузки. Рабочие точки для 13:00, 11:00, 9:00 обозначены A, B, C. Макс. рабочие точки — A', B', C'. Чтобы получить макс. мощность, рабочие точки A, B, C должны сблизиться с A', B', C'. Это делает MPPT-устройство. Оно приближает рабочую точку к точке макс. мощности при разном излучении.

Помогает извлекать макс. доступную мощность от PV-модуля при любом излучении и температуре. Использует MPPT-алгоритм и электронную схему. Идея основана на согласовании импеданса между PV-модулем и нагрузкой — необходимо для передачи макс. мощности.

Когда импеданс источника PV и нагрузки совпадают, макс. мощность передается от источника к нагрузке. Если отношение V_M/I_M модуля совпадает с импедансом нагрузки — макс. передача мощности.

На практике невозможно иметь точное совпадение, поэтому MPPT-устройство выполняет согласование импеданса для выдачи макс. мощности при имеющемся излучении и температуре. Производители объединяют функции контроллера заряда и MPPT в одно устройство — MPPT контроллер заряда. MPPT и контроллер заряда — две разные независимые функции, но широко используются как одно устройство для двух целей.

Связанные посты:

• Как подключить батареи последовательно-параллельно к солнечной панели?
• Как подключить батареи параллельно к солнечной панели и ИБП?

Солнечная наведка и MPPT для максимизации выходной мощности:

Солнечная наведка (sun-tracking) ≠ MPPT-трекинг. Это механическое вращение PV-модуля так, чтобы солнечные лучи всегда падали перпендикулярно. Модуль должен механически следить за солнцем для макс. мощности в данное время.

Если модуль не перпендикулярен лучам, большая часть света отражается. Модуль дает макс. мощность при данном свете, когда угол света и модуля = 90° (Рис. 5).

При углах < или > 90° выходная мощность ниже макс. возможности. Часть света отражается, используемое излучение меньше падающего. Это снижает выходную мощность. Поэтому механическая наведка необходима для генерации макс. электричества.

Спецификации MPPT контроллера заряда:

PV Вход

• Макс. входная мощность: макс. мощность, которую MPPT может принять от подключенного PV-массива.
• Макс. холостое напряжение: макс. V_OC, который MPPT может выдержать.
• Диапазон трекинга MPPT: диапазон напряжений, который MPPT может обрабатывать.

DC Выход к батарее

• Номинальное напряжение батареи: напряжение работы батареи в системе.
• Уставка регулирования напряжения (VR): макс. уровень напряжения для заряда без перезаряда. При достижении контроллер отключает батарею от PV или регулирует ток заряда.
• Отключение при низком напряжении (LVD): мин. напряжение для разряда без глубокого разряда (DOD). При достижении DOD MPPT контроллер отключается.
• Макс. зарядный ток: макс. ток, который MPPT может принять от PV-массива. Это ток КЗ PV-массива. При проектировании коэф. 1,25 для не-STC.

DC Управление нагрузкой

• Номинальное напряжение: макс. напряжение нагрузки, которое контроллер должен выдерживать.
• Макс. ток: макс. ток нагрузки, который контроллер должен выдерживать.

Как выбрать правильный размер MPPT контроллера заряда?

Примеры для числового понимания спецификаций.

Пример 3:

PV-массив 500 Вт, работает на 24 В DC, батарейный банк 12 В DC. Определить рейтинг MPPT контроллера для этой системы.

• Мощность PV-массива = 500 Вт
• Рабочее напряжение PV-массива = 24 В
• Рабочее напряжение батареи = 12 В

Входная мощность MPPT = 500 Вт. PV-массив на входе, батарея на выходе (нагрузка). Дано выходное напряжение. При 100% КПД выходной ток для нагрузки:

Мощность = Напряжение × Ток

Ток = 500 Вт / 12 В = 41,66 А

Нужен 12 В, 41,66 А MPPT. Можно увеличить ток на 25% с учетом условий, дающих большую мощность панели. Берем 52 А. 12 В, 52 А MPPT контроллер подойдет. Важно: MPPT должен выдерживать V_OC и V_M подключенного PV-массива.

Еще пример: спроектировать 140 В_p домашнюю систему с PV-модулем 70 Вт, V_OC = 20 В, V_M = 16 В. Батарея 12 В. Определить подходящий MPPT.

Соединяем доступные модули последовательно.

V_OC системы = 2 × 20 = 40 В

V_M системы = 2 × 16 = 32 В

Пиковая мощность = 2 × 70 = 140 Вт

Входная мощность MPPT = 140 Вт (100% КПД). Батарея 12 В. Ток к батарее:

Ток = 140 Вт / 12 В = 11,66 А

Нужен 12 В, 11,66 А MPPT. Увеличиваем на 25% → 15 А. 12 В, 15 А MPPT контроллер подойдет. Опять же: MPPT должен выдерживать V_OC и V_M PV-массива.

Какой контроллер заряда выбрать? PWM или MPPT?

При выборе размера контроллера нужно знать: PWM или MPPT. Неправильный выбор может стоить до 50% энергии солнечной системы.

Солнечная панель	Батарея	Солнечный зарядный
12В	12В	PWM или MPPT
24В	24В	PWM или MPPT
24В	12В	MPPT (Рекомендуется)

Контроллеры заряда подбирают по току солнечного массива и напряжению системы. Обычно нужно, чтобы контроллер был достаточно большим для мощности и тока панелей.

Контроллеры выпускаются на 12, 24, 48 В. Токовые рейтинги 1–60 А, напряжения 6–60 В. Если еще не рассчитали систему — используйте калькулятор солнечных панелей для подбора всех компонентов.

Если система 12 В, ток 14 А — нужен контроллер минимум 14 А. Но добавляем 25% на экологические факторы → 17,5 А. В этом случае возьмут контроллер 12 В, 20 А.

Еще детали в зависимости от типа контроллера.

Состояние батареи @ 25 °C (77 °F)	Номинальное напряжение батареи
	12В	24В	48В
Батарея при выравнивающем заряде	>15	>30	>60
Батарея gần к полному заряду во время заряда	14,4–15,0	28,8–30,0	57,6–60,0
Батарея близка к глубокому разряду во время заряда	12,3–13,2	24,6–26,4	49,2–52,8
Батарея полностью заряжена с легкой нагрузкой	12,4–12,7	24,8–25,4	49,6–50,8
Батарея полностью заряжена с тяжелой нагрузкой	11,5–12,5	23,0–25,0	46,0–50
Нет заряда/разряда 6 ч — 100% заряжена	12,7	25,4	50,8
Нет заряда/разряда 6 ч — 80% заряжена	12,5	25	50
Нет заряда/разряда 6 ч — 60% заряжена	12,2	24,4	48,8
Нет заряда/разряда 6 ч — 40% заряжена	11,9	23,8	47,6
Нет заряда/разряда 6 ч — 20% заряжена	11,6	23,2	46,4
Нет заряда/разряда 6 ч — полностью разряжена	11,4	22,8	45,6
Батарея близка к глубокому разряду при разряде	10,2–11,2	20,4–22,4	40,8–44,8

Часто задаваемые вопросы

Нужен ли контроллер для солнечного заряда?

Обычно да. Не нужен для малых панелей 1–5 Вт. Если панель дает 2 Вт или меньше на 50 А·ч емкости батареи — обычно контроллер не нужен. Но обычно системы мощнее.

Что влияет на выбор контроллера заряда?

• Бюджет
• Срок службы технологии
• Температура установки: некоторые контроллеры лучше работают в холодных климатах
• Потребность в электроэнергии и количество доступных панелей
• Размер, количество и тип батарей

Можно ли использовать более одного контроллера заряда?

Если один контроллер не справляется с выходной мощностью массива, можно использовать несколько контроллеров с одним батарейным банком. MPPT — самый безопасный способ, так как массивы имеют разные MPP. Рекомендуется использовать одинаковый тип контроллеров (все MPPT или все PWM) и одинаковые настройки батареи.

Каков верхний предел напряжения?

У обоих типов есть макс. предел напряжения — макс. напряжение, которое контроллер может безопасно выдержать. Нужно знать предел своего контроллера, иначе можно сжечь его или создать опасность.

Частые ошибки при установке контроллеров заряда

• Не подключайте AC нагрузки к выходу контроллера. Только DC нагрузки.
• Устанавливайте контроллер рядом с батареей — точное измерение напряжения батареи критично для работы контроллера.

Заключение

Если вы в доме на колесах (off-grid кабина), солнечные контроллеры заряда — неотъемлемая часть установки. Исследование и взвешивание вариантов перед инвестициями поможет выбрать правильный контроллер для вас и вашей системы, избежав проблем.