PWM контроллеры заряда солнечных батарей: принцип работы, подбор и выбор

Что такое контроллер заряда солнечных батарей с широтно-импульсной модуляцией (PWM)?

Что такое широтно-импульсная модуляция (PWM) или PWM-контроллер заряда?

PWM (Pulse Width Modulation — широтно-импульсная модуляция) контроллер — это (электронный) переходник между солнечными панелями и батареями:

Контроллер заряда солнечных батарей (часто называемый регулятором) аналогичен стандартному зарядному устройству для батарей, т.е. он контролирует ток, текущий от солнечной панели к батарейному банку, чтобы предотвратить перезарядку батарей. Как и в стандартном зарядном устройстве, он может работать с разными типами батарей.

Напряжение накопления (absorption voltage) может выбирать напряжение поддержки (float voltage), а также часто устанавливать время и хвостовой ток. Они наилучшим образом подходят для литий-железо-фосфатных батарей, так как когда контроллер в полном заряде, он остается на фиксированном напряжении поддержки или поддерживает напряжение около 13,6В (3,4В на ячейку) до конца дня.

Самый популярный профиль заряда — та же простая последовательность, что и в качественном сетевом адаптере: режим накопления (bulk) — режим поглощения (absorption) — режим поддержки (float). Вход в режим накопления происходит при:

• Восходе солнца утром
• Если напряжение батареи падает ниже заданного значения дольше указанного периода, например, 5 секунд (повторный вход)

Этот повторный вход в режим накопления лучше работает для свинцово-кислотных батарей, так как падение напряжения у них более значительное, чем у литиевых, которые сохраняют более высокое и стабильное напряжение на протяжении всего периода разряда.

• Связанная статья: MPPT контроллер заряда солнечных батарей — принцип работы, подбор и выбор

В контроллере заряда солнечных батарей:

• Ключ ВКЛ пока зарядный режим в режиме накопления (bulk).
• Ключ ВКЛ и ВЫКЛ когда требуется (широтно-импульсно модулирован) для поддержания напряжения батареи в режиме поглощения.
• Ключ ВЫКЛ в конце поглощения, когда напряжение батареи снижается до напряжения поддержки.
• Ключ снова ВКЛ и ВЫКЛ когда требуется (PWM) для поддержания напряжения батареи на уровне напряжения поддержки.

Обратите внимание: когда ключ ВЫКЛ, напряжение панели будет на уровне напряжения холостого хода (Voc). Когда ключ ВКЛ, напряжение панели будет на уровне напряжения батареи + падение напряжения между панелью и контроллером.

Лучшее соответствие для PWM контроллера:

Лучшая подходящая панель для PWM контроллера — панель с напряжением чуть выше необходимого для заряда батареи с учетом температуры, обычно панель с V_mp (максимальное рабочее напряжение) около 18В для заряда 12В батареи. Их иногда называют 12В панелями, хотя у них V_mp около 18В.

Ниже приведена блок-схема типичного PWM контроллера заряда солнечных батарей.

PWM 3-стадийный заряд

Накопление (Bulk Charge): Уровень накопления — где ПВ-устройство обеспечивает большую часть заряда батареи. Устройство заряжает батарею большим током и напряжением, когда напряжение низкое. Когда напряжение на клеммах батареи становится выше этого установочного значения поддержки, прямое зарядирование должно прекратиться.

Поглощение (Absorb Charge): Обычно после первого этапа заряда батарея ждет некоторое время, чтобы напряжение снизилось естественным образом, а затем достигает этапа выравнивающего заряда. Этап также называется зарядом постоянного напряжения.

Поддержка (Float Charge): Это последняя стадия 3-стадийного заряда, известная как подзарядка (trickle charging). Подзарядка — это небольшой зарядный ток к батарее с низкой скоростью и стабильно. Большинство перезаряжаемых батарей теряют энергию при полном заряде из-за саморазряда. Если заряд остается на том же низком токе, что и скорость саморазряда, можно удерживать зарядную емкость.

Преимущества PWM солнечного контроллера:

• PWM регулятор имеет отработанные и установленные технологии.
• Простая структура и стоимостная эффективность
• Простое развертывание PWM регулятора
• Низкий бюджет на небольшие проекты

Недостатки PWM контроллера заряда солнечных батарей:

• Низкий коэффициент преобразования
• Входное напряжение должно соответствовать напряжению банка батарей.
• Меньшая масштабируемость для развития устройства
• Меньшие режимы загрузки
• Меньшая защита;

Связанные статьи: Введение в алгоритмы максимальной точки мощности в ПВ системах

Функция контроллера заряда солнечных батарей:

Основной контроллер заряда по сути регулирует напряжение блока и размыкает цепь, прекращая заряд, когда напряжение батареи поднимается до определенного уровня. Более ранние контроллеры заряда использовали механическое реле для размыкания или замыкания цепи, остановки или запуска питания от накопителя электроэнергии.

Обычно 12В батареи используются для солнечных применений. Солнечные панели могут выдавать гораздо большее напряжение, чем нужно батарее для заряда. Напряжение заряда будет поддерживаться на максимально возможном уровне, пока время для полной зарядки накопителя минимально. Это помогает солнечным системам работать непрерывно и оптимально. Потери мощности в проводах значительно ниже за счет работы более высокого напряжения в кабелях солнечных панелей к контроллеру заряда.

Контроллеры заряда солнечных батарей также могут контролировать обратный ток. Контроллеры определяют, нет ли питания от солнечных панелей, и размыкают цепь, отделяя солнечные панели от батарейных устройств и останавливая обратный ток.

Типы контроллеров заряда солнечных батарей:

Три типа контроллеров заряда солнечных батарей:

1) Простые 1- или 2-фазные контролы: имеют коммутирующие транзисторы для регулирования напряжения в одну или две ступени.

2) PWM (широтно-импульсно модулированный): это традиционная форма контроллера заряда, например, Xantrex, Blue Sky и др. Это отраслевой стандарт на данный момент.

3) MPPT (Maximum Power Point Tracking — отслеживание точки максимальной мощности): MPPT определяет оптимальное рабочее напряжение и ампераж солнечной панели и согласует их с батарейным банком.

Подбор PWM контроллера заряда солнечных батарей

PWM контроллеры не способны ограничивать свою токовую производительность. Они просто используют собираемый ток. Поэтому, если солнечная батарея генерирует 40 А тока, а используемый контроллер рассчитан только на 30 А, контроллер может быть поврежден. Важно обеспечить, чтобы контроллер заряда был параллельно совместим и правильно подобран для ваших панелей.

При выборе контроллера заряда смотрят на многие пункты в списке характеристик или тегов. PWM контроллер имеет указание ампеража, например, 30-амперный PWM контроллер. Это отражает, сколько ампер контроллер может обрабатывать, в примере выше — 30 А. В общем, номинал тока и напряжения — две вещи, на которые смотрят в PWM контроле.

Далее смотрим на номинальное напряжение устройства. Оно сообщает, с какими напряжениями банков батарей совместим контроллер. Можно использовать банки батарей 12В или 24В. Контроллер не сможет работать с чем-то выше, например, банком батарей 48В.

Вторым, важен номинальный ток батареи. Допустим, у вас контроллер заряда с номиналом 30 А. Рекомендуется коэффициент запаса не менее 1,25, что означает, что можно усреднить ток от панелей на 1,25 и сравнить с 30 А. Например, пять панелей 100 Ватт дадут 5,29 × 5 = 26,45 А параллельно. 26,45 А × 1,25 = 33 А — это слишком много для контроллера. Панель встретит больше тока, чем номинал, когда солнечная излученность выше 1000 Вт/м².

Третьим, нужно посмотреть на максимальное входное солнечное напряжение. Показывает, сколько вольт можно подать на контроллер. Этот контроллер не выдерживает более 50 вольт. Рассмотрим 2 × 100 Ватт панелей последовательно с суммарным 22,5В (напряжение холостого хода) × 2 = 45 вольт. В этом случае последовательное соединение этих двух панелей допустимо.

Четвертым, смотрим на клеммы. У каждого контроллера обычно есть максимальный размер калибра клемм. Это критично при покупке проводов для вашей установки.

Наконец, смотрим на тип батареи. Сообщает, какие батареи совместимы с контроллером заряда. Важно проверить, так как не хотите купить батареи, которые контроллер не может заряжать.

Рассмотрим еще один базовый пример для подбора PWM контроллера заряда солнечных батарей.

Пример:

Какой подходящий размер PWM контроллера заряда для солнечной панели 100Вт, 12В с током короткого замыкания I_SC = 8А?

Решение:

Нужно добавить коэффициент запаса 25% тока, т.е. 1,25 × I_SC для определения подходящего размера контроллера заряда.

Так: 8А × 1,25 = 10А.

Следовательно, можно безопасно использовать 10А, 12В контроллер заряда для этой базовой солнечной системы.

Другой способ: если суммарная подключенная DC нагрузка 12В, 95Вт.

Номинальный ток нагрузки = Общая DC нагрузка / Номинальное системное напряжение = 95Вт / 12В

Номинальный ток нагрузки = 7,91 А

Коэффициент запаса × Номинальный ток нагрузки

1,25 × 7,91 = 9,9А

Наконец, базовый метод формулы мощности P = V × I

I = (P/V) × 1,25

I = (95Вт/12В) × 1,25

I = 9,9А

Обратите внимание: ту же формулу нужно применять для последовательно и параллельно подключенных солнечных панелей и батарей согласно их напряжению и току. Больше решенных примеров подбора PWM и MPPT контроллеров заряда см. в предыдущей статье.

Различия между PWM и MPPT солнечными контроллерами заряда

Суть разницы:

• С PWM контроллером ток извлекается из панели чуть выше уровня батареи, в то время как
• С MPPT контроллером ток извлекается из панели на «напряжении максимальной мощности» (представьте MPPT контроллер как «умный DC-DC преобразователь»).

Также встречаются лозунги вроде «вы получите 20% или больше энергии с MPPT контроллером». Этот прирост также значительно варьируется. Ниже справочно: панель на полной инсоляции и контроллер в режиме накопления. Игнорируя падения напряжения, простой пример:

• Максимальный ток мощности панели (Imp) = 5,0А
• Максимальное напряжение мощности панели (Vmp) = 18В

Напряжение заряда = 13В (напряжение батареи может варьироваться от 10,8В глубоко разряженной до 14,4В в режиме поглощения). При 13В ток панели будет незначительно выше тока максимальной мощности, скажем 5,2А.

С PWM контроллером выходная мощность панели = 5,2А × 13В = 67,6 Ватт. Эта мощность извлекается независимо от температуры панели, пока напряжение панели остается выше напряжения батареи.

С MPPT контроллером выходная мощность панели = 5,0А × 18В = 90 Ватт, т.е. на 25% выше. Однако это чрезмерно оптимистично, так как напряжение падает при повышении температуры; предположим, температура панели поднимается на 30°C выше стандартных тестовых условий (STC) 25°C. Напряжение падает на 4% на каждые 10°C, итого 12%, выход MPPT = 5А × 15,84В = 79,2Вт, т.е. на 17,2% больше мощности, чем PWM контроллер.

Таким образом, прирост сбора энергии для MPPT контроллеров есть, но процент прироста значительно меняется в течение дня.

Преимущества PWM зарядного устройства

Зарядка солнечной батареи — уникальная и сложная задача. В старые времена использовались простые вкл/выкл регуляторы для предотвращения выгазивания батареи, когда солнечная панель давала избыточную электроэнергию. Однако по мере развития солнечных систем стало очевидно, насколько эти простые инструменты портят процесс заряда.

Опыт с вкл/выкл регуляторами: ранние ошибки батарей, растущие отключения нагрузки и растущее разочарование потребителей. PWM недавно стало первым прорывом в зарядке солнечных батарей. PWM солнечные зарядные устройства используют аппаратное обеспечение, похожее на большинство современных качественных зарядных устройств.

Когда напряжение батареи превышает контрольный предел, PWM алгоритм плавно уменьшает зарядный ток, чтобы предотвратить нагрев и выгазивание батареи, в то время как зарядка начинает возвращать полное количество энергии в батарею за кратчайшее возможное время. Это приводит к лучшей зарядной эффективности, быстрой перезарядке и долговечной батарее на максимальной мощности.

Также этот новый способ зарядки солнечных батарей предлагает некоторые очень интересные и необычные преимущества PWM пульсаций.

В них входят:

1. Способность восстанавливать сниженную емкость батареи и рассеивать батарею
2. Крайне повышают принятие заряда батареей.
3. Удерживают высокую общую емкость батареи (90-95%) относительно вкл/выкл контролируемых диапазонов заряда обычно 55-60%.
4. Выравнивают дрейф ячеек батареи.
5. Ограничивают нагрев и выгазивание батареи.
6. Автоматически компенсируют старение батареи.
7. Саморегуляция скачков напряжения и температурных эффектов в солнечных системах

Выбор лучшего солнечного контроллера

PWM — хороший недорогой вариант:

• Для небольших установок
• Где надежность устройства не критична (процесс заряда)
• Для солнечных панелей с номинальным напряжением (Vmp) до 18В для заряда 12В батареи (36В для 24В батареи и т.д.)

MPPT контроллер идеально подходит для:

• Для более крупных систем, где дополнительные 20%* или более сбора энергии оправданы;
• Где напряжение солнечной батареи значительно выше напряжения батареи, например, использование домашних панелей для заряда 12В батарей;

Применение

В последние дни метод производства электроэнергии из солнечного света стал более распространенным, чем другие альтернативные источники, а фотоэлектрические панели свободны от выбросов и не требуют высокого обслуживания. Несколько примеров использования солнечной энергии.

• Уличные фонари используют фотоэлементы для преобразования солнечного света в DC заряд. Устройство использует контроллер заряда для хранения DC в батареях и использования в нескольких местах.
• Домашние системы используют ПВ-модуль для бытовых целей.
• Гибридная солнечная панель использует различные источники энергии для обеспечения круглосуточного резервного питания другим источникам.

Примечание: Эта статья опубликована на www.electricaltechnology.org