Kontroler ładowania baterii słonecznej: schemat, zasada działania, sposoby podłączania

Energetyka słoneczna jak dotąd ogranicza się (na poziomie gospodarstw domowych) do tworzenia paneli fotowoltaicznych o stosunkowo niewielkiej mocy. Niezależnie jednak od konstrukcji fotoelektrycznego przetwornika światła słonecznego na prąd, urządzenie to wyposaża się w moduł nazywany kontrolerem ładowania baterii słonecznej.

Rzeczywiście, w skład instalacji fotosyntezy światła słonecznego wchodzi akumulator – magazyn energii pozyskiwanej z panelu słonecznego. To właśnie ten wtórny źródło energii jest obsługiwane w pierwszej kolejności przez kontroler.

W prezentowanym przez nas artykule przyjrzymy się budowie i zasadom działania tego urządzenia, a także omówimy sposoby jego podłączania.

Kontrolery do baterii słonecznych

Moduł elektroniczny, nazywany kontrolerem baterii słonecznej, przeznaczony jest do pełnienia szeregu funkcji kontrolnych w procesie ładowania/rozładowania akumulatora baterii słonecznej.

Gdy na powierzchnię panelu słonecznego, zainstalowanego na przykład na dachu domu, pada światło słoneczne, fotoelementy urządzenia przekształcają to światło w prąd elektryczny.

Uzyskana energia, w zasadzie, mogłaby być podawana bezpośrednio do akumulatora magazynującego. Jednak proces ładowania/rozładowania akumulatora ma swoje subtelności (określone poziomy prądów i napięć). Jeśli te subtelności zostaną zaniedbane, akumulator w krótkim czasie eksploatacji po prostu ulegnie awarii.

Aby uniknąć takich przykrych konsekwencji, przeznaczony jest moduł nazywany kontrolerem ładowania do panelu słonecznego.

Oprócz kontrolowania poziomu naładowania akumulatora, moduł monitoruje również zużycie energii. W zależności od stopnia rozładowania, układ kontrolera ładowania akumulatora od panelu słonecznego reguluje i ustawia poziom prądu niezbędny do początkowego i późniejszego ładowania.

W zależności od mocy kontrolera ładowania akumulatorów elektrowni słonecznej, konstrukcje tych urządzeń mogą przybierać bardzo różne konfiguracje

Ogólnie rzecz biorąc, mówiąc prostym językiem, moduł zapewnia beztroskie «życie» akumulatorowi, który okresowo gromadzi i oddaje energię urządzeniom odbiorczym.

Rodzaje stosowane w praktyce

Na skalę przemysłową opanowano i prowadzi się produkcję dwóch rodzajów urządzeń elektronicznych, których wykonanie jest odpowiednie do montażu w obwodzie systemu energii słonecznej:

1. Urządzenia serii PWM.
2. Urządzenia serii MPPT.

Pierwszy rodzaj kontrolera do paneli słonecznych można nazwać «staruszkiem». Takie układy były opracowywane i wdrażane do eksploatacji już u zarania rozwoju energetyki słonecznej i wiatrowej.

Zasada działania układu kontrolera PWM opiera się na algorytmach modulacji szerokości impulsów. Funkcjonalność takich urządzeń nieco ustępuje bardziej zaawansowanym urządzeniom serii MPPT, ale ogólnie działają one również całkiem skutecznie.

Jeden z popularnych modeli kontrolera ładowania akumulatora elektrowni słonecznej, pomimo iż układ urządzenia wykonany jest w technologii PWM, uznawanej za przestarzałą

Konstrukcje, w których stosowana jest technologia Maximum Power Point Tracking (śledzenie maksymalnego punktu mocy), wyróżniają się nowoczesnym podejściem do rozwiązań układowych i zapewniają większą funkcjonalność.

Jednak jeśli porównać oba rodzaje kontrolerów, a zwłaszcza pod kątem zastosowań domowych, urządzenia MPPT nie wyglądają już w tak różowych barwach, w jakich są tradycyjnie reklamowane.

Kontroler typu MPPT:

• ma wyższy koszt;
• posiada skomplikowany algorytm konfiguracji;
• daje korzyść pod względem mocy tylko na panelach o znacznej powierzchni.

Ten rodzaj sprzętu bardziej nadaje się do systemów globalnej energetyki słonecznej.

Kontroler przeznaczony do eksploatacji w ramach konstrukcji solarnej instalacji energetycznej. Jest przedstawicielem klasy urządzeń MPPT – bardziej zaawansowanych i efektywnych.

Na potrzeby zwykłego użytkownika z domowego otoczenia, mającego z reguły panele o małej powierzchni, bardziej opłaca się kupić i z tym samym efektem eksploatować kontroler PWM (PWM).

Schematy strukturalne kontrolerów

Schematy zasadnicze kontrolerów PWM i MPPT do rozpatrywania ich okiem laika – to zbyt skomplikowana kwestia, związana z dogłębnym zrozumieniem elektroniki. Dlatego logiczne jest rozpatrzenie jedynie schematów strukturalnych. Takie podejście jest zrozumiałe dla szerokiego grona osób.

Wariant nr 1 – urządzenia PWM

Napięcie z panelu słonecznego przez dwa przewody (dodatni i ujemny) trafia na element stabilizujący i rozdzielczy łańcuch rezystancyjny. Dzięki temu fragmentowi układu uzyskuje się wyrównanie potencjałów napięcia wejściowego i w pewnym stopniu organizuje się ochronę wejścia kontrolera przed przekroczeniem granicy napięcia wejścia.

Należy tu podkreślić: każdy pojedynczy model urządzenia ma konkretną granicę napięcia wejściowego (określoną w dokumentacji).

Tak mniej więcej wygląda schemat strukturalny urządzeń wykonanych w technologii PWM. Do eksploatacji w ramach małych stacji domowych takie podejście obwodowe zapewnia w pełni wystarczającą efektywność.

Następnie napięcie i prąd są ograniczane do wymaganej wartości przez tranzystory mocy. Te elementy układu są z kolei sterowane przez chip kontrolera za pomocą układu scalonego drivera. W rezultacie na wyjściu pary tranzystorów mocy ustawiana jest normalna wartość napięcia i prądu dla akumulatora.

Ponadto w układzie znajduje się czujnik temperatury i driver sterujący tranzystorem mocy, za pomocą którego regulowana jest moc obciążenia (ochrona przed głębokim rozładowaniem akumulatora). Czujnik temperatury kontroluje stan nagrzania ważnych elementów kontrolera PWM.

Zazwyczaj poziom temperatury wewnątrz obudowy lub na radiatorach tranzystorów mocy. Jeśli temperatura przekroczy granice ustawione w konfiguracji, urządzenie wyłącza wszystkie linie zasilania aktywnego.

Wariant nr 2 – urządzenia MPPT

Złożoność układu w tym przypadku wynika z jego uzupełnienia całym szeregiem elementów, które budują niezbędny algorytm kontroli bardziej skrupulatnie, w zależności od warunków pracy.

Poziomy napięcia i prądu są śledzone i porównywane przez układy komparatorów, a na podstawie wyników porównania określane jest maksimum mocy na wyjściu.

Rozwiązanie obwodowe w postaci strukturalnej dla kontrolerów ładowania opartych na technologii MPPT. Tutaj już zauważalny jest bardziej złożony algorytm kontroli i zarządzania urządzeniami peryferyjnymi.

Główną różnicą między tego typu kontrolerami a urządzeniami PWM jest to, że potrafią one dostosować moduł słoneczny do maksymalnej mocy niezależnie od warunków pogodowych.

W konstrukcji tych urządzeń zaimplementowano kilka metod kontroli:

• perturbacji i obserwacji;
• zwiększającej się przewodności;
• przebiegu prądowego;
• stałego napięcia.

A w końcowym etapie ogólnego działania stosowany jest również algorytm porównujący wszystkie te metody.

Sposoby podłączania kontrolerów

Rozważając temat podłączeń, od razu należy zaznaczyć: dla instalacji każdego pojedynczego urządzenia charakterystyczną cechą jest praca z konkretną serią paneli słonecznych.

Na przykład, jeśli używany jest kontroler przeznaczony na maksymalne napięcie wejściowe 100 woltów, seria paneli słonecznych musi wytwarzać napięcie nie większe niż ta wartość.

Każda instalacja solarna działa zgodnie z zasadą bilansu napięć wyjściowych i wejściowych pierwszego stopnia. Górna granica napięcia kontrolera musi odpowiadać górnej granicy napięcia panelu.

Przed podłączeniem urządzenia należy określić miejsce jego fizycznej instalacji. Zgodnie z przepisami, na miejsce instalacji należy wybierać suche, dobrze wentylowane pomieszczenia. Wyklucza się obecność w pobliżu urządzenia materiałów łatwopalnych.

Niedopuszczalna jest obecność w bezpośrednim sąsiedztwie urządzenia źródeł wibracji, ciepła i wilgoci. Miejsce instalacji należy chronić przed opadami atmosferycznymi i bezpośrednim działaniem promieni słonecznych.

Technika podłączania modeli PWM

Praktycznie wszyscy producenci kontrolerów PWM wymagają przestrzegania dokładnej sekwencji podłączania urządzeń.

Technika łączenia kontrolerów PWM z urządzeniami peryferyjnymi nie wyróżnia się szczególnymi trudnościami. Każda płytka jest wyposażona w oznaczone zaciski. Tutaj po prostu należy przestrzegać sekwencji czynności

Urządzenia peryferyjne należy podłączać w pełnej zgodności z oznaczeniami zacisków stykowych:

1. Połączyć przewody akumulatora na zaciskach urządzenia dla akumulatora zgodnie z podaną biegunowością.
2. Bezpośrednio w punkcie styku przewodu dodatniego włączyć bezpiecznik ochronny.
3. Na zaciskach kontrolera przeznaczonych dla panelu słonecznego zamocować przewody wychodzące z baterii słonecznej paneli. Przestrzegać biegunowości.
4. Podłączyć do zacisków obciążenia urządzenia lampkę kontrolną o odpowiednim napięciu (zwykle 12/24V).

Podana sekwencja nie może być naruszona. Na przykład podłączanie paneli słonecznych w pierwszej kolejności przy niepodłączonym akumulatorze jest kategorycznie zabronione. Takimi działaniami użytkownik ryzykuje „spalenie” urządzenia. W tym materiale bardziej szczegółowo opisano schemat montażu baterii słonecznych z akumulatorem.

Również w przypadku kontrolerów z serii PWM niedopuszczalne jest podłączanie inwertera napięcia do zacisków obciążenia kontrolera. Inwerter należy podłączyć bezpośrednio do zacisków akumulatora.

Kolejność podłączania urządzeń MPPT

Ogólne wymagania dotyczące fizycznej instalacji dla tego typu urządzeń nie różnią się od poprzednich systemów. Jednakże konfiguracja techniczna często jest nieco inna, ponieważ kontrolery MPPT są często uważane za urządzenia o większej mocy.

Dla kontrolerów przeznaczonych do wysokich poziomów mocy, w połączeniach obwodów zasilania zaleca się stosowanie przewodów o dużych przekrojach, wyposażonych w metalowe końcówki.

Na przykład w przypadku systemów o dużej mocy wymagania te są uzupełnione o zalecenie producentów, aby stosować przewody do linii zasilających o gęstości prądu nie mniejszej niż 4 A/mm². Oznacza to, że dla kontrolera o prądzie 60 A potrzebny jest przewód do podłączenia akumulatora o przekroju co najmniej 20 mm².

Przewody połączeniowe muszą być wyposażone w miedziane końcówki, mocno zaciśnięte specjalnym narzędziem. Zaciski ujemne panelu słonecznego i akumulatora należy wyposażyć w adaptery z bezpiecznikami i wyłącznikami.

Takie podejście eliminuje straty energii i zapewnia bezpieczną eksploatację instalacji.

Schemat strukturalny podłączenia wydajnego kontrolera MPPT: 1 – panel słoneczny; 2 – kontroler MPPT; 3 – listwa zaciskowa; 4,5 – bezpieczniki topikowe; 6 – wyłącznik zasilania kontrolera; 7,8 – szyna uziemienia

Przed podłączeniem paneli słonecznych do urządzenia należy upewnić się, że napięcie na zaciskach jest równe lub niższe od napięcia, które można doprowadzić na wejście kontrolera.

Podłączanie urządzeń peryferyjnych do aparatu MTTP:

1. Przełączniki panelu i akumulatora ustawić w pozycji «wyłączone».
2. Wyjąć bezpieczniki ochronne na panelu i akumulatorze.
3. Połączyć przewodem zaciski akumulatora z zaciskami kontrolera dla akumulatora.
4. Podłączyć przewodem wyprowadzenia panelu słonecznego do zacisków kontrolera oznaczonych odpowiednim znakiem.
5. Połączyć przewodem zacisk uziemienia z szyną «uziemienia».
6. Zainstalować czujnik temperatury na kontrolerze zgodnie z instrukcją.

Po tych czynnościach należy włożyć na miejsce wcześniej wyjęty bezpiecznik akumulatora i przestawić wyłącznik w pozycję «włączone». Na ekranie kontrolera pojawi się sygnał wykrycia akumulatora.

Następnie, po krótkiej przerwie (1-2 min), umieścić na miejsce wcześniej wyjęty bezpiecznik panelu słonecznego i przestawić wyłącznik panelu w pozycję «włączone».

Ekran urządzenia pokaże wartość napięcia panelu słonecznego. Ten moment świadczy o pomyślnym uruchomieniu instalacji solarnej.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Przemysł produkuje urządzenia o zróżnicowanych rozwiązaniach układowych. Dlatego nie jest możliwe udzielenie jednoznacznych zaleceń dotyczących podłączania wszystkich bez wyjątku instalacji.

Jednak główna zasada dla wszystkich typów urządzeń pozostaje taka sama: bez podłączenia akumulatora do szyn sterownika podłączenie do paneli fotowoltaicznych jest niedopuszczalne. Podobne wymagania dotyczą również włączenia do układu inwertera napięcia. Należy go traktować jako oddzielny moduł podłączany bezpośrednio do akumulatora.

Jeśli mają Państwo niezbędne doświadczenie lub wiedzę, proszę podzielić się nią z naszymi czytelnikami. Prosimy pozostawić komentarze w bloku poniżej. Tutaj można również zadać pytanie na temat artykułu.