Если вы попали сюда впервые, например по ссылке из поисковой системы, эта статья - продолжение большого цикла публикаций об организации автономного видеонаблюдения. Вводная статья здесь, а ссылки на статьи о других компонентах системы - внизу публикации.
Разобравшись с принципом получения и хранения энергии мы плавно подошли к очень важному элементу автономной энергосистемы - контроллеру. Его называют по разному: контроллер солнечной батареи, контроллер заряда, контроллер гелиоустановки, солнечный контроллер. У него очень ответственная миссия. Именно этот прибор управляет потоками энергии в нашей автономной системе. Именно он не дает перезарядиться или глубоко разрядиться аккумулятору. Но это лишь необходимый минимум.
Лишь простейшие контроллеры выполняют минимальный набор обязанностей, которого нам для работы автономной системы видеонаблюдения будет недостаточно. Поэтому обратимся к более функциональным моделям.
Какие контроллеры бывают
Контроллеры можно классифицировать по разным признакам, но главным будет способ преобразования тока, отдаваемого солнечной панелью в ток заряда аккумулятора. Различают контроллеры ограничивающие зарядный ток путем широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и контроллеры, непрерывно выполняющие поиск точки максимальной мощности солнечной панели и регулирующие параметры заряда аккумулятора с помощью управляемого импульсного преобразователя постоянного тока. Последний тип контроллеров называют MPPT - Maximum Power Point Tracker, что означает поиск точки максимальной мощности.
ШИМ-контроллеры
С ними все просто. Пока напряжение на аккумуляторной батарее не достигло порога полного заряда ШИМ-контроллер просто подключает выход солнечной панели к аккумулятору и зарядный ток изменяется по ВАХ солнечной панели. Естественно, что реализовать полную мощность последней они не могут.
Когда напряжение на аккумуляторе достигает уровня полного заряда, вступает в работу собственно широтно-импульсная модуляция. Контроллер ...
ШИМ контроллеры просты, надежны и недороги. В них отсутствует предобразование энергии поэтому они почти не выделяют тепла. К ШИМ контроллеру можно подключать параллельно несколько панелей разной мощности или ориентированных по разным сторонам света. Заряд аккумулятора через ШИМ-контроллер начинается сразу же как только напряжение на солнечной панели хотя бы немного превысит напряжение на аккумуляторе.
А еще как в моей практике, так и в практике некоторых "солнечных" блогеров замечено, что в режиме ШИМ-регулирования тока такие контроллеры работают как эффективные десульфататоры, способные за месяц-другой оживить даже прилично засульфатировавшийся аккумулятор, чего не сможет сделать MPPT-контролер у которого на выходе постоянный, а не пульсирующий ток. Однако новые аккумуляторы при работе с ШИМ-контроллерами стареют быстрее, чем с MPPT.
Но этот тип контроллеров имеет и недостатки, главный из которых - неполное использование мощности солнечной панели. Особенно сильно этот недостаток проявляется тогда, когда значение напряжения в точке максимальной мощности сильно превышает значение зарядного напряжения аккумулятора. А это либо когда мы применяем поликристаллическую панель, либо панель любого типа, но на большее напряжение.
Однако для систем небольшой мощности, типа нашего автономного видеонаблюдения подойдет и ШИМ-контроллер. В первой системе у меня как раз и стоит такой агрегат. Это LandStart LS2024B, фотография которого представлена выше.
MPPT-контроллеры
"Сердцем" MTTP-контроллера является управляемый преобразователь постоянного тока (DC/DC). В зависимости от марки контроллера он может быть построен по разным схемам, но обычно это все таки понижающий преобразователь, что приводит к тому, что напряжение панели в точке максимальной мощности должно минимум на 3 В превышать зарядное напряжение аккумулятора. Поэтому, если мы применяем панель на тоже номинальное напряжение, что и аккумулятор, то при слабом освещении заряд может и не начаться. Зато верхний предел ограничен только электрической прочностью конденсаторов в DC/DC преобразователе. Да и жесткость характеристики солнечной панели не так важна. Поэтому, обычно к MPPT-контроллеру обычно подключают либо поликристаллические панели, либо панели на большее номинальное напряжение, либо последовательно соединенные. Тогда у нас всегда будет запас по напряжению и зарядка аккумуляторов будет начинаться уже при первых слабых лучах Солнца или в пасмурную погоду.
Поскольку в MTTP контроллере присутствует преобразование энергии, такие устройства выделяют много тепла. Поэтому MPPT контролер нельзя ставить в замкнутые объемы, например небольшие электрощиты
Как контроллер управляет зарядом аккумулятора
Практически все современные контроллеры реализуют четырехстадийную схему заряда.
Вначале, пока аккумулятор достаточно сильно разряжен, контроллер пытается направит весь доступный ток от солнечной панели на его заряд. Если это ШИМ-контроллер, то он просто напрямую подключает панель к аккумулятору. Если это MPPT - он выполняет преобразование таким образом, чтобы ток заряда был максимально достижимым в данных условиях. Такой режим называется основной заряд (в англоязычном варианте, в зависимости от производителя контроллера может быть Bulk Charge или CC - Constant Current). Режим основного заряда сохраняется до момента пока напряжение на аккумуляторе не достигнет установленного порога. Для 12-ти вольтовых аккумуляторов это 13,8 - 14,2В. Для 24-х вольтовых, соответственно 27,6-28,4В.
Затем контроллер начинает ограничивать дальнейший рост напряжения, дабы избежать газовыделения в аккумуляторе("кипения"). ШИМ-контроллер это делает подключая и отключая с большой частотой солнечную панель, а MPPT начинает уводить рабочую точку на ВАХ панели в режим меньшей мощности. В аккумуляторе при этом происходит абсорбция заряда. Такой режим может называться по разному. В каких-то контроллерах это будет абсорбция (Absorption charge), насыщающий заряд или дозаряд (Addition charge), или, как например в EPSolar повышающий заряд (Boost Charge) или же заряд постоянными напряжением (CV- Constant Voltage). При этом ток заряда непрерывно снижается. Когда он упадет ниже некоторого порогового значения или же по истечении заданного времени наступает третья фаза - плавающий заряд. Если же в режиме абсорбции напряжение аккумулятора падает (например, включили мощную нагрузку) - контроллер возвращается в режим основного заряда.
Плавающий заряд (Float Charge). В этом режиме аккумулятор уже полностью заряжен и напряжение на его выводах можно снизить. Это позволит сохранить его от преждевременного старения. В этом режиме солнечная панель, по сути, питает только нагрузку, если она есть. Обычно напряжение плавающего заряда 13,6-13,8В для 12-то вольтовой системы и 27,2-27,6В для 24-х вольтовой. Если в режиме плавающего заряда напряжение аккумулятора падает (по причине отбора тока нагрузкой), то при снижении его до некоторой величины контроллер переключается в режим основного заряда. В контроллерах EPSolar этот порог называется Boost Reconnect. Обычно, это 13,2В для 12-ти вольтовой системы и 26,4В для 24-х вольтовой.
И наконец, последний режим - выравнивающий заряд. Включается он периодически, по расписанию с целью дать аккумулятору кратковременно покипеть. Для чего? Дело в том, что в отличии от автомобиля, где аккумулятор постоянно сотрясается и его активная масса хорошо промывается, в стационарных системах этого нет и на пластинах активной массы начинают скапливаться различные отложения, которые снижают реакционную площадь и вызывают локальные замыкания. В результате отдельные элементы ("банки") заряжаются по разному и аккумулятор разбалансируется. Этот процесс прогрессирует. Так вот выравнивающий заряд и призван пластины активной массу почистить. Делается это подачей повышенного напряжения (14,6В или 29,2В) при небольшом токе. В электролите при этом происходит интенсивное газообразование и пузырьки газа (водорода) очищают активную массу. Кроме того, напряжение на каждой банке в таком режиме уже предельное и все они выравниваются по напряжению. Происходит балансировка аккумулятора.
В режиме выравнивающего заряда аккумулятор выделяет водород, образующий с воздухом взрывоопасную смесь! Поэтому аккумулятор должен либо хорошо проветриваться либо стоять в местах, где нет источников воспламенения.
Какие дополнительные функции есть у контроллеров и что нам надо
Практически все контроллеры, даже самые дешевые, умеют управлять нагрузкой. Но если простейшие работаю по принципу Солнце село - свет включит, Солнце встало - выключить и годятся только для автономного уличного фонаря, то продвинутые модели имеют в своем составе таймер. А те модели, от EPSolar - еще и два таймера, причем работающих по часам реального времени. Вот эта функция для нашей системы очень даже полезна. Вернее сказать - жизненно необходима. Почему? Дело в том, что процессоры камеры, маршрутизатора или модема может "зависнуть". Понятно, что перезагрузить его на автономной системе некому. Да и у сотовых операторов на тарифах с пакетами услуг если баланс ушел ниже нуля, то после пополнения счета услуги включаются только после перезагрузки устройства. Опять перезагрузка! Вот ее-то и выполнит таймер контроллера. Достаточно настроить его таким образом, чтобы каждые сутки, в какой-то момент времени он кратковременно на 1-2 минуты отключал систему, а потом включал ее.
На EPSolar это можно сделать и два раза в сутки. У них два таймера. Например, хотим мы, чтобы камера, маршрутизатор и модем перезагружались в 8:00 и 20:00. Настроим конфигурации таймеров так:
Timer 1: On time: 08:01 Off time 20:00 Timer 2: On time 20:01 Off time 8:00
Работать это будет так. В 8:01 систему включит первый таймер и будет держать ее включенной до 20:00. В 20:00 питание отключится. Но в 20:01 систему включит уже второй таймер и будет работать до 8:00 следующих суток после чего в 8:00 питание опять будет снято, а в 8:01 процесс повторится. То есть два раза в сутки на 1 минуту будет отключается питание, чего вполне хватит для перезагрузки. Даже если что-то зависло перерыв в наблюдении составит не более 12 часов. Вот так вспомогательная функция контроллера повышает надежность работы системы.
Теперь у нас есть энергия для работы системы. Пора перейти к вопросам доступа в Интернет и рассказать про превращение модема Huawei e3372h в покорителя сетей 3G/4G
В цикле статей рассмотрены особенности:
Камер видеонаблюдения, поддерживающих технологию p2p
Солнечных панелей - как основного источника питания
Применения аккумуляторных батарей для хранения электроэнергии
Контроллеров, управляющих зарядом батарей и нагрузкой
Модемов 3G/4G, антенн для них и маршрутизаторов, для доступа камеры в Интернет
Конструкции всей системы
