Что такое контроллер заряда для солнечных модулей?
Контроллер заряда – это неотъемлемая часть любой солнечной электростанции постоянного тока. Он служит связным звеном между фотоэлектрическими модулями (ФЭМ) и аккумуляторной батареей (АКБ). Напряжение и ток солнечного модуля непостоянны и зависят от освещенности, поэтому основная функция контроллера – это заряжать аккумуляторную батарею правильными током и напряжением, а также предотвращать перезаряд.
Большинство типов контроллеров имеют разъёмы для подключения нагрузки и позволяют автоматизировать процесс питания потребителя. Контроллер в этом случае также помогает избежать глубокого разряда аккумулятора.
Можно выделить несколько основных функций контроллера:
- Автоматическая зарядка аккумулятора правильным током и напряжением
- Отключение заряда АКБ, когда батарея полностью заряжена
- Включение нагрузки, после восстановления заряда АКБ
- Отключение нагрузки в случае, если АКБ разряжен
Даже самый простой контроллер заряда позволяет продлить срок службы и предотвратить преждевременный выход из строя АКБ.
Типы контроллеров.
Контроллеры заряда для солнечных модулей можно разделить на 2 основные группы: PWM (или ШИМ) и MPPT.
PWM контроллер.
Самый простой и наиболее дешевый тип контроллера доступный на рынке. Работа данного типа контроллера основана на алгоритмах широтно-импульсной модуляции, откуда и произошло название «ШИМ» - «Pulse-Width Modulation». Данный тип контроллера является одним из первых, который начал массово применяться в автономных солнечных системах.
Несмотря на то, что эту технологию можно считать устаревшей она до сих пор актуальна и имеет большую популярность. При правильном подборе оборудования по соотношению цена – качество данному типу контроллера нет равных.
Простыми словами работу контроллера с технологией ШИМ можно описать следующим образом. Фотоэлектрические модули через контроллер подключаются к АКБ. Контроллер выступает мостом между ФЭМ и АКБ. Он контролирует процесс заряда АКБ и ограничивает напряжение ФЭМ до требуемого в данный момент времени. Принцип ШИМ раскрывается на заключительных стадиях заряда. По мере зарядки АКБ контроллер начинает снижать ток заряда, что в конечном итоге позволяет достигать 100% заряда АКБ.
Для сравнения более ранние версии контроллеров не обладали такой функцией. Аккумуляторные батареи, заряжались до 60-70%, т.е. имели постоянный недозаряд, что неминуемо приводило к сульфатации пластин АКБ и резкому сокращению срока службы.
Плюсы контроллера PWM
- Низкая стоимость
- Надежность
- Полноценный заряда АКБ
- Защита от глубокого разряда (При наличии выходов на нагрузку)
- Защита от перегрузки и короткого замыкания в цепи
Минусы контроллера PWM
- Необходим качественный подбор оборудования ФЭМ
- Высокие потери в проводах в связи с низким напряжением стринга ФЭМ
- Низкий КПД устройства
- Из-за несогласования напряжения заряда АКБ и напряжения ФЭМ потери в генерации могут достигать 30%
Основным из минусов контроллера с технологией ШИМ является то, что он не может контролировать процесс снятия максимальной мощности с фотоэлектрических модулей. Данный процесс проще всего показать на реальном примере.
На графике приведена типовая Вольт-Амперная Характеристика (ВАХ) фотоэлектрического модуля 100 Вт номинальным напряжением 12 В.
На графике отмечена точка максимальной мощности (ТММ) ФЭМ – точка в которой модуль может отдать максимум своей мощности.
Напряжение в ТММ составляет ~19,3 В, ток ~5,18 А
Напряжение аккумуляторной батареи 12 В может варьироваться от 9,6 В (полностью разряжена) до 14,4 В (полностью заряжена) – данный диапазон отмечен на графике серой полосой.
Для упрощения, примем, что контроллер заражает АКБ с постоянным напряжением. В реальности современные контроллеры обладают многостадийной зарядкой АКБ с разным напряжением для достижения полного заряда.
Напряжение заряда примем ~ 14,2 В, тогда ток, который может выдать ФЭМ по графику ~ 5,2 А.
Тогда мощность, которая поступает от ФЭМ составляет ~ 14,2 В x 5,2 А = 74 Вт.
В данном случае с панели 100 Вт мы получаем 74 Вт мощности.
Правила подбора ФЭМ для PWM контроллера.
При выборе контроллера с технологией PWM очень важно правильно подобрать фотоэлектрические модули. Это поможет снизить потери в системе и повысить эффективность.
Правила при подборе солнечных модулей:
1) Напряжение массива фотоэлектрических модулей в точке максимальной мощности должно быть не меньше зарядного напряжения группы АКБ.
В случае несоблюдения данного пункта контроллер не сможет заряжать АКБ до 100%, что приведет к быстрому сокращению срока службы АКБ.
2) Напряжение массива фотоэлектрических модулей в точке максимальной мощности должно быть близким к значению зарядного напряжения АКБ. Чем больше разница между напряжением заряда АКБ и ТММ ФЭМ, тем больше будут потери в генерации.
Для группы АКБ 12 В подходят модули с напряжением в ТММ не более 18 В. Соответственно, для группы АКБ 24 В – не более 36 В.
Если группа АКБ с напряжением 12 В, а фотоэлектрический модуль выбран с напряжением в ТММ более 30 В, потери могут составить более 50% мощности всей ФЭМ.
3) Мощность массива ФЭМ не должна превышать максимальную заявленную мощность контроллера.
MPPT контроллер.
MPPT Контроллер – это тип контроллера, который в процессе работы использует алгоритм MPPT - «Maximum Power Point Tracking» или «слежение за точкой максимальной мощности».
MPPT контроллер постоянно отслеживает ток и напряжение на солнечном модуле, перемножает эти значения и определяет точку в которой мощность будет максимальной.
Существует несколько алгоритмов поиска точки максимальной мощности. В простейшем варианте контроллер последовательно снижает напряжение от точки холостого хода до напряжения на аккумуляторе, вычисляя максимальное значение и удерживая его до момента поиска новой точки.
Положение ТММ зависит от нескольких параметров — от освещенности модуля, температуры, разнородности используемых модулей и т.д. Контроллер периодически пытается немного «отойти» от найденной на предыдущей стадии точки в обе стороны, и если мощность при этом увеличивается, то он переходит на работу в этой точке.
Простыми словами, если PWM контроллер просто выступает в качестве моста для энергии от солнечных модулей к АКБ и не контролирует мощность, которая поступает от ФЭМ, то в случае с MPPT контроллером - он является полноценным буфером энергии. Т.е. MPPT контроллер не просто передает энергию от ФЭМ к АКБ, он снимает максимум энергии от солнечных модулей и затем преобразует ее для достижения наиболее эффективных значений.
Разберем на примере.
Имеем ту же ВАХ, что и в случае с PWM контроллером.
В случае с MPPT контроллером напряжение и ток, которое он будет получать от ФЭМ составят наибольшее по мощности значения, а именно 19,3 В и 5,18 А. Т.е. мощность, которую мы получим от ФЭМ будет равно 19,3 В x 5,18 А = 100 Вт.
Но данное напряжение не подходит для зарядки АКБ, поэтому далее контроллер преобразует данные параметры, до требуемых для заряда АКБ значений.
Напряжение преобразуется до зарядного напряжения АКБ, т.е. 14,2 В, а вот ток будет равен
100 Вт / 14,2 В = 7,04 А
Т.е. при использовании контроллера MPPT мы получим все 100% мощности ФЭМ.
Сравнение PWM и MPPT контроллера:
Кроме того MPPT контроллеры обладают еще рядом преимуществ перед PWM контроллером:
- Для контролера MPPT допускается входное напряжение для массива фотоэлектрических модулей 100-150 В.
- Это позволяет использовать более качественные модули с напряжением в точке максимальной мощности много больше чем зарядное напряжение АКБ, что будет не разумно делать в случае с PWM контроллером.
- Высокое входное напряжение позволяет соединять модули последовательно, снижая потери в кабеле.
Плюсы контроллера MPPT
- Постоянный контроль максимальной мощности ФЭМ
- Высокий КПД устройства
- Высокое входное напряжение ФЭМ
- Многостадийный процесс зарядки АКБ.
- Поддержка большинства типов АКБ
- Защита от глубокого разряда
- Защита от перегрузки и короткого замыкания в цепи
Минусы контроллера MPPT
Стоимость
Можно ли обойтись без контроллера?
Даже самый простой контроллер заряда солнечных модулей способен выполнять всего одну, но очень важную функцию – управлять уровнем заряда АКБ. Если его не установить, будет невозможно контролировать процесс заряда, он будет длиться без остановки, что неизбежно приведет к перезаряду и закипанию электролита и выхода из строя аккумулятора.
