Rozdział 1: Co to jest regulator ładowania słonecznego?

Kontroler ładowania słonecznego lub regulator ładowania słonecznego jest ważnym instrumentem w prawie wszystkich systemach energii słonecznej, które wykorzystują baterie jako rozwiązanie do przechowywania energii chemicznej. Jest używany w trybie samodzielnym lub hybrydowe systemy energii słonecznej ale nie jest używany w prostych systemach z siatką, które nie mają akumulatorów.

samodzielny system zasilania energią słoneczną

Samodzielny system zasilania energią słoneczną

Jego dwie podstawowe funkcje są bardzo proste:

  1. Zapobiega przeładowaniu baterii
  2. Blokuje przepływ prądu wstecznego.

Przeładowanie może doprowadzić do przegrzania akumulatora lub, w skrajnych przypadkach, do pożaru. Przeładowane, zalane akumulatory o głębokim cyklu mogą również emitować gaz wodoru, który jest wybuchowy. Co więcej, przeładowanie szybko zrujnuje baterię, radykalnie skracając jej żywotność.

Spalony akumulator kwasowo-ołowiowy

Spalony akumulator kwasowo-ołowiowy

Kontrolery ładowania słonecznego mogą uniemożliwić przepływ prądu wstecznego z akumulatorów do paneli słonecznych w nocy, gdy napięcie paneli słonecznych jest niższe niż napięcie akumulatorów.

Ponadto regulatory ładowania słonecznego mają inne opcjonalne funkcje, takie jak czujnik temperatury akumulatora i kompensacja, odłączanie niskiego napięcia (LVD), kontrola obciążenia (od zmierzchu do świtu), wyświetlacze, zdalne monitorowanie i sterowanie zmianą obciążenia.

Zanurzmy się w tym artykule, aby po kolei sprawdzić te funkcje i funkcje.

Rozdział 2: Ładowanie baterii: ładowanie wielostopniowe

Ale zanim zanurzymy się bezpośrednio w Rozdział 3: Funkcje i cechy regulatora ładowania słonecznego, lepiej przyjrzyjmy się niezbędnym informacjom na temat ładowania baterii.

Jeśli dobrze znasz tę informację, możesz przejść do rozdziału 3 stąd.

Wlej wodę do filiżanki

Wlej wodę do filiżanki

2.1 Krótka interpretacja

Wyobraź sobie, że wlewasz wodę do filiżanki - na początku będziesz nalać szybciej; gdy kubek jest prawie pełny, przepływ wody zwalnia, aby woda nie wypływała z kubka. Wręcz przeciwnie, jeśli będziesz wlewał wodę w szybszym tempie, na końcu trudno ci zatrzymać przepływ, a woda wyleje się z tej filiżanki.

Ładowanie baterii słonecznej

Ładowanie baterii słonecznej

Ta sama teoria dotyczy ładowania baterii:

  • Gdy bateria jest słaba, kontroler ładowania dostarcza dużo energii do szybkiego ładowania
  • Kiedy bateria jest prawie pełna, spowalnia ładowarkę, regulując jej napięcie i prąd.
  • Gdy bateria jest pełna, wysyła tylko niewielką ilość energii, aby utrzymać pełne naładowanie.

Jest to tak zwane ładowanie wielostopniowe.

2.2 Przykład: 3-4 etapy

Punkty zadane:

Aby upewnić się, że łatwo zrozumiesz poniższą treść, która odnosi się do przykładu ładowania wieloetapowego (3-4 etapy), najpierw wyjaśnijmy żargon „wartości zadane”.

W skrócie,

regulator ładowania słonecznego jest ustawiony na zmianę szybkości ładowania przy określonych napięciach, zwanych punktami zadanymi.

Nastawy są zwykle kompensowane temperaturowo i omówimy ten temat na przykładzie ładowania wielostopniowego.

Przyjrzyjmy się teraz szczegółowo przykładowi

Poniżej znajduje się przykład z MorningStar, który ma 4 etapy ładowania.

MorningStar 4 etapy ładowania

Źródło: MorningStar, 4 etapy ładowania

2.2.1 Etap 1: Ładowanie zbiorcze

Na tym etapie stan baterii akumulatorów jest niski, a jego napięcie jest niższe niż nastawa napięcia absorpcji. Tak więc regulator ładowania słonecznego wyśle ​​jak najwięcej dostępnej energii słonecznej do banku akumulatorów w celu naładowania.

2.2.2 Etap 2: Opłata absorpcyjna

Kiedy jego napięcie osiągnie zadaną wartość napięcia absorpcji, napięcie wyjściowe regulatora ładowania słonecznego będzie utrzymywać stosunkowo stałą wartość. Stałe napięcie wejściowe zapobiega przegrzaniu baterii akumulatorów i nadmiernemu gazowaniu. Zwykle na tym etapie bank akumulatorów może być w pełni naładowany.

2.2.3 Etap 3: ładunek pływający

Jak wiemy, bateria akumulatorów jest w pełni naładowana na etapie absorpcji, a w pełni naładowana bateria nie może już zamieniać energii słonecznej na energię chemiczną. Dalsza moc z kontrolera ładowania zostanie zamieniona tylko na ogrzewanie i gazowanie, ponieważ powoduje przeładowanie.

Trickle z kranu

Trickle z kranu

Stopień pływakowy ma za zadanie zapobiegać długotrwałemu przeładowaniu baterii akumulatorów. Na tym etapie kontroler ładowania zmniejszy napięcie ładowania i dostarczy bardzo małą ilość energii, jak strużki, aby utrzymać baterię akumulatorów i wykluczyć dalsze ogrzewanie i gazowanie

2.2.4 Etap 4: Opłata wyrównawcza

Ładowanie wyrównawcze wykorzystuje wyższe napięcie niż ładowanie absorpcyjne, tak aby wypoziomować wszystkie ogniwa w banku akumulatorów. Jak wiemy, baterie połączone szeregowo i / lub równolegle tworzą bank baterii. Jeśli niektóre ogniwa w banku akumulatorów nie zostaną w pełni naładowane, na tym etapie wszystkie zostaną w pełni naładowane i zakończą wszystkie reakcje chemiczne akumulatora.

Wrzątek

Wrzątek

Ponieważ następuje to po etapie 3 (gdy bateria akumulatorów jest w pełni naładowana), kiedy podnosimy napięcie i wysyłamy więcej mocy do akumulatorów, elektrolity będą wyglądać tak, jakby się gotowały. W rzeczywistości nie jest gorąco; jest to wodór wytwarzany z elektrolitów, wytwarzający dużo bąbelków. Te bąbelki mieszają elektrolity.

Regularne mieszanie elektrolitów w ten sposób jest niezbędne dla zalanego zestawu akumulatorów.

Możemy uznać to za okresowe przeładowanie, ale jest to korzystne (czasami niezbędne) dla niektórych akumulatorów, takich jak akumulatory zalane i niezamknięte, takie jak AGM i żelowe.

Zwykle w specyfikacjach akumulatora można znaleźć, jak długo powinno trwać ładowanie wyrównawcze, a następnie odpowiednio ustawić parametr w kontrolerze ładowania.

2.3 Dlaczego zalane banki akumulatorów wymagają wyrównania

W skrócie,

aby wykluczyć zasiarczenie akumulatora kwasowo-ołowiowego.

reakcja chemiczna wyładowania

Reakcja chemiczna wyładowań

W wyniku reakcji chemicznych rozładowywania akumulatora powstają miękkie kryształy siarczanu ołowiu, które zwykle przyczepiają się do powierzchni płyt. Jeśli bateria będzie nadal działać w tego rodzaju stanie, w miarę upływu czasu miękkie kryształy siarczanu będą się rozmnażać i stawać coraz twardsze, co utrudni ich konwersję z powrotem do miękkich, a nawet dalsze aktywowanie materiałów, które były częścią elektrolit.

Siarczenie akumulatorów kwasowo-ołowiowych jest plagą awarii akumulatora. Ten problem jest powszechny w przypadku długookresowych niedoładowanych baterii akumulatorów.

Po całkowitym naładowaniu miękkie kryształy siarczanu można przekształcić z powrotem w materiały aktywne, ale bateria słoneczna rzadko jest w pełni ładowana, szczególnie w niezbyt dobrze zaprojektowanym systemie fotowoltaicznym, w którym panel słoneczny jest zbyt mały lub bateria akumulatorów jest zbyt duża .

Siarczanie akumulatora kwasowo-ołowiowego

Siarczanie akumulatora kwasowo-ołowiowego

Tylko okresowe przeładowanie przy wysokim napięciu może rozwiązać ten problem; mianowicie ładowanie wyrównawcze, które działa przy wysokim napięciu, wytwarza pęcherzyki i miesza elektrolit. Dlatego etap 4 jest niezbędny dla zalanego banku akumulatorów. W wielu systemach solarnych poza siecią zwykle używamy generatora + ładowarki do okresowego wyrównywania zalanej baterii słonecznej, zgodnie ze specyfikacją baterii.

2.4 Nastawy kontrolne a temperatura

Ponieważ nastawa absorpcji (stopień 2), nastawa pływaka (stopień 3) i nastawa wyrównania (stopień 4) wszystkie mogą być skompensowane temperaturą, jeśli jest czujnik temperatury, chcielibyśmy zaoszczędzić na tym trochę słów temat.

W niektórych zaawansowanych kontrolerach ładowania, nastawy ładowania wielostopniowego zmieniają się wraz z temperaturą akumulatora. Nazywa się to funkcją „kompensacji temperatury”.

Sterownik posiada czujnik temperatury, a gdy temperatura baterii jest niska, to zadana wartość zostanie podwyższona i odwrotnie - odpowiednio dostosuje się, gdy temperatura wzrośnie.

Sonda czujnika temperatury

Sonda czujnika temperatury

Niektóre kontrolery mają wbudowane czujniki temperatury, dlatego muszą być instalowane w pobliżu akumulatora, aby wykrywać temperaturę. Inni mogą mieć sondę temperatury, która powinna być podłączona bezpośrednio do baterii; kabel połączy go ze sterownikiem, aby raportować temperaturę baterii.

Jeśli baterie są stosowane w sytuacji, w której wahania temperatury są większe niż 15 stopni Celsjusza każdego dnia, preferowane jest zastosowanie kontrolera z kompensacją temperatury.

2.5 Nastawy kontrolne a typ baterii

Jeśli chodzi o typ baterii, zalecany jest kolejny artykuł o bateriach słonecznych.

Większość systemów energii słonecznej przyjmuje akumulator kwasowo-ołowiowy o głębokim cyklu, którego są 2 typy: typ zalany i typ uszczelniony. Akumulator zalany kwasem ołowiowym jest nie tylko ekonomiczny, ale także powszechny na rynku.

Różne typy baterii słonecznych

Różne typy baterii słonecznych

Typy baterii mają również wpływ na projekt nastaw dla kontrolerów ładowania słonecznego; Nowoczesne sterowniki posiadają funkcję umożliwiającą wybór typu baterii przed podłączeniem do systemu zasilania energią słoneczną.

2.6 Określanie idealnych wartości zadanych

Wreszcie dochodzimy do teorii określania idealnych wartości zadanych. Szczerze mówiąc, bardziej chodzi o równowagę między szybkim ładowaniem a podtrzymującym ładowaniem. Użytkownik systemu solarnego powinien wziąć pod uwagę różne czynniki, takie jak temperatura otoczenia, intensywność nasłonecznienia, typ baterii, a nawet obciążenie urządzenia gospodarstwa domowego.

Konieczne jest radzenie sobie tylko z 1 lub 2 najważniejszymi czynnikami; to wystarczy w większości przypadków.

Rozdział 3: Jaka jest funkcja kontrolera ładowania słonecznego?

3.1 Zapobieganie przeładowaniu

Gdy bateria jest całkowicie naładowana, nie może magazynować więcej energii słonecznej w postaci energii chemicznej. Ale jeśli do w pełni naładowanego akumulatora jest stale doprowadzana moc z dużą szybkością, zostanie ona zamieniona na ciepło i gaz, co będzie wyglądać jak zalana bateria z dużą ilością pęcherzyków z elektrolitów. To jest wodór, który powstaje w wyniku reakcji chemicznej. Gazy te są niebezpieczne, ponieważ są wybuchowe. Przeładowanie przyspiesza również starzenie się baterii. A potem potrzebujemy kontrolera ładowania słonecznego.

Uszkodzony akumulator z powodu przeładowania

Uszkodzony akumulator z powodu przeładowania

Główną funkcją kontrolera ładowania słonecznego jest regulacja napięcia i prądu generowanego przez panele słoneczne docierające do akumulatorów, aby zapobiec przeładowaniu akumulatorów i zagwarantować akumulatorom bezpieczne warunki pracy i dłuższą żywotność.

Istnieją 3 rodzaje regulatorów:

1. Regulator prądu

Regulator prądu działa jak przełącznik. Po prostu włącza lub wyłącza obwód, aby kontrolować przepływ energii do baterii akumulatorów, podobnie jak ładowanie zbiorcze na etapie 1. Zwykle nazywane są kontrolerami bocznikowymi, które nie są już używane ze względu na ich przestarzałą technologię.

2. Modulacja szerokości impulsu (PWM)

Kontrolery bocznikowe całkowicie wyłączają prąd, podczas gdy kontroler PWM stopniowo zmniejsza prąd. PWM jest bardziej podobny z ładowaniem pływakowym stopnia 3.

Pogłębioną dyskusję na temat PWM i MPPT przeprowadzimy, gdy zaczniemy temat: PWM VS MPPT, który z nich jest lepszy.

3. Regulator napięcia

Regulacja napięcia jest powszechna. Kontroler ładowania słonecznego reguluje ładowanie w odpowiedzi na napięcie akumulatora. To całkiem proste. Gdy napięcie akumulatora osiągnie określoną wartość, sterownik zabezpiecza akumulator przed przeładowaniem zmniejszając moc. Gdy napięcie akumulatora spadnie z powodu dużej sumy poboru mocy, sterownik ponownie pozwoli na ładowanie zbiorcze.

3.2 Blokowanie prądu wstecznego

Drugą główną funkcją jest zapobieganie wstecznemu przepływowi prądu.

W nocy lub zawsze, gdy nie ma światła słonecznego, panel słoneczny nie ma mocy, aby przekształcić go w energię elektryczną, aw systemie energii słonecznej napięcie baterii akumulatorów będzie wyższe niż napięcie panelu słonecznego, ponieważ wszyscy znać przepływy energii elektrycznej od wysokiego do niskiego napięcia. Tak więc bez kontrolera ładowania energia elektryczna będzie przepływać z baterii akumulatorów do panelu słonecznego, co jest stratą energii, ponieważ system solarny podejmuje wysiłki, aby zebrać energię w ciągu dnia, ale marnuje jej trochę w nocy. Chociaż strata jest tylko niewielka w stosunku do całkowitej zebranej energii, nie jest to trudne do rozwiązania.

Blokowanie prądu wstecznego w nocy

Blokowanie prądu wstecznego w nocy

Kontroler ładowania słonecznego może rozwiązać ten problem.

Większość kontrolerów pozwala na przepływ tylko z panelu słonecznego do baterii akumulatorów poprzez zaprojektowanie w obwodzie półprzewodnika, który przepuszcza prądy tylko w jednym kierunku.

Niektóre kontrolery mają przełącznik mechaniczny, nazywany również przekaźnikiem. Kiedy przekaźnik włącza się i wyłącza, usłyszysz stukot. Kiedy napięcie paneli słonecznych jest niższe niż napięcie baterii akumulatorów, wykrywa, a następnie wyłącza obwód, odłączając panele słoneczne od banku akumulatorów.

3.3 Kontrola obciążenia

Niektóre kontrolery ładowania słonecznego są zaprojektowane z kontrolą obciążenia, co umożliwia podłączenie obciążenia DC, takiego jak lampa LED (konkretny przykład znajduje się na naszej stronie internetowej Uniwersalne słoneczne oświetlenie uliczne LED), bezpośrednio do regulatora ładowania słonecznego, a kontrola obciążenia włączy i wyłączy lampę zgodnie z jej ustawieniami wstępnymi (napięcie baterii, czujnik fotokomórki lub timer).

Kontroler ładowania słonecznego w słonecznych światłach ulicznych

Kontroler ładowania słonecznego w słonecznych światłach ulicznych

Na przykład w słonecznych światłach ulicznych LED często są timery, a kontrola obciążenia odczyta czas z timera, a następnie wykona polecenie: włącz diodę o 7:00 o zmierzchu i wyłącz ją o 6:00. następnego ranka. Lub sterownik obciążenia odczyta informacje z czujnika fotokomórki, a następnie steruje włączaniem i wyłączaniem diody LED w zależności od jasności otoczenia.

3.4 Odłącznik niskiego napięcia (LVD)

Wyobraź sobie, że gotujesz wodę w garnku i zapominasz o wyłączeniu ognia, aż wrząca woda całkowicie wyparuje; nie ma już wody w suchym garnku i garnek się przegrzewa. Garnek jest trwale zniszczony. W ten sam sposób całkowite rozładowanie baterii słonecznej spowoduje trwałe uszkodzenie baterii.

Spalony garnek

Spalony garnek

Akumulatory o głębokim cyklu są szeroko stosowane w systemach energii słonecznej. Głębokość wyładowania (DOD) może sięgać nawet 80%; jednakże są one podatne na trwałe uszkodzenie, jeśli zostaną rozładowane do 90% lub, co gorsza, do 100%.

Jeśli zaczekasz z wyłączeniem obciążenia prądem stałym z baterii, aż zauważysz, że światła przygasają, może to oznaczać, że uszkodzenie baterii już nastąpiło. Zarówno pojemność baterii, jak i oczekiwana żywotność będą zmniejszane za każdym razem, gdy nastąpi nadmierne rozładowanie. Gdyby akumulator był ustawiony do pracy w takim stanie nadmiernego rozładowania przez pewien czas, szybko zostałby zniszczony.

Jedynym praktycznym rozwiązaniem chroniącym akumulatory przed nadmiernym rozładowaniem jest wyłączanie i włączanie obciążeń (takich jak urządzenia, światła LED itp.), Pod warunkiem, że napięcie powróciło po ładowaniu zbiorczym.

Zwykle, jeśli akumulator 12 V spadnie do 10.9 V, akumulator byłby na skraju nadmiernego rozładowania. W ten sam sposób 21.9 V dla akumulatora 24 V.

Wyłącznik niskiego napięcia

Wyłącznik niskiego napięcia

Jeśli Twój domowy system słoneczny ma pewne obciążenia DC, funkcja LVD jest konieczna. Niektóre LVD są zintegrowane z kontrolerami ładowania, a inne nie.

3.5 Zabezpieczenie przed przeciążeniem

Bezpiecznik

Bezpiecznik

Gdy przepływ prądu wejściowego jest znacznie większy niż to, z czym obwód może bezpiecznie sobie poradzić, system ulega przeciążeniu. Może to doprowadzić do przegrzania systemu lub nawet wywołania pożaru. Przeciążenie może być spowodowane różnymi przyczynami, takimi jak niewłaściwa konstrukcja okablowania (zwarcie) lub problematyczne urządzenie (zablokowany wentylator). Zwykle resetowanie przyciskiem jest przeznaczone dla obwodu zabezpieczającego przed przeciążeniem.

Jednak w każdym kontrolerze ładowania słonecznego jest wbudowane zabezpieczenie przed przeciążeniem; duże systemy energii słonecznej zwykle wymagają podwójnej ochrony: bezpieczników lub wyłączników automatycznych. Jeśli nośność przewodu jest mniejsza niż limit przeciążenia kontrolera, ustawienie bezpiecznika lub przerywacza w obwodzie jest koniecznością.

3.6 wyświetlacze

Wyświetlacze kontrolerów ładowania słonecznego różnią się od wskaźników LED do wyświetlaczy LCD z informacją o napięciu i prądzie. Wyświetlacze systemów zasilania energią słoneczną są tym, czym deski rozdzielcze konsoli są dla samochodów. Dostarczają szczegółowych danych, dzięki czemu możesz monitorować stan baterii akumulatorów: ile energii zużywasz lub ile generujesz.

Kontroler ładowania słonecznego ze wskaźnikami LED

Kontroler ładowania słonecznego ze wskaźnikami LED

Jeśli twój system ma już samodzielny monitor, funkcja wyświetlania nie byłaby ważna. Nawet najtańszy monitor zawierałby podstawowe mierniki, tak jak kontrolery.

Kontroler ładowania słonecznego z ekranem LCD

Kontroler ładowania słonecznego z ekranem LCD

Rozdział 4: Kontroler ładowania PWM

4.1 Glosariusze, które trzeba wiedzieć

Na początku przejdziemy przez kilka glosariuszy - patrz poniższa tabela.

NominalnyKomórkiVocVmp
12V3622V17V
20V6038V30V
24V7244V36V
  • Voc, Napięcie otwartego obwodu to maksymalne napięcie na ogniwie fotowoltaicznym podczas pomiaru panelu słonecznego w teoretycznie standardowych warunkach testowych (STC) z podłączonym tylko woltomierzem. Napięcie, które otrzymuje miernik, to Voc.
  • Vmp, napięcie przy maksymalnej mocy, to napięcie wyjściowe paneli słonecznych podłączonych do systemu PV.
  • Napięcie nominalne jest napięciem odniesienia używanym do klasyfikowania sprzętu słonecznego w systemie poza siecią. W systemie podłączonym do sieci napięcia znamionowe (12 V, 24 V i 48 V) są bez znaczenia.

Monokrystaliczny panel słoneczny 120 V o mocy nominalnej 12 W z 36 kawałkami silikonowych kwadratów

Monokrystaliczny panel słoneczny 120 V o mocy nominalnej 12 W z 36 kawałkami silikonowych kwadratów

Chociaż ładowanie akumulatora wymaga wyższego napięcia, napięcia nominalne mogą pomóc w znalezieniu odpowiedniego sprzętu (takiego jak zestaw akumulatorów), do którego może pasować panel słoneczny.

Więc,

panel słoneczny 12 V faktycznie ma Voc 22 V i Vmp 17 V, z 36 kawałkami silikonowych kwadratów na przedniej stronie.

Podobnie,

panel słoneczny 24 V ma Voc 44 V i Vmp 36 V, z 72 kawałkami silikonowych kwadratów.

Możesz się zastanawiać: dlaczego panel 12 V nie ma 12 V?

Oto oferta.

4.2 Dlaczego panele 12 V mają 17 woltów

W pełni naładowany akumulator 12 V ma w rzeczywistości około 12.6 V; do naładowania akumulatora 12V potrzebujemy wyższego napięcia wejściowego - ok. 13.7-14.4V z panelu słonecznego. Ale dlaczego zaprojektowaliśmy panel słoneczny Vmp na 17 V, a nie tylko na 14 V?

Voc panelu słonecznego jest mierzone w standardowych warunkach testowych lub STC, a Vmp jest również mierzone w STC, gdzie temperatura otoczenia nie jest zbyt wysoka, a intensywność światła słonecznego jest idealna - bez chmur, bez zamglenia. Jednak nie zawsze mamy tyle szczęścia. Jeśli napotkamy złą pogodę - na przykład zamglone lub pochmurne dni - napięcie panelu słonecznego spadnie; tak więc panele powinny być zaprojektowane z dodatkowym napięciem, aby twój system mógł nadal otrzymywać wystarczające napięcie, nawet jeśli pogoda nie jest idealna; tj. brak światła słonecznego.

4.3 Typy kontrolerów ładowania:

Istnieją 3 rodzaje kontrolerów ładowania słonecznego:

  • Sterowniki bocznikowe
  • PWM
  • MPPT

Kontrolery bocznikowe: O regulatorach bocznikowych wspominaliśmy, gdy mówiliśmy o regulacji prądu - działają one jak wyłącznik, załączając i wyłączając przepływ prądu do akumulatora. Możesz nadal zobaczyć kilka na starych systemach, chociaż zostały one już wycofane z rynku. PWM i MPPT to dwa główne typy, które dominują obecnie.

Teraz

Przejdźmy najpierw do PWM.

4.4 Co to jest regulator ładowania słonecznego PWM?

PWM (modulacja szerokości impulsu), dosłownie, działa poprzez modulowanie bieżącej szerokości impulsu.

PWM wysyła do akumulatora przerywane impulsy ładowania zamiast stałej mocy wyjściowej. Działa bardziej jak ładowanie pływakowe stopnia 3, które generuje strumienie prądu do akumulatora.

Ale to, jak szybko (częstotliwość) i jak długo (szerokość) powinien być wytwarzany impuls, zależy od stanu wykrytej baterii. Jeśli akumulator jest już w pełni naładowany, a obciążenia w systemie nie działają, PWM będzie wysyłał tylko bardzo krótki impuls co kilka sekund; dla rozładowanej baterii impulsy byłyby prawie ciągłe. To jest podstawowa zasada działania.

Chociaż PWM jest tańszy niż MPPT, z powodu ostrego impulsu, który generuje PWM, podczas przetwarzania szybkiego włączania i wyłączania podczas pracy często mogą być zakłócane sygnały telewizyjne, radiowe lub telefoniczne. To nieodłączna wada PWM.

Kiedy twój system wybiera PWM jako kontroler ładowania, ważne jest, aby napięcie nominalne paneli słonecznych było takie samo jak napięcie nominalne banku akumulatorów;

mianowicie,

PWM w systemie 12V

PWM w systemie 12V

jeśli Twój bank akumulatorów ma 12 V, musisz również wybrać panel słoneczny 12 V.

PWM w systemie 24V

PWM w systemie 24V

A jeśli twój bank akumulatorów ma 24 V, musisz użyć panelu słonecznego 24 V lub podłączyć szeregowo dwa panele słoneczne 12 V, aby uzyskać napięcie 24 V.

PWM w systemie 48V

PWM w systemie 48V

Ale jeśli Twój bank akumulatorów ma 48 V, musisz podłączyć szeregowo cztery panele słoneczne 12 V lub dwa panele słoneczne 24 V szeregowo, aby uzyskać 48 V.

I tak dalej.

W międzyczasie upewnij się, że specyfikacje PWM są również zgodne ze specyfikacjami Twojego banku baterii.

4.5 Jak dużego kontrolera ładowania słonecznego potrzebuję: PWM

Jak dobrać rozmiar PWM, gdy projektujemy system PV poza siecią?

Krok 1, Pobierz panel słoneczny Isc (wzmacniacze zwarciowe) i Voc (napięcie otwartego obwodu) z tabliczki znamionowej i oblicz, ile równoległych łańcuchów znajduje się w panelu słonecznym.

tabliczka znamionowa panelu słonecznego

Tabliczka znamionowa panelu słonecznego

Z tabliczki znamionowej

czytamy Voc 22.1V i Isc 8.68A i potwierdzamy, że jest to nominalny panel słoneczny 12 V firmy Voc.

Zacznijmy od prostego przykładu i załóżmy, że mamy tylko 1 ciąg równoległy.

Krok 2, Pomnóż Isc przez liczbę równoległych łańcuchów.

8.68 Isc x 1 string = 8.68A

Krok 3pomnożyć przez 1.25 współczynnika bezpieczeństwa. (Dlaczego współczynnik wynosi 1.25: patrz NEC 690.8 (A) (1) Prądy obwodu źródła fotowoltaicznego)

8.68 Isc x 1 string x 1.25 = 10.85A

Możemy więc wybrać PWM, którego aktualna obciążalność powinna być większa niż 10.85A.

PWM w systemie dwustrunowym 24V

PWM w systemie dwustrunowym 24V

Teraz sprawdźmy inny przykład z 2 strunami w 2 równoległych przy użyciu tego samego panelu 140w, o którym właśnie wspomniano.

Ale pamiętaj - używamy kontrolera ładowania PWM, więc musimy zwrócić uwagę na to, ile paneli jest w stringach, aby napięcie panelu słonecznego odpowiadało napięciu baterii akumulatorów.

W tym przykładzie mamy 2 równoległe ciągi i 2 panele połączone szeregowo, więc panel słoneczny jest przeznaczony dla systemu akumulatorów 24 V.

8.68 Isc x 2 struny x 1.25 = 21.7A

Wystarczyłby regulator ładowania słonecznego 25A PWM.

Rozdział 5: Kontroler ładowania MPPT

5.1 Jak działa regulator ładowania słonecznego MPPT?

Jakie jest znaczenie MPPT?

MPPT to akronim od Maximum Power Point Tracking, który jest rodzajem elektronicznego śledzenia cyfrowego.

MPPT jest bardziej wyrafinowany - a także droższy - z tych dwóch. MPPT ma około 94% - 98% wydajności konwersji. Oznacza to, że moc wejściowa (z panelu słonecznego) prawie równa się mocy wyjściowej (do banku baterii).

Kontrolery ładowania MPPT odczytują wyjście paneli słonecznych i napięcie akumulatorów, aby znaleźć najlepszy punkt mocy do pobrania z panelu słonecznego; następnie MPPT obniża napięcie, aby osiągnąć napięcie ładowania akumulatora, jednocześnie zwiększając prąd. W ten sposób MPPT może zwiększyć energię, którą ostatecznie otrzymujemy z paneli słonecznych o prawie 40%, w porównaniu z PWM, ponieważ PWM nie może zwiększyć prądu, aby śledzić maksymalny punkt mocy.

W przeciwieństwie do PWM, który wymaga dopasowania napięć po obu stronach, MPPT można zastosować do systemu PV, którego napięcie panelu słonecznego jest wyższe niż napięcie baterii akumulatorów. Ta funkcja zapewnia MPPT wiele zalet, które omówimy w rozdziale 6

Teraz,

przejdźmy do przykładów, aby szybko zrozumieć, o co chodzi.

5.2 Jak dobrać regulator ładowania słonecznego MPPT?

Pamiętasz nominalne panele 20 V z 60 kawałkami ogniw?

W obwodzie PWM są one zbyt duże, aby pasowały do ​​banku akumulatorów 12 V i zbyt małe dla banku akumulatorów 24 V, ale MPPT może rozwiązać tę kłopotliwą sytuację.

Panel 20 V ma 30 Vmp i 9 A Imp, a jego moc znamionowa = 30 x 9 = 270 W.

Załóżmy, że panel 20 V dotyczy akumulatora 12 V. MPPT przekształci 30 V do około 14 V, aby naładować akumulator i zwiększy prąd, aby mógł czerpać maksymalną moc z panelu słonecznego.

Jeśli weźmiemy 30 V do 14 V, obniżona stawka wynosi

30 / 14 = 2.14.

Wtedy wzrasta prąd

9 x 2.14 = 19.28A.

Wreszcie,

30 x 9 = 14 x 19.28 = 270 watów (moc wejściowa równa się mocy wyjściowej);

ponieważ prąd wyjściowy wynosi 19.28A, mnożymy przez 1.25 bezpiecznego współczynnika.

Dostajemy

19.28 x 1.25 = 24.1A.

Więc dobrze, że wybierzemy MPPT o wydajności prądowej większej niż 24.1A.

Inny przykład z 2 ciągami w 2 równoległych układach, przy użyciu nominalnego panelu 20 V do ładowania akumulatora 12 V: całkowita moc wynosi

270 x 4 = 1080 W.

Obecna wydajność będzie

1080/14 = 77.14 A.

Pomnóż przez 1.25

77.14 x 1.25 = 96.43A.

Więc wybieramy MPPT 100A.

5.3 Wymiary kontrolera ładowania: napięcie kontrolera

Jeszcze jedną rzeczą, na którą musimy zwrócić uwagę przy doborze regulatora ładowania słonecznego, jest napięcie. Upewnij się, że kontroler może przenosić napięcie wejściowe z paneli. Kontroler ładowania 150 V może przenosić tylko trzy panele nominalne 20 V. Możesz się zastanawiać… 3 x 20 = 60V? To jest daleko od 150V!

Dlaczego?

Dzieje się tak, ponieważ rzeczywiste napięcie generowane przez panele słoneczne może być znacznie wyższe niż 20 V; czasami wyższa niż Vmp 30V. Więc używamy Voc do obliczenia. Voc = 38 V.

3 x 38 = 114 V.

Wtedy trzy nominalne panele 20 V połączone szeregowo to 114 V.

Tabela NEC 690.7

Tabela NEC 690.7

Ponieważ napięcie panelu wzrośnie w zimne dni, należy zapoznać się z tabelą NEC 690.7. Następnie bierzemy najbezpieczniejszy współczynnik 1.25, mnożymy 114v przez 1.25,

mamy

114 x 1.25 = 142.5 V.

Teraz możesz zrozumieć, dlaczego sterownik 150 V może obsługiwać tylko trzy 20 V szeregowo, szczególnie w zimie.

Obecnie nowo opracowane kontrolery mogą mieć znacznie wyższe napięcia; niektóre modele obsługują nawet wejście 700 V. Jest to bardzo ważne, gdy panel słoneczny jest osadzony daleko od banku baterii.

Przyjrzyjmy się temu w rozdziale 6.

Rozdział 6: PWM kontra MPPT

6.1 PWM a MPPT: który z nich jest lepszy?

O funkcjach obu kontrolerów (PWM i MPPT) dowiedzieliśmy się w poprzednich rozdziałach. Dobrze zauważyliśmy, że PWM nie przekształca dodatkowego napięcia w prądy, co skutkuje niskimi współczynnikami konwersji mocy. Innymi słowy, PWM nie przenosi całej energii zebranej przez panele słoneczne do akumulatorów, ale MPPT zawsze śledzi maksymalny punkt mocy z paneli i odpowiednio dostosowuje jego prądy i napięcie, aby mógł przenieść całą energię zebraną przez panel słoneczny do akumulatora.

PWM kontra MPPT

PWM kontra MPPT

Konkretny przykład jasno to wyjaśni:

Podstawowy wzór fizyczny:

Moc (waty) = V (wolty) x I (amper)

Jeśli użyjemy nominalnego panelu słonecznego 12 V, 100 W do ładowania systemu akumulatorów 12 V, rzeczywiste Vmp wynosi 17 V i możemy obliczyć jego prąd wyjściowy:

I = moc / V

I = 100/17 = 5.88 amperów

Teraz wiemy, że wyjście panelu wynosi 17 V i 5.88 A.

Scenariusz 1: System fotowoltaiczny jest wyposażony w regulator ładowania słonecznego PWM.

PWM obniży napięcie do napięcia ładowania akumulatora - około 14V. Po przejściu przez PWM energia słoneczna pozostaje tylko 14 V i 5.88 A.

Czyli:

P = V x I = 14 x 5.88 = 82.32 W.

Scenariusz 2: System fotowoltaiczny jest wyposażony w regulator ładowania słonecznego MPPT.

MPPT nie tylko obniża napięcie do 14 V, ale także zwiększa prąd, dzięki czemu moc jest prawie równa mocy.

Tak więc, jeśli napięcie spadnie o 17/14 = 1.21

Wtedy prąd do akumulatora wzrasta o 1.21, otrzymujemy

5.88 x 1.21 = 7.11A

Całkowita moc

P = 14 x 7.11 = 99.54 W.

W tym przykładzie moc tracona przez PWM wynosi

99.54 - 82.32 = 17.22 W.

Prawie 20% energii nie zostało przekształcone w energię chemiczną akumulatora. Jeśli weźmiemy pod uwagę scenariusz dotyczący dużego panelu słonecznego, strata może być ogromna.

Dlatego lepiej jest używać MPPT do dużych paneli słonecznych.

6.2 Mocne strony MPPT

a) Wysoka wydajność konwersji

Jeśli twój system fotowoltaiczny jest wyposażony w duży panel słoneczny, MPPT byłby najlepszym wyborem do zwiększenia konwersji energii słonecznej, szczególnie w zimne dni, ponieważ napięcie panelu wzrośnie wraz ze spadkiem temperatury. Współczynnik konwersji MPPT może wzrosnąć z 20% do 40%. To zielona i darmowa energia, która naprawdę oszczędza pieniądze na rachunku.

Tablica paneli słonecznych w oddali

Tablica paneli słonecznych w oddali

b) Mniejsze straty energii w kablach lub niższy koszt zakupu kabli.

Proszę pamiętaj Wzór na prawo Ohma

V (wolty) = R (om) x I (amper)

Moc wyjściowa P.(Waty) = V (V) x I (A)

So

Utrata rezystancji P.R(Waty) = R (Ohm) x I2 (Ampery)

Następnie, jeśli panele fotowoltaiczne są zainstalowane w dużej odległości od baterii akumulatorów, strata mocy rezystancji kabla jest znaczna (strR = R x I2  ). Tutaj R reprezentuje rezystancję kabli. R rośnie wraz ze wzrostem długości kabla:

Wzór na rezystancję kabla

Wzór na rezystancję kabla

Ale jeśli podwoimy napięcie panelu słonecznego, podłączając je w większej liczbie szeregów, zgodnie z P = V x I, nie ma zmiany całkowitej mocy wyjściowej P.więc prąd płynący przez kabel powinien wynosić połowę.

Wreszcie opór P.R(Waty) = R (Ohm) x I2 (Amps) będzie kwadrans niż wcześniej.

W rzeczywistości dzięki MPPT można jeszcze bardziej podnieść napięcie panelu słonecznego, aby zmniejszyć przepływ prądu.

W tym przypadku zwiększamy napięcie panelu, aby zmniejszyć utratę rezystancji przez kable, a ponieważ używamy MPPT, który zawsze śledzi maksymalną moc z paneli, nie mamy strat napięcia, jakie może mieć PWM.

Moglibyśmy przejrzeć ten temat z innego aspektu. Jeśli nie możesz podnieść napięcia paneli, to musisz znaleźć rozwiązanie, aby zmniejszyć rezystancję kabla, ponieważ rezystancja = rezystywność × długość / powierzchnia, wydaje się, że jedynym sposobem jest użycie kabli o dużych powierzchniach poprzecznych, a to będzie kolejny ogromny suma pieniędzy do wydania.

Podsumowując, jeśli chodzi o małe systemy, PWM jest dobrym rozwiązaniem, ponieważ jest niedrogie, ale w przypadku dużych systemów, aby poprawić współczynniki konwersji i nie marnować zdolności paneli słonecznych do wykorzystywania energii słonecznej, preferowany jest MPPT. MPPT byłby zawsze stosowany w systemach o większej mocy.

6.3 Plusy i minusy

Przed podjęciem decyzji o zakupie regulatora ładowania słonecznego do systemu fotowoltaicznego konieczne jest zdobycie wiedzy z poprzednich treści. Sugerowana jest również tabela porównawcza, przedstawiająca różnice między PWM i MPPT. Dlatego zebraliśmy razem ich zalety i wady, aby ułatwić Ci przeglądanie.

ZALETYWady
PWM
  • Technologia PWM jest dostępna w systemach PV od dawna i jest technologią stosunkowo stabilną i dojrzałą
  • Są opłacalne i dostępne dla większości konsumentów
  • PWM może obecnie wytrzymać obciążenie do 60 amperów
  • Większość PWM ma rozsądną strukturę rozpraszania ciepła, która pozwala im pracować w sposób ciągły
  • PWM jest dostępny w różnych rozmiarach, aby dopasować się do szerokiego zakresu zastosowań
  • Jeśli PWM jest stosowany do fotowoltaicznych systemów słonecznych, napięcie panelu słonecznego musi być zgodne z napięciem baterii akumulatorów
  • Obecna obciążalność pojedynczego PWM nie została opracowana i nadal wynosi tylko do 60 amperów
  • Niektóre mniejsze kontrolery ładowania PWM nie mogą znajdować się na liście UL ze względu na ich złą konstrukcję
  • Niektóre mniejsze PWM nie mają złączek przewodów
  • PWM czasami ma problemy z zakłóceniami sygnału. Kontrolery generują szum w telewizorze lub radiu
  • PWM w pewnym stopniu ogranicza ekspansję fotowoltaicznych systemów słonecznych
  • Nie można go stosować do paneli słonecznych poza siecią wysokiego napięcia
MPPT
  • MPPT maksymalizuje konwersję energii słonecznej z paneli fotowoltaicznych, a wskaźniki mogą być o 40% bardziej wydajne niż PWM
  • MPPT może być stosowany w przypadkach, gdy napięcie panelu słonecznego jest wyższe niż napięcie akumulatora.
  • MPPT może wytrzymać prąd obciążenia do 80 amperów
  • MPPT oferuje dłuższe gwarancje niż PWM
  • MPPT nie ogranicza rozbudowy paneli słonecznych w systemie
  • MPPT to jedyne rozwiązanie dla hybrydowego systemu zasilania energią słoneczną
  • MPPT są droższe niż PWM. Cena niektórych modeli jest dwukrotnie wyższa niż w przypadku kontrolera ładowania PWM
  • Ponieważ MPPT ma więcej komponentów i funkcji, jego rozmiar fizyczny jest większy niż PWM.
  • MPPT są bardziej skomplikowane, więc przez większość czasu musimy postępować zgodnie z wytycznymi podczas wymiarowania panelu słonecznego
  • Sterownik słoneczny MPPT stale wymusza układ paneli słonecznych w łańcuchach

6.4 Czy każdy system fotowoltaiczny potrzebuje kontrolera ładowania?

Odpowiedź brzmi nie.

Ogólnie rzecz biorąc, jeśli twój panel słoneczny ma mniej niż 5 watów na każde 100 amperogodzin baterii, nie potrzebujesz kontrolera ładowania słonecznego.

Oto formuła, której możemy użyć:

Iloraz = pojemność baterii (amperogodzina) / imp panelu słonecznego (ampery)

Jeśli iloraz jest większy niż 200, kontroler nie jest potrzebny; w przeciwnym razie lepiej zainstaluj kontroler.

Na przykład, jeśli masz baterię 200 Ah i panel 20 W, iloraz wyniósłby 200 / 1.18 = 169.5; w takim przypadku potrzebujesz kontrolera.

Jeśli masz akumulator 400AH i panel 10W, iloraz wyniósłby 400 / 0.59 = 677.9; w takim przypadku nie potrzebujesz kontrolera.

Glosariusze

  • Ustaw punktyOkreślone napięcia, które zostały ustawione dla kontrolerów ładowania w celu zmiany szybkości ładowania.
  • DoD: Głębokość rozładowania, proporcja pojemności akumulatora (amperogodziny) usuniętej z całkowicie naładowanego akumulatora. Na przykład, jeśli całkowita pojemność akumulatora wynosi 100 Ah, a 40 Ah jest już rozładowane, to DoD wynosi 40%.
  • Akumulator o głębokim cyklu: Akumulator kwasowo-ołowiowy, który zawsze można głęboko rozładować do niskiego stanu naładowania. Akumulatory o głębokim cyklu mają wysoki DoD.
  • Chochlik: Prąd przy maksymalnej mocy; iloraz mocy maksymalnej przez Vmp.
  • STC: Standardowe warunki testowe, idealne warunki w laboratorium, w którym testowany jest uchwyt.
  • Voc: Napięcie otwartego obwodu, maksymalne napięcie na ogniwie PV, podczas pomiaru panelu słonecznego w teoretycznie standardowych warunkach testowych (STC) z podłączonym tylko woltomierzem. Napięcie, które otrzymuje miernik, to Voc.
  • Vmp: Napięcie przy maksymalnej mocy, napięcie wyjściowe panelu słonecznego, gdy jest on podłączony do systemu PV.
  • Napięcie nominalne: Napięcie odniesienia używane do kategoryzacji urządzeń słonecznych w systemie poza siecią. W systemie podłączonym do sieci napięcia znamionowe (12 V, 24 V i 48 V) są bez znaczenia.
  • Isc: Prąd zwarciowy, maksymalny prąd w obwodzie zewnętrznym, który nie ma żadnego obciążenia ani rezystancji.