Глава 1: Что такое контроллер солнечного заряда?

Контроллер заряда солнечной энергии, или регулятор заряда солнечной энергии, является важным инструментом почти во всех солнечных энергетических системах, которые используют батареи в качестве решения для хранения химической энергии. Он используется в автономном или гибридные солнечные энергосистемы но не используется в системах с прямым подключением к сети, в которых нет аккумуляторных батарей.

автономная солнечная энергетическая установка

Автономная солнечная энергосистема

Две его основные функции очень просты:

  1. Предотвращает перезарядку батарей
  2. Блокирует прохождение обратного тока.

Перезарядка может привести к перегреву аккумулятора или, в крайнем случае, к возгоранию. Избыточно заряженные залитые аккумуляторные батареи глубокого цикла могут также выделять газ водорода, который является взрывоопасным. Более того, перезарядка быстро разрушит аккумулятор, что резко сократит срок его службы.

Сгоревший свинцово-кислотный аккумулятор

Сгоревший свинцово-кислотный аккумулятор

Контроллеры заряда солнечных батарей могут предотвратить прохождение обратного тока от батарей к солнечным панелям в ночное время, когда напряжение солнечных панелей ниже, чем напряжение батарей.

Кроме того, контроллеры заряда солнечных батарей имеют другие дополнительные функции, такие как датчик температуры батареи и компенсация, отключение при низком напряжении (LVD), управление нагрузкой (от заката до рассвета), дисплеи, удаленный мониторинг и управление переключением нагрузки.

Давайте углубимся в статью, чтобы по очереди проверить эти функции и возможности.

Глава 2: Зарядка аккумулятора: многоступенчатая зарядка

Но прежде чем мы погрузимся непосредственно в Глава 3: Функции и особенности солнечного контроллера заряда, лучше ознакомимся с необходимой информацией о зарядке аккумулятора.

Если вы уже достаточно хорошо знакомы с этой информацией, вы можете перейти к главе 3 отсюда.

Налейте воду в чашку

Налейте воду в чашку

2.1 Краткая интерпретация

Представьте, что вы наливаете воду в чашку - вначале вы будете наливать быстрее; когда чашка почти полная, поток воды замедляется, чтобы вода не переливалась из чашки. Напротив, если вы продолжаете наливать воду с большей скоростью, вам будет трудно вовремя остановить поток в конце, и вода выльется из этой чашки.

Зарядка солнечной батареи

Зарядка солнечной батареи

Та же теория применима к зарядке аккумулятора:

  • Когда батарея разряжена, контроллер заряда подает много энергии для быстрой зарядки.
  • Когда аккумулятор почти полностью заряжен, он замедляет работу зарядного устройства, регулируя его напряжение и ток.
  • Когда аккумулятор полностью заряжен, он посылает только тонкую струйку энергии для поддержания полного заряда.

Это так называемая многоступенчатая зарядка.

2.2 Пример: 3-4 этапа

Установленные значения:

Чтобы убедиться, что вы легко понимаете следующий контент, который относится к примеру многоступенчатой ​​зарядки (3-4 этапа), давайте сначала объясним жаргонный «уставки».

В письме,

Контроллер заряда солнечной батареи настроен на изменение скорости заряда при определенных напряжениях, которые называются уставками.

Уставки обычно имеют температурную компенсацию, и мы обсудим эту тему на примере многоступенчатой ​​зарядки.

Теперь давайте подробно рассмотрим пример.

Ниже приведен пример от MorningStar, у которого есть 4 этапа зарядки.

MorningStar 4 этапа зарядки

Источник: MorningStar, 4 этапа зарядки

2.2.1 Этап 1: Массовая зарядка

На этом этапе аккумуляторная батарея разряжена, и ее напряжение ниже уставки напряжения поглощения. Таким образом, контроллер солнечного заряда будет отправлять как можно больше доступной солнечной энергии в аккумуляторную батарею для подзарядки.

2.2.2 Этап 2: Поглощающий заряд

Когда его напряжение достигает заданного значения напряжения поглощения, выходное напряжение контроллера заряда солнечной батареи будет поддерживать относительно постоянное значение. Постоянное входное напряжение предотвращает перегрев аккумуляторной батареи и чрезмерное выделение газов. Обычно на этом этапе аккумуляторная батарея может быть полностью заряжена.

2.2.3 Этап 3: плавающий заряд

Как мы знаем, аккумуляторная батарея полностью заряжена на стадии поглощения, и полностью заряженная батарея больше не может преобразовывать солнечную энергию в химическую энергию. Дальнейшая мощность от контроллера заряда будет использоваться только для нагрева и выделения газа, так как он перезаряжается.

Струйка из крана

Струйка из крана

Стадия плавающего режима предназначена для предотвращения длительного перезаряда аккумуляторной батареи. На этом этапе контроллер заряда снизит напряжение зарядки и подаст очень небольшое количество энергии, например струйки, чтобы поддерживать батарею и предотвращать дальнейший нагрев и выделение газов.

2.2.4 Этап 4: Уравнительный заряд

Для выравнивающего заряда используется более высокое напряжение, чем при абсорбционной зарядке, чтобы выровнять все элементы в батарее. Как мы знаем, батареи, включенные последовательно и / или параллельно, составляют батарею. Если некоторые элементы в батарейном блоке не полностью заряжены, на этом этапе все они будут полностью заряжены и завершатся все химические реакции батареи.

Кипящая вода

Кипящая вода

Поскольку он следует за этапом 3 (когда аккумуляторная батарея полностью заряжена), когда мы повышаем напряжение и отправляем больше энергии на батареи, электролиты будут выглядеть так, как будто они кипят. На самом деле не жарко; это водород, образующийся из электролитов, образующий множество пузырьков. Эти пузырьки перемешивают электролиты.

Регулярное перемешивание электролитов таким образом необходимо для того, чтобы аккумуляторная батарея была затоплена.

Мы можем рассматривать это как периодический перезаряд, но он полезен (иногда необходим) для определенных батарей, таких как залитые батареи и незапечатанные батареи, такие как AGM и Gel.

Обычно вы можете найти в технических характеристиках батареи, как долго должен длиться выравнивающий заряд, а затем установить соответствующий параметр в контроллере заряда.

2.3 Почему залитые аккумуляторные батареи нуждаются в выравнивании

Короче говоря,

чтобы предотвратить сульфатирование свинцово-кислотных аккумуляторов.

химическая реакция разряда

Химическая реакция разряда

В результате химических реакций разряда батареи образуются мягкие кристаллы сульфата свинца, которые обычно прикрепляются к поверхности пластин. Если аккумулятор будет продолжать работать в таких условиях, со временем мягкие кристаллы сульфата будут размножаться и становиться все твердее и твердее, что затрудняет их преобразование обратно в мягкие или даже дальнейшую активацию материалов, которые были частью электролит.

Сульфатирование свинцово-кислотных аккумуляторов - бич их выхода из строя. Эта проблема характерна для долговременно недостаточно заряженных аккумуляторных батарей.

При полной зарядке мягкие кристаллы сульфата могут быть преобразованы обратно в активные материалы, но солнечная батарея редко полностью перезаряжается, особенно в плохо спроектированной солнечной фотоэлектрической системе, где либо солнечная панель слишком мала, либо аккумулятор слишком велик .

Сульфатирование свинцово-кислотных аккумуляторов

Сульфатирование свинцово-кислотных аккумуляторов

Решить эту проблему может только периодическая перезарядка высоким напряжением; а именно выравнивающая зарядка, которая работает при высоком напряжении, генерирует пузырьки и перемешивает электролит. Вот почему этап 4 необходим для залитой аккумуляторной батареи. Во многих автономных солнечных системах мы обычно используем генератор + зарядное устройство для периодической стабилизации затопленной солнечной батареи в соответствии со спецификацией батареи.

2.4 Зависимость контрольных уставок от температуры

Поскольку уставка абсорбции (стадия 2), уставка поплавка (стадия 3) и уставка выравнивания (стадия 4) все могут быть скомпенсированы по температуре, если есть датчик температуры, мы хотели бы сэкономить несколько слов для этого небольшого тема.

В некоторых усовершенствованных контроллерах заряда уставки многоступенчатой ​​зарядки колеблются в зависимости от температуры батареи. Это называется функцией «температурной компенсации».

В контроллере есть датчик температуры, и когда температура батареи низкая, уставка будет повышена, и наоборот - она ​​будет соответствующим образом отрегулирована, когда температура станет выше.

Зонд датчика температуры

Зонд датчика температуры

Некоторые контроллеры имеют встроенные датчики температуры, поэтому их необходимо устанавливать рядом с аккумулятором, чтобы определять температуру. У других может быть датчик температуры, который должен быть подключен непосредственно к батарее; кабель подключит его к контроллеру, чтобы сообщить о температуре батареи.

Если ваши батареи применяются в ситуации, когда колебания температуры превышают 15 градусов по Цельсию каждый день, предпочтительнее использовать контроллер с температурной компенсацией.

2.5 Контрольные уставки в зависимости от типа батареи

Когда мы переходим к типу батарей, рекомендуется еще одна статья о солнечных батареях.

В большинстве солнечных энергетических систем используются свинцово-кислотные батареи глубокого цикла, которые бывают двух типов: затопленного типа и герметичного типа. Свинцово-кислотные аккумуляторы не только экономичны, но и широко используются на рынке.

Различные типы солнечных батарей

Различные типы солнечных батарей

Типы батарей также влияют на дизайн уставок для контроллеров заряда солнечных батарей; В современных контроллерах есть функция, позволяющая выбирать типы батарей перед подключением к солнечной энергосистеме.

2.6 Определение идеальных уставок

Наконец, мы подошли к теории определения идеальных уставок. Честно говоря, это больше касается баланса между быстрой зарядкой и поддерживающей подзарядкой. Пользователь солнечной энергетической системы должен принимать во внимание различные факторы, такие как температура окружающей среды, интенсивность солнечного излучения, тип батареи и даже нагрузки бытовой техники.

Необходимо учитывать только первые 1 или 2 фактора; в большинстве случаев этого достаточно.

Глава 3: Какова функция солнечного контроллера заряда?

3.1 Предотвращение перезарядки

Когда аккумулятор полностью заряжен, он не может хранить больше солнечной энергии в виде химической энергии. Но если к полностью заряженной батарее постоянно подается питание с высокой скоростью, мощность будет превращаться в тепло и выделение газов, что будет представлять собой затопленную батарею с большим количеством пузырьков электролитов. Это газообразный водород, который образуется в результате химической реакции. Эти газы опасны, поскольку они взрывоопасны. Перезарядка также ускоряет старение аккумулятора. А потом нам понадобится контроллер солнечного заряда.

Аккумулятор поврежден из-за перезарядки

Аккумулятор поврежден из-за перезарядки

Основная функция контроллера заряда солнечных батарей - регулировать напряжение и ток, генерируемые солнечными панелями, идущими к батареям, чтобы предотвратить перезарядку батарей и гарантировать безопасное рабочее состояние и более длительный срок службы батарей.

Есть 3 типа регуляторов:

1. Регулятор тока

Регулятор тока действует как выключатель. Он просто включает или выключает схему для управления потоком энергии в аккумуляторную батарею, как на этапе 1 объемной зарядки. Их обычно называют шунтирующими контроллерами, которые больше не используются из-за устаревшей технологии.

2. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ)

Контроллеры шунта полностью отключают ток, а контроллер ШИМ постепенно снижает ток. ШИМ больше похож на подзарядку ступени 3.

У нас будет подробное обсуждение ШИМ и MPPT, когда мы начнем тему: PWM VS MPPT, какой из них лучше.

3. Регулятор напряжения.

Регулирование напряжения - обычное дело. Контроллер заряда солнечной батареи регулирует зарядку в зависимости от напряжения батареи. Все очень просто. Когда напряжение батареи достигает определенного значения, контроллер защищает батарею от перезарядки, уменьшая мощность. Когда напряжение батареи падает из-за большой суммы потребляемой мощности, контроллер снова разрешает массовую зарядку.

3.2 Блокировка обратного тока

Вторая основная функция - предотвратить обратный ток.

Ночью или когда нет солнечного света, солнечная панель не имеет мощности для преобразования в электричество, а в солнечной энергетической системе напряжение батареи будет выше, чем напряжение солнечной панели, поскольку все мы знать, что электричество течет от высокого напряжения к низкому. Таким образом, без контроллера заряда электричество будет перетекать от аккумуляторной батареи к солнечной панели, что является пустой тратой энергии, поскольку солнечная энергетическая система прилагает усилия для сбора энергии в течение дня, но тратит немного ее на ночь. Хотя потери незначительны по сравнению с общей собранной энергией, решить эту проблему несложно.

Блокировка обратного тока ночью

Блокировка обратного тока ночью

Контроллер солнечного заряда может решить эту проблему.

Большинство контроллеров позволяют потоку течь только от солнечной панели в аккумуляторную батарею, встраивая в схему полупроводник, который пропускает токи только в одном направлении.

Некоторые контроллеры имеют механический переключатель, который еще называют реле. Когда реле включается и выключается, вы слышите стук. Когда напряжение солнечных панелей ниже, чем напряжение аккумуляторной батареи, он обнаруживает и затем отключает цепь, отсоединяя солнечные панели от аккумуляторной батареи.

3.3 Контроль нагрузки

Некоторые контроллеры заряда солнечной энергии спроектированы с управлением нагрузкой, что позволяет подключать нагрузку постоянного тока, например, светодиодную лампу (конкретный пример есть на нашем сайте. универсальные светодиодные уличные фонари на солнечных батареях), напрямую к контроллеру заряда солнечной батареи, и регулятор нагрузки будет включать и выключать лампу в соответствии с ее предварительными настройками (напряжение батареи, датчик фотоэлемента или таймер).

Контроллер заряда солнечных батарей в уличных солнечных фонарях

Контроллер заряда солнечных батарей в уличных солнечных фонарях

Например, в уличных светодиодных солнечных фонарях обычно есть таймеры, и регулятор нагрузки считывает время с таймера, а затем выполняет команду: включить светодиод в 7:00 в сумерках и выключить в 6:00. следующим утром. Или регулятор нагрузки будет считывать информацию с датчика фотоэлемента, а затем управлять включением и выключением светодиода в соответствии с яркостью окружающей среды.

3.4 Отключение при низком напряжении (LVD)

Представьте, что вы кипятите воду в кастрюле и забываете выключить огонь, пока кипящая вода полностью не испарится; в сухой кастрюле больше нет воды, и кастрюля перегревается. Горшок уничтожен навсегда. Точно так же полная разрядка солнечной батареи приведет к необратимому повреждению батареи.

Сгоревший горшок

Сгоревший горшок

Батареи глубокого цикла широко используются в солнечных энергетических системах. Глубина разряда (DOD) может достигать 80%; однако они подвержены необратимому повреждению при разряде до 90% или, что еще хуже, 100%.

Если вы дождетесь отключения нагрузки постоянного тока от батарей, пока не обнаружите, что свет тускнеет, батарея уже могла быть повреждена. Емкость аккумулятора и ожидаемый срок службы будут уменьшаться каждый раз, когда происходит чрезмерная разрядка. Если бы аккумулятор был настроен на работу в таком состоянии чрезмерной разрядки в течение определенного периода времени, он бы быстро вышел из строя.

Единственное практическое решение для защиты аккумуляторов от чрезмерной разрядки - это выключать и включать нагрузки (например, бытовые приборы, светодиоды и т. Д.) При условии, что напряжение восстановилось после большой зарядки.

Обычно, если батарея 12 В упадет до 10.9 В, батарея будет на грани чрезмерной разрядки. Таким же образом 21.9 вольта на батарею 24В.

Разъединитель низкого напряжения

Разъединитель низкого напряжения

Если ваша домашняя солнечная система имеет некоторые нагрузки постоянного тока, функция LVD необходима. Некоторые LVD интегрированы в контроллеры заряда, а другие нет.

3.5 Защита от перегрузки

взрыватель

взрыватель

Когда входной ток намного превышает то, с чем цепь может безопасно справиться, ваша система перегружается. Это может привести к перегреву вашей системы или даже к возгоранию. Перегрузка может быть вызвана разными причинами, такими как неправильная схема подключения (короткое замыкание) или неисправное устройство (застрявший вентилятор). Обычно кнопка сброса предназначена для схемы защиты от перегрузки.

Однако в каждом контроллере заряда солнечной батареи есть встроенная защита от перегрузки; большие солнечные энергетические системы обычно требуют двойной защиты: предохранителей или автоматических выключателей. Если пропускная способность провода меньше, чем предел перегрузки контроллера, тогда установка предохранителя или прерывателя в вашей цепи является обязательной.

Дисплеи 3.6

Дисплеи контроллеров заряда солнечных батарей варьируются от светодиодных индикаторов до ЖК-дисплеев с информацией о напряжении и токе. Дисплеи для систем солнечной энергии - это то же самое, что консольные приборные панели для автомобилей. Они предоставляют вам подробные данные, чтобы вы могли отслеживать состояние вашего аккумуляторного блока: сколько энергии вы используете или генерируете.

Контроллер заряда солнечной батареи со светодиодными индикаторами

Контроллер заряда солнечной батареи со светодиодными индикаторами

Если в вашей системе уже есть автономный монитор, функция отображения не будет иметь значения. Даже самый дешевый монитор будет включать базовые измерители, как и контроллеры.

Контроллер солнечного заряда с ЖК-экраном

Контроллер солнечного заряда с ЖК-экраном

Глава 4: ШИМ-контроллер заряда

4.1 Полезные глоссарии

Вначале мы рассмотрим некоторые глоссарии - обратитесь к следующей таблице.

номинальныйКлеткиVocVmp
12V3622V17V
20V6038V30V
24V7244V36V
  • Вокал Напряжение холостого хода - это максимальное напряжение на фотоэлементе, когда вы измеряете солнечную панель в теоретически стандартных условиях испытаний (STC) с подключенным только вольтметром. Напряжение, которое получает измеритель, называется Voc.
  • Vmp, напряжение при максимальной мощности, это выходное напряжение солнечных панелей при подключении к фотоэлектрической системе.
  • номинальное напряжение это опорное напряжение используется для категоризации солнечного оборудования в системе вне сетки. В сетевой системе номинальные напряжения (12 В, 24 В и 48 В) не имеют значения.

Монокристаллическая солнечная панель, номинальная мощность 120 Вт, 12 В, 36 кремниевых квадратов

Монокристаллическая солнечная панель, номинальная мощность 120 Вт, 12 В, 36 кремниевых квадратов

Хотя для зарядки аккумулятора требуется более высокое напряжение, номинальное напряжение может помочь вам найти соответствующее оборудование (например, аккумуляторный блок), с которым может работать солнечная панель.

Итак,

солнечная панель на 12 В фактически имеет Voc 22 В и Vmp 17 В с 36 кусочками кремниевых квадратов на передней стороне.

Кроме того,

солнечная панель 24V имеет Voc 44V и Vmp 36V, с 72 частями кремниевых квадратов.

Вы можете спросить: почему панель на 12 вольт - это не 12 вольт?

вот сделка.

4.2 Почему панели на 12 вольт - это 17 вольт

Полностью заряженный аккумулятор 12 В фактически составляет примерно 12.6 вольт; Для зарядки аккумулятора на 12 В нам потребуется более высокое входное напряжение - примерно 13.7-14.4 вольт от солнечной батареи. Но почему мы разработали солнечную панель Vmp на 17 В, а не только на 14 В?

Voc солнечной панели измеряется в стандартных условиях тестирования или STC, а Vmp также измеряется в STC, где температура окружающей среды не слишком высокая, интенсивность солнечного света идеальная - без облаков, без дымки. Однако нам не всегда везет. Если мы столкнемся с плохой погодой - например, в пасмурные или пасмурные дни - напряжение на солнечной панели упадет; Итак, панели должны быть спроектированы с некоторым дополнительным напряжением, чтобы ваша система могла получать достаточное напряжение, даже если погода не идеальная; т.е. без солнечного света.

4.3 Типы контроллеров заряда:

Есть 3 типа контроллеров солнечного заряда:

  • Контроллеры шунта
  • ШИМ
  • MPPT

Контроллеры шунта: Мы упоминали шунтирующие контроллеры, когда говорили о регулировании тока - они действуют как выключатели, включая и отключая ток к батарее. Вы все еще можете увидеть некоторые из них в старых системах, хотя они уже сняты с продажи. ШИМ и MPPT - это 2 основных типа, которые преобладают сегодня.

Теперь

Давайте сначала перейдем к ШИМ.

4.4 Что такое ШИМ-контроллер заряда солнечной батареи?

ШИМ (широтно-импульсная модуляция) буквально работает, модулируя текущую ширину импульса.

ШИМ посылает аккумулятору прерывистые импульсы зарядки, а не постоянную выходную мощность. Это больше похоже на подзарядку ступени 3, которая генерирует струйки тока в батарее.

Но насколько быстро (частота) и как долго (ширина) должен генерироваться импульс, определяется состоянием батареи, которую он обнаруживает. Если аккумулятор уже полностью заряжен, а нагрузка в системе не работает, ШИМ будет посылать очень короткий импульс каждые несколько секунд; для разряженной батареи импульсы будут почти непрерывными. Это основной принцип работы.

Хотя ШИМ дешевле, чем MPPT, из-за резкого импульса, который генерирует ШИМ, при обработке быстрого включения и выключения во время работы часто могут возникать помехи для сигналов вашего телевизора, радио или телефона. Это обратная сторона ШИМ.

Когда ваша система выбирает ШИМ в качестве контроллера заряда, важно, чтобы номинальное напряжение солнечных панелей было таким же, как номинальное напряжение аккумуляторной батареи;

а именно,

ШИМ в системе 12 В

ШИМ в системе 12 В

Если у вас аккумулятор 12 В, вы также должны выбрать солнечную панель 12 В.

ШИМ в системе 24 В

ШИМ в системе 24 В

А если у вас аккумуляторная батарея на 24 В, то вы должны использовать солнечную панель на 24 В или соединить две солнечные панели на 12 В последовательно, чтобы получить 24 В.

ШИМ в системе 48 В

ШИМ в системе 48 В

Но если ваш блок аккумуляторов составляет 48 В, вам нужно подключить четыре солнечные панели на 12 В последовательно или две солнечные панели на 24 В последовательно, чтобы получить 48 В.

И так далее.

Между тем, убедитесь, что спецификации PWM также соответствуют характеристикам вашего аккумулятора.

4.5 Насколько большой контроллер солнечного заряда мне нужен: ШИМ

Как определить размер ШИМ при проектировании автономной фотоэлектрической системы?

Шаг 1Возьмите солнечную панель Isc (ток короткого замыкания) и Voc (напряжение холостого хода) с ее паспортной таблички и выясните, сколько параллельных цепочек находится в солнечной батарее.

паспортная табличка панели солнечных батарей

Паспортная табличка солнечной панели

На заводской табличке

мы читаем Voc 22.1V и Isc 8.68A и подтверждаем, что это номинальная солнечная панель на 12 В от Voc.

Начнем с простого примера и предположим, что у нас есть только одна параллельная строка.

Шаг 2, Умножьте Isc на количество параллельных строк.

8.68Isc x 1 струна = 8.68A

Шаг 3, умножьте на коэффициент безопасности 1.25. (Почему коэффициент равен 1.25: см. NEC 690.8 (A) (1) Токи цепи фотоэлектрического источника)

8.68Isc x 1 струна x 1.25 = 10.85A

Итак, мы можем выбрать ШИМ, текущая допустимая нагрузка которого должна быть больше 10.85 А.

ШИМ в 24-струнной системе 2 В

ШИМ в 24-струнной системе 2 В

Теперь давайте проверим еще один пример с 2 строками в 2 параллелях, используя ту же панель 140w, упомянутую только что.

Но помните - мы используем контроллер заряда PWM, поэтому нам нужно обратить внимание на то, сколько панелей в строках, чтобы напряжение солнечной батареи соответствовало напряжению батареи.

В этом примере у нас есть 2 параллельных ряда и 2 последовательно соединенных панели, поэтому солнечная батарея предназначена для системы батарей 24 В.

8.68 Isc x 2 струны x 1.25 = 21.7 A

Контроллера заряда солнечной батареи PWM на 25A будет достаточно.

Глава 5: Контроллер заряда MPPT

5.1 Как работает контроллер заряда солнечной батареи MPPT?

В чем смысл MPPT?

MPPT - это аббревиатура от Maximum Power Point Tracking, которая представляет собой тип электронного цифрового отслеживания.

MPPT является более сложным и более дорогим из двух. MPPT имеет КПД преобразования около 94% - 98%. То есть мощность на входе (от солнечной панели) почти равна мощности на выходе (на батарею).

Контроллеры заряда MPPT считывают выходную мощность солнечных панелей и напряжение батарей, чтобы определить лучшую точку питания для получения от солнечной панели; затем MPPT понижает напряжение, чтобы соответствовать напряжению зарядки аккумулятора, одновременно повышая ток. Делая это, MPPT может увеличить энергию, которую мы в конечном итоге получаем от солнечных панелей, почти на 40% по сравнению с PWM, поскольку PWM не может увеличивать ток для отслеживания точки максимальной мощности.

В отличие от PWM, который требует согласования напряжений с обеих сторон, MPPT может быть применен к фотоэлектрической системе, напряжение солнечной батареи которой выше, чем у батареи. Эта функция дает MPPT множество преимуществ, которые мы обсудим в главе 6.

Теперь,

давайте перейдем к примерам, чтобы вы могли быстро уловить суть.

5.2 Как правильно выбрать размер контроллера заряда солнечной батареи mppt?

Помните штатные 20В панели с 60 элементами ячеек?

В схеме ШИМ они слишком велики, чтобы соответствовать батарее 12 В и слишком малы для батареи 24 В, но MPPT может решить эту затруднительную ситуацию.

Панель 20V имеет 30Vmp и 9A Imp, а ее номинальная мощность = 30 x 9 = 270 Вт.

Предположим, что панель 20 В применяется к батарее 12 В. MPPT преобразует 30 В примерно до 14 В для зарядки аккумулятора и увеличивает ток, чтобы он мог потреблять максимальную мощность от солнечной панели.

Если мы снизим 30 В до 14 В, уменьшенная скорость будет

30 / 14 = 2.14.

Тогда повышенный ток равен

9 х 2.14 = 19.28 А.

Наконец,

30 x 9 = 14 x 19.28 = 270 Вт (мощность равна выходной мощности);

поскольку выходной ток равен 19.28А, умножаем на коэффициент безопасности 1.25.

Мы получаем

19.28 х 1.25 = 24.1 А.

Итак, будет хорошо, если мы выберем MPPT с текущей мощностью более 24.1 А.

Другой пример с 2 цепочками в 2 параллелях с использованием номинальной панели 20 В для зарядки аккумулятора 12 В: общая мощность составляет

270 х 4 = 1080 Вт.

Текущий выход будет

1080/14 = 77.14 А.

Умножить на 1.25

77.14 х 1.25 = 96.43 А.

Итак, мы выберем MPPT 100А.

5.3 Размер контроллера заряда: напряжение контроллера

Еще одна вещь, на которую мы должны обратить внимание при выборе размера контроллера солнечного заряда, - это напряжение. Убедитесь, что контроллер способен передавать входное напряжение от панелей. Контроллер заряда 150 В может подключать только три панели номиналом 20 В последовательно. Вы можете задаться вопросом… 3 x 20 = 60 В? Это далеко от 150В!

Почему?

Это потому, что фактическое напряжение, генерируемое солнечными панелями, может быть намного выше 20 В; иногда выше Вмп 30В. Итак, мы используем Voc для расчета. Voc = 38 В.

3 х 38 = 114 В

Тогда три номинальных панели 20 В последовательно составляют 114 В.

Стол NEC 690.7

Стол NEC 690.7

Поскольку в холодную погоду напряжение на панели возрастает, см. Таблицу 690.7 NEC. Затем мы берем самый безопасный коэффициент 1.25, умножаем 114v на 1.25,

мы получаем

114 х 1.25 = 142.5 В.

Теперь вы можете понять, почему контроллер на 150 В может поддерживать только три последовательных 20 В, особенно зимой.

В настоящее время недавно разработанные контроллеры могут иметь гораздо более высокие напряжения; некоторые модели даже поддерживают входное напряжение 700 В. Это очень важно, когда ваша солнечная батарея расположена далеко от аккумуляторной батареи.

Давайте исследуем причину в главе 6.

Глава 6: ШИМ против MPPT

6.1 PWM против MPPT: что лучше?

Мы узнали об особенностях обоих контроллеров (PWM и MPPT) в предыдущих главах. Мы хорошо заметили, что ШИМ не преобразует дополнительное напряжение в токи, что приводит к низкой скорости преобразования мощности. Другими словами, ШИМ не передает всю энергию, собираемую солнечными панелями, в батареи, но MPPT всегда отслеживает точку максимальной мощности от панелей и соответственно регулирует свои токи и напряжение, чтобы он мог передавать всю энергию, собранную солнечной панелью. к батарее.

ШИМ против MPPT

ШИМ против MPPT

Конкретный пример ясно объяснит это:

Основная физическая формула:

Мощность (Вт) = В (Вольт) x I (Ампер)

Если мы используем солнечную панель номиналом 12 В, 100 Вт для зарядки аккумуляторной системы 12 В, фактический Vmp будет 17 В, и мы можем рассчитать его текущий выходной ток:

I = мощность / В

I = 100/17 = 5.88 ампер

Теперь мы знаем, что на выходе панели 17 В и 5.88 А.

Сценарий 1: Фотоэлектрическая система с контроллером заряда солнечной энергии PWM.

ШИМ снизит напряжение до напряжения зарядки аккумулятора - примерно 14 В. После прохождения PWM солнечная энергия остается только 14 В и 5.88 А.

То есть:

P = V x I = 14 x 5.88 = 82.32 Вт

Сценарий 2: Фотоэлектрическая система с контроллером заряда солнечной батареи MPPT.

MPPT не только снижает напряжение до 14 В, но и увеличивает ток, так что мощность почти равна отключенной.

Итак, если напряжение уменьшится на 17/14 = 1.21

Тогда ток к батарее увеличивается на 1.21, получаем

5.88 х 1.21 = 7.11 А

Полная мощность

P = 14 x 7.11 = 99.54 Вт

В этом примере мощность, расходуемая ШИМ, равна

99.54 - 82.32 = 17.22 Вт

Почти 20% энергии не было преобразовано в химическую энергию батареи. Если мы рассмотрим сценарий с большой солнечной батареей, потери могут быть огромными.

Так что лучше использовать MPPT для больших солнечных батарей.

6.2 Сильные стороны MPPT

а) Высокая эффективность преобразования

Если ваша фотоэлектрическая система поставляется с большой солнечной батареей, MPPT будет лучшим выбором для увеличения преобразования солнечной энергии, особенно в холодную погоду, поскольку напряжение панели будет расти при понижении температуры. Коэффициент конверсии MPPT может вырасти с 20% до 40%. Это экологически чистая и бесплатная энергия, которая действительно экономит ваши деньги.

Массив солнечных панелей на расстоянии

Массив солнечных панелей на расстоянии

б) Более низкие потери энергии в кабелях или более низкая стоимость покупки кабелей.

Пожалуйста, помните Формула закона Ома

В (Вольт) = R (Ом) x I (Ампер)

Выходная мощность P(Ватт) = В (Вольт) x I (Ампер)

So

Потеря сопротивления PR(Ватт) = R (Ом) x I2 (AMPS)

Затем, если ваши фотоэлектрические панели установлены на большом расстоянии от аккумуляторной батареи, потеря мощности сопротивления кабеля будет значительной (PR = R x I2  ). Здесь R представляет собой сопротивление кабелей. R увеличивается с увеличением длины кабеля:

Формула сопротивления кабеля

Формула сопротивления кабеля

Но если мы удвоим напряжение солнечной батареи, подключив их более последовательно, согласно P = V x I, нет изменения общей выходной мощности P, поэтому ток через кабель I должен быть вдвое меньше.

Наконец, сопротивление PR(Ватт) = R (Ом) x I2 (Ампер) будет на четверть, чем раньше.

Фактически, с помощью MPPT вы можете поднять напряжение солнечной батареи еще выше, чтобы уменьшить ток.

В этом случае мы увеличиваем напряжение панели, чтобы уменьшить потери сопротивления через кабели, и, поскольку мы используем MPPT, который всегда отслеживает максимальную мощность от панелей, у нас нет потерь напряжения, как это может иметь ШИМ.

Мы могли бы рассмотреть эту тему с другой стороны. Если вы не можете поднять напряжение панелей, то вам нужно найти какое-то решение для уменьшения сопротивления кабеля, так как сопротивление = удельное сопротивление × длина / площадь, кажется, единственный способ - использовать кабели с большими поперечными площадями, и это будет еще одним огромным сумма денег, которую нужно потратить.

Напомним, что когда речь идет о небольших системах, ШИМ - хорошее решение, поскольку оно недорогое, но для больших систем, чтобы улучшить скорость преобразования и не тратить впустую емкость солнечных панелей на использование солнечной энергии, предпочтительнее использовать MPPT. MPPT всегда будет применяться к системам с большей мощностью.

6.3 Плюсы и минусы

Перед принятием решения о покупке солнечного контроллера заряда для вашей фотоэлектрической системы необходимо изучить полезную информацию из предыдущего содержания. Также предлагается сравнительная таблица, в которой перечислены различия между PWM и MPPT. Итак, мы объединили их плюсы и минусы, чтобы вам было удобнее их просматривать.

ПлюсыМинусы
ШИМ
  • Технология PWM уже давно доступна в фотоэлектрических системах и является относительно стабильной и зрелой технологией.
  • Они экономичны и доступны по цене для большинства потребителей.
  • ШИМ выдерживает нагрузку до 60 ампер в настоящее время
  • Большинство ШИМ имеют разумную структуру рассеивания тепла, которая позволяет им работать непрерывно.
  • ШИМ бывают разных размеров, чтобы соответствовать широкому спектру приложений.
  • Если ШИМ применяется к фотоэлектрическим солнечным системам, напряжение солнечной панели должно соответствовать напряжению батареи.
  • Текущая допустимая нагрузка одиночного ШИМ не разработана и пока составляет всего 60 ампер.
  • Некоторые контроллеры заряда PWM меньшего размера не могут быть внесены в список UL из-за их плохой конструкции.
  • Некоторые ШИМ меньшего размера не имеют фитингов кабелепровода.
  • ШИМ иногда имеет проблемы с помехами сигнала. Контроллеры создают шум в телевизоре или радио
  • ШИМ ограничивает расширение фотоэлектрических солнечных систем до некоторой степени
  • Его нельзя применять к высоковольтным автономным солнечным батареям.
MPPT
  • MPPT максимизирует преобразование солнечной энергии от фотоэлектрических панелей, а показатели могут быть на 40% эффективнее, чем PWM
  • MPPT можно использовать в тех случаях, когда напряжение солнечной панели выше, чем напряжение батареи.
  • MPPT выдерживает ток нагрузки до 80 ампер
  • MPPT имеет более длительные гарантии, чем PWM
  • MPPT не ограничивает расширение солнечных панелей в системе
  • MPPT - единственное решение для гибридной солнечной энергосистемы
  • MPPT дороже ШИМ. Стоимость некоторых моделей вдвое выше, чем у контроллера заряда с ШИМ.
  • Поскольку MPPT имеет больше компонентов и функций, его физический размер больше, чем у PWM.
  • MPPT более сложны, поэтому в большинстве случаев нам нужно следовать руководству при выборе размера солнечной батареи.
  • Контроллер солнечной энергии MPPT постоянно вынуждает массив солнечных панелей соединяться цепочками

6.4 Требуется ли для каждой солнечной фотоэлектрической системы контроллер заряда?

Ответ - нет.

Как правило, если мощность вашей солнечной панели составляет менее 5 Вт на каждые 100 ампер-часов батареи, вам не нужен контроллер солнечного заряда.

Вот формула, которую мы можем использовать:

Коэффициент = Емкость аккумулятора (Ампер-час) / Импульс солнечной панели (Ампер)

Если частное больше 200, вам не нужен контроллер; в противном случае лучше установить контроллер.

Например, если у вас батарея на 200 Ач и панель на 20 Вт, соотношение будет 200 / 1.18 = 169.5; в этом случае вам понадобится контроллер.

Если у вас батарея 400 Ач и панель 10 Вт, то частное будет 400 / 0.59 = 677.9; в этом случае вам не нужен контроллер.

Словари

  • Установить точкиОпределенные напряжения, которые были установлены для контроллеров заряда для изменения скорости зарядки.
  • МО: Глубина разряда, доля емкости полностью заряженной батареи (ампер-часы), извлеченная из нее. Например, если общая емкость аккумулятора составляет 100 Ач, а 40 Ач уже разряжены, то DoD составляет 40%.
  • Батарея глубокого цикла: Свинцово-кислотный аккумулятор, который всегда можно глубоко разрядить до низкого уровня заряда. Аккумуляторы глубокого разряда имеют высокий уровень DoD.
  • чертенок: Ток на максимальной мощности; частное максимальной мощности на Vmp.
  • STC: Стандартные условия испытаний, идеальные условия в лаборатории, где испытывается приспособление.
  • Voc: Напряжение холостого хода, максимальное напряжение на фотоэлементе, когда вы измеряете солнечную панель в теоретически стандартных условиях испытаний (STC) с подключенным только вольтметром. Напряжение, которое получает измеритель, называется Voc.
  • Vmp: Напряжение при максимальной мощности, выходное напряжение солнечной панели, когда она подключена к фотоэлектрической системе.
  • номинальное напряжение: Эталонное напряжение, используемое для классификации солнечного оборудования в автономной системе. В системе, подключенной к сети, номинальные напряжения (12 В, 24 В и 48 В) не имеют значения.
  • Isc: Ток короткого замыкания, максимальный ток во внешней цепи без нагрузки или сопротивления.