Контроллеры заряда

Типы контроллеров

ШИМ (PWM) - контроллеры

МРРТ-контроллеры

Контроллер заряда для ветрогенератора

Полезные советы эксплуатации контроллеров

Выводы

В составе любой автономной сети электрического питания на базе солнечных батарей присутствует специальное устройство, которое должно контролировать процесс накопления и расходования энергии. Его называют контроллер заряда. Необходимость применения контроллеров обусловлена тем, что альтернативные источники работают не постоянно, их работоспособность зависит от погодных условий - Солнечные батареи обеспечивают заряд аккумуляторов только в светлое время суток, когда есть солнце и плюс ко всему аккумуляторы требовательны к зарядным характеристикам.

Контроллеры заряда обеспечивают не только контроль накопления энергии, но и безопасность работы всей системы в целом. Они могут выполнять следующие функции:

• автоматическое подключение аккумуляторных батарей на зарядку от солнечных панелей;
• выбор оптимального режима зарядки;
• контроль разряда батареи путём отключения потребителей;
• защита от неправильной полярности при подключении, КЗ или обрыва цепи;
• регулирование степени заряда батареи;
• подключение нагрузки при восполнении заряда;
• учёт расхода электроэнергии и т. д.

Все эти функции значительно продлевают срок службы аккумуляторных батарей, а также оптимизируют процесс хранения и расхода энергии. Как правило, контроллеры поступают в эксплуатацию с уже заданными параметрами напряжений контроля и отключения. Однако некоторые модели позволяют настраивать граничные уровни напряжения в зависимости от конкретных условий эксплуатации.

Сегодня наиболее распространёнными являются свинцово-кислотные аккумуляторы, в том числе: AGM, GEL, OPzV и OPzS, которые широко применяются в автономных системах. Особенностью их эксплуатации, в отличие от щелочных аккумуляторных батарей, является чувствительность к перезарядам и полным разрядам. Каждый глубокий разряд или перезаряд отражаются на их характеристиках, в частности, существенно сокращается срок службы, а в худшем случае это может привести к выходу из строя аккумулятора. Поэтому при достижении полного заряда АБ, необходимо ограничивать силу тока. В ином случае, это приведёт к закипанию электролита и выделению газов, что в свою очередь, создает давление внутри аккумуляторного корпуса и может спровоцировать взрыв аккумуляторной батареи.

Щелочные аккумуляторы менее чувствительны к перезарядам. Однако отсутствие контроля этой процедуры также оставляет негативные последствия. Чтобы избежать таких последствий и максимально продлить срок службы аккумуляторных батарей, в этих системах также необходимо использовать контроллеры заряда.

Типы контроллеров

Самыми простыми контроллерами являются автоматы отключения. При снижении напряжения батареи они подключают источник энергии и автоматически отключают при повышении напряжения АБ до установленного значения. Но из-за низкого КПД, такие устройства оказались малоэффективными и в настоящее время практически не применяются. Использование новейших технологий позволяет создавать более совершенные устройства для обеспечения корректной работы автономных систем электропитания.

Сегодня существуют два основных вида контроллеров заряда, для систем на основе солнечных батарей:

• контроллеры с широтно-импульсной модуляцией - ШИМ (PWM);
• контроллеры слежения за максимальной точкой мощности: МРРТ.

ШИМ (PWM) - контроллеры

ШИМ – контролеры обеспечивают многоуровневый процесс заряда батареи: наполнение, поглощение, выравнивание и подзарядка (поддержание). На первом уровне, при максимально разряженной батарее, происходит прямое подключение солнечных батарей к аккумулятору. Заряд осуществляется максимальным током.

При достижении определённого напряжения происходит переключение на второй уровень с включением режима широтно-импульсной модуляции. Напряжение в системе поддерживается постоянным, а ток заряда постепенно снижается, пропорционально заряду.

На третьем уровне включается режим подзарядки для герметичных батарей, т. к. данные аккумуляторы не требуют выравнивающего заряда. А для жидко-электролитных сначала включается режим выравнивания, а затем режим поддержания.

Рис 1. График заряда ШИМ контроллера

ШИМ-контролеры, изменяя силу зарядного тока пропорционально степени заряда АБ и в последующем выравнивания напряжение банок, предотвращают перегрев и образование газов, формируют эффект десульфурации пластин. В конечном счёте контроллеры на основе широтно-импульсной модуляции  значительно продлевают срок эксплуатации аккумулятора.

ШИМ - контроллеры подразделяются на два типа: последовательные и шунтовые.

Последовательные контроллеры обеспечивают безопасность подключения источника энергии к потребителям и к аккумуляторам. При отключении нагрузки и батарей напряжение источника питания поддерживается на уровне холостого хода.

Шунтовые контроллеры замыкают источник питания (солнечные батареи) накоротко минуя аккумуляторные батареи.

• Низкий уровень потери мощности за счёт прямого подключения;
• Слабая степень электромагнитных помех;
• Слабый уровень падения величины напряжения в ключах.

МРРТ-контроллеры

МРРТ – контроллеры обеспечивают постоянный контроль над точками максимальной мощности солнечных батарей (Рис 2). Этим достигается самое эффективное использование вырабатываемой энергии. Автоматика постоянно оценивает силу тока и уровень напряжения, выдаваемые солнечными батареями, для определения оптимального соотношения пар: напряжение-ток. Кроме этого, производится контроль степени заряженности АБ для пропорционального снижения силы тока зарядки.

МРРТ - контроллеры позволяют снимать более высокое напряжение с источника питания, а затем его конвертировать в наиболее эффективное напряжение для заряда батарей. При этом оптимальное напряжение заряда всегда будет отличаться от стандартного напряжения батареи. При низком заряде батареи эта величина будет выше для обеспечения насыщения (абсорбции). При слабой освещенности, когда величина напряжения на фотоэлементах будет ниже, чем напряжение АБ, контроллеры повысят его для обеспечения заряда. 

По сравнению с ШИМ контроллерами МРРТ устройства более эффективны, они обеспечивают более высокий КПД и хорошо работают даже при затенении 30—40% солнечных панелей. При снижении освещенности, наличии облаков или снижении температуры, они увеличивают отдачу энергии, следовательно, увеличивают мощность системы. Существенным преимуществом МРРТ – контроллеров является то, что высокое напряжение на входе даёт возможность уменьшить сечение используемых кабелей и увеличить расстояние от солнечных панелей до контроллера.  Применение МРРТ-контролеров позволяет увеличить на 15—35% эффективность использования солнечных батарей. Благодаря МРРТ-устройствам процесс заряда батарей производится при достаточно низкой освещённости.

Рис 2. Зависимость мощности от тока и напряжения.

Контроллер заряда для ветрогенератора

Контроллер заряда для ветрогенератора практически ничем не отличается от устройства, применяемого в солнечных батареях. Основное их различие заключается в иных вольт-амперных характеристиках. Каждое устройство обладает своими параметрами вырабатываемого тока, соответственно определённый контроллер может применяться только с технически совместимыми устройствами.

Батареи, используемые в ветрогенераторных установках, чаще всего подвергаются перегрузке, перезаряду. В отличие от солнечных станций, ветровые установки подвержены большим скачкам энергии. С учётом этих особенностей, контроллер выравнивает ток

При больших порывах ветра, более эффективным методом для предотвращения разрушения ветрогенератора является задействование тэнов. Контроллер подключается через тэны к фазам генератора. Такой подход позволяет сбрасывать на тэны большие токи, отбирать у генератора большую мощность, тем самым при необходимости сильно притормаживать установку.

Практически все производители изготавливают контроллеры с индивидуальными параметрами, для конкретных моделей ветрогенераторов.

Полезные советы эксплуатации контроллеров

Выбор контроллеров необходимо производить по следующим параметрам:

• величина входного напряжения;
• величина напряжения АБ;
• величина входного тока;
• величина выходного тока.

Максимальное входное напряжение МРРТ-контроллеров должно быть больше величины напряжения холостого хода солнечных батарей как минимум на 20%, рекомендуется коммутировать солнечные батареи таким образов, чтоб их напряжение было примерно в 2 раза больше напряжения аккумуляторов. Максимальный ток от СБ не должен превышать максимально допустимы входной ток в контроллер.

ШИМ-контроллеры подбираются по силе тока КЗ солнечных батарей с запасом не менее 10%, а напряжение, коммутируемых СБ, должно соответствовать напряжению аккумуляторов.

Большинство моделей современных контроллеров оснащаются встроенной компенсацией температуры окружающей среды. При отклонении температуры от стандартного значения, которое обычно принимают +25 ^оС, производится изменение величины напряжения заряда.

Контроллеры заряда в основном предназначены для использования в альтернативных системах на базе свинцово-кислотных АБ. При этом зарядка с помощью таких контроллеров щелочных батарей (литий-ионные, никель-кадмиевые и т. п.) не допускается.

Выводы

Контроллеры заряда необходимо использовать только в тех системах, для которых они предназначены. Если система автономного питания скомпонована на базе двух альтернативных источников (гибридная), то использовать один универсальный контроллер не рекомендуется. В этом случае целесообразно установить два разных контроллера, для каждой подсистемы отдельно или использовать специальный гибридный контроллер.  

Для альтернативных систем автономного питания на базе солнечных батарей эффективней использовать МРРТ-контроллеры, ШИМ контроллеры лучше использовать в небольших системах. Для ветрогенераторов оптимальным выбором является ШИМ-контроллеры.

Перейти к выбору контроллеров