Солнечный контроллер. Для чего нужны и какие бывают контроллеры заряда солнечной батареи? Схема подключения контроллера для каждой солнечной панели

Контроллер очень прост и состоит всего из четырех деталей.

Это мощный транзистор (я использую IRFZ44N выдерживает ток до 49Ампер).

Автомобильное реле-регулятор с управлением по плюсу (ВАЗ "классика").

Резистор120кОм.

Диод по мощнее, чтобы держал ток отдаваемый солнечной панелью (к примеру из автомобильного диодного моста).

Принцип работы тоже очень простой. Пишу для совсем не понимающих в электронике людей, так-как сам в ней ничего не понимаю.

Реле регулятор подключается к АКБ, минус на алюминиевую основу (31к), плюс на (15к), с контакта (68к) провод через резистор подсоединяется к затвору транзистора. У транзистора три лапки, первая это затвор, вторая сток, третья исток. Минус солнечной панели подключается к истоку, а плюс к АКБ, со стока транзистора минус солнечной панели идет на АКБ.

Когда реле-регулятор подключен и работает, то плюсовой сигнал с (68к) отпирает затвор и ток с солнечной панели течет через исток-сток в АКБ, а когда напряжение на АКБ превысит 14 вольт, реле-регулятор отключает плюс и затвор транзистора разряжаясь через резистор на минус закрывается тем самым разрывает минусовой контакт солнечной панели, и она отключается. А когда напряжение немного упадет реле-регулятор снова подаст плюс на затвор, транзистор откроется и снова ток от панели потечет в аккумулятор. Диод на плюсовом проводе СБ нужен чтобы ночью аккумулятор не разряжался, так-как без света солнечная панель сама потребляет электроэнергию.

Ниже наглядный рисунок соединения элементов контроллера.

Я не силен в электронике и может в моей схеме есть какие-то недочеты, но она работает без всяких настроек и работает сразу, и делает то что делают заводские контроллеры для солнечных панелей, а себестоимость всего порядка 200 рублей и час работы.

Ниже не совсем понятная фотография этого контроллера, вот так грубо и неряшливо просто на корпусе ящика закреплены все детали контроллера. Транзистор немного греется и я его закрепил на маленький вентилятор. Параллельно резистору поставил маленький светодиод, который показывает работу контроллера. Когда горит СБ подключена, когда нет значит аккумулятор заряжен, а когда быстро мигает аккумулятор почти заряжен и просто подзаряжается.

Этот контроллер работает уже более полугода и за это время никаких проблем, подключил и все, теперь не слежу за АКБ, все само работает. Это мой второй контроллер, первый я собирал для ветрогенераторов как балластный регулятор, о нем смотрите в предыдущих статьях в разделе мои самоделки.

Внимание - контроллер оказывается не полностью рабочий. После некоторого времени работы вяснилось что транзистор в данной схеме не полностью закрывается, и в аккумулятор все равно продалжает течь ток даже при привышении 14 вольт

Извиняюсь за нерабочую схему, сам долго пользовался и думал что все работает, а оказывается нет, и даже после полной зарядки в аккумулятор все равно идет ток. Транзистор закрывается только на половину при достижении 14 вольт. Схему пока убирать не буду, как время и желание появятся доделаю я этот контроллер и выложу рабочую схему.

А сейчас у меня в качестве контроллера балластный регулятор стоит, который отлично работает уже продрлжительное время. Как только напряжение переваливает за 14 вольт транзистор открывается и включает лампочку, которая сжигает все излишки энергии. Одновременно сейчас две солнечные панели и ветрогенератор на этом балласте.

Основной сложностью использования солнечной энергии в быту является ее накопление. вырабатывает электричество только в период воздействия света, но пользоваться электрикой приходится и вечером и ночью. Напрямую подключать солнечные батареи к аккумуляторам нельзя – сломается и то и другое. Используются специальные устройства – контроллеры солнечных батарей, которые можно собрать своими руками или приобрести готовые.

Виды контроллеров

Существует три типа контроллеров для солнечных батарей, отличающиеся своей функциональностью и ценой соответственно.

Какой выбирать

Как видно из описаний, первый вариант (ON/OFF контроллер) – совсем не подходит для длительного использования. Т.е. если он у вас имеется, то его можно поставить для тестирования работы системы, но затем заменить на ШИМ (PWM) контроллер или MTTP.

Последний – предпочтительнее. Технология MTTP предусматривает КПД контроллера солнечных батарей на уровне 93-97%, тогда как ШИМ дает только 65-70%. Если учитывать стоимость солнечных панелей, то покупка более дорогого контроллера оправдывается эффективностью их использования.

Стоимость

Система электроснабжения от солнечных батарей собирается, прежде всего, для экономии средств, поэтому цена на отдельные детали – очень важный момент. Предлагаемые варианты прошли испытание временем и являются оптимальным по сочетанию цена/качество:

Solar controller 20a ссылка на алиэкспресс (откроется в новом окне) – стоимость 20,75$ - простое управление, яркий ЖК дисплей, понятный интерфейс. Отлично справляется с задачей по заряду АКБ. Технология ШИМ (PWM). Имеется возможность подключения через USB к компьютеру для настройки.
MPPT Tracer 2210RN Solar Charge Controller Regulator ссылка на алиэкспресс (в новом окне), цена 75$ – MTTP контроллер на 20А – качественный и надежный, сертифицированный, распознает день/ночь. Высокий КПД – 97%

Видео, контроллер своими руками

Контроллер для солнечных батарей можно собрать своими руками, однако это тоже требует определенных вложений. Так, на сборку простенького ШИМ контроллера вам придется потратить 10$ на детали и 2-3 часа работы с паяльником. При стоимости готового изделия 20$ - такая перспектива уже не кажется раумной. Собрать качественный MPPT - контроллер в домашних условиях - вообще занятие невозможное, нужно и оборудование и соответствующий софт. Ролик будет полезен тем, кто любит и умеет пользоваться паяльником.

Дополнения к видео: схема контроллера, расположение деталей на печатной плате:

Схема контроллера солнечной батареи LAY печатной платы Расположение деталей на плате

Особую популярность в последнее время приобрели системы, функционирующие автономно, без подключения к электросети. Подобные устройства идеально подходят для работы в замкнутом режиме. Конструкции подобных систем довольно сложные и состоят из нескольких элементов, самым главным из которых является контроллер.

Особенности

Контроллеры заряда имеют несколько немаловажных особенностей. Наиболее важными являются функции защиты, которые служат для повышения степени надежности работы данного устройства.

Необходимо отметить наиболее распространенные в подобных конструкциях разновидности защит:

устройства оснащены надежной защитой от неправильного подсоединения полярности;
очень важно предотвратить вероятность коротких замыканий в нагрузке и на входе, поэтому производители обеспечивают контроллеры надежной защитой от возникновения подобных ситуаций;
немаловажной является защита устройства от молнии, а также различных перегревов;
конструкции контроллеров оснащаются специальной защитой от перенапряжений и разрядки аккумулятора в ночное время суток.

Дополнительно устройство оснащается разнообразными электронными предохранителями и специальными информационными дисплеями. Монитор позволяет узнать необходимую информацию о состоянии аккумулятора и всей системы.

Помимо этого, на экране отображается множество другой немаловажной информации: напряжение аккумуляторной батареи, степень заряда и многое другое.

В конструкцию многих моделей контроллеров входят специальные таймеры, благодаря которым активируется ночной режим работы прибора.

Кроме того, существуют более сложные модели подобных устройств, способные одновременно управлять работой двух независимых друг от друга батарей. В наименовании подобных приборов присутствует приставка Duo.

Необходимо отметить современные модели приборов, которые способны сбрасывать лишнюю энергию на ТЭНы.

Виды

Существует несколько типов контроллеров для заряда солнечных батарей. Наиболее простым и доступным по стоимости прибором является On/Off.

Основным предназначением и преимуществом данного вида приборов является своевременное отключение подачи заряда на аккумулятор. Это свойство аппарата немаловажно: во время достижения оптимального напряжения оно помогает избежать перегревания прибора. При этом обязательно следует упомянуть о недостатке подобного вида устройств – быстрое отключение. После того как будет достигнут максимальный ток, нужно в течение примерно двух часов поддержать процесс заряда, однако данный прибор отключает его сразу. Степень заряда аккумулятора в этом случае будет порядка 70 процентов, что значительно ниже необходимого значения. Этот показатель оказывает негативное влияние на работу аккумуляторной батареи.

Второй тип контроллеров для заряда солнечной батареи – электронный прибор PWM. Выпуск подобной конструкции был налажен сравнительно давно. В основу работы устройства заложены специальные алгоритмы широтно-импульсной модуляции. Несмотря на это, подобные приборы достаточно эффективны. PWM-устройства являются оптимальным вариантом для использования в бытовых условиях.

Более современное электронное устройство – МРРТ. Прибор оснащен новейшими технологиями, направленными на отслеживание максимальной степени мощности. Это в несколько раз увеличивает эффективности и функциональность данного устройства. Однако, несмотря на это, необходимо отметить, что при выборе устройства для использования в бытовых условиях следует выбирать прибор из серии PWM. Это обусловлено высокой стоимостью приборов из серии МРРТ, а также сложной настройкой. Подобные устройства являются оптимальным вариантом для применения в системах масштабной солнечной энергетики.

Если вы хотите подобрать гибридный вариант, тогда, прежде всего, необходимо понять, как микроконтроллер работает (принцип работы и ШИМ).

Как выбрать

Выбирая подходящий контроллер для заряда солнечной батареи, необходимо обратить особое внимание на несколько очень важных критериев.

На первом месте стоит входящее напряжение. Максимальное значение данного показателя должно соответствовать определенным нормам. В конструкциях подобных устройств иногда используются несколько батарей. Поэтому напряжение на схему прибора идет одновременно от всех батарей, соединенных различными способами. Чтобы прибор правильно функционировал, необходимо определенное напряжение, показатели которого не должны превышать предусмотренные производителем нормы.

Для расчета значения мощности за основу берется показатель напряжения при разряженных аккумуляторах аппарата. При этом необходимо перемножить показатели выходного тока и напряжение, которое вырабатывается солнечной батареей. После этого следует добавить к полученному результату 20 процентов на резерв.

Еще одним важным критерием при выборе контроллера является вид нагрузки. Не следует использовать устройство для подключения различных бытовых приборов. Это приведет к выводу контроллера из строя, что обусловлено использованием в конструкции прибора различных технологий, которые учитывают всю нагрузку, заложенную в свойствах аккумулятора. Чтобы избежать возникновения подобных ситуаций, необходимо использовать устройство строго по назначению.

Схема установки

Вы можете сделать самодельный вариант своими руками и настроить его, если будете учитывать все наши рекомендации.

Следует отметить, что при подключении каждого типа подобных приборов необходимо использовать максимально соответствующий вид солнечных панелей. Например, при использовании устройства, рассчитанного на входное напряжение порядка 100 вольт, следует воспользоваться солнечными панелями, у которых подобный показатель на выходе соответствует данному значению.

Прежде чем приступить к подключению прибора, следует определиться с наиболее подходящим местом для его установки. Оптимальным решением данного вопроса является сухое, хорошо проветриваемое помещение. Категорически не рекомендуется располагать рядом с аппаратом легковоспламеняющиеся материалы. Помимо этого, категорически недопустимо расположение устройства очень близко к различным источникам вибрации, влажности, а также разнообразным обогревателям и печам. Место для размещения аппарата должно быть надежно защищено от различных атмосферных осадков и прямых солнечных лучей.

Последовательность подключения устройств PWM

Чтобы добиться максимального эффекта от использования подобного устройства, необходимо точно следовать инструкции, а также соблюдать определенную последовательность при подключении аппарата. Процесс подсоединения приборов PWM и различных периферийных устройств не вызовет больших затруднений – справиться с данной задачей сможет любой человек.

Каждая конструкция оснащена специальными маркированными клеммами.

Подключение периферийных устройств необходимо осуществлять в точном соответствии с обозначениями на контактных клеммах:

необходимо соединить аккумулятор и аккумуляторную батарею при помощи специального провода и клеммы, внимательно соблюдая полярность;
к определенному положительному проводу нужно подсоединить предохранитель, предназначенный для защиты прибора;
на соответствующих контактах контроллера следует зафиксировать специальные проводники, выходящие от батареи солнечных панелей, при этом также нужно тщательно соблюдать полярность;
следует подсоединить к определенным выходам аппарата специальную лампу для контроля соответствующего напряжения.

Не следует нарушать указанную последовательность. Например, категорически не рекомендуется подсоединять к контроллеру при отключенном аккумуляторе солнечные панели – это может привести к поломке аппарата. Инвертор конструкции нужно соединять с аккумуляторной батареей при помощи специальных клемм.

Порядок подключения приборов MPPT

Общие правила подключения этого типа аппаратов практически идентичны монтажу других видов приборов. Однако технология установки немного отличается, так как контроллеры MPPT относятся к более мощным устройствам.

Для конструкций, рассчитанных на высокую мощность, для соединения силовых цепей необходимо использовать электрокабели с большим сечением.

Соединительные электрокабели обязательно должны быть оснащены специальными наконечниками , выполненными из меди, которые необходимо предварительно обжать с помощью определенного инструмента. Отрицательные клеммы солнечной панели и аккумулятора следует оснастить специальными переходниками с предохранителями и выключателями. Благодаря подобному оснащению конструкции прибора можно добиться значительного сокращения потери энергии и гарантированной максимально безопасной эксплуатации конструкции.

Предварительно перед подключением прибора обязательно следует убедиться, что напряжение на клеммах соответствует либо имеет значение меньше допустимой нормы, которая необходима для подачи на вход контроллера.

Подсоединение периферии к аппарату MTTP:

предварительно следует отключить прибор и аккумулятор при помощи специальных выключателей;
необходимо демонтировать специальные предохранители на солнечной панели и аккумуляторе;
нужно подсоединить при помощи электрокабеля и клемм аккумулятор и контроллер;
подключить с помощью специального провода и клемм солнечную панель с аппаратом (данные элементы обозначены соответствующими знаками);
соединить с помощью электрокабеля определенную клемму заземления с шиной «земли»;
установить на конструкции специальный датчик, определяющий температуру.

Преобразующие энергию солнца в электрический ток, не имеют движущихся частей, поэтому экономичны, надежны и находят все более широкое применение. В составе таких устройств несколько компонентов, каждый из которых выполняет свою функцию.

Наиболее «продвинутые» комплекты содержат , преобразующий постоянное напряжение 12в в переменное 220в. Это позволяет подключать к автономной системе питания обычные сетевые приборы, такие, как телевизор и радиоприемник.

Обязательным элементом, необходимым для эффективной работы всей системы, является контроллер заряда.

Главная задача контроллера заряда – распределение потоков электрической энергии, полученной от солнечной панели. Поддержание стабильного напряжения на выходе, а также исключения перезаряда или полного разряда встроенного в систему .

Таким образом, значительно увеличивается срок службы дорогостоящей аккумуляторной батареи.

Основные функции

Энергосистема с использованием контроллера. (Для увеличения нажмите)

Контроллер осуществляет:

Выбор оптимального тока заряда аккумулятора .
Отключение аккумулятора при заряде до установленного предела .

Не обязательно покупать такой контроллер в специализированном магазине. Имея паяльник и минимальные знания в электротехнике, можно собрать схему начального уровня самостоятельно.

Есть несколько типов таких устройств. Простейшие имеют только одну функцию: подключает и отключает батарею в зависимости от уровня заряда.

Сложные устройства отслеживают пиковую мощность, поэтому гарантируют больший выходной ток, что увеличивает КПД системы.

Каждый контроллер обязан соответствовать требованиям:
1,2P ≤ I×U, где P – общая мощность панелей; I – ток на выходе контроллера; U – напряжение на выходе под нагрузкой.

Разбор конкретной схемы

В качестве примера рассмотрим гибридный источник для питания аварийного освещения или системы охранной сигнализации дома, которая должна работать круглосуточно.

Питание на основе солнечной панели в дневное время позволяет не только значительно сократить потребление электроэнергии от сети, но и обезопасить оборудование от веерных отключений.

В темное время суток схема переходит на питание от сети 220в. Резервным источником питания является аккумуляторная батарея (АКБ) на 12 в, 4.5 А/ч. Такая система будет работать эффективно в любую погоду.

Схема простого контроллера

Цоколевка транзистора.

Фоторезистор LDR управляет транзисторами T1 и T2. На рисунке слева приводится цоколевка транзисторов, где Е (1) – эмиттер, С (2) – коллектор, В (3) – база.

В светлое время суток фоторезистор освещен и транзисторы закрыты. Поэтому питание 12 вольт подается на АКБ от панели (Solar pаnеl) через диод D2.

Он же препятствует разряду аккумулятора через панель. При хорошем освещении панель мощностью 15 Вт обеспечивает ток в 1 А.

Когда батарея полностью зарядится до 11,6 в, стабилитрон ZD пробивается и зажигается светодиод красного цвета (LED Red). При уменьшении напряжения на клеммах аккумулятора до 11в, светодиод гаснет. Это значит, что аккумулятор нуждается в зарядке. Резисторы R1, R3 ограничивают ток стабилитрона и светодиода.

В темное время суток сопротивление фоторезистора LDR уменьшается, включаются транзисторы T1, T2 . АКБ заряжается через блок питания. Зарядный ток от сети 220в через трансформатор, диодный мост D3 - D6, резистор R4, транзистор T2 и диод D1 поступает на аккумулятор. Конденсатор C2 сглаживает пульсации сетевого напряжения.

Порог освещенности, при которой срабатывает фотодатчик LDR, настраивается с помощью переменного резистора VR1.

Одним из важнейших компонентов домашней солнечной электростанции является контроллер заряда аккумуляторов. Именно это устройство следит за процессом заряда/разряда аккумуляторов, поддерживая оптимальный режим их работы. Существует множество схем контроллеров для солнечных батарей – от самых простых, выполненных порою кустарным способом, до очень сложных, с применением микропроцессоров. Причем контроллеры заряда для солнечных батарей, сделанные своими руками, частенько работают лучше аналогичных промышленных устройств такого же типа.

Для чего нужны контроллеры заряда аккумуляторов

Если аккумулятор подсоединить напрямую к клеммам солнечных батарей, то заряд его будет происходить непрерывно. В конечном итоге на уже полностью заряженный аккумулятор будет продолжать поступать ток, что вызовет повышение напряжения на несколько вольт. В результате происходит перезаряд АКБ, повышается температура электролита, причем эта температура достигает таких значений, что электролит закипает, происходит резкий выброс паров из банок аккумулятора. Как следствие, может произойти полное испарение электролита и высыхание банок. Естественно, это не добавляет «здоровья» аккумулятору и резко снижает ресурс его работоспособности.

Контроллер в системе солнечного заряда аккумуляторов

Вот, чтобы не допустить подобных явлений, чтобы оптимизировать процессы заряда/разряда, и нужны контроллеры.

Три принципа построения контроллеров заряда

По принципу действия различают три типа солнечных контроллеров.
Первый, самый простой тип – это устройство, выполненное по принципу «On/Off» («Вкл./Выкл.»). Схема такого аппарата представляет собой простейший компаратор, который включает или выключает цепь заряда в зависимости от значения напряжения на клеммах аккумулятора. Это самый простой и дешевый тип контроллеров, но и способ, которым он производит заряд, самый ненадежный. Дело в том, что контроллер отключает цепь заряда по достижении предельного значения напряжения на клеммах аккумуляторной батареи. Но при этом не происходит полного заряда банок. Максимально достигается не более 90% заряда от номинального значения. Вот такой постоянный недобор заряда значительно уменьшает работоспособность аккумулятора и срок его работы.

Вольт-амперная характеристика солнечного модуля

Второй тип контроллеров – это устройства, построенные по принципу ШИМ (широтно-импульсной модуляции). Это более сложные аппараты, в которых кроме дискретных компонентов схемы имеются уже и элементы микроэлектроники. Аппараты на базе ШИМ (англ. – PWM) осуществляют зарядку аккумуляторов ступенчато, выбирая оптимальные режимы заряда. Эта выборка производится автоматически и зависит от того, как глубоко разряжены АКБ. Контроллер повышает напряжение, одновременно понижая силу тока, обеспечивая тем самым полную зарядку аккумуляторной батареи. Большой недостаток ШИМ-контроллера – заметные потери в режиме зарядки аккумулятора – теряются до 40%.

Третий тип – это контроллеры MPPT , то есть работающие по принципу отыскания точки максимальной мощности солнечного модуля. В процессе работы устройства этого типа используют максимально доступную мощность для любого режима заряда. По сравнению с другими, аппараты этого типа отдают на заряд аккумуляторных батарей примерно на 25% - 30% больше энергии, чем другие аппараты.

Заряд АКБ производится меньшим напряжением, чем это делают контроллеры других типов, но большей силой тока. Коэффициент полезного действия аппаратов MPPT достигает 90% - 95%.

Простейший самодельный контроллер

При самостоятельном изготовлении любого контроллера необходимо обязательно соблюдать определенные условия. Во-первых, максимальное напряжение на входе должно быть равным напряжению АКБ без нагрузки. Во-вторых, должно быть выдержано соотношение: 1,2P

Этот аппарат предназначен для работы в составе солнечной электростанции малой мощности. Принцип работы контроллера предельно прост. Когда напряжение на клеммах аккумуляторов достигнет заданного значения, заряд прекращается. В дальнейшем производится только так называемый капельный заряд.

Контроллер, смонтированный на печатной плате

При падении напряжения ниже установленного уровня подача энергии на аккумуляторы возобновляется. Если при работе на нагрузку в отсутствии заряда напряжение АКБ будет ниже 11 вольт, контроллер отключит нагрузку. Тем самым исключается разряд аккумуляторов в период отсутствия солнца.

Аналоговый контроллер для маломощных гелиевых систем

Аналоговые устройства используются, в основном, в гелиевых системах, имеющих небольшую мощность. В мощных системах целесообразно применять цифровые последовательные аппараты типа MPPT. Эти контроллеры прерывают зарядный ток, когда аккумулятор будет полностью заряжен. В предлагаемой схеме аналогового контролера используется параллельное подключение. При таком подключении солнечный модуль всегда соединен с аккумулятором через специальный диод. Когда напряжение на аккумуляторе достигнет заданного значения, контроллер параллельно солнечному модулю включает цепь нагрузочного сопротивления, которое принимает на себя избыток энергии от модуля.

Это устройство было разработано и собрано под конкретную систему, состоящую из солнечной панели с 36 ячейками, с выходным напряжением холостого хода 18 вольт и с током короткого замыкания до одного ампера. Емкость аккумулятора до 50 ампер-часов, при номинальном напряжении 12 вольт. Перед тем, как включить собранный аппарат в рабочую конфигурацию системы, необходимо произвести его настройку. Для быстрой настройки нужно взять предварительно заряженный аккумулятор. Солнечную батарею с соблюдением полярности нужно подключить к клеммам PV по схеме, а аккумулятор – к клеммам ВАТ. К клеммам аккумулятора необходимо также подключить цифровой вольтметр.

Теперь для получения максимальной отдачи от солнечной батареи, нужно сориентировать ее на солнце. После этого медленно поворачивать винт двадцатиоборотного переменного резистора номиналом в 100 кОм. Вращение винта производится до тех пор, пока светодиод не начнет мигать. После того, как начнется мигание, винт следует продолжать медленно поворачивать до тех пор, пока вольтметр не покажет значение напряжения на клеммах аккумулятора, равное желаемому. На этом настройка устройства завершена.

В процессе эксплуатации системы при достижении напряжением на клеммах аккумулятора предельного значения светодиод начинает выдавать краткие световые импульсы с длительными промежутками. При продолжении заряда аккумулятора длительность световых импульсов увеличивается, а интервал между ними, наоборот, сокращается.

Разумеется, при наличии определенных знаний и навыков можно собрать и более сложное устройство, например, MPPT, но если речь заходит о покупке дорогостоящего оборудования для домашней электростанции, то, вероятно, есть смысл все-таки купить промышленный аппарат, на который распространяется к тому же и гарантия изготовителя. И не подвергать аккумуляторные батареи риску повреждения.