Saules baterijas uzlādes kontrolieris: shēma, darbības princips, pieslēgšanas veidi

Saules enerģētika pagaidām aprobežojas (mājsaimniecības līmenī) ar relatīvi mazas jaudas fotoelektrisko paneļu izveidi. Taču neatkarīgi no saules gaismas pārveidotāja strāvā konstrukcijas, šī ierīce tiek aprīkota ar moduli, ko sauc par saules baterijas uzlādes kontrolieri.

Patiešām, saules gaismas fotosintēzes iekārtas shēmā ietilpst akumulatora baterija – enerģijas uzkrājējs, kas saņem enerģiju no saules paneļa. Tieši šo sekundāro enerģijas avotu vispirms apkalpo kontrolieris.

Šajā mūsu piedāvātajā rakstā izpratīsim šīs ierīces uzbūvi un darbības principus, kā arī apskatīsim tās pieslēgšanas veidus.

Kontrolieri saules baterijām

Elektroniskais modulis, ko sauc par saules baterijas kontrolieri, ir paredzēts, lai veiktu veselu virkni kontrolfunkciju saules baterijas akumulatora uzlādes/izlādes procesā.

Kad uz saules paneļa virsmas, kas uzstādīts, piemēram, uz mājas jumta, krīt saules gaisma, ierīces fotoelementi šo gaismu pārveido par elektrisko strāvu.

Iegūtā enerģija principā varētu tikt pievadīta tieši akumulatoram-uzkrājējam. Tomēr akumulatora uzlādes/izlādes procesam ir savas nianses (noteikti strāvas un sprieguma līmeņi). Ja šīs nianses netiek ņemtas vērā, akumulators īsā darbības laikā vienkārši sabojāsies.

Lai izvairītos no šādām skumjām sekām, ir paredzēts modulis, ko sauc par saules baterijas uzlādes kontrolieri.

Papildus akumulatora uzlādes līmeņa kontrolei modulis arī uzrauga enerģijas patēriņu. Atkarībā no izlādes pakāpes, saules baterijas akumulatora uzlādes kontroliera shēma regulē un nosaka strāvas līmeni, kas nepieciešams sākotnējai un turpmākai uzlādei.

Atkarībā no saules enerģētiskās iekārtas akumulatoru uzlādes kontroliera jaudas, šo ierīču konstrukcijas var būt ļoti dažādas konfigurācijas.

Kopumā, vienkāršiem vārdiem sakot, modulis nodrošina akumulatoram bezrūpīgu «dzīvi», kas periodiski uzkrāj un atdod enerģiju patērētāju ierīcēm.

Praksē izmantojamie veidi

Rūpnieciskā līmenī ir izveidota un tiek veikta divu veidu elektronisko ierīču ražošana, kuru izpilde ir piemērota uzstādīšanai saules enerģētiskās sistēmas shēmā:

1. PWM sērijas ierīces.
2. MPPT sērijas ierīces.

Pirmo veidu saules baterijas kontrolieri var saukt par «vectēviņu». Šādas shēmas tika izstrādātas un ieviestas ekspluatācijā jau saules un vēja enerģētikas sākumā.

PWM kontroliera shēmas darbības princips ir balstīts uz platimpulsu modulācijas algoritmiem. Šādu aparātu funkcionalitāte nedaudz atpaliek no pilnīgākām MPPT sērijas ierīcēm, bet kopumā tie darbojas arī diezgan efektīvi.

Viens no sabiedrībā populāriem saules stacijas akumulatoru uzlādes kontroliera modeļiem, neskatoties uz to, ka ierīces shēma ir izgatavota pēc PWM tehnoloģijas, kuru uzskata par novecojušu

Konstrukcijas, kurās tiek izmantota tehnoloģija Maximum Power Point Tracking (maksimālās jaudas robežas izsekošana), izceļas ar modernu pieeju shēmu tehniskiem risinājumiem un nodrošina lielāku funkcionalitāti.

Bet, salīdzinot abus kontrolieru veidus un, jo īpaši, ar novirzi uz sadzīves sfēru, MPPT ierīces neizskatās tik spožā gaismā, kā tās tradicionāli tiek reklamētas.

MPPT tipa kontrolieris:

• ir augstākas izmaksas;
• ir sarežģīts iestatīšanas algoritms;
• dod jaudas ieguvumu tikai uz ievērojamas platības paneļiem.

Šis aprīkojuma veids ir vairāk piemērots globālās saules enerģētikas sistēmām.

Kontrolieris, kas paredzēts lietošanai saules enerģijas iekārtas konstrukcijas sastāvā. Tas ir MPPT aparātu klases pārstāvis, kas ir modernāks un efektīvāks.

Parastam mājsaimniecības lietotājam, kuram parasti ir mazas platības paneļi, ir izdevīgāk iegādāties un ar tādu pašu efektu izmantot PWM kontrolieri (PWM).

Kontrolieru strukturālās shēmas

PWM un MPPT kontrolieru principiālās shēmas, lai tās aplūkotu ar nespeciālista acīm – tas ir pārāk sarežģīts moments, saistīts ar dziļu elektronikas izpratni. Tāpēc ir loģiski aplūkot tikai struktūras shēmas. Šāda pieeja ir saprotama plašam cilvēku lokam.

Variants #1 – PWM ierīces

Spriegums no saules paneļa pa diviem vadītājiem (plusa un mīnusa) nonāk pie stabilizējošā elementa un atdalītājas rezistīvās ķēdes. Pateicoties šim shēmas posmam, tiek panākta ieejas sprieguma potenciālu izlīdzināšana un zināmā mērā tiek organizēta kontroliera ieejas aizsardzība pret ieejas sprieguma robežas pārsniegšanu.

Šeit jāuzsver: katram atsevišķam aparāta modelim ir noteikta ieejas sprieguma robeža (norādīta dokumentācijā).

Apmēram tā izskatās PWM tehnoloģijās balstītu ierīču struktūras shēma. Izmantošanai mazu mājsaimniecības staciju sastāvā šāda shēmas pieeja nodrošina pilnīgi pietiekamu efektivitāti.

Tālāk spriegums un strāva tiek ierobežoti līdz nepieciešamajam lielumam ar jaudas tranzistoriem. Šie shēmas komponenti savukārt tiek vadīti no kontroliera čipa caur draivera mikroshēmu. Rezultātā uz jaudas tranzistoru pāra izejas tiek uzstādīta normāla sprieguma un strāvas vērtība akumulatoram.

Arī shēmā ir temperatūras sensors un draiveris, kas vada jaudas tranzistoru, ar kuru tiek regulēta slodzes jauda (aizsardzība pret dziļu akumulatora izlādi). Ar temperatūras sensoru tiek kontrolēts svarīgu PWM kontroliera elementu uzkaršanas stāvoklis.

Parasti tas ir temperatūras līmenis korpusa iekšpusē vai uz jaudas tranzistoru radiatoriem. Ja temperatūra iziet ārpus iestatījumos noteiktajām robežām, ierīce atslēdz visas aktīvās barošanas līnijas.

Variants #2 – MPPT ierīces

Shēmas sarežģītība šajā gadījumā ir saistīta ar tās papildināšanu ar veselu virkni elementu, kas izveido nepieciešamo kontroles algoritmu rūpīgāk, ņemot vērā darba apstākļus.

Sprieguma un strāvas līmeņi tiek izsekoti un salīdzināti ar komparatoru shēmām, un pēc salīdzināšanas rezultātiem tiek noteikta maksimālā izejas jauda.

Shēmas risinājums struktūras veidā MPPT tehnoloģijās balstītiem uzlādes kontrolieriem. Šeit jau tiek atzīmēts sarežģītāks kontroles un perifērijas ierīču vadības algoritms.

Galvenā atšķirība starp šāda veida kontrolleriem un PWM ierīcēm ir tā, ka tie spēj pielāgot saules enerģijas moduli maksimālai jaudai neatkarīgi no laikapstākļiem.

Šādu ierīču shēma realizē vairākas kontroles metodes:

• traucējumu un novērošanas;
• pieaugošas vadītspējas;
• strāvas izvērses;
• pastāvīga sprieguma.

Un vispārējās darbības beigu posmā tiek izmantots arī visu šo metožu salīdzināšanas algoritms.

Kontrolieru pieslēgšanas veidi

Aplūkojot pieslēgumu tēmu, uzreiz jāatzīmē: katras atsevišķas ierīces uzstādīšanas raksturīga iezīme ir darbs ar konkrētu saules paneļu sēriju.

Piemēram, ja tiek izmantots kontrolleris, kas paredzēts maksimālajam ieejas spriegumam 100 volti, saules paneļu sērijai izejā jāsniedz spriegums, kas nav lielāks par šo vērtību.

Jebkura saules enerģijas iekārta darbojas pēc pirmā posma izejas un ieejas spriegumu līdzsvara noteikuma. Kontrollera sprieguma augšējā robeža jāatbilst paneļa sprieguma augšējai robežai.

Pirms ierīces pievienošanas ir jānosaka tās fiziskās uzstādīšanas vieta. Saskaņā ar noteikumiem, uzstādīšanas vietai jāizvēlas sausas, labi vēdināmas telpas. Izslēgta viegli uzliesmojošu materiālu klātbūtne ierīces tuvumā.

Nav pieļaujama vibrācijas, siltuma un mitruma avotu klātbūtne ierīces tiešā tuvumā. Uzstādīšanas vieta jāaizsargā no atmosfēras nokrišņiem un tiešiem saules stariem.

PWM modeļu pieslēgšanas tehnika

Gandrīz visi PWM kontrolleru ražotāji pieprasa ievērot precīzu ierīču pievienošanas secību.

PWM kontrolleru savienošanas tehnika ar perifērijas ierīcēm neizceļas ar īpašām grūtībām. Katra plate ir aprīkota ar marķētām spailēm. Šeit vienkārši jāievēro darbību secība.

Perifērijas ierīces jāpievieno pilnībā saskaņā ar kontaktu spaiļu apzīmējumiem:

1. Savienot akumulatora vadus uz ierīces spailēm, kas paredzētas akumulatoram, saskaņā ar norādīto polaritāti.
2. Tieši pozitīvā vada kontakta punktā ieslēgt aizsargdrošinātāju.
3. Uz kontrollera kontaktiem, kas paredzēti saules panelim, nostiprināt vadītājus, kas iziet no saules bateriju paneļiem. Ievērot polaritāti.
4. Pievienot ierīces slodzes izvadiem atbilstoša sprieguma kontroles lampu (parasti 12/24 V).

Norādītā secība nedrīkst tikt pārkāpta. Piemēram, pieslēgt saules paneļus vispirms, kad akumulators nav pievienots, ir stingri aizliegts. Ar šādām darbībām lietotājs riskē "sadedzināt" ierīci. Šajā materiālā sīkāk aprakstīta saules bateriju ar akumulatoru montāžas shēma.

Tāpat PWM sērijas kontrolleriem nav pieļaujams pieslēgt sprieguma invertoru kontrollera slodzes spailēm. Invertors jāpievieno tieši akumulatora spailēm.

MPPT ierīču pieslēgšanas kārtība

Vispārējās fiziskās uzstādīšanas prasības šāda veida aparātiem neatšķiras no iepriekšējām sistēmām. Taču tehnoloģiskā uzstādīšana bieži vien ir nedaudz atšķirīga, jo MPPT kontrolleri parasti tiek uzskatīti par jaudīgākiem aparātiem.

Kontrolieriem, kas paredzēti augstiem jaudas līmeņiem, strāvas ķēžu savienojumos ieteicams izmantot liela šķērsgriezuma kabeļus, kas aprīkoti ar metāla gala uzgaļiem.

Piemēram, jaudīgām sistēmām šīs prasības tiek papildinātas ar to, ka ražotāji iesaka izmantot kabeli strāvas pieslēguma līnijām, kas paredzēts strāvas blīvumam vismaz 4 A/mm². Tas nozīmē, ka, piemēram, kontrollerim ar strāvu 60 A ir nepieciešams kabelis pieslēgšanai akumulatoram ar šķērsgriezumu vismaz 20 mm².

Savienojuma kabeļi obligāti tiek aprīkoti ar vara uzgaļiem, kas cieši saspiesti ar speciālu instrumentu. Saules paneļa un akumulatora negatīvās spailes jāaprīko ar pārejas elementiem ar drošinātājiem un slēdžiem.

Šāda pieeja novērš enerģijas zudumus un nodrošina iekārtas drošu ekspluatāciju.

Jaudīga MPPT kontrollera pieslēguma struktūras shēma: 1 – saules panelis; 2 – MPPT kontrolieris; 3 – spaiļu bloks; 4,5 – kausējamie drošinātāji; 6 – kontrollera barošanas slēdzis; 7,8 – zemējuma kopne

Pirms saules paneļu pievienošanas ierīcei jāpārliecinās, ka spriegums uz spailēm atbilst vai ir mazāks par spriegumu, ko ir atļauts padot uz kontrollera ieeju.

Perifērijas ierīču pievienošana MTTP aparātam:

1. Paneļa un akumulatora slēdžus pārslēgt pozīcijā «izslēgts».
2. Izņemt aizsargdrošinātājus uz paneļa un akumulatora.
3. Savienot ar kabeli akumulatora spailes ar kontrollera spailēm akumulatoram.
4. Pievienot ar kabeli saules paneļa izejas ar kontrollera spailēm, kas apzīmētas ar atbilstošu zīmi.
5. Savienot ar kabeli zemējuma spaili ar «zemes» kopni.
6. Uzstādīt temperatūras sensoru uz kontrollera saskaņā ar instrukciju.

Pēc šīm darbībām jāievieto atpakaļ iepriekš izņemtais akumulatora drošinātājs un jāpārslēdz slēdzis pozīcijā «ieslēgts». Kontrollera ekrānā parādīsies akumulatora noteikšanas signāls.

Pēc tam, pēc nelielas pauzes (1-2 min), ievietot atpakaļ iepriekš izņemto saules paneļa drošinātāju un pārslēgt paneļa slēdzi pozīcijā «ieslēgts».

Ierīces ekrāns parādīs saules paneļa sprieguma vērtību. Šis brīdis norāda uz saules enerģijas iekārtas veiksmīgu palaišanu darbā.

Secinājumi un noderīgs video par tēmu

Rūpniecība ražo daudzplānu ierīces shēmu risinājumu ziņā. Tāpēc nav iespējams sniegt viennozīmīgus ieteikumus attiecībā uz visu bez izņēmuma iekārtu pieslēgšanu.

Tomēr galvenais princips jebkura veida ierīcēm paliek vienāds: bez akumulatora pieslēgšanas kontrollera kopnēm savienojums ar fotoelektriskajiem paneļiem nav pieļaujams. Līdzīgas prasības tiek izvirzītas arī sprieguma invertora iekļaušanai shēmā. Tas ir jāuzskata kā atsevišķs modulis, kas pieslēdzams akumulatoram ar tiešu kontaktu.

Ja Jums ir nepieciešamā pieredze vai zināšanas, lūdzu, dalieties ar tām ar mūsu lasītājiem. Atstājiet savus komentārus zemāk esošajā blokā. Šeit varat uzdot jautājumu par raksta tēmu.