Regulátor nabíjania solárnej batérie: schéma, princíp fungovania, spôsoby zapojenia

Solárna energetika sa zatiaľ obmedzuje (na domácej úrovni) na vytváranie fotovoltaických panelov s relatívne nízkym výkonom. Bez ohľadu na konštrukciu fotovoltaického meniča slnečného svetla na prúd však toto zariadenie je vybavené modulom, ktorý sa nazýva regulátor nabíjania solárnej batérie.

V skutočnosti do schémy inštalácie fotosyntézy slnečného svetla je zahrnutá akumulátorová batéria – zásobník energie získanej zo solárneho panela. Práve tento sekundárny zdroj energie je obsluhovaný predovšetkým regulátorom.

V nami predloženom článku sa oboznámime s konštrukciou a princípmi činnosti tohto zariadenia a tiež sa pozrieme na spôsoby jeho pripojenia.

Regulátory pre solárne batérie

Elektronický modul, nazývaný regulátorom pre solárnu batériu, je určený na vykonávanie celého radu kontrolných funkcií v procese nabíjania/vybíjania akumulátora solárnej batérie.

Keď na povrch solárneho panela, nainštalovaného napríklad na streche domu, dopadá slnečné svetlo, fotoelementy zariadenia toto svetlo premieňajú na elektrický prúd.

Získaná energia by v podstate mohla byť privádzaná priamo na akumulátor. Avšak proces nabíjania/vybíjania batérie má svoje zvláštnosti (určité úrovne prúdov a napätí). Ak sa tieto zvláštnosti zanedbajú, batéria v krátkom čase prevádzky jednoducho zlyhá.

Aby sa predišlo takýmto smutným následkom, je určený modul nazývaný ovládač nabíjania pre solárnu batériu.

Okrem kontroly úrovne nabitia akumulátora modul tiež sleduje spotrebu energie. V závislosti od stupňa vybitia sa obvodom ovládača nabíjania akumulátora zo solárnej batérie reguluje a nastavuje úroveň prúdu potrebná na počiatočné a následné nabíjanie.

V závislosti od výkonu ovládača nabíjania akumulátorových batérií solárneho energetického zariadenia môžu mať konštrukcie týchto zariadení veľmi rôznu konfiguráciu.

Vo všeobecnosti, ak to povieme jednoducho, modul zabezpečuje bezstarostný „život“ pre batériu, ktorá periodicky akumuluje a odovzdáva energiu spotrebným zariadeniam.

Druhy používané v praxi

Na priemyselnej úrovni je zavedená a realizovaná výroba dvoch typov elektronických zariadení, ktorých prevedenie je vhodné na inštaláciu do schémy solárneho energetického systému:

1. Zariadenia série PWM.
2. Zariadenia série MPPT.

Prvý typ ovládača pre solárnu batériu možno nazvať „starčekom“. Takéto schémy boli vyvíjané a zavádzané do prevádzky už na úsvite vzniku solárnej a veternej energetiky.

Princíp činnosti schémy PWM ovládača je založený na algoritmoch pulzno-šírkovej modulácie. Funkčnosť takýchto zariadení je o niečo nižšia ako u dokonalejších zariadení série MPPT, ale celkovo fungujú tiež celkom efektívne.

Jeden z populárnych v spoločnosti modelov ovládača nabíjania batérie solárnej stanice, napriek tomu, že schéma zariadenia je vyhotovená podľa technológie PWM, ktorá sa považuje za zastaranú.

Konštrukcie, kde sa uplatňuje technológia Maximum Power Point Tracking (sledovanie maximálnej hranice výkonu), sa vyznačujú moderným prístupom k obvodovým riešeniam a poskytujú väčšiu funkčnosť.

Ale ak porovnáme oba typy ovládačov, a najmä s priklonením k domácej sfére, MPPT zariadenia nevyzerajú v takom ružovom svetle, v akom sú tradične propagované.

Ovládač typu MPPT:

• má vyššiu cenu;
• má zložitý algoritmus nastavenia;
• poskytuje výkonnostnú výhodu len na paneloch veľkej plochy.

Tento typ zariadenia je vhodnejší pre systémy globálnej slnečnej energetiky.

Regulátor určený na prevádzku v rámci konštrukcie solárneho energetického zariadenia. Je predstaviteľom triedy zariadení MPPT, ktoré sú dokonalejšie a efektívnejšie.

Pre potreby bežného používateľa z domáceho prostredia, ktorý má spravidla panely malej plochy, je výhodnejšie kúpiť a s rovnakým efektom prevádzkovať PWM regulátor.

Blokové schémy regulátorov

Principiálne schémy regulátorov PWM a MPPT na posúdenie laickým pohľadom – to je príliš zložitá záležitosť spojená s jemným porozumením elektroniky. Preto je logické zvážiť iba štrukturálne schémy. Takýto prístup je zrozumiteľný širokému okruhu ľudí.

Variant #1 – zariadenia PWM

Napätie zo solárneho panelu cez dva vodiče (kladný a záporný) prichádza na stabilizačný prvok a  deliacu odporovú reťaz. Vďaka tejto časti schémy sa dosahuje vyrovnanie potenciálov vstupného napätia a do určitej miery organizuje ochrana vstupu regulátora pred prekročením hranice vstupného napätia.

Tu treba zdôrazniť: každý jednotlivý model zariadenia má konkrétnu hranicu vstupného napätia (uvedené v dokumentácii).

Takto približne vyzerá štrukturálna schéma zariadení vyhotovených na báze PWM technológií. Pre prevádzku v rámci malých domácich staníc takýto obvodový prístup zabezpečuje celkom dostatočnú účinnosť.

Ďalej sa napätie a prúd obmedzujú na potrebnú veľkosť výkonovými tranzistormi. Tieto komponenty schémy sú zasa riadené čipom regulátora cez integrovaný obvod drivera. V dôsledku toho sa na výstupe dvojice výkonových tranzistorov nastavuje normálna hodnota napätia a prúdu pre batériu.

Tiež je v schéme prítomný snímač teploty a driver, ktorý riadi výkonový tranzistor, pomocou ktorého sa reguluje výkon záťaže (ochrana pred hlbokým vybitím batérie). Snímačom teploty sa kontroluje stav zahriatia dôležitých prvkov regulátora PWM.

Zvyčajne ide o úroveň teploty vo vnútri krytu alebo na chladičoch výkonových tranzistorov. Ak teplota prekročí hranice nastavené v konfigurácii, prístroj odpojí všetky vedenia aktívneho napájania.

Variant #2 – zariadenia MPPT

Zložitosť schémy je v tomto prípade spôsobená jej doplnením celým radom prvkov, ktoré vytvárajú potrebný algoritmus riadenia dôkladnejšie, vychádzajúc z pracovných podmienok.

Úrovne napätia a prúdu sú sledované a porovnávané obvodmi komparátorov a na základe výsledkov porovnania sa určuje maximum výkonu na výstupe.

Štrukturálne riešenie pre regulátory nabíjania založené na technológii MPPT. Už tu zaznamenávame zložitejší algoritmus kontroly a riadenia periférnych zariadení.

Hlavný rozdiel medzi týmito regulátormi a zariadeniami PWM je v tom, že dokážu prispôsobiť solárny modul na maximálny výkon bez ohľadu na poveternostné podmienky.

Obvodom týchto zariadení sa realizuje niekoľko metód kontroly:

• rušenia a pozorovania;
• rastúcej vodivosti;
• prúdového rozvinutia;
• konštantného napätia.

A v záverečnej časti celkovej činnosti sa používa aj algoritmus porovnávania všetkých týchto metód.

Spôsoby pripojenia regulátorov

Pri téme pripojení treba hneď poznamenať: pre inštaláciu každého jednotlivého zariadenia je charakteristická práca s konkrétnou sériou solárnych panelov.

Napríklad, ak sa používa regulátor určený na maximálne vstupné napätie 100 voltov, séria solárnych panelov musí na výstupe dodávať napätie nie väčšie ako táto hodnota.

Každé solárne energetické zariadenie funguje podľa pravidla rovnováhy výstupného a vstupného napätia prvého stupňa. Horná hranica napätia regulátora musí zodpovedať hornej hranici napätia panelu.

Pred pripojením zariadenia je potrebné určiť miesto jeho fyzickej inštalácie. Podľa pravidiel by sa miestom inštalácie mali vyberať suché, dobre vetrané miestnosti. Vylučuje sa prítomnosť horľavých materiálov v blízkosti zariadenia.

Nie je prípustná prítomnosť zdrojov vibrácií, tepla a vlhkosti v bezprostrednej blízkosti zariadenia. Miesto inštalácie je potrebné chrániť pred poveternostnými zrážkami a priamym slnečným žiarením.

Technika pripojenia modelov PWM

Prakticky všetci výrobcovia PWM regulátorov vyžadujú dodržiavanie presnej postupnosti pripojenia zariadení.

Technika pripojenia PWM regulátorov k periférnym zariadeniam nie je mimoriadne zložitá. Každá doska je vybavená označenými svorkami. Tu jednoducho treba dodržiavať postupnosť krokov.

Periférne zariadenia je potrebné pripájať v úplnom súlade s označeniami kontaktných svoriek:

1. Pripojte vodiče batérie na svorky zariadenia pre akumulátor podľa uvedenej polarity.
2. Priamo v mieste kontaktu kladného vodiča vložte ochrannú poistku.
3. Na kontaktoch regulátora určených pre solárny panel upevnite vodiče vychádzajúce z fotovoltaického panela. Dodržujte polaritu.
4. Pripojte k výstupom záťaže zariadenia kontrolnú lampu príslušného napätia (zvyčajne 12/24 V).

Uvedená postupnosť sa nesmie narušiť. Napríklad pripájať solárne panely ako prvé bez pripojenej batérie je kategoricky zakázané. Takýmito úkonmi používateľ riskuje, že prístroj „spáli“. V tomto materiáli je podrobnejšie opísaná schéma zapojenia solárnych batérií s batériou.

Tiež pre regulátory série PWM je neprípustné pripojenie meniča napätia na svorky záťaže regulátora. Menič by sa mal pripájať priamo na svorky batérie.

Postup pripojenia zariadení MPPT

Všeobecné požiadavky na fyzickú inštaláciu tohto typu zariadení sa nelíšia od predchádzajúcich systémov. Technologické nastavenie je však často trochu odlišné, pretože regulátory MPPT sú často považované za výkonnejšie zariadenia.

Pre regulátory určené na vysoké úrovne výkonov sa na spojenia výkonových obvodov odporúča používať káble veľkých prierezov vybavené kovovými koncovkami.

Napríklad pre výkonné systémy sú tieto požiadavky doplnené tým, že výrobcovia odporúčajú brať kábel pre vedenia výkonových pripojení navrhnutý na prúdovú hustotu najmenej 4 A/mm². To znamená, napríklad pre regulátor na prúd 60 A je potrebný kábel na pripojenie k batérii s prierezom najmenej 20 mm².

Pripojovacie káble musia byť vybavené medenými koncovkami pevne stlačenými špeciálnym nástrojom. Záporné svorky solárneho panela a batérie je potrebné vybaviť adaptérmi s poistkami a vypínačmi.

Tento prístup vylučuje energetické straty a zabezpečuje bezpečnú prevádzku zariadenia.

Bloková schéma zapojenia výkonného regulátora MPPT: 1 – solárny panel; 2 – regulátor MPPT; 3 – svorkovnica; 4,5 – tavné poistky; 6 – vypínač napájania regulátora; 7,8 – zemniaca lišta.

Pred pripojením solárnych panelov k prístroju by ste sa mali uistiť, že napätie na svorkách zodpovedá alebo je nižšie ako napätie, ktoré je možné priviesť na vstup regulátora.

Pripojenie periférií k zariadeniu MTTP:

1. Vypínače panela a batérie prepnite do polohy „vypnuté“.
2. Vyberte ochranné poistky na paneli a batérii.
3. Pripojte káblom svorky batérie k svorkám regulátora pre batériu.
4. Pripojte káblom vývody solárneho panela k svorkám regulátora označeným príslušným znakom.
5. Pripojte káblom uzemňovaciu svorku k zemniacej lište.
6. Nainštalujte teplotný senzor na regulátor podľa pokynov.

Po týchto úkonoch je potrebné vložiť na miesto predtým vybratú poistku batérie a prepnúť vypínač do polohy „zapnuté“. Na displeji regulátora sa zobrazí signál detekcie batérie.

Potom, po krátkej pauze (1-2 min), vložte na miesto predtým vybratú poistku solárneho panela a prepnite vypínač panela do polohy „zapnuté“.

Displej zariadenia ukáže hodnotu napätia solárneho panelu. Tento moment svedčí o úspešnom spustení solárneho energetického systému do prevádzky.

Závery a užitočné video k téme

Priemysel vyrába zariadenia, ktoré sú z hľadiska schém viacplánové. Preto nie je možné dať jednoznačné odporúčania týkajúce sa pripojenia všetkých zariadení bez výnimky.

Hlavný princíp pre všetky typy zariadení však zostáva jednotný: bez pripojenia batérie k zberniciam regulátora nie je prípustné spojenie s fotovoltaickými panelmi. Rovnaké požiadavky platia aj pre zapojenie do schémy napäťového invertora. Ten treba považovať za samostatný modul, ktorý sa pripája k batérii priamym kontaktom.

Ak máte potrebné skúsenosti alebo znalosti, podeľte sa o ne s našimi čitateľmi. Zanechajte svoje komentáre v bloku nižšie. Tu môžete položiť otázku k téme článku.