Избор на соларни зарядни контролери

• Контролерът предотвратява свръхзареждане и може да обърне потока на енергия, когато слънчевите панели не генерират електричество
  
  
• Свръхзареждането и дълбокото разреждане на акумулатора се откриват чрез измерване на нивото на напрежението в свързания акумулатор
  
  
• Контролерите за зареждане се оразмеряват в зависимост от тока и напрежението на фотоволтаичната инсталация

Зарядният контролер играе съществена роля във всяка соларна система, тъй като регулира зареждането на акумулатора, като ограничава тока, който протича към и от акумулатора на системата. Чрез контролиране на потока на енергия от фотоволтаичните панели, зарядният контролер може да предотврати проблеми със свръхзареждането и да обърне потока на енергия, когато слънчевите панели не генерират електричество. Той също така предотвратява разреждането на акумулатора, като изключва системата, ако съхранената енергия спадне под 50% от капацитета, и контролира напрежението при зареждането на акумулаторите. Това спомага за запазването на дълготрайността на акумулатора.

Въпреки че контролерът играе толкова важна роля за изправността на оборудването и безпроблемното зареждане, малко хора знаят как точно да определят правилния модул за своята инсталация за соларна енергия.

Функции на контролерите

В повечето зарядни контролери токът на заряд преминава през полупроводник, който функционира като “регулатор” за управление на тока. Освен че контролерите предотвратяват свръхзареждането на акумулаторите, като намаляват потока на енергия към тях, след като се достигне определено напрежение, контролерите на зареждането изпълняват и някои други важни функции, включително защита от претоварване, прекъсване при ниско напрежение и блокиране на обратния ток.

Ако силата на тока, който протича към акумулатора, е много по-висока от тази на тока, с който веригата може да се справи, системата може да се претовари. Това може да доведе до прегряване или дори пожар. Контролерите за зареждане предотвратяват възникването на такива претоварвания. При по-големи системи се препоръчва двойна защита с прекъсвачи или предпазители. Когато напрежението спадне под определен праг контролерът изключва некритичните товари на акумулатора. При зареждане автоматично се включват към акумулатора. Това предотвратява прекомерно разреждане.

Свръхзареждането и дълбокото разреждане на акумулатора се откриват чрез измерване на нивото на напрежението в свързания акумулатор. При свръхзареждане напрежението му се увеличава над определено ниво, по подобен начин в случай на дълбоко разреждане напрежението на акумулатора спада под определено ниво.

Контролерът може да изключи акумулатора и при двете положения. Той свързва отново акумулатора, когато нивото на напрежението достигне нормалното работно ниво.

За да се елиминира увеличаването на тока, се произвеждат контролери за системи с висока мощност за номинални работни напрежения от 36, 48 и 60 V. Напрежението на контролерите е кратно на напрежението от 12 V.

Типове контролери

Основното предназначение на контролера е да регулира мощността, която преминава от фотоволтаичните клетки към акумулаторите. Поради свръхзареждане нивото на напрежението на акумулатора достига високa стойност и контролерът на заряда го изключва от PV модула (или зареждащия DC източник), но когато нивото на напрежението падне поради използване на заряда от товара, контролерът открива този спад на напрежението и свързва отново PV модула, за да зареди.

Най-опростените зарядни контролери единствено следят напрежението на акумулатора и отварят веригата, когато трябва да преустановят зареждането при повишаване на напрежението в акумулатора до определено ниво. По-старите контролери отварят и затварят веригата с помощта на механично реле.

Зарядните контролери, които най-често се внедряват в съвременните фотоволтаични енергийни системи, са предимно от два типа. Това или са контролери, използващи широчинно-импулсна модулация (Pulse Width Modulation – PWM), или контролери за проследяване на максимална мощност (MPPT).

PWM контролерът може постепенно да намалява мощността, подавана към акумулаторите, когато се достигне определено ниво близо до пълно зареждане. Този тип контролери позволяват пълноценно зареждане с по-малко натоварване на акумулатора, като така удължава живота му. Те също така могат да поддържат акумулаторите в напълно заредено състояние за неопределено време. Технологията на контролерите с широчинно-импулсна модулация е по-сложна, но при тях отсъства механичен способ за прекъсване на веригата.

Недостатък на контролерите с широчинно-импулсна модулация е, че номиналното напрежение на панела трябва да е близо или да съвпада с това на зареждания акумулатор. При дъждовно или по-мрачно време е възможно намаляване на ефективността на контролера поради спад на напрежението, като този тип контролери демонстрира по-нисък коефициент на ефективност при много горещо време.

Тъй като изходната мощност, произведена в модулите, зависи от слънчевото излъчване и температурата на клетките, съществува уникална работна точка, при която се достига максимална мощност на РV модулите в една система. При достигането й се предоставя максимална мощност на товара. За да се постигне максимална ефективност на фотоволтаичната енергийна инсталация, е необходимо да се следи достигането на тази точка, наречена точка на максималната мощност (MPP). Траекторията на тази точка има нелинейно отклонение от РV радиацията и температурата на клетката. По този начин, за да работи една РV система в точката си на максимална мощност, системата трябва да съдържа контролер за следене на точката на максимална мощност (MPPT). Този тип контролери са ефективни при използване на пълната мощност на соларните панели за зареждане на акумулаторите.

При MPPT контролерите токът протича от панела при максимално напрежение, но те също така ограничават изходното напрежение, за да гарантират, че акумулаторът няма да се свръхзареди. Контролер за следене на точката на максимална мощност (MPPT), комбиниран с DC/DC преобразувател, позволява на РV генератор да произвежда максимална мощност продължително, независимо от метеорологичните условия. MPPT контролерите на зареждането следят и регулират входната мощност, за да регулират тока от фотоволтаичната система, като в резултат на това общата мощност се увеличава и може да се очаква ефективност от 90% или по-висока.

Както MPPT контролерите, така и PWM контролерите регулират скоростта на зареждане в зависимост от нивото на зареждане на акумулатора, за да позволят зареждане близо до максималния капацитет на акумулатора, както и да следят температурата му, за да се предотврати прегряване.

Ако постигането на максимален капацитет на зареждане бе единственият фактор, който се взема предвид при избора на заряден контролер, всеки би използвал MPPT контролери. Но двете технологии са различни и всяка има своите предимства. Решението зависи от условията на работа, компонентите на системата, размера на инсталацията и натоварването и накрая цената за конкретна фотоволтаична енергийна система.

MPPT контролерът позволява много по-високо напрежение, постъпващо от панелите до него, защото преобразува излишното напрежение в допълнителни ампери. Чрез по-високо напрежение в кабелите от фотоволтаичните панели към контролера загубата на ток в кабела се намалява значително.

MPPT контролерът е по-подходящ за по-студени условия на средата, тъй като с намаляването на работната температура на модула Vmp (напрежение при максимална мощност) се увеличава. Това е така, защото напрежението на фотоволтаичните панели, работещи при пиковата си точка на мощност при стандартни условия на тестване (25°C), е около 17 V, докато напрежението на акумулатора е около 13,5 V. MPPT контролерът е в състояние да улови излишното напрежение на панела, за да зареди акумулаторите. В резултат на това MPPT контролерите при по-хладни условия са с до 20 – 25% по-производителни от PWM контролерите.

В сравнение, PWM контролерът не може да улови излишното генерирано напрежение, тъй като технологията на широчинно-импулсна модулация позволява зареждане с напрежение каквото е напрежението на акумулаторите. Въпреки това, когато соларните панели са разположени в по-горещ климат, тяхната Vmp намалява и точката на пикова мощност се постига при напрежение, което е по-близо до напрежението на акумулатора 12 V. По този начин няма излишно напрежение, което да трябва се прехвърли към акумулатора, което прави MPPT контролера ненужен.

Когато капацитетът на масива от панели е по-голям спрямо потреблението на енергия от товара, свързан с акумулаторите, състоянието на акумулаторите се поддържа близо до състояние на пълно зареждане. При такъв сценарий PWM контролерът е в състояние ефективно да поддържа системата без допълнителни разходи за MPPT контролер.

За системите с ниска мощност PWM контролерът е по-подходящ избор, защото работи при относително постоянна производителност, независимо от размера на масива. Цената на PWM контролера е по-ниска от тази на MPPT, така че той е по-икономичен избор за малки системи. MPPT контролерът е много по-слабо ефективен при приложения за ниски мощности.

Самостоятелните фотоволтаични модули, които не са свързани към разпределителната мрежа, обикновено представляват модули от 36 клетки и са съвместими както с PWM, така и с MPPT технологията. Някои мрежови фотоволтаични панели на пазара днес не са от традиционния 36-клетъчен тип, който се използва за самостоятелни системи за захранване. Например, напрежението от 60-клетъчен панел с мощност 250 W е твърде високо за зареждане на 12-волтов акумулатор и твърде ниско за зареждане на 24-волтов. Технологията на MPPT контролера проследява точката на максимална мощност на модулите, свързвани към мрежата, като така постига оптималната ефективност на зареждане, докато PWM няма такава функция.

Избор на заряден конторлер

Когато става въпрос за избор на контролер за зареждане, първо трябва да се вземе решение дали да се използва PWM или MPPT контролер. Неправилно подбран заряден контролер може да доведе до загуба на до 50% на генерираната енергия.

Контролерите за зареждане се оразмеряват в зависимост от тока и напрежението на фотоволтаичната инсталация. Зарядният контролер трябва да има капацитета да се справи с количеството мощност и ампеража, произвеждани от панелите. Обикновено контролерите са с капацитет 12, 24 и 48 V. Номиналните стойности на тока могат да бъдат между 1 и 60 A и номиналните стойности на напрежението от 6 до 60 V. Производителите също така предлагат калкулатори за соларни инсталации, с помощта на които може да се избере и контролер с нужните параметри. С тях могат да се изберат панелите, както и всички други компоненти в системата.

Ако например напрежението в системата е 12 V и амперажът – 14 А, ще е необходим заряден контролер, който може да се справи с ток от поне 14 А. Въпреки това поради фактори на околната среда, трябва да се вземат предвид допълнителни 25% за минимална стойност на тока, с който устройството трябва да работи. Така че в този случай ще е необходим контролер за ток с напрежение и ток съответно 12 V и 20 A.

Когато разглеждаме избора на заряден контролер, има редица други характеристики от спецификациите му, на които трябва да се обърне внимание. За един PWM контролер ще бъде обозначен номиналният ампераж, т.е. с колко ампера може да се справи той. Номиналното напрежение на системата ще даде информация за това с какъв акумулатор ще е съвместим контролерът. Следва да се види какъв е номиналният ток на акумулатора. Да кажем, че например имаме заряден контролер с номинален ток 30 А. Препоръчва се коефициент на безопасност най-малко 1,25, което означава, че токът от панелите трябва да се умножи по 1,25 и след това да се сравни с 30 А. Например пет панела от 100 W, успоредно свързани, биха произвели ток 5,29 x 5 = 26,45 А. 26,45 ампера x 1,25 = 33 А. Следователно този ампераж би бил твърде висок за контролера.

На MPPT контролерите също ще е обозначен амперажът, както и номиналното напрежение. За разлика от контролерите с широчинно-импулсна модулация, входното им номинално напрежение е много по-високо от това на акумулаторите, които ще зареждат. Това се дължи на специалната функция, която MPPT технологията позволява, да понижава напрежението до напрежението на акумулатора и след това да увеличи тока, за да компенсира загубената мощност. Не е нужно да се използва високо входно напрежение, ако трябва да се избегне последователно свързване в малки системи, но тази функция е много полезна в по-големите системи.

Може да се използват множество контролери за зареждане на един акумулатор в ситуации, когато един контролер не е с достатъчен капацитет, за да се справи с изходната мощност от масива панели. Всъщност при MPPT контролерите това може да бъде най-добрият начин за свързване, тъй като масивите имат различни точки на максимална мощност. Наличието на два контролера може да оптимизира общата изходна мощност.