Контролери за фотоволтаични системи

Основни функции и влияние върху работата на акумулаторните батериите и фотоволтаичните модули

В съвременните фотоволтаични системи от островен тип широко приложение намират контролерите за регулиране заряда на акумулаторните батерии. Освен че защитават батерията от прекалено разреждане или презареждане, те предотвратяват и протичането на обратен ток към фотоволтаичните модули. Повечето предлагани на пазара контролери разполагат и с други важни характеристики, които също са обект на настоящата публикация: различни режими за зареждане на различни видове батерии; защити от претоварване и късо съединение; вградена защита от пренапрежение; температурна компенсация; възможност за работа в режим на дозареждане на залети батерии; индикация за нивото на батерията, тока на зареждане и др. Някои контролери за зареждане включват и устройства за проследяване на максималната работна точка, което значително повишава производителността на фотоволтаичните панели и оптимизира тяхната работа.

Фотоволтаичните зарядни контролери могат да се използват за зареждане на акумулаторни батерии за автономно електрозахранване на сгради, напоителни помпи, ретранслатори, каравани, кемпери, плавателни съдове, улични и паркови соларни лампи. Към контролерите на заряд могат да се включат директно постояннотокови консуматори или чрез инвертор напрежението да се преобразува в подходящо за променливотокови консуматори.

Блокиране на обратния ток към PV модулите

Фотоволтаичните панели преобразуват слънчевата енергия в електричество, което еднопосочно се подава към батерията. През нощта е възможно част от съхраненото електричество да протече в обратна посока от батериите към панелите. Потенциалната загуба е малка и има възможности за нейното предотвратяване. В повечето контролери електричеството преминава само в една посока през полупроводникови елементи (транзистори), които действат като клапан за контрол на тока и по този начин се избягва протичането на ток в обратната посока без никакви допълнителни усилия или разходи. В други контролери електромагнитна намотка отваря и затваря механичен ключ (реле). Релето се изключва през нощта, за да блокира обратния ток. Ако фотоволтаичният масив е много малък (в сравнение с размера на батерията) е възможно да не се използва контролер. В този случай обратният ток може да се блокира с диод, познат като блокиращ или блокинг диод.

Предпазване на батериите от презареждане

Когато батерията достигне пълния си капацитет на зареждане, тя не може да съхрани повече енергия. Ако подаването на ток към нея продължи, има опасност напрежението на акумулатора да стане твърде високо. В този случай водата започва да се разделя на водород и кислород и да образува мехурчета. Това води до прекомерна загуба на вода и вероятност газовете да се запалят и да предизвикат малка експлозия. Прекаленото напрежение също може да претовари захранваните електрически уреди.

Контролерът предотвратява презареждането на батерията, като ограничава напрежението на заряда при достигане на определени показатели. Когато напрежението отново спадне, поради по-ниската слънчева интензивност или увеличение в електрическото потребление, контролерът позволява достигането на максималния възможен заряд. Регулирането на напрежението е най-съществената функция на всички зарядни контролери.

Някои контролери регулират притока на енергия към батерията чрез включване или изключване на тока (on/off control). Други намаляват притока на енергия постепенно. Този метод е познат като “широчинно-импулсна модулация” (ШИМ). И двата метода работят добре, когато са настроени правилно спрямо типа на батерията. ШИМ контролерите постоянно поддържат напрежението в определени граници. Ако имат двустепенна регулация, те първо поддържат напрежението в безопасен за батерията максимум, докато достигне пълен заряд. След това освобождават част от напрежението, за да поддържат процеса на бавно и продължително зареждане на акумулатора. Двустепенната регулация е важна за системи, в които акумулаторната батерия е максимално заредена в продължение на дни или седмици, а потреблението на енергия е оскъдно.

Контролни точки на зареждане

Точките на напрежение, при които контролерът променя скоростта на зареждане, се наричат контролни точки. При определяне на контролните точки трябва да се постигне компромис между бързо зареждане преди слънцето да залезе и умерено презареждане на батерията. Определянето на точките зависи от очакваните модели на употреба, вида на батерията, както и до известна степен от опита на проектанта на системата. Някои контролери са с регулируеми настройки, а други не.

Идеалните настройки за контрол на зареждането варират в зависимост от температурата на батерията. За тази цел някои от контролерите имат функция, наречена “температурна компенсация”, която предлага индивидуално зареждане с напрежение според температурата на батерията. За целта се използва външен сензор за температурата на батерията или контролер с вграден температурен сензор. Във втория случай е добре контролерът да се монтира на място, където температурата е близка до тази на батериите. По-усъвършенстваните модели използват дистанционна температурна сонда, монтирана върху малък кабел. Сондата трябва да бъде прикрепена директно към батерията, за да отчита правилно температурата й към контролера. Алтернатива на автоматичната температурна компенсация е ръчната настройка на контролните точки в зависимост от сезона.

Идеалните контролни точки за зареждане зависят и от вида на батерията. По-голямата част от автономните фотоволтаични системи използват батерии с дълбок цикъл на зареждане и разреждане. Те могат да бъдат от типа залети клетки (съдържат течен електролит, който трябва системно да се допълва с дейонизирана вода) или затворени/гел батерии, които обикновено съдържат електролит под формата на гел или включват метод за рекомбиниране на водород и кислород. Затворените батерии използват наситени подложки между плочите. Те трябва да бъдат регулирани на малко по-ниско напрежение от залетите батерии или ще изсъхнат и батерията ще стане неизползваема. Поради тази причина специалистите препоръчват използването на контролери, специално предназначени за съответния тип батерии.

Изравнителни заряди

Батериите с дълбок цикъл, използвани във фотоволтаичните системи, се зареждат като се използва напрежение, по-високо от номиналното на изводите на батерията. При зареждане на батерията се покачва и напрежението й. Обратно, напрежението на батерията намалява, когато батерията се разрежда, като намалението на напрежението зависи от тока на разреждане. В момент, в който батерията е изключена, т. е. нито се зарежда, нито се разрежда, напрежението е някъде между 2.00 и 2.12 V. По време на зареждане при над 2.4 V клетъчно напрежение, в батерията започват да се образуват водородни и кислородни балончета по пластините на оловно-киселинните батерии, започва да се отделя газ, а водното съдържание на електролита намалява. За да се избегне това, напрежението на зареждане не бива да превишава 2.3 V - 2.4 V на клетка. Това отново е задача на контролера.

Защита от претоварване и късо съединение

Претоварването в системата може да бъде причинено от повреда (късо съединение) в електрическата инсталация или от дефектен уред (замръзнала водна помпа, например). То може да доведе до прегряване и дори може да предизвика опасност от пожар. Някои зарядни контролери имат вградена защита от претоварване, обикновено с натискане на бутон за нулиране. Вградената защита от претоварване е доста полезна функция, но повечето системи се нуждаят от допълнителна защита под формата на предпазители или прекъсвачи.

Визуализация на параметрите

Зарядните контролери се предлагат с разнообразие от средства за индикация на състоянието, вариращи от една единствена червена лампа до цифрови дисплеи. Дисплеят може да показва параметрите на напрежението и тока, приблизителното състоянието на заряд на батерията и др. За пълен и точен мониторинг експертите препоръчват закупуването на отделен цифров уред, който измерва ампер-часовете от и към батерията за наблюдение нивото на заряд на дневна база.

Контролът на зареждането на батериите е толкова важен, че повечето производители на висококачествени батерии (с гаранция пет или повече години) определят изискванията за регулиране на напрежението и температурната компенсация в техническите спецификации на продуктите. Когато тези параметри не са спазени, батериите могат да спрат да функционират след по-малко от една четвърт от нормалната продължителност на живота си, независимо от тяхното качество или себестойност. От тази гледна точка, специалистите препоръчват влагането на качествени, макар и малко по-скъпи контролери в системата, които биха подобрили нейните експлоатационни специфики и продължителността на жизнения й цикъл.