Зарядни контролери за PV инсталации

• Соларните контролери са ключов елемент от всички автономни или мрежово свързани фотоволтаични инсталации, които разполагат с някакъв тип система за съхранение на енергия
  
  
• Основна функция на PV контролерите е да управляват и оптимизират процеса по зареждане на батерията от соларния панел
  
  
• Глобалният пазар на такива устройства прогресивно нараства, като от 46 млрд. щатски долара през 2022 г. се очаква да надхвърли 182 млрд. долара до края на 2031 г.

Соларните контролери или регулатори на заряда са ключов елемент от всички автономни или мрежово свързани фотоволтаични инсталации, които разполагат с някакъв тип система за съхранение на енергия – батерия или акумулаторен блок. Основна функция на PV контролерите е да управляват и оптимизират процеса по зареждане на батерията от соларния панел, като регулират потока на енергията (или ограничават тока) към нея и стойността на заряда.

Същевременно тези устройства следят състоянието й и я защитават от свръхзареждане или дълбоко разреждане с цел удължаване на експлоатационния й живот. Те проследяват и контролират т. нар. статус на зареждане (State of Charge, SoC), който е съотношение между нивото на заряд на батерията и нейния капацитет. Този параметър се измерва в проценти, като 0% е равносилно на празна или изтощена батерия, а 100% – на напълно заредена. Чрез мониторинг на напрежението в батерийния модул соларните контролери позволяват пълното му зареждане, без да допускат надвишаване на капацитета, като по този начин го предпазват от раздуване, изпускане на газ, загуба на електролит или увреждане на електродите.

С нарастването на глобалния фокус върху възобновяемата енергия и разширяването на приложенията на фотоволтаичните инсталации в индустрията и сградния сектор PV контролерите стават все по-търсени. Според актуално проучване на международната маркетингова агенция Transparency Market Research глобалният пазар на такива устройства прогресивно нараства, като от 46 млрд. щатски долара през 2022 г. се очаква да надхвърли 182 млрд. долара до края на 2031 г.

Функции

Зарядните контролери за слънчеви панели са вторият най-важен компонент на PV инсталациите (след инверторите), който допринася за пиковата производителност на тези системи и отговаря за безопасното и ефективно съхранение на произведеното електричество. По своята същност те представляват регулатори на напрежението или тока, които управляват събраната от соларните модули енергия и я насочват към батерията, като гарантират максимално най-ефективното й използване и се грижат за минимизиране на проблемите и отклоненията от процеса. Контролерите имат задачата да защитават батерийния модул или акумулаторния блок и от претоварване и прегряване. Това се постига чрез измерване на температурата и прекъсване на веригата при регистриране на потенциално опасни стойности.

Зарядните контролери са електронни устройства, които се предлагат в разнообразни размери и с различен капацитет, като съобразно техническите си характеристики са съвместими с най-разнородни по тип соларни системи. Сред основните им функции са още защита от обратен поляритет, както и предпазване от къси съединения и пренапрежение. Тези устройства отговарят за предотвратяване на т. нар. обратно разреждане, като блокират токове с обратна посока, които могат да възникнат, когато соларните панели не произвеждат енергия (например през нощта) и да източат заряда на батерията.

PV контролерите от последно поколение осигуряват данни в реално време за напрежението в батерията, зарядния ток и системния статус, позволявайки на собствениците, операторите на соларни паркове и потребителите в сградния сектор да осъществяват непрекъснат мониторинг на фотоволтаичните си инсталации.

Сред спомагателните функции и възможности, предлагани от някои модели, са:

• Предупреждение за ниско напрежение, изключване с цел прекратяване на подаването на захранване от батерията към свързан товар при нисък заряд и предотвратяване на дълбоко разреждане;
  
  
• Визуализиране на проследяваните параметри на вграден или отдалечен дисплей;
  
  
• Светлинна (LED) индикация на статуса и степента на заряд на батерията;
  
  
• Измервателни устройства за отчитане и извеждане на стойностите на напрежението и тока на соларните модули или свързаните консуматори;
  
  
• Отдалечена безжична връзка с потребителския смартфон или таблет;
  
  
• Задаване на таймери, например за автоматично изключване и повторно включване на даден товар след известен период от време (често срещано при захранване на осветителни системи);
  
  
• Температурно компенсиране с цел по-прецизен контрол на степента на заряд и др.

Основни типове зарядни контролери

Най-базовият тип устройства в сегмента, използвани в практиката, са обикновените едно- или двустепенни зарядни контролери. Те регулират процеса по зареждане на батерията, като основната им функция е да предотвратяват надхвърляне на капацитета или свръхзареждане. При достигане на дадена степен на заряд подаването на енергия към акумулатора се ограничава или напълно се прекъсва. Контролерите от този тип са особено ефективни при малки системи със сравнително ниски стойности на тока, генериран от панелите.

По-усъвършенствано решение предлагат тристепенните или PWM/ШИМ контролери (с широчинно-импулсна модулация). При тях в рамките на опростения двустепенен процес/цикъл на зареждане и разряд се обособяват допълнителни етапи:

• Фаза на масивно зареждане (bulk stage), при която контролерът подава цялата налична енергия към батерията, за да я презареди, тя достига около 80% от капацитета си, а след това токът значително се ограничава;
  
  
• Фаза на абсорбция (absorption stage) – зареждане с по-нисък ток до запълване на последните 20% от капацитета и достигане на пълен заряд;
  
  
• "Float" или поддържаща фаза, при която батерията се поддържа от контролера при максимална степен на заряд с минимален входящ ток (за да се избегнат прегряване и изпускане на газ), което компенсира естественото й саморазреждане и предотвратява загубата на енергия.

Зарядните PWM контролери постепенно намаляват или ограничават потока на енергия към батерията при достигане на пълен заряд (автоматично), за да се постигне по-пълноценно използване на максималния капацитет. Традиционно тези устройства са ценово достъпни и надеждни, като са подходящи предимно за по-малки системи (<200 Wp). При тях напрежението на соларния панел трябва да съответства на това на батерията. PWM контролерите често разполагат с функции за управление на натоварването и с вграден дисплей или с опции за свързване с отдалечен такъв.

Третият тип популярни зарядни контролери са предназначени за следене на точката на максимална мощност на системата (MPPT). Те са насочени към това да осигуряват най-високата възможна ефективност на PV инсталацията, като могат да работят при значително по-високо напрежение от това на батерийния модул.

Способни са да се адаптират към промени в слънцегреенето и да регулират процеса на зареждане според тях, за да гарантират максимална производителност във всеки един момент. В сравнение с PWM контролерите MPPT решенията обикновено водят до по-високи добиви на енергия. Ето защо са предпочитани за по-мащабни автономни или мрежово свързани соларни инсталации със системи за съхранение.

MPPT контролерите традиционно се съчетават с по-големи и мощни соларни панели (>200 Wp) с цел да синхронизират изходното напрежение на модулите с това на батериите, като това обаче не е изрично необходимо, както е при PWM устройствата за управление. С MPPT контролери могат да се използват по-малки кабели, като е възможно PV панелите да бъдат разположени и по-далеч от батериите. Интегрирането на контролер от този тип между соларния модул и акумулаторния блок позволява доставянето на до 30% повече енергия за съхранение в сравнение със сценарий, в който панелът и батерията са свързани директно помежду си.

В някои приложения се използват и четиристепенни зарядни контролери, при които се обособява и четвърта допълнителна фаза на изравняване (еqualise) в цикъла. Това е подходящо само за клапанно-регулирани батерии, като се прилага с цел предотвратяване на втърдяването на сулфатните кристали в акумулатора. Изравняването реално представлява ръчно или автоматично периодично дозареждане.

Избор, инсталация и поддръжка

При селекцията на определен тип и модел заряден контролер за дадена соларна инсталация е важно да се отчетат някои ключови фактори, като видът на батерията според технологията, на която е базирана, за да се гарантира съвместимост, както и напрежението на соларната система – например 12 V, 24 V или 48 V. Препоръчително е също да се изчисли капацитетът на соларните панели по отношение на големината на генерирания ток, като е добре да се избере контролер, чийто капацитет е с поне 25% по-висок, за да има опция за бъдещо разширяване.

Следва основната стъпка при планирането на инвестиция в контролер, а именно идентифициране на най-подходящия тип. В общия случай изборът се свежда до PWM или MPPT вариант, а при оценката се вземат предвид мащабът и сложността на PV инсталацията, както и икономическата тежест, която ще има производителността й в дългосрочен план. MPPT контролерите традиционно са доста по-скъпи, но могат да осигурят значително по-висока ефективност при по-големи масиви, което често е достатъчна обосновка за по-сериозно първоначално капиталовложение.

В зависимост от приложението нерядко е необходимо избраният заряден контролер да разполага и с дадени допълнителни функции, като регистриране на данни, температурно компенсиране, LCD дисплей за удобен мониторинг в реално време, USB портове за директно зареждане на устройства, безжична/Bluetooth свързаност за връзка с мобилни приложения и т. н.

Правилната инсталация на зарядните контролери гарантира максимална безопасност и ефективност. От първостепенно значение е да се избере подходящо местоположение на всяко устройство, при което то не е изложено на негативни влияния, като екстремни стойности на температурата например. Локацията е важно да се съобрази и с последващия достъп до контролера за инспекция и поддръжка в етапа на експлоатация.

Добре е да се осигури достатъчно охлаждане на устройството, тъй като за зарядните контролери е характерно генериране на топлина по време на работа. За целта около контролера е необходимо да има достатъчно пространство, за да се разсейва топлината енергия и да не се допускат прегряване и потенциални повреди.
Използването на подходящо окабеляване според спецификациите на самия контролер и конфигурацията на соларната система е друг важен момент при инсталацията, като е ключово да се гарантира и правилно свързване. Всяко отклонение би могло да доведе не само до спад в ефективността, но и до отказ или повреда на компоненти, а дори и до пожар.

Що се отнася до обслужването на зарядните контролери, необходимите мерки и практики в това направление са напълно стандартни. Като всеки друг елемент от една фотоволтаична система, и тези устройства подлежат на регулярна инспекция, като е добре периодично да се проверяват и връзките им и да се следи за признаци на износване, корозия и повреда. Типично изложени на променливи атмосферни условия и фактори на околната среда, зарядните контролери са уязвими към редица рискове, включително влошаване на експлоатационните характеристики, внезапни откази, понижаване на системната ефективност, компромиси с безопасността и др.

Важно мероприятие в програмата за поддръжка, разбира се, е почистването. При натрупването на прах и замърсявания върху корпуса на устройството е възможно сериозно да се възпрепятства естественото охлаждане чрез разсейване на генерираната топлина и да се стигне до опасно прегряване.

Ключови за производителността на зарядните контролери и вследствие – на цялостните PV системи, в които са интегрирани, са своевременното обновяване на софтуера/фърмуера при актуализация и периодичният (или непрекъснат при възможност) мониторинг на ефективността. По-съвременните модели в сегмента разполагат с функции за самодиагностика и откриване на грешки, които често са индикатор за реален проблем в соларната инсталация. Бързото откриване и отстраняване на неизправностите предотвратява по-сериозни и скъпи щети в дългосрочен план.