Зарядни контролери за соларни системи

Основната функция на всеки заряден контролер в една соларна система е да предпазва акумулатора от свръхзареждане, да управлява процеса на зареждането му и да не допуска да се разреди през соларните панели през нощта. Най-опростеният и евтин заряден контролер представлява само един автоматичен превключвател с две положения - включено/изключено.

Когато акумулаторът е паднал, зарядният контролер включва, за да позволи зареждане от соларния панел на максимално възможната му в момента изходна мощност, при каквато и да е стойност на генерираното напрежение, без оглед на изискванията за напрежението на заряд на акумулатора. Когато няма слънчева енергия, зарядният контролер изключва соларните панели от акумулатора.

Соларните модули имат непрекъснато изменяща се изходна мощност поради изменението на положението на слънцето, както в рамките на денонощието, така и в течение на годината. Тяхната производителност зависи също и от температурата и облачността.

Ако изходното напрежение и изходният ток се представят графично, като по оста X се нанесе напрежението (V), а по оста Y - токът (I), ще се получи волт-амперната характеристика. Тази крива показва експлоатационните качества на всеки отделен модул и се ползва от всички производители на соларни панели.

Ако соларният модул е изложен на възможно най-ярка слънчева светлина и изводите му се окъсят, той ще генерира максималния си възможен ток, тъй като ще липсва външен пад на напрежение. Това ще е началната точка на волт-амперната характеристика. Ако при същата възможно най-ярка слънчева светлина изводите са разкачени, модулът ще дава максималното си напрежение при отворена верига, т.е. няма да протича никакъв ток.

Между тези две крайни точки на волт-амперната характеристика при увеличаване на напрежението и променящ се товар токът ще бъде фактически постоянен. Това продължава, докато се достигне до една точка, след която кривата започва бързо да пада. Точката се нарича “коляно” и в нея соларният модул работи при най-добрата комбинация от напрежение и ток, предоставяйки максимална мощност.

Максималното напрежение в тази точка може да не е най-подходящото за зареждане на свързания акумулатор. Ако се промени количеството слънчева светлина, което пада върху панела, кривата ще се измести нагоре или надолу в графиката, но формата й няма да се промени.

С други думи, един заряден контролер от по-икономически изгодния тип с две положения включено/изключено трябва да работи при каквото и да е изходно напрежение на соларния панел и при всякакви колебания на товара на акумулатора. Обикновено максимумът на потреблението на енергия не съвпада с периодите, когато соларният панел генерира максимална изходна мощност.

В процеса на зареждане от слънчевата енергия трябва да се има предвид и степента на зареденост на акумулатора. Повечето незапечатани акумулатори, когато са почти напълно разредени, могат да се заредят до много висока степен. Но от друга страна, когато са почти напълно заредени, все пак изискват зареждането да продължава да се поддържа на някакво минимално ниво.

Видове

Когато зареждането се прави при по-голям ток, акумулаторите ще се презаредят по-бързо. Това е важно, особено когато слънчевото греене продължава само няколко часа дневно. Ако обаче токът не се намали малко преди да се достигне състоянието на пълен заряд, то от акумулатора може да започнат да се отделят газове или да прегрява, което ще го увреди.

Един от начините да се избегне този проблем при зареждането с постоянен ток без оглед на степента на зареденост е чрез използването на по-модерен заряден контролер с широчинно-импулсна модулация (ШИМ). Макар че по принцип той също e с две състояния включено/изключено, честотата на включване и изключване (импулсите) на изхода на соларния панел може да се регулира в зависимост от заредеността на акумулатора.

Когато напрежението на акумулатора е паднало, продължителността на режим “включено” се увеличава, а когато степента на зареденост стигне до максимума си, режим “изключено” става по-дълъг. Много от качествените зарядни контролери използват някакъв вид ШИМ за регулиране на изходното зареждащо напрежение, тъй като така се ограничава сулфатирането на акумулатора.

Макар и да подобрява значително процеса на зареждане на акумулатора, един заряден контролер с ШИМ не може да накара соларния панел да работи при такава комбинация от ток и напрежение, при която слънчевата енергия се оползотворява в максимална изходна мощност. Същевременно не може да осигури и идеалното напрежение за зареждане на акумулатора.

От предлаганите понастоящем на пазара соларни зарядни контролери най-ефективен (но и най-скъп) е този със следене на точката на максималната мощност (СТММ). Той е с програмно управление, което постоянно регулира напрежението и тока на соларния панел и измерва как дори и малки техни изменения влияят на изходната мощност на панела. При следенето се търси коляното на волт-амперната характеристика на дадения соларен панел, тъй като в тази точка напрежението и токът са такива, че изходната мощност от слънчевото греене е най-голяма.

Тъй като зарядният контролер със СТММ непрекъснато настройва напрежението и тока на изхода на соларния панел или масива от панели, за да бъде изходната му мощност максимална, той трябва също така и да регулира напрежението и тока, постъпващи на входа на акумулатора. Целта е процесът на зареждането му да бъде максимално ефективен при минимално необходимо време и с осигурена защита срещу свръхзареждане.

Генерираното от панелите допълнително напрежение, което е над необходимата стойност за зареждането на акумулатора, се преобразува от контролера със СТММ в допълнителен ток, който при употребата на по-евтин заряден контролер би бил загубен. Контролерите със СТММ могат да се ползват и при соларни панели с по-високо изходно напрежение, като зареждат допълнителен акумулаторен блок с по-ниско напрежение. Възможността да се ползват акумулатори с напрежение по-голямо от 12 волта на свой ред позволява монтирането на по-малки и по-евтини предпазители, мрежови разединители и на кабели с по-малки сечения.

Повечето от контролерите със СТММ могат на практика да се справят с доста големи разминавания между изходното напрежение на соларните панели и напрежението на акумулатора. Това е съществено предимство за системи, които не са свързани към електропреносната мрежа, когато соларните панели трябва да се разположат на голямо разстояние от акумулаторите - падът на напрежение върху по-дългите проводници ще бъде по-малък, ако изходното напрежение на панелите е по-високо.

Като пример може да се разгледа случай, в който са налични 4 соларни панела, всеки с номинална мощност 85 вата при 17 волта и максимален ток 5 ампера. Ако при това положение за зареждане на 12-волтов акумулатор се използва заряден контролер от евтиния тип с две положения включено/изключено, то четирите панела ще трябва да се свържат паралелно, което ще даде на изхода им напрежение 17 волта и ток 20 ампера.

Но при значително разстояние, освен ако за връзката на соларните панели със зарядния контролер не се ползва проводник с много голямо напречно сечение (съответно и скъп), може да се получи голям пад на напрежението върху дългия свързващ проводник. В крайния случай е възможно дори напрежението на изхода на панелите, докато стигне до отдалечените акумулатори, да се окаже по-ниско от нужната за зареждането им стойност.

При използването на висококачествен заряден контролер със СТММ, четирите панела могат да се свържат последователно, което ще осигури 68 волта при 5 ампера на изхода. Въпреки че общо активната мощност остава една и съща независимо от начина на свързване на панелите, вариантът с по-високото изходно напрежение дава възможност да се ползва много по-тънък и по-евтин проводник за връзката към зарядния контролер и акумулаторите. Като се стартира от по-високо напрежение на изхода на панелите, влиянието на пада на напрежение върху дългия проводник (представляващ един вид резистор) ще бъде доста по-малко и достигналото до зарядния контролер напрежение няма да бъде под критична стойност.

Пренасочване на излишъка от енергия към отделен товар

В някои соларни зарядни контролери е предвидена допълнителна функция за пренасочване на излишъка от енергия към отделен товар. Това е обичайна практика за по-големи системи, несвързани към електропреносната мрежа в периодите от годината, когато соларните панели се изключват по-рано през деня след пълното зареждане на акумулаторния блок.

Вместо да се изгуби слънчевата енергия от остатъка от деня, с тази си функция зарядният контролер определя кога акумулаторите са напълно заредени и след това пренасочва генерираната от слънцето мощност към отделен товар.

Това например може да е нисковолтов, постояннотоков нагревателен елемент, монтиран до дъното на обикновен домашен резервоар за топла вода. Ако е необходимо водата да се нагрее още до достигането на желана температура, то това ще стане с нагревателите на резервоара, а ползата от слънчевата енергия ще бъде в предварителното подгряване до някаква степен.

Разкачване на нисковолтови товари

Редица модели соларни зарядни контролери от по-малкия размер, за до 10 ампера, разполагат с допълнителни товарови клеми, които обикновено се ползват за захранване на постояннотокови светлини или на нисковолтово електронно устройство.

Тези клеми ще бъдат разкачени от акумулатора в момента, в който напрежението му падне под предварително установена долна граница, предпазваща го от увреждане. Тази функция е особено полезна за соларни инсталации на отдалечени места, без постоянен обслужващ персонал, когато не може да се следи доколко е зареден акумулаторът.

Към товаровите клеми ще се подаде отново захранване веднага след като той се презареди. Товаровите клеми при някои зарядни контролери се управляват от вграден таймер, който след приключването на целия процес по зареждането от слънцето за деня ползва соларния панел като фотоклетка. Щом зарядният контролер определи, че нощта наближава, той активира товаровите клеми и се включват постояннотоковите светлини или пък подсветката на знак. Таймерът може да се настройва ръчно и така да се задава колко часа светлините да работят, след като бъдат включени.

Температурна компенсация

Всички химични реакции зависят от температурата и това важи изцяло за реакцията на преобразуване на химическата енергия, която се извършва в клетките на един акумулатор. Идеалната работна температура за акумулатор със залети клетки и дълбок разряд е 25°C - температурата, при която се тестват посочените от производителя експлоатационни параметри на тези акумулатори.

За да се запази максимално високо качеството на работа на акумулатора и да се удължи животът му възможно най-много, напрежението на зареждане трябва да се повиши, ако околната температурата е под посочената, и обратно, то трябва да се понижи, ако температурата е по-висока - това се прави, за да бъде цикълът на зареждане пълен.

Акумулаторът изисква различна скорост на зареждане в зависимост от температурата на плочите му вътре. В някои зарядни контролери има допълнителен вграден датчик за температура, който мери температурата на въздуха на околната среда и съответно коригира напрежението на зареждане. Приема се, че акумулаторът ще бъде близо до зарядния контролер при една и съща температура. Това обаче може да не е валидно за всички инсталации. Разлика може да има особено в случаите, когато зарядният контролер е монтиран нависоко, на стена с топлоизолация, а акумулаторите се намират близо до земята.

По-скъпите зарядни контролери могат да са оборудвани с датчик за отчитане на температурата от разстояние, чийто изходен сигнал по тънки проводници с дължина 5-10 метра, постъпва на обособен за целта вход на контролера. Тъй като този датчик се закрепя върху акумулатора чрез залепване, отчитането на температурата е много точно и се постига най-прецизно регулиране на процеса на зареждане въз основа на реалната температура на батерийните плочи.

Дисплеи за визуализация на данни

Повечето производители предлагат по-скъпи соларни зарядни контролери с вграден или дистанционен цифров дисплей. На тези дисплеи може да се покаже всичко - от изходното напрежение на панелите и на акумулаторите до токовете на зареждане, произведената енергия, програмно зададени стойности и дори подаваните от системата предупреждения и аларми.

Макар и да изглежда излишно за малки соларни системи, показването на подобни данни на дисплей може да бъде нещо безценно в по-големи инсталации, в които работните характеристики трябва да се следят във времето и, ако възникнат проблеми, те да бъдат своевременно решавани.