Saulės baterijos įkrovimo valdiklis: schema, veikimo principas, prijungimo būdai

Saulės energetika kol kas (buitiniu lygiu) apsiriboja santykinai nedidelės galios fotoelektros plokščių gamyba. Tačiau, nepaisant fotoelektrinio saulės šviesos keitiklio konstrukcijos, šis įrenginys yra aprūpintas moduliu, vadinamu saulės baterijos įkrovimo valdikliu.

Iš tiesų, saulės šviesos fotosintezės įrenginio schemoje yra akumuliatorių baterija – energijos, gaunamos iš saulės skydo, kaupiklis. Būtent šį antrinį energijos šaltinį pirmiausia aptarnauja valdiklis.

Mūsų pateiktame straipsnyje nagrinėsime šio prietaiso sandarą ir veikimo principus, taip pat aptarsime jo prijungimo būdus.

Saulės baterijų valdikliai

Elektroninis modulis, vadinamas saulės baterijos valdikliu, skirtas atlikti daugybę valdymo funkcijų saulės baterijos akumuliatoriaus įkrovimo/iškrovimo metu.

Kai ant saulės skydo paviršiaus, įrengto, pavyzdžiui, ant namo stogo, krenta saulės šviesa, šio prietaiso fotoelementai šią šviesą paverčia elektros srove.

Gauta energija iš esmės galėtų būti tiekiama tiesiai į akumuliatorių-kaupiklį. Tačiau akumuliatoriaus įkrovimo/iškrovimo procesas turi savo subtilybių (tam tikrus srovių ir įtampų lygius). Jei į šias subtilybes neatsižvelgiama, akumuliatorius per trumpą eksploatacijos laiką tiesiog suges.

Kad išvengtumėte tokių liūdnų pasekmių, yra skirtas modulis, vadinamas saulės baterijos įkrovimo valdikliu.

Be akumuliatoriaus įkrovimo lygio kontrolės, modulis taip pat stebi energijos suvartojimą. Priklausomai nuo išsikrovimo laipsnio, saulės baterijos akumuliatoriaus įkrovimo valdiklio schema reguliuoja ir nustato srovės lygį, reikalingą pradiniam ir vėlesniam įkrovimui.

Priklausomai nuo saulės energijos įrenginio akumuliatorių įkrovimo valdiklio galios, šių prietaisų konstrukcijos gali būti įvairios konfigūracijos

Trumpai tariant, paprastais žodžiais, modulis užtikrina akumuliatoriaus, kuris periodiškai kaupia ir atiduoda energiją vartotojo įrenginiams, be rūpesčių „gyvenimą“.

Praktiškai taikomi tipai

Pramoniniu lygiu yra organizuota ir vykdoma dviejų tipų elektroninių prietaisų gamyba, kurių konstrukcija tinka montuoti saulės energijos sistemos schemoje:

1. PWM serijos prietaisai.
2. MPPT serijos prietaisai.

Pirmąją saulės baterijos valdiklio rūšį galima pavadinti „seniuku“. Tokios schemos buvo kuriamos ir pradėtos naudoti dar saulės ir vėjo energetikos aušroje.

PWM valdiklio schemos veikimo principas pagrįstas impulsų pločio moduliacijos algoritmais. Tokių aparatų funkcionalumas šiek tiek nusileidžia pažangesniems MPPT serijos įrenginiams, tačiau apskritai jie taip pat veikia gana efektyviai.

Vienas iš visuomenėje populiarių saulės elektrinės akumuliatoriaus įkrovimo valdiklio modelių, nepaisant to, kad įrenginio schema pagaminta pagal PWM technologiją, kuri laikoma pasenusia

Konstrukcijos, kuriose taikoma didžiausios galios taško sekimo (Maximum Power Point Tracking) technologija, pasižymi moderniu požiūriu į schemų sprendimus, užtikrina didesnį funkcionalumą.

Bet jei palyginti abiejų tipų valdiklius, ir juo labiau atsižvelgiant į buitinę sritį, MPPT įrenginiai atrodo ne taip šviesiai, kaip tradiciškai reklamuojama.

MPPT tipo valdiklis:

• turi aukštesnę kainą;
• turi sudėtingą nustatymo algoritmą;
• suteikia galios pranašumą tik didelio ploto plokštėse.

Šios įrangos tipas labiau tinka globalioms saulės energetikos sistemoms.

Valdiklis, skirtas naudoti saulės energijos įrenginio konstrukcijoje. Jis yra MPPT klasės aparatų atstovas – pažangesnių ir efektyvesnių.

Paprastam buitiniam vartotojui, kuris paprastai turi mažo ploto plokštes, naudingiau nusipirkti ir su tokiu pačiu efektu naudoti PWM valdiklį.

Valdiklių struktūrinės schemos

PWM ir MPPT valdiklių principinės schemos, žiūrint jas paprasto žmogaus akimis, yra pernelyg sudėtingas dalykas, susijęs su subtiliu elektronikos supratimu. Todėl logiška apsvarstyti tik struktūrines schemas. Toks požiūris suprantamas plačiam žmonių ratui.

1 variantas – PWM įrenginiai

Saulės plokštės įtampa dviem laidininkais (teigiamuoju ir neigiamuoju) patenka į stabilizuojantį elementą ir atskiriamąją varžinę grandinę. Dėl šios schemos dalies gaunamas įėjimo įtampos potencialų išlyginimas ir tam tikru mastu organizuojama valdiklio įėjimo apsauga nuo įėjimo įtampos ribos viršijimo.

Čia reikėtų pabrėžti: kiekvienas atskiras aparato modelis turi konkrečią įėjimo įtampos ribą (nurodyta dokumentacijoje).

Maždaug taip atrodo struktūrinė įrenginių, pagamintų PWM technologijų pagrindu, schema. Eksploatuojant mažose buitinėse stotyse, toks scheminis požiūris užtikrina pakankamą efektyvumą.

Toliau įtampa ir srovė ribojami iki reikiamo dydžio galios tranzistoriais. Šie schemos komponentai savo ruožtu yra valdomi valdiklio lusto per tvarkyklės mikroschemą. Dėl to galios tranzistorių poros išėjime nusistato normali įtampos ir srovės vertė akumuliatoriui.

Taip pat schemoje yra temperatūros jutiklis ir tvarkyklė, valdanti galios tranzistorių, kuriuo reguliuojama apkrovos galia (apsauga nuo gilaus akumuliatoriaus išsikrovimo). Temperatūros jutikliu kontroliuojama svarbių PWM valdiklio elementų įkaitimo būsena.

Paprastai temperatūros lygis yra korpuso viduje arba ant galios tranzistorių radiatorių. Jei temperatūra išeina už nustatytų ribų, prietaisas išjungia visas aktyvaus maitinimo linijas.

2 variantas – MPPT prietaisai

Schemo sudėtingumą šiuo atveju lemia tai, kad ji papildyta daugybe elementų, kurie sukuria reikiamą valdymo algoritmą kruopščiau, atsižvelgiant į darbo sąlygas.

Įtampos ir srovės lygiai stebimi ir lyginami komparatorių schemomis, o pagal palyginimo rezultatus nustatomas maksimali išėjimo galia.

Struktūrinis scheminis sprendimas įkrovos reguliatoriams, pagrįstiems MPPT technologijomis. Čia jau paminėtas sudėtingesnis periferinių įrenginių valdymo ir kontrolės algoritmas.

Pagrindinis šio tipo reguliatorių skirtumas nuo PWM prietaisų yra tai, kad jie geba pritaikyti saulės energijos modulį prie maksimalios galios nepriklausomai nuo oro sąlygų.

Tokių įrenginių schema įgyvendina kelis valdymo metodus:

• triukšmo ir stebėjimo;
• didėjančio laidumo;
• srovės skleidimo;
• pastovios įtampos.

O galutiniame bendro veikimo etape taip pat taikomas visų šių metodų palyginimo algoritmas.

Valdiklių prijungimo būdai

Nagrinėjant prijungimo temą, iš karto reikia pažymėti: kiekvieno atskiro įrenginio montavimo būdingas bruožas yra darbas su konkrečia saulės baterijų serija.

Taigi, pavyzdžiui, jei naudojamas reguliatorius, skirtas maksimaliai 100 voltų įėjimo įtampai, saulės baterijų serijos išėjimo įtampa neturi viršyti šios vertės.

Bet kokia saulės energijos įrenginys veikia pagal pirmosios pakopos išėjimo ir įėjimo įtampų balanso taisyklę. Reguliatoriaus viršutinė įtampos riba turi atitikti viršutinę panelės įtampos ribą.

Prieš prijungiant aparatą, būtina nustatyti jo fizinės montavimo vietą. Pagal taisykles, montavimo vieta turėtų būti sausos, gerai vėdinamos patalpos. Draudžiama šalia įrenginio laikyti lengvai užsidegančias medžiagas.

Draudžiama, kad šalia prietaiso būtų vibracijos, šilumos ir drėgmės šaltinių. Montavimo vieta turi būti apsaugota nuo kritulių ir tiesioginių saulės spindulių.

PWM modelių prijungimo technika

Praktiškai visi PWM reguliatorių gamintojai reikalauja laikytis tikslios įrenginių prijungimo sekos.

PWM reguliatorių sujungimo su periferiniais įrenginiais technika ypatingais sunkumais neišsiskiria. Kiekviena plokštė yra su pažymėtais gnybtais. Čia tiesiog reikia laikytis veiksmų sekos.

Periferinius įrenginius reikia prijungti visiškai pagal kontaktinių gnybtų žymėjimus:

1. Sujungti akumuliatoriaus laidus ant prietaiso gnybtų pagal nurodytą poliškumą.
2. Tiesiogiai teigiamo laido kontaktiniame taške įjunkite apsauginį saugiklį.
3. Ant reguliatoriaus kontaktų, skirtų saulės panelei, pritvirtinkite laidininkus, išeinančius iš saulės baterijų plokščių. Laikykitės poliškumo.
4. Prijunkite prie prietaiso apkrovos išvadų atitinkamos įtampos (paprastai 12/24 V) kontrolinę lemputę.

Nurodytos sekos negalima pažeisti. Pavyzdžiui, jungti saulės baterijas pirmiausia, kai akumuliatorius nėra prijungtas, griežtai draudžiama. Tokiais veiksmais vartotojas rizikuoja „sudeginti“ prietaisą. Šioje medžiagoje išsamiau aprašoma saulės baterijų surinkimo schema su akumuliatoriumi.

Taip pat PWM serijos valdikliams neleidžiama prijungti įtampos keitiklio prie valdiklio apkrovos gnybtų. Keitiklį reikia jungti tiesiai prie akumuliatoriaus gnybtų.

MPPT prietaisų prijungimo tvarka

Bendrieji fizinio montavimo reikalavimai šio tipo prietaisams nesiskiria nuo ankstesnių sistemų. Tačiau technologinis nustatymas dažnai yra kiek kitoks, nes MPPT valdikliai dažnai laikomi galingesniais prietaisais.

Didelės galios lygiams skirtuose valdikliuose, maitinimo grandinių jungtyse rekomenduojama naudoti didelio skerspjūvio kabelius su metaliniais antgaliais.

Pavyzdžiui, galingoms sistemoms šie reikalavimai papildomi tuo, kad gamintojai rekomenduoja naudoti maitinimo jungčių linijų kabelius, skirtus ne mažesniam kaip 4 A/mm² srovės tankiui. Tai yra, pavyzdžiui, 60 A srovės valdikliui reikia kabelio, skirto prijungti prie akumuliatoriaus, kurio skerspjūvis ne mažesnis kaip 20 mm².

Jungiamieji kabeliai privalo būti su variniais antgaliais, sandariai užspaustais specialiu įrankiu. Saulės baterijos ir akumuliatoriaus neigiamus gnybtus būtina aprūpinti adapteriais su saugikliais ir jungikliais.

Toks požiūris pašalina energijos nuostolius ir užtikrina saugų įrenginio eksploatavimą.

Struktūrinė galingo MPPT valdiklio prijungimo schema: 1 – saulės baterija; 2 – MPPT valdiklis; 3 – gnybtų blokas; 4,5 – lydieji saugikliai; 6 – valdiklio maitinimo jungiklis; 7,8 – įžeminimo šyna

Prieš prijungiant saulės baterijas prie prietaiso, reikia įsitikinti, kad gnybtų įtampa atitinka arba yra mažesnė už įtampą, kurią leidžiama tiekti į valdiklio įėjimą.

Periferijos prijungimas prie MPPT aparato:

1. Skydo ir akumuliatoriaus jungiklius perjungti į „išjungta“ padėtį.
2. Išimti apsauginius saugiklius ant skydo ir akumuliatoriaus.
3. Sujungti kabeliu akumuliatoriaus gnybtus su valdiklio gnybtais, skirtais akumuliatoriui.
4. Prijungti kabeliu saulės baterijos išvadus prie valdiklio gnybtų, pažymėtų atitinkamu ženklu.
5. Sujungti kabeliu įžeminimo gnybtą su „žemės“ šyna.
6. Sumontuoti temperatūros jutiklį ant valdiklio pagal instrukciją.

Atlikus šiuos veiksmus, reikia įstatyti atgal anksčiau išimtą akumuliatoriaus saugiklį ir perjungti jungiklį į „įjungta“ padėtį. Valdiklio ekrane pasirodys akumuliatoriaus aptikimo signalas.

Toliau, po trumpos pauzės (1-2 min.), įstatyti atgal anksčiau išimtą saulės baterijos saugiklį ir perjungti skydo jungiklį į „įjungta“ padėtį.

Prietaiso ekranas parodys saulės baterijos įtampos vertę. Šis momentas rodo, kad saulės energijos įrenginys sėkmingai pradėjo veikti.

Išvados ir naudingas vaizdo įrašas šia tema

Pramonė gamina įvairius įrenginius, kurie skiriasi savo scheminiais sprendimais. Todėl negalima pateikti vienareikšmių rekomendacijų, kaip prijungti visas be išimties instaliacijas.

Tačiau pagrindinis principas išlieka tas pats visų tipų prietaisams: be akumuliatoriaus prijungimo prie valdiklio šynų, jungtis prie fotovoltinių plokščių neleidžiama. Panašūs reikalavimai taikomi ir įtampos inverteriui įtraukiant į schemą. Jis turėtų būti vertinamas kaip atskiras modulis, tiesiogiai prijungiamas prie akumuliatoriaus.

Jei turite reikiamos patirties ar žinių, pasidalykite jomis su mūsų skaitytojais. Palikite savo komentarus žemiau esančiame bloke. Čia taip pat galite užduoti klausimą straipsnio tema.