Ελεγκτής φόρτισης ηλιακής μπαταρίας: διάγραμμα, αρχή λειτουργίας, τρόποι σύνδεσης

Η ηλιακή ενέργεια προς το παρόν περιορίζεται (σε οικιακό επίπεδο) στη δημιουργία φωτοβολταϊκών πάνελ σχετικά χαμηλής ισχύος. Ωστόσο, ανεξάρτητα από τη σχεδίαση του φωτοβολταϊκού μετατροπέα του ηλιακού φωτός σε ρεύμα, η συσκευή αυτή είναι εξοπλισμένη με μια μονάδα που ονομάζεται ελεγκτής φόρτισης ηλιακής μπαταρίας.

Πράγματι, στο κύκλωμα της εγκατάστασης φωτοσύνθεσης του ηλιακού φωτός περιλαμβάνεται μια μπαταρία – ο αποθηκευτής της ενέργειας που λαμβάνεται από το ηλιακό πάνελ. Αυτήν ακριβώς τη δευτερεύουσα πηγή ενέργειας εξυπηρετεί κατά κύριο λόγο ο ελεγκτής.

Στο άρθρο που σας παρουσιάζουμε θα αναλύσουμε τη συσκευή και τις αρχές λειτουργίας αυτής της συσκευής, και επίσης θα εξετάσουμε τους τρόπους σύνδεσής της.

Ελεγκτές για ηλιακές μπαταρίες

Η ηλεκτρονική μονάδα, που ονομάζεται ελεγκτής για την ηλιακή μπαταρία, προορίζεται να εκτελεί μια ολόκληρη σειρά ελεγκτικών λειτουργιών κατά τη διαδικασία φόρτισης/εκφόρτισης του συσσωρευτή της ηλιακής μπαταρίας.

Όταν το ηλιακό φως πέφτει στην επιφάνεια του ηλιακού πάνελ που είναι εγκατεστημένο, για παράδειγμα, στην οροφή ενός σπιτιού, τα φωτοστοιχεία της συσκευής μετατρέπουν αυτό το φως σε ηλεκτρικό ρεύμα.

Η παραγόμενη ενέργεια θα μπορούσε ουσιαστικά να τροφοδοτηθεί απευθείας στην μπαταρία αποθήκευσης. Ωστόσο, η διαδικασία φόρτισης/εκφόρτισης της μπαταρίας έχει τισ λεπτομέρειές τησ (συγκεκριμένα επίπεδα ρεόματος κα ι τάσης). Εάν αγνοηθούν αυτές οί λεπτομέρεις, η μπαταρία θα κσταστραφεί σε σύντομο χρονικό διάστημα λειτουργίας.

Για να αποφευχθούν τέτοιες δυσάρεστες συνέπειες, υπάρχει μια μονάδα που ονομάζεται ελεγκτής φόρτισης για ηλιακό συλλέκτη.

Εκτός από την πρακολούθηση του επιπέδου φόρτισης της μπαταρίας, η μονάδα πρακολούθεί επίσης την κατανάλωση ενέργειας. Αναλόγως με τον βαθμό εκφόρτισης, το κύκλως του ελεγκτή φόρτισης μπαταρίας από ηλιακό συλλέκτη ρυθμίζει κα ι ορίζει το επίπεδο ρεύματος που απαιτείται για την αρχική κα ι την επακόλουθή φόρτιση.

Ανάλογα με την ισχύ του ελεγκτή φόρτισης μπαταρίας της ηλιακής ενεργειακής εγκατάστασης, οι κατασκευές αυτών των συσκευώ ν μπορεί να έχουν πολύ διαφορετικές διαμορφώσεις.

Γενικά, με απλά λόγια, η μονάδα εξασφαλίαει μια ανέμελη «ζωή» γι α την μπαταρία, η οποία συσσωρεύε ι κα ι αποδίδει περιοδικά ενέργεια στ ις συσκευές κατανάλως ης.

Τύποι που εφαρμόζονται στην πράξη

Σε βιομηχανικό επίπεδο, έχει καθιερωθεί κα ι πραγαματοποείται η παργωγή δύο τύπων ηλεκτρονικών συσκευών, η κα τασκευή των οποίων είναι κατάλληλη γα εγκατάσταση στο κύκλωμα ενός ηλιακού ενεργειακού συστήματος:

1. Συσκευές σειράς PWM.
2. Συσκευές σε ράς MPPT.

Ο πρώτος τύπος ελεγκτή γα ηλιακό συλλέκτη μπορεί να ονομάζεται «παλιός». Τέτοια κυκλώματα αναπτύχθηκαν κα ι τέθηκαν σε λειτουργία από την α καία της ηλιακής κα ι αιολικής ενέργειας.

Η αρχή λειτουργίας του κυκλώματος του ελεγκτή PWM βασίζεται σε αλγόριθμους διαμόρφωσης πλάτους παλμού. Η λειτουργικότητα αυτών τ ων συσκευών είναι κάπως κατώτερη από τις πιο προηγμένες συσκευές της σειράς MPPT, αλλά γενικά λειτουργούν επίσης αρκετά αποτελεσματικά.

Ένα από τα δημοφιλή μοντέλ ελεγκτή φόρτισης μπαταρίας ηλιακού σταθμού, παρά το γεγονός ότι το κύκλωμα της συσκευής είναι κατασκευασμένο με τεχνολογία PWM, η οποία θεωρείται ξεπερασμένη.

Κατασκευές όπου εφαρμόζεται η τεχνολογία Maximum Power Point Tracking (παρακολούθηση μέγιστου σημείου ισχύος), διακρίνονται από σύγχρονη προσέγγιση σε σχεδιαστικές λύσεις, παρέχοντας μεγαλύτερη λειτουργικότητα.

Αλλά αν συγκρίνουμε και τους δύο τύπους ελεγκτών, και ειδικά με έμφαση στον οικιακό τομέα, οι συσκευές MPPT δεν φαίνονται τόσο λαμπρές όσο παραδωσιακά δι αφη μίζο νται.

Ελεγκτής τύπου MPPT:

• έχει υψηλότερο κόστος·
• διαθέτει περίπλοκο αλγόριθμο ρύθμισης·
• προσφέρει πλεονέκτημα ισχύος μόνο σε πάνελ σημαντικού μεγέθους.

Αυτός ο τύπος εξοπλισμού είναι περισσότερο κατάλληλος για συστήματα παγκόσμιας ηλιακής ενέργειας.

Ελεγκτής, σχεδιασμένος για λειτουργία στο πλαίσιο μιας ηλιακής ενεργειακής εγκατάστασης. Αποτελεί εκπρόσωπο της κατηγορίας συσκευών MPPT – πιο προηγμένων και αποδοτικών.

Για τις ανάγκες ενός απλού χρήστη οικιακού περιβάλλοντος, που συνήθως έχει πάνελ μικρής επιφάνειας, είναι πιο συμφέρον να αγοράσει και να χρησιμοποιήσει με το ίδιο αποτέλεσμα έναν ελεγκτή PWM (PWM).

Δομικά διαγράμματα των ελεγκτών

Τα σχηματικά διαγράμματα των ελεγκτών PWM και MPPT για εξέταση από τη σκοπιά του απλού χρήστη είναι ένα πολύ περίπλοκο θέμα, που απαιτεί λεπτή κατανόηση των ηλεκτρονικών. Επομένως, είναι λογικό να εξετάσουμε μόνο τα δομικά διαγράμματα. Μια τέτοια προσέγγιση είναι κατανοητή σε ένα ευρύ κοινό.

Επιλογή #1 – συσκευές PWM

Η τάση από το ηλιακό πάνελ μέσω δύο αγωγών (θετικού και αρνητικού) φτάνει στο στοιχείο σταθεροποίησης και στην αντιστατική διαιρετική αλυσίδα. Χάρη σε αυτό το τμήμα του κυκλώματος, επιτυγχάνεται η εξίσωση δυναμικών της τάσης εισόδου και, σε κάποιο βαθμό, οργανώνεται προστασία της εισόδου του ελεγκτή από υπέρβαση του ορίου τάσης εισόδου.

Εδώ πρέπει να τονιστεί: κάθε μεμονωμένο μοντέλο συσκευής έχει ένα συγκεκριμένο όριο τάσης εισόδου (αναφέρεται στην τεκμηρίωση).

Έτσι περίπου μοιάζει το δομικό διάγραμμα συσκευών που κατασκευάζονται με βάση τεχνολογίες PWM. Για λειτουργία σε μικρούς οικιακούς σταθμούς, αυτή η προσέγγιση κυκλώματος παρέχει επαρκή απόδοση.

Στη συνέχεια, η τάση και το ρεύμα περιορίζονται στην απαιτούμενη τιμή από τα τρανζίστορ ισχύος. Αυτά τα εξαρτήματα του κυκλώματος ελέγχονται από το τσιπ του ελεγκτή μέσω του ολοκληρωμένου κυκλώματος οδήγησης (driver). Ως αποτέλεσμα, στην έξοδο του ζεύγους τρανζίστορ ισχύος, ορίζεται μια κανονική τιμή τάσης και ρεύματος για την μπαταρία.

Επίσης, στο κύκλωμα υπάρχει ένας αισθητήρας θερμοκρασίας και ένας οδηγός (driver) που ελέγχει το τρανζίστορ ισχύος, με το οποίο ρυθμίζεται η ισχύς φορτίου (προστασία από βαθιά εκφόρτιση της μπαταρίας). Ο αισθητήρας θερμοκρασίας παρακολουθεί την κατάσταση θέρμανσης σημαντικών στοιχείων του ελεγκτή PWM.

Συνήθως η στάθμη θερμοκρασίας στο εσωτερικό του περιβλήματος ή στις ψύκτρες των τρανζίστορ ισχύος. Εάν η θερμοκρασία υπερβεί τα όρια που έχουν οριστεί στις ρυθμίσεις, η συσκευή απενεργοποιεί όλες τις γραμμές ενεργού τροφοδοσίας.

Επιλογή #2 – συσκευές MPPT

Η πολυπλοκότητα του κυκλώματος σε αυτήν την περίπτωση οφείλεται στην προσθήκη μιας σειράς στοιχείων, τα οποία διαμορφώνουν τον απαραίτητο αλγόριθμο ελέγχου πιο προσεκτικά, με βάση τις συνθήκες λειτουργίας.

Τα επίπεδα τάσης και ρεύματος παρακολουθούνται και συγκρίνονται από κυκλώματα συγκριτών (comparators), και με βάση τα αποτελέσματα σύγκρισης προσδιορίζεται η μέγιστη ισχύς εξόδου.

Σχεδιαστική λύση σε δομική μορφή για ελεγκτές φόρτισης που βασίζονται σε τεχνολογίες MPPT. Εδώ σημειώνεται ήδη ένας πιο σύνθετος αλγόριθμος ελέγχου και διαχείρισης περιφερειακών συσκευών.

Η κύρια διαφορά αυτού του τύπου ελεγκτών από τις συσκευές PWM είναι ότι μπορούν να προσαρμόζουν την ηλιακή μονάδα ισχύος στο μέγιστο της ισχύος ανεξάρτητα από τις καιρικές συνθήκες.

Με το κύκλωμα τέτοιων συσκευών υλοποιούνται διάφορες μέθοδοι ελέγχου:

• διαταραχής και παρατήρησης·
• αυξανόμενης αγωγιμότητας·
• ρεύματος σάρωσης·
• σταθερής τάσης.

Και στο τελικό τμήμα της γενικής λειτουργίας εφαρμόζεται επίσης ένας αλγόριθμος σύγκρισης όλων αυτών των μεθόδων.

Τρόποι σύνδεσης των ελεγκτών

Εξετάζοντας το θέμα των συνδέσεων, πρέπει αμέσως να σημειωθεί: για την εγκατάσταση κάθε μεμονωμένης συσκευής, χαρακτηριστικό γνώρισμα είναι η λειτουργία με μια συγκεκριμένη σειρά ηλιακών πάνελ.

Έτσι, για παράδειγμα, εάν χρησιμοποιείται ένας ελεγκτής σχεδιασμένος για μέγιστη τάση εισόδου 100 βολτ, η σειρά ηλιακών πάνελ πρέπει να παρέχει στην έξοδο τάση όχι μεγαλύτερη από αυτήν την τιμή.

Οποιαδήποτε ηλιακή ενεργειακή εγκατάσταση λειτουργεί σύμφωνα με τον κανόνα ισορροπίας τάσεων εξόδου και εισόδου του πρώτου σταδίου. Το ανώτατο όριο τάσης του ελεγκτή πρέπει να αντιστοιχεί στο ανώτατο όριο τάσης του πάνελ.

Πριν συνδέσετε τη συσκευή, πρέπει να καθορίσετε τη θέσ η φυσικής εγκατάστασής της. Σύφωνα με τους κανόνες, ώς θέση εγκατάστασης θα πρέπει να επιλέγονται ξηροί, καλά αεριζόμενοι χώροι. Αποκλείετα η παρουσία εύφλεκτων υλικών κοντά στη συσκευή.

Δεν επιτρέπεται η ύπαρξη πηγών δονήσεων, θερμότητας και υγρασίας σε άμεση γειτνίαση με τή συσκευή. Ο χώρος εγκατάστασής πρέπει να προστατεύεται από τις καιρικές βροχόπτώσες κ τήν άμεση ηλιακή ακτνοβολία.

Τεχνική σύνδεσης μοντέλων PWM

Σχεδόν όλοι ο κατανσιεύεστές ελενκτών PWM απατούν τήν τήρησ τής ακρβούς σράς σύδεσης των συσκευών.

Η τεχνική σύνδεσής ελενκών PWM με περιφερειακές συσκευές δε δακρίετα από δαίτερες δυσκλέ$. Κάθε πλακέτα εναι εξοπισμέη με σημανσμένους ακροδέκτες. Εδώ απλώς απατείτα ή τήρησής τς ράς ενεργών.

Οι περιφερειακές συσκευές πρέπει να σύνδοντα σε πλήρη συμφωνία με τις ενδείξεις των ακροδεκτών επαφής:

1. Σύνδέστε τ καλόδ τη ς μπταρίς (ΑΚΒ) στους ακροδέκτες τη ς συσκευής γ το σσσωρτή σύφωνα με τήν ποδειώμεν πλικόττα.
2. Ακπβώς στ σημεί γής του θετικού καλδίύ, τοποθετήστε μαν ασφάι πρστασίας.
3. Στους ακροδέκτες του ελενκτή που προορίζονται γι το ηλακό πάνελ, στερεώστε τους αγωγούς που εξέρχονται απ τη ηλακή συστοιχία πάνελ. Τηρείτε τήν πλικόττα.
4. Σύνδέστε στους ακροδέκτες φοτ λίυ ς σκυής μαν λύχνί λέγού καάλής τάσης (σνθς 12/24V).

Η αναφερόμενη σειρά δεν πρέπει να παραβιάζεται. Για παράδειγμα, απαγορεύεται αυστηρά η σύνδεση των ηλιακών πάνελ πρώτα, χωρίς να είναι συνδεδεμένη η μπαταρία. Με τέτοιες ενέργειες ο χρήστης κινδυνεύει να «κάψει» τη συσκευή. Σε αυτό το υλικό περιγράφεται αναλυτικότερα το διάγραμμα σύνδεσης ηλιακών μπαταριών με μπαταρία.

Επίσης, για τους ελεγκτές της σειράς PWM δεν επιτρέπεται η σύνδεση του μετατροπέα τάσης στους ακροδέκτες φορτίου του ελεγκτή. Ο μετατροπέας πρέπει να συνδέεται απευθείας με τους ακροδέκτες της μπαταρίας.

Διαδικασία σύνδεσης συσκευών MPPT

Οι γενικές απαιτήσεις φυσικής εγκατάστασης για αυτόν τον τύπο συσκευών δεν διαφέρουν από τα προηγούμενα συστήματα. Αλλά η τεχνολογική εγκατάσταση είναι συχνά κάπως διαφορετική, καθώς οι ελεγκτές MPPT συχνά θεωρούνται πιο ισχυρές συσκευές.

Για ελεγκτές που έχουν σχεδιαστεί για υψηλά επίπεδα ισχύος, στις συνδέσεις των ισχυρών κυκλωμάτων συνιστάται η χρήση καλωδίων μεγάλων διατομών, εξοπλισμένων με μεταλλικά άκρα.

Για παράδειγμα, για ισχυρά συστήματα, αυτές οι απαιτήσεις συμπληρώνονται από το γεγονός ότι οι κατασκευαστές συνιστούν τη λήψη καλωδίου για γραμμές ισχύος, σχεδιασμένο για πυκνότητα ρεύματος τουλάχιστον 4 A/mm². Δηλαδή, για παράδειγμα, για έναν ελεγκτή ρεύματος 60 A χρειάζεται καλώδιο για σύνδεση στην μπαταρία με διατομή τουλάχιστον 20 mm².

Τα καλώδια σύνδεσης πρέπει υποχρεωτικά να είναι εξοπλισμένα με χάλκινους ακροδέκτες, σφιχτά συμπιεσμένους με ειδικό εργαλείο. Οι αρνητικοί ακροδέκτες του ηλιακού πάνελ και της μπαταρίας πρέπει να εξοπλιστούν με προσαρμογείς με ασφάλειες και διακόπτες.

Αυτή η προσέγγιση αποκλείει τις ενεργειακές απώλειες και εξασφαλίζει την ασφαλή λειτουργία της εγκατάστασης.

Δομικό διάγραμμα σύνδεσης ισχυρού ελεγκτή MPPT: 1 – ηλιακό πάνελ; 2 – ελεγκτής MPPT; 3 – ακροδέκτης; 4,5 – ασφάλειες τήξης; 6 – διακόπτης τροφοδοσίας ελεγκτή; 7,8 – γείωση.

Πριν από τη σύνδεσ η ηλιακών πάνελ στη συσκευή, πρέπει βεbαιωθείτε ότι η τάση στους ακροδέκτες είναι ίση ή μικρότερη από την τάση που επιτρέπεται να εφαρμοστεί στην είσοδο του ελεγκτή.

Σύνδεση περιφερειακών στη συσκευή MTTP:

1. Μεταφέρετε τους διακόπτες του πάνελ και της μπαταρίας στη θέση «απενεργοποιημένο».
2. Αφαιρέστε τις ασφάλειες προστασίας στο πάνελ και στην μπαταρία.
3. Συνδέστε με καλώδιο τους ακροδέκτες της μπαταρίας με τους ακροδέκτες του ελεγκτή για την μπαταρία.
4. Συνδέστε με καλώδιο τις εξόδους του ηλιακού πάνελ με τους ακροδέκτες του ελεγκτή που επισημαίνονται με το αντίστοιχο σύμβολο.
5. Συνδέστε με καλώδιο τον ακροδέκτη γείωσης με τη γειωτική ράβδο.
6. Τοποθετήστε τον αισθητήρα θερμοκρασίας στον ελεγκτή σύμφωνα με τις οδηγίες.

Μετά από αυτές τις ενέργειες, τοποθετήστε ξανά την προηγουμένως αφαιρεθεία ασφάλεια μπαταρίας και μεταφέρετε τον διακόπτη στη θέση «ενεργοποιημένο». Στην οθόνη του ελεγκτή θα εμφανιστεί ένα σήμα ανίχνευσης μπαταρίας.

Στη συνέχεια, μετά από σύντομη παύση (1-2 λεπτά), τοποθετήστε ξανά την προηγουμένως αφαιρεθεία ασφάλεια του ηλιακού πάνελ και μεταφέρετε τον διακόπτη του πάνελ στη θέση «ενεργοποιημένο».

Η οθόνη της συσκευής θα δείξει την τιμή της τάσης του ηλιακού πάνελ. Αυτή η στιγμή υποδηλώνει την επιτυχή έναρξη λειτουργίας της ηλιακής ενεργειακής εγκατάστασης.

Συμπεράσματα και χρήσιμο βίντεο για το θέμα

Η βιομηχανία παράγει συσκευές πολύπλευρες από άποψη κυκλωματικών λύσεων. Επομένως, δεν μπορούν να δοθούν σαφείς συστάσεις σχετικά με τη σύνδεση όλων ανεξαιρέτως των εγκαταστάσεων.

Ωστόσο, η κύρια αρχή για κάθε τύπο συσκευής παραμένει η ίδια: χωρίς σύνδεση του συσσωρευτή (ΑΚΒ) στους διαύλους του ελεγκτή, η σύνδεση με φωτοβολταϊκά πάνελ δεν επιτρέπεται. Παρόμοιες απαιτήσεις ισχύουν και για την ένταξη στο κύκλωμα του μετατροπέα τάσης. Θα πρέπει να θεωρείται ως ξεχωριστή μονάδα που συνδέεται απευθείας στον συσσωρευτή (ΑΚΒ).

Εάν έχετε την απαραίτητη εμπειρία ή γνώση, παρακαλούμε μοιραστείτε την με τους αναγνώστες μας. Αφήστε τα σχόλιά σας στο παρακάτω πλαίσιο. Εδώ μπορείτε επίσης να κάνετε μια ερώτηση σχετική με το θέμα του άρθρου.