Контроллер заряда аккумуляторный батареи является составным элементом автономной электрической сети. В принципе, сеть может работать и без этого устройства: достаточно солнечную батарею напрямую подключить к аккумулятору и «присматривать» за ходом его зарядки. И все же специалисты настоятельно рекомендуют включать контроллер заряда в систему.
Возникает закономерный вопрос: что это, рекламная акция и попытка продать потребителям бесполезный товар или контроллер заряда, действительно, жизненно необходим, и без него система работать не сможет?
Чтобы ответить на этот вопрос, выясним, зачем нужен контроллер заряда аккумулятора и какие функции он выполняет в автономной электрической сети.
Зачем нужен контроллер заряда аккумулятора
По сути, контроллер заряда аккумулятора, можно сравнить с запорной арматурой, с помощью которой перекрывается поток солнечной энергии, способный «переполнить» аккумуляторную батарею и вывести ее из строя.
Он же предназначен для того, чтобы вовремя остановить расход энергии, припасенной в аккумуляторе и не допустить его разряда до критического уровня. И в первом и во втором случае контроллер заряда просто спасает аккумуляторную батарею от гибели, а ее владельца от необходимости покупки нового аккумулятора.
Напомним, что стоимость хорошей аккумуляторной батареи, предназначенной для постоянного использования и обеспечения энергией комфортных условий проживания в загородном доме, составляет не менее 17 тысяч рублей. Этой суммы достаточно на покупку десятка не самых дорогих контроллеров заряда.
Что может случиться с аккумулятором, при отказе использовать контроллер заряда?
Большинство аккумуляторов рассчитаны на то, что уровень их заряда никогда не опустится ниже 50%. Если это все же произойдет, срок службы устройства может сократиться в несколько раз.
Если аккумулятор уже заряжен, но подача зарядного тока не прекращена, может произойти его переполюсовка, а также закипание электролита с бурным газообразованием, что неизменно приведет к вспучиванию герметичных аккумуляторных батарей.
Вывод однозначный: контроллер заряда в автономной электрической сети должен быть обязательно.
Какие бывают контроллеры заряда
Самые простые устройства при достижении уровня напряжения в аккумуляторной батарее на 15% превышающего номинальное значение просто прекращают подачу зарядного тока, поступающего от солнечной батареи или любого другого генератора электрической энергии.
При этом в системе создается короткое замыкание. Приемлем такой способ контроля зарядки только для солнечных батарей, для которых короткое замыкание не представляет никакой опасности.
Возможно для дачного домика, в котором электрическая сеть предназначена лишь для освещения или просмотра телевизора, такой контроллер заряда можно использовать. Но для электроснабжения дома, предназначенного для комфортного проживания семьи, использования в полной мере различной бытовой техники, этого недостаточно.
Широтно-импульсная модуляция
Сегодня можно купить контроллеры заряда с широтно-импульсной модуляцией, использование которых позволяет уменьшать зарядный ток по мере роста напряжения аккумуляторной батареи. При этом, ни о каких коротких замыканиях речи не идет.
При достижении аккумуляторной батареей полного заряда, процесс поступления электрической энергии прекращается, а устройство переходит в режим поддержания уровня заряда.
Процесс осуществляется за счет изменения продолжительности импульсов (в первом приближении можно сказать, что при этом меняется продолжительность включенного состояния и выключенного).
Если быть более точным, то широтно-импульсная модуляция представляет собой процесс приближения получаемого реального сигнала к желаемому результату, имеющему два уровня или два состояния: «включено» и «выключено». При этом исходный сигнал может быть двухуровневым или многоуровневым, что при использовании ШИМ не имеет принципиального значения.
В общем виде процесс можно представить так:
Здесь
∆Ti - продолжительность i -го ШИМ импульса, каждого с амплитудой A, а x(t) – требуемый входной сигнал с необходимыми параметрами, находящийся в интервале от t1 до t2.
При использовании широтно-импульсной модуляции энергии обеих величин должны быть приблизительно равными. Иными словами
На рисунке представлены все этапы работы контроля заряда с функцией ШИМ.
На начальном этапе аккумуляторная батарея полностью получает электрическую энергию, вырабатываемую солнечным модулем. При этом напряжение и сила тока имеют постоянные значения.
На втором этапе при достижении максимального значения силы тока контроллер заряда начинает поддерживать постоянное напряжение за счет широтно-импульсной модуляции, что является гарантией защиты от перегрева, вскипания и порчи аккумуляторных батарей. По мере роста заряда аккумуляторной батареи, сила тока начинает уменьшаться.
При достижении аккумулятором состояния полной зарядки, происходит уменьшение напряжение. Далее в батарее поддерживается состояние полного заряда.
Как видно из графика, заряд батареи продолжается и после уменьшения силы тока, целью которого является защита аккумулятора от перегрева и начала газообразования. Такое «слабое» течение процесса приводит к полной зарядке аккумулятора. Достичь подобных результатов можно только при использовании ШИМ. Следует обратить внимание, что для солнечных батарей контроллер заряда с ШИМ является единственным приемлемым способом, позволяющим заряжать аккумуляторную батарею полностью. В других случаях это практически невыполнимая задача.
Также к достоинствам контроллеров заряда с ШИМ следует отнести сокращение времени зарядки аккумулятора и высокий коэффициент полезного действия этого процесса.
Кроме того, использование контроллеров заряда с ШИМ позволяет не только увеличить емкость аккумуляторных батарей, но и выровнять их заряд (что особенно важно для герметично закрытых батарей, вскипание электролита в которых крайне нежелательно), а также продлить срок эксплуатации.
Контроллеры заряда с функцией ШИМ удобны в работе, имеют дисплеи или экраны, на которые выводится вся необходимая для управления процессом, информация.
Контроллеры заряда с функцией ШИМ предназначены для работы в небольших автономных электрических сетях, мощность которых не более 2кВт.
При выборе контроллера заряда нужно учитывать, что приборы, произведенные в Китае, на которых содержится информация о применении широтно-импульсной модуляции, не всегда действительно поддерживают ШИМ. В большинстве случаев они работают по принципу отключения устройства от источника электроэнергии при достижении нужного уровня заряда аккумулятора.
По сути, такое управление процессом к ШИМ не имеет никакого отношения, но потребитель, соблазненный громким названием, вынужден переплачивать немалые суммы денег. Поэтому, решив, купить контроллер заряда с широтно-импульсной модуляцией, предпочтение следует отдавать устройствам, выпускаемым проверенными производителями. Не стоит рисковать своей электрической сетью, стараясь приобрести ее составляющие элементы как можно дешевле.
Лучше всего отдать предпочтение контроллерам заряда российского производства, изготовленным в Краснодаре, мастерской альтернативной энергии «солнечный край». Продукция этого предприятия востребована во всех европейских странах, и особенно в Германии. Практичные немцы отдают предпочтение именно этим контроллерам заряда, потому, что они действительно надежны и недороги. Почему бы и гражданам нашей страны не последовать их примеру?
Например, контроллер заряда EPHC10-EC 10A может работать при напряжении как в 12В, так и в 24 В. Для его ускоренного заряда потребуется напряжение в сети 14,4В, а для подзаряда достаточно 13,4В.
Функция МРРТ
Функция МРРТ расшифровывается как Maximal Power Point Tracking, MPPT. Если эту фразу перевести на русский язык, то функцию нужно назвать как «поиск точки максимальной мощности».
Ее задачей является максимальное использование вырабатываемой солнечной энергии в нагрузке.
На рисунке приведена графическая, зависимость изменения напряжения и силы тока солнечной батареи (вольтамперная характеристика).
При коротком замыкании солнечной батареи или ее работе без нагрузки, вся вырабатываемая энергия будет выделяться на самой батарее, что приведет к ее нагреву.
Подключение к солнечной батарее нагрузки неизбежно повлечет за собой выделение части энергии на ней. Уменьшение нагрузки приведет к уменьшению сопротивления системы, и, как следствие, к падению напряжения и росту силы тока, что вызовет увеличение мощности. Процесс достигает максимального значение в некой точке, после прохождения которой, мощность солнечной батареи резко падает.
Именно эта точка называется точкой максимальной мощности. Напомним, что мощность определяется, как произведение значений напряжения и силы тока. В свою очередь, эти параметры зависят от нескольких факторов: освещенности, угла наклона солнечной батареи, ее температуры, а также от технических характеристик самой батареи. Все эти параметры постоянно меняются, а вместе с ними меняется и значение координат точки максимальной мощности.
При этом создаются условия для такого выбора параметров работы солнечной батареи, при которых ее мощность будет максимальной. Для этого необходимо подстраиваться под ее параметры, меняя при этом уровень нагрузки. Для автономной электрической сети с солнечной батареей аккумулятор также является нагрузкой, значение которой зависит от уровня его заряда.
Включение в электрическую сеть между солнечной батареей и аккумулятором МРРТ позволяет менять уровень нагрузки в сети в зависимости от напряжения и силы тока, таким образом, чтобы солнечная батарея постоянно работала с максимальной мощностью. Это особенно важно при ее использовании в пасмурную погоду, а также при коротком световом дне.
Алгоритмы поиска точки максимальной мощности у разных компаний, производителей контроллеров зарядов, различные. В любом случае, для этого необходим анализ параметров системы во времени и выбор их оптимального соотношения. Однако, применение контроллера заряда с МРРТ в среднем в течение года позволяет повысить мощность одного солнечного модуля на 30%.
Для потребителя, не желающего вдаваться в технические особенности контроллера заряда с МРРТ важно, что этот прибор позволяет заряжать аккумуляторную батарею, номинальное напряжение которой ниже номинального напряжения самой солнечной батареи. Например, аккумулятор, рассчитанный на 12В можно зарядить от солнечного модуля, напряжение которого 48В или 24В.
Это становится возможным при определении точки максимальной мощности и преобразования напряжения солнечной батареи в более низкое, приемлемое для заряда аккумулятора. При этом сила тока солнечного модуля повышается, а значение мощности остается неизменным.
Применение МРРТ контроллеров позволяет ускорить процесс зарядки аккумуляторов и повысить при этом КПД. (он составляет приблизительно 98%).
Незаменимы МРРТ контроллеры и при повышении температуры солнечного модуля, что неизменно ведет к снижению его мощности, а также при работе системы в пасмурную погоду.
Напомним, что при уменьшении освещенности обычной солнечной батареи из монокристаллического кремния может возникнуть ситуация, при которой напряжение аккумулятора превысит напряжении солнечной батареи. В этом случае аккумулятор начнет разряжаться.
Единственный выход, соединить несколько модулей последовательно. При этом возрастает суммарное значение напряжения солнечной батареи. В этом случае зарядка аккумулятора возможна при использовании МРРТ контроллера. Чем выше общее напряжение, тем быстрее будет происходить зарядка аккумулятора. В итоге система сможет работать даже в пасмурную погоду.
