1.4.2 Контроллер заряда аккумуляторных батарей

Контроллер заряда управляет процессами заряда блока аккумуляторных батарей от солнечных батарей (рис. 1.8). Контроллеры заряда различаются по алгоритмам заряда оn/off, pwn, mppt. От алгоритма заряда зависит: полностью используется емкость аккумуляторных батарей (для алгоритма оn/оff заряд до 90% от емкости), срок службы аккумуляторных батарей, полностью будет использована мощность солнечных батарей (контроллеры работают по алгоритму mррт позволяют снимать на 10-30% больше энергии из солнечных батарей).

Рисунок 1.5 - Контроллер заряда аккумуляторных батарей

Устройствами наиболее адаптированными к условиям эксплуатации, емкости и напряжению аккумуляторных батарей является МРРТ - контролеры. МРРТ - контроллеры представляют собой последнее поколение контроллеров заряда с лучшей технологии преобразования энергии, генерируемой фотомодулей. Аббревиатура МРРТ (Maximum power point tracker) - слежения за точкой максимальной мощности (ТМП). Эти контроллеры сами выбирают оптимальное соотношение напряжения и тока, которые снимаются с фотомодулей. Такие контроллеры снимают более высокое напряжение с солнечных батарей и конвертируют ее в оптимальное напряжение для заряда аккумуляторных батарей (АКБ).

Оптимальное напряжение фотомодуля почти всегда отличается от напряжения на АКБ. Для стандартных 12 В аккумулятора необходимо выдерживать заряд напряжением 14,4 В течение 2-4 часов. Эта стадия называется стадией абсорбции (насыщения).

При слабой освещенности, когда напряжение на фотомодулях ниже напряжения аккумуляторной батареи и как следствие отсутствие заряда, МРРТ контроллеры повышают это напряжение и заряд все равно происходит. МРРТ контроллер все время следит за током и напряжением на фотомодулях, умножает их значение и определяет пару ток-напряжение, при которых мощность солнечной батареи максимальна. Процессор следит за стадией заряда, в которой находится аккумулятор (наполнение, насыщение, выравнивание, поддержка) и на основании этого регулирует ток, подаваемый в АКБ.

Также процессор может давать индикацию параметров на табло (при наличии), хранить данные и т.п.

Применение МРРТ контроллеров позволяет получать от солнечных батарей на 15-30% больше электроэнергии по сравнению с другими контроллерами.

Если рассмотреть стандартную вольтамперную характеристику фотоэлектрического модуля, можно отметить, что произведенная электроэнергия может быть увеличена, если контроллер заряда отследит точку максимальной мощности фотомодуля (рис. 1.9).

Рисунок 1.6 - Изменение напряжения в точке максимальной мощности при различных температурах модуля

Точка максимальной мощности может исчисляться различными способами. Как правило, контроллер последовательно снижает напряжение от точки холостого хода к напряжению на аккумуляторе. Точка максимальной мощности будет находиться где-то в промежутке между этими значениями.

Положение точки максимальной мощности зависит от ряда факторов - от освещенности, температуры модуля, разнородности используемых модулей и т.д. Контроллер время от времени пытается слегка "отойти" от найденной точки в обе стороны, и если мощность при этом увеличивается, то он переходит на работу в этой точке. Теоретически, при поиске ТМП теряется немного энергии, но эта потеря очень незначительна по сравнению в той дополнительной энергии, которую обеспечивает МРРТ контроллер.

С помощью постоянного преобразования напряжений контроллер поддерживает различное напряжение на входе и выходе. Количество дополнительно полученной энергии, которую дают МРРТ контроллеры, сложно однозначно оценить численно. Основными факторами, влияющими на дополнительную выработку, являются температура и уровень заряженности аккумуляторной батареи. Наибольшая добавка будет заметна при низких температурах модуля и разряженных АКБ.

Напряжение может изменяться в точке максимальной мощности при различных температурах модуля, чем больше нагретый солнечный модуль, тем ниже его напряжение, и, соответственно, вырабатываемая энергия фотомодуля.

Поэтому, как правило, при использовании МРРТ контроллеров солнечные модули собирают на более высокое напряжение. Основная масса контроллеров отслеживает точку максимальной мощности в достаточно широких пределах. Такое решение позволяет увеличивать выработку энергии солнечной батареей при низкой освещенности. Однако не следует делать слишком большую разницу между входной и выходным напряжением, так как это приводит к снижению КПД контроллера.

Основные преимущества контроллеров МРРТ:

- отсутствие потерь при заряде АКБ;

- оптимальная работа при затенении части площади солнечных панелей;

- повышенная отдача при слабой освещенности и при облачной погоде;

- возможность использовать более высокую входное напряжение от фото-модулей;

- позволяет уменьшить сечение кабелей;

- позволяет увеличить дистанцию от панелей к контроллеру.

Сравнительная диаграмма генерации энергии фотоэлектрической системы с ШИМ-контролером и МРРТ представлена на рисунке 1.10.

Рисунок 1.7 - Сравнительная диаграмма PWM контроллера и МРРТ

Как видно из диаграммы, прирост электроэнергии в год системой с МРРТ контроллером против ШИМ составляет около 20%.

В приведенном ниже графике (рис. 1.11) показано, как при определенном значении напряжения сила тока начинает резко падать. Вместе с силой тока падает мощность, а, следовательно, уменьшается эффективность использования батареи. Для того, чтобы использовать всю мощность батареи, были разработаны специальные контроллеры заряда, которые могут отслеживать точку максимальной мощности.

Рисунок 1.8 - Реальный график мощности и тока солнечной батареи 80 Вт в зависимости от напряжения

Принципиальное отличие контроллера заряда МРРТ от всех остальных заключается в том, что он находит и отслеживает точку максимальной мощности солнечной батареи и использует всю доступную мощность путем широтно-импульсного преобразования при всех режимах заряда, а не только при последнем режиме для поддержки предельного напряжения зарядки. Таким образом, использование МРРТ контроллера позволяет увеличить количество используемой солнечной энергии от одной и той же батареи на 10-30% в зависимости от глубины разряда аккумулятора.