Regulátor nabíjení solární baterie: schéma, princip fungování, způsoby připojení

Solární energetika se zatím (na úrovni domácností) omezuje na výrobu fotovoltaických panelů s relativně nízkým výkonem. Avšak bez ohledu na konstrukci fotovoltaického měniče slunečního světla na proud je toto zařízení vybaveno modulem nazývaným regulátor nabíjení solární baterie.

Do schématu instalace fotosyntézy slunečního světla je skutečně zařazena akumulátorová baterie – zásobník energie získané ze solárního panelu. Právě tento sekundární zdroj energie je řízen především regulátorem.

V námi předloženém článku se podíváme na konstrukci a principy fungování tohoto přístroje a také na způsoby jeho zapojení.

Regulátory pro solární baterie

Elektronický modul, nazývaný regulátor pro solární baterii, je určen k vykonávání celé řady kontrolních funkcí během procesu nabíjení/vybíjení akumulátoru solární baterie.

Když na povrch solárního panelu, instalovaného například na střeše domu, dopadá sluneční světlo, fotoelektrické články zařízení přeměňují toto světlo na elektrický proud.

Získaná energie by teoreticky mohla být přiváděna přímo do akumulátoru. Proces nabíjení/vybíjení baterie má však svá specifika (určité úrovně proudů a napětí). Pokud tato specifika zanedbáte, baterie po krátké době provozu jednoduše selže.

Aby se předešlo těmto nepříjemným následkům, je určen modul nazývaný regulátor nabíjení pro solární panel.

Kromě kontroly úrovně nabití baterie modul také sleduje spotřebu energie. Podle stupně vybití obvod regulátoru nabíjení baterie ze solárního panelu reguluje a nastavuje úroveň proudu potřebnou pro počáteční a následné nabíjení.

Podle výkonu regulátoru nabíjení baterií solární elektrárny se mohou konstrukce těchto zařízení lišit v konfiguraci.

Obecně řečeno, modul zajišťuje bezstarostný „život“ baterie, která periodicky ukládá a dodává energii spotřebitelům.

Prakticky používané typy

Na průmyslové úrovni je zavedena výroba dvou typů elektronických zařízení, jejichž provedení je vhodné pro instalaci do schématu solárního energetického systému:

1. Zařízení řady PWM.
2. Zařízení řady MPPT.

První typ regulátoru pro solární panel lze nazvat „starším“. Takové obvody byly vyvíjeny a zaváděny do provozu již na úsvitu solární a větrné energetiky.

Princip činnosti obvodu PWM regulátoru je založen na algoritmech pulzně šířkové modulace. Funkčnost těchto přístrojů mírně zaostává za modernějšími zařízeními řady MPPT, ale celkově pracují také poměrně efektivně.

Jeden z oblíbených modelů regulátoru nabíjení baterie solární stanice, přestože je obvod zařízení proveden technologií PWM, která je považována za zastaralou.

Konstrukce, kde je použita technologie Maximum Power Point Tracking (sledování maximálního bodu výkonu), se vyznačují moderním přístupem k obvodovým řešením a poskytují větší funkčnost.

Ale pokud porovnáme oba typy regulátorů, a to zejména s ohledem na domácí sféru, zařízení MPPT nevypadají v tak růžovém světle, v jakém jsou tradičně propagovány.

Regulátor typu MPPT:

• má vyšší cenu;
• má složitý algoritmus nastavení;
• poskytuje výhodu ve výkonu pouze na panelech značné plochy.

Tento typ zařízení je vhodnější pro systémy globální solární energetiky.

Regulátor určený pro provoz v rámci konstrukce solární energetické instalace. Je zástupcem třídy zařízení MPPT – modernějších a účinnějších.

Pro potřeby běžného uživatele z domácího prostředí, který má zpravidla panely malé plochy, je výhodnější koupit a se stejným efektem používat PWM regulátor.

Bloková schémata regulátorů

Principiální schémata regulátorů PWM a MPPT pro laický pohled je příliš složitý moment, spojený s jemným porozuměním elektronice. Proto je logické uvažovat pouze strukturální schémata. Tento přístup je srozumitelný širokému okruhu osob.

Varianta #1 – zařízení PWM

Napětí ze solárního panelu po dvou vodičích (kladném a záporném) přichází na stabilizační prvek a oddělovací rezistorový řetězec. Díky této části schématu se dosahuje vyrovnání potenciálů vstupního napětí a do určité míry se organizuje ochrana vstupu regulátoru před překročením meze vstupního napětí.

Zde je třeba zdůraznit: každý jednotlivý model zařízení má konkrétní mez vstupního napětí (uvedeno v dokumentaci).

Tak přibližně vypadá strukturální schéma zařízení vyrobených na bázi technologií PWM. Pro provoz v rámci malých domácích stanic tento schematický přístup zajišťuje zcela dostatečnou účinnost.

Dále jsou napětí a proud omezeny na potřebnou velikost výkonovými tranzistory. Tyto komponenty schématu jsou řízeny čipem regulátoru přes mikročip driveru. V důsledku toho se na výstupu dvojice výkonových tranzistorů nastaví normální hodnota napětí a proudu pro akumulátor.

Také je ve schématu přítomen teplotní senzor a driver řídící výkonový tranzistor, kterým se reguluje výkon zátěže (ochrana proti hlubokému vybití akumulátoru). Teplotním senzorem se kontroluje stav zahřátí důležitých prvků regulátoru PWM.

Obvykle úroveň teploty uvnitř skříně nebo na chladičích výkonových tranzistorů. Pokud teplota překročí meze nastavené v konfiguraci, přístroj vypne všechny linky aktivního napájení.

Varianta #2 – přístroje MPPT

Složitost schématu je v tomto případě dána jeho doplněním celou řadou prvků, které vytvářejí potřebný algoritmus kontroly důkladněji na základě pracovních podmínek.

Úrovně napětí a proudu jsou sledovány a porovnávány obvody komparátorů a na základě výsledků porovnání se určuje maximum výkonu na výstupu.

Schématické řešení ve strukturální podobě pro regulátory nabíjení založené na technologii MPPT. Zde je již zaznamenán složitější algoritmus řízení a ovládání periferních zařízení.

Hlavní rozdíl tohoto typu regulátorů od zařízení PWM spočívá v tom, že jsou schopny přizpůsobit solární energetický modul na maximum výkonu nezávisle na povětrnostních podmínkách.

Schématem takových zařízení se realizuje několik metod řízení:

• poruchy a pozorování;
• rostoucí vodivosti;
• proudového rozvinutí;
• konstantního napětí.

A v konečném úseku celkového působení se ještě používá algoritmus porovnání všech těchto metod.

Způsoby zapojení regulátorů

Při zvažování tématu připojení je třeba ihned poznamenat: pro instalaci každého jednotlivého zařízení je charakteristickým rysem práce s konkrétní sérií solárních panelů.

Tak například, pokud se používá regulátor určený pro maximální vstupní napětí 100 voltů, série solárních panelů musí na výstupu poskytovat napětí ne větší než tato hodnota.

Jakékoliv solární energetické zařízení funguje podle pravidla rovnováhy výstupního a vstupního napětí prvního stupně. Horní hranice napětí regulátoru musí odpovídat horní hranici napětí panelu.

Před připojením zařízení je nutné určit místo jeho fyzické instalace. Podle pravidel by se jako místo instalace měly volit suché, dobře větrané místnosti. Vylučuje se přítomnost hořlavých materiálů v blízkosti zařízení.

Není přípustná přítomnost zdrojů vibrací, tepla a vlhkosti v bezprostřední blízkosti zařízení. Místo instalace je třeba chránit před povětrnostními srážkami a přímým slunečním zářením.

Technika zapojení modelů PWM

Téměř všichni výrobci PWM regulátorů vyžadují dodržování přesného pořadí připojení zařízení.

Technika spojení PWM regulátorů s periferními zařízeními se nevyznačuje zvláštními složitostmi. Každá deska je vybavena označenými svorkami. Zde je jednoduše třeba dodržet posloupnost akcí.

Periferní zařízení je třeba připojovat v plném souladu s označením kontaktních svorek:

1. Připojte vodiče baterie na svorky zařízení pro akumulátor v souladu s uvedenou polaritou.
2. Přímo v místě kontaktu kladného vodiče zapojte ochrannou pojistku.
3. Na kontaktech regulátoru určených pro solární panel upevněte vodiče vycházející ze solární baterie panelů. Dodržujte polaritu.
4. Připojte k výstupům zátěže zařízení kontrolní lampu odpovídajícího napětí (obvykle 12/24 V).

Uvedené pořadí nesmí být porušeno. Například je přísně zakázáno připojovat solární panely jako první, pokud není připojen akumulátor. Těmito kroky riskujete, že zařízení „spálíte“. V tomto materiálu je podrobněji popsáno schéma zapojení solárních baterií s akumulátorem.

Rovněž u regulátorů řady PWM je nepřípustné připojení napěťového měniče na svorky zátěže regulátoru. Měnič by měl být připojen přímo ke svorkám akumulátoru.

Pořadí zapojení přístrojů MPPT

Obecné požadavky na fyzickou instalaci pro tento typ zařízení se neliší od předchozích systémů. Technologické nastavení je však často poněkud odlišné, protože regulátory MPPT jsou často považovány za výkonnější zařízení.

U regulátorů určených pro vysoké výkony se na spojích silových obvodů doporučuje používat kabely s velkými průřezy, opatřené kovovými koncovkami.

Například u výkonných systémů jsou tyto požadavky doplněny o to, že výrobci doporučují použít kabel pro silová připojení dimenzovaný na proudovou hustotu nejméně 4 A/mm². To znamená, že například pro regulátor s proudem 60 A je potřeba kabel pro připojení k akumulátoru o průřezu nejméně 20 mm².

Propojovací kabely musí být vybaveny měděnými koncovkami, pevně zalisovanými speciálním nástrojem. Záporné svorky solárního panelu a akumulátoru je nutné opatřit adaptéry s pojistkami a vypínači.

Tento přístup eliminuje energetické ztráty a zajišťuje bezpečný provoz zařízení.

Strukturní schéma zapojení výkonného regulátoru MPPT: 1 – solární panel; 2 – regulátor MPPT; 3 – svorkovnice; 4,5 – tavné pojistky; 6 – vypínač napájení regulátoru; 7,8 – zemnící lišta

Před připojením solárních panelů k zařízení je třeba se ujistit, že napětí na svorkách odpovídá nebo je nižší než napětí, které je přípustné přivádět na vstup regulátoru.

Připojení periferií k zařízení MTTP:

1. Přepněte vypínače panelu a akumulátoru do polohy „vypnuto“.
2. Vyjměte ochranné pojistky na panelu a akumulátoru.
3. Propojte kabelem svorky akumulátoru se svorkami regulátoru pro akumulátor.
4. Připojte kabelem vývody solárního panelu ke svorkám regulátoru označeným příslušným symbolem.
5. Propojte kabelem zemnící svorku s lištou „země“.
6. Nainstalujte teplotní čidlo na regulátor podle návodu.

Po těchto krocích je nutné vložit zpět dříve vyjmutou pojistku akumulátoru a přepnout vypínač do polohy „zapnuto“. Na obrazovce regulátoru se objeví signál detekce akumulátoru.

Poté, po krátké pauze (1–2 min), umístěte na místo dříve vyjmutou pojistku solárního panelu a přepněte vypínač panelu do polohy „zapnuto“.

Displej přístroje ukáže hodnotu napětí solárního panelu. Tento okamžik svědčí o úspěšném spuštění solární energetické instalace do provozu.

Závěry a užitečné video k tématu

Průmysl vyrábí zařízení s mnoha aspekty z hlediska schématických řešení. Proto nelze dát jednoznačná doporučení ohledně připojení všech bez výjimky instalací.

Nicméně hlavní princip pro všechny typy přístrojů zůstává jednotný: bez připojení baterie na sběrnice regulátoru je spojení s fotovoltaickými panely nepřípustné. Obdobné požadavky jsou kladeny i na zařazení do schématu střídače napětí. Ten by měl být považován za samostatný modul, který se připojuje k baterii přímým kontaktem.

Pokud máte potřebné zkušenosti nebo znalosti, podělte se o ně prosím s našimi čtenáři. Své komentáře zanechávejte v bloku umístěném níže. Zde můžete také položit dotaz k tématu článku.