Solarne regulatory ładowania są jednymi z najważniejszych komponentów w autonomicznych systemach fotowoltaicznych. Sterują one prądem ładowania i napięciem akumulatorów słonecznych, chroniąc je w ten sposób przed przeładowaniem i głębokim rozładowaniem. Z naszego poradnika dowiesz się, jak zbudowane są kontrolery ładowania i na co zwracać uwagę przy ich zakupie.
Moduły słoneczne, znane również jako panele fotowoltaiczne, są wykorzystywane do przekształcania światła słonecznego w energię elektryczną. Akumulatory służą do magazynowania energii i wykorzystywanie jej w okresach słabego nasłonecznienia lub do buforowania obciążeń szczytowych. Zapewniają systemowi solarnemu energię elektryczną w przypadku niedostatecznej podaży, gromadząc nadmiar energii i uwalniając ją ponownie w razie potrzeby.
Procesem tym steruje regulator ładowania słonecznego, znany również jako kontroler słoneczny. Gwarantuje on, że akumulator solarny jest zasilany odpowiednim prądem ładowania i nie jest uszkadzany przez zbyt wysokie lub niskie napięcie. W ten sposób przyczynia się do stałej wydajności i przepustowości, a także dłuższej żywotności baterii. Jednocześnie kontroler ładowania jest centrum sterowania i łącznikiem między modułem solarnym, akumulatorem i urządzeniami końcowymi.
Dlaczego jednak w ogóle stosuje się kontrolery ładowania? Czy nie można zasilać akumulatora energią elektryczną bezpośrednio z panelu fotowoltaicznego? Teoretycznie byłoby to możliwe. Problem polega jednak na tym, że akumulatory słoneczne wymagają precyzyjnie określonego napięcia i stałego prądu ładowania. Moduły fotowoltaiczne nie są w stanie zapewnić żadnego z tych parametrów. Korzystanie z ładowarek solarnych jest szczególnie ważne w przypadku systemów off-grid, ponieważ są one samowystarczalne. Monitorowanie i regulowanie przepływu prądu jest zatem bardzo istotne dla zapewnienia płynnej i wydajnej pracy systemu solarnego.
Kontrolery ładowania działają w oparciu o różne strategie i są odpowiednio kategoryzowane. Rozróżnia się regulatory ładowania szeregowego, PWM lub kompensacyjne i MPPT.
Regulator szeregowy
W przypadku regulatorów szeregowych prąd modułu solarnego jest odłączany za pomocą przekaźnika lub przewodu prądowego, gdy tylko osiągnięte zostanie odpowiednie napięcie ładowania. Obwód jest wówczas otwarty, a moduł nie pracuje. Jeśli napięcie spadnie, regulator ładowania ponownie uwalnia prąd. Wadą regulatorów szeregowych jest to, że mają one wysokie zużycie własnego prądu, a każdy nierozproszony przepływ jest przekształcany w ciepło...
Regulator bocznikowy
Kontrolery ładowania bocznikowego generują zwarcie w celu odłączenia modułu solarnego i akumulatora po osiągnięciu napięcia ładowania. Gdy tylko napięcie spadnie, moduł jest ponownie włączany. Proces ten odbywa się kilka razy na sekundę i jest technicznie określany jako modulacja szerokości impulsu (PWM), dlatego regulatory bocznikowe są również znane jako regulatory ładowania PWM. Technologia zwarciowa nie jest tak niebezpieczna, jak mogłoby się wydawać, wręcz przeciwnie - jest łagodna dla akumulatora, ponieważ prąd nie spada gwałtownie, lecz w sposób ciągły.
MPPT-Regler
Ein MPPT-Laderegler (MPPT = Maximum Power Point Tracking) passt sein Ladeverhalten an die Spannung des Solarmoduls an. Zu diesem Zweck analysiert er den Punkt dessen höchstmöglicher Leistung, den sogenannten Maximum Power Point. Dieser verändert sich ständig und hängt von Betriebstemperatur und Einstrahlungsstärke ab. Ein MPPT-Laderegler überwacht den Betriebspunkt daher permanent, um seine Eingangsspannung daraufhin anpassen zu können. Die Spannung des Solarmoduls wird dann in die erforderliche Batteriespannung umgewandelt.
Regulatory MPPT są droższe niż regulatory wykorzystujące metodę PWM. Porównując obie techniki, szybko staje się jasne, dlaczego tak się dzieje. Dużą zaletą strategii MPPT jest to, że nadmiar napięcia jest przekształcany w prąd ładowania, a wydajność solarna lub fotowoltaiczna nie jest w ogóle ograniczana. Prawie nie ma strat energii, co sprawia, że sprawność regulatorów MPPT jest wyjątkowo wysoka (98%).
W przypadku regulatorów PWM jest inaczej. Redukują one ogólne napięcie wejściowe bez przekształcenia. Dlatego ich sprawność jest niższa. Może to nie być tak ważne w przypadku modułów słonecznych o małym napięciu nominalnym. Jednak sytuacja wygląda inaczej, gdy moduły mają wysokie napięcie nominalne. Tutaj zastosowanie techniki PWM jest nieefektywne, ponieważ straty energii przy redukcji napięcia do poziomu baterii są odpowiednio duże. Regulatory MPPT mogą ograniczyć tego rodzaju straty, tak że droższe koszty zakupu z czasem się amortyzują.
Przy zakupie kontrolera ładowania słonecznego warto wziąć pod uwagę kilka ważnych kwestii. Po pierwsze, należy znać maksymalny prąd ładowania, napięcie znamionowe akumulatora (12 V, 24 V itp.) oraz maksymalną moc wyjściową modułów solarnych. Zasadniczo kontroler ładowania powinien być w stanie przetworzyć co najmniej maksymalną możliwą moc wyjściową modułu. Lepiej jest, jeśli może obsłużyć od 10 do 20% więcej prądu niż obliczono. W ten sposób tworzy się bufor i w razie potrzeby można później rozbudować system bez konieczności kupowania nowego kontrolera ładowania.
Ponadto kontroler ładowania musi być odpowiedni dla danego typu baterii lub akumulatora (ołowiowo-żelowy, ołowiowo-kwasowy, litowy itp.). Należy rozważyć, który typ sterownika najlepiej nadaje się do danych celów. Chociaż kontrolery ładowania MPPT oferują lepszą wydajność, kontrolery PWM lub bocznikowe są tańsze i mogą być wystarczające w zależności od zastosowania (szczególnie w przypadku małych systemów solarnych). Należy zauważyć, że kontroler ładowania słonecznego PWM działa wydajnie tylko wtedy, gdy napięcie akumulatora odpowiada napięciu modułu słonecznego. Przykładowo, jeśli masz akumulator o napięciu 12V, podłączenie kontrolera ładowania PWM ma sens tylko wtedy, gdy używasz modułu solarnego o napięciu 12V.
Należy również wziąć pod uwagę cechy kontrolera ładowania solarnego. Proste modele wyświetlają stan naładowania akumulatora za pomocą diod LED. Natomiast wyższej jakości urządzenia są zazwyczaj wyposażone w wyświetlacz LCD. Ponieważ charakterystyka ładowania akumulatora zmienia się w zależności od temperatury, zaawansowane kontrolery ładowania są wyposażone w czujniki temperatury, które pozwalają na odpowiednie dostosowanie procesu ładowania do aktualnych warunków. W modelach z automatyczną kompensacją temperatury napięcie ładowania jest nieznacznie zwiększane w niższych temperaturach i nieznacznie zmniejszane w wyższych.
W każdym przypadku przydatne są regulatory ładowania z wbudowanym zabezpieczeniem przed nadmiernym rozładowaniem. Odłączają one odbiorniki od akumulatora, gdy napięcie spadnie poniżej określonej wartości, aby nie doszło do nadmiernego rozładowania. Jeśli regulator ładowania solarnego nie posiada zabezpieczenia przed nadmiernym rozładowaniem, zaleca się zakupienie go osobno i uzupełnienie. Praktyczne są również regulatory ładowania solarne z zaporą przeciwprądową, która zapobiega staniu się modułu słonecznego odbiornikiem i na przykład rozładowywaniu akumulatora w nocy. Nie jest błędem również rozważenie dodatkowych funkcji kontrolera solarnego, które perspektywicznie mogą uczynić aplikację bardziej komfortową. Mogą to być na przykład możliwości połączenia, takie jak interfejs USB lub wbudowany moduł Bluetooth.
Aby obliczyć wymagane natężenie prądu regulatora ładowania, należy podzielić moc wyjściową systemu solarnego (określoną w watach szczytowych) przez napięcie akumulatora. Następnie dodaj co najmniej 10% do tej wartości. Nasz kalkulator systemu solarnego pomoże ci określić moc wyjściową systemu solarnego 12V.
Jakie są zalety kontrolerów ładowania słonecznego z USB lub Bluetooth w porównaniu do tradycyjnych urządzeń?
Nowoczesne regulatory ładowania słonecznego z funkcją Bluetooth lub połączeniem USB oferują wyjątkowo wysoki komfort użytkowania. Można je na przykład podłączyć do komputera lub tabletu w celu przeprowadzenia analizy lub zapisu danych. Kontrolery z funkcją Bluetooth pozwalają także na wygodne sterowanie, monitorowanie i aktualizację za pośrednictwem smartfona. Kontrolery ładowania solarnego z portem USB mogą być również używane jako ładowarki do telefonów komórkowych lub tabletów.
Czy kontroler ładowania jest wystarczający dla systemów fotowoltaicznych z przyłączem AC?
Systemy fotowoltaiczne mogą być budowane na różne sposoby. Istnieją mniejsze systemy PV z połączeniem prądu stałego i większe instalacje z połączeniem prądu przemiennego. W przypadku połączeń stałoprądowych do zarządzania akumulatorami wystarczy jeden kontroler ładowania, ale nie jest tak w przypadku połączeń zmiennoprądowych. Ze względu na konieczność konwersji prądu przemiennego na prąd stały, konieczne jest zintegrowanie dwóch kontrolerów ładowania.
Kiedy kontroler fotowoltaiczny z technologią MPPT jest opłacalny?
Zasadniczo kontroler ładowania MPPT jest zawsze wskazany, jeżeli napięcie nominalne systemu solarnego jest znacznie wyższe niż napięcie akumulatora. Ponadto, kontroler ładowania MPPT może okazać się przydatny, jeśli system solarny generuje duże ilości energii elektrycznej. Powodem tego jest wyższa wydajność w porównaniu z innymi typami kontrolerów. Z technicznego punktu widzenia kontroler ładowania MPPT jest również dobrym wyborem w przypadku wahań natężenia promieniowania UV, ponieważ sprawia, że panel słoneczny zawsze pracuje w optymalnym punkcie mocy.
Jakie są rodzaje akumulatorów solarnych?
Akumulatory słoneczne to głównie akumulatory ołowiowe (kwasowo-ołowiowe/żelowo-ołowiowe/AGM) lub akumulatory litowo-jonowe.
- Akumulatory kwasowo-ołowiowe są najstarszymi z wymienionych typów i dobrze nadają się do małych i średnich obciążeń. Są to akumulatory otwarte, mokre, z ciekłym kwasem siarkowym jako elektrolitem, dlatego nie mogą być używane w dowolnej pozycji. Wymagają one również stosunkowo wysokiej konserwacji, ponieważ muszą być regularnie uzupełniane wodą destylowaną.
- W akumulatorach ołowiowo-żelowych i AGM kwas siarkowy jest związany w żelu lub włókninie z włókna szklanego. Mają one zamkniętą konstrukcję, nie wymagają konserwacji i mogą być używane w dowolnej pozycji.
- Akumulatory litowo-jonowe o najnowocześniejszej technologii - działają wydajniej niż akumulatory ołowiowe, nie wymagają konserwacji i mają dłuższą żywotność. Są jednak droższe i mogą ulec zapłonowi w przypadku nieprawidłowego użytkowania.
Jakie jest napięcie obwodu otwartego modułów fotowoltaicznych?
Napięcie obwodu otwartego to maksymalne napięcie, które panel słoneczny jest w stanie wygenerować, gdy z modułu nie jest pobierany prąd. Dzieje się tak, gdy nie podłączono żadnego obciążenia. Wartość ta jest istotna dla oceny wydajności modułu, ale musi być ustalona w odniesieniu do innych parametrów, takich jak sprawność, moc znamionowa i współczynnik temperaturowy.