Фотоэлектричество

Солнечные батареи

Нас часто спрашивают о возможности параллельного соединения разнонаправленных солнечных батарей на один солнечный контроллер и о назначении диодов Шоттки в клеммных коробках солнечных модулей. Дискуссия и ответы на эти вопросы — в нашей теме на форуме Вопрос о влиянии тени и целесообразности применения нескольких МРРТ контроллеров

Контроллеры заряда

Нас часто спрашивают о возможности параллельного соединения разнонаправленных солнечных батарей на один солнечный контроллер и о назначении диодов Шоттки в клеммных коробках солнечных модулей. Дискуссия и ответы на эти вопросы — в нашей теме на форуме Вопрос о влиянии тени и целесообразности применения нескольких МРРТ контроллеров

Нет, не могут. Шунт используется только для правильного определения степени заряженности АБ и, соответственно, управления встроенными реле по этому параметру.

Вы, наверное, читали про возможность регулирования без разряда АБ в описании контроллеров МАП Эко. Там такая возможность заявлена, но, по нашему горькому опыту, она не работает, несмотря на заявления производителя. Очень надеемся, что в ближайшее время Микроарт отладит работу этой уникальной функции своего контроллера.

В общем случае нет. Номинальное напряжение солнечной батареи должно совпадать с номинальным напряжением аккумуляторной батареи. То же самое относится и к номинальному напряжению нагрузки постоянного тока.

Исключение составляет применение контроллеров заряда с MPPT с возможностью понижения напряжения. MPPT контроллеры могут понижать напряжение солнечной батареи до напряжения аккумулятора, а на входе поддерживать напряжение для отбора максимальной мощности от солнечной батареи. См. ответы на вопрос по преимуществам использования MPPT контроллеров.

При этом надо учитывать, что коэффициент полезного действия такого преобразования тем ниже, чем больше разница между входным и выходным напряжением.

Следует отметить, что такие контроллеры дороже обычных ШИМ контроллеров. Использование MPPT контроллера оправдано при мощности солнечной батареи более 200 Вт. Также, MPPT контроллеры выгодно применять с модулями от 100Вт, если солнечные батареи эксплуатируются в холодных погодных условиях (как известно, при низких температурах напряжение максимальной мощности на модуле повышается, что ведет к большему разрыву между оптимальным напряжением на фотоэлектрическом модуле и напряжением на аккумуляторе).

Также, MPPT контроллеры используются для работы с модулями с нестандартным напряжением (например, тонкопленочные модули и модули для больших солнечных электростанций) — в этом случае такие контроллеры просто необходимы. Более низкая стоимость таких модулей может компенсировать более высокую стоимость MPPT контроллеров.

По мере снижения стоимости MPPT контроллеров минимальная мощность солнечной батареи, с которой их целесообразно использовать, будет снижаться. Например, у нас в продаже есть недорогие MPPT контроллеры китайского производства Tracer MPPT на ток от 10 до 45А.

Выигрыш от слежения за точкой максимальной мощности модуля составляет 15-30%.

Для каждого типа контроллеров есть свои особенности применения, которые зависят от типа, состав и режимов эксплуатации системы солнечного электроснабжения.

ШИМ контроллер имеет свои преимущества.

1. Это действительно более простое устройство, чем MPPT контроллер.

2. Напряжение стандартного модуля подобрано с учетом заряда аккумулятора. Например, для 12В аккумулятора необходимо напряжение 14,5В. Именно исходя из этого напряжения выбрано напряжение 12В солнечного модуля в точке максимальной мощности 17В. Это напряжение в идеальных условиях — освещенности 1000Вт/м2 и температуре модуля 25°С. Но дело в том, что в реальных условиях модуль нагревается и эта точка снижается до 16-16,5В. Расстояние до аккумулятора от модуля тоже обычно не 1 м, поэтому добавляются еще 1-2В на потери в проводах. Более того, обычно даже в яркий солнечный день уровень освещенности не 1000, а 700-900Вт/м2 — это дает еще до 0,5В снижения напряжения (напряжение снижается при снижении уровня освещенности не так сильно, как ток).

Вот и выходит, что в реальных условиях летней эксплуатации ШИМ контроллер работает близко к точке максимальной мощности.

3. КПД MPPT контроллера обычно ниже, чем ШИМ контроллера. В MPPT происходит преобразование напряжения и тока, а в ШИМ на основной стадии заряда СБ практически напрямую подключена к АБ и весь ток идет на заряд и питание нагрузки. Регулирование ШИМ начинается только в конце заряда, а такой режим гораздо реже, чем режим с полностью открытым ключом.

4. Из-за того, что ШИМ контроллер имеет меньшее собственное потребление, вероятность зарядить через него сильно разряженный аккумулятор больше, чем при использовании MPPT контроллера. MPPT контроллер для своего запуска требует определенных минимальных напряжения и тока, которые сильно разряженный АБ может и не выдать.

MPPT контроллер действительно дает выигрыш если напряжение модуля нестандартное. Например, сейчас много модулей для сетевых высоковольтных систем с напряжением MPP около 28В. Таким модулем не зарядишь 24В аккумулятор (см. потери выше). Поэтому при использовании такого модуля для заряда 12В аккумулятора через MPPT контроллер можно получить существенный выигрыш по энергии. Более того, такие модули обычно дешевле модулей со стандартным напряжением, поэтому разница в цене модулей может скомпенсировать более высокую цену MPPT контроллера.

Считается, что MPPT контроллер дает от 15 до 30% прибавки к выработке модуля. Поэтому действительно, нужно считать, что дешевле — докупить солнечный батарей или поставить более дорогой MPPT контроллер. При мощностях модулей менее 300-400Вт обычно более целесообразно потратить деньги на дополнительные солнечные модули, чем на более дорогой MPPT контроллер.

Увеличение выработки СБ при низких освещенностях при использовании MPPT контроллера с понижением напряжения — один из мифов. «Прибавка к пенсии» настолько мизерная, что принимать ее всерьез и усложнять систему и ее стоимость не стоит.

Реальный выигрыш при использовании MPPT контроллера можно получить в холодное время года. Если вы эксплуатируете солнечные модули круглогодично, что скорее всего MPPT контроллер будет обоснованным выбором, т.к. позволит получить больше энергии в короткие зимние часы солнечного сияния.

MPPT расшифровывается как Maximum Power Point Tracking. Слежение за точкой максимальной мощности (ТММ) солнечного модуля может дать прирост в выработке энергии примерно 15-30% по сравнению с контроллером без слежения за ТММ.

Существует несколько алгоритмов поиска точки максимальной мощности. Наиболее распространенный — когда MPPT контроллер постоянно делает итерации по произведению ток*напряжение на входе и следит, чтобы эта величина была максимальной. Тем самым отслеживается точка максимальной мощности солнечного модуля.

Напряжение на выходе MPPT контроллера равно напряжению аккумулятора. Оно зависит не от контроллера, а от уровня заряженности АБ. Естественно, ограничивается на 14,5В*n (количество 12В в цепочке).

MPPT контроллеры могут понижать напряжение солнечной батареи до напряжения аккумулятора. В этом случае, токи на стороне солнечной батареи уменьшаются, поэтому можно уменьшить необходимое сечение проводов. Также, при таком режиме появляется возможность немного заряжать аккумуляторы при низкой освещенности (например, в пасмурную погоду, в начале и конце дня и т.п.). Практически все модели MPPT контроллеров, предлагаемых нами, имеют функцию преобразования напряжения солнечной батареи. Обязательно посмотрите в инструкции к контроллеру, в каких пределах может изменяться входное и выходное напряжение контроллера.

Может ли сила тока заряда (после контроллера) при разряженных АКБ превышать силу тока от СБ? Конечно, может. Мощности на входе и выходе почти одинаковы (за вычетом потерь в контроллере, это несколько процентов).

Т.к. P=U*I, при снижении U возрастает I.

Следует учитывать, что КПД преобразования MPPT контроллеров всегда ниже, чем контроллеров без MPPT. Поэтому, не всегда использование контроллера с MPPT оправдывает его высокую стоимость. Мы рекомендуем использовать MPPT контроллеры в следующих случаях:

  1. при мощности солнечных батарей более 300-500 Вт
  2. если у вас часто пасмурная погода; в этом случае вы можете использовать функцию понижения напряжения MPPT контроллера и скоммутировать модули на более высокое напряжение. Тем самым вы повысите напряжение в рабочей точке, и оно будет выше напряжения АБ даже в пасмурную погоду, что позволит заряжать АБ и при пониженных освещенностях.
  3. если ваши солнечные модули имеют нестандартное напряжение (например, аморфные или тонкопленочные модули)
  4. если ваша солнечная батарея находится на значительном расстоянии от аккумуляторных батарей — в этом случае желательно передавать энергию при более высоком напряжении и меньшем токе. Также, более высокое напряжение может быть нужно, если сечения проводов от СБ до контроллера ограниченное.

Более подробная информация по принципам работы и техническим характеристикам контроллеров с MPPT находится в соответствующем разделе.

Выбор номинального тока и напряжения контроллера заряда для солнечных батарей для PWM и MPPT контроллеров имеет свои особенности, которые мы рассмотрим ниже.

1. Напряжение.
Для обоих типов контроллеров максимально допустимое напряжение не должно быть меньше напряжения холостого хода вашей солнечной батареи +20%. Запас в 20% необходим потому, что в морозную солнечную погоду напряжение на солнечной батарее будет выше, чем ее паспортные данные, замеренные при 25°С.

Необходимо учитывать, что максимальное рабочее напряжение MPPT контроллера существенно ниже, чем указанное в его характеристиках максимальное напряжение. Например, для контроллеров Outback Flexmax и Schneider Electric (бывший Xantrex) указано максимальное напряжение 150В. Однако, MPPT отслеживается до 120В, в диапазоне от 120 до 140В идет уменьшение мощности контроллера, при 140В он перестает работать, а при 150В происходит аварийное отключение. Аналогичные напряжения и для другого популярного контроллера — MorningStar TriStar MPPT. У контроллеров  SunStar MPPT диапазон MPPT до 112В, а максимальное напряжение — 120В.

2. Для выбора номинального тока контроллера нужно применять различные подходы для PWM и для MPPT контроллеров.

  • PWM контроллер выбирается просто — по току короткого замыкания солнечного модуля, желательно с минимум 10% запасом. Т.е если ток вашего модуля мощностью 100Вт в рабочей точке составляет 5,88А, ток короткого замыкания около 6,75А, то контроллер должен иметь номинальный ток не менее 7,5А. Ближайший по номиналу контроллер будет на 10А.
    Если в контроллере заряда есть еще функция контроля нагрузки, то нужно еще учитывать и ток разряда — он должен быть не более номинального тока контроллера заряда.
  • MPPT контролер выбирается по мощности. Если максимальный ток контроллера 50А и система работает при напряжении 48В, то максимальная мощность, которую может пропустить через себя контроллер — 50А*58В=2900 Вт. Эта мощность обычно указывается производителями контроллеров. Однако, к правильному расчету эта цифра имеет мало отношения. Если аккумуляторы разряжены, напряжение их будет 42-44В, при этом максимальный ток 50А будет соответствовать мощности модулей 44*50=2200 Вт. Мы рекомендуем выбирать контроллер именно так — мощность СБ делить на напряжение на АБ в разряженном состоянии. При этом неважно, что ток от СБ и на входе контроллера будет гораздо меньше — MPPT контроллер имеет способность повышать значение тока на выходе в несколько раз.

Также, учитывайте, что интенсивность солнечной радиации на поверхности земли может быть до 1300 Вт/м2, а модули замеряются при 1000 Вт/м2 — это дает еще 20-25% прибавки к мощности солнечной батареи. Конечно, такая ситуация будет в реальности очень редкая, но она возможна.

Таким образом, для правильным выбором MPPT контролера для 12 солнечных модулей мощностью 230Вт для заряда 48В аккумуляторов будет: 12*230Вт*1,25/44В = 78А, т.е. ближайший из типоразмерного ряда — 80А.

Соединять модули нужно по 3 шт., а не по 4, чтобы не превысить максимально допустимого напряжения контроллера. Причем максимальное напряжение нужно считать для зимы, обычно мы в своих расчетах принимаем температуру -25°С. При такой температуре типичный кремниевый солнечный модуль имеет напряжение холостого хода примерно на 20% выше, чем указанное в его спецификациях. Обязательно учитывайте повышение напряжение солнечной батареи при снижении температуры, иначе зимой в морозную погоду контроллер будет выдавать ошибку и вы потеряете ценные солнечные зимние часы работы вашей солнечной энергосистемы.

 

Остальные Вопросы и ответы…