Повышающий преобразователь с MPPT контролером заряда для солнечных батарей. Солнечная панель питает «дневную лампу» и УКВ приемник Питание схемы от солнечной панели

Устройство представляет собой простой повышающий преобразователь и ограничитель напряжения, который заряжает аккумуляторы напряжением 12В от солнечной панели напряжением 6В. Устройство также имеет функцию MPPT (Отслеживание точки максимальной мощности). Когда мы думаем о MPPT, то обычно вспоминаем про микроконтроллеры и сложные вычислительные алгоритмы мощности. Однако такие алгоритмы на самом деле не нужны.

В статье представлены два схематических решения. Первая схема просто иллюстрирует повышающий импульсный преобразователь, в то время как вторая демонстрирует самодельную рабочую схему устройства. Она рекомендуется для более продвинутых экспериментаторов, которые имеют в своем распоряжении осциллограф. Схема может также представлять интерес для студентов и тех, кто просто хочет расширить свои знания в электронике.

Схемы топологии повышающего преобразователя и схема самодельного солнечного преобразователя

Теоретические сведения о повышающем преобразователе

На схеме топологии повышающего преобразователя катушка L1 заряжается, когда транзистор Q1 открыт. Когда транзистор Q1 закрыт, катушка L1 разряжается на батарею через стабилитрон D1. Выполнение данной операции в течение нескольких тысяч раз в секунду в результате приведет к существенному выходному току. Этот процесс также называется индуктивным разрядом. Для его функционирования необходимо, чтобы входное напряжение было ниже выходного. Также при наличии солнечной панели необходимо использовать элемент хранения энергии – конденсатор (C1), который позволит солнечной панели непрерывно выдавать на выход ток между циклами.

Описание принципиальной схемы повышающего преобразователя

Схема состоит из трех основных блоков, включая генератор стробирующих импульсов на базе 555 МОП-интегральной схемы, 555 ШИМ модулятор и операционный усилитель с ограничителем напряжения. 555 серия с каскадным выходом может обеспечить ток около 200мА и позволяет создать отличный маломощный генератор импульсов. 555 ШИМ модулятор является классической генераторной схемой на базе 555 серии. Для регулировки времени разряда конденсатора C3 (время заряда катушки), на вывод 5 подается напряжение величиной 5В.

Ограничение напряжения

Операционный усилитель U1A вычисляет сигнал напряжения батареи, когда разделенное установленное значение напряжения сравнивается с эталонным напряжением величиной 5В. Когда напряжение превышает установленное значение, выход переключается в отрицательном направлении, снижая, таким образом, частоту импульсов ШИМ генератора и ограничивая любой последующий заряд. Это эффективно предотвращает перезаряд.

Питание схемы от солнечной панели

Для предотвращения ненужного разряда батареи, когда солнце не светит, все цепи запитываются через солнечную панель, за исключением делителя напряжения с обратной связью, который потребляет около 280мкА.

MOSFET логического уровня

Поскольку схема должна работать при низких уровнях напряжения (данная схема работает от входного напряжения не ниже 4В), необходимо установить MOSFET логического уровня. Он будет открываться при напряжении 4.5В. Для этой цели я использовал мощный МОП-транзистор MTP3055.

Фиксация напряжения с помощью стабилитрона D2

В этой схеме НЕЛЬЗЯ ОТСОЕДИНЯТЬ батарею, в противном случае MOSFET-транзистор сгорит. Поэтому для его защиты я установил стабилитрон D2 напряжением 24В. Без этого стабилитрона у меня самого сгорело много МОП-транзисторов.

функцияMPPT

Когда напряжение / ток солнечной панели увеличивается, ШИМ генератор повышает частоту импульсов, что в свою очередь приводит к увеличению выходного тока. В то же время, дополнительное напряжение прилагается к катушке, увеличивая, таким образом, ее зарядный ток. В результате повышающий преобразователь действительно «прилагает большие усилия» при повышении напряжения или «ослабевает», когда напряжение снижается. Для максимальной передачи энергии при ярком солнечном свете выполняется регулировка потенциометра R8 так, чтобы зарядный ток батареи был максимальным – это и будет точка максимальной мощности. Если схема работает правильно, то будет наблюдаться очень плоский пик при вращении R2. Диод D3 выполняет автоматическую MPPT регулировку более точно посредством вычитания фиксированного напряжения из разницы напряжения между батареей и средним напряжением через конденсатор C3. В условиях низкого освещения вы обнаружите, что резистор R3 не является оптимальным, однако он не будет полностью исключен из цепочки. Заметьте, что интеллектуальные MPPT контроллеры также могут лучше работать при полном диапазоне, однако это улучшение крайне малоэффективно.

Номиналы компонентов

Схема настроена на напряжение 9В, солнечная панель на мощность 3Вт. Повышающие преобразователи весьма привередливы и не будут работать в широком диапазоне условий – если ваша система использует другие пределы номинальной мощности для солнечной панели, тогда ждите проблемы. Единственные компоненты, которые требуют настройки, катушка L1 и конденсатор C3. Я был удивлен, что частота повторений оказалась очень низкой (около 2кГц). Я начал с катушки индуктивностью 100мкГ, однако схема работает лучше при индуктивности 390мкГ – первоначально я хотел получить около 20кГц. Для наилучшей работы выполняйте заряд катушки от 5 до 10 раз по отношению к току солнечной панели, затем обеспечьте продолжительный период времени (3X), чтобы катушка могла полностью разрядиться. Это обеспечит приемлемую работу, когда напряжение источника питания будет близко к напряжению батареи. Заметьте, что низкоомные катушки обеспечивают наилучшую эффективность. Наибольшая потеря действительно происходит в диоде Шотки, и наименьшая потеря это то, для чего эти диоды предназначены.

Работа при высокой частоте обычно предпочтительна. Это позволит минимизировать размер катушки. Однако для эксперимента, используйте катушку, которая будет работать лучше всего.

Предлагаемые компоненты указаны на схеме. Естественно, зарядное устройство можно приспособить в соответствии со своими требованиями.

Осциллограммы

Список радиоэлементов

Системы электроснабжения с одновременным использованием традиционной подачи тока и электроэнергии от солнца – экономически обоснованное решение для частного домовладения, коттеджных, дачных поселков и производственных помещений.

Незаменимый элемент комплекса – гибридный инвертор для солнечных батарей, определяющий режимы подачи напряжения, обеспечивающий бесперебойность и эффективность работы гелиосистемы.

Чтобы система работала эффективно, нужно не только выбрать оптимальную модель, но и правильно ее подключить. А как это сделать – мы разберем в нашей статье. Также рассмотрим существующие виды преобразователей и лучшие предложения на рынке на сегодняшний день.

Использование возобновляемой энергии солнца в комбинации с централизованным электроснабжением дает ряд преимуществ. Нормальное функционирование гелиосистемы обеспечивает слаженная работа ее основных моделей: солнечных батарей, аккумулятора, а также одного из ключевых элементов – инвертора.

Инвертор гелиосистемы – устройство для конвертации постоянного тока (DC), поступающего от фотоэлектрических панелей, в переменную электроэнергию. Именно на токе напряжением 220 В работает бытовая техника. Без инвертора выработка энергии бессмысленна.

Схема работы системы: 1 – солнечные модули, 2 – контролер заряда, 3 – аккумуляторная батарея, 4 – преобразователь напряжения (инвертор) с подачей переменного тока (АС)

Провести оценку возможностей гибридной модели лучше в сравнении с особенностями работы его ближайших конкурентов – автономных и сетевых «конвертеров».

Сетевой тип преобразователя

Устройство работает на нагрузки общей электросети. Выход от преобразователя подсоединен к потребителям электроэнергии, сети АС.

Схема отличается простотой, но имеет несколько ограничений:

• работоспособность при доступности переменного тока в сети;
• напряжение электросети должно быть относительно стабильным и соответствовать рабочему диапазону преобразователя.

Разновидность востребована в частных домах с действующим «зеленым» тарифом на электрификацию.

Параметры выбора инвертора солнечной батареи

Эффективность работы преобразователя и всей системы электрообеспечения во многом зависит от грамотного выбора параметров оборудования.

Кроме вышеописанных характеристик следует оценить:

• выходную мощность;
• тип защиты;
• рабочую температуру;
• габариты установки;
• наличие дополнительных функций.

Критерий #1 – мощность прибора

Номинал «солнечного» инвертора подбирается из расчета максимальной нагрузки на сеть и предполагаемого времени автономной работы. В пусковом режиме преобразователь способен отдавать кратковременное повышение мощности на момент ввода в эксплуатацию емкостных нагрузок.

Такой период характерен при включении посудомоечных, стиральных машин или холодильников.

При использовании ламп освещения и телевизора подойдет маломощный инвертор на 500-1000 Вт. Как правило, требуется расчет суммарной мощности эксплуатируемой техники. Нужная величина указывается непосредственно на корпусе прибора или в сопроводительном документе.

Обзор возможностей, режимов работы и эффективности использования многофункционального преобразователя InfiniSolar на 3 кВт:

Проектирование солнечной системы электроснабжения – сложная и ответственная задача. Расчет необходимых параметров, подбор составных компонентов гелиокомплекса, подключение и ввод в эксплуатацию лучше доверить профессионалам.

Допущенные ошибки могут привести к сбоям в системе и неэффективному использованию дорогостоящего оборудования .

Подбираете оптимальный вариант преобразователя для функционирования автономной системы энергоснабжения на солнечной энергии? У вас возникли вопросы, которые мы не затронули в этой статье? Задавайте их в комментариях ниже – мы постараемся вам помочь.

А может вы заметили неточности или несоответствия в изложенном материале? Или хотите дополнить теорию практическими рекомендациями, основываясь на личном опыте? Напишите нам об этом, поделитесь своим мнением.

На счёт эффективности PWM и MPPT контроллеров есть разные мнения, есть разные цифры. У некоторых в пасмурную погоду эффективнее PWM контроллер, а при солнце лучше работает MPPT. У других лучше по всем параметрам MPPT контроллер работает, а есть такие что утверждают что PWM намного лучше. Но не стоит всему сразу верить и принимать однозначную точку зрения, в каждом случае нужно отдельно разобраться почему и как это работает. Есть такие люди которые даже толком пользоваться своими контроллерами не умеют и говорят потом что от они хуже или лучше.

Обычные PWM(ШИМ) контроллеры работают очень просто и через них ток от солнечных батарей проходит почти напрямую, падение мощности на силовых транзисторах очень маленькое. По-этому как только напряжение солнечной батареи превысит напряжение аккумулятора примерно на 0.5-1 вольт то начинается зарядка аккумулятора. Но эти контроллеры не умеют снимать с солнечной панели всю мощность. У солнечных батарей максимальный ток не может превышать свой максимум, например для солнечной панели 12 вольт мощностью 100 ватт ток нагрузки не более 5.7А. И когда напряжение аккумулятора у нас около 13-14 вольт то мощность идущая в АКБ будет 14*5,7=79.8 ватт, если аккумулятор будет разряжен до 12 вольт то мощность будет еще меньше. В данном случае больше 80% от максимальной мощности солнечной панели не получить.

Но если бы напряжение АКБ было бы не 13-14 вольт, а к примеру 17 вольт, то тогда 18*5.7=96.9 ватт. Вообще чтобы при солнце снимать всю мощность от солнечной панели достаточно чтобы в ней было 30 элементов, а не 36, но тогда в пасмурную погоду такая панель практически не будет работать, по-этому делают панели стандарт 36 элементов для 12в акб, при этом в холостую напряжение порядка 21-22 вольта у таких панелей. Но в характеристиках пишут полную мощность панели, а не при работе на 12 вольт АКБ через PWM контроллер.

MPPT контроллеры работают иначе, они имеют DC-DC преобразователь, который из высокого напряжения преобразует его в более низкое увеличивая ток заряда. Контроллер сканирует напряжение и ток солнечной панели, и снимает мощность в той точке где максимальное напряжение солнечной панели при максимальном токе, и далее преобразует в низкое напряжение для заряда АКБ. Например если панель на 12 вольт, то её максимальная мощность будет при 17-18 вольт.

Но так-как в MPPT контроллерах работа происходит через DC-DC преобразователь то он имеет свой КПД, который обычно 90-96%, зависит от режима работы. Сам DC-DC модуль в активном режиме потребляет свою энергию не зависимо от того сколько передаёт а акб. Это типа как инвертор имеет потребление на холостом ходу, так и DC-DC тоже имеет свое потребление. Это говорит о том что если в пасмурную погоду мощность от солнечных панелей будет слишком мала то просто работа DC-DC может потреблять всю эту мощность и в АКБ ничего не будет попадать, или значительно меньше чем напрямую через PWM контроллер.

Для работы DC-DC нужно чтобы напряжение было выше чем выходное примерно на 1.5-2 вольта, это значит что когда на солнечной панели напряжение упадёт до 15 вольт то зарядка прекратится. Но сейчас есть разные MPPT контроллеры, некоторые переходят в PWM режим когда напряжение и ток очень малы. Есть такие что перестают работать при малой мощности и не заряжают АКБ. Некоторые просто не могут при малой мощности определить точку MPPT и постоянно её ищут тратя энергию с АКБ, то-есть не заряжают, а наоборот разряжают на бесполезную работу DC-DC модуля.

У меня сейчас имеются два контроллера, Солар 30 и Фотон 100 50, и я сравнил как они работают начиная с самого рассвета и до появления солнца. Всёэто заснял на видео, и вот что у меня получилось:

Данный тест показал однозначную победу конкретного MPPT контроллера перед конкретным PWM контроллером. Хоть на Солар 30 и написано что он MPPT, но это не более чем маркетинговый ход, это просто PWM контроллер.

В итоге что можно сказать по всему этому. Даже в пасмурную погоду хороший MPPT не уступает PWM, и как только условия позволяют забирать с солнечной панели больше то MPPT контроллер работает значительно лучше. Ну а если от солнечной панели или массива панелей в пасмурную погоду мощность даже теоретическая 1-2% от номинальной, то и смысла нет бороться за эти капли. Лучше снимать до 20% больше при большей освещённости.

Микросхема YX8018 широко используется в недорогих светодиодных газонных светильниках, где на ней построен нестабилизированный повышающий преобразователь напряжения. Он обеспечивает питание осветительного светодиода (или светодиодов) от Ni-Cd аккумулятора. Ток через светодиод (от долей до нескольких миллиампер) задан индуктивностью накопительного дросселя в преобразователе. Поэтому нет необходимости стабилизировать напряжение. Особенность микросхемы YX8018 и аналогичных - наличие входа управления, с помощью которого можно включать и выключатель преобразователь напряжения. Именно этот вход используется в светодиодных газонных светильниках для их автоматического включения с наступлением темноты. Этот же вход можно использовать для построения стабилизированного повышающего преобразователя напряжения.

Схема такого преобразователя на микросхеме YX8018 представлена на рис. 1. Его можно применить для питания от одного Ni-Cd, Ni-Mh аккумулятора или гальванического элемента различных радиоэлектронных устройств, требующих напряжения питания от 2 до 5 В. В исходном состоянии на входе СЕ (вывод 3) микросхемы присутствует напряжение, близкое к напряжению питания. Это обусловлено наличием встроенного резистора, соединяющего этот вывод с плюсом питания. Поэтому преобразователь включается, импульсы напряжения на его выходе L (вывод 1) выпрямляет диод VD1, а сглаживающие конденсаторы С2 и С3 заряжаются - выходное напряжение растёт. Когда напряжение на затворе транзистора VT1 достигнет порогового значения (около 2 В), сопротивление канала транзистора уменьшится и напряжение на его истоке (и входе СЕ микросхемы) также снизится - преобразователь выключится. Выходное напряжение станет уменьшаться, что приведёт к закрыванию полевого транзистора и включению преобразователя.

Таким образом, преобразователь периодически включается и выключается, поддерживая на выходе напряжение, установленное подстроечным резистором R1. Рабочая частота преобразователя - около 200 кГц, а частота включения/выключения зависит от выходного тока и ёмкости конденсатора С2 (чем больше ток и меньше ёмкость конденсатора, тем больше частота) и может быть от нескольких герц до десятков килогерц. Зависимости выходного напряжения преобразователя (2,7 В) от входного для разных значений тока нагрузки предных значений тока нагрузки представлены на рис. 2. Амплитуда пульсаций - около 10 мВ, остаётся практически неизменной и в небольших пределах зависит от выходного напряжения и параметров полевого транзистора. Частота пульсаций зависит от рабочей частоты преобразователя и частоты включения/выключения преобразователя и может изменяться в широких пределах. Термостабильность определяется в первую очередь параметрами полевого транзистора. В данном случае температурный коэффициент напряжения отрицательный и составляет несколько милливольт на градус Цельсия.

Все элементы можно смонтировать на односторонней печатной плате из фольгированного стеклотекстолита, её чертёж показан на рис. 3. Применён подстроечный резистор СП3-19, оксидный конденсатор - импортный, остальные - К10-17. Взамен диода 1N5817 можно применить маломощные импульсные или детекторные германиевые диоды или диоды Шотки. Дроссель намотан на ферритовом кольце диаметром 6...9 мм от трансформатора электронного балласта компактной люминесцентной лампы и содержит 5 витков провода ПЭВ-2 0,4. Выходное напряжение в интервале 2,2.5 В устанавливают подстроечным резистором, его можно заменить резистивным делителем с суммарным сопротивлением не менее 1 МОм. Для уменьшения пульсаций с частотой 200 кГц между конденсаторами С2 и С3 в плюсовую линию питания нужно установить дроссель, например ЕС24, индуктивностью 470...1000 мкГн.

Дата публикации: 07.05.2014

Мнения читателей

• Сергей (другой) / 14.04.2019 - 14:49
  А садовым светильникам и не нужно "светить всю ночь". Им нужно чтобы "светило весь вечер и часть ночи". Они же - "декоративный элемент". Для подсветки и прочей красоты. А вовсе не для освещения чего либо "ярким светом". Им всю ночь светить и не обязательно.
• Сергей / 13.08.2018 - 12:12
  Проблема садовых светильников в слабой солнечной, она недокармливает акк, и потому даже на ночь не хватает. Я запаралелил две солнечных - теперь после дня на солнце светит часов 18.
• clim / 09.06.2018 - 07:25
  в даташите как раз 2 варианта - от 1 и от 2 батареек
• clim / 09.06.2018 - 07:24
  проверял газонный светильник, солнечная батарейка 4*4см, на ярком солнце даёт до 10 мА, никак не микроамперы, так что всё ок, за день (солнечный) может полностью зарядиться
• барсуков / 05.01.2018 - 08:18
  Перелопатил все "data-seets" - нигде не оговорено МАКСИМАЛЬНОЕ входное напряжение для YX8018, конкретно можно ли давать 3,2 В(при питании фонаря от двух элементов), на практике вроде работает, но хотелось бы действовать по законным ТУ, приучен как конструктор...
• z123 / 10.12.2017 - 00:36
  солнечный элемент дает микроамперный ток и никак не может заряжать батарейку которой нужны десятки минимум МИЛЛИампер. Поддерживать(чтоб подольше жила) - может. Но не заряжать. Поэтому схемы где только эта YX8018+батарейка,резистор,выключатель,светодиод и сол-элемент = это схема на небольшое время, потом батарейка дохнет и всё. Либо утилизировать(на запчасти) либо переделывать под совсем другое. Те кто делают и продают такое - мухлевщики. Расчет на дураков, чтоб задурить и втюхать. А потом уже неважно.
• Дед Сергей / 07.10.2017 - 00:04
  Нет, для некоторых эта тема действительно актуальна, зря не нужно смеяться. У меня тоже есть эта проблема, - батареек много осталось с ресурсом 10 -30%. Для фонарика уже не годятся, для других устройств, - лучше новые купить. А вот YX1808 для ночного освещения моей квартиры, лишь бы во тьме не вписаться лбом в дверь, - самое что ни на есть ОНО! И, если уже в ЭТОМ устройстве светодиод потух, то ЭТА батарейка по-настоящему умерла. Никакое другое устройство из нее уже ничего не высосет! Можно смело сказать ей спасибо за сотрудничество и, попрощавшись, утилизировать.
• Данил / 30.05.2017 - 14:28
  Как сделать зарядку для телефона на этой микросхеме? Что бы питалась от солнца и заряжала телефон?
• Дмитрий / 16.05.2017 - 23:36
  Юрий, тот конец провода, что идет от середины резистора, должен продолжаться до транзистора на управляющем входе 3. На картинке он обрезан. По логике работы должно быть так. Я купил светильник с таким преобразователем и сразу разобрал его. На вход 3 припаян плюс солнечного элемента. Он не для зарядки, а просто датчик освещения. Заряжать акк ААА надо самому, вынимая из светильника.
• Андрей / 25.05.2016 - 16:32
  в фикспрайсе продают садовые ночные светильники. там внутри 4 выводная микросхемка YX8018 , светодиод, никелевая таблетка, солпанель, выключатель и вроде дроссель под тип резистора. днем заряжается, а если накрыть солярку(или вечером), то светит диод. погуглил немного. 8018 это DC-DC преобразователь для солнечной панели
• Юрий / 22.03.2015 - 18:05
  А автор не ошибается по поводу внутреннего резистора на выводе 3? Скорее всего он подключен к массе.
• TL494 / 16.12.2014 - 13:10
  А если посчитать сколько стоит Кв/час запасённый в ХИТе? Всё вполне закономерно. Хотя в квартирном звонке утилизирую старые батарейки по 2-3шт., в ноль, без всяких схем.
• Владислав / 06.12.2014 - 15:25
  Уважаемый И Нечаев, Благодарю Вас за публикацию, для меня она актуальна, поскольку я ищу малозатратную на ХХ схему утилизации напряжения около 1 вольта, есть что утилизировать и в большом количестве, В садовых фонариках - вероятно скорее всего работает аналогичная схемка, типа JD 1803B ОДНАКО ТЕХ ХАРАКТЕРИСТИК НА НЕЕ НЕ НАЙТИ, на некоторых таких контроллерах от фонариков, - вообще нет маркировки, ЕСТЬ АНАЛОГ ANA 608- 6 , ANA 618 НО там китайские символы, есть и другие контроллеры типа max 1724 или 1722 и другие, работающие от 0,7 - 0,8 вольт с выходным напряжением до 5, 5 вольт при токе от 150 до 300 ма, так как я не сильный электронщик, то нуждаюсь в доп. обсуждении схемного решения, мой скайп vladislav14211 mail [email protected] буду рад сотрудничеству и обсуждению необходимого мне технического решения на основе вашей схемы
• Сергей / 10.05.2014 - 07:18
  Получить неск. ма при 9...15 вольтах от одного элемента достаточно большей емкости - это понятно. Например для питания мультиметра.Сам подобные схемки собирал при необходимости на то. Но из напряжения которое дает 1 элемент получить 2 вольта это мужики сильно!!! Это скорее от избытка времени.Понимаю мужика оказавшегося в жаре "родины обетованной" (смотри на этом сайте)Но в имперской-то столице, когда плюнь - попадешь в магазин или киоск где навалом батареек.

На mySKU иногда проскакивают обзоры солнечных панелей. Я решил тоже приобщиться к «зелёной» энергии. Перечитал стопку разных материалов по солнечным панелям и контроллерам. Экспертом не стал, но знаний набрал небольшой мешок. Частичкой знаний я с вами сегодня поделюсь.

Для реализации автономного освещения в бане на даче и знакомства выбрал небольшую панель с номинальной выходной мощностью 30 Вт и напряжением 12 В, и простой популярный контроллер для заряда свинцово-кислотного аккумулятора .

Планируемая схема подключения:

Солнечная панель

Солнечная панель пришла неожиданно быстро. Позвонил курьер, которого я не ожидал. Из-за большого веса магазин Banggood отправил панель через EMS, а вот контроллер обычной почтой шёл стандартные три с половиной недели.

Панель была упакована хорошо, но самое уязвимое место - углы алюминиевого профиля. Ничего страшного, но на будущее надо просить продавца дополнительно защитить углы в упаковке.




Панель достаточно большая. Реальные размер 650x350x25 мм, вес 2,5 кг.


Фотоэлементы находятся между толстым листом прозрачного пластика и тонким листом белого пластика. Сэндвич вставлен в алюминиевый профиль и обработан герметиком. Алюминиевый профиль покрыт транспортировочной плёнкой. Степень защиты нигде не указана. Лицевой пластик по ощущениям прочный. Как он выдержит град, я не знаю.

На обратной стороне панели находится защитный кожух / короб для соединения. Из него выходит провод.


Провод длинный - 4,5 метра, 2 x 0,75 мм.


На концах провода «крокодилы». Конечно, при финальном монтаже крокодилы и большую часть проводу нужно будет отрезать, но для теста пригодятся.

Внутри короба шунтирующий диод. Он нужен только для последовательного соединения нескольких панелей (чтобы при уходе в тень одной из панелей вся система продолжала работать), для одной панели он роли никакой не играет.

Наклейка со спецификациями:


Производитель не указан. Спецификации:

Как можете видеть, солнечная панель выдаёт максимальное напряжение 21 В без нагрузки (в реальности по замерам 22 В), а не 12 В, как заявлено. Пугаться не нужно. Это нормально, обычно указывается рабочее напряжение системы, для которой предназначена солнечная панель, а это 12 В (на самом деле это формальность, в реальности всё зависит от контроллера заряда). Например, солнечные панели для систем 24 В могут иметь напряжение до 45 В.

Чтобы параметры панели стали более понятными, посмотрите на график (он относится к панели 230 Вт, 24 В):


Горизонтальная ось - напряжение, вертикальные оси - сила тока и мощность. Посмотрите, как меняется сила тока панели (красный график). При увеличении силы тока напряжение панели снижается. А теперь посмотрите график мощности (синий, IxU). Как вы можете видеть, максимальная мощность достигается в определённой точке. Эта точка называется точкой максимальной мощности панели - maximum power point, характеризуется значениями Vmp и Imp. Во время работы, в основном из-за изменения температуры фотоэлементов, эта точка может смещаться.

Панель из обзора имеет Vmp = 18 В и Imp = 1,67 А. Именно в этой точке достигается мощность 30 Вт (в самых идеальных условиях). Если вы будете нагружать панель больше, сила тока будет незначительно расти, а напряжение и выходная мощность падать. Если вы будете нагружать панель меньше, то сила тока будет падать, напряжение расти, а мощность опять падать. Т.е. эффективность панели при смещении от точки максимальной мощности снижается. Чуть позже я ещё вернусь к точке максимальной мощности.

Контроллер

Контроллер CMTP02 поставляется в небольшой коробке.


Внутри сам контроллер и краткая инструкция.

Контроллер рассчитан на ток до 15 А. Т.е. отдаёт на аккумулятор и в нагрузку ток до 15 А. Это «китайские» 15 А. В реальности, конечно, меньше. У меня панель с максимальной силой тока 1,75 А - можно вообще не беспокоиться. Контроллер может работать с аккумуляторами 12 В и 24 В.

Откручиваем 4 винта и снимаем металлическую крышку. На нижней стороне платы три MOSFET транзистора со стёртой маркировкой. На транзисторы надета изоляция. Может она играет роль термоподложки для отвода тепла на металлическую крышку, но материал твёрдый и к крышке прилегает плотно лишь один транзистор. Если планируете использовать контроллер с силой тока больше 5 А, лучше заменить эту изоляцию на силиконовую термоподложку (100x100x3 мм стоит пару долларов).

На обратной стороне платы операционный усилитель и контроллер , и множество SMD компонентов в обвязке.


На рынке присутствует много разновидностей подобного контроллера с дополнительным функционалом. На плате есть место для разводки USB выхода (5 В), стабилизированное напряжение 12 В и пр.

Данный PWM/ШИМ контроллер самый простой, без возможности какой-либо настройки. Нужно только подключить аккумулятор, солнечную панель и нагрузку. Важно соблюдать последовательность подключения. Аккумулятор > солнечная панель > нагрузка. Отключение в обратном порядке. Без аккумулятора контроллер не работает.

Хоть в инструкции и указано, что контроллер может работать с GEL аккумуляторами, но лучше этого не делать, т.к. именно у этого контроллера нет выбора типа аккумулятора, а значит напряжение одинаково для всех типов аккумуляторов. Для GEL оно обычно должно быть ниже.

Рынок контроллеров зарядки от солнечных панелей формально можно разделить на два типа. MPPT и не MPPT (их ещё иногда называют PWM/ШИМ). MPPT - maximum power point tracking, отслеживание точки максимальной мощности. Помните, я писал про точку максимальной мощности? Так вот, MPPT контроллер отслеживает (есть разные алгоритмы) точку максимальной мощности и на входе старается держать напряжение на уровне, который соответствует этой точке, до следующего замера. Многие MTTP контроллеры без проблем могут работать с высоким напряжением (например, последовательно соединённые панели с напряжением 90 В для малых потерь из-за сопротивления проводов), а на выходе заряжать обычные 12 В аккумуляторы.

PWM контроллер не следит за точкой максимальной мощности. Например, на этапе bulk charge (CC - постоянная сила тока) напряжение солнечной панели уравнивается с напряжением батареи и последовательно растёт на этом этапе. Давайте посмотрим ещё на один график.


Обратите внимание на серую зону и чёрный график выходной мощности солнечной панели - это выходная мощность при использовании PWM контроллера, а точка Pmpp - выходная мощность при использовании MTTP контроллера.

MPPT контроллеры стоят дороже и являются более эффективными. Но существенный выигрыш получается лишь при использовании мощных панелей. Нужно ещё знать, что многие дешевые китайские контроллеры, на которых написано MPPT, на самом деле таковыми не являются.

Вернёмся к CMTP02. Для его первичного теста я буду использовать: AGM аккумулятор, тестер EBD-USB для создания нагрузки, простой USB-тестер с поддержкой высоких напряжений


Индикатор Solar (солнечная панель) горит, когда есть напряжение от солнечной панели. Мигает, когда напряжение превышает норму для данного контроллера (более 45 В). Контроллер имеет защиту от обратного тока - от аккумулятора к солнечной панели.

Индикатор Load (нагрузка) горит, когда нет никаких проблем. Не горит, если напряжение аккумулятора ниже 11,2 В - в этом случае в нагрузку ток не идёт. Быстро мигает при коротком замыкании.

Пока хватает мощности солнечной панели для питания нагрузки, батарея заряжается. Т.е. ток идёт и на батарею, и в нагрузку. Как только мощность нагрузки начинает превышать выходную мощность солнечной панели, зарядка аккумулятора прекращается, и недостача тока компенсируется от аккумулятора. Весь процесс работает как часы. Как только солнечная панель перестаёт вырабатывать энергию (например, солнечный день закончился), нагрузка питается только от аккумулятора.

Как я уже написал, контроллер самый простой, но свою задачу выполняет. На рынке присутствует множество моделей контроллеров под любые задачи, мощности и кошелёк.

Если у вас стоит простая задача, например, вы хотите фонтан на даче, который работает только днём, то нет ничего проще. На рынке доступны вот такие интересные преобразователи с ручной настройкой напряжения максимальной мощности:


Стоят такие устройства от 6$. Аккумулятор не нужен, просто подключаете преобразователь напрямую к солнечной панели и помпе. С помощью потенциометра MPP выставляете входное напряжение максимальной мощности, дополнительно на выходе задаёте напряжение для помпы. Просто и эффективно.

Тестирование солнечной панели

Чтобы чётко знать, какое количество энергии будет вырабатывать панель в день, построить дневные графики и пр., есть несколько вариантов. Самый простой и частный - это подключить тестер между контроллером и разряженным аккумулятором. Универсальный - это использовать нагрузку, которая поддерживает режим Constant Voltage. Суть этой нагрузки в следующем - вы задаёте напряжение, и нагрузка начинает увеличивать силу тока до тех пор, пока напряжение не стабилизируется на заданном значении. Как только напряжение начинает проседать или повышаться, нагрузка мгновенно уменьшает или увеличивает ток потребления. Так образом источник энергии, солнечная панель, выдаёт всё, что может в конкретный момент времени при заданном напряжении.

Решил использовать нагрузку с режимом CV, которая будет подключаться напрямую к панели.

Проблема в том, что такой режим востребован очень редко, в электронных нагрузках не всегда есть. Поспрашивал у знакомых, ни у кого такой не оказалось. Я начал штудировать схемы в сети Интернет. . Не обошлось без помощи друга. Но всё получилось.


В схеме используется операционный усилитель LM358 (U1) и полевой транзистор (N-канал, Q1). В наличие был другой операционный усилитель, для него понадобилось добавить ещё стабилизатор в схему. Готовый продукт имеет не совсем презентабельный вид, но главное - содержит синюю изоленту и полностью пригоден для использования.




С помощью потенциометра можно настраивать напряжение нагрузки. Т.к. нагрузка сделана из подручных компонентов, то присутствует некоторый перепад напряжения при изменении силы тока. Стенд для тестирования выглядит следующим образом:


Т.к. сила тока небольшая у моей панели, то можно использовать тонкие короткие провода. Для измерения буду использовать тестер EBD-USB в режиме мониторинга. Нагрузка подключена к солнечной панели сквозь EBD-USB, который в свою очередь подключен к компьютеру. Первая ревизия EBD-USB поддерживает измерение напряжения до 13,65 В (работа до 20 В). Мне это на руку, т.к. при подключенном аккумуляторе диапазон напряжения будет 11,2 - 14,6 В. Потенциометром на нагрузке выставлю напряжение чуть больше 12 В.

27 марта, временной отрезок 9.00 - 9.05, безоблачная погода.

Всплески - это я прикрывал солнечную панель, смотрел на изменение графика. За 5 минут работы солнечная панель выдала 1,5 Вт⋅ч. Выходная мощность составляла 19 Вт. При установке напряжения около 18 В, точка максимальной мощности (это я уже смотрел с заменой EBD-USB на обычный USB тестер с поддержкой высокого напряжения), мощность составила 21 Вт. И это только утро в конце марта. Летом при солнце в зените панель вполне может выдать заявленные 30 Вт. Но будем ориентировать на имеющиеся данные. Если грубо прикинуть, что солнце будет светить 5 часов день, то я получу 1,5 x 12 x 5 = 90 Вт⋅ч в день. Летний световой день длиннее, коэффициент «лето/весна» в центральном регионе 1,5. Т.е. летом будет 135 Вт⋅ч. КПД свинцово-кислотного аккумулятора 75%. Запасённая в день энергия составит 100 Вт⋅ч. Аккумулятор (14,5 А⋅ч) полностью зарядится за 2 световых дня. В сарае и в бане я смогу повесить 4 лампы по 7 Вт (со световым потоком 500 Лм, эквивалент 55 Вт). И каждый день/вечер я смогу их использовать до 3 часов одновременно. Меня это устраивает.

Конечно, это грубый приблизительный подсчёт, основанный на кратковременных тестах. Детальное тестирование с замерами и графиками целого дня я буду проводить в мае уже на месте размещения панели.

Пока я экспериментировал с панелью, радиатор нагрузки нагревался очень сильно - как-никак, рассеивала 20 Вт. Для замеров моей панели его вполне хватит, а вот мощнее уже нужно ставить радиатор побольше и активное охлаждение.

Вот ещё один замер. 31 марта, временной отрезок 9.00 - 9.05. Погода пасмурная, на небе дымка и облака. Солнце то выходит, то скрывается.


Выходная мощность составила от 3 Вт до 17 Вт. За 5 минут работы солнечная панель выдала 1 Вт⋅ч. Для такой погоды панель справляется отлично.

Опыты с солнечной панелью мне понравились, я их продолжу. Если у кого-то есть дельные и полезные советы, не стесняйтесь, делитесь ими в комментариях. Думаю, что многим будет интересно.

Рыжий бандит тоже заряжается от солнца:

Товар предоставлен для написания обзора магазином. Обзор опубликован в соответствии с п.18 Правил сайта.