Электронная книга. Солнечная электроэнергия для начинающих. Часть 1

Солнечная электроэнергия для начинающих

Азбука понятий и принципов

 

                       Электронная книга для любителей домашней солнечной энергетики

 

    Автор - Aleksandr VipMart, инженер-электромеханик, основатель одноименного интернет-магазина по продаже товаров для домашней солнечной энергетики, работающего на рынке Украины с 2011 года. Место и год данной публикации - Украина, 2023.

 

Содержание

1.Почему именно солнечная электроэнергия? …………………………………………......стр. 2

2. Компоненты солнечной электрической станции переменного тока ……………………..2

3.Солнечные батареи (разновидности, важные параметры, схемы подключения) …….2

3.1. Разновидности солнечных батарей по типу кристалла преобразователя ……….....2-4

3.2.На основе какого типа кристалла солнечная батарея лучше? …………………………....4

3.3. Разновидности солнечных батарей по механическому исполнению ………………...4-8

3.4.Разновидности солнечных ячеек по форме и количеству токоотводящих полос....8-10

3.5. Выходы солнечной батареи ……………………………………………………………......10-11

3.6. Параметры солнечной батареи ………………………………………………………........11-15

3.7.Параллельное и последовательное соединение солнечных батарей. Необходимые

типы переходников при различных типах соединения солнечных батарей …………..15-18

4.Солнечные контроллеры заряда. ………………………………………………………......18-19

4.1.Типы солнечных контроллеров. MPPT и ШИМ технологии …………………………..19-22

4.2. Встроенные и обычные солнечные контроллеры заряда ……………………………......22

4.3. Параметры солнечного контроллера заряда ………………………………………........23-26

4.4.Возможность работы солнечного контроллера параллельно.…………………………...26

5. Инверторы …………………………………………………………………………………..........26-27

5.1. Правильная или модифицированная синусоида? …………………………………........27-28

5.1.1. Каковы параметры городской сети и бытовых приборов? …………………………......28

5.2. Типы инверторов с правильной синусоидой …………………………………………......28-31

5.3. Параметры инвертора ……………………………………………………………………......31-33

6.Аккумуляторы   ……………………………………………………………………………….....33-34

6.1. Аккумуляторы с разным напряжением - 12/24/48 и высоковольтные ……………...34-35

6.2.Типы аккумуляторов–стартерные заливные,AGM ,GEL ,Carbon ,LiFePo4  …….........35-40

6.3. Химико-технические параметры аккумулятора Lifepo4 …………………………….....40-42

6.4. Стоит ли собирать аккумулятор LiFePO4 самому или лучше купить готовое

 решение ………………………………………………………………………………………...........42-43

7. Какая солнечная станция нужна для дома? Как рассчитать домашнюю

солнечную электростанцию? ………………………………………………………………………....43

7.1. Расчет собственной солнечной автономной электростанции на 5 кВт 230В

с двумя солнечными полями (без генерации в сеть) ………………………………………...43-49

7.2. Расчет собственной солнечной гибридной электростанции на 6 кВт 230В

(с возможностью генерации в сеть) ……………………………………………………………..49-53

7.3. Расчет маломощной собственной солнечной электростанции на 1 кВт 230В

(с PWM-контроллером, без генерации в сеть) ………………………………………………...53-57

8. Что сдерживает развитие альтернативной энергетики? …………………………………......57

9. Несколько тезисов о дальнейшем сотрудничестве ……………………………………….......58

 

1. Почему именно солнечная электроэнергия?

 

• Солнце – самый мощный источник энергии в солнечной системе, который можно считать возобновляемым в рамках миллиардов лет.

• Солнечную электроэнергию можно бесплатно использовать во всех странах.

• Это экологически чистый источник электроэнергии.

 

2.Компоненты солнечной электрической станции переменного тока

 

   Солнечная электростанция состоит из солнечных батарей, контроллера заряда, аккумуляторов, инвертора, компонентов защиты от перенапряжения и молнии, резервного генератора (для подстраховки).

 

3. Солнечные батареи (разновидности, важные параметры, схемы подключения)

   

    Солнечная батарея – это система объединенных полупроводниковых преобразователей, превращающих солнечную энергию (часть солнечного излучения, достигшую солнечной батареи) в электроэнергию постоянного тока DC стандарта 12, 24, 36, 48 В и выше.

 

3.1. Разновидности солнечных батарей по типу кристалла преобразователя

 1. Поликристаллическая солнечная батарея. На вид синего цвета – самый известный тип кристалла до 2020 года. Солнечные батареи на основе поликристалла, широко доступные в Украине, достигали КПД около 17%.

 

Так выглядят поликристаллические панели:

 

 

 2. Монокристаллическая солнечная батарея.

     На вид черного цвета, с 2020 года – самая популярная разновидность солнечной батареи; считается более долговечным решением по сравнению с поликристаллом. КПД на 2023 год доступных в Украине моделей моно достигает 21% и ежегодно повышается производителями.

 

Так выглядит монокристаллическая панель:

 

 

3. Тонкопленочные солнечные батареи (разновидности: Thin-film - “TF”,CdTe, CIGS, также гибкие из аморфного кристалла (a-Si, TF-Si). На 2019 год в отдельных моделях КПД достигал 22.9%, но, учитывая цену и особенности, которые требуют только трансформаторного инвертора и напряжения панелей около 100 В, не стали широко известны в Украине. Бывают черные и оттенки синего цвета.

 

Так выглядят тонкопленочные солнечные батареи:

 

 

3.2 На основе какого типа кристалла солнечная батарея лучше?

 

Краткий ответ – монокристаллические панели лучше.

 

    Долго считалось, что монокристалл дороже и имеет лучшую генерацию. Но на 2023 год экспериментально установлено, что монокристалл сравнялся в цене с поли- и имеет преимущества только потому, что этот тип продолжают исследовать и увеличивать КПД. Также долгое время считалось, что монокристалл значительно лучше работает при косвенных солнечных лучах по сравнению с поликристаллом, но на практике разницы более 1% не удалось установить.

 

3.3. Разновидности солнечных батарей по механическому исполнению

 

   Все известные типы по кристалличности могут производиться в классическом виде солнечной батареи.

 

Классический вид солнечной батареи:

 

 

Классическая солнечная батарея складывается из алюминиевой рамы, закаленного стекла, экапсультанта EVA, солнечных ячеек (их еще называют solar cell), экапсультанта EVA, задней подложки, распределительной коробки.

 

• Достоинства: лучшая цена за 1 Вт, механическая стойкость.

• Недостатки: высокий вес (от 17 кг при мощности 280 Вт).

• Область применения: стационарные, промышленные и домашние солнечные станции.

 

Полугибкая солнечная батарея.

 

   Полугибкая солнечная батарея состоит из прозрачного покрытия PET или ETFE (покрытие ETFE больше впитывает света за счет пузырьковой структуры, но меньше служит), далее прозрачная EVA пленка, солнечные ячейки, EVA пленка, подложка PET/TPT.

    Полугибкая солнечная батарея может изгибаться обычно до 30 градусов, может быть на основе поликристалла или монокристалла.

Из преимуществ: может изгибаться, в десять раз легче классической, не боится вибраций.

Из недостатков: меньший срок эксплуатации, дороже стоит за 1 Вт по сравнению с классическим.

    Сфера использования: яхты, катера, колесные дома, переносные станции.

 

Гибкая (аморфная) солнечная батарея.

     Гибкая солнечная батарея может быть на основе разного типа кристалла, чаще это разновидности тонкопленочного и скручивается на 360 градусов.

•     Достоинства: скручивание на 360 градусов, большая эффективность генерации в пасмурную погоду.

•     Недостатки: высокая цена, высокое напряжение панели, невысокий КПД, необходимость трансформаторного инвертора.

•     Сфера использования: дома на колесах, крыши домов, неровные покрытия.

 

Солнечная черепица или другое крышное покрытие.

   Солнечная черепица обычно производится из тонкопленочных элементов CIGS, но могут быть и разновидности.

 

•     Достоинства: заменяет кровельное покрытие и солнечные батареи, прочность, надежность, долговечность, стильный вид.

•     Недостатки: высокая цена.

•     Сфера использования: крыши домов и разных построек.

 

Двухсторонняя солнечная батарея Bifacial (бывает в алюминиевой раме или без).

    Bifacial - солнечная батарея, обычно производимая из монокристаллических ячеек, которые могут воспринимать солнечную энергию не только с фронтальной стороны, но и с тыловой, за счет чего и достигается увеличенное количество электроэнергии на 30 % (зависит от отражающего коэффициента материала, который нужно разместить с задней стороны солнечной батареи).

 

 

•     Достоинства: до 30% больше мощность за счет восприятия света с обеих сторон, долговечность за счет стекла с обеих сторон.

•     Недостатки: вес, необходимость хорошего отражателя лучей.

•     Сфера использования: наземная установка, установка на подвесное помещение (например, навес возле сооружений, навес автостанции и т.п.).

 

Среди всех вариантов солнечных батарей для домашнего использования чаще используют классические солнечные батареи.

 

3.4. Разновидности солнечных ячеек по форме и количеству токоотводящих полос BB

 

 

   Основной компонент солнечной батареи – это солнечная ячейка (Solar Cell). Для достижения определенных значений напряжения и силы солнечной батареи солнечные ячейки соединяют последовательно и несколько таких групп параллельно. Из солнечных ячеек состоит солнечная батарея (Solar Module), а из солнечных батарей образуется солнечная система (Solar System).

 

   Солнечные ячейки (ячейки) бывают полноразмерные (Full Cell), почти не встречающиеся) и половинчатые (Half Cell). Солнечные батареи на ячейках Half Cell больше генерируют электроэнергию при частичном затенении солнечной батареи.

 

   Солнечная батарея лучше на половинчатых ячейках Half Cell, так как имеет меньшие потери при частичном затенении панели.

      Количество токоотводящих полос (BB – Busbar) в самой простой ячейке 2BB уже редко встречается. Чаще встречаются мультиполосные ячейки (MBB – Multi Busbar). У разных производителей это конкретное количество полос, например, MBB12 – означает что на ячейке 12 токоотводящих шин. Перпендикулярно токоотводящей полосе расположены пальцы (Fingers), которые собирают электроэнергию и передают ее на токоотводящую шину.

Бывают еще ячейки с токоотводящими полосами только с задней стороны для увеличения КПД, но из-за более высокой цены они мало популярны.

 

Чем больше токоотводящих полос, тем лучше, потому что такая ячейка менее напряжена и долговечна.

 

3.5. Выходы солнечной батареи

 

 

   С тыльной стороны солнечной батареи находится распределительная коробка (Junction Box) или несколько. В распределительной коробке установлены байпасные диоды (Bypas Diodes) - 1, 2 или более штуки, которые защищают группу затененных ячеек и уменьшают потери генерации. В идеале нужно, чтобы стоял байпасный диод на каждую солнечную ячейку, но это экономически невыгодно, поэтому устанавливают диоды только на группы ячеек.

 

Важно!    Байпасный диод не защищает, когда нет солнца от протекания энергии от аккумулятора до солнечной батареи; для этого используется отдельный блокирующий диод, потребитель устанавливает при необходимости последовательно солнечной батареи. В большинстве случаев блокирующий диод присутствует в солнечном контроллере заряда и защищает от работы солнечной батареи в режиме нагрузки.

   Из распределительной коробки выходят два кабеля с коннекторами стандарта MC4 (редко других стандартов).

    В мощных солнечных батареях от 200 Вт всегда установлены байпасные диоды и кабели. В маломощных солнечных батареях до 200 Вт часто есть только распределительная коробка без кабелей и иногда встречаются варианты без байпасных диодов.

 

3.6. Параметры солнечной батареи

 

     Основные параметры можно увидеть с задней стороны солнечной батареи на ярлыке.

 

 

   Более подробные параметры пишутся в паспорте – datasheet, который обычно можем найти у продавца или скачать с сайта производителя.

 

   Как видно из паспорта, электрические параметры указаны для условий освещения STC, что соответствует 1000 Вт/м. кв. при температуре +25 градусов. Безусловно, чтобы получить такие параметры, потребителю нужны именно такие условия, а достигнуть их можно летом с 10 до 16 часов, в ясную безоблачную погоду при температуре панели +25 градусов и размещении солнечной панели к югу под углом 30 градусов к горизонту.

 

Электрические параметры солнечной батареи (Electrical Characteristics):

 

• Maximum Power – максимальная мощность 435 Вт. По существу означает максимальную мощность солнечной батареи.

• Open Circuit Voltage – холостое напряжение 48.7 В. Это напряжение без подключенной нагрузки.

• Short Circuit Current – ​​ток короткого замыкания 11.39 А. Это ток, который протекает, если закоротить выход солнечной батареи.

• Voltage at Maximum Power – напряжение при максимальной мощности 40.9 В.

• Current at Maximum Power – ток при максимальной мощности 10.64 А.

• Module Efficiency – КПД (коэффициент полезного действия) 20 % – показывает насколько эффективна солнечная батарея.

 

Эксплуатационные параметры (Operating Parameters):

 

• Operational temperature – температура эксплуатации -40…+85 градусов.

• Power output tolerance – допустимое отклонение мощности 0..+5 %, означает, что допустимое отклонение мощности солнечной батареи от ее номинальной мощности, указанной в паспорте (435 Вт), составит до +21,7 Вт (435х0.05).

• Maximum system voltage – максимальное напряжение в системе 1500 В означает, что безопасно использовать такую ​​солнечную батарею при последовательном подключении в системах с напряжением не более 1500 В.

• Maximum Series Fuse rating – максимальный допустимый номинал предохранителя 20 А. При подключении солнечных батарей параллельно три штуки и больше нужно обязательно установить предохранитель на 20 А.

 

Температурные коэффициенты (Temperature Ratings STC):

 

• Температурный коэффициент Isc- сокращен от Isc TC или температурный коэффициент тока короткого замыкания. В солнечной батарее показывает, насколько изменяется ток короткого замыкания (Isc) относительно изменения температуры.

• Температурный коэффициент Voc - сокращен от Voc TC или температурный коэффициент напряжения холостого хода. В солнечной батарее показывает, насколько изменяется напряжение холостого хода (Voc) относительно изменения температуры, а именно -0.27 %/С. То есть при температуре +26 градусов холостое напряжение уменьшится и составит 48.7-0.27%=48.56 В. Одновременно с уменьшением температуры сопротивление материала солнечной батареи уменьшается, что приводит к увеличению напряжения.

• Температурный коэффициент Pmax - температурный коэффициент максимальной мощности –0.35 %/С означает зависимость максимальной мощности (Pmax) от температуры. Этот коэффициент указывает на то, как изменяется электрическая мощность, которую может выдавать солнечная батарея при изменении ее температуры. При увеличении температуры максимальная мощность солнечной батареи уменьшается, поэтому ее Temperature Coefficient of Pmax является отрицательным значением. Это связано с уменьшением напряжения и увеличением тока в солнечной батарее при увеличении температуры, что приводит к уменьшению максимальной мощности, которую может выдавать батарея. Важно, что при уменьшении температуры мощность солнечной батареи обычно увеличивается. Это связано с тем, что при уменьшении температуры уменьшается сопротивление внутреннему электрическому току солнечной батареи, что позволяет увеличить выходное напряжение и повысить мощность. То есть при температуре +26 градусов мощность снизится и составит 435-0.35%=433,47 Вт.

 

Внимание! Обязательно учитывается при расчете солнечной станции Temperature Coefficient of Voc. Например, в солнечной панели из нашего расчета на 48.7 В при морозе - 25 градусов холостое напряжение солнечной панели увеличится и составит 48.7+(50 градусов х 0.27%)=48.7В+13.5%=55.27 В. Если не учесть коэффициент напряжения может сгореть солнечный контроллер, который может работать только в определенном диапазоне напряжения.

 

Механические нагрузки (Mechanical Loading):

 

• Front Side Maximum Static Loading - максимальная допустимая статическая нагрузка на переднюю часть 5400 Па. Это максимальная допустимая нагрузка, которая применима к передней стороне (фотоэлементам) солнечной батареи без повреждения ее элементов и без потери функциональности. Значение определяется разработчиками солнечных батарей при тестировании и сертификации продукта.

• Rear Side Maximum Static Loading - максимальная допустимая статическая нагрузка на заднюю часть 2400 Па солнечной батареи, которая применима без повреждения ее элементов и без потери функциональности. Это значение также определяется разработчиками солнечных батарей при тестировании и сертификации продукта.

• Hailstone Test  - тест на град. Выдерживает град диаметром 25 мм при скорости 23 м/с. Это испытание, применяемое для определения устойчивости солнечной батареи к удару града. Во время тестирования солнечную батарею подвергают удару град различных размеров и скоростей, чтобы проверить, насколько она способна выдержать такие условия. Испытания проводят в специальных камерах, где град управляется подается на солнечную батарею под разными углами и с разных высот. По окончании тестирования солнечную батарею оценивают наличие повреждений, таких как трещины или разламывание, которые могут снизить ее функциональность или даже привести к полному отказу. Если солнечная батарея успешно проходит испытание на градостойкость, то ее считают безопасной для эксплуатации в условиях, где есть риск падения града.

 

Механические параметры (Mechanical Parameters):

 

• Cell Orientation - ориентация ячеек 144 (6x24). Пространственная ориентация ячеек: 6 штук в ширину и 24 в высоту, всего 144 ячейки.

• Junction Box - распределительная коробка исполнения IP68 с тремя байпасными диодами.

• Output Cable – выходной кабель площадью 4 мм кв. 400 мм + и 200 мм -, такая длина может изменяться производителем.

• Glass – одно стекло, толщина 3.2 мм, закаленное стекло с покрытием.

• Frame - рама из анодированного алюминиевого сплава.

• Weight – вес 23.3 килограмма.

• Dimension – размер 2094 х 1038 х 35 мм. Подразумевается длина солнечной батареи 2094 мм, ширина 1038 мм и толщина рамы 35 мм.

 

Важно! Рассматривать паспортные данные следует именно от производителя и на английском, так как при переводе и других описаниях могут быть существенные ошибки.

 

3.7. Параллельное и последовательное соединение солнечных батарей. Необходимые типы переходников при разных типах соединения солнечных батарей

Параллельное подключение солнечных батарей.

    При параллельном подключении солнечных батарей положительный полюс одной солнечной батареи соединяется с положительным полюсом всех остальных батарей, а отрицательный полюс соединяется со всеми отрицательными полюсами батарей. Суммарное напряжение при этом всей системы равняется напряжению одной солнечной батареи (U=U1), а сила тока суммируется и равняется сумме токов всех солнечных батарей (I=i1+i2+i3). Общая мощность будет являться суммой мощностей каждой солнечной батареи (P=p1+p2+p3).

 

    К примеру, возьмем солнечную батарею 435 Вт со следующими параметрами:

• Максимальная мощность - 435 Вт

• Напряжение при максимальной мощности - 40,9 В

• Ток при максимальной мощности - 10,64 А

 

  При параллельном соединении трех таких солнечных батарей по 435 Вт:

• P Общая мощность солнечной системы: 435 Вт + 435 Вт + 435 Вт = 1305 Вт

• Напряжение U при максимальной мощности: 40,9 В

• Ток I при максимальной мощности: 10,64 А +10,64 А+10,64 А =31,92 А.

 

Важно! При параллельном соединении солнечных батарей допускается использование одинаковых моделей или с отличием параметров напряжения и тока не более 5%.

 

    Для соединения двух солнечных батарей в параллель нужно два коннектора MC4 Т-Branch (принято называть одна пара коннекторов MC4 T-Branch) и одна пара коннекторов МС4.

      Для соединения трех или более солнечных батарей в параллель понадобится три пары или более коннекторов MC4 Т-Branch и одна пара коннекторов МС4. Если параллельно соединить более двух солнечных батарей, то понадобятся удлинители, которые обычно производят по месту из солнечного кабеля и пара коннекторов MC4. В противном случае фабричные выходы не дотянутся до общей точки соединения.

 

Важно! При параллельном соединении общий ток суммируется и может быть значительным, что при определенных условиях может привести к повреждениям. Поэтому обязательно использование предохранителей при подключении трех солнечных батарей и более. Также важно помнить, что большинство коннекторов рассчитывается на 30 А. Если общий ток превышает 30 А обычно отказываются от коннекторов и используют электрические соединительные шины необходимого тока из нержавейки или латуни.

 

     Последовательное соединение солнечных батарей:

 

     При последовательном соединении солнечных батарей плюсовый коннектор одной батареи подключается к минусовому коннектору следующей. Для последовательной системы для того чтобы подсоединить ее к контроллеру заряда обычно достаточно солнечного кабеля и пара “Коннектор МС4”. Такое соединение обеспечивает увеличение напряжения, а не тока. Поэтому, если вам нужно увеличить напряжение солнечной системы, вы можете соединить батареи последовательно.

U=u1+u2+u3 I=i1 Р=р1+р2+p3

    

     Важно! При последовательном соединении солнечных батарей допускается использование одинаковых моделей или с отличием параметров напряжения и тока не более 5%.

 

     К примеру, возьмем солнечную батарею 435 Вт со следующими параметрами:

Максимальная мощность - 435 Вт

Напряжение при максимальной мощности - 40,9 В

Ток при максимальной мощности - 10,64 А

При последовательном соединении трех таких солнечных батарей по 435 Вт:

• P Общая мощность солнечной системы: 435 Вт +435 Вт+435 Вт.=1305 Вт

• U Напряжение при максимальной мощности: 40,9 В+40,9 В +40,9 В =122,7 В

• Ток I при максимальной мощности: 10,64 А

 

    Следует отметить: всегда нужно делать последовательное соединение где это возможно, так как при последовательном соединении увеличивается напряжение, а не ток, в отличие от параллельного соединения будет меньше потерь в кабелях.

 

    Примечание. При параллельном или последовательном соединении солнечных батарей изменяются суммарные параметры системы напряжения и тока, а мощность в любом случае остается одинаковой, в нашем случае P=1305 Вт, так как действует закон сохранения энергии.

 

4. Солнечные контроллеры заряда

 

       Солнечный контроллер заряда (Solar Charge Controller) это электронное устройство, которое используется для управления процессом заряда аккумулятора от солнечных панелей. Он регулирует напряжение и ток, идущие к батарее, чтобы обеспечить эффективный и безопасный заряд.

 

     Солнечный контроллер заряда может иметь различные функции, такие как защита от перезаряда, защита от чрезмерного разряда, защита от короткого замыкания, регулировка напряжения и тока заряда, а также может иметь разные режимы работы, такие как ручной и автоматический.

 

     Солнечные зарядные контроллеры используются в солнечных энергетических системах для обеспечения эффективного и безопасного заряда аккумуляторных батарей от солнечных панелей. Они являются необходимым компонентом для любой солнечной энергетической системы, включающей аккумуляторные батареи.

Важно!

 

1. К солнечному контроллеру заряда первым всегда подключается аккумулятор "Battery 7" (по напряжению которого контроллер понимает, с каким стандартом напряжения аккумулятора придется работать и активирует определенную схему работы), а затем уже солнечные батареи "Solar Panel".

2. В солнечном контроллере заряда имеется выход на нагрузку "DC Load 5", к которому можно подключать только освещение на лампах накаливания (категорически запрещено подключение другой индукционной нагрузки, например инвертора, импульсного блока питания и т.д., так как выход контроллера электронный и выйдет из строя). При необходимости подключения индукционной мощной нагрузки с коммутацией через контроллер на выход DC Load 5 подключают электромагнитное реле, а реле уже управляет пускателем, подключенным к аккумулятору.

3. Инвертор “Inverter 6” подключается всегда к аккумулятору “Battery 7” напрямую или через выключатель.

4. Иногда у солнечного контроллера есть другие выходы – USB (для зарядки мобильного телефона), другие выходы обмена данными.

 

4.1. Типы солнечных контроллеров. MPPT  и ШИМ технология

 

Существуют два основных типа солнечных контроллеров:

 

• МППТ "MPPT (Отслеживание максимальной мощности)”

• ШИМ "PWM (Широтно-импульсная модуляция)".

 

PWM-контроллер работают, изменяя ширину импульсов с напряжения солнечной панели, что позволяет снизить выходное напряжение и сохранить электрическую энергию. Они проще и дешевле по сравнению с MPPT-контроллерами, но менее эффективны при работе с солнечными панелями большой мощности.

 

MPPT-контроллеры, вместо этого, используют сложные алгоритмы для отслеживания точки максимальной мощности солнечных панелей. Это позволяет получать больше электроэнергии при работе с большими панелями и в условиях незначительной освещенности. MPPT-контроллеры более эффективны, но стоят дороже по сравнению с PWM-контроллерами.

 

 

Внешний вид PWM солнечного контроллера заряда.

 

     Плата PWM солнечного контроллера заряда легкая, не содержащая мощных индуктивных катушек.

 

Внешний вид MPPT солнечного контроллера заряда.

 

     Плата MPPT солнечного контроллера заряда содержит габаритные катушки индуктивности Copper Coil Transformer, поэтому такой контроллер имеет больший вес, чем PWM.

 

Важно!

 

1. PWM Солнечный контроллер заряда по существу срезает параметры солнечной батареи и не умеет преобразовывать и увеличивать напряжение, поэтому и применяется такой тип контроллера в маломощных системах, где стандарт напряжения солнечного поля такой же, как стандарт напряжения аккумулятора. Из преимуществ – невысокая цена контроллера.

 

1. MPPT солнечный контроллер умеет преобразовывать напряжение солнечных батарей в большее или меньшее благодаря тому, что в схеме реализовано преобразование постоянного тока в постоянный необходимых значений (DC to DC). Так как есть возможность преобразования параметров солнечной батареи в оптимальные значения, то достигается и большее КПД и при определенных обстоятельствах увеличение снятия электроэнергии с солнечной батареи на 30%. Подходит для любых стандартов солнечной батареи и аккумулятора. Из минусов – высокая цена.

4.2. Встроенные и обычные солнечные контроллеры заряда

 

 

Так выглядит обычный солнечный контроллер заряда (выше).

 

 

    Так смотрится встроенный солнечный контроллер заряда в инвертор. По существу мы видим в одной части инвертор, в который встроен солнечный контроллер заряда, а в другой – терминалы подключения к инвертору и контроллеру.

 

   Что встроенный, что и обычный контроллеры заряда могут иметь одинаковые параметры и не иметь отличий, но обычно встроенный контроллер уже имеет интеграцию с инвертором, что дает возможность большей гибкости в автоматизации режимов работы.

 

4.3. Параметры солнечного контроллера заряда

 

    Рассмотрим параметры контроллера Tracer 4210AN. Обычно параметры контроллера можно найти в инструкции “manual” или в паспорте “datasheet”.

        Рассмотрим часть параметров, касающуюся только нашей модели Tracer 4210AN:

• System nominal voltage 12/24 VDC Auto – номинальное напряжение системы, то есть возможное напряжение аккумулятора, может быть стандарта 12 В или 24 В и распознается автоматически контроллером после подключения аккумулятора (реже встречаются контроллеры, у которых напряжение стандарта АКБ должно устанавливаться вручную).

• Rated charge current 40 А – максимальный зарядный ток. То есть максимальный ток, который может подать контроллер на АКБ 40А.

• Rated discharge current 40 А – максимальный ток разряда. То есть максимальный ток, который контроллер может принять с АКБ и передать на нагрузку составляет 40 А.

• Battery voltage range 8…32 V – диапазон напряжения АКБ. То есть минимальное напряжение АКБ 8 В, а максимальное 32 В.

• Max. PV open circuit voltage 100 V\92 V – максимальное холостое напряжение (без нагрузки) солнечной батареи. Означает (согласно пояснению ниже таблицы), что при минимальной температуре эксплуатации контроллера холостое напряжение может быть до 100 В, а при температуре +25 градусов холостое напряжение допускается не более 92 В.

• Max. PV input power 520W/12V 1040W/24V – максимальная мощность солнечных панелей при напряжении АКБ 12 В составляет 520 Вт и при напряжении АКБ 24 В до 1040 Вт.

• Self-consumption ≤12mA – собственное потребление контроллером меньше или равняется току 12 мА.

• Discharge circuit voltage drop ≤0.23V - падение напряжения через контроллер при разряде будет равно 0.23 В или меньше.

• Temperature compensate coefficient -3mV/℃/2V (Default) – температурный коэффициент компенсации (по умолчанию). Указывает, на какое значение будет откорректировано напряжение при изменении температуры АКБ.

• Grounding Common negative – заземление через отрицательный полюс означает, что заземление осуществляется через общий отрицательный электрод (землю) системы. В такой системе электрический потенциал всех отрицательных электродов совпадает с электрическим потенциалом земли. Это позволяет снизить электрические помехи и улучшить электромагнитную совместимость (EMC) системы.

• RS485 interface 5VDC/100mA – это означает, что в контроллере присутствует интерфейс передачи данных RS485 и он может питать устройства 5 В 100 мА (например выносной дисплей).

• LCD backlight time 60S (Default) – означает, что подсветка экрана жидкокристаллического дисплея (LCD) будет выключена автоматически через 60 секунд неактивности. Это типичная настройка по умолчанию для многих электронных устройств с LCD-экраном. Эта функция полезна для сохранения энергии батареи и продления времени работы устройства от одной зарядки. Однако, если вы хотите изменить эту настройку, обычно можно изменить время, в течение которого подсветка экрана будет оставаться включенной после последней активности пользователя.

• Working environment temperature -25℃～+50℃(100% input and output) – рекомендуемая температура эксплуатации составляет от минус 25 до +50 градусов Цельсия.

• Enclosure IP30 – рейтинг исполнения для корпуса устройства IP30 означает, что оно обеспечивает защиту от твердых предметов, размером более 2,5 мм в диаметре, но не обеспечивает защиту от жидкостей.

• Примечание Системный контроллер может полностью заработать в рабочей среде, когда внутренняя температура является 81℃, reduction power charging mode turned on. Refer to P24. – Этот контроллер может работать с полной нагрузкой в ​​рабочих условиях, но если внутренняя температура достигнет 81℃, то будет активирован режим уменьшения мощности во время зарядки. Информацию об этом режиме можно найти в руководстве на стр. 24.

 

4.4. Возможность работы солнечного контроллера параллельно

    В большинстве случаев солнечные контроллеры не умеют работать в параллели, если иное не указано в инструкции, но есть контроллеры (например,PowMr MPPT-60A), которые могут работать в параллели при условии, что подключены к каждому контроллеру одинаковые солнечные батареи, одинаковые настройки контроллеров, одна группа АКБ и одинаковые кабели.

 

5. Инверторы 

 

   Инвертор – это электронный прибор, превращающий постоянный ток DC в переменный ток AC. В нашем случае постоянный ток из солнечной батареи или аккумулятора преобразуется в переменный ток с параметрами городской сети.

    Постоянный ток (DC) на графике нанесен красной линией - это прямая во времени т.е. значения тока (i) и напряжения (v) имеют постоянные значения и одинаковую полярность все время. Это электрический ток, двигающийся в одном направлении без изменения его направления со временем. Он обычно используется в электронных приборах, таких как аккумуляторы, сенсоры, электродвигатели и другие устройства, требующие постоянного тока для своей работы. Постоянный ток может быть снабжен с помощью источников питания, таких как солнечные батареи, аккумуляторы, блоки питания и другие.

 

     Переменный ток (AC) на графике нанесен зеленым цветом и имеет форму синусоиды с периодом 1\50 секунды - то есть значение тока (i) и напряжения (v) изменяется с частотой 50 Гц. Это тип электрического тока, в котором направление электрического тока периодически меняется во времени. Переменный ток является основным типом тока, используемого в электрических сетях и многих электронных устройствах, поскольку его можно трансформировать в другие напряжения и мощности с помощью трансформаторов и инверторов. В переменном токе периодически изменяется напряжение и ток, образуя волны, которые могут быть синусоидальными или другими формами. В переменном токе есть частота, определяемая количеством циклов на одну секунду и измеряемая в герцах (Гц). В большинстве стран переменный ток имеет частоту 50 или 60 Гц.

 

     Инвертор преобразует (инвертирует) постоянный ток DC в переменный ток AC определенной частоты (для бытовых приборов 50 Гц).

 

5.1. Правильная или модифицированная синусоида?

 

 

      На графике в) нанесено правильную (чистую, точную) синусоиду. Правильная синусоида – это сигнал, который математически описывается функцией синуса и имеет гладкую периодическую форму. Ее график подобен волне, которая постоянно повторяется с одинаковым периодом, амплитудой и фазой.

     На графиках а) и б) нанесено модифицированные синусоиды, которые имеют разные отклонения по сравнению с правильной синусоидой. Модифицированная синусоида (Modified sine wave) – это вид тока, имеющий форму, напоминающую синусоиду, но имеющую меньшую точность и неравномерный переход между положениями вершин и нулей. Ее можно получить с использованием набора прямоугольных сигналов, состоящих из разных частот и амплитуд.

 

5.1.1 Каковы параметры городской сети и бытовых приборов?

 

     Городская сеть и бытовые приборы десятилетиями разрабатывались под правильную синусоиду, поэтому инвертор нужно покупать именно с правильной синусоидой.

 

    Что будет, если к бытовому прибору подключить инвертор с модифицированной синусоидой? Большинство приборов, которые имеют индуктивные нагрузки и двигатели (газовые котлы, холодильники, кондиционеры, насосы, компьютеры), не будут корректно работать и необычно шуметь, а через некоторое время выйдут из строя.

 

   Приборы, которые можно питать от модифицированной синусоиды – светодиодные лампы, зарядные устройства для телефонов, электрические плитки, могут работать нормально от модифицированной синусоиды. Следовательно, все бытовые приборы можно питать гарантированно только правильной синусоидой и параметрами городской сети в соответствии с ДСТУ EN 50160-2014:

Напряжение - 230 В (+10%/-15%).

Частота - 50 Гц (± 1 %).

 

5.2. Типы инверторов с правильной синусоидой

 

      Так как для бытовых приборов в большинстве случаев нужна правильная синусоида, то будем рассматривать далее только инверторы с правильной синусоидой.

Следовательно, инверторы делят на следующие типы:

 

1. Интерактивный OFF-line Источник бесперебойного питания (ИБП, UPS) - состоит в одном корпусе из инвертора, иногда стабилизатора напряжения городской сети (AVR), шнура с вилкой "вход" от городской сети (AC in), выхода "розетка" нагрузки (AC out), кабелей входа от аккумулятора (Battery in) ИБП с выносным АКБ, зарядным устройством от сети.

 

• Существуют также, кроме OFF-line ИБП, еще и ON-line ИБП или ИБП с двойным преобразованием с разницей в том, что при исчезновении городской сети OFF-line ИБП переключается на работу от АКБ за 20 мс, а ON-line ИБП за 0 мс. что важно для некоторой чувствительной техники.

• Отдельно также применяются ИБП со встроенным АКБ небольшой емкости, которой достаточно для питания нагрузки малого промежутка времени 5…15 минут, чтобы успеть корректно завершить работу компьютера, станка и подобного. Такие ИБП в большинстве случаев имеют модифицированную синусоиду, поэтому не будем их рассматривать подробно.

 

2. Автономный OFF-line Инвертор для солнечных батарей (ИБП для солнечных батарей) состоит из инвертора, зарядного устройства от сети, солнечного зарядного контроллера PWM или MPPT (один вход или больше), входа аккумулятора, входа городской сети AC in (один или несколько), выхода на нагрузку AC out (один или больше), разных портов обмена данными.

      Есть также и ON-line версии таковых инверторов, но нередко разработка применяется псевдо онлайн.

 

3. Сетевой инвертор (grid tie, online) состоит из инвертора, солнечного контроллера MPPT (одного или нескольких), блока синхронизации с городской сетью. К такому инвертору нельзя подключить аккумулятор.

Применение:

 

• Генерация в городской сети энергии для продажи.

• При подключении специального ограничителя генерации большинство моделей может питать домашние потребители при подключенной городской сети.

• При большом тарифе, например, для компаний уменьшает затраты на электроэнергию при подключении ограничителя поколения.

• При ограничении максимальной мощности потребления объекта из сети может увеличить мощность для собственного потребления (необходим ограничитель генерации)

 

  Из недостатков такого инвертора главный – инвертор перестает работать при исчезновении городской сети и отсутствии возможности подключить аккумулятор.

 

  Среди сетевых инверторов есть подкатегория микроинверторов (MicroInverter) с одним отличием: к микроинвертору подключается не большое количество солнечных батарей, а одна или две.

 

4. Гибридный инвертор (hybrid, grid tie+offline)  - по сути, объединяет в себе все другие типы инверторов с обязательной возможностью генерации в городскую сеть. Состоит из инвертора, солнечного контроллера MPPT (одного или нескольких), входа аккумулятора, блока синхронизации с городской сетью, входа городской сети AC in (один или несколько), выхода на нагрузку AC out (один или более), разных портов обмена данными.

     

Важно! Часто некоторые продавцы называют гибридным любой инвертор, в котором есть вход от солнечных батарей, но это не верно.

 

Перейти Электронная книга. Солнечная электроэнергия для начинающих. Часть 2

Скачать в pdf формате полную версию книги "Солнечная электроэнергия для начинающих. Азбука понятий и принципов"