Електронна книга. Сонячна електроенергія для початківців. Частина 1.

Сонячна електроенергія для початківців 

Абетка понять і принципів

 

                       Електронна книжка для аматорів домашньої сонячної енергетики

 

    Автор - Oleksandr VipMart, інженер-електромеханік, засновник однойменного інтернет-магазину з продажу товарів для домашньої сонячної енергетики, що працює на ринку України з 2011 року. Місце і рік даної публікації - Україна, 2023

 

Зміст

1. Чому саме сонячна електроенергія? ………………………………………………….......стор.

2. Компоненти сонячної електричної станції змінного струму ………………………………2

3. Сонячні батареї (різновиди, важливі параметри, схеми підключення) …………………2

3.1. Різновиди сонячних батарей по типу кристалу перетворювача  …………………….2-4

3.2. На основі якого типу кристалу сонячна батарея краща?  ……………………………………..4

3.3. Різновиди сонячних батарей за механічним виконанням  …………………………......4-8

3.4.Різновиди сонячних осередків за формою та кількістью струмовідвідних смуг…....8-9

3.5. Виходи сонячної батареї  ………………………………………………………………….....9-11

3.6. Параметри сонячної батареї …………………………………………………………….....11-14

3.7.Паралельне та послідовне з'єднання сонячних батарей. Необхідні типи 

перехідників при різних типах з'єднання сонячних батарей …………………………….14-17

4. Сонячні контролери заряду. ………………………………………………………………...17-19

4.1. Типи сонячних контролерів. MPPT та PWM технології  ……………………………....19-21

4.2. Вбудовані та звичайні сонячні контролери заряду  ……………………………………...22

4.3. Параметри сонячного контролера заряду  ………………………………………….....22-24

4.4. Можливість роботи сонячного контроллера паралельно  ……………………………..25

5. Інвертори   ……………………………………………………………………………………...25-26

5.1. Правильна чи модифікована синусоїда? …………………………………………….....26-27

5.1.1. Які параметри мають міська мережа та побутові прилади?  ………………………...27

5.2. Типи інверторів з правильною синусоїдою  …………………………………………...27-30

5.3. Параметри інвертора ……………………………………………………………………...30-32

6. Акумулятори   ………………………………………………………………………………....32-33

6.1. Акумулятори з різною напругою - 12/24/48 та високовольтні …………………….33-34

6.2.Типи акумуляторів - стартерні заливні, AGM, GEL, Carbon, Lifepo4  …………….....34-39

6.3. Хіміко-технічні параметри акумулятора Lifepo4 ……………………………………..39-41

6.4. Чи варто збирати акумулятор LiFePO4 самому, чи краще придбати готове

 рішення ……………………………………………………………………………………..….....41-42

7. Яка сонячна станція потрібна для дому? Як розрахувати домашню

сонячну електростанцію?  ………………………………………………………………………...42

7.1. Розрахунок власної сонячної автономної електростанції на 5 кВт 230В з двома

сонячними полями (без генерації в мережу)  ……………………………………………..42-48

7.2. Розрахунок власної сонячної гібридної електростанції на 6 кВт 230В (з

можливістю генерації в мережу)   ……………………………………………………………48-52

7.3. Розрахунок малопотужної власної сонячної електростанції на 1 кВт 230В (з

PWM-контролером, без генерації в мережу)  ……………………………………………...52-56

8. Що стримує розвиток альтернативної енергетики?  ………………………………………56

9. Кілька тез про подальшу співпрацю  ……………………………………………………....56-57

 

1. Чому саме сонячна електроенергія?

 

• Сонце - найпотужніше джерело енергії в сонячній системі, яке можна вважати відновлюваним в рамках мільярдів років.

• Сонячну електроенергію дозволено безкоштовно використовувати у всіх країнах.

• Це екологічно чисте джерело електроенергії.

 

2. Компоненти сонячної електричної станції змінного струму

 

   Сонячна електростанція складається із сонячних батарей, контролера заряду, акумуляторів, інвертора, компонентів захисту від перенапруги та блискавки, резервного генератора (для підстраховки).

 

3. Сонячні батареї (різновиди, важливі параметри, схеми підключення)

   

    Сонячна батарея - це система об'єднаних напівпровідникових перетворювачів, які перетворюють сонячну енергію (частину сонячного випромінювання, що дісталося до сонячної батареї) в електроенергію постійного струму DC стандарту 12, 24, 36, 48 В та вище.

 

3.1. Різновиди сонячних батарей по типу кристалу перетворювача

    1. Полікристалічна сонячна батарея. На вигляд синього кольору - найвідоміший тип кристалу до 2020 року. Сонячні батареї на основі полікристалу, що широко доступні в Украіні, досягали ККД близько 17 %.

 

Так виглядають полікристалічні панелі:

 

    2. Монокристалічна сонячна батарея.

     На вигляд чорного кольору, з 2020 року - найпопулярніший різновид сонячної батареї; вважається більш довговічним рішенням порівняно з полікристалом. ККД на 2023 рік доступних в Україні моделей моно- сягає 21% та щорічно підвищується виробниками.

 

Так виглядає монокристалічна панель:

   3. Тонкоплівочні сонячні батареї (різновиди: Thin-film - “TF”, CdTe, CIGS,  також гнучкі з аморфного кристалу a-Si, TF-Si). На 2019 рік в окремих моделях ККД сягав 22.9 %, але, враховуючи ціну та особливості, що вони потребують тільки трансформаторного інвертора та напруги панелей близько 100 В, не стали широко відомими в Україні. Бувають чорного та відтінків синього кольору.

 

Так виглядають тонкоплівочні сонячні батареї:

 

 

3.2 На основі якого типу кристалу сонячна батарея краща?

 

Коротка відповідь - монокристалічні панелі кращі.

 

    Довго вважалося, що монокристал дорожчий та має кращу генерацію. Але на 2023 рік експериментально встановлено, що монокристал зрівнявся в ціні з полі- та має переваги тільки тому, що цей тип продовжують досліджувати та збільшувати ККД. Також довго вважалося, що монокристал значно краще працює при непрямих сонячних променях порівняно з полікристалом, але на практиці різниці більше 1% не вдалося встановити.

 

3.3. Різновиди сонячних батарей за механічним виконанням 

 

   Всі відомі типи за кристалічністю  можуть виконуватися в класичному вигляді сонячної батареї.

 

Класичний вигляд сонячної батареї: 

 

 

Класична сонячна батарея складається з алюмінієвої рами, загартованого скла, екапсультанту EVA, сонячних осередків (їх ще називають комірки, solar cell), екапсультанту EVA, задньої підкладки, розподільчої коробки.

 

• Переваги: найкраща ціна за 1 Вт, механічна стійкість.

• Недоліки: висока вага (від 17 кг при потужності 280 Вт).

• Сфера використання: стаціонарні, промислові та домашні сонячні станції.

 

Напівгнучка сонячна батарея.

 

   Напівгнучка сонячна батарея складається з прозорого покриття PET або ETFE (покриття ETFE більше вбирає світла за рахунок бульбашкової структури, але менше служить), далі прозора EVA плівка, сонячні осередки, EVA плівка, підкладка PET/TPT.

Напівгнучка сонячна батарея може згинатися зазвичай до 30 градусів, може бути на основі полікристалу чи монокристалу.

Із переваг: може згинатися, в десять разів легша за класичну, не боїться вібрацій.

Із недоліків: менший строк експлуатації, дорожче коштує за 1 Вт в порівнянні з класичною.

Сфера використання: яхти, катери, будинки на колесах, переносні станції.

 

Гнучка (аморфна) сонячна батарея.

     Гнучка сонячна батарея може бути на основі різного типу кристалу, частіше це різновиди тонкоплівкового та скручується на 360 градусів.

•     Переваги: скручування на 360 градусів, більша ефективність генерації в похмуру погоду.

•     Недоліки: висока ціна, висока напруга панелі, невисокий ККД, необхідність трансформаторного інвертору.

•     Сфера використання: будинки на колесах, дахи будинків, нерівні покриття.

 

Сонячна черепиця чи інше дахове покриття.

   Сонячна черепиця звичайно виробляється з тонкоплівкових елементів CIGS, але можуть буть й різновиди.

 

•     Переваги: замінює дахове покриття та сонячні батареї, міцність, надійність, довговічність, стильний вигляд.

•     Недоліки: висока ціна.

•     Сфера використання: дахи будинків та різних споруд.

 

Двостороння сонячна батарея Bifacial (буває в алюмінієвій рамі чи без).

    Bifacial - сонячна батарея, що зазвичай виробляється з монокристалічних комірок, які можуть сприймати сонячну енергію не тільки з фронтального бок, а й з тилового, за рахунок чого й досягається збільшена кількість електроенергії на 30 % (залежить від відбиваючого коефіцієнта матеріалу, який треба розмістити із заднього боку сонячної батареї). 

 

 

•     Переваги: до 30% більша потужність за рахунок сприйняття світла з обох сторін, довговічність за рахунок скла з обох сторін.

•     Недоліки: вага, необхідність доброго відбивача променів.

•     Сфера використання: наземне встановлення, встановлення на навісне приміщення (наприклад, навіс біля споруд, навіс автостанції, тощо).

 

Серед всіх варіантів сонячних батарей для домашнього використання найчастіше використовують класичні сонячні батареї.

 

3.4. Різновиди сонячних осередків за формою та кількістью струмовідвідних смуг BB

 

 

   Основний компонент сонячної батареї - це сонячний осередок (сонячна комірка, Solar Cell, солнечная  ячейка). Для досягнення певних значень напруги та сили струму сонячної батареї сонячні осередки з'єднують послідовно і декілька таких груп паралельно. Із сонячних осередків складається сонячна батарея (Solar Module) а із сонячних батарей утворюється сонячна система (Solar System).

 

    Сонячні осередки (комірки)  бувають повнорозмірні (Full Cell), що вже майже не зустрічаються) та половинчасті (Half Cell). Сонячні батареї на осередках Half Cell більше генерують електроенергії  при частковому затінені сонячної батареї.

 

   Сонячна батарея краща на половинчастих осередках Half Cell, так як має менші втрати при частковому затінені панелі.

      Кількість струмовідвідних смуг (BB - Busbar) в найспростішій комірці 2BB вже рідко зустрічається. Частіше зустрічається мультисмугові осередки (MBB - Multi Busbar). У різних виробників це конкретна кількість смуг, наприклад, MBB12 - означає що на осередку 12 струмовідвідних шин. Перпендикулярно до струмовідвідної смуги розміщені пальці (Fingers), які збирають електроенергію і передають її на струмовідвідну шину. 

Бувають ще осередки зі струмовідвідними смугами тільки із заднього боку для збільшення ККД, але через більш високу ціну вони мало популярні.

 

Чим більше струмовідвідних смуг, тим краще, бо такий осередок менш напружений та більш довговічний.

 

3.5. Виходи сонячної батареї

 

 

   З тильного боку сонячної батареї знаходиться розподільна коробка (Junction Box) або декілька. В розподільній коробці встановлено байпасні діоди (Bypas Diodes) - 1, 2 або більше штуки, які захищають групу комірок, що затінена та зменшують втрати генерації. В ідеалі потрібно, щоб стояв байпасний діод на кожну сонячну комірку, але це економічно не вигідно, тому встановлюють діоди тільки на групи осередків.

 

Важливо!     Байпасний діод не захищає коли немає сонця від протікання енергії від акумулятора до сонячної батареї; для цього використовується окремий блокуючий діод, який споживач встановлює за необхідності послідовно сонячній батареї. В більшості випадків блокуючий діод присутній в сонячному контролері заряду, що й захищає від роботи сонячної батареї в режимі навантаження.

 

   

 

   З розподільної коробки виходять два кабелі з конекторами стандарту MC4 (рідко інших стандартів). 

    В потужних сонячних батареях від 200 Вт завжди встановлені байпасні діоди та кабелі. В малопотужних сонячних батареях до 200 Вт часто є тільки розподільна коробка без кабелів та деколи зустрічаються варіанти без байпасних діодів. 

 

3.6. Параметри сонячної батареї

 

     Основні параметри можна побачити з заднього боку сонячної батареї на ярлику.

 

 

   Більш детальні параметри пишуться в паспорті - datasheet, який звичайно можемо знайти в продавця чи завантажити з сайту виробника. 

 

   Як видно з паспорту, електричні параметри вказані для умов освітлення STC, що відповідає 1000 Вт / м. кв. при температурі +25 градусів. Безумовно, щоб отримати такі параметри, споживачу потрібні саме такі умови, а досягнути їх можна влітку з 10 години до 16, в ясну безхмарну погоду при температурі панелі +25 градусів та розміщенні сонячної панелі на південь під кутом 30 градусів до горизонту. 

 

Електричні параметри сонячної батареї (Electrical Characteristics):

 

• Maximum Power - максимальна потужність 435 Вт. По суті означає максимальну потужність сонячної батареї.

• Open Circuit Voltage - холоста напруга 48.7 В. Це напруга без підключеного  навантаження.

• Short Circuit Current - струм короткого замикання 11.39 А. Це струм, який протікає, якщо замкнути вихід сонячної батареї без навантаження.

• Voltage at Maximum Power - напруга при максимальній потужності 40.9 В.

• Current at Maximum Power - струм при максимальній потужності 10.64 А.

• Module Efficiency - ККД (коефіцієнт корисної дії) 20 % -  показує наскільки ефективна сонячна батарея.

 

Експлуатаційні параметри (Operating Parameters):

 

• Operational temperature - температура експлуатації -40…+85 градусів.

• Power output tolerance - допустиме відхилення потужності 0..+5 %, означає, що допустиме відхилення потужності сонячної батареї від її номінальної потужності, вказаної в паспорті (435 Вт), складе до +21,7 Вт  (435х0.05).

• Maximum system voltage - максимальна напруга в системі 1500 В означає, що безпечно використовувати таку сонячну батарею при послідовному підключенні в системах з напругою не більше 1500 В.

• Maximum Series Fuse rating - максимальний допустимий номінал запобіжника 20 А. При підключенні сонячних батарей паралельно три штуки та більше потрібно обов'язково встановити запобіжник на 20 А.

 

Температурні коефіцієнти (Temperature Ratings STC):

 

• Temperature Coefficient of Isc - скорочено від Isc TC або температурний коефіцієнт струму короткого замикання. В сонячній батареї показує наскільки змінюється струм короткого замикання (Isc) відносно зміни температури. 

• Temperature Coefficient of Voc - скорочено від Voc TC або температурний коефіцієнт напруги холостого ходу. В сонячній батареї показує наскільки змінюється напруга холостого ходу (Voc) відносно зміни температури, а саме -0.27 %/С. Тобто при температурі +26 градусів холоста напруга зменшиться і складе 48.7-0.27%=48.56 В.Одночасно зі зменшенням температури опір матеріалу сонячної батареї зменшується, що призводить до збільшення напруги.

• Temperature Coefficient of Pmax - температурний коефіцієнт максимальної потужності  -0.35 %/С означає залежність максимальної потужності (Pmax) від температури. Цей коефіцієнт вказує на те, наскільки змінюється електрична потужність, яку може видавати сонячна батарея при зміні її температури. При збільшенні температури, максимальна потужність сонячної батареї зменшується, тому її Temperature Coefficient of Pmax є від'ємним значенням. Це пов'язано зі зменшенням напруги та збільшенням струму в сонячній батареї при збільшенні температури, що призводить до зменшення максимальної потужності, яку може видавати батарея. Важливо що при зменшенні температури потужність сонячної батареї зазвичай збільшується. Це пов'язано з тим, що при зменшенні температури зменшується опір внутрішнього електричного струму сонячної батареї, що дозволяє збільшити вихідну напругу та підвищити потужність. Тобто при температурі +26 градусів потужність зменшиться і складе 435-0.35%=433,47 Вт.

 

Увага! Обов'язково враховується при розрахунку сонячної станції Temperature Coefficient of Voc. Наприклад, в сонячній панелі з нашого розрахунку на 48.7 В при морозі - 25 градусів холоста напруга сонячної панелі збільшиться і складе 48.7+(50 градусів х 0.27%)=48.7В+13.5%=55.27 В. Якщо не врахувати коєфіціент зміни холостої напруги, може згоріти сонячний контролер який, може працювати тільки в певному діапазоні напруги.

 

Механічні навантаження (Mechanical Loading):

 

• Front Side Maximum Static Loading -  максимальне допустиме статичне навантаження на передню частину 5400 Па. Це максимальне допустиме навантаження, яке може бути застосовано до переднього боку (фотоелементів) сонячної батареї без пошкодження її елементів і без втрати функціональності. Значення визначається розробниками сонячних батарей під час тестування та сертифікації продукту.

• Rear Side Maximum Static Loading - максимальне допустиме статичне навантаження на задню частину 2400 Па сонячної батареї,  яке може бути застосовано без пошкодження її елементів і без втрати функціональності. Це значення також визначається розробниками сонячних батарей під час тестування та сертифікації продукту.

• Hailstone Test - тест на град .Витримує град діаметром 25 мм при швидкості 23 м/с. Це випробування, яке застосовується для визначення стійкості сонячної батареї до удару граду. Під час тестування сонячну батарею піддають удару граду різних розмірів та швидкостей, щоб перевірити, наскільки вона здатна витримати такі умови. Випробування проводять у спеціальних камерах, де град керовано подається на сонячну батарею під різними кутами та з різних висот. Після закінчення тестування сонячну батарею оцінюють на наявність пошкоджень, таких як тріщини чи розламування, які можуть знизити її функціональність або навіть призвести до повного відмови. Якщо сонячна батарея успішно проходить випробування на стійкість до граду, то її вважають безпечною для експлуатації в умовах, де є ризик падіння граду.

 

Механічні параметри (Mechanical Parameters):

 

• Cell Orientation - орієнтація комірок 144 (6x24). Просторова орієнтація комірок: 6 штук в ширину та 24 в висоту, всього 144 комірки.

• Junction Box - розподільна коробка виконання IP68 з трьома байпасними діодами.

• Output Cable - вихідний кабель площею 4 мм кв. 400 мм + та 200 мм, така довжина може бути змінена виробником.

• Glass - одне скло, товщина 3.2 мм, загартоване скло з покриттям.

• Frame - рама з анодованого алюмінієвого сплаву.

• Weight - вага 23.3 кілограма.

• Dimension - розмір 2094 х 1038 х 35 мм. Мається на увазі довжина сонячної батареї 2094 мм, ширина 1038 мм та товщина рами 35 мм.

 

Важливо! Розглядати паспортні дані слід саме від виробника і на англійській мові, так як при перекладі та в інших описах можуть бути суттєві помилки.

 

3.7. Паралельне та послідовне з'єднання сонячних батарей. Необхідні типи перехідників при різних типах з'єднання сонячних батарей 

 

Паралельне підключення сонячних батарей.

 

    При паралельному підключенні сонячних батарей позитивний полюс однієї сонячної батареї з'єднується с позитивним полюсом всіх інших батарей, а негативний полюс з'єднується з усіма негативними полюсами батарей. Сумарна напруга при цьому всієї системи рівняється напрузі однієї сонячної батареї (U=U1), а сила струму сумується і рівняється сумі струмів всіх сонячних батарей (I=i1+i2+i3). Загальна потужність буде сумою потужностей кожної сонячної батареї (P=p1+p2+p3).

 

    Наприклад, візьмемо сонячну батарею 435 Вт з такими параметрами:

• Maximum Power - 435 Вт

• Voltage at Maximum Power - 40.9 В

• Current at Maximum Power - 10.64 А

 

  При паралельному з'єднанні трьох таких сонячних батарей по 435 Вт:

• P Загальна потужність сонячної системи: 435 Вт + 435 Вт + 435 Вт.=1305 Вт

• U Voltage at Maximum Power: 40.9 В

• I Current at Maximum Power: 10.64 А +10.64 А+10.64 А =31.92 А.

 

Важливо! При паралельному з'єднанні сонячних батарей допускається використання однакових моделей або з відмінністю параметрів напруги та струму не більше 5 %.

 

    Для з'єднання двох сонячних батарей в паралель потрібно два конектори MC4 T-Branch (прийнято називати одна пара коннекторов MC4 T-Branch) та одна пара конекторів MC4. 

 

      Для з'єднання трьох або більше сонячних батарей в паралель знадобиться три пари  або більше конекторів MC4 T-Branch та одна пара конекторів MC4. 

Коли паралельно з'єднати більше двох сонячних батарей, то знадобляться подовжувачі, які звичайно виготовляють по місцю з сонячного кабелю та пари конекторів MC4. Інакше фабричні виходи не дотягнуться до загальної точки з'єднання.

 

Важливо! При паралельному з'єднанні загальний струм сумується і може бути значним, що при певних умовах може призвести до пошкоджень. Тому обов'язковим є використання запобіжників при підключенні трьох сонячних батарей та більше. Також важливо пам'ятати, що більшість конекторів розраховується на 30 А. Якщо загальний струм перевищує 30 А, зазвичай відмовляються від конекторів та використовують електричні сполучні шини необхідного струму з нержавійки чи латуні.

 

     Послідовне з'єднання сонячних батарей:

 

 

     При послідовному з'єднання сонячних батарей  плюсовий конектор однієї батареї підключається до мінусового конектору наступної. Для послідовної системи для того щоб приєднати її до контроллера заряду звичайно достатньо сонячного кабелю та пари “Конектор MC4”. Таке з'єднання забезпечує збільшення напруги, а не струму. Тому, якщо вам потрібно збільшити напругу вашої сонячної системи, ви можете з'єднати батареї послідовно. 

 

U=u1+u2 I=i1  P=p1+p2+p3

    

     Важливо! При послідовному з'єднанні сонячних батарей допускається використання однакових моделей або з відмінністью параметрів напруги та струму не більше 5 %.

 

     Наприклад, візьмемо сонячну батарею 435 Вт з такими параметрами:

Maximum Power - 435 Вт

Voltage at Maximum Power - 40.9 В

Current at Maximum Power - 10.64 А

При послідовному з'єднанні трьох таких сонячних батарей по 435 Вт:

• P Загальна потужність сонячної системи: 435 Вт +435 Вт+435 Вт.=1305 Вт

• U Voltage at Maximum Power: 40.9 В+40.9 В +40.9 В =122.7 В

• I Current at Maximum Power: 10.64 А

 

    Варто зазначити: завжди треба робити послідовне з'єднання де це можливо, так як при послідовному з'єднанні збільшується напруга, а не струм, на відміну від паралельного з’єднання - буде менше втрат в кабелях.

 

    Примітка. При паралельному чи при послідовному з’єднанні сонячних батарей змінюються сумарні параметри системи напруги та струму, а потужність в будь-якому разі залишається однаковою, в нашому випадку P=1305 Вт, так як діє закон збереження енергії. 

 

4. Сонячні контролери заряду

 

      

 Сонячний контролер заряду (Solar Charge Controller) -  це електронний пристрій, який використовується для керування процесом заряду акумуляторної батареї від сонячних панелей. Він регулює напругу та струм, що йдуть до батареї, щоб забезпечити ефективний та безпечний заряд.

 

     Сонячний контролер заряду може мати різні функції, такі як захист від перезаряду, захист від надмірного розряду, захист від короткого замикання, регулювання напруги та струму заряду, а також може мати різні режими роботи, такі як ручний та автоматичний.

 

     Сонячні контролери заряду використовуються в сонячних енергетичних системах для забезпечення ефективного та безпечного заряду акумуляторних батарей від сонячних панелей. Вони є необхідною складовою для будь-якої сонячної енергетичної системи, яка включає акумуляторні батареї.

 

Важливо! 

 

1. До сонячного контролера заряду першим завжди підключається аккумулятор  “Battery 7” (по напрузі якого контролер розуміє, з яким стандартом напруги акумулятора доведеться працювати і активує певну схему роботи), а потім вже - сонячні батареї “Solar Panel”. 

2. В сонячному контролері заряду є вихід на навантаження “DC Load 5”, до якого можна підключати тільки освітлення на лампах розжарювання (категорично заборонено підключення іншого індукційного навантаження, наприклад, інвертора, імпульсного блока живлення і т.д., так як вихід контролера електронний і вийде з ладу). За необхідності підключення індукційного потужного навантаження з комутацією через контролер на вихід “DC Load 5” підключають електромагнітне реле, а реле вже керує пускачем, який під'єднаний до акумулятора.

3. Інвертор “Inverter 6” підключається завжди до акумулятора “Battery 7” напряму чи через вимикач.

4. Інколи в сонячного контролера є інші виходи - USB (для зарядки мобільного телефону), інші виходи обміну даними.

 

4.1. Типи сонячних контролерів. MPPT та PWM технологія

 

Існують два основні типи сонячних контролерів:

 

• МППТ “MPPT (Maximum Power Point Tracking)”

• ШИМ “PWM (Pulse Width Modulation)”.

 

PWM-контролери працюють, змінюючи ширину імпульсів з напруги сонячної панелі, що дозволяє зменшити вихідну напругу та зберегти електричну енергію. Вони є простішими та дешевшими у порівнянні з MPPT-контролерами, але менш ефективними при роботі з сонячними панелями великої потужності.

 

MPPT-контролери, натомість, використовують складні алгоритми для відстеження точки максимальної потужності сонячних панелей. Це дозволяє отримувати більше електричної енергії при роботі з великими панелями та в умовах незначної освітленості. MPPT-контролери є більш ефективними, але коштують дорожче у порівнянні з PWM-контролерами.

 

 

Зовнішній вигляд PWM сонячного контролера заряду.

 

     Плата PWM сонячного контролера заряду легка, не містить потужних індуктивних котушок.

 

Зовнішній вигляд MPPT сонячного контролера заряду.

 

     Плата MPPT сонячного контролера заряду містить габаритні котушки індуктивності “Copper Coil Transformer”, тож такий контроллер має більшу вагу за PWM.

 

Важливо!

 

1. PWM сонячний контролер заряду по суті зрізає параметри сонячної батареї і не вміє перетворювати і збільшувати напругу, тому й застосовується такий тип контролера в малопотужних системах, де стандарт напруги сонячного поля такий же, як і стандарт напруги аккумулятора. З переваг - невисока ціна контроллера.

 

1. MPPT сонячний контролер вміє перетворювати напругу сонячних батарей в більшу чи меншу завдяки тому, що в схемі реалізовано перетворення постійного струму в постійний необхідних значень (DC to DC). Так як є можливість перетворення параметрів сонячної батареї в оптимальні значення, то досягається й більший ККД і при певних обставинах збільшення зняття електроенергії з сонячної батареї на 30%. Підійде для будь-яких стандартів сонячної батареї та акумулятора. З мінусів - висока ціна.

 

4.2. Вбудовані та звичайні сонячні контролери заряду

 

 

Так виглядає звичайний сонячний контролер заряду (вище).

 

 

    Так виглядає вбудований сонячний контролер заряду в інвертор. По суті ми бачимо в одній частині інвертор, в який вбудовано сонячний контролер заряду, а в іншій - термінали підключення до інвертору і контролера.

 

   Що вбудований, що й звичайний контролери заряду можуть мати однакові параметри і не мати відмінностей, але зазвичай вбудований контролер вже має інтеграцію з інвертором, що надає можливість більшої гнучкості в автоматизації режимів роботи.

 

4.3. Параметри сонячного контролера заряду

 

    Розглянемо параметри контролеру Tracer 4210AN. Звичайно параметри контролера можна знайти в інструкції “manual” чи в паспорті “datasheet”.

        Розглянемо частину параметрів, яка стосується тільки нашої моделі Tracer 4210AN:

• System nominal voltage 12 / 24 VDC Auto - номінальна напруга системи, тобто можлива напруга акумулятора, може бути стандарту 12 В чи 24 В і розпізнається автоматично контролером після під'єднання акумулятора (рідше зустрічаються контролери, в яких напруга стандарту АКБ повинна встановлюватися вручну).

• Rated charge current  40 А - максимальний зарядний струм. Тобто максимальний струм, який може подати контролер на АКБ 40 А.

• Rated discharge current  40 А - максимальний струм розряду. Тобто максимальний струм струм, який контролер може прийняти з АКБ і передати на навантаження складає 40 А.

• Battery voltage range 8…32 V - діапазон напруги АКБ. Тобто мінімальна напруга АКБ 8 В, а максимальна 32 В.

• Max. PV open circuit voltage 100 V \ 92 V - максимальна холоста напруга (без навантаження) сонячної батареї. Означає (згідно пояснення нижче таблиці), що при мінімальній температурі експлуатації контролера холоста напруга може бути до 100 В, а при температурі +25 градусів холоста напруга допускається не більше 92 В.

• Max. PV input power 520W/12V 1040W/24V - максимальна потужність сонячних панелей при напрузі АКБ 12 В складає 520 Вт та при напрузі АКБ 24 В до 1040 Вт.

• Self-consumption ≤12mA - власне споживання контролером менше або рівняється струму 12 мА.

• Discharge circuit voltage drop ≤0.23V - падіння напруги через контроллер при розряді буде рівне 0.23 В чи менше.

• Temperature compensate coefficient -3mV/℃/2V (Default) - температурний коефіцієнт компенсації (за замовчуванням). Вказує на яке значення буде відкоригована напруга при зміні температури АКБ.

• Grounding Common negative - заземлення через негативний полюс означає, що заземлення здійснюється через спільний негативний електрод (землю) системи. В такій системі електричний потенціал усіх негативних електродів збігається з електричним потенціалом землі. Це дозволяє зменшити електричні перешкоди та покращити електромагнітну сумісність (EMC) системи.

• RS485 interface 5VDC/100mA - це означає, що в контролері присутній інтерфейс передачі даних RS485 та він може живити пристрої 5 В 100 мА (наприклад виносний дисплей).

• LCD backlight time 60S (Default) - означає, що підсвітка екрану рідкокристалічного дисплею (LCD) буде вимкнена автоматично через 60 секунд неактивності. Це є типовим налаштуванням за замовчуванням для багатьох електронних пристроїв з LCD-екраном. Ця функція є корисною для збереження енергії батареї та подовження часу роботи пристрою від однієї зарядки. Однак, якщо ви хочете змінити це налаштування, зазвичай є можливість змінити час, протягом якого підсвітка екрану буде залишатися увімкненою після останньої активності користувача.

• Working environment temperature -25℃～+50℃(100% input and output) - рекомендована температура експлуатації складає від мінус 25 до +50 градусів Цельсія.

• Enclosure IP30 - рейтинг виконання для корпусу пристрою IP30 означає, що він забезпечує захист від твердих предметів, розміром більше 2,5 мм в діаметрі, але не забезпечує захист від рідин.

• Примітка The controller can full load working in the working environment temperature, When the internal temperature is 81℃, the reducing power charging mode is turned on. Refer to P24. - Цей контролер може працювати з повним навантаженням в робочих умовах, але якщо внутрішня температура досягне 81℃, то буде активований режим зменшення потужності під час зарядки. Інформацію про цей режим можна знайти в інструкції на сторінці 24.

 

4.4. Можливість роботи сонячного контроллера паралельно

 

    У більшості випадків сонячні контролери не вміють працювати в паралелі, якщо інше не вказано в інструкції, але є контролери (наприклад, PowMr MPPT-60A), які можуть працювати в паралелі при умові, що під’єднані до кожного контролеру однакові сонячні батареї, однакові налаштування контролерів, одна група АКБ, та однакові кабелі.

 

5. Інвертори 

 

   Інвертор - це електронний прилад, що перетворює постійний струм DC на змінний струм AC. В нашому випадку постійний струм із сонячної батареї чи акумулятора перетворюється в змінний струм з параметрами міської мережі. 

    Постійний струм (DC) на графіку нанесено червоною лінією - це є пряма в часі тобто значення струму (i) та напруги (v) мають сталі значення та однакову полярність весь час. Це електричний струм, який рухається в одному напрямку без зміни його напрямку з часом. Він зазвичай використовується в електронних приладах, таких як акумулятори, сенсори, електродвигуни та інші пристрої, які потребують сталого електричного струму для своєї роботи. Постійний струм може бути забезпечений за допомогою джерел живлення, таких як сонячні батареї, акумулятори, блоки живлення та інші.

 

     Змінний струм (AC) на графіку нанесено зеленим кольором та має форму синусоїди з періодом 1\50 секунди - тобто значення струму (і) та напруги (v) змінюється з частотою 50 Гц. Це тип електричного струму, в якому напрямок електричного струму періодично змінюється у часі. Змінний струм є основним типом струму, що використовується в електричних мережах та багатьох електронних пристроях, оскільки його можна трансформувати на інші напруги та потужності за допомогою трансформаторів та інверторів. У змінного струму періодично змінюється напруга та струм, утворюючи хвилі, які можуть бути синусоїдальними або іншими формами. В змінному струмі є частота, яка визначається кількістю циклів на одну секунду та вимірюється в герцах (Гц). У більшості країн змінний струм має частоту 50 або 60 Гц.

 

     Інвертор перетворює (інвертує) постійний струм DC в змінний струм AC певної частоти (для побутових приладів 50 Гц).

 

5.1. Правильна чи модифікована синусоїда? 

 

 

      На графіку в) нанесено правильну (чисту, точну) синусоіду. Правильна синусоїда - це сигнал, який математично описується функцією синуса і має гладку періодичну форму. Її графік подібний до хвилі, яка постійно повторюється з однаковим періодом, амплітудою та фазою.

     На графіках а) та б) нанесено модифіковані синусоїди, які мають різні відхилення в порівнянні з правильною синусоїдою. Модифікована синусоїда (Modified sine wave) - це вид струму, що має форму, яка нагадує синусоїду, але має меншу точність і нерівномірний перехід між положеннями вершин та нулів. Її можна отримати з використанням набору прямокутних сигналів, які складаються з різних частот і амплітуд.

 

5.1.1 Які параметри має міська мережа та побутові прилади?

 

     Міська мережа та побутові прилади десятиліттями розроблялися під правильну синусоіду, тому інвертор потрібно купувати саме з правильною синусоїдою. 

 

    Що буде якщо до побутового прибору підключити інвертор з модифікованою синусоїдою? Більшість приладів, які мають індуктивні навантаження та двигуни (газові котли, холодильники, кондиціонери, насоси, комп'ютери), не будуть коректно працювати та будуть незвично шуміти, а через деякий час вийдуть з ладу. 

 

   Прилади, що можна живити від модифікованої синусоїди - світлодіодні лампи, зарядні пристрої для телефонів, електричні плитки, можуть працювати нормально від модифікованої синусоїди.

 

   Отже, всі побутові прилади можна живити гарантовано тільки правильною синусоїдою та параметрами міської мережі в Україні згідно ДСТУ EN 50160-2014:

Напруга - 230 В (+10 % /-15 %).

Частота - 50 Гц (± 1 %).

 

5.2. Типи інверторів з правильною синусоїдою

 

      Так як для побутових приладів у більшості випадків потрібна правильна синусоїда, то будемо розглядати далі тільки інвертори з правильною синусоїдою.

Отже, інвертори ділять на такі типи:

 

1. Інтерактивне OFF-line Джерело безперебійного живлення (ДБЖ, UPS) - складається в одному корпусі з інвертора, інколи стабілізатора напруги міської мережі (AVR), шнура з вилкою “вхід” від міської мережі (AC in) , виходу “розетка” навантаження (AC out), кабелів входу від аккумулятора (Battery in) для ДБЖ з виносним АКБ, зарядного пристрою від мережі.

 

 

• Існують також, крім OFF-line ДБЖ, ще й ON-line ДБЖ чи ДБЖ з подвійним перетворенням з різницею в тому, що при зникненні міської мережі OFF-line ДБЖ перемикається на роботу від АКБ за 20 мс а ON-line ДБЖ за 0 мс, що важливо для деякої чутливої техніки.

• Окремо також застосовуються ДБЖ з вбудованим АКБ невеликої ємності, якої достатньо для живлення навантаження малого проміжку часу 5…15 хвилин, щоб встигнути коректно завершити роботу комп'ютера, станка та подібного.Такі ДБЖ в більшості випадків мають модифіковану синусоіду, тому не будемо їх розглядати детально.

 

1. Автономний OFF-line  Інвертор для сонячних батарей (ДБЖ для сонячних батарей) складається з інвертора, зарядного пристрою від мережі, сонячного зарядного контролеру PWM чи MPPT (один вхід чи більше), входу акумулятора, входу міської мережі AC in (один чи декілька), виходу на навантаження AC out (один чи більше), різних портів обміну даними.

      Існують також і ON-line версії таких інверторів, але часто технологія застосовується псевдо онлайн.

 

1. Мережевий інвертор (grid tie, online) складається з інвертора, сонячного контролеру MPPT (одного або декількох), блоку синхронізації з міською мережею. До такого інвертора не можна підключити акумулятор. 

 

Застосування: 

 

• Генерація в міську мережу енергії на продаж.

• При підключення спеціального обмежувача генерації більшість моделей  може живити домашні споживачі при підключеній міській мережі.

• При великому тарифі, наприклад, для компаній зменшує витрати на електроенергію при підключенні обмежувача генерації.

• При обмеженні максимальної потужності споживання об'єкта з мережі може збільшити потужність для власного споживання (потрібен обмежувач генерації)

 

  З недоліків такого інвертора головний - інвертор перестає працювати при зникненні міської мережі та відсутність можливості підключити акумулятор.

 

  Серед мережевих інверторів є підкатегорія мікроінверторів (MicroInverter) з однією відмінністю що до мікроінвертору підключаеться не велика кількість сонячних батарей, а одна чи дві.

 

1. Гібридний інвертор (hybrid, grid tie+offline)  - по суті об’єднує в собі всі інші типи інверторів з обов’язковою можливістю генерації в міську мережу. Складається з інвертора, сонячного контроллера MPPT (одного або декількох), входу акумулятора, блоку синхронізації з міською мережею,входу міської мережі AC in (один чи декілька), виходу на навантаження AC out (один чи більше), різних портів обміну даними.

     

Важливо! Часто деякі продавці називають гібридним будь-який інвертор, в якому є вхід від сонячних батарей, але це не вірно.

 

 

Застосування:

а) Генерація в міську мережу енергії на продаж.

б) Економія споживання приватного господарства чи компанії з міської мережі шляхом часткового чи повного споживання електроенергії від сонячних батарей.

 

 Переваги: поєднує в собі всі інші типи інверторів, працює коли є міська мережа і коли міська мережа відключена, деякі моделі можуть працювати навіть без акумулятора, а тільки від сонячних батарей.

З недоліків такого інвертора головний -  що такий інвертор коштує більше за інші типи.

 Отже, для кожної задачі підійде окремий тип інвертора або універсальний гібридний інвертор може замінити будь-який тип інвертора при трохи більшій ціні.

 

5.3. Параметри інвертора

Розглянемо параметри гібридного інвертора 2E XM INFINI 6000VA (2-AC):

Перейти Електронна книга. Сонячна електроенергія для початківців. Частина 2 

Скачать в pdf форматі повну версію книжки "Сонячна електроенергія для початківців. Абетка понять і принципів"