Схема подключения солнечных батарей: к контроллеру, к аккумулятору и обслуживаемым системам

Типы фотоэлементов

Состоят солнечные батареи из нескольких панелей, оснащенных фотоэлементами, которые встречаются различных типов и размеров:

Компактные монокристаллические, состоящие из множества ячеек, отличаются малым весом, но в пасмурную погоду энергии для загородного дома вырабатывают немного.

С предыдущими похожи по составу поликристаллические панели, менее зависящие от направления солнечных лучей, поскольку, направлены кристаллы в разные стороны, благодаря чему лучей улавливают больше.

При одинаковых характеристиках, следующий вид панелей – тонкопленочный, потребует для установки в доме большей площади. Они напоминают пленку, натягивать которую можно в любом месте, меньше стоят, менее зависимы от облачности (потери составляют всего до 20%), но эффективность их снижается при запыленности.

Используют солнечные батареи и тогда, когда возможность подключиться к обычной сети отсутствует. Устанавливать непривередливые источники можно на балконе, на крыше или прямо на загородном участке.

Другими словами, поверхность элементов направлена должна быть на юг, чтобы на нее попадало максимальное количество лучей. Угол наклона составлять должен 90 градусов. Чтобы работала система солнечных батарей для дома на максимальную мощность, ее расположение рекомендуется менять летом и зимой.

Еще необходимо помнить о том, что с низкими температурами фотоэлементы контактировать не должны. Поэтому, конструкции не устанавливают прямо на землю, а закрепляют в четырех точках на высоте 50 см.

Крепить фотоэлементы во избежание повреждения рекомендуется на длинной стороне, индивидуально выбрав способ: болты (крепятся через отверстия рамки), фиксаторы и пр.

Видео: Как подключить солнечную батарею к аккумулятору

На картинке ниже представлен комплект электростанции, состоящий из таких устройств:

1. Поглощающих естественный свет элементов, которые преобразуют его в электрическую энергию, т.е. солнечные батареи.
2. Панели подсоединяются к прибору, контролирующему уровень запасенного электричества, называемому контроллером, соединенным с АКБ. Он следит за напряжением аккумулятора: при перезарядке аккумулятора в дневное время (14 Вольтах на клеммах), он автоматически отключает зарядку, а ночью, в случае разряда, т.е. предельно низкого напряжения в 11 Вольт, прекращает работу электростанции.
3. Накопитель сгенерированной энергии – аккумулятор.
4. Инвертор предназначен для изменения типа тока с постоянного на переменный, нужный для работы электрооборудования в загородном доме, бытовой техники, освещения. Для всех приборов придется выделить место.

Для защиты от короткого замыкания рекомендуется в схему подключения добавить между всеми перечисленными устройствами предохранители.

Схема выглядит в простейшем случае следующим образом:

Никаких сложностей, как видно, с такой схемой подключения нет. Основное – соблюдение полярности и правильное соединение штекеров (в соответствующий разъем). Если же желают использовать солнечную энергию в загородном доме одновременно со стационарной сетью, схема подключения будет выглядеть по-иному:

Нагрузка, резервируемая в этом случае, это холодильник, котел или аварийное освещение. Под нерезервируемой понимается свет в помещении, бытовая техника и пр. Электроприборы в автономном режиме работают тем дольше, чем большую емкость имеет аккумулятор. Разобравшись с тем, как работает схема подключения, нужно понять, как соединить панели между собой.

Рекомендуем:

• Солнечная батарея своими руками
• Солнечная батарея своими руками дома: инструкция
• Фонтан на солнечных батареях преимущества и недостатки

Варианты соединения гелиобатарей

Солнечные батареи состоят из нескольких отдельных панелей. Чтобы увеличить выходные параметры системы в виде мощности, напряжения и тока, элементы присоединяют друг к другу, применяя законы физики.

Соединение нескольких панелей между собой можно выполнить, применив одну из трех схем монтажа солнечных батарей:

• параллельная;
• последовательная;
• смешанная.

Параллельная схема предполагает подключение одноименных клемм друг к другу, при котором элементы имеют два общих узла схождения проводников и их разветвления.

При параллельной схеме «плюсы» соединяются с «плюсами», а «минусы» с «минусами», в результате чего выходной ток увеличивается, а напряжение на выходе остается в пределах 12 Вольт

Величина максимально возможного тока на выходе при параллельной схеме прямо пропорциональна количеству подключенных элементов. Принципы расчета количества приведены в рекомендуемой нами статье.

Последовательная схема предполагает подключение противоположных полюсов: «плюс» первой панели к «минусу» второй. Оставшийся незадействованный «плюс» второй панели и «минус» первой батареи подключают к расположенному дальше по схеме контроллеру.

Такой вид соединения создает условия для протекания электрического тока, при котором остается единственный путь для передачи энергоносителя от источника к потребителю.

При последовательной схеме подключения напряжение на выходе увеличивается и достигает отметки в 24 Вольт, чего бывает достаточно для запитки портативной техники, светодиодных ламп и некоторых электроприемников

Последовательно-параллельную или смешанную схему чаще всего используют при необходимости соединения нескольких групп батарей. Посредством применения этой схемы на выходе можно увеличить и напряжение и ток.

При последовательно-параллельной схеме подключения напряжение на выходе достигает отметки, характеристики которой наиболее подходят для решения основной массы бытовых задач

Такой вариант выгоден и в том плане, что в случае выхода из строя одного из конструктивных элементов системы, другие связующие цепи продолжают функционировать. Это существенно повышает надежность работы всей системы.

Галерея изображений

Фото из

Соединение ячеек солнечной батареи

Количество панелей в зависимости от потребностей

Последовательное соединение солнечных приборов

Прямое подключение к приборам освещения

Принцип сборки комбинированной схемы построен на том, что устройства внутри каждой группы соединяются параллельно. А подключение всех групп в одну цепь осуществляется последовательно.

Комбинируя разные типы соединений, не составит труда собрать батарею с необходимыми параметрами. Главное – число соединенных элементов должно быть таким, чтобы подводимое к аккумуляторам рабочее напряжение с учетом его падения в зарядной цепи превышало напряжение самих аккумуляторов, а нагрузочный ток батареи при этом обеспечивал необходимую величину зарядного тока.

Настройка схемы

Перед началом настройки временно разорвите цепь выхода компаратора U1-2.

Вместо термистора подключите сопротивление 8.2 кОм, примерно равное сопротивлению 10-килоомного термистора при температуре 25 градусов Цельсия. Если вы не планируете использовать термокомпенсацию точки максимальной мощности, или расстояние от панели до контроллера больше 2 метров, резисторы R15, R17 и термистор R16 могут быть удалены без ущерба для работоспособности схемы. При этом резистор R4 подключается к плюсовой шине.

Операции настойки выполняются в следующей последовательности:

1. Подключите к выходу контроллера заряженную примерно на 50-60% аккумуляторную батарею небольшой мощности, например 7 А·ч от источника бесперебойного питания. Как правило, такие аккумуляторы есть в арсенале мастера.
2. Проверьте наличие опорного напряжения 8 В. 
3. Подключите к входу контроллера регулируемый источник 10-24 В с током до 2 А через сопротивление 5 Ом, имитируя подключение солнечной батареи.
4. Медленно поднимая напряжение, контролируйте состояние выхода компаратора U1-1. Если при напряжении, равном номинальному напряжению панели, например 17.2 В, с которой будет использоваться контроллер, на выходе U1-1 все еще будет высокий потенциал, регулируем R5 до возникновения автоколебаний. 
5. Далее контролируя напряжение на конденсаторе С1 и увеличивая входное напряжение, убеждаемся, что напряжение на конденсаторе С1 остается неизменным и равным номинальному напряжению солнечной панели. При помощи осциллографа убедитесь, что форма сигнала на стоке Q3 близка к показанной на Рисунке 3. 
6. Напряжение на аккумуляторе начнет расти. Когда оно достигнет 14.5 В, прекратите настройку, отключите аккумулятор и источник питания. Восстановите соединение выхода компаратора U1-2 с элементами схемы. 
7. Подключите аккумулятор и источник питания. Если форма импульсов изменилась, и ток заряда резко упал, регулируйте R10 до тех пор, пока изменение ограничения зарядного тока не будет наступать при напряжении на заряжаемом аккумуляторе 14.4 В.

Рисунок 3.	Форма сигнала на стоке MOSFET Q3.

На этом настройка может считаться законченной.

Защитные автоматы

В цепи солнечной электростанции, как и в цепи любого другого мощного источника электроэнергии, необходимо ставить защиту от коротких замыканий. В первую очередь автоматы или плавкие вставки должны защищать силовые кабели, идущие от аккумуляторных батарей к инвертору.

Leo2 Пользователь FORUMHOUSE

Если замкнет что в инверторе, то так и до пожара недалеко. Одно из требований к аккумуляторным системам – наличие автомата DC или плавкой вставки как минимум на одном из проводов и как можно ближе к клеммам аккумулятора.

Помимо этого, защита ставится в цепь аккумулятора и контроллера. Не стоит также пренебрегать защитой отдельных групп потребителей (потребителей постоянного тока, бытовых приборов и т. д.). Но это уже правило построения любой системы электроснабжения.

Автомат, устанавливаемый между аккумулятором и контроллером, должен иметь большой запас по току осечки. Иными словами, защита не должна сработать случайно (при увеличении нагрузки). Причина: если на ввод контроллера подается напряжение (от СБ), то в этот момент от него нельзя отключать аккумулятор. Это может привести к выходу устройства из строя.

Расчёт мощности солнечных батарей

Чтобы рассчитать необходимую мощность солнечных батарей нужно знать сколько энергии вы потребляете. Например если ваше потребление энергии составляет 100 кВт*ч в месяц (показания можно посмотреть по счётчику электроэнергии), то соответственно вам нужно чтобы солнечные панели вырабатывали такое количество энергии.

При падении солнца под углами мощность и выработка электроэнергии заметно падает, и чем острее угол падения солнечных лучей тем падение мощности больше. В пасмурную погоду мощность солнечных батарей падает в 15-20 раз, даже при лёгких облачках и дымке мощность солнечных батарей падает в 2-3 раза, и это всё надо учитывать.

При расчёте лучше брать рабочее время, при котором солнечные батареи работают почти на всю мощность, равным 7 часов, это с 9 утра до 4 часов вечера. Панели конечно летом будут работать от рассвета до заката, но утром и вечером выработка будет совсем небольшая, по объёму всего 20-30% от общей дневной выработки, а 70% энергии будет вырабатываться в интервале с 9 до 16 часов. Таким образом массив панелей мощностью 1 кВт (1000 ватт) за летний солнечный день выдаст за период с 9-ти до 16-ти часов 7 кВт*ч электроэнергии, и 210 кВт*ч в месяц. Плюс ещё 3 кВт (30%) за утро и вечер, но пускай это будет запасом так-как возможна переменная облачность. И панели у нас установлены стационарно, и угол падения солнечных лучей изменяется, от этого естественно панели не будут выдавать свою мощность на 100%. Я думаю понятно что если массив панелей будет на 2 кВт, то выработка энергии будет 420 кВт*ч в месяц. А если будет одна панелька на 100 ватт, то в день она будет давать всего 700 ватт*ч энергии, а в месяц 21 кВт.

Неплохо иметь 210 кВт*ч в месяц с массива мощностью всего 1кВт, но здесь не всё так просто. Во-первых не бывает такого что все 30 дней в месяце солнечные, поэтому надо посмотреть архив погоды по региону и узнать сколько примерно пасмурных дней по месяцам. В итоге наверно 5-6 дней точно будут пасмурные, когда солнечные панели и половины электроэнергии не будут вырабатывать. Значит можно смело вычеркнуть 4 дня, и получится уже не 210кВт*ч, а 186кВт*ч. Так-же нужно понимать что весной и осенью световой день короче и облачных дней значительно больше, поэтому если вы хотите пользоваться солнечной энергией с марта по октябрь, то нужно увеличить массив солнечных батарей на 30-50% в зависимости от конкретного региона.

Угол наклона панелей зависит от места расположения электростанции

Но это ещё не всё, также есть серьёзные потери в аккумуляторах, и в преобразователей (инверторе), которые тоже надо учитывать, об этом далее. Про зиму я пока говорить не буду так-как это время совсем плачевное по выработке электроэнергии, и тут когда неделями нет солнца, уже никакой массив солнечных батарей не поможет, и нужно будет или питаться от сети в такие периоды, или ставить бензогенератор. Хорошо помогает также установка ветрогенератора, зимой он становится основным источником выработки электроэнергии, но если конечно в вашем регионе ветренные зимы, и ветрогенератор достаточной мощности.

Устройство солнечной батареи

Батарея состоит из модулей, объединяющих последовательно соединенные полупроводниковые фотоэлементы. Большинство фотоэлементов производится из кремния. Ячейки панелей используют фотогальванический эффект – ток образуется во время освещения полупроводника или диэлектрика. Либо ток образуется электродвижущей силой при разомкнутой цепи на освещаемом образце. Фотогальванические элементы заключены в корпус. Верхняя часть батареи покрыта стеклом, через которое проникают фотоны света. Так же стекло защищает от вредных воздействий элементы батареи. Крышка с креплением из пластика надежно закрывает заднюю часть модуля батареи. Чтобы достичь необходимого соотношения напряжения и силы тока соединение модулей производится последовательно и параллельно. Передача энергии от солнечных батарей конечному потребителю производится через инверторы напряжения. Преобразованная энергия хранится в батареях.

Советы специалистов по обслуживанию АКБ для солнечных панелей

Если солнечная батарея установлена для приборов, работающих на 12 вольт, то необходимость подключения инвертора отсутствует. Для самостоятельного подключения солнечной системы существуют специальные системы, включающие полный комплект необходимых приборов, так исключается вероятность их несовместимости.

Диагностика – важный этап в долговечности солнечных систем

Рекомендуется раз в год проводить полную диагностику АКБ к солнечным батареям. Иногда пользователь сам решает проверить работоспособность оборудования. Причиной может быть повышенный режим эксплуатации или явные проблемы в работе системы.

Специалисты рекомендуют диагностировать батареи обратившись к специалистам, ведь для проверки многих показателей потребуется специальное оборудование. Таким образом получится выявить:

• проблемы с емкостью;
• допущенные ошибки при установке инвертора и превышение нагрузок;
• повреждение проводов и соединений;
• загрязнения внутри устройств системы.

Каждый из этих показателей способен значительно снизить работоспособность системы, а также вывести из строя оборудование.

Приобрести и установить аккумуляторы для солнечных батарей не сложно

Важно правильно подобрать оборудование, с учетом всех необходимых характеристик и выполнить грамотно соединение всех комплектующих системы. Качественные и емкие аккумуляторы помогут получать достаточно электричества для всех приборов домашнего хозяйства

Особенности подключения

1. Солнечная панель.
2. Устройство, которое контролирует заряд.
3. Аккумулятор.
4. Инвертор.
5. Электрическая сеть дома.

Обязательно в эту схему входят предохранители от короткого замыкания и лампочка, которая показывает уровень нагрузки. Предохранители устанавливаются на провода с положительным зарядом перед аккумулятором, лампочкой, инвертором.

Лампочку и аккумуляторы подключают к контроллеру заряда.

Эта схема предусматривает наличие одной солнечной панели или нескольких, работающих с одинаковой нагрузкой.

Эффективность солнечных батарей, размещенных под углом, который отличается от угла наклона других, будет выше. В результате производимый ими ток пойдет не только к общему контроллеру, но и к менее производительным панелям. Это приведет к нагреву и падению производительности. Поэтому не все приборы смогут работать.

Контроллеры для солнечных батарей

Электронный модуль, называемый контроллером для солнечной батареи, предназначен выполнять целый ряд контрольных функций в процессе заряда/разряда аккумулятора, сохраняющего энергию солнечной батареи.

Такой выглядит одна из многочисленных существующих моделей контроллеров заряда для солнечной батареи. Этот модуль относится к числу разработок типа PWM

Когда на поверхность солнечной панели, установленной, к примеру, на крыше дома, падает солнечный свет, фотоэлементами устройства этот свет преобразуется в электрический ток.

Полученная энергия, по сути, могла бы подаваться непосредственно на аккумулятор-накопитель. Однако процесс зарядки/разрядки АКБ имеет свои тонкости (определённые уровни токов и напряжений). Если пренебречь этими тонкостями, АКБ за короткий срок эксплуатации попросту выйдет из строя. Чтобы не иметь таких грустных последствий, предназначен модуль, именуемый контроллером заряда для солнечной батареи.

Помимо контроля уровня заряда аккумулятора, модуль также отслеживает потребление энергии. В зависимости от степени разряда, схемой контроллера заряда аккумулятора от солнечной батареи регулируется и устанавливается уровень тока, необходимый для начального и последующего заряда.

В зависимости от мощности контроллера заряда аккумуляторных батарей солнечной энергетической установки, конструкции этих устройств могут иметь самую разную конфигурацию

В общем, если говорить простым языком, модуль обеспечивает беззаботную «жизнь» для АКБ, что периодически накапливает и отдаёт энергию устройствам-потребителям.

Схема подключения модуля

Клик для увеличения схемы

После снятия задней стенки можно получить доступ к печатной плате устройства.

В качестве аккумулятора была выбрана батарея 12 В емкостью 1,2 А/ч, потому, что она у автора была. На самом деле в ясный солнечный день панель сможет зарядить 2-3 таких аккумулятора. Для уменьшения опасности короткого замыкания в цепь аккумулятора включен плавкий предохранитель. Для недопущения разряда аккумулятора через солнечную панель при малом освещении последовательно с панель включен диод Шотки типа IN5817. Когда аккумулятор полностью заряжен ток, отбираемый от солнечной батареи, составляет около 50 мА, при напряжении 19 В.

В качестве тестовой нагрузки использована самодельная светодиодная фитолампа на 4-х последовательно включенных фитосветодиода мощностью 1 Вт, последовательно со светодиодами включен резистор типа МЛТ-2, сопротивлением 30 Ом. При напряжении 12,6 В, ток потребляемый лампой составит около 60 мА. Таким образом аккумулятор на 1,2 А*ч позволяет питать эту лампу около 20 часов.

В целом собранная автономная конструкция оказалась вполне работоспособной с технической точки зрения. Но с экономической точки зрения, учитывая стоимость солнечной батареи, аккумулятора и блока управления картина получается безрадостной. Солнечная батарея стоит 2700 р, аккумулятор 12 В 1,2 А/ч стоит около 500 р, блок управления 400 р. Так же автор пробовал использовать два последовательно включенных аккумулятора 6 В 12 А/ч (они будут иметь стоимость около 3000 р), такой аккумулятор у автора заряжается за 3-4 солнечных дня, при этом ток зарядки доходит до 270 мА.

Общая стоимость использованного оборудования в минимальной комплектации 3600 р. Как несложно видеть, данная фитолампа потребляет около 0,8 Вт. При тарифе 3,5 р за 1 кВт/ч, лампа должна работать от сети при КПД источника питания 50%, около 640000 ч или 73 года только для того, что бы можно было оправдать затраты на оборудование. При этом за такой промежуток времени, несомненно, придется несколько раз полностью сменить оборудование, деградацию аккумулятора и фотоэлементов ни кто не отменял.

2 Структурные схемы контроллеров

Принципиальные схемы контроллеров PWM и MPPT для рассмотрения их обывательским взглядом – это слишком сложный момент, сопряжённый с тонким пониманием электроники. Поэтому логично рассмотреть лишь структурные схемы. Такой подход понятен широкому кругу лиц.

2.1 Вариант #1 – устройства PWM

Напряжение от солнечной панели по двум проводникам (плюсовой и минусовой) приходит на стабилизирующий элемент и  разделительную резистивную цепочку. За счёт этого куска схемы получают выравнивание потенциалов входного напряжения и в какой-то степени организуют защиту входа контроллера от превышения границы напряжения входа.

Здесь следует подчеркнуть: каждая отдельно взятая модель аппарата имеет конкретную границу по напряжению входа (указано в документации).Так примерно выглядит структурная схема устройств, выполненных на базе PWM технологий. Для эксплуатации в составе небольших бытовых станций такой схемный подход обеспечивает вполне достаточную эффективность

Далее напряжение и ток ограничиваются до необходимой величины силовыми транзисторами. Эти компоненты схемы, в свою очередь, управляются чипом контроллера через микросхему драйвера. В результате на выходе пары силовых транзисторов устанавливается нормальное значение напряжения и тока для аккумулятора.

Также в схеме присутствует датчик температуры и драйвер, управляющий силовым транзистором, которым регулируется мощность нагрузки (защита от глубокой разрядки АКБ). Датчиком температуры контролируется состояние нагрева важных элементов контроллера PWM.

Обычно уровень температуры внутри корпуса или на радиаторах силовых транзисторов. Если температура выходит за границы установленной в настройках, прибор отключает все линии активного питания.

2.2 Вариант #2 – приборы MPPT

Сложность схемы в данном случае обусловлена её дополнением целым рядом элементов, которые выстраивают необходимый алгоритм контроля более тщательно, исходя из условий работы.

Уровни напряжения и тока отслеживаются и сравниваются схемами компараторов, а по результатам сравнения определяется максимум мощности по выходу.Схемное решение в структурном виде для контроллеров заряда, основанных на технологиях MPPT. Здесь уже отмечается более сложный алгоритм контроля и управления периферийными устройствами

Главное отличие этого вида контроллеров от приборов PWM в том, что они способны подстраивать энергетический солнечный модуль на максимум мощности независимо от погодных условий.

Схемой таких устройств реализуются несколько методов контроля:

• возмущения и наблюдения;
• возрастающей проводимости;
• токовой развёртки;
• постоянного напряжения.

А в конечном отрезке общего действия применяется ещё алгоритм сравнения всех этих методов.