Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

MPPT część 5 - Proste solarne kontrolery ładowania

Poprzedni odcinek zakończyliśmy stwierdzeniem, że w Internecie jest mnóstwo schematów prostych solarnych kontrolerów ładowania, ale po pierwsze przytłaczająca większość jest niegodna uwagi, bo działa w sposób analogowy z dużymi stratami mocy w kontrolerze, a po drugie trudno z tego mnóstwa wyłowić proste, naprawdę wartościowe rozwiązania.
Article Image

Aby dobrze zrozumieć sens dobrych prostych rozwiązań, musimy poczuć i wykorzystać specyficzne właściwości paneli FV. Otóż oświetlony panel FV jest źródłem prądowym, którego prąd jest wprost proporcjonalny do natężenia światła. Źródło prądowe to taki dziwny twór, którego jedynym parametrem jest prąd. Jest „odwrotnością” źródła napięciowego, a na co dzień mamy do czynienia ze źródłami energii o charakterze źródła napięcia, choćby zasilaczami i bateriami. To właśnie zasilacze i baterie ukształtowały naszą intuicję, która zawodzi i wprowadza w błąd przy kontakcie z panelami FV.

Przypomnijmy więc: źródło prądowe wymusza przepływ prądu przez obciążenie i ten prąd, płynąc przez rezystancję obciążenia, wywołuje na niej spadek napięcia U = I * R, co ilustruje rysunek 1a. Prąd jest niezmienny, więc czym większa rezystancja RL, tym na przekór intuicji wyższe jest napięcie (na obciążeniu i na źródle prądowym), a tym samym większa jest moc P = U * I, pobierana ze źródła i przekazywana do obciążenia. To przeczy intuicji opartej na kontaktach ze źródłami napięciowymi, ponieważ:

  • czym większa rezystancja RL, tym większa moc,
  • napięcie nie jest stałe, tylko zależne od rezystancji obciążenia,
  • zwarcie źródła prądowego (RL = 0) nie grozi niczym złym!

Idealne źródło prądowe przy nieskończenie wielkiej rezystancji obciążenia, czyli przy rozwarciu tego źródła, wytworzyłoby napięcie nieskończenie wielkie i dostarczyłoby do takiego obciążenia nieskończenie wielką moc.

Panel FV niewątpliwie jest źródłem prądowym, ale jak wiemy, ogniwo słoneczne to rodzaj fotodiody, zwykle fotodiody krzemowej. Pojedyncze ogniwo zawiera więc diodę krzemową według rysunku 1b. Krzemowa dioda zaczyna przewodzić prąd przy napięciu nieco poniżej 0,6V i nie pozwala na wzrost napięcia powyżej 0,7...0,8V, bo wtedy głównie przez nią płynie wytwarzany fotoprąd.

Panel jest szeregowym połączeniem wielu takich pojedynczych ogniw, więc jego schemat zastępczy według rysunku 1c jest połączeniem źródła prądowego i... diody Zenera o napięcia proporcjonalnym do liczby ogniw. Prąd maksymalny panelu jest wyznaczony przez natężenie oświetlenia (i rozmiary ogniw).

Rys.1 Źródła prądowe

A teraz o ładowaniu... W praktyce często źródła prądowe, w tym panele FV nie współpracują z obciążeniem o charakterze czystej rezystancji, tylko z obciążeniem o specyficznych właściwościach.

Takim specyficznym obciążeniem jest akumulator kwasowy, który podczas ładowania można traktować jako kondensator o niewyobrażalnie dużej pojemności. W praktyce napięcie na akumulatorze mocno wyładowanym jest rzędu 10 woltów, a podczas ładowania rośnie ono pomału stosownie do stopnia naładowania do mniej więcej 15 woltów. W każdym razie ładując mocno rozładowany akumulator kwasowy za pomocą źródła prądowego według rysunku 2a, nie musimy się martwić o napięcie, bo to akumulator zdecyduje, jakie będzie to napięcie. Będzie ono pomału rosło i co istotne, jego wartość będzie też wskaźnikiem naładowania akumulatora.

Gdyby ten akumulator ładować nie za pomocą źródła prądowego, tylko źródła napięciowego (zasilacza o napięciu około 14V) i rezystora ograniczającego prąd według rysunku 2b, to w miarę zwiększania się napięcia akumulatora, prąd ładowania automatycznie by się zmniejszał, praktycznie do zera. Nie ma problemu z napięciem, bo napięcie akumulatora nie przekroczy wartości, jaką ma źródło napięciowe.

Rys.2 Ładowanie rozładowanego akumulatora kwasowego (źródło prądowe i napięciowe)

Natomiast przy ładowaniu za pomocą źródła prądowego według rysunku 2a nie ma ogranicznika napięcia i jest problem: napięcie akumulatora kwasowego pomału, ale nieustannie rośnie, a gdy przekroczy 15V, zaczyna się intensywna elektroliza wody. Energia elektryczna dostarczana do akumulatora jest wtedy zużywana głównie na rozrywanie wiązań chemicznych w cząstkach H2O, wytwarzanie wodoru i tlenu, a to powoduje ubywanie wody.

Trzeba ograniczyć wzrost napięcia akumulatora i tu na podstawie rysunku 1c może przyjść do głowy pomysł, że najprościej zastosować panel FV o takiej liczbie ogniw, żeby jego napięcie nie przeładowało akumulatora. Wtedy zgodnie z rysunkiem 3 napięcie akumulatora byłoby samoczynnie ograniczane przez „wewnętrzną diodę Zenera” panelu. Co Ty na to?

Niestety, taki pomysł jest chybiony, nierealny. Panel FV to szeregowy łańcuch fotodiod krzemowych, z których każda w temperaturze pokojowej daje napięcie maksymalne około 0,67V. Wymagane końcowe napięcie ładowania 12-woltowego akumulatora kwasowego to około 14V, więc potrzebny byłby panel z 21 ogniwami. Ogniwa krzemowe, jak wszystkie diody krzemowe, mają ujemny współczynnik napięcia przewodzenia około –0,35%/°C. Dla jednego ogniwa jest to na pozór niewielka zmiana około –2mV/°C.

Ale napięcie „wbudowanej diody Zenera” panelu zawierającego 21 ogniw będzie mieć współczynnik co najmniej –42mV/°C. Jeżeli na wiosnę i jesienią temperatura panelu będzie rzędu 25 stopni, to „napięcie Zenera” wyniesie około 14V. Ale zimą, przy temperaturze –10°C zwiększy się do około 15,5V, a latem, przy temperaturze panelu około +70 stopni zmniejszy się do około 12,2V. A tymczasem akumulator umieszczony gdzieś w domu, np. w piwnicy, będzie miał niezmienną temperaturę i jego napięcie powinno być niezależne od pory roku. Już to dyskwalifikuje na pozór sprytny pomysł z rysunku 3.

Rys.3 Napięcie akumulatora samoczynnie ograniczane przez „wewnętrzną diodę Zenera” panelu?

Drugim dyskwalifikującym faktem jest to, że do przedstawionych obliczeń musieliśmy wziąć napięcie maksymalne ogniwa FV około 0,67V, występujące tam bez obciążenia, natomiast napięcie dla uzyskania maksymalnej mocy jest niższe, około 0,55V. Wniosek jest prosty: „wewnętrznych diod Zenera” nie można wykorzystać do ograniczenia napięcia na akumulatorze. Potrzebny jest inny ogranicznik, a napięcia tak zwanych paneli 12-woltowych są dużo wyższe od końcowego napięcia ładowania akumulatorów kwasowych.

Aby zapobiec gazowaniu akumulatora kwasowego i „wygotowaniu wody”, potrzebny jest jakiś inny, bardziej precyzyjny ogranicznik, który po prostu wyłączy ładowanie. Tak: wyłączy. Nie musi płynnie zmniejszać prądu. Po prostu całkowicie przerwie ładowanie.

Szczegóły za chwilę, a wcześniej jeden ważny szczegół. Otóż w niektórych opisach instalacji solarnych występują stwierdzenia, że w pewnych sytuacjach przy bardzo silnym słońcu trzeba ograniczyć, zmniejszyć prąd ładowania. NIE! Jeśli rzeczywiście zaszłaby taka konieczność, to znaczy, że instalacja FV jest błędnie zaprojektowana!

Panel FV jest źródłem prądowym, więc nie może dostarczyć prądu o dowolnie dużej wartości. Podawany w katalogu prąd maksymalny (zwarciowy) danego panelu uzyskujemy przy oświetleniu powiedzmy, maksymalnym, jakie w najlepszych warunkach zapewnia Słońce na Ziemi. Większego prądu z panelu FV w naturalnych warunkach nie uzyskamy!

Mając więc panel FV o danym prądzie maksymalnym (ISC), trzeba do niego dobrać taki akumulator (o takiej pojemności), żeby można go było ładować prądem, jaki maksymalnie da ten panel. Czyli trzeba sprawdzić w katalogu danego akumulatora, jaki jest maksymalny prąd ładowania. Dla wielu akumulatorów kwasowych maksymalny prąd ładowania liczbowo jest równy 0,2...0,3 pojemności C. Czyli dla akumulatora o pojemności 60Ah katalogowy maksymalny prąd ładowania mieści się w zakresie 12...18 amperów.

W tak zaprojektowanych systemach FV żadne ograniczniki prądu nie są niezbędne, a regulacja jak najbardziej może polegać po prostu na przerywaniu prądu, co zrealizują proste i ekonomiczne regulatory dwustanowe.

Omawianie prostych wartościowych rozwiązań zacznijmy od dwustanowych kontrolerów szeregowych.

Co to jest serial controller?

Serial controller to sterownik-regulator szeregowy. Nie jest to jednak szeregowy stabilizator liniowy. Otóż panel słoneczny można bezkarnie rozewrzeć według idei z rysunku 4.

Rozwarcie styku S po naładowaniu akumulatora zabezpieczy go przed przeładowaniem, a odłączonemu panelowi FV nic się nie stanie, bo wytwarzany „fotoprąd” popłynie wtedy przez jego wewnętrzną diodę Zenera, co niczym złym nie grozi.

Rozwiązań układowych według tej koncepcji może być wiele. Można zrealizować elektromechaniczne rozwiązanie z przekaźnikiem sterowanym przez jakiś czujnik napięcia akumulatora. Styk przekaźnika na pewno byłby rozwierany, gdy akumulator zostanie w pełni naładowany, ale można też dodać obwód rozwierający ten styk, gdy jest ciemno, gdy panel FV nie pracuje, co pozwoliłoby też pominąć diodę blokującą „cofanie prądu” i związane z nią straty.

Dla polepszenia sprawności można byłoby zastosować przekaźnik bistabilny i obwody elektroniczne pobierające znikomy prąd. Prostsze jest inne rozwiązanie: przekaźnik i elektroniczny sterownik mogą być zasilane od strony panelu, czyli będą pobierać energię tylko wtedy, gdy panel taką energię wytwarza.

Rys.4 Rozwarcie panelu słonecznego

Idea z rysunku 4 jest znakomita, prościutka, ale realizacja wersji z przekaźnikiem, zwłaszcza bistabilnym, już taka prosta nie jest. Jedna sprawa, drobniejsza, to minimalizacja poboru prądu przez układ. Druga, ważniejsza, mniej oczywista, związana jest ze zmiennością warunków atmosferycznych i zmianami wydajności panelu np. wskutek przelotnych chmur w okresach przejściowych. Układ z przekaźnikiem powinien być zrealizowany tak, żeby zmiany stanu przekaźnika nie były zbyt częste, by styki nie wypalały się przy przerywaniu prądu.

Można dyskutować, na ile problem trwałości i wypalania styków jest poważny w takim specyficznym zastosowaniu, w każdym razie problemu częstości przełączania nie ma przy zastosowaniu kluczy w postaci tranzystorów MOSFET. Wtedy trzeba uwzględnić „nocne cofanie prądu” i można wykorzystać albo pojedynczy MOSFET „w odwrotnym kierunku”, albo klucz z dwóch MOSFET-ów, co omawialiśmy wcześniej. W każdym razie nie ma tu regulacji liniowej, tylko dwustanowa załącz/wyłącz. Rysunek 5 pokazuje jeden z nielicznych dwustanowych szeregowych kontrolerów solarnych.

Rys.5 Jeden z nielicznych dwustanowych szeregowych kontrolerów solarnych

Rysunek ten pochodzi ze strony i jest unowocześnieniem wcześniejszej wersji przekaźnikowej.

Obie wersje są niepotrzebnie zbyt mocno rozbudowane. Można znaleźć wersję kontrolera szeregowego z... tyrystorem. Rysunek 6 pokazuje kluczowy fragment schematu. Zastosowanie tyrystora, a właściwie dwóch dla umożliwienia wyłączenia, nie ma zalet, bo po otwarciu występuje na nim spadek napięcia sięgający 1V, co oznacza duże straty.

Rys.6 Wersja kontrolera szeregowego z tyrystorem

Niemniej na stronie można znaleźć szereg innych projektów „solarnych”, w tym wiele kontrolerów, w większości niestety liniowych.

Do kontrolera szeregowego będziemy wracać, ale jeszcze bardziej godna uwagi jest inna zaskakująca koncepcja, zwana shunt controller, co można przetłumaczyć jako sterownik, kontroler bocznikowy, obejściowy, który my celowo będziemy nazywać sterownikiem zwarciowym. Tę zaskakująco prostą koncepcję omówimy w następnym odcinku.

Tematyka materiału: regulatory MPPT, kontrolery solarne
AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich marzec 2020
Udostępnij
UK Logo