Полезная информация

Контроллеры: обзор,сравнение

Солнечная энергия колоссальна – практически всё живое существует на нашей планете благодаря ей. Цивилизация с количеством её членов около 9 млрд, - тоже благодаря ей. Наш комфорт и уровень жизни во многом обусловлен почти бесплатной энергией сконцентрированной в нефти, газе и угле. Без этих природных ископаемых численность населения была бы меньше в разы, а уровень жизни большинства был бы в десятки раз ниже (так и было когда-то).

А что такое нефть, газ и уголь? Это остатки древней органики, накопившейся за предыдущие пару миллиардов лет. И эта органика содержит в себе энергию Солнца за указанный период (она и появилась, концентрируя солнечную энергию). Так что не зря видимо и египтяне и язычники так боготворили Солнце. Ведь Солнце – термоядерный реактор двигателя Организации Материи.

 

Кто-то скажет – это наука развила так технику и производительность труда. И это правильно, именно наука научила цивилизацию использовать бесплатную накопленную энергию природных ископаемых. Вопрос только в том, что будет когда накопленное за 2 млрд закончится? А произойдёт это событие уже в этом столетии… Запас урана для атомных электростанций тоже ограничен, и тоже кончится чуть позже.

Вероятно, конца света всё же не будет. Скорее всего, будет самый серьёзный кризис, будет падение численности населения, падение уровня жизни. Кризис, безусловно, пройдёт, вопрос только как пережить его с меньшими потерями. Учёные подсчитали, что каждый из нас, пользуясь различного рода автоматами на электричестве и на топливе, по уровню жизни примерно соответствует древнеримскому патрицию с 4000 рабов. Но скоро эти виртуальные «рабы» могут исчезнуть…

Немного помочь в этом жизненно важном вопросе, сможет энергетическая независимость. Независимость настоящая, опирающаяся на солнечную (и ветряную) энергию, а не на бензо/дизель/газо- генераторы.

На сегодняшний день, немаловажными факторами являются и экологические стремления и возможность экономить на счётах за электричество.

В этой статье, мы сравним между собой четыре солнечных контроллера премиум класса, выполненных по технологии MPPT

Солнечную энергию можно собрать с помощью солнечных панелей (модулей, батарей). Названий три, но на наш взгляд, «панели», - самое правильное, ведь за рубежом они называются solar panels, а «батареи» обычно бывают либо аккумуляторные (АКБ), либо отопительные.

Собранную энергию надо передать на аккумуляторы с инвертором, с помощью солнечного контроллера. А контроллеры бывают разные…

Для начала, немного о технологии Maximum Power Point Tracking (MPPT) - это автоматический поиск точки максимальной мощности солнечных панелей в реальном времени.

Примитивные MPPT контроллеры появились на рынке ещё в конце 1980-х годов. Сейчас в продаже уже MPPT контроллеры с современной схемотехникой, надежными и долговечными электронными компонентами и с управлением микропроцессором.

Простые солнечные контроллеры (без технологии MPPT) подключают солнечные панели к аккумулятору практически напрямую, и поэтому напряжение их сравнивается. В реальности же, оптимальное напряжение солнечной панели в солнечную погоду всегда выше напряжения на аккумуляторе, а в пасмурную - ниже. Таким образом, можно с запасом, заведомо увеличить напряжение от солнечных панелей по сравнению с АКБ, соединив их последовательно. Тогда, в пасмурную погоду напряжение солнечных панелей будет всё ещё выше АКБ, а в солнечную – намного выше. Задачу преобразования меняющегося в широком диапазоне входного напряжения и тока, в подходящие для АКБ величины, и выполняет МРРТ контроллер.

Технология MPPT представляет собой наиболее эффективную технологию современных контроллеров заряда. Вычисление максимальной точки эффективности заряда от солнечных панелей, позволяет повысить КПД использования солнечной энергии до 20-30% по сравнению с обычными PWM (ШИМ) солнечными контроллерами. Однако MPPT солнечные контроллеры существенно дороже обычных PWM (ШИМ). Поэтому, недостаток эффективности систем с обычным солнечным контроллером в маломощных системах (если установлено солнечных панелей менее 300 – 400 Вт), можно компенсировать, приобретя на разницу в цене между контроллерами, лишнюю солнечную панель. В случае же если установлены солнечные панели от 400 Вт и более, необходим только солнечный контроллер с технологией MPPT.

Этапы зарядки МРРТ контроллера идентичны этапам зарядки контроллера с PWM (ШИМ). Но МРРТ контроллеры, как писалось выше, являются ещё и преобразователями более высокого напряжения солнечных панелей в более низкое, которое необходимо аккумуляторам (АКБ). А если собрать солнечные панели так, чтобы их общее номинальное напряжение было в 1,5 – 2 раза выше чем напряжение на АКБ, то это позволит солнечному МРРТ контроллеру работать максимально эффективно и получать небольшую энергию даже в пасмурную погоду. Некоторые контроллеры позволяют наращивать входное напряжение ещё выше, что особенно полезно, если солнечные панели находятся на большом удалении (более 20 м). Передача энергии с высоким напряжением позволяет уменьшить её потери. Или, можно увеличивать площадь сечения медных проводов, но этот путь дорогостоящий и не всегда возможен.

 

График мощности 12-и вольтовой солнечной панели, при 100% освещённости

Этапы зарядки МРРТ контроллера идентичны этапам зарядки контроллера с PWM (ШИМ). Но МРРТ контроллеры, как писалось выше, являются ещё и преобразователями более высокого напряжения солнечных панелей в более низкое, которое необходимо аккумуляторам (АКБ). А если собрать солнечные панели так, чтобы их общее номинальное напряжение было в 1,5 – 2 раза выше чем напряжение на АКБ, то это позволит солнечному МРРТ контроллеру работать максимально эффективно и получать небольшую энергию даже в пасмурную погоду.

Из графика видно, что точка максимальной мощности 12-и вольтовой солнечной панели находится в районе 17 В. Обычный PWM (ШИМ) контроллер работает в диапазоне напряжений солнечной панели в соответствии с допусками аккумуляторов 10,5 – 14,5 В (ниже и выше АКБ портятся).

Солнечные панели по своей сути, это гигантский транзистор, и работают они как источник постоянного тока. Это означает, что ток почти не изменится и при их коротком замыкании (КЗ) и при почти любой нагрузке/напряжении, вплоть до полного снятия нагрузки (разомкнутой цепи) – см. зелёную линию на графике.

Предположим, что на этом графике изображена солнечная панель 12 В 100 Вт. Тогда в точке Ток КЗ панели (её выводы замкнуты между собой и поэтому напряжение на них 0 В) и вплоть до примерно 15 В, ток будет порядка 6,5 А, а в точке максимальной мощности (MPPT заряд) – около 6 А.

Тогда мощность при заряде от PWM (ШИМ) контроллера будет меняться, по мере заряда АКБ, от 65 Вт до 94 Вт (считаем: 6,5 А*10 В = 65 Вт; 6,5 А*14,5 В = 94 Вт). Мощность же забираемая MPPT-контроллером будет всегда (при солнце) 6 А * 17 В = 102 Вт.

Если солнечные панели соединять последовательно на большее напряжение, обеспечивая его запас, то добавится эффективность использования в пасмурную погоду (и хотя отдача в это время будет низкой – лучше хоть что-то, чем ничего). Кроме того, из-за высокого напряжения уменьшатся потери на проводах от солнечных панелей.

Основные преимущества контролеров MPPT по сравнению с PWM (ШИМ) контроллерами:

  • высокий КПД/эффективность;
  • оптимальная работа при затенении части площади солнечных панелей;
  • повышенная отдача при слабой освещенности и при облачной погоде;
  • повышенная отдача при повышении температуры солнечного модуля (что ведет к снижению его мощности), и при отрицательных температурах воздуха (что, соответственно, ведёт к увеличению мощности);
  • использование более высокого входного напряжения, позволяет уменьшить сечение кабелей;
  • позволяет увеличить дистанцию от панелей до контроллера.

МРРТ контроллеры очень эффективны, КПД преобразования обычно 97 – 98 %.

Солнечные МРРТ контроллеры премиум-класса отличаются от более дешевых МРРТ контроллеров:

  • Большей мощностью.
  • Высоким качеством и надёжностью.
  • Наличием электронного табло, на котором отображаются все параметры и настройки.
  • Высоким допустимым входным диапазоном напряжений (обычно до 150 В).
  • Автоматическим выбором напряжений установленных АКБ (обычно от 12 до 48 В).
  • Наличием контроля других потребителей энергии АКБ.
  • Ведением статистики и др.

Серьёзные системы собираются с АКБ, соединёнными на 48 В, и на это напряжение, дешёвые контроллеры MPPT почти не встречаются.

Кратко опишем наших испытуемых. В рекламе приводится масса параметров, большая часть которых одинакова для всех солнечных MPPT-контроллеров премиум-класса. Поэтому мы остановимся только на отличиях.

Внешний вид, удобство подключения, ключевые отличия.

1. ECO Энергия МРРТ Pro 200/100

ECO Энергия – это первая российская разработка солнечного MPPT-контроллера премиум-класса. Контроллер разработан компанией МикроАРТ (ещё в далёком 1999 г, она разработала первый российский инвертор МАП «Энергия», превратившийся сегодня в инвертор самого высокого мирового уровня МАП SINE HYBRID).

Габариты повнушительней, чем у других испытуемых, но больше и мощность контроллера. Самый большой выходной ток, и при этом отсутствуют вентиляторы. Последнее придаёт абсолютную бесшумность работы и существенно повышает долговечность и безотказность устройства. Видно, что разработчики не пожалели алюминия на огромные радиаторы по бокам корпуса. О вкусах не спорят, но ECO Энергия, пожалуй, один из самых красивых контроллеров – строгие черные массивные радиаторы с тёмно-серой передней панелью внушают уважение. Вообще, стилистика и цветовое оформление, совпадают с инвертором МАП SINE Энергия (тоже производимым МикроАРТ). Цифровое табло русскоязычное. Разработка самая свежая из испытуемых (2013 г.)

Типовая схема подключения:

 

Ключевые преимущества:

  • Высокое быстродействие, а следовательно эффективность выше до 10%(по сравнению с другими МРРТ контроллерами) и до 40% по сравнению с ШИМ (PWM) контроллерами.
  • Допустимое напряжение на входе контроллера до 200 В (или до 250 В - зависит от модификации), - а значит, массив солнечных панелей, можно соединять из последовательных цепочек до 3-х (или до 4-х) солнечных панелей с номиналом 24 В (напряжение открытой цепи каждой из них (без нагрузки) может достигать 45 В при температуре +25С, что в сумме 3*45 = 135 В, или 4*45 = 180 В. Но зимой или в холодные дни, это напряжение может достигать 55В(!) поэтому ставить большее количество панелей последовательно опасно). Очень важно чтобы солнечные панели работали и в пасмурную погоду, для чего необходимо обеспечить особые условия. Для этого нужно соединить их так чтобы их общее напряжение было высоким. Тогда и при затенении облаками, всё равно напряжение от них будет достаточно высокое для заряда аккумуляторов (АКБ). Дальнейшее наращивание напряжения массива солнечных панелей (300 В и более) обычно нецелесообразно, т.к. ведёт к существенному уменьшению КПД контроллера и монтаж панелей становится всё более опасным для жизни (постоянное напряжение особо опасно уже начиная от 100 В).
  • Два датчика тока на основе датчика Холла (что намного лучше измерительного шунта) для контроля заряда/разряда от другого устройства (например, от ветрогенератора, и/или от инвертора) – опционально.
  • Благодаря датчикам токов, имеется возможность работать в паре с гибридным инвертором на промышленную сеть 220 В (мгновенное добавление по необходимости тока, в том числе больше чем разрешено для заряда АКБ, минуя АКБ – хотя минимальные аккумуляторы поставить всё же необходимо).
    Это касается и любых обычных инверторов – добавление мощности от СП в нагрузку без расходования АКБ.
    Последнее очень важно - энергия может идти транзитом, АКБ не расходуются, а значит, служат десятилетиями.
  • Наличие собственного трансформаторного источника питания от солнечных панелей, что позволяет питать контроллер вне зависимости от состояния АКБ. (Работа возможна даже при полностью разряженной АКБ).
  • Счетчик входящих А*ч/Вт*ч
  • Возможность обновления встроенного программного обеспечения
  • Контроллер, кроме напряжений АКБ 12/24/48/96 В позволяет вручную установить любые нестандартные напряжения для работы с АКБ. Полезно для работы с нестандартными щелочными АКБ, или с нестандартным количеством банок АКБ.
  • Рекордный ток (до 100 А или до 60 А в зависимости от модификации) и возможность работы с системами на 96 В, позволяют получить рекордную мощность от одного контроллера: до 11 кВт (ток 100 А умножается на буферное напряжение АКБ - 110 В).
  • Возможность подключения литий-железо-фосфатных (LiFePO4) аккумуляторных батарей с BMS. Контроллер сам управляет BMS или, при необходимости, автоматически передаёт управление ими инвертору МАП (контроллер соединяется дополнительным кабелем с МАП, а в последнем, тоже обеспечена возможность управления BMS).
  • Три программируемых мощных реле управления внешними устройствами (например, в условиях полной автономии от электросетей, для экономии энергии, можно холодильник на ночь автоматически отключать, держа в морозилке побольше льда). В отличие от конкурентов, в ECO Энергия МРРТ Pro установлены мощные реле на 3,5 кВт - 240 В 16 А (т.е. можно подключать, к примеру, холодильник, сразу через контроллер, без всяких добавочных реле). Чаще всего эти реле используют для генерации сигнала тревоги и/или запуска генератора, но последние тенденции (особенно для автономии) – увеличение массива солнечных панелей, а не аккумуляторов, и коммутация различных устройств использующих 220 В (холодильники, бойлеры, кондиционеры, обогреватели и др.) для автоматического перевода их на питания на светлое время суток. Ведь солнечные панели испортить почти невозможно, и служат они на порядок дольше, чем аккумуляторы.

Подробнее см. здесь

Недостатки:

  • На данный момент времени, ещё не написано ПО, позволяющее наращивать мощность системы, для запараллеливания нескольких солнечных контроллеров (для заряда одного массива АКБ).

* - примечание: на 12.12.2013 данное ПО уже написано контроллеры можно подключать параллельно.

2. Victron BlueSolar Charge Controller MPPT 150/70

Одна из самых свежих разработок, сделана добротно и надёжно. Оригинальный дисплей с синей подсветкой. Один минус – надписи блеклые, приходится всматриваться. Вентиляторы отсутствуют.

 

Ключевые преимущества:

  • Самое высокое быстродействие на сегодня, а следовательно эффективность выше до 10%.
  • Усовершенствованный поиск точки максимальной мощности, если происходит частичное затемнение солнечных панелей.
  • Одно программируемое реле управления внешними устройствами средней мощности до 900 Вт (240 В 4 А) и два маломощных низковольтовых. К сожалению, подключить через это реле напрямую холодильник или калорифер нельзя (у первого пуск 1,5 кВт, а второй обычно потребляет 1 – 3 кВт).

Недостатки:

  • Нет внешних датчиков тока от других устройств.

3. Morningstar TriStar MPPT 60А

Давно известный контроллер. Проверен временем. Отличается относительно небольшими габаритами, при этом обходится без вентиляторов охлаждения. Обычно продавцы указывают цену на этот контроллер без табло. Но табло необходимая вещь и во всех других контроллерах оно включено и в поставку и в цену по умолчанию. Просто этот контроллер был разработан относительно давно и тогда, стоил очень дорого. Вот его и «разрезали» на части. Сейчас так уже никто не делает.

+ =

Ключевые преимущества:

  • Имеется встроенный Web-сервер, Ethernet.

Недостатки:

  • Нет программируемых реле управления внешними устройствами.
  • Нет внешних датчиков тока.

4. Prosolar SunStar MPPT SS-50C

Открывающаяся дверца спереди, напоминает о электрошкафах, благодаря ей доступ к внутренностям облегчён. Внешний вид немного портит смешённая вправо панель управления с табло.

Надёжность контроллера высокая, но была бы ещё выше, если бы не было встроенного вентилятора. Если в мощных инверторах обойтись без вентиляторов нельзя, то в солнечных контроллерах это вполне возможно. Жаль, что разработчики не смогли от него отказаться (вероятно, для удешевления продукта).

Ключевые преимущества:

  • Один датчик тока (на основе измерительного шунта), для контроля заряда/разряда от другого устройства (например, от инвертора) – опционально. Возможность показывать остаточную ёмкость аккумуляторов выраженную в %.
  • Два программируемых низковольтовых маломощных реле управления внешними устройствами (50 В 3 А постоянного тока).

Недостатки:

  • Нет коммутационного порта для связи с компьютером.
  • Наличие встроенного вентилятора.
  • Идущий опционально шунт, это элемент ненадёжности (лишние болтовые контакты в сильноточных цепях, сам шунт это оголённый и греющийся проводник).

 

 

Продолжение статьи