Схема солнечные батареи контроллер инвертор

Дешёвая энергия: солнечная батарея своими руками

Главная страница » Дешёвая энергия: солнечная батарея своими руками

Солнечная энергетика быстро набирает популярность в обществе. Процент интереса к солнечным панелям стремительно увеличивается за счёт владельцев загородных домов, коттеджей, вилл. Не остаются в стороне и владельцы дачных хозяйств, для кого дешёвая энергия солнца также необходима. Вариант — солнечная батарея, обещает существенное снижение расходов на содержание любой недвижимости. Счета на оплату за потребление электрической энергии традиционно входят в книгу рекордов Гиннеса. А тут — электрический ток практически даром. Так ли это в действительности? Рассмотрим тему.

Определение солнечной батареи

Конструктивно солнечная батарея представляет собой схему преобразователя одного вида энергии в другой. В частности, энергия света преобразуется в электрическую энергию. Причём результатом преобразования становится электрический ток постоянной величины.

Активными элементами конструкции солнечной панели выступают полупроводники, обладающие свойствами фотохимического синтеза. Например, кремний (Si), применением которого были отмечены самые первые исследования в области получения электричества солнца.

Простейший набор из солнечной панели и автомобильного аккумулятора уже составляет конструкцию настоящей домашней энергетической установки

На текущий момент кремний уже не рассматривается безальтернативным химическим элементом, опираясь на который есть смысл сооружать солнечные батареи из панелей, в том числе своими руками.

Более перспективными и эффективными теперь видятся другие представители таблицы Менделеева (в скобках цифры энергетической отдачи):

1. Арсенид галлия GaAs (кристаллический 25,1).
2. Фосфит индия InP ( 21,9).
3. Фосфат индия с галлием + Арсенид галлия + Германий GaInP + GaAs + Ge (32).

Рассматривать солнечную панель глазами обывателя следует как пластину полупроводника (кремния и т.п.), каждая из сторон которой является положительным и отрицательным электродом.

Под влиянием света солнца, в результате химического фотосинтеза, на электродах панели образуются электрические потенциалы. Казалось бы, всё просто. Остаётся только подключить провода к нагрузке и пользоваться электричеством. Но на деле всё несколько иначе.

Эффективность солнечных батарей

Достичь высокой степени эффективности от использования солнечной батареи крайне проблематично. Тем более, когда солнечная батарея изготавливается своими руками, и делаются попытки получить энергию под бытовые нужды целого дома или хозяйственные нужды дачного участки.

Такая промышленная бытовая установка генерирует 150 ватт мощности при напряжении сети 12 вольт. Правда, заявленная мощность гарантируется при полностью открытом солнечном небосводе

Чтобы получать максимальную эффективность от солнечного генератора энергии, необходимо постоянно определять и точно согласовывать сопротивление нагрузки.

Здесь без привлечения технологичных электронных устройств – контроллеров управления, не обойтись никак. А сделать подобный контроллер своими руками – задача сложная.

Фотоэлементам, на основе которых выстраивается структура солнечных панелей, присуща температурная нестабильность. Практика применения указывает на значительное падение производительности фотоэлементов в результате повышения температуры их поверхности.

Так появляется ещё одна, не менее трудная задача. Её решение требует использования солнечного света, лишённого тепла. Сделать нечто подобное в кустарных условиях видится бесперспективной идеей.

И ещё недостатки альтернативной энергетики:

• потребность в значительных площадях под размещение панелей батареи;
• бездействие установки в тёмное время суток;
• наличие в составе компонентов батареи ядовитых веществ (свинца, галлия, мышьяка и т.п.);
• значительные эксплуатационные издержки.

Тем не менее, профессиональное изготовление солнечных генераторов энергии стабильно наращивается. Существует уже как минимум пять компаний, готовых предложить к установке современные конструкции, в том числе предназначенные для объектов жилой недвижимости:

• Canadian Solar
• Jinko Solar
• Hanwha Qcells
• JA Solar
• Trina Solar

Солнечная энергия в доме своими руками

Самостоятельное изготовление батареи на базе солнечных панелей, пригодной для нужд частного хозяйства, видится реальным делом только в рамках скромных проектов.

Батарея солнечная, собранная самостоятельно из кремниевых пластин, разложенная под прямыми лучами солнца, готова к тестированию на присутствие напряжения

К примеру, изготовление солнечной батареи своими руками для подзарядки небольшого аккумулятора, энергия которого используется для питания двух-трёх маломощных (6 – 12 вольтовых) фонарей.

По таким проектам делаются установки, вырабатывающие напряжение не выше 20 вольт при токе не более 1 А. Рассмотрим один из возможных вариантов создания солнечной батареи с похожими рабочими характеристиками.

Для реализации проекта потребуются:

1. Пластины кремниевых фотоэлементов.
2. Паяльник электрический.
3. Олово паяльное.
4. Этиловый спирт.
5. Канифоль сосновая для пайки.
6. Инструмент электро-монтажника.
7. Вспомогательные электронные компоненты и модули.

Подготовленные детали под сборку домашней (дачной) солнечной панели. Каждый из элементов является индивидуальным источником энергии. Их нужно объединить

Пластины фотоэлементов (кремниевых) проще всего приобрести уже готовые. Вполне пригодные конструкции разных размеров продаются по доступной цене. Также доступны предложения на отечественном Маркете:

Инструмент электро-монтажника, у человека знакомого с электроникой, как правило, имеется по умолчанию. Из вспомогательной аппаратуры потребуется регулятор заряда аккумулятора, инвертор.

Сборка солнечной батареи: пошаговая инструкция

Пошаговая сборка генератора на солнечных панелях выглядит примерно следующим образом:

1. Пайка отдельных пластин с фотоэлементами в единую солнечную батарею.
2. Проверка работы собранной батареи измерительным прибором.
3. Укладка панелей внутрь защитной конструкции.
4. Подключение собранной батареи через контроллер заряда к АКБ.
5. Преобразование энергии АКБ в требуемое напряжение.

Спайка отдельных панелей в единую батарею – работа кропотливая, требующая навыков пайки и внимания. Сложность действий для сборщика обусловлена здесь хрупкой конструкцией кремниевых пластин.

Пайку на пластинах выполняют аккуратно паяльником подходящей мощности, предварительно заточив жало под угол 45 градусов, используя качественный припой

Соединять пластины одну с другой рекомендуется плоскими ленточными проводниками. Цель – минимизировать, насколько это возможно, сопротивление проводников. Места пайки следует предварительно обрабатывать этиловым спиртом. Паять рекомендуется с минимальным использованием канифоли и олова.

Завершив спайку, нужно проверить конструкцию на работоспособность. Делается эта процедура обычным образом, с помощью измерительного прибора – тестера (стрелочного, электронного).

Проверка работоспособности солнечной батареи, сделанной своими руками с помощью обычного цифрового прибора для измерения напряжения, тока, сопротивления

На выходных проводниках замеряют выходное напряжение и ток в условиях максимальной и минимальной освещённости полотна. При качественной спайке всех пластин и без наличия дефектов, результат получается, как правило, положительный.

Контроллер заряда аккумулятора

Энергетическая солнечная установка станет надёжнее и безопаснее, если в состав её схемы включить контроллер заряда (разряда) аккумулятора. Этот прибор можно купить уже в готовом виде.

Но если имеются способности в области электроники и желания к совершенству, контроллер заряда нетрудно сделать своими руками. Для справки можно уточнить: разработаны два вида таких приборов:

1. PWM (Pulse Width Modulation).
2. MPPT (Maximum Power Point Tracking).

Если перевести на русский язык, первый вид устройств действует на принципах широтно-импульсной модуляции. Второй вид приборов создан под вычисление так называемой максимальной точки мощности.

В любом случае, обе схемы собраны на классической элементной базе, с той лишь разницей, что вторые устройства отличаются более сложными схемными решениями. В систему контроллеры заряда включаются так:

Классическая структурная схема включения контроллера заряда: 1 — солнечная панель; 2 — контроллер заряда/разряда АКБ; 3 — аккумулятор; 4 — инвертор напряжения 12/220В; 5 — нагрузочная лампа

Главная задача контроллера заряда АКБ энергетической солнечной установки – отслеживание уровня напряжения на клеммах аккумуляторной батареи. Недопущение выхода напряжения за границы, когда нарушаются условия эксплуатации АКБ.

Благодаря присутствию контроллера, остаётся стабильным срок службы аккумуляторной батареи. Конечно же, помимо этого прибор контролирует температурные и другие параметры, обеспечивая безопасность работы АКБ и всей системы.

Для сборки контроллера MPPT своими руками можно взять массу схемных решений. В поиске схемотехники проблем нет, стоит только сделать соответствующий запрос в поисковой системе. Например, собрать контроллер можно на основе такой вот, несложной на первый взгляд, структурной схемы:

На основе этой структурной схемы собирается достаточно эффективное и надёжное устройство контроля заряда АКБ по типу MPPT технологии

Однако для бытовых целей вполне достаточно простейшего ШИМ-контроллера, так как в составе бытовых энергоустановок, как правило, не используются массивные солнечные панели. Для контроллеров же типа MPPT, характерной особенностью является именно работа с панелями большой мощности.

На малых мощностях они не оправдывают их схемной сложности. Для пользователя приобретение таких приборов оборачивается лишними расходами. Поэтому логично рекомендовать для дома простой PWM аппарат, собранный своими руками, к примеру, по этой схеме:

Принципиальная схема простого ШИМ-контроллера для домашней солнечной установки. Работает с выходным напряжением панели 17 вольт и обычным автомобильным аккумулятором

Солнечная батарея: схема инвертора

Полученную от солнца энергию аккумулируют. В домашних условиях для накопления энергии обычно используется стандартная автомобильная батарея (или несколько батарей).

Напряжения и силы тока аккумулятора вполне достаточно для питания маломощных бытовых приборов, рассчитанных под напряжение 12 (24) вольт. Однако этот вариант устраивает далеко не всегда.

Поэтому дополнительно к собранной конструкции подключают инвертор – устройство, преобразующее напряжение аккумулятора в переменное напряжение 127/220 вольт, пригодное для питания бытовых приборов или хозяйственной техники.

Найти подходящую схему инвертора несложно. Есть множество идей на этот счёт. Традиционно схема инвертора включает следующие компоненты:

• полупроводниковую солнечную панель,
• интегральную микросхему типа SG3524 (регулятор заряда),
• аккумуляторную батарею,
• интегральную микросхему управления МОП-транзисторами,
• силовые МОП-транзисторы,
• трансформатор.

Структурная схема регулятора в паре с инвертором выглядит примерно так:

Структурная схема регулятора напряжения аккумуляторной батареи в ассоциации с инвертором-преобразователем напряжения для солнечной энергетической установки

Защитная конструкция солнечной панели

Собранную из хрупких кремниевых пластин солнечную батарею необходимо дополнительно защитить от внешнего воздействия. Защитный корпус делают на основе прозрачного материала, который легко поддаётся чистке.

Полиуретановые или алюминиевые уголки каркаса и прозрачное органическое стекло подойдут в самый раз. Разъяснять тонкости сборки защитного корпуса не имеет смысла. Это простейшая сборка, собранная своими руками при помощи набора бытовых инструментов.

Пример реализации домашней энергоустановки на видео

Представленное ниже виде демонстрирует существующие возможности сборки и эксплуатации домашнего энергетического источника от природы. Однако, как показывает практика, достичь с помощью самодельных устройств реально высоких мощностей в условиях бытовых — задача крайне затруднительная:

Источник

Повышающий преобразователь с MPPT контролером заряда для солнечных батарей

Устройство представляет собой простой повышающий преобразователь и ограничитель напряжения, который заряжает аккумуляторы напряжением 12В от солнечной панели напряжением 6В. Устройство также имеет функцию MPPT (Отслеживание точки максимальной мощности). Когда мы думаем о MPPT, то обычно вспоминаем про микроконтроллеры и сложные вычислительные алгоритмы мощности. Однако такие алгоритмы на самом деле не нужны.

В статье представлены два схематических решения. Первая схема просто иллюстрирует повышающий импульсный преобразователь, в то время как вторая демонстрирует самодельную рабочую схему устройства. Она рекомендуется для более продвинутых экспериментаторов, которые имеют в своем распоряжении осциллограф. Схема может также представлять интерес для студентов и тех, кто просто хочет расширить свои знания в электронике.

Схемы топологии повышающего преобразователя и схема самодельного солнечного преобразователя

Теоретические сведения о повышающем преобразователе

На схеме топологии повышающего преобразователя катушка L1 заряжается, когда транзистор Q1 открыт. Когда транзистор Q1 закрыт, катушка L1 разряжается на батарею через стабилитрон D1. Выполнение данной операции в течение нескольких тысяч раз в секунду в результате приведет к существенному выходному току. Этот процесс также называется индуктивным разрядом. Для его функционирования необходимо, чтобы входное напряжение было ниже выходного. Также при наличии солнечной панели необходимо использовать элемент хранения энергии – конденсатор (C1), который позволит солнечной панели непрерывно выдавать на выход ток между циклами.

Описание принципиальной схемы повышающего преобразователя

Схема состоит из трех основных блоков, включая генератор стробирующих импульсов на базе 555 МОП-интегральной схемы, 555 ШИМ модулятор и операционный усилитель с ограничителем напряжения. 555 серия с каскадным выходом может обеспечить ток около 200мА и позволяет создать отличный маломощный генератор импульсов. 555 ШИМ модулятор является классической генераторной схемой на базе 555 серии. Для регулировки времени разряда конденсатора C3 (время заряда катушки), на вывод 5 подается напряжение величиной 5В.

Ограничение напряжения

Операционный усилитель U1A вычисляет сигнал напряжения батареи, когда разделенное установленное значение напряжения сравнивается с эталонным напряжением величиной 5В. Когда напряжение превышает установленное значение, выход переключается в отрицательном направлении, снижая, таким образом, частоту импульсов ШИМ генератора и ограничивая любой последующий заряд. Это эффективно предотвращает перезаряд.

Питание схемы от солнечной панели

Для предотвращения ненужного разряда батареи, когда солнце не светит, все цепи запитываются через солнечную панель, за исключением делителя напряжения с обратной связью, который потребляет около 280мкА.

MOSFET логического уровня

Поскольку схема должна работать при низких уровнях напряжения (данная схема работает от входного напряжения не ниже 4В), необходимо установить MOSFET логического уровня. Он будет открываться при напряжении 4.5В. Для этой цели я использовал мощный МОП-транзистор MTP3055.

Фиксация напряжения с помощью стабилитрона D2

В этой схеме НЕЛЬЗЯ ОТСОЕДИНЯТЬ батарею, в противном случае MOSFET-транзистор сгорит. Поэтому для его защиты я установил стабилитрон D2 напряжением 24В. Без этого стабилитрона у меня самого сгорело много МОП-транзисторов.

функцияMPPT

Когда напряжение / ток солнечной панели увеличивается, ШИМ генератор повышает частоту импульсов, что в свою очередь приводит к увеличению выходного тока. В то же время, дополнительное напряжение прилагается к катушке, увеличивая, таким образом, ее зарядный ток. В результате повышающий преобразователь действительно «прилагает большие усилия» при повышении напряжения или «ослабевает», когда напряжение снижается. Для максимальной передачи энергии при ярком солнечном свете выполняется регулировка потенциометра R8 так, чтобы зарядный ток батареи был максимальным – это и будет точка максимальной мощности. Если схема работает правильно, то будет наблюдаться очень плоский пик при вращении R2. Диод D3 выполняет автоматическую MPPT регулировку более точно посредством вычитания фиксированного напряжения из разницы напряжения между батареей и средним напряжением через конденсатор C3. В условиях низкого освещения вы обнаружите, что резистор R3 не является оптимальным, однако он не будет полностью исключен из цепочки. Заметьте, что интеллектуальные MPPT контроллеры также могут лучше работать при полном диапазоне, однако это улучшение крайне малоэффективно.

Номиналы компонентов

Схема настроена на напряжение 9В, солнечная панель на мощность 3Вт. Повышающие преобразователи весьма привередливы и не будут работать в широком диапазоне условий – если ваша система использует другие пределы номинальной мощности для солнечной панели, тогда ждите проблемы. Единственные компоненты, которые требуют настройки, катушка L1 и конденсатор C3. Я был удивлен, что частота повторений оказалась очень низкой (около 2кГц). Я начал с катушки индуктивностью 100мкГ, однако схема работает лучше при индуктивности 390мкГ – первоначально я хотел получить около 20кГц. Для наилучшей работы выполняйте заряд катушки от 5 до 10 раз по отношению к току солнечной панели, затем обеспечьте продолжительный период времени (3X), чтобы катушка могла полностью разрядиться. Это обеспечит приемлемую работу, когда напряжение источника питания будет близко к напряжению батареи. Заметьте, что низкоомные катушки обеспечивают наилучшую эффективность. Наибольшая потеря действительно происходит в диоде Шотки, и наименьшая потеря это то, для чего эти диоды предназначены.

Работа при высокой частоте обычно предпочтительна. Это позволит минимизировать размер катушки. Однако для эксперимента, используйте катушку, которая будет работать лучше всего.

Предлагаемые компоненты указаны на схеме. Естественно, зарядное устройство можно приспособить в соответствии со своими требованиями.

Источник