Bộ điều khiển sạc pin năng lượng mặt trời: mạch điện, nguyên lý hoạt động, phương thức kết nối

Năng lượng mặt trời cho đến nay vẫn còn hạn chế (ở cấp độ hộ gia đình) trong việc tạo ra các tấm quang điện có công suất tương đối thấp.Nhưng bất kể thiết kế của bộ chuyển đổi quang điện ánh sáng mặt trời thành dòng điện như thế nào, thiết bị này đều được trang bị một mô-đun gọi là bộ điều khiển sạc pin năng lượng mặt trời.

Thật vậy, việc lắp đặt quang hợp năng lượng mặt trời bao gồm pin sạc - một thiết bị lưu trữ năng lượng nhận được từ tấm pin mặt trời. Chính nguồn năng lượng thứ cấp này chủ yếu được cung cấp bởi bộ điều khiển.

Trong bài viết chúng tôi trình bày, chúng tôi sẽ hiểu nguyên tắc thiết kế và hoạt động của thiết bị này, đồng thời xem xét cách kết nối nó.

Bộ điều khiển năng lượng mặt trời

Một mô-đun điện tử gọi là bộ điều khiển năng lượng mặt trời được thiết kế để thực hiện một số chức năng điều khiển trong quá trình sạc/xả pin pin năng lượng mặt trời.

Khi ánh sáng mặt trời chiếu lên bề mặt của một tấm pin mặt trời được lắp đặt, chẳng hạn như trên mái nhà, các tế bào quang điện của thiết bị sẽ chuyển đổi ánh sáng này thành dòng điện.

Trên thực tế, năng lượng thu được có thể được cung cấp trực tiếp cho pin lưu trữ. Tuy nhiên, quá trình sạc/xả pin có sự phức tạp riêng (mức dòng điện và điện áp nhất định). Nếu bạn bỏ qua những điều tinh tế này, pin sẽ bị hỏng trong một thời gian ngắn hoạt động.

Để tránh những hậu quả đáng buồn như vậy, một mô-đun gọi là bộ điều khiển sạc cho pin năng lượng mặt trời đã được thiết kế.

Ngoài việc theo dõi mức sạc pin, mô-đun này còn theo dõi mức tiêu thụ năng lượng.Tùy thuộc vào mức độ xả, mạch điều khiển sạc pin năng lượng mặt trời sẽ điều chỉnh và đặt mức dòng điện cần thiết cho lần sạc đầu tiên và lần sạc tiếp theo.

Tùy thuộc vào công suất của bộ điều khiển sạc pin năng lượng mặt trời mà thiết kế của các thiết bị này có thể có cấu hình rất khác nhau

Nói chung, nói một cách đơn giản, mô-đun này mang lại “tuổi thọ” vô tư cho pin, pin này sẽ tích lũy và giải phóng năng lượng theo định kỳ cho các thiết bị tiêu dùng.

Các loại sử dụng trong thực tế

Ở cấp độ công nghiệp, hai loại thiết bị điện tử đã được ra mắt và đang sản xuất, thiết kế phù hợp để lắp đặt trong hệ thống năng lượng mặt trời:

1. Các thiết bị dòng PLC.
2. Các thiết bị dòng MPPT.

Loại bộ điều khiển đầu tiên cho pin năng lượng mặt trời có thể được gọi là “ông già”. Những kế hoạch như vậy đã được phát triển và đưa vào hoạt động vào buổi bình minh của sự phát triển năng lượng mặt trời và năng lượng gió.

Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiểnPWM dựa trên thuật toán điều chế độ rộng xung. Chức năng của các thiết bị như vậy có phần kém hơn so với các thiết bị cao cấp hơn thuộc dòng MPPT, nhưng nhìn chung chúng cũng hoạt động khá hiệu quả.

Một trong những mẫu điều khiển sạc pin trạm năng lượng mặt trời được ưa chuộng trong xã hội, mặc dù thực tế mạch điện của thiết bị được chế tạo bằng công nghệPWM vốn được cho là đã lỗi thời.

Các thiết kế sử dụng công nghệ Theo dõi điểm công suất tối đa (theo dõi giới hạn công suất tối đa) được phân biệt bằng cách tiếp cận hiện đại đối với các giải pháp mạch và cung cấp nhiều chức năng hơn.

Nhưng nếu chúng ta so sánh cả hai loại bộ điều khiển và đặc biệt là thiên về lĩnh vực gia dụng, các thiết bị MPPT không nhìn vào ánh sáng hồng hào mà chúng được quảng cáo theo truyền thống.

Bộ điều khiển loại MPPT:

• có chi phí cao hơn;
• có thuật toán cấu hình phức tạp;
• chỉ tăng sức mạnh trên các bảng có diện tích lớn.

Loại thiết bị này phù hợp hơn với hệ thống năng lượng mặt trời toàn cầu.

Bộ điều khiển được thiết kế để vận hành như một phần của hệ thống lắp đặt năng lượng mặt trời. Nó là đại diện của lớp thiết bị MPPT - tiên tiến và hiệu quả hơn

Đối với nhu cầu của người dùng bình thường ở môi trường gia đình, những người thường có bảng điều khiển diện tích nhỏ, sẽ có lợi hơn nếu mua và vận hành bộ điều khiểnPWM (PWM) với tác dụng tương tự.

Sơ đồ khối bộ điều khiển

Sơ đồ nguyên lý của bộ điều khiển PPP và MPPT để xem xét chúng bằng con mắt bình thường là một điểm quá phức tạp liên quan đến sự hiểu biết tinh tế về điện tử. Vì vậy, sẽ hợp lý nếu chỉ xem xét các sơ đồ cấu trúc. Cách tiếp cận này có thể hiểu được đối với nhiều người.

Tùy chọn số 1 - Thiết bịPWM

Điện áp từ tấm pin mặt trời truyền qua hai dây dẫn (dương và âm) đến bộ phận ổn định và mạch điện trở tách. Nhờ phần này của mạch, thu được sự cân bằng tiềm năng của điện áp đầu vào và ở một mức độ nào đó, chúng tổ chức bảo vệ đầu vào của bộ điều khiển khỏi vượt quá giới hạn điện áp đầu vào.

Cần nhấn mạnh ở đây: mỗi kiểu thiết bị riêng lẻ có giới hạn điện áp đầu vào cụ thể (được nêu trong tài liệu).

Đây gần giống sơ đồ khối của các thiết bị được tạo ra trên cơ sở công nghệ xung điện.Đối với hoạt động như một phần của các trạm hộ gia đình nhỏ, phương pháp mạch này mang lại hiệu quả khá đầy đủ

Tiếp theo, điện áp và dòng điện được giới hạn ở giá trị yêu cầu bởi các bóng bán dẫn điện. Các thành phần mạch này lần lượt được điều khiển bởi chip điều khiển thông qua chip điều khiển. Kết quả là, đầu ra của một cặp bóng bán dẫn điện sẽ thiết lập giá trị bình thường của điện áp và dòng điện cho pin.

Mạch cũng chứa một cảm biến nhiệt độ và một bộ điều khiển điều khiển bóng bán dẫn điện, điều chỉnh công suất tải (bảo vệ chống phóng điện sâu của pin). Cảm biến nhiệt độ theo dõi trạng thái gia nhiệt của các bộ phận quan trọng của bộ điều khiển PLC.

Thông thường là mức nhiệt độ bên trong thùng máy hoặc trên tản nhiệt của bóng bán dẫn điện. Nếu nhiệt độ vượt quá giới hạn cài đặt trong cài đặt, thiết bị sẽ tắt tất cả các đường dây điện đang hoạt động.

Tùy chọn số 2 - Thiết bị MPPT

Sự phức tạp của mạch trong trường hợp này là do nó được bổ sung một số phần tử để xây dựng thuật toán điều khiển cần thiết cẩn thận hơn, dựa trên các điều kiện vận hành.

Mức điện áp và dòng điện được theo dõi và so sánh bằng các mạch so sánh và dựa trên kết quả so sánh, công suất đầu ra tối đa được xác định.

Thiết kế mạch ở dạng cấu trúc cho bộ điều khiển sạc dựa trên công nghệ MPPT. Một thuật toán phức tạp hơn để giám sát và điều khiển các thiết bị ngoại vi đã được nêu ở đây.

Sự khác biệt chính giữa loại bộ điều khiển này và thiết bị PLC là chúng có thể điều chỉnh mô-đun năng lượng mặt trời để đạt công suất tối đa, bất kể điều kiện thời tiết.

Mạch của các thiết bị như vậy thực hiện một số phương pháp điều khiển:

• xáo trộn và quan sát;
• tăng độ dẫn điện;
• quét hiện tại;
• điện áp không đổi.

Và trong phân đoạn cuối cùng của hành động tổng thể, một thuật toán để so sánh tất cả các phương pháp này cũng được sử dụng.

Phương thức kết nối bộ điều khiển

Xem xét chủ đề kết nối, cần lưu ý ngay: đối với việc lắp đặt từng thiết bị riêng lẻ, một tính năng đặc trưng là hoạt động với một loạt tấm pin mặt trời cụ thể.

Vì vậy, ví dụ: nếu sử dụng bộ điều khiển được thiết kế cho điện áp đầu vào tối đa là 100 volt, thì một loạt các tấm pin mặt trời sẽ tạo ra điện áp không lớn hơn giá trị này.

Bất kỳ việc lắp đặt điện năng lượng mặt trời nào cũng hoạt động theo nguyên tắc cân bằng điện áp đầu ra và đầu vào của giai đoạn đầu. Giới hạn trên của điện áp bộ điều khiển phải tương ứng với giới hạn trên của điện áp bảng

Trước khi kết nối thiết bị, bạn cần quyết định vị trí lắp đặt vật lý của thiết bị. Theo quy định, vị trí lắp đặt nên chọn ở nơi khô ráo, thông thoáng. Tránh để các vật liệu dễ cháy gần thiết bị.

Sự hiện diện của các nguồn rung, nhiệt và độ ẩm ở gần thiết bị là không thể chấp nhận được. Vị trí lắp đặt phải được bảo vệ khỏi lượng mưa và ánh sáng mặt trời trực tiếp.

Công nghệ kết nối cho các mô hình PLC

Hầu như tất cả các nhà sản xuất bộ điều khiển PLC đều yêu cầu các thiết bị phải được kết nối theo trình tự chính xác.

Kỹ thuật kết nối bộ điều khiểnPWM với các thiết bị ngoại vi không đặc biệt khó khăn. Mỗi bảng được trang bị các thiết bị đầu cuối có nhãn. Ở đây bạn chỉ cần làm theo chuỗi hành động

Các thiết bị ngoại vi phải được kết nối đầy đủ theo chỉ định của các thiết bị đầu cuối tiếp xúc:

1. Kết nối dây pin với các cực pin của thiết bị theo đúng cực được chỉ định.
2. Bật cầu chì bảo vệ trực tiếp tại điểm tiếp xúc của dây dương.
3. Gắn các dây dẫn từ pin của tấm pin mặt trời vào các điểm tiếp xúc của bộ điều khiển dành cho tấm pin mặt trời. Quan sát sự phân cực.
4. Kết nối đèn kiểm tra có điện áp thích hợp (thường là 12/24V) với các cực tải của thiết bị.

Trình tự quy định không được vi phạm. Ví dụ, việc kết nối các tấm pin mặt trời trước khi chưa kết nối pin đều bị nghiêm cấm. Khi làm điều này, người dùng có nguy cơ “cháy” thiết bị. TRONG vật liệu này Sơ đồ lắp ráp các tấm pin mặt trời với pin được mô tả chi tiết hơn.

Ngoài ra, đối với các bộ điều khiển dòng PLC, không được phép kết nối bộ biến tần điện áp với các đầu nối tải của bộ điều khiển. Biến tần nên được kết nối trực tiếp với các cực của pin.

Quy trình kết nối thiết bị MPPT

Các yêu cầu cài đặt vật lý chung cho loại thiết bị này không khác với các hệ thống trước đó. Nhưng thiết lập công nghệ thường hơi khác một chút, vì bộ điều khiển MPPT thường được coi là thiết bị mạnh hơn.

Đối với các bộ điều khiển được thiết kế cho mức công suất cao, nên sử dụng cáp có tiết diện lớn được trang bị nắp đầu bằng kim loại để kết nối mạch điện.

Ví dụ, đối với các hệ thống mạnh mẽ, các yêu cầu này được bổ sung bởi thực tế là các nhà sản xuất khuyến nghị sử dụng cáp cho các đường dây kết nối nguồn được thiết kế cho mật độ dòng điện ít nhất là 4 A/mm.². Ví dụ, đối với bộ điều khiển có dòng điện 60 A, bạn cần cáp để kết nối với pin có tiết diện ít nhất là 20 mm².

Cáp kết nối phải được trang bị vấu đồng, được kẹp chặt bằng dụng cụ đặc biệt. Các cực âm của tấm pin mặt trời và pin phải được trang bị bộ chuyển đổi có cầu chì và công tắc.

Cách tiếp cận này giúp loại bỏ tổn thất năng lượng và đảm bảo vận hành an toàn cho hệ thống lắp đặt.

Sơ đồ khối kết nối bộ điều khiển MPPT mạnh mẽ: 1 – tấm pin năng lượng mặt trời; 2 – Bộ điều khiển MPPT; 3 – khối thiết bị đầu cuối; 4,5 – cầu chì; 6 – công tắc nguồn của bộ điều khiển; 7.8 – xe buýt trái đất

Trước khi kết nối Tấm năng lượng mặt trời Khi kết nối với thiết bị, đảm bảo rằng điện áp ở các cực tương ứng hoặc nhỏ hơn điện áp có thể cung cấp cho đầu vào bộ điều khiển.

Kết nối thiết bị ngoại vi với thiết bị MTTP:

1. Chuyển bảng điều khiển và công tắc pin sang vị trí “tắt”.
2. Tháo cầu chì bảo vệ trên bảng điều khiển và pin.
3. Kết nối các cực của pin bằng cáp với các cực của bộ điều khiển cho pin.
4. Kết nối các cực của tấm pin mặt trời bằng cáp với các cực của bộ điều khiển được biểu thị bằng ký hiệu tương ứng.
5. Kết nối thiết bị đầu cuối mặt đất với bus mặt đất bằng cáp.
6. Lắp đặt cảm biến nhiệt độ trên bộ điều khiển theo hướng dẫn.

Sau các bước này, bạn cần lắp lại cầu chì pin đã tháo trước đó và chuyển công tắc sang vị trí “bật”. Tín hiệu phát hiện pin sẽ xuất hiện trên màn hình bộ điều khiển.

Tiếp theo, sau một khoảng dừng ngắn (1-2 phút), hãy thay cầu chì của tấm pin mặt trời đã tháo trước đó và chuyển công tắc của tấm pin sang vị trí “bật”.

Màn hình thiết bị sẽ hiển thị giá trị điện áp của tấm pin mặt trời. Thời điểm này đánh dấu việc khởi động thành công việc lắp đặt năng lượng mặt trời.

Kết luận và video hữu ích về chủ đề này

Ngành công nghiệp sản xuất các thiết bị có nhiều mặt về thiết kế mạch. Do đó, không thể đưa ra các khuyến nghị rõ ràng về việc kết nối tất cả các cài đặt mà không có ngoại lệ.

Tuy nhiên, nguyên tắc chính đối với mọi loại thiết bị vẫn giống nhau: không kết nối pin với bus điều khiển, việc kết nối với các tấm quang điện là không thể chấp nhận được. Các yêu cầu tương tự được áp dụng để đưa vào chương trình biến tần điện áp. Nó nên được coi là một mô-đun riêng biệt được kết nối với pin thông qua tiếp xúc trực tiếp.

Nếu bạn có kinh nghiệm hoặc kiến ​​​​thức cần thiết, hãy chia sẻ nó với độc giả của chúng tôi. Để lại ý kiến ​​​​của bạn trong khối bên dưới. Tại đây bạn có thể đặt câu hỏi về chủ đề của bài viết.