Napelem töltővezérlő: séma, működési elv, csatlakoztatási módok

A napenergia hasznosítása (háztartási szinten) jelenleg még a viszonylag kis teljesítményű fotovoltaikus panelek gyártására korlátozódik. Ám a napfényt elektromos árammá alakító fotovoltaikus átalakító felépítésétől függetlenül ezt az eszközt egy napelem töltésvezérlőnek nevezett modullal szerelik fel.

Valóban, a napfény fotoszintézisét hasznosító berendezés vázlatába beletartozik egy akkumulátor – a napelemből nyert energia tárolója. Elsősorban ezt a másodlagos energiaforrást szolgálja ki a vezérlő.

Az általunk bemutatott cikkben megismerkedünk a készülék felépítésével és működési elveivel, valamint áttekintjük a csatlakoztatási módjait.

Napelem-vezérlők

A napelem-vezérlőnek nevezett elektronikus modul arra hivatott, hogy számos felügyeleti funkciót lásson el a napelem akkumulátorának töltési/kisütési folyamata során.

Amikor a napfény ráesik például a háztetőre szerelt napelem felületére, az eszköz fotocellái elektromos árammá alakítják a fényt.

A megtermelt energia elvileg közvetlenül az akkumulátorra táplálható lenne. Az akkumulátor töltési/kisütési folyamatának azonban megvannak a maga finomságai (bizonyos áram- és feszültségszintek). Ha ezeket a finomságokat figyelmen kívül hagyják, az akkumulátor rövid időn belül egyszerűen tönkremegy.

Az ilyen szomorú következmények elkerülése érdekében egy modult terveztek, amelet napelem-akkumulátor töltésvezérlőnek hívnak.

Az akkumulátor töltöttségi szintjének ellenőrzése mellett a modul az energiafogyasztást is nyomon követi. A kisütés mértékétől függően a napelem-akkumulátor töltésvezérlő áramköre szabályozza és beállítja a kezdeti és a későbbi töltéshez szükséges áramerősséget.

A napelemes energiaellátó rendszer akkumulátor töltésvezérlőjének teljesítményétől függően ezen eszközök kialakítása nagyon eltérő konfigurációjú lehet.

Összességében, egyszerűen fogalmezva, a modul gondtalan 'életet' biztosít az akkumulátor számára, amely időszakosan felhalmoza és leadja az energiát a fogyasztó berendezéseknek.

A gyakorlatban alkalmazott típusok

Ipari szinten kétféle elektronikus eszköz gyártása folyik, amelyek kialakítása alkalmas napelemes energiarendszerbe való beépítésre:

1. PWM sorozatú eszközök.
2. MPPT sorozatú eszközök.

A napelem vezérlő első típusát 'öregecske'-nek lehet nevezni. Az ilyen áramköröket a nap- és szélenergetika hajnalán fejlesztették ki és vezették be.

A PWM vezérlő áramkörének működési elve a széles impulzusmodulációs algoritmusokon alapszik. Az ilyen készülékek funciionáliása némileg elmarad a fejlettebb MPPT sorozatú eszközöktől, de összességében ezek is meglehetősen hatékonyan működenek.

A napelemes rendszerek akkumulátortöltés-vezérlőjének egyik népszerű modellje, annak ellenére, hogy az eszköz áramköre PWM technológiával készült, amelet elavultnak tartanak.

Azok a kialakítások, ahol a Maximum Power Point Tracking (maximális teljesítményhatár követése) technológiát alkalmazzák, modern hozzállásukkal tűnnek ki az áramkör-technikai megoldásokban, és nagyobb funkcionalitást biztosítanak.

De ha összehasonlítjuk a két típust, és még inkább a háztartási szféra felé hajolva, az MPPT eszközök nem olyan rózsás színben tűnnek fel, mint ahogyan azt hagyományosan hirdetik.

MPPT típusú vezérlő:

• magasabb ára van;
• bonyolult beállítási algoritmussal rendelkezik;
• csak jelentős méretű paneleken ad teljesítményelőnyt;

Ez a típusú berendezés inkább a globális napenergetikai rendszerekhez illik.

A vezérlő napelemes erőmű szerkezetében való üzemeltetésre készült. Az MPPT készülékosztály képviselője, amely fejlettebb és hatékonyabb.

Az átlagos háztartási felhasználó számára, akinek általában kis felületű napelemei vannak, kedvezőbb egy PWM-vezérlőt vásárolni és ugyanolyan hatékonysággal üzemeltetni.

A vezérlők szerkezeti vázlatai

A PWM és MPPT vezérlők kapcsolási rajzainak laikus szemmel való vizsgálata túl bonyolult, mivel az elektronika mélyreható ismeretét igényli. Ezért érdemes csak a blokkvázlatokat áttekinteni. Ez a megközelítés a nagyközönség számára is érthető.

1. változat – PWM eszközök

A napelem feszültsége a két vezetéken (pozitív és negatív) érkezik a stabilizáló elemhez és az elválasztó ellenálláslánchoz. Ez az áramköri rész biztosítja a bemeneti feszültség potenciáljainak kiegyenlítését, és bizonyos mértékben védi a vezérlő bemenetét a bemeneti feszültség határértékének túllépésétől.

Hangsúlyozandó: minden egyes készülékmodellnek meghatározott bemeneti feszültségkorlátja van (a dokumentációban feltüntetve).

Nagyjából így néz ki a PWM technológiára épülő készülékek blokkvázlata. Kis háztartási rendszerekben történő üzemeltetés esetén ez az áramköri megközelítés kellő hatékonyságot biztosít.

Ezután a feszültséget és az áramerősséget a teljesítménytranzisztorok a szükséges értékre korlátozzák. Ezeket az áramköri elemeket a vezérlő chip vezérli a meghajtó IC-n keresztül. Ennek eredményeként a teljesítménytranzisztorok kimenetén az akkumulátor számára megfelelő feszültség- és áramérték áll be.

Az áramkörben továbbá van egy hőmérséklet-érzékelő és egy meghajtó, amely a terhelés teljesítményét szabályozó teljesítménytranzisztort vezérli (védelem az akkumulátor mélykisülése ellen). A hőmérséklet-érzékelő a PWM vezérlő fontos elemeinek felmelegedési állapotát ellenőrzi.

Általában a hőmérséklet a házon belül vagy a teljesítménytranzisztorok hűtőbordáin mért érték. Ha a hőmérséklet túllépi a beállításokban meghatározott határértéket, a készülék kikapcsolja az összes aktív tápellátási vonalat.

2. változat – MPPT készülékek

Az áramkör bonyolultságát ebben az esetben az indokolja, hogy számos olyan elemmel bővítették, amelyek a munkakörülmények alapján pontosabban valósítják meg a szükséges vezérlési algoritmust.

A feszültség- és áramszinteket komparátor áramkörök figyelik és hasonlítják össze, az összehasonlítás eredménye alapján pedig meghatározzák a kimeneti teljesítmény maximumát.

Az MPPT technológián alapuló töltésvezérlők blokkvázlata. Itt már egy összetettebb vezérlési és perifériakezelési algoritmus figyelhető meg.

A PWM készülékektől eltérően ezen vezérlők fő jellemzője, hogy képesek a napelemes modult a maximális teljesítményre hangolni az időjárási körülményektől függetlenül.

Az ilyen eszközök áramköre több vezérlési módszert valósít meg:

• zavarás és megfigyelés;
• növekvő vezetőképesség;
• áram-söprés;
• állandó feszültség.

Az általános működés végső szakaszában pedig e módszerek összehasonlító algoritmusa is alkalmazásra kerül.

A vezérlők csatlakoztatási módjai

A csatlakoztatások témáját vizsgálva azonnal meg kell jegyezni: minden egyes készülék telepítésének jellemzője, hogy egy adott napelemsorozattal működik.

Így például, ha egy olyan vezérlőt használnak, amely maximum 100 volt bemeneti feszültségre van méretezve, a napelemsorozat kimeneti feszültsége nem haladhatja meg ezt az értéket.

Minden napelemes energiaellátó berendezés az első fokozat kimeneti és bemeneti feszültsége közötti egyensúly szabálya szerint működik. A vezérlő feszültségének felső határának meg kell egyeznie a panel feszültségének felső határával.

Mielőtt csatlakoztatná a készüléket, döntse el a fizikai elhelyezésének helyét. A szabályok szerint a telepítés helyéül száraz, jól szellőző helyiséget kell választania. A készülék közelében nem lehetnek gyúlékony anyagok.

A készülék közvetlen közelében nem lehetnek vibrációs, hő- és nedvességforrások. A telepítés helyét védeni kell a csapadéktól és a közvetlen napsugárzástól.

A PWM modellek csatlakoztatási technikája

Gyakorlatilag az összes PWM-vezérlő gyártó megköveteli a készülékek csatlakoztatásának pontos sorrendjét.

A PWM-vezérlők perifériás eszközökhöz való csatlakoztatásának technikája nem jelent különösebb nehézséget. Minden panel rendelkezik jelölt kapcsokkal. Itt csupán a műveletek sorrendjét kell betartani.

A perifériás eszközöket a kapocskapcsok jelöléseivel teljes összhangban kell csatlakoztatni:

1. Az akkumulátor kábeleit a készülék akkumulátor számára kijelölt kapcsain csatlakoztassa a megadott polaritásnak megfelelően.
2. Közvetlenül a pozitív vezeték érintkezései pontjába építsen be egy védőbiztosítékot.
3. A vezérlő napelem számára kijelölt kapcsain rögzítse a napelem modulokból érkező vezetékeket. Ügyeljen a polaritásra.
4. A készülék terhelés kivezetéseihez csatlakoztasson egy megfelelő feszültségű (általában 12/24 V) ellenőrző lámpát.

A megadott sorrendet nem szabad megszegni. Például a napelemek elsőként történő csatlakoztatása akkumulátor nélkül szigorúan tilos. Az ilyen műveletekkel a felhasználó kockáztatja a készülék „kiégetését”. Ebben az anyagban részletesebben ismertetjük a napelemek és akkumulátor összeállítási sémáját.

Továbbá a PWM sorozatú vezérlők esetében nem megengedett a feszültséginverter csatlakoztatása a vezérlő terhelési kapcsaihoz. Az invertert közvetlenül az akkumulátor kapcsaihoz kell csatlakoztatni.

Az MPPT készülékek csatlakoztatási sorrendje

Az ilyen típusú készülékek fizikai telepítésére vonatkozó általános követelmények nem különböznek a korábbi rendszerektől. A technológiai beállítás azonban gyakran némileg eltér, mivel az MPPT vezérlőket gyakran nagyobb teljesítményű készülékeknek tekintik.

A nagy teljesítményű vezérlők esetében az erősáramú körök csatlakozásainál javasolt nagy keresztmetszetű, fémvégződésekkel ellátott kábeleket használni.

Például a nagy teljesítményű rendszerek esetében ezeket a követelményeket kiegészíti, hogy a gyártók javasolják olyan kábel használatát az erősáramú csatlakozóvezetékekhez, amelyet legalább 4 A/mm² áramsűrűségre méreteztek. Vagyis például egy 60 A áramú vezérlőhöz legalább 20 mm² keresztmetszetű kábel szükséges az akkumulátor csatlakoztatásához.

A csatlakozókábeleket kötelezően réz sarukkal kell felszerelni, amelyeket speciális szerszámmal szorosan kell préselni. A napelem és az akkumulátor negatív kapcsait biztosítékokkal és kapcsolókkal ellátott adapterekkel kell felszerelni.

Ez a megközelítés kiküszöböli az energiaveszteségeket, és biztosítja a berendezés biztonságos üzemeltetését.

A nagy teljesítményű MPPT vezérlő bekötésének szerkezeti vázlata: 1 – napelem; 2 – MPPT vezérlő; 3 – sorkapocs; 4,5 – olvadó biztosítékok; 6 – vezérlő tápkapcsolója; 7,8 – földelő sín

A napelemek készülékhez történő csatlakoztatása előtt győződjön meg arról, hogy a kapcsokon lévő feszültség megegyezik vagy kisebb, mint a vezérlő bemenetére megengedett feszültség.

Perifériák csatlakoztatása az MTTP készülékhez:

1. A panel és az akkumulátor kapcsolóit állítsa «kikapcsolt» állásba.
2. Távolítsa el a panel és az akkumulátor védőbiztosítékait.
3. Kábellel kösse össze az akkumulátor kapcsait a vezérlő akkumulátor kapcsaival.
4. Kábellel csatlakoztassa a napelem kivezetéseit a vezérlő megfelelő jellel jelölt kapcsaihoz.
5. Kábellel kösse össze a földelő kapcsot a «föld» sínnel.
6. Szerelje fel a hőmérséklet-érzékelőt a vezérlőre az utasítás szerint.

Ezen műveletek után helyezze vissza a korábban eltávolított akkumulátor biztosítékot, és állítsa a kapcsolót «bekapcsolt» állásba. A vezérlő kijelzőjén megjelenik az akkumulátor észlelésének jelzése.

Ezt követően rövid szünet (1-2 perc) után helyezze vissza a korábban eltávolított napelem biztosítékot, és állítsa a panel kapcsolóját «bekapcsolt» állásba.

A készülék kijelzője mutatni fogja a napelem feszültségének értékét. Ez a pillanat a napenergia-rendszer sikeres üzembe helyezését jelzi.

Következtetések és hasznos vidéó a témából

Az iparág az áramköri megoldások szempontjából sokrétű eszközöket gyárt. Ezért lehetetlen egyértelmű ajánlásokat adni az összes berendezés csatlakoztatására vonatkozóan.

Azonban a fő elv minden típusú készülék esetében egységes marad: az akkumulátor csatlakoztatása nélkül a vezérlő buszaira a fotovoltaikus panelekkel való összeköttetés nem megengedett. Hasonló követelmények vonatkoznak a feszültséginverter áramkörbe való beillesztésére is. Ezt külön modulnak kell tekinteni, amely közvetlen érintkezéssel csatlakozik az akkumulátorhoz.

Ha Ön rendelkezik a szükséges tapasztalattal vagy tudással, kérjük, ossza meg olvasóinkkal. Hagyja megjegyzéseit az alábbi blokkban. Itt tehet fel kérdést is a cikk témájával kapcsolatban.