Зарядка от источников возобновляемой энергии

Уже давно пристальное внимание человечества обращено на возможность использования возобновляемых источников энергии. Солнце способно обеспечить максимальную мощность около 1000 Вт на квадратный метр, а современные массовые солнечные панели могут преобразовать эту энергию в электричество мощностью примерно 130 Вт с квадратного метра. Этот показатель соответствует ясной солнечной погоде с размещением панели в наиболее благоприятной позиции. Запыление поверхности или повышение температуры солнечных панелей снижают общую эффективность.

Открытие генерации электроэнергии с помощью солнечного света восходит еще к 1839 году, когда Эдмон Беккерель (1820-1891) впервые обнаружил фотовольтаический эффект, но прошло еще столетие, прежде чем ученые поняли этот процесс на атомарном уровне.

Коммерческие фотовольтаические системы обладают эффективностью от 10 до 20 процентов. Существуют гибкие панели с эффективностью около 10 %, и твердые - с КПД около 20 %. Разрабатываются новые многослойные солнечные элементы, способные достигать 40 % и выше.

При температуре 25°С высококачественный монокристаллический кремниевый солнечный элемент вырабатывает напряжение разомкнутой цепи около 0,60 В. Как и электрические батареи, солнечные элементы могут быть соединены последовательно или параллельно для достижения необходимых значений напряжения и силы тока. (Смотрите BU-302: Последовательная и параллельная конфигурация соединения электрических батарей). Температура поверхности солнечного элемента в ясный солнечный день, вероятно, возрастет до 45°С и выше, снизив напряжение холостого хода до 0,55 В из-за понижения эффективности. Солнечные элементы более эффективны при низких температурах, но следует помнить и о нюансах низкотемпературной зарядки аккумулятора. (Смотрите BU-410: Зарядка аккумуляторных батарей в условиях низких и высоких температур). Внутреннее сопротивление солнечного элемента довольно велико, к примеру, последовательное сопротивление стандартного солнечного элемента составляет около 1 Ом на квадратный сантиметр (1Ωcm2).


Зарядные устройства Blue Power (Голландия)

 

Blue Power IP20 Blue Power IP65 Blue Power IP67
Зарядное устройство для гелевых аккумуляторов Бестрансформаторное зарядное устройство водонепроницаемое зарядное устройство
12/24В, 15-40А 12/24В, 5-40А 12/24В, 5-15А
Профессиональные портативные зарядные устройства для транспорта и энергетики с интеллектуальным адаптивным алгоритмом заряда. Также могут применяться как источники питания.

Установка из солнечной панели и аккумуляторной батареи обязательно должна включать в себя контроллер заряда. Контроллер заряда принимает энергию от солнечной панели (или другого источника энергии) и преобразовывает его напряжение так, чтобы оно подходило для зарядки аккумулятора. Зарядное напряжение для 12 В аккумулятора должно составлять около 16 В. Это позволит зарядить свинцово-кислотный аккумулятор к 14,40 В (2,40 В на каждый из 6 элементов), а литий-ионный – к 12,60 В (4,20 В на каждый из 3 элементов). Следует помнить, что 2,40 В для свинцово-кислотного и 4,20 В для литий-ионного аккумулятора являются пороговыми значениями напряжения полного заряда.

Контроллеры заряда также доступны и для 10,8 В литий-ионных аккумуляторов (с 3 последовательно соединенными элементами). Крайне важно использовать контроллер заряда с корректными требованиями к напряжению. Стандартный литий-ионный аккумулятор имеет напряжение элемента 3,6 В, но существуют модели и с другим напряжением, например, у литий-железо-фосфатного аккумулятора оно составляет 3,30 В на элемент. Поэтому совместимость контроллера заряда и аккумулятора очень важна. Ни в коем случае не подключайте свинцово-кислотный аккумулятор к контроллеру заряда, предназначенному для литий-ионного и наоборот. Это может поставить под угрозу безопасность и долговечность аккумулятора, ведь алгоритмы зарядки и значения напряжения у разных электрохимических систем различны.

Бюджетные контроллеры заряда заряжают аккумулятор только в условиях достаточного освещения солнечной панели. При недостаточном уровне света он просто отключается, что ограничивает эксплуатацию такой системы генерации электроэнергии из солнечного света только идеальными условиями освещения.

Более продвинутые контроллеры могут обеспечить максимальную передачу энергии при различных условиях освещения. Это достигается с помощью использования метода отслеживания точки максимальной мощности (ОТТММ). На рисунке 1 показана зависимость напряжения и силы тока солнечной панели при различных условиях освещенности. Точка максимальной мощности находится в месте пересечения линии с вольт-амперной характеристикой солнечной панели.

Зарядка от источников возобновляемой энергии

Рисунок 1: Напряжение и сила тока солнечного элемента при различных уровнях солнечного света. ОТТММ находит точку максимальной мощности, которая находится в точке пересечения линии с вольт-амперной характеристикой. Верхняя горизонтальная линия соответствует наибольшей освещенности. Ветровые турбины имеют более низкое внутреннее сопротивление в сравнении с солнечными элементами и метод ОТТММ для них отличается.

Следует отметить, что не все схемы ОТТММ работают одинаково хорошо. Бывает, что некоторые из них недостаточно чувствительные и могут не сразу переключать режимы (например, в случае падения тени на солнечную панель). Или может произойти, что отключение происходит слишком рано, и солнечная панель не в полной мере использует низкую освещенность.

Одним из наиболее распространенных алгоритмов работы схемы ОТТММ является метод возмущения и наблюдения. Он заключается в изменении на небольшую величину напряжения солнечной установки и измерении мощности. При увеличении мощности на то же значение применяется дальнейшее увеличение напряжения до тех пор, пока оптимальные характеристики не будут достигнуты. Этот метод обеспечивает хорошую эффективность, но может привести к колебаниям мощности.

Другим алгоритмом является метод возрастающей проводимости, который вычисляет точку максимума мощности посредством сравнения изменения силы тока и напряжения солнечной установки. Этот метод требует больше вычислений, но он может отслеживать изменения условий быстрее метода возмущений и наблюдений. Метод токовой развертки отслеживает характеристики тока и напряжения фотовольтаических элементов для расчета максимальной точки мощности.

Солнечная панель, как правило, состоит из отдельных солнечных элементов, соединенных последовательно, и напряжение такой панели составляет около 20 В в солнечный день. Контроллер заряда считывает общее напряжение цепи, и если хотя бы один солнечный элемент затемнен, то ОТТММ теряет эффективность. В продвинутых солнечных установках возможен анализ отдельной группы или даже каждого конкретного элемента, что позволяет отслеживать напряжение затемненных участков с падением напряжения вплоть до 5 В. Недостатком таких установок является их высокая стоимость.


Зарядные устройства Victron Energy (Голландия)

 

Phoenix Charger Skylla-i Skylla-TG
Зарядное устройство для свинцово-кислотных AGM аккумуляторов Зарядное устройство для яхты, катера и судна Skylla-i Victron Energy Профессиональное зарядное устройство для гелевых аккумуляторов
12/24В, 16-200А 24В, 80-500А 24/48В, 30-500А
Мощные профессиональные зарядные устройства для яхт, катеров и другого вида транспорта. Предлагаются однофазные и трехфазные зарядные устройства высокой мощности. Многостадийный адаптивный заряд с возможностью ручного управления.

Вы можете спросить: “Почему я не могу просто подключить 12 В солнечную панель непосредственно к ноутбуку или мобильному телефону?”. Теоретически конечно так можно сделать, но не рекомендуется. Контроллер заряда преобразовывает входное напряжение постоянного тока от солнечной панели или ветрогенератора в корректный диапазон. При ярком солнечном свете напряжение солнечной панели может доходить до 40 В, что может повредить подключенное устройство.

В период с 1998 до 2011 года стоимость коммерческих фотовольтаических элементов стабильно падала на 5-7 процентов в год, и такая же тенденция ожидается и в будущем. Цена 1 ватта энергии, вырабатываемого 5 кВт солнечной установкой, оптимизированной для использования в домохозяйстве, на сегодня составляет порядка 4-5 $. Большие же установки, с суммарной мощностью в мегаваттах, способны обеспечить цену ватта в 3-4 $.

Обслуживающая зарядка

Обслуживающая зарядка обычно производится от небольшой солнечной панели, которая способна обеспечить подзаряд аккумулятора в солнечный день. В случае использования свинцово-кислотных аккумуляторов это поможет предотвратить возникающую при их хранении сульфатацию. Даже подзарядка небольшим током будет держать аккумулятор полностью заряженным.

Следует выбирать такой контроллер заряда, который будет переключаться между режимом зарядки и режимом поддержания заряда. Длительная зарядка может привести к коррозионным процессам в аккумуляторе. Правильно настроенный режим поддержания заряда лишь восполняет потери, вызванные саморазрядом аккумулятора. (Смотрите BU-403: Зарядка аккумуляторов свинцово-кислотной электрохимической системы).

Последнее обновление 2016-02-25


Рейтинг и отзывы: 1 1 1 1 1 5/5 на основе 1 голоса