Sterownik ładowania akumulatora panelami fotowoltaicznymi

Witam

Buduję sterownik ładowania akumulatora panelami słonecznymi. Układ zasilały będą 2 panele słoneczne 12V. Ich moc wynosi 100W przy prądzie maksymalnym 5,5A i napięciu maksymalnym (pod obciążeniem) 18V. Będą połączone równolegle więc ich moc wyniesie 200W, a prąd maksymalny 11A. Planowana pojemność akumulatora to 100Ah. Prądu ładowania jak widać nie trzeba ograniczać, a jedynie należy się zająć sprawą napięcia, ale o tym później. Panele mają zasilać grzałkę 100W, która ma ogrzewać wodę do zadanej temperatury (termistor). Zaprojektowałem układ na mikrokontrolerze Atmega8 (schemat poniżej, a plik z Eagle w załączniku).



Mam kilka pytań co do tego schematu:
1. Jak to jest z mierzeniem napięcia ładowania akumulatora. Chcę mierzyć zarówno napięcie na panelach słonecznych jak i napięcie na akumulatorze. Przy mierzeniu napięcia na akumulatorze należy odłączyć od akumulatora panele słoneczne? Jeśli woltomierz na odłączonym akumulatorze pokazuje 11,5V i podłączę do niego zasilanie z paneli słonecznych 14,4V. To ile wtedy pokaże woltomierz? 11,5V, 14,4V czy jakąś wartość pomiędzy? Potrzebuję mierzyć te napięcia, żeby wiedzieć czy jest wystarczające do ładowania akumulatora, jak i po to żeby go nie przeładować, czy rozładować.
2. Rozumiem że należy ograniczyć napięcie ładowania do 14,4V? Tylko jak to zrealizować, skoro napięcie na panelach zmienia się dynamicznie, więc i obciążenie musi zmieniać swoją oporność? Można jakoś wykorzystać grzałkę, by nie tracić energii? Tak samo muszę ograniczać napięcie na grzałkę (12V). A jakby tak... (Pkt 3.)
3. Lepiej jest zastosować tranzystory czy przekaźniki? Straty na tranzystorze są duże w stanie nasycenia? Odnosząc się do punktu drugiego, tranzystorami mógłbym regulować napięcie (oczywiście zastosowałbym odpowiednie radiatory)?
4. Czy sposób mierzenia napięć dzielnikami napięcia o dużej rezystancji, który jest wykorzystany w układzie, jest dobry?
5. Czy jest to możliwe żeby układ mógł pracować w 4 trybach (sterowanie przekaźnikami albo tranzystorami):
a) ładowanie akumulatora z paneli słonecznych
b) zasilanie grzałki z paneli słonecznych
c) jednoczesne ładowanie akumulatora, jak i zasilanie grzałki z paneli słonecznych
d) zasilanie grzałki z akumulatora (noc, złe warunki atmosferyczne)

Jak widać mam dużo pytań, ale także mam już jakiś zamysł i projekt. Z góry dziękuję za odpowiedzi.

Swego czasu przymierzałem się do pomysłu podtrzymującego ładowania akumulatora w samochodzie bateriami słonecznymi, wiec też stanąłem przez zabezpieczeniem akumulatora przed przypadkowym przeładowaniem. Miałem zamiar zastosować metodę jaką stosuję przy ładowaniu akumulatora prostownikiem własnej produkcji. Polega ona na tym, że wykorzystuje w czasie ładowania wzrost napięcia na biegunach akumulatora. Układ (ogranicznik napięcia) sprawdza poziom tego napięcia i jeżeli napięcie osiągnie wartość 14.2-14.4 V przerywa ładowanie. Po przerwaniu ładowania, napięcie na biegunach spada i jak osiągnie poziom 13.5 V następuje wznowienie ładowania akumulatora i tak w kółeczko.
Taki reżim moim zdanie skutecznie zabezpieczy akumulator przed przeładowaniem.
Do realizacji nie doszło, bo mieszkam w takiej okolicy, że baterie słoneczne bardzo szybko zostałyby zamienione na piwo przez tutejszych meneli.

luki9542 wrote:

Jeśli woltomierz na odłączonym akumulatorze pokazuje 11,5V i podłączę do niego zasilanie z paneli słonecznych 14,4V. To ile wtedy pokaże woltomierz? 11,5V, 14,4V czy jakąś wartość pomiędzy?

Pokaże wartość pośrednią, zależną od stopnia naładowania akumulatora.

luki9542 wrote:

Rozumiem że należy ograniczyć napięcie ładowania do 14,4V? Tylko jak to zrealizować, skoro napięcie na panelach zmienia się dynamicznie,

Nie trzeba ograniczać napięcia ładowania - nad tym czuwałby ogranicznik, którego działanie opisałem wyżej. Dynamiczne zmiany napięcia spowodowane zmianami oświetlenia będą w dużym stopniu tłumione przez ładowany akumulator i dynamiczne zmiany prądu ładowania też będą z tego powodu ograniczone, a ogranicznik będzie czuwał nad tym, aby napięcie nie wzrosło ponad 14.4 V.

luki9542 wrote:

Potrzebuję mierzyć te napięcia, żeby wiedzieć czy jest wystarczające do ładowania akumulatora,

Wg mnie jest to niepotrzebne. Przy próbach ładowania bateriami słonecznymi jakie przeprowadziłem przy zmianie oświetlenia (zasłonięciu baterii) spadał do zera, a więc w tym wypadku nie groziło rozładowanie akumulatora przez nieoświetlone baterie, a przeładowanie zabezpiecza ogranicznik.

luki9542 wrote:

Lepiej jest zastosować tranzystory czy przekaźniki? Straty na tranzystorze są duże w stanie nasycenia?

W układzie (ograniczniku), o którym napisałem lepsze będą tranzystory, ale pracujące dwustanowo: pełna przewodność-zatkany (wtedy straty są minimalne). Przekaźniki klapią, a styki narażone są na wypalanie.

luki9542 wrote:

Czy jest to możliwe żeby układ mógł pracować w 4 trybach

Schematu nie analizowałem, więc się nie wypowiadam, czy układ wszystkie warianty zrealizuje. Fizycznie są one do zrealizowania, ale przy wariancie C, trzeba się liczyć z wolniejszym ładowaniem akumulatora w czasie grzania grzałki.
Ja osobiście realizowałbym ten wariant, bo on nie wymaga dodatkowych układów poza ogranicznikiem napięcia (i ewentualnym rozładowaniem akumulatora przez grzałkę) + ewentualnie wariant A (szybkie ładowanie akumulatora).

Strasznie dużo w jednym poście-ale dobrze. Od razu piszę, że specjalistą od tego typu systemów nie jestem ale mam ogólne doświadczenie w elektronice więc może kilka kwestii uda mi się rozwiązać. Zacznijmy od szybkiego spojrzenia na schemat. Nie wdając się na początku w funkcjonalność i co do czego tam będzie służyć na pierwszy rzut oka dostrzegam kilka błędów projektowych. Po pierwsze-żaden przekaźnik nie ma podłączonej równolegle do swojej cewki równoległej diody. Tego typu zaniedbanie zazwyczaj kończy się uszkodzeniem tranzystora sterującego przekaźnikiem. W roli wspomnianej diody można użyć np. taniej i ogólnie znanej diody 1N4148. Kolejna kwestia to zespół elementów służących do zniwelowania drgań styków przy przyciskach. Z doświadczenia wiem, że by zrealizować klawiaturę do 4 przycisków wystarczą przełączniki mono stabilne (np. mikroswitche) wpięte między masę a port AVRa. Czasem można dodać jeszcze do tego równolegle kondensator 100nF ale nie zdarzyło mi się by było to konieczne(ale w agresywnym elektromagnetycznie środowisku trzeba to czasem zastosować). Cały układ jest niestety mało pozabezpieczany- wystarczyło by powstawiać po kilka diod tu i tam i sytuacja mogła by się poprawić(o jakimś warystorze na wejściu już nie wspominam). Dioda przydała by się by zabezpieczyć się przed odwrotną polaryzacją, diody przydały by się też by pozabezpieczać wejścia analogowe które mają realizować pomiary napięć.
Teraz po wstępnych uwagach do schematu przejdźmy do odpowiedzi na pytania.
Ad1. Pomiar napięcia akumulatora przy ładowaniu realizuje się w układzie połączonym. Kontroluje się napięcie na akumulatorze podczas ładowania i tu ono ma nie przekraczać tych wspomnianych 14V. Napięcie biegu jałowego akumulatora nie będzie większe po odłączenia ładowarki niż to które było na nim podczas ładowania (no chyba, że na starcie do układu podpoiłeś przeładowany akumulator). Dodatkowo przydał by się tu pomiar prądu ładowania akumulatora -właściwie to jego wartość mówi czy akumulator wymaga ładowania czy już jest naładowany.
Ad2. Jak ograniczyć napięcie ładowania- jeżeli energia na grzałce nie będzie marnowana a zostanie użytkowo "oddana do wody" pomysł jest jak najbardziej ok. Strategia może być np. taka: mierzysz napięcie na akumulatorze i jeżeli jest ono wyższe od założonego to sterujesz za pomocą modulacji PWM grzałką w taki sposób by spadło do założonego (zwiększając wydzielaną moc na grzałce).
Ad3. Tranzystory są jak najbardziej ok. z tym, że odpowiednie. Trzeba dobrać odpowiedni tranzystor mocy MOSFET o właściwym prądzie drenu, odpowiedniej mocy i co najważniejsze o niskim Rds(on) który bezpośrednio wpływa na straty mocy. Parametr ten może przyjmować wartości poniżej 0,1Ω więc spokojnie można coś dobrać.
Ad4. Tryby pracy to już kwestia Twojego pomysłu na układ i spryt w jego realizacji.
Ad4. Sposób z dzielnikiem w takim zastosowaniu jest jak najbardziej poprawny. Niestety oprócz dwóch rezystorów dzielnika nic więcej w układzie kondycjonowania tego sygnału u Ciebie nie występuje. Dołóż tam choć jakieś diody zabezpieczające i kondensator który obetnie pasmo (odfiltruje zakłócenia).
Ad4.

Trochę późno odpisuję, ale wcześniej nie miałem zbytnio czasu. Postąpię według waszych rad ale mam jeszcze pytanie. Jeśli na nieładowanym i nieobciążonym akumulatorze jest 13V i zacznę go ładować napięciem 18V to jakie napięcie pokaże woltomierz podłączony do akumulatora podczas ładowania?

Rozumiem, że to 18V to napięcie które pojawia się na jeszcze nie podłączonej do akumulatora ładowarce. Jeżeli tak to trzeba by zadać dodatkowe pytanie jaki prąd może dać ładowarka. Jeżeli bowiem obciążysz ładowarkę pobierając z niej np. 2A to napięcie na jej zaciskach może spaść np. do 14V. Tak więc napięcie w pierwszym momencie po podłączeniu ładowarki do akumulatora ustali się na jakimś poziomie między 13 a 18V -ale jakim to już zależy od typu i stanu akumulatora oraz od tego jaką wydajność prądową ma ładowarka.

Ładowanie akumulatora odbywać się będzie z paneli słonecznych i to one w szczycie mocy dają około 10A przy 18V. Czyli w takim razie, żeby zmierzyć napięcie i nie dopuścić do przeładowania, muszę odłączyć na chwilę panele słoneczne od akumulatora i wtedy zmierzyć napięcie na akumulatorze? I jeszcze jedno pytanie: jeśli akumulator będzie miał 100Ah, a panele dają maksymalnie 10A to nie muszę się przejmować napięciem? Wystarczy że w odpowiednim momencie przerwie się ładowanie?

Ogólnie musisz pilnować by napięcie na akumulatorze nie przekroczyło tych 14,4V i tyle. Jeżeli stwierdzisz, że napięcie podczas ładowania zaczyna przekraczać 14,4V to możesz np. włączyć na tranzystor modulację PWM i zmniejszać wypełnienie tak by utrzymać je na tym poziomie. Wiadomo, że można to zrealizować gdy w układzie zastosujesz jakiś tranzystor zamiast przekaźnika ... np. IRF....

Jeśli bym z paneli zmniejszył napięcie na 14,4 to by nie było problemu, bo wtedy ładowało by akumulator do 14,4 a potem samo by kończyło. Chyba zrobię to na PWM. A co jeśli bym ładował tymi 18V? Żeby sprawdzić napięcie na akumulatorze przy ładowaniu 18V, to muszę na moment pomiaru odłączyć panele od akumulatora?

Właśnie nie -sprawdzasz podczas ładowania.

Włączę się jeszcze do tej dyskusji. Uważam, że niepotrzebnie komplikujecie sprawę. Do tego całego interesu w zupełności wystarczy kontroler napięcia (ja go nazwałem ogranicznik napięcia) na biegunach akumulatora. On załatwi ten problem. Przedstawię jak to wygląda u mnie przy ładowaniu akumulatora prostownikiem z takim układem i możliwością zmiany napięcia ładowania - przy niższym napięciu jest mniejszy prąd ładowania, a przy wyższym większy - to logiczne. Jak to wygląda w praktyce. Podłączam akumulator pod prostownik i rozpoczyna się ładowanie. Jak napięcie wzrośnie do 14.4 V ładowanie zostaje przerwane przez układ kontroli napięcia i napięcie na biegunach spada. Jak napięcie spadnie do poziomu np. 13.5V (wartość można również ustawić na 13.0V) układ kontroli wznawia ponownie ładowanie - napięcie zaczyna wzrastać i tak w koło Macieju. Czas przerw między wznawianiem ładowania jest mniej więcej stały i w zasadzie zależy od stanu technicznego akumulatora. Czas ładowania między przerwami również zależy od stanu technicznego akumulatora, ale decydujący wpływ na to ma wartość napięcie ładowania (od tego zależy prąd ładowania) i im wyższe napięcie tym ten czas będzie krótszy.
Spróbuję dołączyć plik z artykułem (na który gdzieś na forum się natknąłem), w którym opisane jest rozwiązanie, które moim zdaniem rozwiąże kolegi dylemat.

Dzięki gimak za schemat. Ale nadal mi nikt nie odpowiedział jak to jest z tym napięciem. Jeśli ładujemy akumulator napięciem np. 18V i mierzymy napięcie w trakcie tego ładowania, to woltomierz pokaże napięcie na akumulatorze, napięcie ładowania czy jakieś napięcie pośrednie pomiędzy napięciem akumulatora, a napięciem ładowania?

Napięcie pośrednie!!!! Napięcie to będzie dążyć do "napięcia ładowania" tym szybciej im większy ładowarka jest w stanie dać prąd. Nie wiem czy napisałem to mało wyraźnie czy zbyt zawile.

To ja jeszcze dołożę, uściślę - pokaże napięcie pośrednie, ale bardziej zbliżone do napięcia akumulatora, a jeszcze dokładniej to napięcie akumulatora powiększone o spadek napięcia na oporze wewnętrznym akumulatora. Reszta jest dokładnie tak jak napisał wyżej Steryd3.

Witam
Też mam ogniwa solarne było z tym sporo kłopotu bo ma działać cały rok a wiadomo słońca w Polsce nie ma za wiele .Teraz mam tak : ogniwa solarne ładują akumulatory przez sterownik (kupny działa super) w przypadku braku słońca przez dłuższy czas i w zimie prostownik doładowuje akumulatory załącza się przy spadku napięcia do 11,7v a wyłącza przy nap 13,6V akumulatory nie sa naładowane do pełna ale trzeba oszczędzać
Dziwię sie że kolega luki9542 chce sie męczyć z robieniem sterownika a nie kupi sprawdzoną technologię chyba że chodzi o satysfakcję to OK
Ja kupiłem bo wiem że ogniw solarnych oświetlonych nie wolno odłączać od obciążenia (akumulatora)mam sterownik 10A troche drogo bo 189 zika brutto ale nie żałuję
A tu troche o sterowniku
Charakterystyka
- Automatyczne wykrywanie napięcia 12/24V
- Ładowanie PWM
- Zabezpieczenie przed głębokim rozładowaniem
- Automatyczne załączanie po rozłączeniu
- Kompensacja temperaturowa napięcia ładowania
- Możliwe uziemianie na klemie
- Comiesięczne ładowanie serwisowe
- Włącznik zmierzchowy

Zabezpieczenia
- Przeładowanie akumulatora
- Głębokie rozładowanie akumulatora
- Zamiana biegunów na każdym z wejść/wyjść
- Przeciwzwarciowe (oprócz akumulatora)
- Przeciwprzepięciowe na wejściu panelu
- Przed prądem zwrotnym do panelu
- Przed przegrzaniem i zbyt dużym obciążeniem

Sygnalizacja stanu
- Wielofunkcyjne diody LED
- Diody LED typu multi-color
- 4 diody LED

Regulator ładowania wyposażony jest w włącznik zmierzchowy, za pomocą którego można kontrolować pracę urządzeń po zmierzchu, np lamp. Umożliwia automatyczne włączenie odbiorników po zmierzchu do świtu lub na określony okres czasu.
Możliwe ustawienia czasu pracy:
od zmierzchu do świtu, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 lub 8 godzin.

UWAGA
Fabrycznie funkcja włącznika zmierzchowego nie jest aktywna. Programowanie regulatora wykonywane jest na życzenie klienta w naszej firmie. Prosimy o podanie jednej z powyżej podanych opcji w trakcie składania zamówienia.
Jak kogoś interesuje to piszcie .Nie wiem czy można podawać linki do konkretnych firm potem sa kary nagany itp
Pozdrowiam