Обзор солнечной панели мощностью 30 Вт и бюджетного контроллера CMTP02

На mySKU иногда проскакивают обзоры солнечных панелей. Я решил тоже приобщиться к «зелёной» энергии. Перечитал стопку разных материалов по солнечным панелям и контроллерам. Экспертом не стал, но знаний набрал небольшой мешок. Частичкой знаний я с вами сегодня поделюсь.

Для реализации автономного освещения в бане на даче и знакомства выбрал небольшую панель с номинальной выходной мощностью 30 Вт и напряжением 12 В, и простой популярный контроллер для заряда свинцово-кислотного аккумулятора CMTP02.


Планируемая схема подключения:


Солнечная панель

Солнечная панель пришла неожиданно быстро. Позвонил курьер, которого я не ожидал. Из-за большого веса магазин Banggood отправил панель через EMS, а вот контроллер обычной почтой шёл стандартные три с половиной недели.

Панель была упакована хорошо, но самое уязвимое место — углы алюминиевого профиля. Ничего страшного, но на будущее надо просить продавца дополнительно защитить углы в упаковке.


Панель достаточно большая. Реальные размер 650x350x25 мм, вес 2,5 кг.

Фотоэлементы находятся между толстым листом прозрачного пластика и тонким листом белого пластика. Сэндвич вставлен в алюминиевый профиль и обработан герметиком. Алюминиевый профиль покрыт транспортировочной плёнкой. Степень защиты нигде не указана. Лицевой пластик по ощущениям прочный. Как он выдержит град, я не знаю.

На обратной стороне панели находится защитный кожух / короб для соединения. Из него выходит провод.

Провод длинный — 4,5 метра, 2 x 0,75 мм.

На концах провода «крокодилы». Конечно, при финальном монтаже крокодилы и большую часть проводу нужно будет отрезать, но для теста пригодятся.

Внутри короба шунтирующий диод. Он нужен только для последовательного соединения нескольких панелей (чтобы при уходе в тень одной из панелей вся система продолжала работать), для одной панели он роли никакой не играет.


Наклейка со спецификациями:

Производитель не указан. Спецификации:


Как можете видеть, солнечная панель выдаёт максимальное напряжение 21 В без нагрузки (в реальности по замерам 22 В), а не 12 В, как заявлено. Пугаться не нужно. Это нормально, обычно указывается рабочее напряжение системы, для которой предназначена солнечная панель, а это 12 В (на самом деле это формальность, в реальности всё зависит от контроллера заряда). Например, солнечные панели для систем 24 В могут иметь напряжение до 45 В.

Чтобы параметры панели стали более понятными, посмотрите на график (он относится к панели 230 Вт, 24 В):

Горизонтальная ось — напряжение, вертикальные оси — сила тока и мощность. Посмотрите, как меняется сила тока панели (красный график). При увеличении силы тока напряжение панели снижается. А теперь посмотрите график мощности (синий, IxU). Как вы можете видеть, максимальная мощность достигается в определённой точке. Эта точка называется точкой максимальной мощности панели — maximum power point, характеризуется значениями Vmp и Imp. Во время работы, в основном из-за изменения температуры фотоэлементов, эта точка может смещаться.

Панель из обзора имеет Vmp = 18 В и Imp = 1,67 А. Именно в этой точке достигается мощность 30 Вт (в самых идеальных условиях). Если вы будете нагружать панель больше, сила тока будет незначительно расти, а напряжение и выходная мощность падать. Если вы будете нагружать панель меньше, то сила тока будет падать, напряжение расти, а мощность опять падать. Т.е. эффективность панели при смещении от точки максимальной мощности снижается. Чуть позже я ещё вернусь к точке максимальной мощности.

Контроллер

Контроллер CMTP02 поставляется в небольшой коробке.

Внутри сам контроллер и краткая инструкция.


Контроллер рассчитан на ток до 15 А. Т.е. отдаёт на аккумулятор и в нагрузку ток до 15 А. Это «китайские» 15 А. В реальности, конечно, меньше. У меня панель с максимальной силой тока 1,75 А — можно вообще не беспокоиться. Контроллер может работать с аккумуляторами 12 В и 24 В.

Откручиваем 4 винта и снимаем металлическую крышку. На нижней стороне платы три MOSFET транзистора со стёртой маркировкой. На транзисторы надета изоляция. Может она играет роль термоподложки для отвода тепла на металлическую крышку, но материал твёрдый и к крышке прилегает плотно лишь один транзистор. Если планируете использовать контроллер с силой тока больше 5 А, лучше заменить эту изоляцию на силиконовую термоподложку (100x100x3 мм стоит пару долларов).


На обратной стороне платы операционный усилитель LM358 и контроллер STM8S003F3, и множество SMD компонентов в обвязке.

На рынке присутствует много разновидностей подобного контроллера с дополнительным функционалом. На плате есть место для разводки USB выхода (5 В), стабилизированное напряжение 12 В и пр.

Данный PWM/ШИМ контроллер самый простой, без возможности какой-либо настройки. Нужно только подключить аккумулятор, солнечную панель и нагрузку. Важно соблюдать последовательность подключения. Аккумулятор > солнечная панель > нагрузка. Отключение в обратном порядке. Без аккумулятора контроллер не работает.

Хоть в инструкции и указано, что контроллер может работать с GEL аккумуляторами, но лучше этого не делать, т.к. именно у этого контроллера нет выбора типа аккумулятора, а значит напряжение одинаково для всех типов аккумуляторов. Для GEL оно обычно должно быть ниже.

Рынок контроллеров зарядки от солнечных панелей формально можно разделить на два типа. MPPT и не MPPT (их ещё иногда называют PWM/ШИМ). MPPT — maximum power point tracking, отслеживание точки максимальной мощности. Помните, я писал про точку максимальной мощности? Так вот, MPPT контроллер отслеживает (есть разные алгоритмы) точку максимальной мощности и на входе старается держать напряжение на уровне, который соответствует этой точке, до следующего замера. Многие MTTP контроллеры без проблем могут работать с высоким напряжением (например, последовательно соединённые панели с напряжением 90 В для малых потерь из-за сопротивления проводов), а на выходе заряжать обычные 12 В аккумуляторы.

PWM контроллер не следит за точкой максимальной мощности. Например, на этапе bulk charge (CC — постоянная сила тока) напряжение солнечной панели уравнивается с напряжением батареи и последовательно растёт на этом этапе. Давайте посмотрим ещё на один график.

Обратите внимание на серую зону и чёрный график выходной мощности солнечной панели — это выходная мощность при использовании PWM контроллера, а точка Pmpp — выходная мощность при использовании MTTP контроллера.

MPPT контроллеры стоят дороже и являются более эффективными. Но существенный выигрыш получается лишь при использовании мощных панелей. Нужно ещё знать, что многие дешевые китайские контроллеры, на которых написано MPPT, на самом деле таковыми не являются.

Вернёмся к CMTP02. Для его первичного теста я буду использовать: AGM аккумулятор, тестер EBD-USB для создания нагрузки, простой USB-тестер с поддержкой высоких напряжений

Индикатор Solar (солнечная панель) горит, когда есть напряжение от солнечной панели. Мигает, когда напряжение превышает норму для данного контроллера (более 45 В). Контроллер имеет защиту от обратного тока — от аккумулятора к солнечной панели.

Индикатор Load (нагрузка) горит, когда нет никаких проблем. Не горит, если напряжение аккумулятора ниже 11,2 В — в этом случае в нагрузку ток не идёт. Быстро мигает при коротком замыкании.

Пока хватает мощности солнечной панели для питания нагрузки, батарея заряжается. Т.е. ток идёт и на батарею, и в нагрузку. Как только мощность нагрузки начинает превышать выходную мощность солнечной панели, зарядка аккумулятора прекращается, и недостача тока компенсируется от аккумулятора. Весь процесс работает как часы. Как только солнечная панель перестаёт вырабатывать энергию (например, солнечный день закончился), нагрузка питается только от аккумулятора.

Как я уже написал, контроллер самый простой, но свою задачу выполняет. На рынке присутствует множество моделей контроллеров под любые задачи, мощности и кошелёк.

Если у вас стоит простая задача, например, вы хотите фонтан на даче, который работает только днём, то нет ничего проще. На рынке доступны вот такие интересные преобразователи с ручной настройкой напряжения максимальной мощности:

Стоят такие устройства от 6$. Аккумулятор не нужен, просто подключаете преобразователь напрямую к солнечной панели и помпе. С помощью потенциометра MPP выставляете входное напряжение максимальной мощности, дополнительно на выходе задаёте напряжение для помпы. Просто и эффективно.

Тестирование солнечной панели

Чтобы чётко знать, какое количество энергии будет вырабатывать панель в день, построить дневные графики и пр., есть несколько вариантов. Самый простой и частный — это подключить тестер между контроллером и разряженным аккумулятором. Универсальный — это использовать нагрузку, которая поддерживает режим Constant Voltage. Суть этой нагрузки в следующем — вы задаёте напряжение, и нагрузка начинает увеличивать силу тока до тех пор, пока напряжение не стабилизируется на заданном значении. Как только напряжение начинает проседать или повышаться, нагрузка мгновенно уменьшает или увеличивает ток потребления. Так образом источник энергии, солнечная панель, выдаёт всё, что может в конкретный момент времени при заданном напряжении.

Решил использовать нагрузку с режимом CV, которая будет подключаться напрямую к панели.

Проблема в том, что такой режим востребован очень редко, в электронных нагрузках не всегда есть. Поспрашивал у знакомых, ни у кого такой не оказалось. Я начал штудировать схемы в сети Интернет. Быстро нашёл простую схему. Не обошлось без помощи друга. Но всё получилось.

В схеме используется операционный усилитель LM358 (U1) и полевой транзистор (N-канал, Q1). В наличие был другой операционный усилитель, для него понадобилось добавить ещё стабилизатор в схему. Готовый продукт имеет не совсем презентабельный вид, но главное — содержит синюю изоленту и полностью пригоден для использования.


С помощью потенциометра можно настраивать напряжение нагрузки. Т.к. нагрузка сделана из подручных компонентов, то присутствует некоторый перепад напряжения при изменении силы тока. Стенд для тестирования выглядит следующим образом:

Т.к. сила тока небольшая у моей панели, то можно использовать тонкие короткие провода. Для измерения буду использовать тестер EBD-USB в режиме мониторинга. Нагрузка подключена к солнечной панели сквозь EBD-USB, который в свою очередь подключен к компьютеру. Первая ревизия EBD-USB поддерживает измерение напряжения до 13,65 В (работа до 20 В). Мне это на руку, т.к. при подключенном аккумуляторе диапазон напряжения будет 11,2 — 14,6 В. Потенциометром на нагрузке выставлю напряжение чуть больше 12 В.

27 марта, временной отрезок 9.00 — 9.05, безоблачная погода.


Всплески — это я прикрывал солнечную панель, смотрел на изменение графика. За 5 минут работы солнечная панель выдала 1,5 Вт⋅ч. Выходная мощность составляла 19 Вт. При установке напряжения около 18 В, точка максимальной мощности (это я уже смотрел с заменой EBD-USB на обычный USB тестер с поддержкой высокого напряжения), мощность составила 21 Вт. И это только утро в конце марта. Летом при солнце в зените панель вполне может выдать заявленные 30 Вт. Но будем ориентировать на имеющиеся данные. Если грубо прикинуть, что солнце будет светить 5 часов день, то я получу 1,5 x 12 x 5 = 90 Вт⋅ч в день. Летний световой день длиннее, коэффициент «лето/весна» в центральном регионе 1,5. Т.е. летом будет 135 Вт⋅ч. КПД свинцово-кислотного аккумулятора 75%. Запасённая в день энергия составит 100 Вт⋅ч. Аккумулятор (14,5 А⋅ч) полностью зарядится за 2 световых дня. В сарае и в бане я смогу повесить 4 лампы по 7 Вт (со световым потоком 500 Лм, эквивалент 55 Вт). И каждый день/вечер я смогу их использовать до 3 часов одновременно. Меня это устраивает.

Конечно, это грубый приблизительный подсчёт, основанный на кратковременных тестах. Детальное тестирование с замерами и графиками целого дня я буду проводить в мае уже на месте размещения панели.

Пока я экспериментировал с панелью, радиатор нагрузки нагревался очень сильно — как-никак, рассеивала 20 Вт. Для замеров моей панели его вполне хватит, а вот мощнее уже нужно ставить радиатор побольше и активное охлаждение.

Вот ещё один замер. 31 марта, временной отрезок 9.00 — 9.05. Погода пасмурная, на небе дымка и облака. Солнце то выходит, то скрывается.

Выходная мощность составила от 3 Вт до 17 Вт. За 5 минут работы солнечная панель выдала 1 Вт⋅ч. Для такой погоды панель справляется отлично.

Опыты с солнечной панелью мне понравились, я их продолжу. Если у кого-то есть дельные и полезные советы, не стесняйтесь, делитесь ими в комментариях. Думаю, что многим будет интересно.

Рыжий бандит тоже заряжается от солнца: