Источник бесперебойного питания в системе освещения дома от солнечных батарей
В доме автора нередко отключают электропитание, что очень некстати в тёмное время суток, когда детям нужно делать уроки, а у остальных членов семьи остаются незаконченными домашние дела. Это побудило его изготовить резервную систему питания.
Было выяснено, что потребляемая полностью включённым освещением дома мощность при использовании люминесцентных ламп не превышает 600 Вт. В наличии имелся компьютерный источник бесперебойного питания (ИБП) PowerCom BNT-1000AP мощностью 1000 В·А, который и был включён в разрыв электролинии, питающей освещение. Теперь при отключении электричества освещение в доме продолжает работать.
В дальнейшем были куплены две панели солнечных батарей напряжением 24 В и мощностью 200 Вт каждая, а также недорогое зарядное устройство для двух соединённых последовательно аккумуляторных батарей напряжением 12 В и ёмкостью по 80 А·ч. Это могло полностью избавить освещение от капризов электроснабжения. Оставалось лишь получить из постоянного напряжения 24 В переменное 230 В. Но из-за высоких цен приобрести готовый преобразователь не представилось возможным, поэтому я решил использовать уже имеющийся ИБП, способный работать от аккумуляторной батареи с общим напряжением 24 В.
Но возникла проблема. Автоматическое включение при подаче напряжения от сети или от аккумуляторной батареи в применённом ИБП не предусмотрено, для этого необходимо нажать на кнопку «Пуск». Для устранения этой проблемы и разработано предлагаемое устройство, схема которого представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема устройства
С появлением источника света (солнца) солнечные батареи с помощью зарядного устройства заряжают аккумуляторную батарею. Когда её напряжение, поданное на контактную колодку XT1, достигает заданного порога, срабатывает реле к1, контакты которого через разъём XP1 подключены параллельно контактам кнопки «Пуск» ИБП.
При отсутствии нагрузки в течение 4 мин ИБП PowerCom BNT-1000AP самостоятельно выключается, что экономит запасённую в аккумуляторной батарее энергию. Но чтобы эта функция действовала, необходимо при включении ИБП удерживать его кнопку «Пуск» нажатой около четырёх секунд. Чтобы ИБП работал без нагрузки, не выключаясь, кнопку следует удерживать нажатой 6 с.
В рассматриваемом устройстве можно установить желаемую продолжительность имитируемого им «нажатия» на кнопку «Пуск». Для этого нужно включить его при нажатой кнопке SB1, а затем отпустить её. После этого контакты реле K1.1 будут замыкаться на время, равное прошедшему с момента включения устройства до отпускания кнопки SB1. Это позволяет использовать устройство с разными ИБП. Изменять длительность «нажатия» можно много раз.
Стабилизатор DA1 понижает напряжение с 24 до 12 В, необходимых для реле K1. Далее стабилизатор DA2 понижает его до 5 В, нужных для питания микроконтроллера.
На колодку XT2 поступает переменное напряжение с выхода ИБП. Если оно есть, через резисторы R1, R2 и излучающий диод оптрона U1 течёт ток, поэтому фототранзистор оптрона открыт. В результате на входе микроконтроллера установлен низкий уровень напряжения, что программа воспринимает как признак наличия напряжения на выходе ИБП. Диод VD1 защищает излучающий диод оптрона от обратного напряжения.
Транзистор VT1 служит усилителем генерируемого микроконтроллером сигнала управления реле к1. Разъём XP1 соединяют с контактами кнопки «Пуск» ИБП.
Кнопка SB1 предназначена для задания продолжительности удержания контактов реле K1.1 замкнутыми. Если она нажата, уровень напряжения на входе PB2 микроконтроллера при включении устройства остаётся низким. Обнаружив это, программа начинает отсчёт времени, который заканчивается в момент, когда кнопка SB1 отпущена и уровень на входе PB2 благодаря резистору R6 стал высоким. Полученный результат программа записывает в энергонезависимую память и использует его при отсчёте длительности формируемого на выходе PB0 импульса.
Напряжение, поступающее на колодку XT1 от аккумуляторной батареи, микроконтроллер измеряет с помощью своего АЦП. Оно поступает на его вход ADC3 через резистивный делитель напряжения R3R4, уменьшающий напряжение на входе микроконтроллера до допустимого, не превышающего 5 В. Если напряжение аккумулятора превысило заданный уровень, программа проверяет наличие переменного напряжения на выходе ИБП и, обнаружив, что его нет, формирует на выходе PB0 импульс установленной длительности, имитирующий с помощью транзистора VT1 и реле K1 нажатие на кнопку «Пуск» ИБП.
С появлением напряжения на выходе ИБП устройство переходит в режим ожидания. Но как только напряжение аккумуляторной батареи снизится до 11,5 В, ИБП самостоятельно выключится. Когда аккумуляторная батарея вновь зарядится от солнечных батарей, микроконтроллер DD1, выйдя из «спящего» режима, повторит запуск ИБП.
Программа микроконтроллера написана на языке Basic в среде разработки Bascom AVR. Его конфигурация должна быть установлена в соответствии с таблицей.
установка солнечной батареи и зарядник из UPS
Еще два года назад, собирая машину из руин, я полностью избавился от любой дополнительной проводки, оставив только штатную, которая была установлена на заводе.
Задумка была такой — вся штатная электрика питается только от штатного аккумулятора. А вот вся дополнительная проводка, все дополнительные потребители питаются от отдельного аккумулятора. В качестве такого аккумулятора, была приобретена Оптима «Желтая» на 55 ач, а для зарядки обоих батареек, Т-максовская система зарядки. Это электронный блок, который замеряет батарейки и при помощи электромагнитного реле раздает зарядку на нуждающуюся батарейку.
Как-нибудь, посвящу этой схеме и моей системе внутренних потребителей отдельный пост, а пока, пока расскажу про дополнительные пути зарядки севших аккумуляторов.
Путь первый, от внешнего источника 220 Вольт.
Путь второй, от солнечной батареи, установленной на крыше авто.
Началось всё с того, что я устал спотыкаться о бесхозный UPS — источник бесперебойного питания для компьютера. Валялся он долго, внутренняя батарейка там уже давно скончалась. Хотел выкинуть… потом внезапно подумалось… а почему бы, если этот прибор может заряжать свою батарейку, ему не заряжать и аккумулятор в машине. Скажем, стоит машина в лагере, вечером работает генератор, который даёт энергию в лагерь и заодно питает машину заряжая её батарейку.
Сказано — сделано. Распотрошил UPS, вытащил внутреннюю батарейку, вывел наружу провода, которые к ней шли. При помощи дримеля сократил размер UPSа, сделал ему крепления. Поставил большой внешний вентилятор для охлаждения. А еще, снял панель управления UPSом и удлинил его провода, что бы установить её на заднюю стенку «собачатника», вместе с остальными системами контроля и управления.
теперь всё это стоит на авто, но… но не доделал самую малость — не поставил солнечную батарею на 100 ватт на крышу и не вывел вилку подключения к внешнему 220 Вольт. Хотя проводка уже давно прокинута.
Эх лень… :((
Источники бесперебойного питания с возможностью подключения солнечной панели
Система из источника бесперебойного питания и солнечных батарей позволяет экономить электроэнергию, меньше зависеть от работы электросетей и обеспечить стабильное электроснабжение используемого оборудования. Такие системы выручают в разных случаях, когда нужно обеспечить независимое электроснабжение отдельного потребителя – частного дома, загородного предприятия, пасеки, кемпинга, автодома и т.д.
Применение ИБП с подключением к солнечным панелям
Энергосистема на солнечных батареях может использоваться для разных целей:
- Для создания аварийного резерва – чтобы обеспечить бесперебойную работу оборудования при аварийных ситуациях и пропадании напряжения в основной сети. В таком случае комплектация системы минимальна. Достаточно, чтобы она обеспечивала резервное питание наиболее важных приборов, например, системы отопления, осветительных устройств, холодильника и компьютера.
- В целях экономии – когда энергия солнца дополняет электроэнергию, оплачиваемую по счетчику. Для реализации такой схемы можно нарастить мощность системы и использовать инвертор в режиме «подмешивания» солнечной энергии или питать от солнечных батарей отдельные линии. Кроме экономии, этот вариант включает и аварийно-резервной питание.
- Для полной замены городской электросети, за исключением аварийного резерва на случай поломки системы на солнечных панелях. Реализация этой схемы требует наибольших затрат, т.к. необходимо создать мощную систему и дополнить ее генератором на случай недостаточной активности солнца.
Использование энергии солнца
В системах альтернативного электроснабжения энергия солнца преобразуется в напряжение постоянного тока. Напрямую подключить солнечную панель к электросети с характеристиками 220 В переменного тока и 50 Гц нельзя. Вначале необходимо преобразовать постоянное напряжение. Для этого применяют инвертор солнечных батарей. Кроме функций преобразователя напряжения, он выступает контроллером сетевого напряжения и заряда АКБ.
Для накопления и хранения вырабатываемой солнечной энергии используются аккумуляторные батареи. Их назначение – запасать энергию и отдавать ее через инвертор в нагрузку. Благодаря этому пользователи получают электроэнергию даже в пасмурную погоду и ночью. Инвертор направляет вырабатываемую панелями энергию на зарядку буферной АКБ, а когда нужно отдать ее в нагрузку – преобразует в параметры 220 В, 50 Гц и отдает.
Если солнце неактивно, а аккумуляторы в ИБП разрядились, происходит их подзарядка от основной сети. В таком случае инвертор работает по принципу «байпас», без преобразования поступающего тока. Характерным отличием солнечных инверторов является приоритетный забор энергии от солнечных батарей, а не от городской электросети.
Выбор солнечных панелей
Самые эффективные и долговечные панели производят из монокристаллического кремния, более дешевые – из поликристаллического и аморфного кремния. Для создания системы с высокой энергоотдачей желательно выбирать солнечные панели с наибольшим КПД на единицу площади. Размещать их рекомендуется на южной стороне под углом 45°. Есть панели, устанавливаемые на крышу по принципу мансардных окон. Более простые модели поставляются в раме из алюминия и крепятся к накладным рейлингам.
Мощность панелей рассчитывается так, чтобы иметь достаточный зарядный ток в пасмурную погоду, утренние и вечерние часы. Важно, чтобы восполняемый энергетический баланс позволял стабильно работать хотя бы основному оборудованию.
Назначение и виды солнечных контроллеров
Выходное напряжение солнечных панелей нестабильно – в зависимости от уровня освещенности его значение меняется от 0 до максимума. Поэтому для заряда АКБ напряжение необходимо преобразовывать. В простейшем варианте используется контроллер, отключающий буферные аккумуляторы при достижении ими полного заряда и подключающий их обратно, когда:
- Нужна подзарядка.
- Uвых солнечных панелей подходит для нормального заряда.
Ввиду неэффективности этого метода в бюджетных контроллерах чаще применяется ШИМ-модуляция. Она позволяет получить нужные параметры для заряда буферных аккумуляторов в расширенном входном диапазоне. Но Uвых массива солнечных панелей нужно хоть приблизительно совместить с напряжением АКБ.
Наиболее эффективны MPPT-контроллеры. Они преобразовывают напряжение в широком диапазоне и в процессе работы контролируют точку предельной мощности, позволяя снимать больше энергии и заряжать аккумуляторы даже в утренние и вечерние часы. С MPPT-контроллером можно соединять АКБ последовательно и не бояться нестандартных значений напряжения при сопряжении.
Выбор инвертора
Для работы ИБП необходимы инвертор, зарядное устройство и реле, переключающее нагрузку при исчезновении Uвх. У универсальных инверторов эти функции объединены, что позволяет получить 100% автономную работу устройства – без ручного перезапуска после отключения и других вариантов обслуживания. При выборе учитывайте алгоритм работы инвертора – нужно, чтобы заряд АКБ автоматически стартовал после возникновения сетевого напряжения, а напряжение отключения нагрузки для инвертора было больше, чем напряжение отключения контроллера.
Обычно инверторы имеют солидный запас по пусковому току. Поэтому их номинальную мощность выбирайте по реальному максимуму нагрузки, которую вы планируете подключать к резервной линии. Выбирайте прибор в герметичном корпусе, с низким уровнем шума и небольшим потреблением мощности, с чистой или модифицированной синусоидой – в зависимости от того, насколько чувствительны к форме напряжения используемые вами приборы.
Полезная функция солнечного инвертора – экспорт электроэнергии. При полном заряде АКБ избыточная энергия от солнечных панелей передается во внешнюю цепь. За эту функцию стоит доплатить, если вы собрали мощную солнечную электростанцию.
Типы АКБ в источниках бесперебойного питания
В зависимости от класса используемых аккумуляторов, выделяют несколько видов источников бесперебойного питания. Из закрытых свинцово-кислотных аккумуляторов применяются VRLA – модели с клапанной регулировкой выделяемых газов:
- AGM – батареи с электролитом в стеклопластиковых капсулах – популярны в системах большой емкости;
- GEL – модели с намазанным на пластины гелеобразным электролитом – востребованы в компактных ИБП.
Эффективной альтернативой свинцово-кислотным АКБ являются современные батареи Li-ion типа. Они имеют большой запас емкости при компактных размерах и служат в разы дольше. От характеристик АКБ зависит мощность и эффективность всей системы. Поэтому лучше купить литиевые АКБ с достаточным запасом емкости.
Источник https://www.radioradar.net/radiofan/power_supply/power_supply_solar_panels_home_lighting_system.html
Источник https://www.drive2.ru/l/9242955/
Источник https://virtustec.ru/news/istochniki-besperebojnogo-pitaniya-s-vozmozhnostyu-podklyucheniya-solnechnoj-paneli.html
