Регуляторы заряда аккумуляторов от солнечных батарей

Во многих случаях необходимо, чтобы электроприборы и оборудование работали и при отсутствии солнечного света. Для этого следует накопить в аккумуляторах солнечную энергию, вырабатываемую в течение дня, для последующего использования. Наиболее приемлемыми для этих целей являются свинцово-кислотные аккумуляторные батареи.

Аккумуляторные батареи

Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи фактически состоят из нескольких отдельных элементов, соединенных последовательно. Каждый элемент, развивающий напряжение до 2 В, содержит две свинцовые пластины, помещенные в слабый раствор серной кислоты. При протекании электрического тока через элемент происходит обратимая электрохимическая реакция, и в элементе запасается электрическая энергия, которую при необходимости можно впоследствии использовать.

Несмотря на кажущуюся простоту, в действительности процесс зарядки аккумуляторной батареи достаточно сложен. Батарея свинцово-кислотных аккумуляторов является чувствительным электрическим устройством, требующим бережного отношения, особенно при зарядке. В подтверждение этого проследим за различными стадиями типичного зарядного цикла.

Заряд аккумуляторной батареи начинается при приложении напряжения к пластинам элемента, в результате чего через него начинает протекать электрический ток. Он приводит к возникновений электрохимической реакции, изменяющей химический состав пластин и электролита аккумуляторного элемента. Скорость этой реакции зависит от величины зарядного тока. Чем больше ток, тем быстрее протекает реакция. В конечном счете именно заряд, связанный с этим током, запасается в элементе для последующего использования.

Аккумуляторная батарея накапливает все больший заряд, и в конце концов наступает насыщение. По существу химическая реакция стабилизируется или уравновешивается, и дальнейшее накопление заряда прекращается. Равновесие наступает, когда большинство сульфатных ионов, которые были поглощены из раствора серной кислоты свинцовыми пластинами во время цикла разряда батареи, возвращается из пластин в раствор.

При этом пластины снова приобретают металлические свойства и начинают вести себя, как электроды, помещенные в водный раствор (прекрасную среду для электролиза). Зарядный ток начинает разлагать воду в электролите на элементарные составляющие (водород и кислород).

Этот процесс можно заметить, даже не зная о его существовании, наблюдая так называемое «кипение» батареи. Термин этот ошибочно используют из-за внешнего сходства пробулькивания пузырьков газа при электролизе с кипением.

Правильнее этот эффект называть газовыделением. Газовыделение начинается, когда в батарее запасено около 70—80 % полного заряда. Если бы батарея заряжалась с прежней скоростью, газовыделение привело бы к повреждению аккумуляторных элементов.

Однако скорость электролиза, вызывающего газовыделение, пропорциональна току, протекающему через элемент. Чем меньше ток, тем медленнее разлагается вода и слабее выделение газа. Можно существенно уменьшить разрушительные последствия выделения газа, снизив зарядный ток при появлении признаков газовыделения. Хотя оно полностью прекращается только в отсутствие тока, величину зарядного тока можно снизить до такого уровня, чтобы не ухудшить качество батареи при накоплении заряда. На последнем этапе заряда аккумуляторную батарею заряжают током, величина которого обычно составляет небольшую часть начального зарядового тока. Этим током медленно заряжают батарею и тем самым предотвращают интенсивное выделение газа.

После полного заряда аккумуляторной батареи ее можно отключить от источника питания. Из-за наличия примесей в электролите и изменения химического состава пластин в аккумуляторных элементах возникают внутренние токи, уменьшающие со временем накопленный заряд. В конечном итоге аккумуляторная батарея саморазрядится.

Очевидно, что ток, необходимый для заряда аккумуляторной батареи, зависит от степени заряженности аккумуляторных элементов. Отсюда вытекает необходимость создания регулятора заряда, оценивающего состояние разряженности батареи и в зависимости от него управляющего зарядным током. Известны три способа заряда свинцово-кислотных аккумуляторов. При заряде от солнечных элементов наиболее пригоден способ с двухступенчатым зарядным циклом (рис. 1).

Прежде всего предположим, что аккумуляторная батарея полностью разряжена. Начнем пропускать ток через элементы. Поскольку зарядный цикл аккумуляторной батареи должен соответствовать периоду генерации солнечными элементами полезной электрической мощности, желательно, чтобы заряд батареи происходил за возможно кратчайшее время.

Оптимальным режимом заряда будет такой, при котором выделение газа начнется примерно через 4 ч после начала заряда батареи. Это время соответствует наибольшей интенсивности солнечного излучения в светлое время суток, обычно в интервале 10—14 ч. Независимо от сезонных изменений и погодных условий именно в это время суток можно достичь максимальной отдачи от солнечных элементов.

Этому времени заряда численно соответствует зарядный ток величиной 20 А на каждые 100 А-ч емкости батареи, если, конечно, солнечные элементы позволяют получать такой ток. Например, батарея емкостью 75 А-ч должна заряжаться током 15 А. После 4-часового заряда при фиксированной скорости до начала газовыделения в батарее будет запасено 80 % полного заряда. На следующем этапе необходимо снизить зарядный ток до более низкого уровня.

Рис. 1

Величина этого тока обычно составляет 2—5 % емкости батареи. Для взятой в качестве примера батареи емкостью 75 А-ч зарядный ток на конечном этапе заряда может составлять 1,5—3,75 А. В зависимости от выбранного тока потребуется еще 4—10 ч для окончательного заряда аккумуляторной батареи.

При такой скорости для полного заряда батареи требуется более 1 сут. Однако в совершенных энергетических устройствах аккумуляторные батареи обычно находятся в полностью заряженном состоянии большую часть времени эксплуатации, а их полная разрядка встречается крайне редко.

После окончательного заряда аккумуляторной батареи рекомендуется дополнительно подать на нее ток резервного (компенсационного) подзаряда. Величина этого тока обычно составляет 1—2 % полной емкости аккумуляторной батареи. Этот дополнительный третий этап заряда батареи усложняет конструкцию регулятора заряда.

Выйти из положения можно, объединив второй и третий этапы заряда, используя в качестве конечного тока или резервного подза-рядного тока один и тот же ток, значение которого составляет 2 % от емкости батареи. В результате упрощается конструкция регулятора и повышается его надежность.

Для нормальной работы регулятора заряда, удовлетворяющего перечисленным выше требованиям к зарядному току, необходимо иметь сведения о степени зараженности аккумуляторной батареи в любой момент времени.

К счастью, сама батарея дает ключ к решению этой проблемы: имеется надежно установленное соотношение между количеством запасенного в батарее заряда и напряжением на ней. Как видно из рис. 2, это отношение почти всегда линейно.

Рис. 2

Интересующая нас область заряда лежит в пределах 70—80 % от полного заряда батареи. Именно при достижении такой степени заряженности начинается газовыделение и необходимо изменить зарядный ток. Для 12-вольтовой батареи в этой точке напряжение составляет 12,6 В. Полностью заряженная батарея развивает напряжение 13,2 В.

Определяя напряжение на батарее, можно регулировать зарядный ток. Если напряжение ниже 12,6 В, то аккумуляторные элементы содержат менее 80 % заряда и регулятор выдает полный зарядный ток. Когда же напряжение на батарее поднимается выше 12,6 В, необходимо снизить зарядный ток до уровня подпитывающего тока.

Принципиальная схема мощного регулятора зарядного тока

За напряжением на батарее следит специальное устройство (компаратор), которое представляет собой не что иное, как обычный усилитель с очень большим коэффициентом усиления. Действительно, компаратор, включенный в схему, представленную на рис. 3, можно использовать как операционный усилитель.

Компаратор сравнивает два напряжения—измеряемое и опорное, подаваемое на его входы. На инвертирующий вход компаратора (—) подается опорное напряжение со стабилитрона D2. Этим напряжением задается уровень срабатывания устройства.

Рис. 3

Напряжение батареи делится резисторами R1, и R2 так, чтобы оно приблизительно равнялось напряжению стабилизации диода D2. Напряжение, поделенное резисторами, подается на неинвертирующий вход (+) компаратора с движка потенциометра точной настройки порога переключения.

Если напряжение аккумуляторной батареи уменьшится настолько, что сигнал на неинвертирующем входе опустится ниже предела, определяемого диодом D2, на выходе компаратора установится отрицательное напряжение. Если же напряжение батареи поднимается выше опорного, на выходе компаратора установится положительное напряжение. Переключение знака напряжения на выходе компаратора и будет обеспечивать необходимое регулирование зарядного тока.

Зарядный ток регулируется с помощью электромагнитного реле. Реле управляется через транзистор Q1 выходным напряжением компаратора. Отрицательное напряжение на выходе компаратора означает, что батарея разряжена и требуется полный зарядный ток (транзистор Q1 закрыт). Следовательно, коллекторный ток равен нулю и реле выключено.

Нормально замкнутые контакты реле шунтируют токоограничительный резистор Rs. Когда реле выключено, резистор исключен из цепи и полный ток от солнечных элементов поступает на аккумуляторную батарею.

С увеличением степени заряженности возрастает напряжение на аккумуляторной батарее. Выделение газа начинается, когда напряжение достигнет 12,6 В. Компаратор, настроенный на этот уровень, переключается (на выходе компаратора — плюс). Транзистор открывается, и коллекторный ток включает реле. Контакты реле, шунтировавшие резистор Rs, размыкаются.

Рис. 4

Теперь зарядный ток от солнечных элементов должен преодолеть сопротивление ограничивающего резистора. Номинал этого резистора выбирается таким, чтобы величина зарядного тока составила 2 % от емкости батареи. В таблице на рис. 4 представлены значения Rs в зависимости от емкости аккумуляторной батареи.

Вблизи напряжения переключения компаратора имеется некоторая неопределенность. Пусть, например, напряжение на батарее поднялось до 12,6 В, превысив порог срабатывания. В обычных условиях при этом изменится выходное напряжение компаратора, сработает реле и уменьшится зарядный ток. Однако выходное напряжение аккумуляторной батареи зависит? не только от степени заряженности, но и от других факторов, и поэтому не так уж и редко наблюдается небольшое снижение напряжения после выключения большого зарядного тока. Вполне вероятно, например, снижение напряжения на несколько сотых долей вольта (до 12,55 В). Как в этом случае будет работать схема?

Очевидно, что компаратор переключится обратно и восстановится режим большого зарядного тока. Поскольку напряжение на аккумуляторной батарее очень близко к 12,6 В, то резкий рост тока несомненно вызовет скачок напряжения до уровня, превышающего 12,6 В. В результате реле снова выключится.

В этих условиях будет происходить переключение компаратора туда и обратно вблизи напряжения срабатывания. Для исключения этого нежелательного эффекта, называемого «рысканием», в усилитель вводится небольшая положительная обратная связь с помощью резистора R4, создающая гистерезисную зону нечувствительности.

При наличии гистерезиса для срабатывания компаратора требуется большее изменение напряжения, чем раньше. Как и прежде, компаратор переключится при 12,6 В, но для его возвращения в исходное состояние напряжение на аккумуляторной батарее должно снизиться до 12,5 В. Тем самым колебательный эффект исключается.

Последовательное включение диода D1 в зарядную цепь предохраняет аккумуляторную батарею от разряда через солнечные элементы в темное время суток (ночью). Этот диод предотвращает также потребление энергии регулятором заряда от аккумуляторной батареи. Регулятор полностью питается от солнечных элементов. В регулятор заряда введено индикаторное устройство, предназначенное для отображения режима работы регулятора в любой момент времени. Хотя индикатор не является необходимой частью устройства (регулятор будет работать и без него), тем не менее его наличие повышает удобство работы с регулятором.

Индикаторное устройство (рис. 3) состоит из двух компараторов и двух светоизлучающих диодов (СД). Инвертирующий вход одного компаратора и неинвертирующий — другого соединены со стабилитроном, вырабатывающим опорное напряжение. Остальные входы компараторов соединены с выходом компаратора, управляющего зарядным током.

Верхний компаратор срабатывает и включает светодиод СД1, когда регулятор работает в режиме большого зарядного тока. Если регулятор переключается в режим подпитывающего тока, верхний компаратор выключается, а нижний срабатывает и включает светодиод СД2.

Регулятор заряда монтируется на печатной плате (рис. 5), размещение компонентов схемы на которой показано на рис. 6. Особое внимание следует обратить на размещение полупроводниковых элементов (во избежание ошибочного подключения выводов). Законченная схема размещается в любом (желательно водонепроницаемом)' рорпусе. Для этих целей вполне подойдет небольшая пластмассовая коробочка.

Если корпус непрозрачен, для индикации режимов работы следует просверлить в его крышке отверстие для светодиодов. Необходимо также сделать отверстие сбоку корпуса для вывода соединительных проводников,

Рис. 5

Рис. 6

Описанный регулятор может управлять зарядным током около 5 А. Его величина ограничивается свойствами контактор используемого электромагнитного реле.

Контакты реле рассчитаны на ток до ЗА, и вполне естественным является вопрос, почему рекомендовано использовать их до 5 А. Этому можно дать следующее объяснение. Когда контакты размыкают цепь, между ними обычно возникает небольшая электрическая дуга. Дуга приводит к явлениям, аналогичным электросварке, и на поверхности контактов появляются выемки. Чем больше протекающий ток, тем сильнее воздействие электрической дуги.

Для предотвращения подобного процесса в схеме описываемого регулятора контакты реле зашунтированы небольшим сопротивлением. Поэтому значительная часть энергии поглощается резистором, а не рассеивается в электрической дуге. Таким образом контакты, не разрушаясь, могут регулировать токи, превышающие номинальный.

Рис, 7

Если требуется увеличить регулируемый ток, в схеме необходимо использовать более мощное реле, включаемое контактами слаботочного реле, как это показано на рис. 7.

Для установки второго реле в рисунок печатной платы необходимо внести соответствующие изменения.

Начните со снятия перемычек, идущих к контактам реле. Тем самым контакты отключаются от токоограничивающего резистора. Теперь используйте эти контакты для управления более мощным реле. Необходимо также заменить диод D1 и токоограничительный резистор Rs на диод и резистор, выдерживающие большие токи. Разумнее разместить оба этих элемента вне платы рядом с реле, поскольку они рассеивают больше тепла, чем прежние элементы схемы. Аккумуляторную батарею и солнечные элементы соедините непосредственно с мощным реле с помощью толстых проводников, а с помощью тонких проводников подайте питание на схему регулятора с положительного вывода солнечных элементов.

Возможен такой случай, когда электрической энергии небольшой солнечной батареи не хватит даже для питания реле. Тогда реле можно просто заменить транзистором. С этой целью можно убрать реле RL1 и управляющий им транзистор Q1 и подключить к резистору Rs p-n-p транзистор, а его базу — к резистору R5.

На рис. 8 приведена электрическая схема после полной модификации.

Рис. 8

Когда напряжение на выходе компаратора положительно, транзистор включен и полный зарядный ток течет к батарее. Когда регулятор переключается в режим подпитывающего заряда, напряжение на выходе компаратора становится отрицательным, транзистор запирается и зарядный ток теперь течет только через резистор Rs в обход транзистора.

Преимущество данной схемы перед релейной в том, что ее работа не ограничивается напряжением 12 В. Устройство может регулировать зарядку батарей, рассчитанных на напряжения 3—30 В. Конечно, необходимо изменить номиналы резисторов R1 и R2 и тип диода D2, чтобы сблизить значения напряжения, падающего на потенциометре ѴR1 и опорного на стабилитроне. Ток ограничивается значением около 250 мА,

Рис. 9

Радиатором, позволяющим отвести избыточное тепло от используемого транзистора, служит сама печатная плата. Теплоотводящая площадка формируется с обратной стороны платы и не требует никакой изоляции. Для подключения регулятора необходимо сделать только четыре соединения. Два — к положительному и отрицательному выводам солнечной батареи и два соответственно к положительному и отрицательному зажимам аккумуляторной батареи. После установки регулятора в зарядное устройство необходимо откалибровать схему и, в частности, отрегулировать ее чувствительность к изменению напряжения так, чтобы ток переключался в нужный момент Для этого сначала пусть батарея слегка разрядится. Затем движок потенциометра VR1 поворачивается по часовой стрелке до упора 1). При этом контакты реле замкнутся.

Напряжение на батарее по мере подзаряда контролируется о помощью вольтметра. Когда оно достигнет 12,6 В, движок потенциометра VR1 вращается в обратную сторону до тех пор, пока не выключится реле. Это будет соответствовать «подпитывающему» заряду. К сожалению, зарядное напряжение батареи зависит и от ее температуры. Чем холоднее батарея, тем большее напряжение требуется для заряда. Тем самым изменяется пороговое напряжение, при котором должен срабатывать регулятор. График на рис. 9 показывает зависимость напряжения срабатывания от температуры.

Ошибкой в установке напряжения срабатывания можно в принципе пренебречь. Если температура батареи во время заряда будет относительно стабильной и положительной, что можно обеспечить тем или иным способом, например хорошо укрыв ее, то небольшие температурные изменения практически не повлияют на работу регулятора.

Список деталей

Мощный регулятор

Резисторы

R1, R2 - 33 кОм

R3 - 510 Ом

R4 - 1 МОм

R5, R8 - 1 кОм

R6, R7 - 470 Ом

R  - см. рис. 4

Полупроводники

D1 - 1N5400

D2 - 1NГ4735

IС1 - LM339

СД1, СД2 -  индикаторы

Q1 - 2N2222

Остальные детали

RL1 - реле Radio Shack 275-247)

VR1 - 50 кОм, потенциометр

Маломощный регулятор

Резисторы

R1, R2—33 кОм

R3—510 Ом

R4—1 мОм

R5, R8—1 кОм

R6, R7—480 Ом

R - 100 Ом

Полупроводники

D1 - Ш4001

D2 - 1N4735

IC1 - LM339

СД1, СД2 - индикаторы

Q1 - ECG 187

Остальные детали

VR1 - 50 кОм, потенциометр

Литература: Байерс Т. 20 конструкций с солнечными элементами: Пер. с англ.— М.: Мир, 1988 год.