太阳能控制器[太阳能控制器]
简介
太阳能控制系统由太阳能电池板、蓄电池、控制器和负载组成。[1]
太阳能控制器是用来控制光伏板给蓄电池充电，并且为电压灵敏设备提供负载控制电压的装置。它对蓄电池的充、放电条件加以规定和控制，并按照负载的电源需求控制太阳电池组件和蓄电池对负载的电能输出，是整个光伏供电系统的核心控制部分。它是专为偏远地区的通信或监控设备的供电系统而设计的。控制器的充电控制和负载控制电压完全可调，并可显示蓄电池电压、负载电压、太阳能方阵电压、充电电流和负载电流。
利用蓄电池供电的几乎所有的太阳能发电系统，都极其需要一个太阳能充放电控制器。太阳能充放电控制器的作用在于调节功率，从太阳能电池板输送到蓄电池的功率。蓄电池过冲，至少很显著地降低电池寿命,从最坏的是损坏蓄电池直至它不能够正常使用为止。
太阳能控制器采用高速CPU微处理器和高精度A/D模数转换器，是一个微机数据采集和监测控制系统。既可快速实时采集光伏系统当前的工作状态，随时获得PV站的工作信息，又可详细积累PV站的历史数据，为评估PV系统设计的合理性及检验系统部件质量的可靠性提供了准确而充分的依据。此外，太阳能控制器还具有串行通信数据传输功能，可将多个光伏系统子站进行集中管理和远距离控制。
太阳能控制器通常有6个标称电压等级：12V、24V、48V、110V、220V、600V。
目前控制器向多功能发展，有将传统的控制部分、逆变器以及监测系统集成的趋势。
作用
太阳能充放电控制器最基本功能在于控制电池电压并打开了电路，还有就是，当电池电压升到一定程度时，停止蓄电池充电。旧版的控制器机械地来完成控制电路的开启或关闭,停止或启动电源输送到蓄电池的功率。
在大多数光伏系统中都用到了控制器以保护蓄电池免于过充或过放。过充可能使电池中的电解液汽化，造成故障，而电池过放会引起电池过早失效。过充过放均有可能损害负载。所以控制器是光伏发电系统的核心部件之一，也是平衡系统BOS（Balance of System）的主要部分。[1]
简单来说，太阳能控制器的作用可以分为：
1、功率调节功能；
2、通信功能：1简单指示功能2协议通讯功能如RS485以太网,无线等形式的后台管理；
3、完善的保护功能：电气保护反接,短路,过流等。
原理
太阳能电池板属于光伏设备（主要部分为半导体材料），它经过光线照射后发生光电效应产生电流。由于材料和光线所具有的属性和局限性，其生成的电流也是具有波动性的曲线，如果将所生成的电流直接充入蓄电池内或直接给负载供电，则容易造成蓄电池和负载的损坏，严重减小了他们的寿命。因此我们必须把电流先送入太阳能控制器，采用一系列专用芯片电路对其进行数字化调节，并加入多级充放电保护，同时采用我公司独有的控制技术“自适应三阶段充电模式（图1）”，确保电池和负载的运行安全和使用寿命。对负载供电时，也是让蓄电池的电流先流入太阳能控制器，经过它的调节后，再把电流送入负载。这样做的目的：一是为了稳定放电电流；二是为了保证蓄电池不被过放电；三是可对负载和蓄电池进行一系列的监测保护。
若要使用交流用电设备，还需要在负载前加入逆变器逆变为交流。[1]
主要特点
1、使用了单片机和专用软件，实现了智能控制；[1]
2、利用蓄电池放电率特性修正的准确放电控制。放电终了电压是由放电率曲线修正的控制点，消除了单纯的电压控制过放的不准确性，符合蓄电池固有的特性，即不同的放电率具有不同的终了电压；
3、具有过充、过放、电子短路、过载保护、独特的防反接保护等全自动控制;以上保护均不损坏任何部件，不烧保险；
4、采用了串联式PWM充电主电路，使充电回路的电压损失较使用二极管的充电电路降低近一半，充电效率较非PWM高3%-6%，增加了用电时间;过放恢复的提升充电，正常的直充，浮充自动控制方式使系统由更长的使用寿命;同时具有高精度温度补偿；
5、直观的LED发光管指示当前蓄电池状态，让用户了解使用状况；
6、所有控制全部采用工业级芯片(仅对带I工业级控制器)，能在寒冷、高温、潮湿环境运行自如。同时使用了晶振定时控制，定时控制精确；
7、取消了电位器调整控制设定点，而利用了E方存储器记录各工作控制点，使设置数字化，消除了因电位器震动偏位、温漂等使控制点出现误差降低准确性、可靠性的因素；
8、使用了数字LED显示及设置，一键式操作即可完成所有设置，使用极其方便直观的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项。
模式
1、纯光控模式：当没有阳光时，光强降至启动点，控制器延时10分钟确认启动信号后，根据设置参数开通负载，负载开始工作；当有阳光时，光强升到启动点，控制器延时10分钟确认关闭信号后关闭输出，负载停止工作。
2、光控加时控模式：启动过程与纯光控相同，当负载工作到设定时间就自动关闭，设置时间1 ～ 14小时。[1]
3、手动模式：该模式下用户可以通过按键控制负载的打开与关闭，而不管是否在白天或是晚上。此模式用于一些特殊负载的场合或是调试时使用。
4、调试模式：用于系统调试时使用，有光信号时即关闭负载，无光信号开通负载，方便安装调试时检查系统安装的正确性。
5、常开模式：上电负载一直保持输出状态，此模式适合需要24小时供电的负载。
分类
市场上流行的太阳能控制器，主要有普通太阳能控制器、PWM太阳能控制器和MPPT太阳能控制器。[1]
普通太阳能控制器是第一代技术，工作原理是直接把太阳能电池板的输出挂到电池端口，当蓄电池充足后就断开，因为蓄电池内阻的原因，很难把蓄电池充满，而且太阳能电池板没有完全利用起来，充电转换效率为只有70～76%，已经被市场淘汰，基本上很少有人用。
PWM太阳能控制器是第二代技术，现在市场上最多，工作方式是采用PWM控制方式，相对于普通太阳能控制器，已经进步了很多，可以解决电池不满的问题，充电转换效率为75～80%，但太阳能电池板没有完全利用起来。
MPPT太阳能控制器是第三代技术，最高端的太阳能控制器。MPPT太阳能控制器,是指具备“最大功率点跟踪”（MaximumPowerPointTracking）功能的太阳能控制器，是PWM太阳能控制器的升级换代产品，MPPT太阳能控制器能够实时检测太阳能板电压和电流，并不断追踪最大功率（P=U*I），使系统始终以最大功率对蓄电池进行充电，MPPT跟踪效率为99%，整个系统发电效率高达到97%，并且对电池拥有优秀的管理，分为MPPT充电、恒压均充电和恒压浮充电。随着技术的进步和能源的节约，MPPT太阳能控制器取代传统PWM太阳能控制器的趋势是不可逆转的。
功能
新型太阳能控制器具有以下主要功能：[1]
1、过充保护：充电电压高于保护电压时，自动关断对蓄电池充电，此后当电压掉至维持电压时，蓄电池进入浮充状态，当低于恢复电压后浮充关闭，进入均充状态。
2、过放保护：当蓄电池电压低于保护电压时，控制器自动关闭输出以保护蓄电池不受损坏；当蓄电池再次充电后，又能自动恢复供电。
3、负载过流及短路保护:负载电流超过10A或负载短路后,熔断丝熔断，更换后可继续使用。
4、过压保护：当电压过高时，自动关闭输出，保护电器不受损坏。
5、具有防反充功能：采用肖特基二极管防止蓄电池向太阳能电池充电。
6、具有防雷击功能：当出现雷击的时候，压敏电阻可以防止雷击，保护控制器不受损坏。
7、太阳能电池反接保护：太阳能电池“ +”“ -” 极性接反,纠正后可继续使用。
8、蓄电池反接保护：蓄电池“ +”“ -” 极性接反，熔断丝熔断，更换后可继续使用
9、蓄电池开路保护：万一蓄电池开路，若在太阳能电池正常充电时，控制器将限制负载两端电压，以保证负载不被损伤，若在夜间或太阳能电池不充电时，控制器由于自身得不到电力，不会有任何动作。
10、具有温度补偿功能。
11、自检：当控制器受到自然因数影响或人为操作不当时，可以让控制器自检，让人知道控制器是否完好，减少了很多不必须要的工时，为赢得工程质量和工期创造条件。
12、恢复间隔：是为过充或过放保护所做的恢复间隔，以避免线电阻或电池的自恢复特点造成负载的工作斗动。
13、温度补偿：监视电池的温度，对充放值进很修正，让电池工作在理想状态。
14、光控：多用于自动灯具，当环境足够亮时，控制器就会自动关闭负载输出；而环境暗下来后又会自动开启负载，以实现自动控制的功能。
安装及注意事项
1、打开包装，将其固定于合适位置（请避免阳光直射与潮湿地方）。[1]
2、先连接电池引线（为使自动识别功能不发生错误），并等控制器完成识别过程（电平指示器打指示出电池的电量后）再连太阳能电池板引线，最后在负载关断的情况下连接负载线。
3、为了使用安全，不使过大的负载或将太阳能电池板加得过大；用电源机一类的电源代替太阳能电池对电池充电。
4、充电时，拆下太阳能电池板，充电电流不能太大。
4、注意电池的正负极。
常见故障及排除
1、负载不工作[1]
（1）白天，控制器有光控制。
（2）电池内电量不足。
（3）接线是否正确。
（4）拆下所有的线，重复上面的安装过程，让控制器重新识别。
2、开始几天可以用而过几天就不工作了
（1）太阳能电池接线不正确。
（2）太阳能电池没有连接好。
3、不能光控
（1）太阳能电池接线不正确。
（2）没有设置此项功能，请重新设置。
4、开机就工作，不能光控也不能时控
（1）没有设置此项功能，请重新设置。
（2）太阳能板的环境光足够强。
5、工作指示闪个不停
负载有短路或负载过大。
保护模式
1、直充保护点电压：直充也叫急充，属于快速充电，一般都是在蓄电池电压较低的时候用大电流和相对高电压对蓄电池充电，但是，有个控制点，也叫保护点，就是上表中的数值，当充电时蓄电池端电压高于这些保护值时，应停止直充。直充保护点电压一般也是“过充保护点”电压，充电时蓄电池端电压不能高于这个保护点，否则会造成过充电，对蓄电池是有损害的。[1]
2、均充控制点电压：直充结束后，蓄电池一般会被充放电控制器静置一段时间，让其电压自然下落，当下落到“恢复电压”值时，会进入均充状态。为什么要设计均充？就是当直充完毕之后，可能会有个别电池“落后”（端电压相对偏低），为了将这些个别分子拉回来，使所有的电池端电压具有均匀一致性，所以就要以高电压配以适中的电流再充那么一小会，可见所谓均充，也就是“均衡充电”。均充时间不宜过长，一般为几分钟~十几分钟，时间设定太长反而有害。对配备一块两块蓄电池的小型系统而言，均充意义不大。所以，路灯控制器一般不设均充，只有两个阶段。
3、浮充控制点电压：一般是均充完毕后，蓄电池也被静置一段时间，使其端电压自然下落，当下落至“维护电压”点时，就进入浮充状态，类似于“涓流充电”（即小电流充电），电池电压一低就充上一点，一低就充上一点，一股一股地来，以免电池温度持续升高，这对蓄电池来说是很有好处的，因为电池内部温度对充放电的影响很大。其实PWM方式主要是为了稳定蓄电池端电压而设计的，通过调节脉冲宽度来减小蓄电池充电电流。这是非常科学的充电管理制度。具体来说就是在充电后期、蓄电池的剩余电容量（SOC）>80%时，就必须减小充电电流，以防止因过充电而过多释气（氧气、氢气和酸气）。
4、过放保护终止电压：这比较好理解。蓄电池放电不能低于这个值，这是国标的规定。蓄电池厂家虽然也有自己的保护参数（企标或行标），但最终还是要向国标靠拢的。需要注意的是，为了安全起见，一般将12V电池过放保护点电压人为加上0.3v作为温度补偿或控制电路的零点漂移校正，这样12V电池的过放保护点电压即为：11.10v，那么24V系统的过放保护点电压就为22.20V。
相关选择
保护电压
一些客户经常发现，太阳能路灯在亮了一段时间后，尤其是连续阴雨天之后，路灯就会连续几天甚至很多天不亮，检测蓄电池电压也正常，控制器、灯也都没有故障。[1]
这个问题曾经让很多工程商疑惑，其实这个是“退出欠压保护”的电压值的问题，这个值设置的越高，在欠压后的恢复时间越长，也就造成了很多天都无法亮灯。
电流输出
LED由于自身的特性，必须要通过技术手段对其进行恒流或限流，否则无法正常使用。常见的LED灯都是通过另加一个驱动电源来实现对LED灯的恒流，但是这个驱动却占到整个灯总功率的10%-20%左右，比如一个理论值42W的LED灯，加上驱动后实际功率可能在46-50W左右。在计算电池板功率和蓄电池容量的时候，必须多加10%－20%来满足驱动所造成的功耗。除此以外，多加了驱动就多了一个产生故障的环节。工业版控制器通过软件进行无功耗恒流，稳定性高，降低了整体功耗。
输出时段
普通的控制器一般只能设置开灯后4小时或者8小时等若干个小时关闭，已经无法满足众多客户的需求。工业版控制器可以分成3个时段，每个时段的时间可任意设置，根据使用环境的不同，每个时段可以设置成关闭状态。比如有些厂区或者风景区夜间无人，可以把第二个时段（深夜）关闭，或者第二、第三个时段都关闭，降低使用成本。
输出功率
在太阳能应用的灯具当中，LED灯是最适合通过脉宽调节来实现输出不同的功率。限制脉宽或者限制电流的同时，对LED灯整个输出的占空比进行调节，例如单颗1W的LED 7串5并合计35W的LED灯，在夜间放电，可以将深夜和凌晨的时段分别进行功率调节，如深夜调节成15W、凌晨调节成25W，并锁定电流，这样即可以满足整夜的照明，又节约了电池板、蓄电池的配置成本。经长期试验证明，脉宽调节方式的LED灯，整灯产生的热量要小的多，能够延长LED的使用寿命。
有些灯厂在为了达到夜间省电的目的，把LED灯的内部做成2路电源，夜间关闭一路电源来实现输出功率的减半，但实践证明，此种方法只会导致一半的光源首先光衰，亮度不一致或者一路光源提早损坏。
线损补偿
根据不同的线径与线长给予自动补偿。线损补偿在低压系统中其实是很重要的，因为电压较低，线损相对比较大，如果没有相应的线损电压补偿，输出端的电压可能会低于输入端很多，这样就会造成蓄电池提前欠压保护，蓄电池容量的实际应用率被打了折扣。值得注意的是，我们在使用低压系统时，为了降低线损压降，尽量不要使用太细的线缆，线缆也不要过长。
散热
很多控制器为了降低成本，没有考虑散热问题，这样负载电流较大或者充电电流较大时，热量增加，控制器的场管内阻被增大，导致充电效率大幅下降，场管过热后使用寿命也大大降低甚至被烧毁，尤其夏季的室外环境温度就很高，所以良好的散热装置应该是控制器必不可少的。
充电模式
常规的太阳能控制器的充电模式是照抄了市电充电器的三段式充电方法，即恒流、恒压、浮充三个阶段。因为市电电网的能量无限大，如果不进行恒流充电，会直接导致蓄电池充爆而损坏，但是太阳能路灯系统的电池板功率有限，所以继续延用市电控制器恒流的充电方式是不科学的，如果电池板产生的电流大于控制器第一段限制的电流，那么就造成了充电效率的下降。MCT充电方式就是追踪电池板的最大电流，不造成浪费，通过检测蓄电池的电压以及计算温度补偿值，当蓄电池的电压接近峰值的时候，再采取脉冲式的涓流充电方法，既能让蓄电池充满也防止了蓄电池的过充。
参考资料
[1] 新型太阳能控制器的研制 · 中国知网[引用日期2020-06-12]
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