Solarladeregler: Schema, Funktionsprinzip, Anschlussmöglichkeiten

Die Solarenergie beschränkt sich (auf Haushaltsebene) bisher auf die Herstellung von Photovoltaik-Paneelen mit relativ geringer Leistung. Unabhängig von der Bauart des photovoltaischen Wandlers von Sonnenlicht in Strom ist dieses Gerät jedoch mit einem Modul ausgestattet, das als Solarladeregler bezeichnet wird.

Tatsächlich umfasst die Anlage zur Umwandlung von Sonnenlicht eine Batterie – den Energiespeicher, der von der Solarzelle geladen wird. Genau diese sekundäre Energiequelle wird in erster Linie vom Regler betreut.

In unserem Artikel erläutern wir den Aufbau und die Funktionsweise dieses Geräts und zeigen die Anschlussmöglichkeiten auf.

Solarladeregler

Das elektronische Modul, das als Solarladeregler bezeichnet wird, dient dazu, eine Reihe von Überwachungsfunktionen während des Lade-/Entladevorgangs der Solarbatterie auszuführen.

Wenn Sonnenlicht auf die Oberfläche eines Solarmoduls fällt, das beispielsweise auf dem Dach eines Hauses installiert ist, wird dieses Licht von den Photozellen des Geräts in elektrischen Strom umgewandelt.

Die gewonnene Energie könnte im Grunde direkt an den Speicherakku weitergeleitet werden. Der Lade-/Entladevorgang eines Akkus hat jedoch seine Tücken (bestimmte Strom- und Spannungspegel). Werden diese Tücken vernachlässigt, wird der Akku bereits nach kurzer Betriebszeit einfach ausfallen.

Um solche unerfreulichen Folgen zu vermeiden, ist ein Modul vorgesehen, das als Laderegler für das Solarmodul bezeichnet wird.

Neben der Überwachung des Ladezustands des Akkus verfolgt das Modul auch den Energieverbrauch. Abhängig vom Entladungsgrad wird durch die Schaltung des Solar-Ladereglers der für die Anfangs- und Folgeladung erforderliche Strompegel geregelt und eingestellt.

Abhängig von der Leistung des Ladereglers der Solaranlage können die Konstruktionen dieser Geräte sehr unterschiedliche Konfigurationen aufweisen.

Im Allgemeinen sorgt das Modul, einfach ausgedrückt, für ein sorgenfreies „Leben“ des Akkus, der regelmäßig Energie speichert und an die Verbraucher abgibt.

Praktisch verwendete Typen

Auf industrieller Ebene ist die Produktion von zwei Arten elektronischer Geräte etabliert und wird durchgeführt, deren Ausführung für den Einbau in ein Solarenergiesystem geeignet ist:

1. Geräte der PWM-Serie.
2. Geräte der MPPT-Serie.

Die erste Art von Solarladeregler kann als „Oldie“ bezeichnet werden. Solche Schaltungen wurden bereits in den Anfängen der Solar- und Windenergie entwickelt und in Betrieb genommen.

Das Funktionsprinzip der PWM-Reglerschaltung basiert auf Algorithmen der Pulsweitenmodulation. Die Funktionalität dieser Geräte ist etwas geringer als die der fortschrittlicheren MPPT-Geräte, aber insgesamt arbeiten sie auch recht effizient.

Ein in der Gesellschaft beliebtes Modell eines Solarladereglers für Akkus, obwohl die Geräteschaltung nach der als veraltet geltenden PWM-Technologie ausgeführt ist.

Konstruktionen, bei denen die Maximum Power Point Tracking-Technologie (Verfolgung der maximalen Leistungsgrenze) angewendet wird, zeichnen sich durch einen modernen Ansatz bei schaltungstechnischen Lösungen aus und bieten eine größere Funktionalität.

Aber wenn man beide Reglerarten vergleicht, insbesondere mit Blick auf den häuslichen Bereich, erscheinen MPPT-Geräte nicht in dem rosigen Licht, in dem sie traditionell beworben werden.

MPPT-Regler:

• hat höhere Kosten;
• besitzt einen komplexen Einstellalgorithmus;
• liefert nur bei Paneelen großer Fläche einen Leistungsvorteil.

Diese Art von Ausrüstung ist eher für Systeme der globalen Solarenergie geeignet.

Ein Regler, der für den Betrieb innerhalb einer Solarenergieanlage vorgesehen ist. Er ist ein Vertreter der Klasse der MPPT-Geräte – fortschrittlicher und effizienter.

Für die Bedürfnisse eines normalen privaten Nutzers, der in der Regel Paneele kleiner Fläche besitzt, ist es vorteilhafter, einen PWM-Regler zu kaufen und mit gleicher Wirkung zu betreiben.

Blockschaltbilder der Regler

Die Schaltpläne von PWM- und MPPT-Reglern aus Laienperspektive zu betrachten, ist ein zu komplexer Punkt, der ein tiefes Verständnis der Elektronik erfordert. Daher ist es sinnvoll, nur die Blockschaltbilder zu betrachten. Dieser Ansatz ist für einen breiten Personenkreis verständlich.

Variante 1 – PWM-Geräte

Die Spannung von der Solaranlage gelangt über zwei Leiter (Plus und Minus) zu einem stabilisierenden Element und einer resistiven Teilerschaltung. Durch diesen Schaltungsteil wird eine Angleichung der Potentiale der Eingangsspannung erreicht und in gewissem Maße ein Schutz des Reglereingangs vor Überschreitung der Eingangsspannungsgrenze organisiert.

Hier ist zu betonen: Jedes einzelne Gerätemodell hat eine bestimmte Grenze für die Eingangsspannung (in der Dokumentation angegeben).

So ungefähr sieht das Blockschaltbild von Geräten aus, die auf PWM-Technologien basieren. Für den Einsatz in kleinen Haushaltsstationen bietet dieser schaltungstechnische Ansatz eine durchaus ausreichende Effizienz.

Anschließend werden Spannung und Strom durch die Leistungstransistoren auf den erforderlichen Wert begrenzt. Diese Schaltungskomponenten werden wiederum durch den Controller-Chip über die Treiber-IC gesteuert. Infolgedessen wird am Ausgang des Leistungstransistorpaares ein normaler Spannungs- und Stromwert für den Akku eingestellt.

Außerdem befinden sich in der Schaltung ein Temperatursensor und ein Treiber, der den Leistungstransistor steuert, mit dem die Lastleistung geregelt wird (Schutz vor Tiefentladung der Batterie). Der Temperatursensor überwacht den Erwärmungszustand wichtiger Elemente des PWM-Controllers.

In der Regel handelt es sich um die Temperatur im Gehäuseinneren oder auf den Kühlkörpern der Leistungstransistoren. Wenn die Temperatur die in den Einstellungen festgelegten Grenzen überschreitet, schaltet das Gerät alle aktiven Stromversorgungsleitungen ab.

Variante 2 – MPPT-Geräte

Die Komplexität der Schaltung ist in diesem Fall auf ihre Ergänzung durch eine Reihe von Elementen zurückzuführen, die den erforderlichen Regelalgorithmus basierend auf den Betriebsbedingungen sorgfältiger aufbauen.

Die Spannungs- und Strompegel werden von den Komparatorschaltungen überwacht und verglichen, und anhand der Vergleichsergebnisse wird die maximale Ausgangsleistung ermittelt.

Strukturelle Schaltungslösung für Laderegler, die auf MPPT-Technologien basieren. Hier ist bereits ein komplexerer Algorithmus zur Steuerung und Regelung der Peripheriegeräte zu erkennen.

Der Hauptunterschied dieser Art von Controllern zu PWM-Geräten besteht darin, dass sie das Solarmodul unabhängig von den Wetterbedingungen auf die maximale Leistung einstellen können.

Die Schaltung solcher Geräte realisiert mehrere Kontrollmethoden:

• Störung und Beobachtung;
• steigende Leitfähigkeit;
• Stromabtastung;
• konstante Spannung.

Und im letzten Abschnitt der Gesamtaktion wird zusätzlich ein Algorithmus zum Vergleich all dieser Methoden angewendet.

Anschlussmethoden der Regler

Beim Thema Anschlüsse ist sofort zu beachten: Für die Installation jedes einzelnen Geräts ist die Arbeit mit einer bestimmten Serie von Solarmodulen kennzeichnend.

Wenn beispielsweise ein Controller verwendet wird, der für eine maximale Eingangsspannung von 100 Volt ausgelegt ist, darf die Serie von Solarmodulen am Ausgang eine Spannung nicht über diesem Wert liefern.

Jede Solaranlage funktioniert nach der Regel des Gleichgewichts von Ausgangs- und Eingangsspannung der ersten Stufe. Die obere Spannungsgrenze des Controllers muss der oberen Spannungsgrenze des Panels entsprechen.

Bevor Sie das Gerät anschließen, müssen Sie den Ort seiner physischen Installation festlegen. Gemäß den Vorschriften sollten als Installationsort trockene, gut belüftete Räume gewählt werden. Das Vorhandensein von brennbaren Materialien in der Nähe des Geräts ist ausgeschlossen.

Es ist nicht zulässig, dass sich in unmittelbarer Nähe des Geräts Vibrations-, Wärme- und Feuchtigkeitsquellen befinden. Der Aufstellungsort muss vor Niederschlag und direkter Sonneneinstrahlung geschützt werden.

Anschlusstechnik der PWM-Modelle

Fast alle Hersteller von PWM-Controllern verlangen die Einhaltung einer genauen Anschlussreihenfolge der Geräte.

Die Verbindungstechnik von PWM-Controllern mit Peripheriegeräten ist nicht besonders kompliziert. Jede Platine ist mit gekennzeichneten Klemmen ausgestattet. Es ist lediglich die Reihenfolge der Schritte einzuhalten.

Peripheriegeräte müssen in vollständiger Übereinstimmung mit den Bezeichnungen der Anschlussklemmen angeschlossen werden:

1. Verbinden Sie die Kabel der Batterie an den Klemmen des Geräts für den Akku gemäß der angegebenen Polarität.
2. Schalten Sie direkt an der Kontaktstelle des Pluskabels eine Schutzsicherung ein.
3. Befestigen Sie an den Kontakten des Controllers, die für die Solarplatine vorgesehen sind, die von den Solarmodulen kommenden Leiter. Beachten Sie die Polarität.
4. Schließen Sie an die Lastausgänge des Geräts eine Prüflampe mit entsprechender Spannung (normalerweise 12/24 V) an.

Die angegebene Reihenfolge darf nicht verletzt werden. Zum Beispiel ist es strengstens verboten, die Solarmodule zuerst anzuschließen, wenn der Akkumulator nicht angeschlossen ist. Mit solchen Aktionen riskiert der Benutzer, das Gerät „verbrennen“. In diesem Material wird der Aufbau von Solaranlagen mit Akkumulator ausführlicher beschrieben.

Auch für PWM-Controller ist der Anschluss eines Spannungswandlers an die Lastklemmen des Controllers nicht zulässig. Der Wechselrichter ist direkt mit den Batterieklemmen zu verbinden.

Anschlussreihenfolge der MPPT-Geräte

Die allgemeinen Anforderungen an die physische Installation für diese Geräteart unterscheiden sich nicht von den vorherigen Systemen. Die technische Installation ist jedoch oft etwas anders, da MPPT-Controller häufig als leistungsstärkere Geräte angesehen werden.

Für Controller, die für hohe Leistungsstufen ausgelegt sind, wird empfohlen, an den Verbindungen der Stromkreise Kabel mit großen Querschnitten und metallischen Endhülsen zu verwenden.

Bei leistungsstarken Systemen kommen beispielsweise die Anforderungen hinzu, dass die Hersteller empfehlen, für die Stromanschlussleitungen Kabel zu verwenden, die für eine Stromdichte von mindestens 4 A/mm² ausgelegt sind. Das heißt, für einen Controller mit einem Strom von 60 A wird ein Kabel zum Anschluss an die Batterie mit einem Querschnitt von mindestens 20 mm² benötigt.

Verbindungskabel müssen mit Kupferkabelschuhen ausgestattet sein, die mit einem Spezialwerkzeug fest gecrimpt werden. Die Minusklemmen von Solarmodul und Batterie sind mit Adaptern mit Sicherungen und Schaltern auszustatten.

Dieser Ansatz vermeidet Energieverluste und gewährleistet einen sicheren Betrieb der Anlage.

Strukturschema zum Anschluss des leistungsstarken MPPT-Reglers: 1 – Solarmodul; 2 – MPPT-Regler; 3 – Klemmenleiste; 4,5 – Schmelzsicherungen; 6 – Netzschalter des Reglers; 7,8 – Erdungsschiene

Vor dem Anschluss der Solarmodule an das Gerät sollte sichergestellt werden, dass die Spannung an den Klemmen der Spannung entspricht oder geringer ist, die am Eingang des Reglers zulässig ist.

Anschluss der Peripherie an das MTTP-Gerät:

1. Die Schalter des Moduls und der Batterie auf die Position „Aus“ stellen.
2. Die Schutzsicherungen am Modul und an der Batterie entfernen.
3. Die Batterieklemmen mit den Reglerklemmen für die Batterie über ein Kabel verbinden.
4. Die Anschlüsse des Solarmoduls über ein Kabel mit den entsprechend gekennzeichneten Reglerklemmen verbinden.
5. Die Erdungsklemme über ein Kabel mit der Erdungsschiene verbinden.
6. Den Temperatursensor gemäß der Anleitung am Regler anbringen.

Nach diesen Schritten muss die zuvor entfernte Batteriesicherung wieder eingesetzt und der Schalter auf die Position „Ein“ gestellt werden. Auf dem Display des Reglers erscheint ein Signal zur Batterieerkennung.

Danach, nach einer kurzen Pause (1-2 Min.), die zuvor entfernte Sicherung des Solarmoduls wieder einsetzen und den Modulschalter auf die Position „Ein“ stellen.

Das Display des Geräts zeigt den Spannungswert des Solarmoduls an. Dieses Signal zeigt den erfolgreichen Start der Solarstromanlage an.

Fazit und nützliche Videos zum Thema

Die Industrie stellt Geräte her, die hinsichtlich der Schaltungslösungen vielseitig sind. Daher können keine eindeutigen Empfehlungen für den Anschluss aller Anlagen ohne Ausnahme gegeben werden.

Allerdings bleibt das Hauptprinzip für alle Gerätetypen einheitlich: Ohne Anschluss der Batterie an die Klemmen des Reglers ist eine Verbindung mit den Photovoltaikmodulen unzulässig. Ähnliche Anforderungen gelten auch für den Einbau des Wechselrichters in die Schaltung. Dieser sollte als separates Modul betrachtet werden, das direkt an die Batterie angeschlossen wird.

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