ما هي وحدة تحكم MPPT لشحن الطاقة الشمسية

تعد MPPT إحدى الطرق لاستخدام موارد مصدر الطاقة ، سواء كانت بطارية شمسية أو مولد طاقة رياح ، ولكن في هذه المقالة سوف نتحدث بشكل خاص عن الطاقة الشمسية. الميزة الرئيسية هي زيادة كفاءة مصدر بديل عن طريق "سحب" أقصى قدر من الطاقة عن طريق اختيار الجهد والتيار المحدد.

يتم تقليل اختيار هذه المعلمات إلى تحليل خصائص الجهد الحالي للمصدر وتحديد الجهد والاستهلاك الحالي الذي سيتم استهلاك الطاقة القصوى فيه. هذه هي الطريقة التي اختصار ل MPPT - الحد الأقصى لتتبع نقطة الطاقة (تتبع نقطة القوة القصوى).

المبادئ العامة للتحكم MPPT

للوهلة الأولى على السؤال ، قد تعتقد: "حسنًا ، استخدم أقصى جهد ممكن ، لذلك سيكون هناك حد أقصى للحمل الحالي (شحن البطارية)." هذا منطقي ، لكنه في الحقيقة ليس كذلك. هذا يرجع في المقام الأول إلى خاصية الجهد الحالي للخلية الشمسية.

في وضع التشغيل (المفيد) ، تعتبر الخلية الشمسية (الجزء الأفقي من الخاصية I - V) مصدرًا حاليًا ، أي أن خرجها يعتمد فقط على الجهد في محطاتها الطرفية. يعتمد جهد الخرج (Uoutc) على مقاومة الحمل المتصل. هذا يمكننا أن نرى على CVC.

في الجزء الأيمن ، حيث يكون الحد الأقصى للجهد ، ترى فولطية الدائرة المفتوحة Uхх ، وهي محدودة بعدد العناصر في البطارية وجهازها الداخلي. يميل التيار في هذه الحالة إلى 0. والعكس بالعكس ، على الجانب الأيسر ، حيث يميل الجهد إلى 0 - جهد ماس كهربائى Uкз ، ويقتصر التيار على قوة العناصر.

إذا أخذنا القوة الحالية للبطارية الشمسية في المنطقة المفيدة للحصول على قيمة دون تغيير ، فسيتم تحديد الجهد من خلال مقاومة الحمل ، إذا كان لا نهاية ، فسوف نلاحظ وضع الخمول (في Rн = ∞ ⇒ Uoutc = Uр.хх) ، على التوالي ، مع دائرة كهربائية ، مقاومة الحمل سوف تميل إلى الصفر ، مثل الجهد الناتج (في Rн = ∞ ⇒ Uoutc = Ucz). ستأتي الطاقة القصوى عند نسبة معينة من مقاومة الحمل والجهد والتيار.

ماذا يعني كل هذا؟ نمر من البطاريات إلى وحدات التحكم!

وحدة التحكم عبارة عن رابط وسيط بين البطارية الشمسية والبطارية، فهو ينظم رسوم الشحن الحالية من خلال PWM ، على سبيل المثال ، أو أي شيء آخر اختار المصمم. ولكن مجرد تطبيق الجهد مباشرة من البطارية لا يعني ضمان أقصى قدر من نقل الطاقة من الألواح إلى البطارية.

بالنسبة لشحن فعال ، تقوم وحدة التحكم بمراقبة التيار المستلم من البطارية وفولطية الخرج ، وكذلك التيار الذي توفره البطارية والجهد الموجود عليها. وللتأكد من ذلك ، نختار نقطتين تعسفيتين من السمة I - V (نعطيها هنا مرة أخرى) ونقارن الطاقة فيها بأقصى نقطة طاقة (TMM) المشار إليها في الشكل ، والتي يبدو أن التيار فيها ليس كحد أقصى ...

لنفترض أن لدينا بطارية بجهد مقنن يبلغ 12 فولت ، مما يعني أنه في الحالة المشحونة ، نحصل على حوالي 14.2 إلى 14.5 فولت في المحطات ، وحوالي 11 فولت في الحالة المفرغة ، حتى لو كان لدينا 13 فولت وفي الحالة الأخرى - 12 فولت. سوف نختار هذه الفولتية مع خاصية I - V لإجراء تحليل تقريبي للطاقة مع اتصال مباشر "الألواح الشمسية - البطارية".

وفقًا لـ CVC ، في كلتا الحالتين ، ستعطي البطارية تيارًا يبلغ 3.6A تقريبًا ، نحصل على الطاقة التالية التي يتم إرسالها أثناء الشحن:

1) 13 * 3.6 = 46.8 واط

2) 12 * 3.6 = 43.2 واط

وعند نقطة القوة القصوى المحددة على الخاصية I - V:

3) 18.5 * 3.25 = 60.125W

النتيجة واضحة - الطاقة في TMM تزيد بنسبة 25-35٪ تقريبًا ، اعتمادًا على شحن البطارية. لكن كيف تجعل البطارية تنبعث من التيار الكهربائي عند جهد 18.5 فولت ، بدلاً من التيار الموجود في أطراف البطارية؟

كل شيء بسيط ومعقد في نفس الوقت - ابحث عن أقصى نقطة طاقة

كما ذكرنا سابقًا ، يتم تثبيت جهاز التحكم بين الألواح الشمسية (البطارية) والبطاريات ، واتضح أنه بمثابة حمولة الألواح ، والبطارية كحمل لوحدة التحكم ، كما أنها مصدر طاقة ثانوي. يمكن تمثيل أي مصدر للطاقة ، وأي جهاز في الهندسة الكهربائية في شكل مقاومة. يُطلق على ذلك المقاومة "المكافئة" أو "المخفضة" (اعتمادًا على الحالة المحددة) ، والتي يتم تحديدها بواسطة قانون أوم نفسه ، وهذا يعني أنه يمكننا القول أن مقاومة دخل وحدة التحكم هي:

Rcont = Uinput / Iin. بوترو.

يعتمد الجهد الأقصى لنقطة الطاقة للألواح الشمسية على عدد من العوامل:

• الإضاءة؛

• درجة الحرارة (يتم عرض اعتماد CVC وموقع TMM على درجة الحرارة في الشكل أدناه);

• عمر العناصر ، إلخ.

لذلك ، لن يعمل على تحديدها بشكل ثابت وعالمي ، بالإضافة إلى أنه يتغير وفقًا لمقاومة الحمل والاستهلاك الحالي (يتم إعطاء CVC المثالي أعلاه ، في الممارسة العملية سيكون هناك بعض الميل في منطقة العمل).

هناك العديد من الطرق للعثور على هذا "السحر" ، في أحد النماذج ، تقوم وحدة التحكم MPPT بفحص خصائص التيار الكهربائي للخلايا الشمسية ، وتحديد المعلمات المثلى لظروف التشغيل الحالية ، على سبيل المثال ، عن طريق تغيير تيار الإدخال ، تتغير مقاومة المدخلات وفقًا لذلك. باستخدام أجهزة استشعار التيار والجهد ، يقوم نظام التحكم بحساب قيمة الطاقة ومقارنتها بالقيمة السابقة حتى يصل إلى القيمة القصوى. وهذا ما يسمى "طريقة الاضطراب والمراقبة".

اعتمادًا على الطريقة المحددة لتحديد TMM والجهاز الداخلي لوحدة التحكم ، بما في ذلك البرامج الثابتة ، والبحث عن TMM يحدث مع تردد معين. ومع ذلك ، في الممارسة العملية ، معظم الأساليب متشابهة وتستند إلى مبدأ "الانحراف والملاحظة". في بعض الطرز ، من الممكن تهيئة هذه الفترة في النطاق من 1 مرة في عدة دقائق إلى 1 مرة في عدة ساعات. اعتمادًا على وتيرة البحث ، يتم تحديد الأداء العام للنظام.

نظرًا لأنه نتيجة لتغيير معلمات الإدخال ، نحصل على أقصى طاقة ممكنة من عناصر محددة ، وتتمثل المهمة التالية في منحها الحمل ، أي استخدام البطارية لشحن البطارية. في النهاية ، يتعلق الأمر بالتحكم في محول الطاقة الإلكتروني ، دعنا نقول بأننا حصلنا على تيار TMM من 5A بجهد 17.5 فولت ، وهذا:

17.5 * 5 = 87.5 واط

لذلك من الممكن إعطاء البطارية بجهد 12 فولت في المحطات الحالية التالية:

87.5 / 12 = 7.3A

في معظم الحالات ، يتم إجراء التحويل باستخدام باك (باك) أو محول باك باك. الهياكل النموذجية للمحولات نظرنا في المقالة في وقت سابق.

بينما عند استخدام ON / OFF أو تحكم PWM المدخلات والمخرجات الحالية ستكون متساوية. الأمر الذي يؤدي إلى التخلص بشكل أقل كفاءة من الطاقة المتاحة ، على سبيل المثال ، نظرًا لأن تيار الدخل كان 5A ، مع هذا الخرج الحالي ، فإن الطاقة المستهلكة في شحن البطاريات تساوي:

12 * 5 = 60 واط.

يوضح هذا مرة أخرى الحسابات المقدمة في مناقشة خصائص الجهد الحالي.

ومع ذلك ، يجب أن لا تعتبر تكنولوجيا MPPT الدواء الشافي للطاقة الشمسية. الفرق في كفاءة شحن البطارية باستخدام وحدة التحكم MPPT و PWM أصغر ، وكلما زادت شحن البطارية. عندما يرتفع الجهد عند أطرافه (Uakb) ، وينخفض ​​الفرق بين Umm ، يتم استخدام طاقة كبيرة من الألواح الشمسية.

على غرار المثال أعلاه ، افترض أن الجهد الكهربي الموجود على البطارية ليس 12 ، ولكن 13.5V ، شريطة أن تعمل الألواح الشمسية بنفس المعلمات ، ستبدو كما يلي:

13.5 * 5 = 67.5W

إذا تم استخدام 68 ٪ من الطاقة القصوى عند 12V ، فإن 77 ٪ من 13.5V يستخدم بالفعل. لاحظ أيضًا أنه لن يتم شحن البطاريات الخاصة بك باستمرار ، ولن تتلقى التيار بنفس القوة باستمرار.لذلك ، في وحدات التحكم MPRT ، عادة ما يتم تنفيذ عدة مراحل من الشحن ، على سبيل المثال: MPPT (مع الحد الأقصى من الطاقة) - معادلة - سريع (القسري) - دعم. من بين أشياء أخرى ، تجدر الإشارة إلى أن تيار البطارية الشمسية يجب ألا يتجاوز التيار المقدر لوحدة التحكم ، وإلا فلن يتحقق الاستخدام الأقصى للطاقة.

ولكن كل هذا لا يخبرنا أن وحدات التحكم MPPT لا تحتاج إلى استخدام ، ولكن فقط لا ينبغي المبالغة في تقديرها.

تبقى الحقيقة في أن الأجهزة ذات الشريحة السعرية الأقل في تقنية MPPT أغلى من PWM ، لكن ليس دائمًا ... على سبيل المثال ، هناك وحدة تحكم MPPT "EPSolar MPPT TRACER-2210A"، تكلفة ذلك في حدود 180 دولارًا ، ووحدة تحكم PWM بأسعار مماثلة (180 دولارًا) مع تيار إخراج يبلغ 20A STECA PR2020.

في الوقت نفسه ، يوجد جهاز PWM آخر له نفس خرج التيار - "SRNE SR-HP2420" تكلف ما يزيد قليلا عن 20 دولارا ، في حين MPPT من نفس الشركة المصنعة "SRNE SR-ML2420" مع نفس الانتاج الحالي ، يكلف 85 دولار.

أسعار بعض نماذج من وحدات التحكم ، وسوف ننظر أدناه.

نظرة عامة على السوق الحديثة للتحكم MPPT

انظر الجدول في ملف منفصل

لا يوفر الجدول قائمة كاملة بالوظائف والحماية ، حيث إنه يشغل كمية كبيرة. للحصول على معلومات ، تبدو مجموعة الوظائف النموذجية كما يلي:

• من القطبية الخاطئة لربط المشروع المشترك والبطارية ؛

• من ماس كهربائى عند مدخل الألواح الشمسية.

• من ماس كهربائى في الحمل ؛

• من الانهاك

• إيقاف تشغيل الألواح الشمسية بعد الوصول إلى نهاية شحن البطارية ؛

• تحميل سفك عندما الجهد على البطارية منخفضة جدا ؛

• من انقطاع في دائرة البطارية.

• منع تفريغ البطارية من خلال الألواح الشمسية في الليل ؛

• السيطرة على الاستهلاك الحالي عن طريق الحمل.

يعكس الجدول حقيقة أن تكلفة وحدة التحكم MPPT لا تعتمد فقط على الحد الأقصى للتيار (الطاقة) ، ولكن أيضًا على مدى الجهد الناتج ، وقائمة البطاريات المدعومة ، والقدرة على توصيل أدوات العرض والشاشة والمراقبة ، وعدد من العوامل الأخرى. اختيار وحدة التحكم معقد وفريد ​​للغاية ، لذلك من غير المجدي على الأقل إجراء أي مقارنات وتقييمات.