Che cos'è un controller MPPT per la ricarica solare

MPPT è uno dei modi per utilizzare le risorse di una fonte di energia, che si tratti di una batteria solare o di un generatore eolico, ma in questo articolo parleremo specificamente dell'energia solare. La sua caratteristica principale è quella di aumentare l'efficienza di una fonte alternativa "tirando" la massima quantità di energia scegliendo una tensione e una corrente specifiche.

La scelta di questi parametri è ridotta all'analisi delle caratteristiche corrente-tensione della sorgente e alla determinazione della tensione e del consumo di corrente che verrà consumata la massima potenza. Ecco come sta l'abbreviazione MPPT - Monitoraggio del punto di massima potenza (tracciare il punto di massima potenza).

Principi generali dei controller MPPT

A prima vista alla domanda, potresti pensare: "Bene, usa la massima tensione possibile, quindi ci sarà una corrente di carico massima (carica della batteria)." Questo è logico, ma in realtà non lo è. Ciò è dovuto principalmente alla caratteristica corrente-tensione della cella solare.

Nel modo operativo (utile), la cella solare (parte orizzontale della caratteristica I - V) è una sorgente di corrente, cioè la sua corrente di uscita dipende solo leggermente dalla tensione ai suoi terminali. La tensione di uscita (Uoutc) dipende dalla resistenza del carico collegato. Questo possiamo vedere sul CVC.

Nella parte destra, dove la tensione è massima, vedi la tensione a circuito aperto Uхх, che è limitata dal numero di elementi nella batteria e dal loro dispositivo interno. La corrente in questo caso tende a 0. E viceversa, sul lato sinistro, dove la tensione tende a 0 - tensione di corto circuito Uкз, e la corrente è limitata dalla potenza degli elementi.

Se prendiamo la potenza corrente della batteria solare nell'area utile per un valore costante, allora la tensione sarà determinata dalla resistenza di carico, se è infinito, allora osserveremo la modalità di inattività (a Rн = ∞ ⇒ Uoutc = Uр.хх), rispettivamente, con un cortocircuito, la resistenza di carico tenderà a zero, come la tensione di uscita (a Rн = ∞ ⇒ Uoutc = Ucz). La potenza massima arriverà ad un certo rapporto tra resistenza di carico, tensione e corrente.

Cosa significa tutto ciò? Passiamo dalle batterie ai controller!

Il controller è un collegamento intermedio tra la batteria solare e la batteria, regola la corrente di carica tramite un PWM, ad esempio, o qualsiasi altra scelta del progettista. Ma applicare la tensione direttamente dalla batteria non significa garantire il massimo trasferimento di potenza dai pannelli alla batteria.

Per una carica efficace, il controller controlla la corrente ricevuta dalla batteria e la sua tensione di uscita, nonché la corrente fornita dalla batteria e la tensione su di essa. Per accertarci di ciò, selezioniamo 2 punti arbitrari sulla caratteristica I - V (la diamo di nuovo qui) e confrontiamo la potenza in essi con il punto di massima potenza (TMM) indicato nella figura, in cui la corrente sembra non essere massima ...

Diciamo che abbiamo una batteria con una tensione nominale di 12V, il che significa che allo stato di carica otteniamo circa 14,2-14,5 V ai terminali e circa 11 V allo stato di scarica, anche se in un caso abbiamo 13 V e nell'altro - 12V. Sceglieremo tali tensioni con la caratteristica I - V per un'analisi approssimativa della potenza con un collegamento diretto "pannello solare - batteria".

Secondo il CVC, in entrambi i casi, la batteria fornirà una corrente di circa 3,6 A, durante la carica si ottiene la seguente potenza:

1) 13 * 3,6 = 46,8 W.

2) 12 * 3,6 = 43,2 O

E nel punto di massima potenza indicato sulla caratteristica I - V:

3) 18,5 * 3,25 = 60,125 W.

Il risultato è ovvio: la potenza nel TMM è di circa il 25-35% in più, a seconda della carica della batteria. Ma come fare in modo che la batteria emetta corrente a una tensione di 18,5 V, anziché quella presente sui terminali della batteria?

Tutto è semplice e complesso allo stesso tempo: cerca il punto di massima potenza

Come notato in precedenza, il controller è installato tra i pannelli solari (batteria) e le batterie, si scopre che funge da carico dei pannelli e la batteria come carico del controller, è anche una fonte di alimentazione secondaria. Qualsiasi fonte di energia e qualsiasi dispositivo nell'ingegneria elettrica possono essere rappresentati sotto forma di resistenza. Questa è chiamata resistenza "equivalente" o "ridotta" (a seconda del caso specifico), che è determinata dalla stessa legge di Ohm, cioè possiamo dire che la resistenza di ingresso del controller è:

Rcont = Uinput / Iin. Potro.

La tensione del punto di massima potenza dei pannelli solari dipende da una serie di fattori:

• illuminazione;

• temperatura (la dipendenza del CVC e la posizione del TMM sulla temperatura sono mostrate nella figura seguente);

• Età degli elementi, ecc.

Pertanto, non funzionerà per impostarlo fisso e universale, inoltre cambia in base alla resistenza del carico e al consumo di corrente (la caratteristica I - V idealizzata è indicata sopra, in pratica ci sarà ancora una pendenza nell'area di lavoro).

Esistono molti metodi per trovare questo "magico": in una forma di realizzazione, il controller MPPT analizza le caratteristiche di tensione corrente delle celle solari per determinare i parametri ottimali per le condizioni operative correnti, ad esempio cambiando la corrente di ingresso, la sua resistenza di ingresso cambia di conseguenza. Utilizzando sensori di corrente e tensione, il sistema di controllo calcola il valore di potenza e lo confronta con quello precedente fino a raggiungere il valore massimo. Questo si chiama "metodo di perturbazione e osservazione".

A seconda del metodo specifico per determinare TMM e il dispositivo interno del controller, incl. il suo firmware, la ricerca di TMM avviene con una certa frequenza. Tuttavia, in pratica, la maggior parte dei metodi sono simili e si basano sul principio di "deviare e osservare". In alcuni modelli, è possibile configurare questo periodo nell'intervallo da 1 volta in diversi minuti a 1 volta in diverse ore. A seconda della frequenza della ricerca, viene determinata la prestazione complessiva del sistema.

Poiché, a seguito della modifica dei parametri di input, otteniamo la massima potenza possibile da elementi specifici, il compito successivo è di assegnarlo al carico, ovvero utilizzare la batteria per caricare. Alla fine, tutto si riduce al controllo di un convertitore di potenza elettronico, diciamo che abbiamo una corrente TMM di 5A a una tensione di 17,5 V, questo è:

17.5 * 5 = 87.5 O.

Quindi è possibile fornire alla batteria con una tensione di 12 V ai terminali la seguente corrente:

87,5 / 12 = 7,3 A.

Nella maggior parte dei casi, la conversione viene eseguita utilizzando un convertitore buck (buck) o buck-boost. Strutture tipiche di convertitori che abbiamo considerato nell'articolo precedente.

Considerando che quando si utilizza ON / OFF o Controller PWM la corrente di ingresso e uscita sarebbe uguale. Ciò porta ad uno smaltimento meno efficiente dell'energia disponibile, ad esempio, poiché la corrente di ingresso era 5A, con questa corrente di uscita, la potenza spesa per caricare le batterie sarebbe pari a:

12 * 5 = 60 watt.

Ciò illustra ancora una volta i calcoli presentati nella discussione delle caratteristiche corrente - tensione.

Tuttavia, non dovresti considerare la tecnologia MPPT una panacea per l'energia solare. La differenza nell'efficienza di carica della batteria utilizzando i controller MPPT e PWM è minore, maggiore è la carica della batteria. Quando la tensione ai suoi terminali (Uakb) aumenta e la differenza tra Umm diminuisce, viene utilizzata una grande potenza del pannello solare.

Analogamente all'esempio precedente, supponiamo che la tensione sulla batteria non sia 12, ma 13,5 V, a condizione che il pannello solare funzioni con gli stessi parametri, sarà simile al seguente:

13,5 * 5 = 67,5 W.

Se a 12V 68% della potenza massima è stata utilizzata, a 13,5 V è già utilizzato il 77%. Inoltre, le batterie non verranno ricaricate costantemente e non riceveranno costantemente corrente della stessa potenza.Pertanto, nei controller MPRT, di solito vengono implementate diverse fasi di carica, ad esempio: MPPT (con potenza massima) - equalizzazione - veloce (forzata) - supporto. Tra le altre cose, vale la pena ricordare che la corrente della batteria solare non deve superare la corrente nominale del controller, altrimenti non viene realizzato il massimo utilizzo di energia.

Ma tutto ciò non ci dice che i controller MPPT non devono essere utilizzati, ma solo che non devono essere sopravvalutati.

Resta il fatto che nel segmento di prezzo inferiore i dispositivi con tecnologia MPPT sono più costosi di PWM, ma non sempre ... Ad esempio, c'è un controller MPPT "EPSolar MPPT TRACER-2210A", il cui costo è compreso nell'intervallo di $ 180 e un controller PWM allo stesso prezzo ($ 180-200) con una corrente di uscita di 20A STECA PR2020.

Allo stesso tempo, c'è un altro dispositivo PWM con la stessa corrente di uscita - "SRNE SR-HP2420" costa poco più di $ 20, mentre MPPT dello stesso produttore "SRNE SR-ML2420" con la stessa corrente di uscita, costa $ 85.

I prezzi per alcuni modelli di controller, considereremo di seguito.

Panoramica del mercato moderno dei controller MPPT

Vedi la tabella in un file separato

La tabella non fornisce un elenco completo di funzioni e protezioni, poiché occupa una grande quantità. Per informazioni, un tipico set di funzioni è simile al seguente:

• dalla polarità errata della connessione della joint venture e della batteria;

• dal corto circuito all'ingresso del pannello solare;

• da corto circuito nel carico;

• dal surriscaldamento;

• spegnere il pannello solare dopo aver raggiunto la fine della carica della batteria;

• spargimento del carico quando la tensione della batteria è troppo bassa;

• da un'interruzione del circuito della batteria;

• impedire la scarica della batteria attraverso il pannello solare di notte;

• controllo del consumo di corrente per carico.

La tabella riflette il fatto che il costo del controller MPPT dipende non solo dalla sua massima corrente (potenza), ma anche dalla gamma di tensioni di uscita, dall'elenco delle batterie supportate, dalla possibilità di collegare strumenti di visualizzazione, visualizzazione e monitoraggio e da una serie di altri fattori. La scelta di un controller è complicata e molto individuale, quindi è almeno inutile fare confronti e valutazioni.