Wat is een MPPT-controller voor opladen via zonne-energie

MPPT is een van de manieren om de bronnen van een energiebron te gebruiken, of het nu een zonnebatterij of een windgenerator is, maar in dit artikel zullen we het specifiek hebben over zonne-energie. Het belangrijkste kenmerk is het verhogen van de efficiëntie van een alternatieve bron door de maximale hoeveelheid energie te 'trekken' door een specifieke spanning en stroom te kiezen.

De keuze van deze parameters is beperkt tot de analyse van de stroomspanningskenmerken van de bron en het bepalen bij welke spanning en stroomverbruik het maximale vermogen zal worden verbruikt. Dat is waar de afkorting voor staat MPPT - Maximale Power Point Tracking (het punt van maximaal vermogen volgen).

Algemene principes van MPPT-controllers

Op het eerste gezicht zou je kunnen denken: "Wel, gebruik de maximale spanning, zodat er een maximale laadstroom is (batterijlading)." Dit is logisch, maar in werkelijkheid niet. Dit komt voornamelijk door de stroomspanningskarakteristiek van de zonnecel.

In de bedrijfsmodus (nuttig) is de zonnecel (horizontaal gedeelte van de I - V-karakteristiek) een stroombron, dat wil zeggen dat de uitgangsstroom ervan slechts in geringe mate afhankelijk is van de spanning op zijn klemmen. De uitgangsspanning (Uoutc) is afhankelijk van de weerstand van de aangesloten belasting. Dit kunnen we zien op de CVC.

In het rechterdeel, waar de spanning maximaal is, ziet u de open circuit spanning Uхх, die wordt beperkt door het aantal elementen in de batterij en hun interne apparaat. De stroom neigt in dit geval naar 0. En vice versa, aan de linkerkant, waar de spanning neigt naar 0 - kortsluitspanning Uкз, en de stroom wordt beperkt door het vermogen van de elementen.

Als we de huidige sterkte van de zonnebatterij in het bruikbare gebied voor een onveranderde waarde nemen, wordt de spanning bepaald door de belastingsweerstand, als deze oneindig is, observeren we de inactieve modus (bij Rн = ∞ ⇒ Uoutc = Uр.хх), respectievelijk, met een kortsluiting, de belastingsweerstand zal neigen naar nul, zoals de uitgangsspanning (bij Rн = ∞ ⇒ Uoutc = Ucz). Het maximale vermogen komt bij een bepaalde verhouding tussen belastingsweerstand, spanning en stroom.

Wat betekent dit allemaal? We gaan van batterijen naar controllers!

De controller is een tussenliggende koppeling tussen de zonnebatterij en de batterij, regelt het de laadstroom via bijvoorbeeld een PWM of een andere die de ontwerper heeft gekozen. Maar alleen spanning rechtstreeks van de batterij aanleggen, betekent niet dat u een maximale krachtoverdracht van de panelen naar de batterij moet garanderen.

Voor een effectieve lading bewaakt de controller de stroom die wordt ontvangen van de batterij en de uitgangsspanning, evenals de stroom die wordt geleverd door de batterij en de spanning daarop. Om hier zeker van te zijn, selecteren we 2 willekeurige punten op de I - V-karakteristiek (we geven het hier opnieuw) en vergelijken we het vermogen daarin met het maximale energiepunt (TMM) aangegeven in de figuur, waarbij de stroom niet maximaal lijkt te zijn ...

Laten we zeggen dat we een batterij hebben met een nominale spanning van 12V, wat betekent dat we in opgeladen toestand ongeveer 14.2-14.5 V krijgen bij de terminals en ongeveer 11V in ontladen toestand, zelfs als we in het ene geval 13V hebben en in het andere geval - 12V. We zullen dergelijke spanningen kiezen met de I - V-karakteristiek voor een benadering van het vermogen met een directe verbinding “zonnepaneel - batterij”.

Volgens de CVC geeft de batterij in beide gevallen een stroom van ongeveer 3,6 A, we krijgen de volgende stroom overgebracht tijdens het opladen:

1) 13 * 3.6 = 46.8 W

2) 12 * 3.6 = 43.2 W

En op het punt van het maximale vermogen gemarkeerd op de I - V-eigenschap:

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

Het resultaat is duidelijk - het vermogen in de TMM is ongeveer 25-35% meer, afhankelijk van de batterijlading. Maar hoe zorg je ervoor dat de batterij stroom afgeeft met een spanning van 18,5 V, in plaats van die aanwezig is op de polen van de batterij?

Alles is tegelijkertijd eenvoudig en complex - zoek naar het maximale stopcontact

Zoals eerder opgemerkt, wordt de controller geïnstalleerd tussen de zonnepanelen (batterij) en batterijen, het blijkt dat deze dient als de belasting van de panelen en de batterij als de belasting van de controller, het is ook een secundaire stroombron. Elke stroombron en elk apparaat in de elektrotechniek kan worden weergegeven in de vorm van weerstand. Dit wordt "equivalente" of "verminderde" weerstand genoemd (afhankelijk van het specifieke geval), die wordt bepaald door dezelfde Ohm-wet, dat wil zeggen dat we kunnen zeggen dat de ingangsweerstand van de controller is:

Rcont = Uinput / Iin. Potro.

De spanning van het maximale stopcontact van zonnepanelen is afhankelijk van een aantal factoren:

• verlichting;

• temperatuur (de afhankelijkheid van de CVC en de positie van de TMM van de temperatuur wordt weergegeven in de onderstaande afbeelding);

• Leeftijd van elementen, enz.

Daarom zal het niet werken om het vast en universeel in te stellen, plus het verandert in overeenstemming met de belastingsweerstand en stroomverbruik (de geïdealiseerde I - V-karakteristiek wordt hierboven gegeven, in de praktijk zal er nog steeds een helling in het werkgebied zijn).

Er zijn veel methoden om deze "magische" te vinden. In één uitvoeringsvorm scant de MPPT-controller de stroomspanningskarakteristieken van zonnecellen om de optimale parameters voor de huidige bedrijfsomstandigheden te bepalen, bijvoorbeeld door de ingangsstroom te wijzigen, verandert de ingangsweerstand dienovereenkomstig. Met behulp van stroom- en spanningssensoren berekent het besturingssysteem de vermogenswaarde en vergelijkt deze met de vorige totdat deze de maximale waarde bereikt. Dit wordt de "verstorings- en observatiemethode" genoemd.

Afhankelijk van de specifieke methode voor het bepalen van TMM en het interne apparaat van de controller, incl. de firmware ervan, vindt het zoeken naar TMM met een bepaalde frequentie plaats. In de praktijk zijn de meeste methoden echter vergelijkbaar en gebaseerd op het principe van 'afwijken en observeren'. In sommige modellen is het mogelijk om deze periode te configureren in het bereik van 1 keer in enkele minuten tot 1 keer in enkele uren. Afhankelijk van de frequentie van de zoekopdracht, worden de algehele prestaties van het systeem bepaald.

Omdat als gevolg van het wijzigen van de invoerparameters we het maximaal mogelijke vermogen van specifieke elementen krijgen, is de volgende taak om het aan de belasting te geven, dat wil zeggen, de batterij gebruiken om op te laden. Uiteindelijk komt het allemaal neer op het aansturen van een elektronische stroomomvormer, laten we zeggen dat we een TMM-stroom van 5A hebben bij een spanning van 17,5V, dit:

17,5 * 5 = 87,5 W

Het is dus mogelijk om de batterij met een spanning van 12 V op de terminals de volgende stroom te geven:

87.5 / 12 = 7.3A

In de meeste gevallen wordt de conversie uitgevoerd met een buck (buck) of een buck-boost-converter (buck-boost). Typische structuren van converters hebben we eerder in dit artikel besproken.

Terwijl bij gebruik van AAN / UIT of PWM-controllers ingangs- en uitgangsstroom zouden gelijk zijn. Dat leidt bijvoorbeeld tot een minder efficiënte afvoer van beschikbaar vermogen, aangezien de ingangsstroom 5A was, met deze uitgangsstroom zou het vermogen besteed aan het opladen van de batterijen gelijk zijn aan:

12 * 5 = 60 watt.

Dit illustreert nogmaals de berekeningen gepresenteerd in de bespreking van de stroomspanningskarakteristieken.

U moet de MPPT-technologie echter niet als een wondermiddel voor zonne-energie beschouwen. Het verschil in batterijlaadefficiëntie met behulp van de MPPT- en PWM-controller is kleiner, hoe meer de batterij wordt opgeladen. Wanneer de spanning op zijn terminals (Uakb) stijgt en het verschil tussen Umm afneemt, wordt een groot vermogen van het zonnepaneel gebruikt.

Stel, net als in het bovenstaande voorbeeld, dat de spanning op de batterij niet 12 maar 13,5 V is, op voorwaarde dat het zonnepaneel met dezelfde parameters werkt, ziet het er als volgt uit:

13,5 * 5 = 67,5 W

Als bij 12V 68% van het maximale vermogen werd gebruikt, wordt bij 13.5V 77% al gebruikt. Houd er ook rekening mee dat uw batterijen niet constant worden opgeladen en dat ze niet constant stroom van dezelfde stroom ontvangen.Daarom worden in MPRT-controllers meestal verschillende laadstadia geïmplementeerd, bijvoorbeeld: MPPT (met maximaal vermogen) - egaliseren - snel (gedwongen) - ondersteunen. Het is onder andere belangrijk om te onthouden dat de stroom van de zonnebatterij de nominale stroom van de controller niet mag overschrijden, anders wordt het maximale stroomverbruik niet gerealiseerd.

Maar dit alles zegt ons niet dat MPPT-controllers niet hoeven te worden gebruikt, maar alleen dat ze niet moeten worden overschat.

Het feit blijft dat apparaten in het lagere prijssegment met MPPT-technologie duurder zijn dan PWM, maar niet altijd ... Er is bijvoorbeeld een MPPT-controller "EPSolar MPPT TRACER-2210A", waarvan de kosten in het bereik van $ 180 liggen, en een vergelijkbare prijs ($ 180-200) PWM-controller met een uitgangsstroom van 20A STECA PR2020.

Tegelijkertijd is er een ander PWM-apparaat met dezelfde uitgangsstroom - "SRNE SR-HP2420" kost iets meer dan $ 20, terwijl MPPT van dezelfde fabrikant "SRNE SR-ML2420" met dezelfde uitgangsstroom kost het $ 85.

Prijzen voor sommige modellen van controllers, zullen we hieronder beschouwen.

Overzicht van de moderne markt voor MPPT-controllers

Zie de tabel in een apart bestand

De tabel bood geen volledige lijst met functies en beveiligingen, omdat deze een grote hoeveelheid in beslag neemt. Ter informatie ziet een typische set functies er ongeveer zo uit:

• van de verkeerde polariteit van de verbinding van de joint venture en de batterij;

• door kortsluiting bij de ingang van het zonnepaneel;

• door kortsluiting in de belasting;

• van oververhitting;

• uitschakelen van het zonnepaneel nadat het einde van de batterijlading is bereikt;

• belastingverlies wanneer de spanning op de batterij te laag is;

• door een onderbreking in het batterijcircuit;

• voorkomen van batterijontlading door het zonnepaneel 's nachts

• regeling van stroomverbruik door belasting.

De tabel weerspiegelt het feit dat de kosten van de MPPT-controller niet alleen afhankelijk zijn van de maximale stroom (vermogen), maar ook van het bereik van uitgangsspanningen, de lijst met ondersteunde batterijen, de mogelijkheid om display-, display- en monitoringtools aan te sluiten, en een aantal andere factoren. De keuze voor een controller is ingewikkeld en zeer individueel, dus het is in elk geval zinloos om vergelijkingen en beoordelingen te maken.