Co to jest kontroler MPPT do ładowania słonecznego

MPPT jest jednym ze sposobów wykorzystania zasobów źródła energii, czy to baterii słonecznej, czy generatora wiatrowego, ale w tym artykule porozmawiamy konkretnie o energii słonecznej. Jego główną cechą jest zwiększenie wydajności alternatywnego źródła poprzez „ciągnięcie” maksymalnej ilości energii poprzez wybranie określonego napięcia i prądu.

Wybór tych parametrów sprowadza się do analizy charakterystyki prądowo-napięciowej źródła i ustalenia, przy jakim napięciu i zużyciu prądu zostanie zużyta maksymalna moc. Oto skrót MPPT - śledzenie maksymalnego punktu mocy (śledzenie punktu maksymalnej mocy).

Ogólne zasady kontrolerów MPPT

Na pierwszy rzut oka możesz pomyśleć: „Cóż, użyj maksymalnego możliwego napięcia, aby uzyskać maksymalny prąd obciążenia (ładowanie akumulatora)”. Jest to logiczne, ale w rzeczywistości tak nie jest. Wynika to przede wszystkim z charakterystyki prądowo-napięciowej ogniwa słonecznego.

W trybie roboczym (użytecznym) ogniwo słoneczne (pozioma część charakterystyki I - V) jest źródłem prądu, to znaczy jego prąd wyjściowy zależy tylko nieznacznie od napięcia na jego zaciskach. Napięcie wyjściowe (Uoutc) zależy również od rezystancji podłączonego obciążenia. To możemy zobaczyć na CVC.

Po prawej stronie, gdzie napięcie jest maksymalne, widać napięcie obwodu otwartego Uxx, które jest ograniczone liczbą elementów w akumulatorze i ich urządzeniu wewnętrznym. Prąd w tym przypadku ma tendencję do 0. I odwrotnie, po lewej stronie, gdzie napięcie dąży do 0 - napięcie zwarcia Uкз, a prąd jest ograniczony mocą elementów.

Jeśli bierzemy siłę prądu baterii słonecznej w użytecznym obszarze dla niezmienionej wartości, wówczas napięcie zostanie określone przez rezystancję obciążenia, jeśli jest nieskończoność, wówczas obserwujemy odpowiednio tryb bezczynności (przy Rн = ∞ ⇒ Uoutc = Uр.хх), odpowiednio, przy zwarciu, rezystancja obciążenia będzie dążyć do zera, podobnie jak napięcie wyjściowe (przy Rн = ∞ ⇒ Uoutc = Ucz). Maksymalna moc przyjdzie przy pewnym stosunku rezystancji obciążenia, napięcia i prądu.

Co to wszystko znaczy? Przechodzimy z baterii do kontrolerów!

Sterownik jest pośrednim ogniwem między baterią słoneczną a baterią, reguluje prąd ładowania na przykład przez PWM lub dowolną inną, którą wybrał projektant. Jednak samo przyłożenie napięcia bezpośrednio z akumulatora nie oznacza zapewnienia maksymalnego transferu energii z paneli do akumulatora.

W celu skutecznego ładowania kontroler monitoruje prąd pobierany z akumulatora i jego napięcie wyjściowe, a także prąd dostarczany przez akumulator i napięcie na nim. Aby się tego upewnić, wybieramy 2 dowolne punkty na charakterystyce I - V (podajemy to tutaj ponownie) i porównujemy w nich moc z maksymalnym punktem mocy (TMM) wskazanym na rysunku, przy którym prąd wydaje się nie być maksymalny ...

Załóżmy, że mamy akumulator o napięciu znamionowym 12 V, co oznacza, że ​​w stanie naładowanym uzyskujemy około 14,2-14,5 V na zaciskach, a około 11 V w stanie rozładowanym, nawet jeśli w jednym przypadku mamy 13 V, a w drugim - 12 V. Wybieramy takie napięcia o charakterystyce I - V do przybliżonej analizy mocy z bezpośrednim podłączeniem „panelu słonecznego - akumulatora”.

Według CVC w obu przypadkach bateria da prąd o wartości około 3,6 A, podczas ładowania otrzymamy następującą moc:

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

2) 12 * 3,6 = 43,2 W.

A w punkcie maksymalnej mocy zaznaczonej na charakterystyce I - V:

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

Wynik jest oczywisty - moc w TMM jest o około 25-35% większa, w zależności od poziomu naładowania akumulatora. Ale jak sprawić, by akumulator wydzielał prąd o napięciu 18,5 V, zamiast tego, który jest obecny na zaciskach akumulatora?

Wszystko jest jednocześnie proste i złożone - szukaj maksymalnego punktu mocy

Jak wspomniano wcześniej, sterownik jest instalowany między panelami słonecznymi (baterią) a bateriami, okazuje się, że służy jako obciążenie paneli, a bateria jako obciążenie kontrolera, jest również wtórnym źródłem zasilania. Każde źródło zasilania i dowolne urządzenie w elektrotechnice może być reprezentowane w postaci rezystancji. Nazywa się to rezystancją „równoważną” lub „zmniejszoną” (w zależności od konkretnego przypadku), co określa to samo prawo Ohma, to znaczy można powiedzieć, że rezystancja wejściowa kontrolera wynosi:

Rcont = Uinput / Iin. Wady

Napięcie maksymalnego punktu mocy paneli słonecznych zależy od wielu czynników:

• Oświetlenie

• Temperatura (zależność CVC i pozycji TMM od temperatury pokazano na poniższym rysunku);

• Wiek elementów itp.

Dlatego nie będzie działać, aby ustawić go jako stały i uniwersalny, a ponadto zmienia się zgodnie z rezystancją obciążenia i zużyciem prądu (idealna charakterystyka I - V jest podana powyżej, w praktyce nadal będzie pewne nachylenie w obszarze roboczym).

Istnieje wiele metod znalezienia tego „magicznego”. W jednym przykładzie wykonania kontroler MPPT skanuje charakterystyki prądowo-napięciowe ogniw słonecznych w celu ustalenia optymalnych parametrów dla bieżących warunków pracy, na przykład poprzez zmianę prądu wejściowego, odpowiednio zmienia się jego rezystancja wejściowa. Za pomocą czujników prądu i napięcia układ sterowania oblicza wartość mocy i porównuje ją z poprzednim, aż osiągnie wartość maksymalną. Nazywa się to „metodą perturbacji i obserwacji”.

W zależności od konkretnej metody oznaczania TMM i wewnętrznego urządzenia kontrolera, w tym. po jego oprogramowaniu wyszukiwanie TMM odbywa się z określoną częstotliwością. Jednak w praktyce większość metod jest podobnych i opiera się na zasadzie „zbaczaj i przestrzegaj”. W niektórych modelach można skonfigurować ten okres w zakresie od 1 czasu w ciągu kilku minut do 1 czasu w ciągu kilku godzin. W zależności od częstotliwości wyszukiwania określana jest ogólna wydajność systemu.

Ponieważ w wyniku zmiany parametrów wejściowych uzyskujemy maksymalną możliwą moc z określonych elementów, kolejnym zadaniem jest przekazanie jej do obciążenia, czyli użycie akumulatora do naładowania. Ostatecznie wszystko sprowadza się do sterowania elektronicznym przetwornikiem mocy, powiedzmy, że mamy prąd TMM 5A przy napięciu 17,5 V, to:

17,5 * 5 = 87,5 W.

Możliwe jest więc podanie akumulatora o napięciu 12 V do takiego prądu:

87,5 / 12 = 7,3 A.

W większości przypadków konwersja odbywa się za pomocą buck (buck) lub konwertera buck-boost (buck-boost). Typowe struktury konwerterów rozważaliśmy wcześniej w artykule.

Podczas używania ON / OFF lub Sterowniki PWM prąd wejściowy i wyjściowy byłyby równe. Co prowadzi do mniej wydajnego usuwania dostępnej mocy, na przykład, ponieważ prąd wejściowy wynosił 5A, przy tym prądzie wyjściowym moc wydawana na ładowanie akumulatorów byłaby równa:

12 * 5 = 60 watów.

To po raz kolejny ilustruje obliczenia przedstawione w dyskusji na temat charakterystyki prądu i napięcia.

Nie należy jednak uważać technologii MPPT za panaceum na energię słoneczną. Różnica w wydajności ładowania akumulatora przy użyciu kontrolera MPPT i PWM jest mniejsza, im bardziej akumulator jest ładowany. Kiedy napięcie na jego zaciskach (Uakb) wzrasta, a różnica między Umm maleje, wówczas wykorzystywana jest duża moc panelu słonecznego.

Podobnie jak w powyższym przykładzie, załóżmy, że napięcie na akumulatorze nie wynosi 12, ale 13,5 V, pod warunkiem, że panel słoneczny będzie pracował z tymi samymi parametrami, będzie wyglądał następująco:

13,5 * 5 = 67,5 W.

Jeśli przy 12 V użyto 68% maksymalnej mocy, to przy 13,5 V 77% jest już wykorzystane. Należy również pamiętać, że akumulatory nie będą stale ładowane i nie będą stale odbierać prądu o tej samej mocy.Dlatego w kontrolerach MPRT zwykle realizowanych jest kilka etapów ładowania, na przykład: MPPT (z maksymalną mocą) - wyrównanie - szybki (wymuszony) - obsługa. Między innymi warto pamiętać, że prąd baterii słonecznej nie powinien przekraczać prądu znamionowego sterownika, w przeciwnym razie maksymalne wykorzystanie energii nie zostanie zrealizowane.

Ale to wszystko nie mówi nam, że kontrolery MPPT nie muszą być używane, a jedynie to, że nie należy ich przeceniać.

Faktem jest, że w niższym segmencie cenowym urządzenia z technologią MPPT są droższe niż PWM, ale nie zawsze ... Na przykład istnieje kontroler MPPT „EPSolar MPPT TRACER-2210A”, którego koszt zawiera się w przedziale 180 USD i podobnie wyceniony (180-200 USD) sterownik PWM o prądzie wyjściowym 20A STECA PR2020.

Jednocześnie istnieje inne urządzenie PWM o tym samym prądzie wyjściowym - „SRNE SR-HP2420” kosztuje nieco ponad 20 USD, podczas gdy MPPT tego samego producenta „SRNE SR-ML2420” przy tym samym prądzie wyjściowym kosztuje 85 USD.

Ceny niektórych modeli kontrolerów rozważymy poniżej.

Przegląd współczesnego rynku sterowników MPPT

Zobacz tabelę w osobnym pliku

Tabela nie zawiera pełnej listy funkcji i zabezpieczeń, ponieważ zajmuje dużo miejsca. Aby uzyskać informacje, typowy zestaw funkcji wygląda mniej więcej tak:

• z niewłaściwej polaryzacji połączenia wspólnego przedsiębiorstwa i akumulatora;

• od zwarcia na wejściu panelu słonecznego;

• z powodu zwarcia w obciążeniu;

• od przegrzania;

• wyłączenie panelu słonecznego po osiągnięciu końca ładowania akumulatora;

• zrzucanie obciążenia, gdy napięcie na akumulatorze jest zbyt niskie;

• od przerwy w obwodzie akumulatora;

• zapobieganie rozładowaniu baterii przez panel słoneczny w nocy;

• kontrola zużycia prądu przez obciążenie.

Tabela odzwierciedla fakt, że koszt kontrolera MPPT zależy nie tylko od jego maksymalnego prądu (mocy), ale także od zakresu napięć wyjściowych, listy obsługiwanych akumulatorów, możliwości podłączenia narzędzi do wyświetlania, wyświetlania i monitorowania oraz wielu innych czynników. Wybór kontrolera jest skomplikowany i bardzo indywidualny, więc nie ma sensu dokonywać żadnych porównań i ocen.