MPPT on tärkeä aurinkosähköjärjestelmissä käytettävä ohjaustekniikka. MPPT-säädin valvoo jatkuvasti aurinkopaneelien jännitetuotosta reaaliajassa ja seuraa optimaalisia jännite- ja virta-arvoja, jotta järjestelmä saavuttaa maksimaalisen tehon. Tämä tekniikka lataa akkua tehokkaasti ja koordinoi samalla aurinkopaneelien ja kuormien toimintaa, mikä tekee siitä aurinkosähköjärjestelmän "aivot". Tässä oppaassa perehdytään MPPT:n määritelmään, toimintaperiaatteisiin ja tuotevalintoihin.

 

Mikä on MPPT?

Maksimitehopisteen seuranta (MPPT, Maximum Power Point Tracking) on edistyksellinen tekniikka, jota käytetään aurinkosähköjärjestelmissä (PV). Se tunnistaa ja ylläpitää älykkäästi aurinkosähkömoduulien optimaalisen tehontuottopisteen vaihtelevissa ympäristöolosuhteissa, kuten valon voimakkuuden ja lämpötilan muutoksissa. Tämä tekniikka varmistaa, että aurinkopaneelit tuottavat aina suurimman mahdollisen tehon, mikä parantaa järjestelmän hyötysuhdetta ja yleistä sähköntuotantoa.

 

MPPT:n merkitys

Aurinkosähkömoduulin tehoon vaikuttavat sellaiset tekijät kuin lämpötila, valon voimakkuus ja kuormitus. Nämä olosuhteet aiheuttavat muutoksia moduulin virta-jännite- (I-V) ja tehojännite- (P-V) ominaiskäyrissä.

Kuten kuvassa on esitetty, aurinkosähkömoduulin lähtöjännite ja -virta noudattavat I-V-käyriä (oranssi) ja P-V-käyrää (sininen). Jotta varmistetaan, että invertteri tuottaa maksimitehon, tasajännitteen on toimittava punaisessa pisteessä, joka edustaa maksimitehopistettä Pmax arvolla Vmp. Jos se toimii jännitteellä, joka on korkeampi tai matalampi kuin Vmp, teho laskee alle Pmax:n. Ilman seurantaa invertteri ei siis pysty ylläpitämään optimaalista jännitettä ja virtaa, mikä johtaa tehohäviöön, vaikka koko järjestelmä pysyy ennallaan.

Maksimitehopisteen jatkuva seuranta on tarpeen, koska ominaiskäyrä muuttuu valon voimakkuuden, lämpötilan ja varjostuksen muuttuessa. Maksimitehopiste voi olla 560 V aamulla, 520 V keskipäivällä ja 550 V iltapäivällä. Näin ollen MPPT-säätimen on jatkuvasti säädettävä, jotta paneelit tuottavat jatkuvasti maksimitehoa koko päivän ajan ja vältetään aurinkoenergian hukkaaminen.

 

MPPT-säätimen toimintaperiaate

MPPT-säädin, joka tunnetaan myös nimellä mppt-aurinkolataussäädin, käyttää MPPT-tekniikkaa optimoidakseen sähköntuotannon aurinkosähköjärjestelmissä. PV-moduulien MPPT-säätöä hallinnoidaan yleensä DC/DC-muuntopiireillä, kuten alla olevassa kuvassa on esitetty. Säädin havaitsee pääsilmukan tasavirtajännitteen ja lähtövirran, laskee aurinkosähköjärjestelmän lähtötehon ja seuraa maksimitehopistettä.

Häiriövastus (R) ja MOSFET kytketään sarjaan. Kun lähtöjännite on vakaa, vastuksen läpi kulkevaa keskivirtaa muutetaan säätämällä MOSFET:n työjaksoa, jolloin syntyy virran häiriö. Tämä häiriö muuttaa aurinkokennon lähtövirtaa ja -jännitettä. Mittaamalla PV-kennon lähtötehon ja -jännitteen muutokset ennen häiriötä ja sen jälkeen ohjain määrittää seuraavan syklin häiriön suunnan. Jos häiriö lisää aurinkopaneelin lähtötehoa, se jatkaa samaan suuntaan. Muussa tapauksessa suunta muuttuu. Tämä iteratiivinen häiriö- ja havainnointiprosessi varmistaa, että aurinkopaneeli toimii maksimitehopisteessä.

MPPT-laturisäätimen tärkeimmät tekniset indikaattorit

• Seurannan tehokkuus: Tämä indikaattori mittaa MPPT-algoritmin kykyä seurata maksimitehopistettä, yleensä ilmaistuna prosentteina. Se on MPPT-algoritmin tuottaman tehon suhde aurinkosähkömagneettisen kentän suurimpaan mahdolliseen tehoon tietyn ajanjakson aikana. Korkeampi seurantatehokkuus osoittaa, että MPPT-algoritmi on tehokkaampi optimaalisen tehon ylläpitämisessä.
• Vastausnopeus: Tämä indikaattori ilmaisee, kuinka nopeasti MPPT-algoritmi reagoi aurinkosähköjärjestelmän lähtötehon muutoksiin. Nopeampi reagointinopeus mahdollistaa algoritmin nopean sopeutumisen maksimitehopisteeseen, jolloin tehohäviö on mahdollisimman pieni. Reagointinopeus mitataan yleensä millisekunteina.
• Vakaus: Tämä indikaattori on MPPT-algoritmin kyky seurata johdonmukaisesti maksimitehopistettä vaihtelevissa olosuhteissa. Auringon säteilyn, lämpötilan ja kuormituksen kaltaiset tekijät muuttuvat jatkuvasti, mikä vaikuttaa aurinkosähkötuotantojärjestelmän lähtötehoon. Vakaa MPPT-algoritmi pystyy sopeutumaan nopeasti näihin muutoksiin ja ylläpitämään toimintaa lähellä maksimitehopistettä.

 

Yleiset algoritmit PV-järjestelmien MPPT:lle

Aurinkosähköpaneelien maksimitehopisteen seurantatekniikka (MPPT) on johtanut erilaisten ohjausmenetelmien kehittämiseen sekä tutkimuksessa että käytännön sovelluksissa maailmanlaajuisesti. Varjostamattomissa olosuhteissa yleisesti käytettyjä ohjausmenetelmiä aurinkosähköpaneelien MPPT:hen ovat CVT (Constant Voltage Tracking), P&O (Perturbation and Observation) ja INC (Incremental Conductance).

Seuraavassa esitellään ja vertaillaan näitä kolmea algoritmia:

1. Jatkuva jännitteen seuranta (CVT)

Vakiojännitemenetelmän perusperiaatteena on, että aurinkokennojen P-U-lähtökäyrän suurimman tehopisteen jännite pysyy lähellä tiettyä vakioarvoa erilaisissa auringonpaisteolosuhteissa. CVT-menetelmällä ohjataan aurinkokennon ulostulojännitettä niin, että tämä vakiojännite säilyy, jolloin kenno voi toimia lähellä maksimitehopistettä koko työprosessin ajan.

• Edut: CVT-menetelmä tuottaa suuremman tehon kuin suora sovitus ja voi yksinkertaistaa MPPT-ohjausta tietyissä olosuhteissa. Se on yksinkertainen toteuttaa, suhteellisen vakaa ja soveltuu alueille, joilla on vakaat ilmasto-olosuhteet ja joilla ei vaadita suurta tarkkuutta.
• Haitat: Menetelmän sopeutumiskyky on heikko ja tarkkuus alhainen ympäristön lämpötilan muuttuessa, koska se ei pysty seuraamaan maksimitehopistettä tehokkaasti.

2. Häiriöt ja havainnointi (P&O)

P&O-menetelmässä aurinkokennon lähtöjännitettä häiritään (säädetään) määräajoin ja tarkkaillaan tuloksena olevaa tehon muutosta. Jos teho kasvaa, säätöä jatketaan samaan suuntaan. Jos teho pienenee, suunta käännetään päinvastaiseksi. Tämä takaisinkytkentä jatkuu, kunnes maksimitehopiste on saavutettu.

• Edut: P&O-menetelmä on yksinkertainen toteuttaa ja helppo integroida laitteistoon.
• Haitat: Reagointinopeus on hidas, joten se soveltuu vain tilanteisiin, joissa auringonvalon voimakkuus muuttuu vähitellen, kuten aurinkosähkövoimalat ja katulamput. Lisäksi se voi aiheuttaa pientä värähtelyä maksimitehopisteen ympärillä, mikä johtaa tehohäviöön.

3. Inkrementaalinen johtavuus (INC)

INC-menetelmässä käytetään PV-massan P-U-käyrän ensimmäisen kertaluvun derivaattaa maksimitehopisteen löytämiseksi. Tämä menetelmä määrittää seuraavan säädön suunnan johtokyvyn muutosnopeuden (G = I/U) ja johtokyvyn hetkellisen arvon perusteella.

• Edut: INC-menetelmä tarjoaa paremman tarkkuuden kuin P&O-menetelmä, koska se riippuu täysin konduktanssin muutosnopeudesta ja negatiivisen konduktanssin hetkellisestä arvosta, ei aiemmasta jännitteestä tai tehosta. Se pystyy mukautumaan nopeasti auringonvalon voimakkuuden nopeisiin muutoksiin, mikä tekee siitä erittäin tarkan.
• Haitat: Algoritmi vaatii useampia laitteiston antureita, mikä lisää kustannuksia. Tämän vuoksi yksinkertaisempaa P&O-menetelmää käytetään edelleen laajalti.

 

MPPT vs. PWM: tärkeimmät erot ja edut

MPPT ja PWM (pulssinleveysmodulaatio) ovat kaksi yleistä ohjausstrategiaa, joita käytetään aurinkosähköjärjestelmissä. MPPT- ja PWM-säätimet ovat näiden järjestelmien tehokkaan ja vakaan toiminnan varmistavia avainkomponentteja, ja ne eroavat toisistaan merkittävästi toiminnaltaan, tehokkuudeltaan ja sovellettavilta skenaarioiltaan.

1. Ero toimintaperiaatteessa

• PWM-säätimet: PWM-ohjaimet säätelevät piirin jännitettä ja virtaa säätämällä pulssin leveyttä. Mitä pidempi PWM-signaalin korkean tason kesto on, sitä pidempi on kytkentäaika piirissä, mikä lisää aikaa, jolloin virta virtaa kuorman läpi, ja siten ohjaa tehon tuottoa.
• MPPT-säätimet: MPPT-säätimet seuraavat aurinkopaneelin jännitettä ja virtaa reaaliaikaisesti ja käyttävät erityisiä algoritmeja optimaalisen toimintatilan määrittämiseksi. Ne säätävät kuorman impedanssia tai käyttöjännitettä varmistaakseen, että paneeli toimii aina maksimitehollaan. Tämä prosessi on automaattinen eikä vaadi ihmisen toimenpiteitä.

2. Tehokkuus ja suorituskyky

• PWM-säätimet: PWM-säätimillä on suhteellisen alhainen hyötysuhde, koska ne eivät pysty hyödyntämään täysin aurinkopaneelin maksimitehoa, vaan ne saavuttavat enintään 70-80% latauksen muuntotehokkuuden.
• MPPT-säätimet: MPPT-säätimet ovat huomattavasti tehokkaampia, sillä ne seuraavat jännitettä ja virtaa reaaliaikaisesti ja pystyvät näin seuraamaan maksimitehopistettä (P=U*I). Tämä johtaa akun lataamiseen maksimiteholla, jolloin seurantahyötysuhde on jopa 99% ja järjestelmän kokonaistehontuotannon hyötysuhde jopa 97%, mikä on noin 50% korkeampi kuin perinteisissä järjestelmissä.

3. Sovellettavat skenaariot

• PWM-säätimet: Nämä ohjaimet soveltuvat tilanteisiin, joissa on suuria kustannusrajoituksia ja alhaisempia tehokkuusvaatimuksia. PWM-säätimet ovat ohjausstrategiansa yksinkertaisuuden vuoksi kustannustehokkaampia ja sopivat erinomaisesti edullisiin, pienimuotoisiin aurinkosähköjärjestelmiin.
• MPPT-säätimet: Nämä säätimet soveltuvat paremmin skenaarioihin, joissa vaaditaan suurta järjestelmän tehokkuutta. Suurissa aurinkosähkövoimaloissa, hajautetuissa aurinkosähkövoimantuotantojärjestelmissä ja muissa korkean hyötysuhteen vaatimuksissa MPPT-säätimet voivat maksimoida etunsa ja parantaa merkittävästi järjestelmän yleistä sähköntuotannon tehokkuutta.

 

Tärkeimmät tekijät MPPT-säätimen valinnassa

Oikean MPPT-säätimen valinta on ratkaisevan tärkeää aurinkosähköjärjestelmien tehokkaan ja vakaan toiminnan kannalta. Tässä ovat tärkeimmät tekijät, jotka on otettava huomioon valintaa tehtäessä:

1. Järjestelmän jännite ja virta

• Tulojännitealue: Varmista, että MPPT-säätimen tulojännitealue kattaa aurinkosähkömoduulin jännitteen ulostulon eri olosuhteissa. Tyypillisesti säätimen tulojännitealueen tulisi olla suurempi kuin PV-moduulin avoimen piirin jännite (Voc).
• Tulovirran kapasiteetti: Säätimen tulovirran kapasiteetin on oltava vähintään yhtä suuri kuin aurinkosähkömoduulin oikosulkuvirta (Isc). Turvallisuuden ja tehokkuuden vuoksi on suositeltavaa valita virtakapasiteetti, joka on 20-25% suurempi kuin suurin oikosulkuvirta.
• Lähtöjännite ja -virta: Varmista, että säätimen lähtöjännite ja -virta vastaavat kuorman tai energiavarastointilaitteen vaatimuksia.

2. Teholuokitus

• Tehokapasiteetti: MPPT-säätimen nimellistehon on vastattava aurinkosähköjärjestelmän kokonaistehoa. Varmista, että säädin pystyy käsittelemään PV-moduulin lähtötehoa sen maksimitehopisteessä. Yleensä säätimen tehokapasiteetin olisi oltava suurempi kuin aurinkosähköjärjestelmän enimmäisteho ylikuormituksen välttämiseksi.

3. Yhteensopivuus

• Paristotyyppi: Akun tyyppi: Jos aurinkosähköjärjestelmään kuuluu energiavarastointilaitteita (kuten akkuja), varmista, että MPPT-säädin on yhteensopiva käytettävän akkutyypin kanssa (lyijyhappo-, litiumioni, nikkelikadmium jne.).
• Järjestelmäarkkitehtuuri: Valitse järjestelmärakenteeseesi sopiva MPPT-säädin, olipa kyseessä sitten verkkoon kytketty, verkkoon kytketty tai hybridijärjestelmä.

 

Top 6 Solar MPPT Controller -merkkiä

Aurinkosähkötuotannon suosion kasvaessa laadukkaan, mukautuvan ja vakaan aurinkosäätimen valinta on olennaisen tärkeää aurinkojärjestelmän käyttöiän pidentämiseksi. Nämä säätimet eivät ainoastaan takaa tehokasta toimintaa, vaan tarjoavat myös erilaisia lisäominaisuuksia käyttäjän mukavuuden lisäämiseksi. Tässä on maailman 6 parasta MPPT-ohjainmerkkiä:

1. Morningstar (Yhdysvallat)

Perustamisestaan vuonna 1993 lähtien Morningstarin tuotteita on käytetty laajalti tietoliikenteen tukiasemissa, kenttävalvonnassa, saaristovirtalähteissä ja muissa keskisuurissa ja korkeatasoisissa teollisuussovelluksissa. Se on luotettu ja tunnustettu tuotemerkki. Esimerkiksi heidän 40A 12/24V MPPT-ohjaimensa hinta on noin $570.

 

2. Victron Energy (Alankomaat)

Victron Energyn tuotteilla on 40 vuoden kokemus virtalähteiden valmistuksesta, ja niitä pidetään ammattimaisena valintana itsenäisiin sähköjärjestelmiin. Niitä käytetään vakiovarusteena tunnetuissa jahtimerkeissä, kuten Sunseekerissä, Ferrettissä ja Fairlinessa, sekä kotimaisten jahdin ja erikoisajoneuvojen valmistajien toimesta. Sisäänrakennetulla Bluetoothilla varustetun 30A 12/24V MPPT-säätimen hinta on noin $170.

 

3. EPEVER (Kiina)

Vuonna 2007 Pekingissä perustettu EPEVER on johtava nimi aurinkoenergia-alalla, joka keskittyy aurinkosäätimien, verkkovaihtosuuntaajien ja hybridienergiajärjestelmien tutkimukseen ja kehitykseen, tuotantoon, myyntiin ja huoltoon. Kustannustehokkuudesta ja suorituskyvystä tunnettu 30A 12/24V MPPT-säädin on hinnoiteltu noin $90.

 

4. PHOCOS (Saksa)

PHOCOS perustettiin vuonna 2000 Saksan Ulmissa, ja se on yksi maailman suurimmista verkkoverkkoon kuulumattomien aurinkosähköjärjestelmien komponenttien valmistajista. Se valmistaa muun muassa aurinkolataussäätimiä ja tasavirtalamppuja. Esimerkiksi heidän 20A 12/24V IP68 -vesitiiviin ohjaimensa hinta on noin $90.

 

5. STECA (Saksa)

STECA on laajamittainen ammattimainen aurinkolataussäätimien valmistaja. Heidän keskisuuriin ja pieniin aurinkosähköjärjestelmiin suunnitellut tuotteensa tarjoavat vankat ominaisuudet ja latausvirrat 6A-140A, jotka soveltuvat useimpiin aurinkosähköjärjestelmiin ja DC-kuormanohjaukseen.

 

6. Renogy (Kiina/USA)

Renogy perustettiin vuonna 2010 Yhdysvalloissa, ja siitä on tullut johtava tuotemerkki maailmanlaajuisella kuluttajien uuden energian alalla. Renogy on sitoutunut tarjoamaan riippumatonta ja puhdasta energiaa ja keskittyy uuden energian tuotesuunnitteluun, teknologian tutkimukseen ja kehitykseen sekä maailmanlaajuisiin palveluihin. Heidän 30A 12/24V MPPT-ohjaimensa hinta on noin $130.

 

Viimeinen ajatus

MPPT-tekniikka on aurinkosähköjärjestelmän välttämätön osa. Se voi tehokkaasti parantaa järjestelmän tehokkuutta ja lisätä sähköntuotantoa. Tehokkaan MPPT:n toteuttaminen ei kuitenkaan ole helppoa, ja se edellyttää monien teknisten vaikeuksien voittamista. Älykkäiden algoritmien ja tehokkaiden laitteistojen kehittämisen myötä MPPT-tekniikka paranee tulevaisuudessa entisestään, mikä vie aurinkosähköteollisuutta eteenpäin.