MPPT ir svarīga vadības tehnoloģija, ko izmanto fotoelementu enerģijas ražošanas sistēmās. MPPT kontrolieris nepārtraukti uzrauga saules paneļu izejas spriegumu reāllaikā, sekojot līdzi optimālajām sprieguma un strāvas vērtībām, lai nodrošinātu, ka sistēma sasniedz maksimālo izejas jaudu. Šī tehnoloģija efektīvi uzlādē akumulatoru, vienlaikus koordinējot saules paneļu un slodžu darbību, padarot to par saules fotoelektriskās sistēmas "smadzenēm". Šajā rokasgrāmatā tiks aplūkota MPPT definīcija, darbības principi un produktu izvēle.

 

Kas ir MPPT?

Maksimālās jaudas punkta izsekošana (MPPT) ir progresīva tehnoloģija, ko izmanto fotoelementu (PV) enerģijas ražošanas sistēmās. Tā inteliģenti nosaka un uztur optimālo PV moduļu izejas jaudas punktu mainīgos vides apstākļos, piemēram, mainoties gaismas intensitātei un temperatūrai. Šī tehnoloģija nodrošina, ka saules paneļi vienmēr ražo maksimāli iespējamo jaudu, tādējādi uzlabojot sistēmas efektivitāti un kopējo enerģijas ražošanu.

 

MPPT nozīme

PV moduļa izejas jaudu ietekmē tādi faktori kā temperatūra, gaismas intensitāte un slodze. Šie apstākļi izraisa izmaiņas moduļa strāvas un sprieguma (I-V) un jaudas un sprieguma (P-V) raksturlīknēs.

Kā parādīts attēlā, PV moduļa izejas spriegums un strāva atbilst I-V līknēm (oranža) un P-V līknēm (zila). Lai nodrošinātu invertora maksimālo izejas jaudu, līdzstrāvas spriegumam jādarbojas sarkanajā punktā, kas atbilst maksimālās jaudas punktam Pmax pie Vmp. Ja tas darbojas ar spriegumu, kas ir lielāks vai mazāks par Vmp, jauda samazinās zem Pmax. Tāpēc bez sekošanas invertoram neizdodas uzturēt optimālo spriegumu un strāvu, kā rezultātā rodas jaudas zudumi, lai gan kopējā sistēma netiek ietekmēta.

Nepārtraukta maksimālā jaudas punkta noteikšana ir nepieciešama, jo raksturlīkne mainās, mainoties gaismas intensitātei, temperatūrai un ēnojumam. Maksimālais jaudas punkts var būt 560 V no rīta, 520 V pusdienlaikā un 550 V pēcpusdienā. Tādējādi MPPT kontrolierim ir pastāvīgi jāpielāgojas, lai nodrošinātu, ka paneļi pastāvīgi piegādā maksimālo jaudu visas dienas garumā, novēršot saules enerģijas izšķērdēšanu.

 

MPPT kontroliera darbības princips

MPPT kontrolieris, kas pazīstams arī kā MPPT saules enerģijas lādēšanas kontrolieris, izmanto MPPT tehnoloģiju, lai optimizētu enerģijas ražošanu fotoelementu sistēmās. Fotogalvanisko moduļu bloku MPPT vadību parasti nodrošina DC/DC pārveidotāju shēmas, kā parādīts turpmāk attēlā. Kontrolieris nosaka galvenās cilpas līdzstrāvas spriegumu un izejas strāvu, aprēķina saules bateriju bloka izejas jaudu un seko līdzi maksimālās jaudas punktam.

Konkrēti, traucējumu rezistors (R) un MOSFET ir savienoti virknē. Stabilos izejas sprieguma apstākļos vidējo strāvu caur rezistoru maina, regulējot MOSFET darba ciklu, tādējādi radot strāvas traucējumus. Šī perturbācija maina PV elementa izejas strāvu un spriegumu. Mērot PV elementa izejas jaudas un sprieguma izmaiņas pirms un pēc perturbācijas, kontrolieris nosaka nākamā cikla perturbācijas virzienu. Ja perturbācija palielina saules paneļa izejas jaudu, tā turpinās tajā pašā virzienā. Pretējā gadījumā tas maina virzienu. Šis iteratīvais perturbāciju un novērošanas process nodrošina saules paneļa darbību maksimālās jaudas punktā.

MPPT lādēšanas kontroliera galvenie tehniskie rādītāji

• Izsekošanas efektivitāte: Šis rādītājs mēra MPPT algoritma spēju sekot maksimālās jaudas punktam, parasti izteikts procentos. Tā ir MPPT algoritma izvadītās jaudas attiecība pret maksimālo iespējamo PV masīva jaudu noteiktā laikposmā. Augstāka sekošanas efektivitāte norāda, ka MPPT algoritms ir efektīvāks optimālās izejas jaudas uzturēšanā.
• Reakcijas ātrums: Šis rādītājs attiecas uz to, cik ātri MPPT algoritms reaģē uz izmaiņām PV masīva izejas jaudā. Lielāks reakcijas ātrums ļauj algoritmam ātri pielāgoties maksimālās jaudas punktam, samazinot jaudas zudumus. Reakcijas ātrumu parasti mēra milisekundēs.
• Stabilitāte: Šis rādītājs ir MPPT algoritma spēja pastāvīgi sekot līdzi maksimālās jaudas punktam mainīgos apstākļos. Tādi faktori kā saules starojums, temperatūra un slodze nepārtraukti mainās, ietekmējot PV masīva izejas jaudu. Stabils MPPT algoritms var ātri pielāgoties šīm izmaiņām un uzturēt darbību tuvu maksimālās jaudas punktam.

 

Kopējie MPPT algoritmi PV sistēmās

Maksimālās jaudas punkta izsekošanas (MPPT) metode fotogalvanisko elementu masīviem ir veicinājusi dažādu vadības metožu izstrādi gan pētniecībā, gan praktiskajā pielietojumā visā pasaulē. Neaizēnotos apstākļos parasti izmantotās MPPT vadības metodes PV masīvos ir konstantas sprieguma sekošana (CVT), perturbācija un novērošana (P&O) un inkrementālā vadītspēja (INC).

Tālāk ir sniegts šo trīs algoritmu ievads un salīdzinājums:

1. Pastāvīga sprieguma izsekošana (CVT)

Pastāvīgā sprieguma metodes pamatprincips ir tāds, ka spriegums maksimālās jaudas punktā uz PV elementu izejas P-U līknes dažādos insolācijas apstākļos saglabājas tuvu noteiktai konstantai vērtībai. CVT metode kontrolē PV elementa izejas spriegumu, lai uzturētu šo nemainīgo spriegumu, ļaujot elementam darboties tuvu maksimālās jaudas punktam visā tā darba procesā.

• Priekšrocības: CVT metode nodrošina lielāku izejas jaudu nekā tiešā saskaņošana un noteiktos apstākļos var vienkāršot MPPT vadību. To ir vienkārši īstenot, tā ir relatīvi stabila un piemērota apgabaliem ar stabiliem klimatiskajiem apstākļiem, kur nav nepieciešama augsta precizitāte.
• Trūkumi: Metode ir slikti pielāgojama, un, mainoties apkārtējās vides temperatūrai, tās precizitāte ir zema, jo tā nespēj efektīvi izsekot maksimālo jaudas punktu.

2. Perturbācija un novērošana (P&O)

P&O metode ietver periodisku PV elementa izejas sprieguma traucēšanu (regulēšanu) un iegūto jaudas izmaiņu novērošanu. Ja jauda palielinās, regulēšana turpinās tajā pašā virzienā. Ja jauda samazinās, virziens tiek mainīts. Šī atgriezeniskās saites cilpa turpinās, līdz tiek sasniegts maksimālās jaudas punkts.

• Priekšrocības: P&O metode ir vienkārši īstenojama un viegli integrējama aparatūrā.
• Trūkumi: Reakcijas ātrums ir lēns, tāpēc tas ir piemērots tikai tādiem scenārijiem, kuros saules gaismas intensitāte mainās pakāpeniski, piemēram, fotoelementu elektrostacijās un ielu lampās. Turklāt tas var izraisīt nelielas svārstības ap maksimālās jaudas punktu, kas rada zināmus jaudas zudumus.

3. Inkrementālā vadītspēja (INC)

INC metode izmanto PV masīva P-U līknes pirmās kārtas atvasinājumu, lai atrastu maksimālās jaudas punktu. Šī metode nosaka nākamās korekcijas virzienu, pamatojoties uz vadītspējas izmaiņu ātrumu (G = I/U) un vadītspējas momentāno vērtību.

• Priekšrocības: INC metode nodrošina lielāku precizitāti nekā P&O metode, jo tā ir pilnībā atkarīga no vadītspējas izmaiņu ātruma un momentānās negatīvās vadītspējas vērtības, nevis no iepriekšējā sprieguma vai jaudas. Tā var ātri pielāgoties straujām saules gaismas intensitātes izmaiņām, padarot to ļoti precīzu.
• Trūkumi: Algoritmam nepieciešams vairāk aparatūras sensoru, kas palielina izmaksas. Tāpēc joprojām plaši tiek izmantota vienkāršākā P&O metode.

 

MPPT pret PWM: galvenās atšķirības un priekšrocības

MPPT un PWM (impulsa platuma modulācija) ir divas izplatītas vadības stratēģijas, ko izmanto fotogalvaniskajās (PV) sistēmās. MPPT un PWM kontrolieri kā galvenie komponenti, kas nodrošina šo sistēmu efektīvu un stabilu darbību, būtiski atšķiras funkciju, efektivitātes un pielietojuma scenāriju ziņā.

1. Darba principa atšķirības

• PWM kontrolieri: PWM kontrolieri regulē spriegumu un strāvu ķēdē, regulējot impulsa platumu. Jo garāks PWM signāla augsta līmeņa ilgums, jo ilgāks ir ķēdes pārslēgšanās laiks, kas palielina strāvas plūsmas laiku caur slodzi, tādējādi kontrolējot izejas jaudu.
• MPPT kontrolieri: MPPT kontrolieri reāllaikā uzrauga saules paneļa spriegumu un strāvu un izmanto īpašus algoritmus, lai noteiktu optimālo darbības stāvokli. Tie pielāgo slodzes pretestību vai darba spriegumu, lai nodrošinātu, ka panelis vienmēr darbojas ar maksimālo jaudu. Šis process notiek automātiski, un nav nepieciešama cilvēka iejaukšanās.

2. Efektivitāte un veiktspēja

• PWM kontrolieri: PWM kontrolieriem ir salīdzinoši zema efektivitāte, jo tie nespēj pilnībā izmantot saules paneļa maksimālo izejas jaudu, sasniedzot ne vairāk kā 70-80% uzlādes pārveidošanas efektivitāti.
• MPPT kontrolieri: MPPT kontrolieri ir ievērojami efektīvāki, jo tie reāllaika režīmā uzrauga spriegumu un strāvu, ļaujot tiem sekot līdzi maksimālās jaudas punktam (P=U*I). Tā rezultātā akumulators tiek uzlādēts ar maksimālo jaudu, sasniedzot līdz pat 99% izsekošanas efektivitāti un kopējo sistēmas enerģijas ražošanas efektivitāti līdz pat 97%, kas ir par aptuveni 50% augstāka nekā tradicionālajās sistēmās.

3. Piemērojamie scenāriji

• PWM kontrolieri: Šie kontrolieri ir piemēroti scenārijiem ar augstiem izmaksu ierobežojumiem un zemākām efektivitātes prasībām. PWM kontrolieri ir rentablāki, jo to vadības stratēģija ir vienkārša, un tie ir ideāli piemēroti neliela mēroga fotovoltaikas elektroenerģijas ražošanas sistēmām ar zemām izmaksām.
• MPPT kontrolieri: Šie kontrolieri ir labāk piemēroti scenārijiem, kuros nepieciešama augsta sistēmas efektivitāte. Liela mēroga PV spēkstacijās, izkliedētās PV enerģijas ražošanas sistēmās un citās augstas efektivitātes sistēmās MPPT kontrolieri var maksimāli izmantot savas priekšrocības un ievērojami uzlabot sistēmas kopējo enerģijas ražošanas efektivitāti.

 

Galvenie faktori, izvēloties MPPT kontrolieri

Pareiza MPPT kontroliera izvēle ir ļoti svarīga, lai nodrošinātu efektīvu un stabilu saules fotoelektrisko sistēmu darbību. Šeit ir izklāstīti galvenie faktori, kas jāņem vērā, veicot izvēli:

1. Sistēmas spriegums un strāva

• Ieejas sprieguma diapazons: Pārliecinieties, ka MPPT kontroliera ieejas sprieguma diapazons aptver PV moduļa izejas spriegumu dažādos apstākļos. Parasti regulatora ieejas sprieguma diapazonam jābūt lielākam par PV moduļa ķēdes spriegumu (Voc).
• Ieejas strāvas jauda: Kontroliera ieejas strāvas jaudai jābūt vismaz vienādai ar PV moduļa īsslēguma strāvu (Isc). Drošības un efektivitātes labad ieteicams izvēlēties strāvas jaudu, kas ir par 20-25% lielāka par maksimālo īsslēguma strāvu.
• Izejas spriegums un strāva: Pārliecinieties, ka kontroliera izejas spriegums un strāva atbilst slodzes vai enerģijas uzkrāšanas ierīces prasībām.

2. Jaudas novērtējums

• Jaudas jauda: MPPT kontroliera nominālajai jaudai jāsakrīt ar PV sistēmas kopējo jaudu. Pārliecinieties, ka kontrolieris spēj apstrādāt PV moduļa izejas jaudu tā maksimālajā jaudas punktā. Parasti regulatora jaudai jābūt lielākai par PV sistēmas maksimālo jaudu, lai novērstu pārslodzi.

3. Savietojamība

• Akumulatora tips: Ja PV sistēmā ir iekļautas enerģijas uzkrāšanas ierīces (piemēram, akumulatori), pārliecinieties, vai MPPT kontrolieris ir saderīgs ar izmantoto akumulatoru tipu (svina-skābes, litija-jonu, niķeļa-kadmija u. c.).
• Sistēmas arhitektūra: Izvēlieties savai sistēmas arhitektūrai piemērotu MPPT kontrolieri, neatkarīgi no tā, vai tā ir bezvada, tīkla vai hibrīda sistēma.

 

6 labākie saules MPPT kontrolieru zīmoli

Pieaugot fotoelektriskās enerģijas ražošanas popularitātei, augstas kvalitātes, pielāgojama un stabila saules enerģijas regulatora izvēle ir būtiska, lai pagarinātu saules enerģijas sistēmas kalpošanas laiku. Šie kontrolieri ne tikai nodrošina efektīvu darbību, bet arī piedāvā dažādas papildu funkcijas lietotāja ērtībām. Šeit ir minēti 6 pasaulē populārākie MPPT kontrolleru zīmoli:

1. Morningstar (ASV)

Kopš uzņēmuma dibināšanas 1993. gadā Morningstar produkti ir plaši izmantoti sakaru bāzes stacijās, lauka monitoringā, salu elektroapgādē un citos vidējas un augstas klases lietojumos. Tas ir uzticams un atzīts zīmols. Piemēram, 40A 12/24V MPPT kontroliera cena ir aptuveni $570.

 

2. Victron Energy (Nīderlande)

Ar 40 gadu pieredzi barošanas avotu ražošanā Victron Energy produkti tiek uzskatīti par profesionālu izvēli autonomām barošanas sistēmām. Tos kā standarta aprīkojumu izmanto tādi pazīstami jahtu zīmoli kā Sunseeker, Ferretti un Fairline, kā arī vietējo jahtu un speciālo transportlīdzekļu ražotāji. 30 A 12/24 V MPPT kontroliera ar iebūvētu Bluetooth cena ir aptuveni $170.

 

3. EPEVER (Ķīna)

Uzņēmums EPEVER, kas dibināts 2007. gadā Pekinā, ir vadošais vārds saules enerģijas nozarē, kas koncentrējas uz saules enerģijas regulatoru, beztīkla invertoru un hibrīdās enerģijas sistēmu pētniecību un izstrādi, ražošanu, pārdošanu un apkalpošanu. Tā 30A 12/24V MPPT kontrolieris, kas pazīstams ar rentabilitāti un veiktspēju, maksā aptuveni $90.

 

4. PHOCOS (Vācija)

Uzņēmums PHOCOS, kas dibināts 2000. gadā Ulmā, Vācijā, ir viens no pasaulē lielākajiem ārpus elektrotīkla saules enerģijas sistēmu komponentu ražotājiem. Tā ražo saules enerģijas lādēšanas kontrolierus, līdzstrāvas luminiscences spuldzes un daudz ko citu. Piemēram, to 20 A 12/24 V IP68 ūdensizturīgais kontrolieris maksā aptuveni $90.

 

5. STECA (Vācija)

STECA ir liela mēroga profesionāls saules uzlādes kontrolieru ražotājs. To produkti, kas paredzēti vidēja un maza mēroga fotoelementu sistēmām, piedāvā stabilas funkcijas un uzlādes strāvu no 6 A līdz 140 A, kas piemērota lielākajai daļai saules enerģijas sistēmu un līdzstrāvas slodzes kontrolei.

 

6. Renogy (Ķīna/ASV)

2010. gadā ASV dibinātais Renogy ir kļuvis par vadošo zīmolu pasaules patērētāju jaunās enerģijas jomā. Apņēmusies nodrošināt neatkarīgu un tīru enerģiju, Renogy koncentrējas uz jaunu enerģijas produktu izstrādi, tehnoloģiju pētniecību un izstrādi, kā arī globāliem pakalpojumiem. To 30A 12/24V MPPT kontroliera cena ir aptuveni $130.

 

Nobeiguma pārdomas

MPPT tehnoloģija ir neatņemama fotoelementu sistēmas sastāvdaļa. Tā var efektīvi uzlabot sistēmas efektivitāti un palielināt enerģijas ražošanu. Tomēr panākt efektīvu MPPT nav viegli, un ir jāpārvar daudzas tehniskas grūtības. Nākotnē, izstrādājot inteliģentus algoritmus un efektīvu aparatūru, MPPT tehnoloģija vēl vairāk uzlabosies, veicinot fotoelementu nozares attīstību.