MPPT to ważna technologia sterowania stosowana w fotowoltaicznych systemach wytwarzania energii. Kontroler MPPT stale monitoruje napięcie wyjściowe paneli słonecznych w czasie rzeczywistym, śledząc optymalne wartości napięcia i prądu, aby zapewnić, że system osiąga maksymalną moc wyjściową. Technologia ta skutecznie ładuje akumulator, jednocześnie koordynując działanie paneli słonecznych i obciążeń, co czyni ją "mózgiem" systemu fotowoltaicznego. Niniejszy przewodnik przedstawia definicję, zasady działania i wybór produktów MPPT.

 

Co to jest MPPT?

Śledzenie punktu mocy maksymalnej (MPPT) to zaawansowana technologia stosowana w fotowoltaicznych (PV) systemach wytwarzania energii. Inteligentnie identyfikuje i utrzymuje optymalny punkt mocy wyjściowej modułów fotowoltaicznych w zmiennych warunkach środowiskowych, takich jak zmiany natężenia światła i temperatury. Technologia ta zapewnia, że panele słoneczne zawsze wytwarzają maksymalną możliwą moc wyjściową, zwiększając w ten sposób wydajność i ogólną moc generowaną przez system.

 

Znaczenie MPPT

Na moc wyjściową modułu fotowoltaicznego mają wpływ takie czynniki jak temperatura, natężenie światła i obciążenie. Warunki te powodują zmiany w charakterystyce prądowo-napięciowej (I-V) i mocowo-napięciowej (P-V) modułu.

Jak pokazano na rysunku, napięcie i prąd wyjściowy modułu fotowoltaicznego są zgodne z krzywymi I-V (pomarańczowa) i P-V (niebieska). Aby zapewnić maksymalną moc wyjściową falownika, napięcie DC musi działać w czerwonym punkcie, który reprezentuje maksymalny punkt mocy Pmax przy Vmp. Jeśli napięcie będzie wyższe lub niższe niż Vmp, moc spadnie poniżej Pmax. Dlatego bez śledzenia falownik nie jest w stanie utrzymać optymalnego napięcia i prądu, co prowadzi do utraty mocy, nawet jeśli cały system pozostaje nienaruszony.

Ciągłe śledzenie maksymalnego punktu mocy jest konieczne, ponieważ krzywa charakterystyczna zmienia się wraz ze zmianami natężenia światła, temperatury i zacienienia. Maksymalny punkt mocy może wynosić 560 V rano, 520 V w południe i 550 V po południu. W związku z tym kontroler MPPT musi stale dostosowywać się, aby zapewnić, że panele stale dostarczają maksymalną moc przez cały dzień, unikając marnowania energii słonecznej.

 

Zasada działania kontrolera MPPT

Kontroler MPPT, znany również jako kontroler ładowania słonecznego mppt, wykorzystuje technologię MPPT do optymalizacji wytwarzania energii w systemach fotowoltaicznych. Sterowanie MPPT macierzy modułów fotowoltaicznych jest zwykle zarządzane przez obwody konwertera DC/DC, jak pokazano na poniższym rysunku. Sterownik wykrywa napięcie DC i prąd wyjściowy w pętli głównej, oblicza moc wyjściową układu fotowoltaicznego i śledzi punkt mocy maksymalnej.

Rezystor perturbacyjny (R) i tranzystor MOSFET są połączone szeregowo. W stabilnych warunkach napięcia wyjściowego, średni prąd przez rezystor jest zmieniany poprzez regulację cyklu pracy tranzystora MOSFET, tworząc perturbacje prądowe. To zakłócenie zmienia prąd i napięcie wyjściowe ogniwa fotowoltaicznego. Mierząc zmiany mocy wyjściowej i napięcia ogniwa fotowoltaicznego przed i po perturbacji, sterownik określa kierunek perturbacji w następnym cyklu. Jeśli perturbacja zwiększy moc wyjściową panelu słonecznego, będzie ona kontynuowana w tym samym kierunku. W przeciwnym razie zmienia kierunek. Ten iteracyjny proces perturbacji i obserwacji zapewnia, że panel słoneczny działa w punkcie maksymalnej mocy.

Kluczowe wskaźniki techniczne dla kontrolera ładowania MPPT

• Wydajność śledzenia: Wskaźnik ten mierzy zdolność algorytmu MPPT do podążania za maksymalnym punktem mocy, zwykle wyrażonym w procentach. Jest to stosunek mocy wyjściowej algorytmu MPPT do maksymalnej możliwej mocy macierzy fotowoltaicznej w danym okresie. Wyższa skuteczność śledzenia wskazuje na bardziej efektywny algorytm MPPT w utrzymywaniu optymalnej mocy wyjściowej.
• Szybkość reakcji: Wskaźnik ten odnosi się do tego, jak szybko algorytm MPPT reaguje na zmiany mocy wyjściowej macierzy fotowoltaicznej. Większa szybkość reakcji pozwala algorytmowi szybko dostosować się do punktu maksymalnej mocy, minimalizując straty mocy. Szybkość reakcji jest zwykle mierzona w milisekundach.
• Stabilność: Wskaźnik ten to zdolność algorytmu MPPT do konsekwentnego śledzenia punktu mocy maksymalnej w zmiennych warunkach. Czynniki takie jak promieniowanie słoneczne, temperatura i obciążenie stale się zmieniają, wpływając na moc wyjściową paneli fotowoltaicznych. Stabilny algorytm MPPT może szybko dostosować się do tych zmian i utrzymać działanie w pobliżu punktu mocy maksymalnej.

 

Popularne algorytmy MPPT w systemach fotowoltaicznych

Technika śledzenia punktu maksymalnej mocy (MPPT) dla paneli fotowoltaicznych doprowadziła do opracowania różnych metod sterowania zarówno w badaniach, jak i praktycznych zastosowaniach na całym świecie. W warunkach niezacienionych powszechnie stosowane metody sterowania MPPT w panelach fotowoltaicznych obejmują śledzenie stałego napięcia (CVT), perturbację i obserwację (P&O) oraz przewodnictwo przyrostowe (INC).

Poniżej znajduje się wprowadzenie i porównanie tych trzech algorytmów:

1. Śledzenie stałego napięcia (CVT)

Podstawową zasadą metody stałego napięcia jest to, że napięcie w punkcie mocy maksymalnej na krzywej wyjściowej P-U ogniw fotowoltaicznych pozostaje w pobliżu pewnej stałej wartości w różnych warunkach nasłonecznienia. Metoda CVT kontroluje napięcie wyjściowe ogniwa fotowoltaicznego, aby utrzymać to stałe napięcie, umożliwiając ogniwu pracę w pobliżu punktu mocy maksymalnej przez cały proces roboczy.

• Zalety: Metoda CVT zapewnia wyższą moc wyjściową niż bezpośrednie dopasowanie i może uprościć sterowanie MPPT w określonych warunkach. Jest ona prosta do wdrożenia, stosunkowo stabilna i odpowiednia dla obszarów o stabilnych warunkach klimatycznych, gdzie nie jest wymagana wysoka dokładność.
• Wady: Zdolność adaptacji tej metody jest słaba, a dokładność niska w przypadku zmian temperatury otoczenia, ponieważ nie jest ona w stanie skutecznie śledzić maksymalnego punktu mocy.

2. Perturbacja i obserwacja (P&O)

Metoda P&O polega na okresowym zakłócaniu (regulacji) napięcia wyjściowego ogniwa fotowoltaicznego i obserwowaniu wynikającej z tego zmiany mocy. Jeśli moc wzrasta, regulacja jest kontynuowana w tym samym kierunku. Jeśli moc spada, kierunek jest odwracany. Ta pętla sprzężenia zwrotnego trwa aż do osiągnięcia punktu mocy maksymalnej.

• Zalety: Metoda P&O jest prosta w implementacji i łatwa do zintegrowania ze sprzętem.
• Wady: Szybkość reakcji jest powolna, co sprawia, że nadaje się tylko do scenariuszy, w których natężenie światła słonecznego zmienia się stopniowo, takich jak elektrownie fotowoltaiczne i lampy uliczne. Ponadto może powodować niewielkie oscylacje wokół punktu maksymalnej mocy, prowadząc do pewnych strat mocy.

3. Przewodność przyrostowa (INC)

Metoda INC wykorzystuje pochodną pierwszego rzędu krzywej P-U macierzy fotowoltaicznej do znalezienia punktu mocy maksymalnej. Metoda ta określa kierunek następnej regulacji na podstawie szybkości zmian przewodności (G = I/U) i chwilowej wartości przewodności.

• Zalety: Metoda INC oferuje lepszą dokładność niż P&O, ponieważ zależy całkowicie od szybkości zmiany przewodności i chwilowej ujemnej wartości przewodności, a nie od poprzedniego napięcia lub mocy. Może szybko dostosować się do gwałtownych zmian natężenia światła słonecznego, dzięki czemu jest bardzo dokładna.
• Wady: Algorytm ten wymaga większej liczby czujników sprzętowych, co zwiększa koszty. W rezultacie prostsza metoda P&O jest nadal szeroko stosowana.

 

MPPT vs. PWM: kluczowe różnice i zalety

MPPT i PWM (modulacja szerokości impulsu) to dwie popularne strategie sterowania stosowane w systemach fotowoltaicznych (PV). Jako kluczowe komponenty zapewniające wydajną i stabilną pracę tych systemów, kontrolery MPPT i PWM różnią się znacznie pod względem funkcji, wydajności i możliwych scenariuszy zastosowania.

1. Różnica w zasadzie działania

• Kontrolery PWM: Kontrolery PWM regulują napięcie i prąd w obwodzie poprzez dostosowanie szerokości impulsu. Im dłuższy czas trwania wysokiego poziomu w sygnale PWM, tym dłuższy czas przełączania w obwodzie, co wydłuża czas przepływu prądu przez obciążenie, kontrolując w ten sposób moc wyjściową.
• Kontrolery MPPT: Kontrolery MPPT monitorują napięcie i prąd panelu słonecznego w czasie rzeczywistym i wykorzystują specjalne algorytmy do określenia optymalnego stanu pracy. Dostosowują impedancję obciążenia lub napięcie robocze, aby zapewnić, że panel zawsze działa z maksymalną mocą wyjściową. Proces ten jest automatyczny i nie wymaga interwencji człowieka.

2. Efektywność i wydajność

• Kontrolery PWM: Kontrolery PWM mają stosunkowo niską wydajność, ponieważ nie mogą w pełni wykorzystać maksymalnej mocy wyjściowej panelu słonecznego, osiągając co najwyżej 70-80% wydajności konwersji ładowania.
• Kontrolery MPPT: Kontrolery MPPT są znacznie bardziej wydajne, a monitorowanie napięcia i prądu w czasie rzeczywistym umożliwia im śledzenie punktu maksymalnej mocy (P=U*I). Skutkuje to ładowaniem akumulatora z maksymalną mocą wyjściową, osiągając wydajność śledzenia do 99% i ogólną wydajność generowania energii przez system do 97%, czyli o około 50% wyższą niż w przypadku tradycyjnych systemów.

3. Obowiązujące scenariusze

• Kontrolery PWM: Kontrolery te są odpowiednie dla scenariuszy o wysokich ograniczeniach kosztowych i niższych wymaganiach dotyczących wydajności. Ze względu na prostotę strategii sterowania, kontrolery PWM są bardziej opłacalne i idealnie nadają się do tanich, niewielkich systemów wytwarzania energii PV.
• Kontrolery MPPT: Kontrolery te są lepiej dostosowane do scenariuszy wymagających wysokiej wydajności systemu. W wielkoskalowych elektrowniach fotowoltaicznych, rozproszonych systemach wytwarzania energii fotowoltaicznej i innych wymagających wysokiej wydajności, kontrolery MPPT mogą zmaksymalizować swoje zalety i znacznie poprawić ogólną wydajność wytwarzania energii w systemie.

 

Kluczowe czynniki przy wyborze sterownika MPPT

Wybór odpowiedniego kontrolera MPPT ma kluczowe znaczenie dla wydajnej i stabilnej pracy systemów fotowoltaicznych. Oto kluczowe czynniki, które należy wziąć pod uwagę podczas dokonywania wyboru:

1. Napięcie i prąd systemu

• Zakres napięcia wejściowego: Upewnij się, że zakres napięcia wejściowego kontrolera MPPT obejmuje napięcie wyjściowe modułu PV w różnych warunkach. Zazwyczaj zakres napięcia wejściowego kontrolera powinien być wyższy niż napięcie obwodu otwartego (Voc) modułu PV.
• Wydajność prądu wejściowego: Wydajność prądu wejściowego sterownika powinna być co najmniej równa prądowi zwarciowemu modułu fotowoltaicznego (Isc). Ze względów bezpieczeństwa i wydajności zaleca się wybór wydajności prądowej o 20-25% wyższej niż maksymalny prąd zwarciowy.
• Napięcie i prąd wyjściowy: Upewnij się, że napięcie i prąd wyjściowy kontrolera spełniają wymagania obciążenia lub urządzenia magazynującego energię.

2. Moc znamionowa

• Pojemność zasilania: Moc znamionowa kontrolera MPPT powinna odpowiadać całkowitej mocy systemu PV. Należy upewnić się, że kontroler jest w stanie obsłużyć moc wyjściową modułu fotowoltaicznego w jego maksymalnym punkcie mocy. Zasadniczo moc kontrolera powinna być wyższa niż maksymalna moc systemu fotowoltaicznego, aby zapobiec przeciążeniu.

3. Kompatybilność

• Typ baterii: Jeśli system fotowoltaiczny zawiera urządzenia magazynujące energię (takie jak akumulatory), należy upewnić się, że kontroler MPPT jest zgodny z używanym typem akumulatora (kwasowo-ołowiowy, litowo-jonowy, niklowo-kadmowy itp.).
• Architektura systemu: Wybierz kontroler MPPT odpowiedni do architektury twojego systemu, niezależnie od tego, czy jest on poza siecią, podłączony do sieci, czy hybrydowy.

 

6 najlepszych marek sterowników Solar MPPT

Wraz z rosnącą popularnością wytwarzania energii fotowoltaicznej, wybór wysokiej jakości, elastycznego i stabilnego kontrolera słonecznego jest niezbędny do przedłużenia żywotności systemu solarnego. Kontrolery te nie tylko zapewniają wydajną pracę, ale także oferują różne dodatkowe funkcje dla wygody użytkownika. Oto 6 najlepszych marek kontrolerów MPPT na świecie:

1. Morningstar (USA)

Od momentu powstania w 1993 roku, produkty Morningstar są szeroko stosowane w komunikacyjnych stacjach bazowych, monitoringu terenowym, zasilaniu wyspowym i innych zastosowaniach przemysłowych średniej i wysokiej klasy. Jest to zaufana i dobrze rozpoznawalna marka. Na przykład, ich kontroler MPPT 40A 12/24V kosztuje około $570.

 

2. Victron Energy (Holandia)

Dzięki 40-letniemu doświadczeniu w produkcji zasilaczy, produkty Victron Energy są postrzegane jako profesjonalny wybór dla autonomicznych systemów zasilania. Są one używane jako standardowe wyposażenie renomowanych marek jachtów, takich jak Sunseeker, Ferretti i Fairline, a także przez krajowych producentów jachtów i pojazdów specjalnych. Kontroler MPPT 30A 12/24V z wbudowanym Bluetooth kosztuje około $170.

 

3. EPEVER (Chiny)

Założona w 2007 roku w Pekinie firma EPEVER jest wiodącą marką w branży solarnej, koncentrującą się na badaniach i rozwoju, produkcji, sprzedaży i serwisie kontrolerów słonecznych, inwerterów off-grid i hybrydowych systemów energetycznych. Znany z opłacalności i wydajności, ich kontroler MPPT 30A 12/24V kosztuje około $90.

 

4. PHOCOS (Niemcy)

Założona w 2000 roku w Ulm w Niemczech firma PHOCOS jest jednym z największych na świecie producentów komponentów do systemów zasilania energią słoneczną poza siecią. Produkuje kontrolery ładowania słonecznego, lampy fluorescencyjne DC i nie tylko. Na przykład ich wodoodporny kontroler 20A 12/24V IP68 kosztuje około $90.

 

5. STECA (Niemcy)

STECA jest profesjonalnym producentem kontrolerów ładowania na dużą skalę. Ich produkty, zaprojektowane dla średnich i małych systemów fotowoltaicznych, oferują solidne funkcje i prądy ładowania w zakresie od 6A do 140A, odpowiednie dla większości systemów energii słonecznej i kontroli obciążenia DC.

 

6. Renogy (Chiny/USA)

Założona w 2010 roku w USA firma Renogy stała się wiodącą marką w globalnej branży nowych źródeł energii. Zaangażowana w dostarczanie niezależnej i czystej energii, Renogy koncentruje się na projektowaniu nowych produktów energetycznych, badaniach i rozwoju technologii oraz globalnych usługach. Ich kontroler MPPT 30A 12/24V kosztuje około $130.

 

Myśl końcowa

Technologia MPPT jest nieodzowną częścią systemu fotowoltaicznego. Może ona skutecznie poprawić wydajność systemu i zwiększyć produkcję energii. Osiągnięcie skutecznego MPPT nie jest jednak łatwe i wymaga pokonania wielu trudności technicznych. W przyszłości, wraz z rozwojem inteligentnych algorytmów i wydajnego sprzętu, technologia MPPT będzie dalej ulepszana, napędzając rozwój branży fotowoltaicznej.