MPPT je dôležitá riadiaca technológia používaná vo fotovoltaických systémoch na výrobu energie. Regulátor MPPT nepretržite monitoruje výstupné napätie solárnych panelov v reálnom čase a sleduje optimálne hodnoty napätia a prúdu, aby sa zabezpečilo, že systém dosiahne maximálny výkon. Táto technológia účinne nabíja batériu a zároveň koordinuje prevádzku solárnych panelov a záťaže, čím sa stáva "mozgom" solárneho fotovoltického systému. Táto príručka sa zaoberá definíciou, princípmi fungovania a výberom produktov pre MPPT.

 

Čo je MPPT?

Sledovanie maximálneho bodu výkonu (MPPT) je pokročilá technológia používaná vo fotovoltaických (FV) systémoch na výrobu energie. Inteligentne identifikuje a udržiava optimálny bod výstupného výkonu fotovoltaických modulov pri meniacich sa podmienkach prostredia, ako sú zmeny intenzity svetla a teploty. Táto technológia zabezpečuje, aby solárne panely vždy produkovali maximálny možný výkon, čím sa zvyšuje účinnosť a celková výroba energie systému.

 

Význam MPPT

Výkon fotovoltaického modulu ovplyvňujú faktory ako teplota, intenzita svetla a zaťaženie. Tieto podmienky spôsobujú zmeny v prúdovo-napäťových (I-V) a výkonovo-napäťových (P-V) charakteristikách modulu.

Ako je znázornené na obrázku, výstupné napätie a prúd fotovoltaického modulu sa riadia krivkami I-V (oranžová) a P-V (modrá). Aby sa zabezpečil maximálny výstupný výkon striedača, musí jednosmerné napätie pracovať v červenom bode, ktorý predstavuje maximálny výkonový bod Pmax pri Vmp. Ak pracuje pri napätí vyššom alebo nižšom ako Vmp, výkon klesne pod Pmax. Bez sledovania preto striedač nedokáže udržať optimálne napätie a prúd, čo vedie k strate výkonu, aj keď celkový systém zostáva neovplyvnený.

Nepretržité sledovanie maximálneho bodu výkonu je potrebné, pretože charakteristická krivka sa mení so zmenami intenzity svetla, teploty a zatienenia. Maximálny výkonový bod môže byť 560 V ráno, 520 V na poludnie a 550 V popoludní. Preto sa musí regulátor MPPT neustále prispôsobovať, aby zabezpečil, že panely budú počas celého dňa neustále dodávať maximálny výkon, čím sa zabráni plytvaniu slnečnou energiou.

 

Princíp činnosti regulátora MPPT

Regulátor MPPT, známy aj ako regulátor solárneho nabíjania MPPT, využíva technológiu MPPT na optimalizáciu výroby energie vo fotovoltaických systémoch. Riadenie MPPT sústav fotovoltických modulov je spravidla riadené obvodmi DC/DC meniča, ako je znázornené na nasledujúcom obrázku. Regulátor zisťuje napätie a výstupný prúd hlavnej slučky jednosmerného prúdu, vypočítava výstupný výkon solárneho poľa a sleduje bod maximálneho výkonu.

Konkrétne ide o sériovo zapojený rušivý rezistor (R) a MOSFET. Za podmienok stabilného výstupného napätia sa priemerný prúd cez rezistor mení nastavením pracovného cyklu MOSFET-u, čím sa vytvára prúdová perturbácia. Táto porucha mení výstupný prúd a napätie fotovoltaického článku. Meraním zmien výstupného výkonu a napätia FV článku pred a po perturbácii regulátor určí smer perturbácie pre ďalší cyklus. Ak porucha zvýši výstupný výkon solárneho panela, pokračuje v rovnakom smere. V opačnom prípade sa zmení smer. Tento iteračný proces perturbácie a pozorovania zabezpečuje, aby solárny panel pracoval v bode maximálneho výkonu.

Kľúčové technické ukazovatele pre regulátor nabíjania MPPT

• Efektívnosť sledovania: Tento ukazovateľ meria schopnosť algoritmu MPPT sledovať maximálny bod výkonu, zvyčajne vyjadrený v percentách. Je to pomer výkonu, ktorý vyprodukuje algoritmus MPPT, k maximálnemu možnému výkonu fotovoltaického poľa za určité obdobie. Vyššia účinnosť sledovania znamená, že algoritmus MPPT je účinnejší pri udržiavaní optimálneho výkonu.
• Rýchlosť odozvy: Tento ukazovateľ sa vzťahuje na to, ako rýchlo reaguje algoritmus MPPT na zmeny výstupného výkonu fotovoltického poľa. Rýchlejšia reakcia umožňuje algoritmu rýchlo sa prispôsobiť maximálnemu bodu výkonu, čím sa minimalizujú straty výkonu. Rýchlosť odozvy sa zvyčajne meria v milisekundách.
• Stabilita: Týmto ukazovateľom je schopnosť algoritmu MPPT dôsledne sledovať maximálny bod výkonu za rôznych podmienok. Faktory ako slnečné žiarenie, teplota a zaťaženie sa neustále menia, čo ovplyvňuje výstupný výkon fotovoltaického poľa. Stabilný algoritmus MPPT sa dokáže rýchlo prispôsobiť týmto zmenám a udržiavať prevádzku v blízkosti bodu maximálneho výkonu.

 

Bežné algoritmy pre MPPT vo fotovoltických systémoch

Technika sledovania bodu maximálneho výkonu (MPPT) pre fotovoltické panely viedla k vývoju rôznych metód riadenia vo výskume aj v praktických aplikáciách na celom svete. V podmienkach bez zatienenia sa na riadenie MPPT vo fotovoltaických poliach bežne používajú metódy sledovania konštantného napätia (CVT), perturbácie a pozorovania (P&O) a prírastkovej vodivosti (INC).

Nižšie je uvedený úvod a porovnanie týchto troch algoritmov:

1. Sledovanie konštantného napätia (CVT)

Základný princíp metódy konštantného napätia spočíva v tom, že napätie v bode maximálneho výkonu na výstupnej krivke P-U fotovoltaických článkov zostáva pri rôznych podmienkach oslnenia blízko určitej konštantnej hodnoty. Metóda CVT riadi výstupné napätie FV článku tak, aby sa toto konštantné napätie udržiavalo, čo umožňuje článku pracovať v blízkosti bodu maximálneho výkonu počas celého pracovného procesu.

• Výhody: Metóda CVT poskytuje vyšší výkon ako priame prispôsobenie a za určitých podmienok môže zjednodušiť riadenie MPPT. Je jednoduchá na implementáciu, relatívne stabilná a vhodná pre oblasti so stabilnými klimatickými podmienkami, kde sa nevyžaduje vysoká presnosť.
• Nevýhody: Táto metóda je málo prispôsobivá a jej presnosť je nízka pri zmene teploty okolia, pretože nedokáže účinne sledovať maximálny bod výkonu.

2. Perturbancia a pozorovanie (P&O)

Metóda P&O spočíva v pravidelnom narúšaní (nastavovaní) výstupného napätia fotovoltického článku a sledovaní výslednej zmeny výkonu. Ak sa výkon zvyšuje, nastavenie pokračuje rovnakým smerom. Ak výkon klesá, smer sa obráti. Táto spätná väzba pokračuje, kým sa nedosiahne bod maximálneho výkonu.

• Výhody: Metóda P&O sa jednoducho implementuje a ľahko integruje do hardvéru.
• Nevýhody: Rýchlosť odozvy je pomalá, takže je vhodný len pre scenáre, kde sa intenzita slnečného svetla mení postupne, ako sú fotovoltaické elektrárne a pouličné lampy. Okrem toho môže spôsobovať malé oscilácie okolo bodu maximálneho výkonu, čo vedie k určitým stratám výkonu.

3. Prírastková vodivosť (INC)

Metóda INC využíva deriváciu prvého rádu krivky P-U fotovoltaického poľa na nájdenie bodu maximálneho výkonu. Táto metóda určuje smer ďalšej úpravy na základe rýchlosti zmeny vodivosti (G = I/U) a okamžitej hodnoty vodivosti.

• Výhody: Metóda INC ponúka lepšiu presnosť ako P&O, pretože závisí výlučne od rýchlosti zmeny vodivosti a okamžitej zápornej hodnoty vodivosti, nie od predchádzajúceho napätia alebo výkonu. Dokáže sa rýchlo prispôsobiť rýchlym zmenám intenzity slnečného svetla, vďaka čomu je veľmi presná.
• Nevýhody: Algoritmus vyžaduje viac hardvérových senzorov, čo zvyšuje náklady. V dôsledku toho sa stále vo veľkej miere používa jednoduchšia metóda P&O.

 

MPPT vs. PWM: hlavné rozdiely a výhody

MPPT a PWM (pulzno-šírková modulácia) sú dve bežné stratégie riadenia používané vo fotovoltaických systémoch (FV). Regulátory MPPT a PWM ako kľúčové komponenty, ktoré zabezpečujú efektívnu a stabilnú prevádzku týchto systémov, sa výrazne líšia z hľadiska funkcie, účinnosti a použiteľných scenárov.

1. Rozdiel v princípe fungovania

• PWM regulátory: PWM regulátory regulujú napätie a prúd v obvode nastavením šírky impulzu. Čím dlhšie je trvanie vysokej úrovne v signáli PWM, tým dlhší je čas spínania v obvode, čím sa predlžuje čas, počas ktorého preteká prúd záťažou, čím sa reguluje výstupný výkon.
• Regulátory MPPT: Regulátory MPPT monitorujú napätie a prúd solárneho panela v reálnom čase a používajú špecifické algoritmy na určenie optimálneho prevádzkového stavu. Upravujú impedanciu záťaže alebo prevádzkové napätie tak, aby panel vždy pracoval pri maximálnom výkone. Tento proces je automatický a nevyžaduje si žiadny ľudský zásah.

2. Účinnosť a výkonnosť

• PWM regulátory: Regulátory PWM majú relatívne nízku účinnosť, pretože nedokážu plne využiť maximálny výkon solárneho panela a dosahujú najviac 70-80% účinnosť konverzie nabíjania.
• Regulátory MPPT: Regulátory MPPT sú podstatne účinnejšie, pretože monitorovanie napätia a prúdu v reálnom čase im umožňuje sledovať maximálny bod výkonu (P=U*I). Výsledkom je nabíjanie batérie maximálnym výkonom, čím sa dosiahne účinnosť sledovania až 99% a celková účinnosť výroby energie systému až 97%, čo je približne o 50% viac ako pri tradičných systémoch.

3. Uplatniteľné scenáre

• PWM regulátory: Tieto regulátory sú vhodné pre scenáre s vysokými nákladovými obmedzeniami a nižšími požiadavkami na účinnosť. Vzhľadom na jednoduchosť ich riadiacej stratégie sú regulátory PWM nákladovo efektívnejšie a sú ideálne pre nízkonákladové malé systémy výroby elektrickej energie z fotovoltaických článkov.
• Regulátory MPPT: Tieto regulátory sú vhodnejšie pre scenáre vyžadujúce vysokú účinnosť systému. Vo veľkých fotovoltaických elektrárňach, distribuovaných systémoch výroby elektrickej energie z fotovoltaických zdrojov a pri iných požiadavkách na vysokú účinnosť môžu regulátory MPPT maximalizovať svoje výhody a výrazne zlepšiť celkovú účinnosť výroby elektrickej energie v systéme.

 

Kľúčové faktory pri výbere regulátora MPPT

Výber správneho regulátora MPPT je rozhodujúci pre efektívnu a stabilnú prevádzku solárnych FV systémov. Tu sú kľúčové faktory, ktoré treba pri výbere zvážiť:

1. Napätie a prúd systému

• Rozsah vstupného napätia: Uistite sa, že rozsah vstupného napätia regulátora MPPT pokrýva výstupné napätie fotovoltického modulu za rôznych podmienok. Obvykle by mal byť rozsah vstupného napätia regulátora vyšší ako napätie otvoreného obvodu (Voc) FV modulu.
• Vstupná prúdová kapacita: Vstupná prúdová kapacita regulátora by mala byť minimálne rovnaká ako skratový prúd (Isc) fotovoltického modulu. Kvôli bezpečnosti a účinnosti sa odporúča zvoliť prúdovú kapacitu o 20-25% vyššiu, ako je maximálny skratový prúd.
• Výstupné napätie a prúd: Zabezpečte, aby výstupné napätie a prúd regulátora spĺňali požiadavky záťaže alebo zariadenia na akumuláciu energie.

2. Hodnota výkonu

• Kapacita napájania: Menovitý výkon regulátora MPPT by mal zodpovedať celkovému výkonu fotovoltického systému. Uistite sa, že regulátor dokáže spracovať výstupný výkon FV modulu v jeho maximálnom výkonovom bode. Vo všeobecnosti by mal byť výkon regulátora vyšší ako maximálny výkon FV systému, aby sa zabránilo preťaženiu.

3. Kompatibilita

• Typ batérie: Ak fotovoltický systém obsahuje zariadenia na uskladnenie energie (napríklad batérie), uistite sa, že regulátor MPPT je kompatibilný s typom použitej batérie (olovená, lítium-iónová, nikel-kadmiová atď.).
• Architektúra systému: Vyberte si regulátor MPPT vhodný pre architektúru vášho systému, či už ide o systém mimo siete, pripojený k sieti alebo hybridný systém.

 

Top 6 značiek solárnych regulátorov MPPT

S rastúcou popularitou fotovoltaickej výroby energie je výber kvalitného, prispôsobivého a stabilného solárneho regulátora nevyhnutný na predĺženie životnosti solárneho systému. Tieto regulátory zabezpečujú nielen efektívnu prevádzku, ale ponúkajú aj rôzne doplnkové funkcie pre pohodlie používateľa. Tu je 6 najlepších značiek regulátorov MPPT na svete:

1. Morningstar (USA)

Od svojho založenia v roku 1993 sa výrobky spoločnosti Morningstar široko používajú v komunikačných základňových staniciach, pri monitorovaní terénu, v ostrovnom napájaní a v ďalších stredne náročných až náročných priemyselných aplikáciách. Je to dôveryhodná a uznávaná značka. Napríklad cena ich 40A 12/24V MPPT regulátora sa pohybuje okolo $570.

 

2. Victron Energy (Holandsko)

Vďaka 40 rokom skúseností s výrobou napájacích zdrojov sú produkty spoločnosti Victron Energy považované za profesionálnu voľbu pre autonómne napájacie systémy. Používajú sa ako štandardné vybavenie na jachtách renomovaných značiek ako Sunseeker, Ferretti a Fairline, ako aj u domácich výrobcov jácht a špeciálnych vozidiel. Cena 30A 12/24V MPPT regulátora so zabudovaným Bluetooth sa pohybuje okolo $170.

 

3. EPEVER (Čína)

Spoločnosť EPEVER bola založená v roku 2007 v Pekingu a je popredným výrobcom v oblasti solárnej energie, ktorý sa zameriava na výskum a vývoj, výrobu, predaj a servis solárnych regulátorov, off-grid striedačov a hybridných energetických systémov. Ich 30A 12/24V MPPT regulátor, známy svojou cenovou výhodnosťou a výkonom, sa pohybuje okolo $90.

 

4. PHOCOS (Nemecko)

Spoločnosť PHOCOS bola založená v roku 2000 v nemeckom Ulme a je jedným z najväčších svetových výrobcov komponentov pre off-grid solárne systémy. Vyrába regulátory solárneho nabíjania, jednosmerné žiarivky a ďalšie produkty. Napríklad ich 20A 12/24V vodotesný regulátor s krytím IP68 stojí približne $90.

 

5. STECA (Nemecko)

Spoločnosť STECA je veľkým profesionálnym výrobcom regulátorov solárneho nabíjania. Ich výrobky určené pre stredné a malé fotovoltaické systémy ponúkajú robustné funkcie a nabíjacie prúdy od 6 A do 140 A, ktoré sú vhodné pre väčšinu solárnych systémov a riadenie jednosmerného zaťaženia.

 

6. Renogy (Čína/USA)

Spoločnosť Renogy bola založená v roku 2010 v USA a stala sa poprednou značkou v oblasti novej energie pre spotrebiteľov. Spoločnosť Renogy, ktorá sa zaviazala poskytovať nezávislú a čistú energiu, sa zameriava na dizajn nových energetických produktov, výskum a vývoj technológií a globálne služby. Cena ich 30A 12/24V MPPT regulátora sa pohybuje okolo $130.

 

Záverečná myšlienka

Technológia MPPT je nevyhnutnou súčasťou fotovoltického systému. Môže účinne zlepšiť účinnosť systému a zvýšiť výrobu energie. Dosiahnutie účinnej MPPT však nie je jednoduché a vyžaduje si prekonanie mnohých technických problémov. V budúcnosti sa technológia MPPT bude vďaka vývoju inteligentných algoritmov a účinného hardvéru ďalej zlepšovať, čo bude hnať fotovoltický priemysel dopredu.