MPPT je pomembna tehnologija krmiljenja, ki se uporablja v fotonapetostnih sistemih za proizvodnjo električne energije. Krmilnik MPPT neprekinjeno spremlja izhodno napetost solarnih panelov v realnem času in sledi optimalnim vrednostim napetosti in toka, da sistem doseže največjo izhodno moč. Ta tehnologija učinkovito polni baterijo, hkrati pa usklajuje delovanje sončnih panelov in bremen, zato je "možgani" sončnega fotonapetostnega sistema. V tem priročniku so predstavljeni opredelitev, načela delovanja in izbira izdelkov za MPPT.

 

Kaj je MPPT?

Sledenje točki največje moči (MPPT) je napredna tehnologija, ki se uporablja v fotonapetostnih (PV) sistemih za proizvodnjo električne energije. Inteligentno prepozna in ohranja optimalno točko izhodne moči fotonapetostnih modulov v spremenljivih okoljskih razmerah, kot so spremembe intenzivnosti svetlobe in temperature. Ta tehnologija zagotavlja, da sončni paneli vedno proizvedejo največjo možno moč, s čimer se povečata učinkovitost in skupna proizvodnja električne energije sistema.

 

Pomen MPPT

Na izhodno moč PV-modula vplivajo dejavniki, kot so temperatura, intenzivnost svetlobe in obremenitev. Ti pogoji povzročajo spremembe tokovno-napetostne (I-V) in močno-napetostne (P-V) karakteristike modula.

Kot je prikazano na sliki, izhodna napetost in tok PV-modula sledita krivulji I-V (oranžna) in krivulji P-V (modra). Da bi pretvornik oddajal največjo moč, mora enosmerna napetost delovati v rdeči točki, ki predstavlja točko največje moči Pmax pri Vmp. Če deluje pri napetosti, ki je višja ali nižja od Vmp, moč pade pod Pmax. Brez sledenja torej pretvornik ne vzdržuje optimalne napetosti in toka, kar vodi do izgube moči, čeprav celoten sistem ostane nedotaknjen.

Nenehno spremljanje točke največje moči je potrebno, ker se karakteristična krivulja spreminja s spremembami intenzivnosti svetlobe, temperature in zasenčenosti. Največja točka moči je lahko 560 V zjutraj, 520 V opoldne in 550 V popoldne. Zato se mora krmilnik MPPT nenehno prilagajati, da paneli ves dan dosledno zagotavljajo največjo moč in preprečujejo izgubo sončne energije.

 

Načelo delovanja krmilnika MPPT

Krmilnik MPPT, znan tudi kot mppt solarni regulator polnjenja, uporablja tehnologijo MPPT za optimizacijo proizvodnje električne energije v fotonapetostnih sistemih. Nadzor MPPT za polja fotonapetostnih modulov običajno upravljajo vezja pretvornikov DC/DC, kot je prikazano na spodnji sliki. Krmilnik zazna napetost in izhodni tok glavne zanke enosmernega toka, izračuna izhodno moč solarnega polja in sledi točki največje moči.

Natančneje, zaporedno sta povezana upor (R) in MOSFET. Pri stabilni izhodni napetosti se povprečni tok skozi upor spreminja s prilagajanjem delovnega cikla MOSFET-a, s čimer se ustvari tokovna motnja. Ta motnja spreminja izhodni tok in napetost fotovoltaične celice. Z merjenjem sprememb izhodne moči in napetosti PV-celice pred in po perturbaciji krmilnik določi smer perturbacije v naslednjem ciklu. Če motnja poveča izhodno moč sončne celice, se nadaljuje v isti smeri. V nasprotnem primeru spremeni smer. Ta ponavljajoči se postopek motenj in opazovanja zagotavlja, da sončni panel deluje na točki največje moči.

Ključni tehnični kazalniki za krmilnik polnjenja MPPT

• Učinkovitost sledenja: Ta kazalnik meri zmožnost algoritma MPPT, da sledi točki največje moči, in je običajno izražen v odstotkih. Gre za razmerje med izhodno močjo algoritma MPPT in največjo možno močjo fotonapetostnega polja v določenem obdobju. Večja učinkovitost sledenja pomeni, da je algoritem MPPT učinkovitejši pri vzdrževanju optimalne izhodne moči.
• Hitrost odziva: Ta kazalnik označuje, kako hitro se algoritem MPPT odziva na spremembe izhodne moči fotonapetostnega polja. Hitrejši odziv omogoča, da se algoritem hitro prilagodi na točko največje moči in tako zmanjša izgubo energije. Hitrost odziva se običajno meri v milisekundah.
• Stabilnost: Ta kazalnik je zmožnost algoritma MPPT, da dosledno sledi točki največje moči v spremenljivih pogojih. Dejavniki, kot so sončno sevanje, temperatura in obremenitev, se nenehno spreminjajo, kar vpliva na izhodno moč fotonapetostnega polja. Stabilen algoritem MPPT se lahko hitro prilagodi tem spremembam in vzdržuje delovanje blizu točke največje moči.

 

Običajni algoritmi za MPPT v PV sistemih

Tehnika sledenja največji moči (MPPT) za fotovoltaične sklope je privedla do razvoja različnih nadzornih metod v raziskavah in praktičnih aplikacijah po vsem svetu. V pogojih brez sence se za MPPT v PV poljih pogosto uporabljajo metode nadzora, kot so sledenje konstantni napetosti (CVT), perturbacija in opazovanje (P&O) ter inkrementalna prevodnost (INC).

V nadaljevanju predstavljamo in primerjamo te tri algoritme:

1. Sledenje konstantni napetosti (CVT)

Osnovno načelo metode konstantne napetosti je, da napetost v točki največje moči na izhodni krivulji P-U fotovoltaičnih celic ostane blizu določene konstantne vrednosti v različnih pogojih osončenja. Metoda CVT nadzoruje izhodno napetost PV-celice, da se ohrani ta konstantna napetost, kar omogoča, da celica deluje blizu točke največje moči med celotnim delovnim procesom.

• Prednosti: Metoda CVT daje večjo izhodno moč kot neposredno ujemanje in lahko pod določenimi pogoji poenostavi krmiljenje MPPT. Metoda je preprosta za izvajanje, razmeroma stabilna in primerna za območja s stabilnimi podnebnimi razmerami, kjer ni potrebna visoka natančnost.
• Slabosti: Prilagodljivost metode je slaba, natančnost pa majhna, ko se spremeni temperatura okolja, saj ne uspe učinkovito slediti največji točki moči.

2. Perturbacija in opazovanje (P&O)

Metoda P&O vključuje periodično motenje (prilagajanje) izhodne napetosti PV celice in opazovanje posledične spremembe moči. Če se moč poveča, se prilagajanje nadaljuje v isti smeri. Če se moč zmanjša, se smer spremeni. Ta povratna zanka se nadaljuje, dokler ni dosežena točka največje moči.

• Prednosti: Metoda P&O je preprosta za izvajanje in enostavna za vgradnjo v strojno opremo.
• Slabosti: Hitrost odziva je počasna, zato je primeren le za scenarije, kjer se intenzivnost sončne svetlobe spreminja postopoma, kot so fotovoltaične elektrarne in ulične svetilke. Poleg tega lahko povzroči majhna nihanja okoli točke največje moči, kar vodi do izgube energije.

3. Inkrementalna prevodnost (INC)

Metoda INC uporablja derivativ prvega reda krivulje P-U fotonapetostnega polja za iskanje točke največje moči. Ta metoda določi smer naslednje prilagoditve na podlagi hitrosti spreminjanja prevodnosti (G = I/U) in trenutne vrednosti prevodnosti.

• Prednosti: Metoda INC je natančnejša od metode P&O, saj je v celoti odvisna od hitrosti spreminjanja prevodnosti in trenutne negativne vrednosti prevodnosti, ne pa od predhodne napetosti ali moči. Metoda se lahko hitro prilagodi hitrim spremembam intenzivnosti sončne svetlobe, zato je zelo natančna.
• Slabosti: Algoritem zahteva več strojnih senzorjev, kar poveča stroške. Zato se še vedno pogosto uporablja preprostejša metoda P&O.

 

MPPT proti PWM: ključne razlike in prednosti

MPPT in PWM (Pulse Width Modulation) sta dve pogosti strategiji krmiljenja, ki se uporabljata v fotonapetostnih (PV) sistemih. Krmilniki MPPT in PWM se kot ključni sestavni deli, ki zagotavljajo učinkovito in stabilno delovanje teh sistemov, bistveno razlikujejo po delovanju, učinkovitosti in uporabnih scenarijih.

1. Razlike v načelu delovanja

• PWM krmilniki: Krmilniki PWM uravnavajo napetost in tok v vezju s prilagajanjem širine impulzov. Daljše kot je trajanje visoke ravni v signalu PWM, daljši je čas preklopa v vezju, kar podaljša čas pretoka toka skozi breme in s tem uravnava izhodno moč.
• Krmilniki MPPT: Krmilniki MPPT v realnem času spremljajo napetost in tok sončne plošče ter s posebnimi algoritmi določajo optimalno stanje delovanja. Prilagodijo impedanco bremena ali delovno napetost, da panel vedno deluje z največjo izhodno močjo. Ta postopek je samodejen in ne zahteva človeškega posredovanja.

2. Učinkovitost in uspešnost

• PWM krmilniki: Krmilniki PWM imajo razmeroma nizko učinkovitost, saj ne morejo v celoti izkoristiti največje izhodne moči sončnega panela, saj dosežejo največ 70-80% učinkovitost pretvorbe polnjenja.
• Krmilniki MPPT: Krmilniki MPPT so bistveno učinkovitejši, saj jim spremljanje napetosti in toka v realnem času omogoča sledenje točki največje moči (P=U*I). To omogoča polnjenje baterije z največjo izhodno močjo, s čimer se doseže učinkovitost sledenja do 99% in celotna učinkovitost proizvodnje energije sistema do 97%, kar je približno 50% več kot pri tradicionalnih sistemih.

3. Veljavni scenariji

• PWM krmilniki: Ti krmilniki so primerni za scenarije z visokimi stroškovnimi omejitvami in nižjimi zahtevami glede učinkovitosti. Zaradi preprostosti svoje krmilne strategije so PWM krmilniki stroškovno učinkovitejši in so idealni za nizkocenovne, majhne sisteme za proizvodnjo električne energije iz fotovoltaike.
• Krmilniki MPPT: Ti krmilniki so primernejši za scenarije, ki zahtevajo visoko učinkovitost sistema. V velikih fotovoltaičnih elektrarnah, porazdeljenih sistemih za proizvodnjo električne energije iz fotovoltaike in pri drugih zahtevah po visoki učinkovitosti lahko krmilniki MPPT maksimalno izkoristijo svoje prednosti in znatno izboljšajo splošno učinkovitost proizvodnje električne energije v sistemu.

 

Ključni dejavniki pri izbiri krmilnika MPPT

Izbira pravega krmilnika MPPT je ključnega pomena za učinkovito in stabilno delovanje sončnih fotovoltaičnih sistemov. V nadaljevanju so predstavljeni ključni dejavniki, ki jih je treba upoštevati pri izbiri:

1. Napetost in tok sistema

• Razpon vhodne napetosti: Prepričajte se, da območje vhodne napetosti krmilnika MPPT pokriva izhodno napetost fotonapetostnega modula v različnih pogojih. Običajno mora biti območje vhodne napetosti krmilnika višje od napetosti odprtega tokokroga (Voc) PV-modula.
• Zmogljivost vhodnega toka: Vhodna tokovna zmogljivost regulatorja mora biti vsaj enaka kratkostičnemu toku PV-modula (Isc). Zaradi varnosti in učinkovitosti je priporočljivo izbrati tokovno zmogljivost, ki je za 20-25% večja od največjega kratkostičnega toka.
• Izhodna napetost in tok: Prepričajte se, da izhodna napetost in tok krmilnika ustrezata zahtevam bremena ali naprave za shranjevanje energije.

2. Nazivna moč

• Zmogljivost napajanja: Nazivna moč krmilnika MPPT mora ustrezati skupni moči fotonapetostnega sistema. Prepričajte se, da lahko krmilnik obvladuje izhodno moč PV-modula pri njegovi največji točki moči. Na splošno mora biti moč krmilnika večja od največje moči sistema PV, da se prepreči preobremenitev.

3. Združljivost

• Vrsta baterije: Če fotonapetostni sistem vključuje naprave za shranjevanje energije (kot so baterije), se prepričajte, da je krmilnik MPPT združljiv z vrsto uporabljene baterije (svinčeva, litij-ionska, nikelj-kadmijeva itd.).
• Arhitektura sistema: Izberite krmilnik MPPT, primeren za arhitekturo vašega sistema, ne glede na to, ali gre za sistem brez omrežja, priključen na omrežje ali hibridni sistem.

 

Top 6 blagovnih znamk sončnih krmilnikov MPPT

Zaradi vse večje priljubljenosti fotonapetostne proizvodnje električne energije je izbira visokokakovostnega, prilagodljivega in stabilnega solarnega krmilnika bistvenega pomena za podaljšanje življenjske dobe solarnega sistema. Ti krmilniki ne zagotavljajo le učinkovitega delovanja, temveč ponujajo tudi različne dodatne funkcije za udobje uporabnikov. Tukaj je 6 najboljših blagovnih znamk krmilnikov MPPT na svetu:

1. Morningstar (ZDA)

Od ustanovitve leta 1993 se izdelki družbe Morningstar pogosto uporabljajo v komunikacijskih baznih postajah, pri spremljanju stanja na terenu, oskrbi z električno energijo na otokih in drugih srednje- do visokokakovostnih industrijskih aplikacijah. Je zaupanja vredna in dobro priznana blagovna znamka. Cena njihovega 40A 12/24V krmilnika MPPT je na primer približno $570.

 

2. Victron Energy (Nizozemska)

S 40-letnimi izkušnjami na področju proizvodnje napajalnikov veljajo izdelki Victron Energy za profesionalno izbiro za samostojne napajalne sisteme. Uporabljajo se kot standardna oprema pri priznanih blagovnih znamkah jaht, kot so Sunseeker, Ferretti in Fairline, pa tudi pri domačih proizvajalcih jaht in posebnih vozil. Cena 30A 12/24V krmilnika MPPT z vgrajenim Bluetooth je približno $170.

 

3. EPEVER (Kitajska)

Podjetje EPEVER, ustanovljeno leta 2007 v Pekingu, je vodilno podjetje v solarni industriji, ki se osredotoča na raziskave in razvoj, proizvodnjo, prodajo in servisiranje solarnih krmilnikov, pretvornikov brez omrežja in hibridnih energetskih sistemov. Njihov 30A 12/24V regulator MPPT je znan po stroškovni učinkovitosti in zmogljivosti, njegova cena pa se giblje okoli $90.

 

4. PHOCOS (Nemčija)

Družba PHOCOS, ustanovljena leta 2000 v Ulmu v Nemčiji, je eden največjih svetovnih proizvajalcev sestavnih delov za sisteme sončne energije, ki se napajajo iz omrežja. Izdeluje solarne regulatorje polnjenja, fluorescenčne sijalke na enosmerni tok in drugo. Cena njihovega 20A 12/24V vodoodpornega krmilnika IP68 je na primer približno $90.

 

5. STECA (Nemčija)

STECA je velik profesionalni proizvajalec solarnih regulatorjev polnjenja. Njihovi izdelki, zasnovani za srednje velike in majhne fotovoltaične sisteme, imajo robustne lastnosti in polnilne tokove od 6 A do 140 A, ki so primerni za večino solarnih sistemov in nadzor enosmerne obremenitve.

 

6. Renogy (Kitajska/ZDA)

Podjetje Renogy, ustanovljeno leta 2010 v ZDA, je postalo vodilna blagovna znamka na globalnem področju nove energije za potrošnike. Zavezana zagotavljanju neodvisne in čiste energije se družba Renogy osredotoča na oblikovanje novih energetskih izdelkov, tehnološke raziskave in razvoj ter globalne storitve. Cena njihovega 30A 12/24V krmilnika MPPT znaša približno $130.

 

Zaključna misel

Tehnologija MPPT je nepogrešljiv del fotovoltaičnega sistema. Z njo lahko učinkovito izboljšamo učinkovitost sistema in povečamo proizvodnjo električne energije. Vendar pa doseganje učinkovitega MPPT ni enostavno in zahteva premagovanje številnih tehničnih težav. V prihodnosti se bo z razvojem inteligentnih algoritmov in učinkovite strojne opreme tehnologija MPPT še bolj izboljšala, kar bo fotovoltaično industrijo vodilo naprej.