Was ist ein MPPT-Controller zum Solarladen?

MPPT ist eine der Möglichkeiten, die Ressourcen einer Energiequelle zu nutzen, sei es eine Solarbatterie oder ein Windgenerator. In diesem Artikel werden wir jedoch speziell auf Solarenergie eingehen. Das Hauptmerkmal besteht darin, den Wirkungsgrad einer alternativen Quelle zu erhöhen, indem die maximale Energiemenge durch Auswahl einer bestimmten Spannung und eines bestimmten Stroms „gezogen“ wird.

Die Auswahl dieser Parameter beschränkt sich auf die Analyse der Strom-Spannungs-Eigenschaften der Quelle und die Bestimmung, bei welcher Spannungs- und Stromaufnahme die maximale Leistung verbraucht wird. Dafür steht die Abkürzung MPPT - Maximum Power Point Tracking (Verfolgung des Punktes der maximalen Leistung).

Allgemeine Prinzipien von MPPT-Controllern

Auf den ersten Blick könnte man denken: "Nun, verwenden Sie die maximal mögliche Spannung, damit ein maximaler Laststrom (Batterieladung) entsteht." Das ist logisch, aber in Wirklichkeit nicht. Dies ist hauptsächlich auf die Strom-Spannungs-Charakteristik der Solarzelle zurückzuführen.

Im Betriebsmodus (nützlich) ist die Solarzelle (horizontaler Teil der I - V - Kennlinie) eine Stromquelle, dh ihr Ausgangsstrom hängt nur geringfügig von der Spannung an ihren Anschlüssen ab. Die Ausgangsspannung (Uoutc) hängt vom Widerstand der angeschlossenen Last ab. Dies können wir auf dem CVC sehen.

Im rechten Teil, wo die Spannung maximal ist, sehen Sie die Leerlaufspannung Uхх, die durch die Anzahl der Elemente in der Batterie und deren internem Gerät begrenzt ist. Der Strom tendiert in diesem Fall zu 0. Und umgekehrt auf der linken Seite, wo die Spannung zu 0 tendiert - Kurzschlussspannung Uкз, und der Strom wird durch die Leistung der Elemente begrenzt.

Wenn wir die Stromstärke der Solarbatterie im Nutzbereich für einen konstanten Wert nehmen, wird die Spannung durch den Lastwiderstand bestimmt, wenn sie unendlich ist, beobachten wir den Leerlaufmodus (bei Rн = ∞ ⇒ Uoutc = Uр.хх) jeweils mit einem Kurzschluss den Lastwiderstand wird wie die Ausgangsspannung gegen Null tendieren (bei Rн = ∞ ⇒ Uoutc = Ucz). Die maximale Leistung wird bei einem bestimmten Verhältnis von Lastwiderstand, Spannung und Strom erreicht.

Was bedeutet das alles? Wir gehen von Batterien zu Controllern!

Die Steuerung ist eine Zwischenverbindung zwischen der Solarbatterie und der BatterieEs regelt beispielsweise den Ladestrom über eine PWM oder eine andere vom Designer gewählte. Das Anlegen einer Spannung direkt von der Batterie bedeutet jedoch nicht, dass eine maximale Energieübertragung von den Panels zur Batterie gewährleistet ist.

Für eine effektive Ladung überwacht der Controller den von der Batterie empfangenen Strom und seine Ausgangsspannung sowie den von der Batterie gelieferten Strom und die darauf befindliche Spannung. Um dies sicherzustellen, wählen wir 2 beliebige Punkte auf der I - V - Kennlinie aus (wir geben sie hier noch einmal an) und vergleichen die Leistung in ihnen mit dem in der Abbildung angegebenen maximalen Leistungspunkt (TMM), bei dem der Strom nicht maximal zu sein scheint ...

Nehmen wir an, wir haben eine Batterie mit einer Nennspannung von 12 V, was bedeutet, dass wir im geladenen Zustand etwa 14,2 bis 14,5 V an den Klemmen und etwa 11 V im entladenen Zustand erhalten, selbst wenn wir in einem Fall 13 V und im anderen 12 V haben. Wir werden solche Spannungen mit der I - V - Kennlinie für eine ungefähre Leistungsanalyse mit einem direkten Anschluss „Solarpanel - Batterie“ wählen.

Laut CVC liefert die Batterie in beiden Fällen einen Strom von ca. 3,6 A, wir erhalten die folgende Leistung, die während des Ladevorgangs übertragen wird:

1) 13 * 3,6 = 46,8 W.

2) 12 · 3,6 = 43,2 W.

Und an dem Punkt der maximalen Leistung, der auf der I - V - Kennlinie angegeben ist:

3) 18,5 * 3,25 = 60,125 W.

Das Ergebnis liegt auf der Hand: Die Leistung im TMM ist je nach Ladung des Akkus um ca. 25-35% höher. Aber wie kann die Batterie Strom mit einer Spannung von 18,5 V abgeben, anstatt derjenigen, die an den Anschlüssen der Batterie vorhanden ist?

Alles ist gleichzeitig einfach und komplex - suchen Sie nach dem maximalen Leistungspunkt

Wie bereits erwähnt, ist der Controller zwischen den Solarmodulen (Batterie) und den Batterien installiert. Es stellt sich heraus, dass er als Last der Module dient, und die Batterie als Last des Controllers ist auch eine sekundäre Stromquelle. Jede Stromquelle und jedes Gerät in der Elektrotechnik kann in Form eines Widerstands dargestellt werden. Dies wird als "äquivalenter" oder "reduzierter" Widerstand (abhängig vom speziellen Fall) bezeichnet, der durch dasselbe Ohmsche Gesetz bestimmt wird, dh wir können sagen, dass der Eingangswiderstand des Reglers ist:

Rcont = Uinput / Iin. Nachteile

Die Spannung des maximalen Leistungspunkts von Solarmodulen hängt von einer Reihe von Faktoren ab:

• Beleuchtung

• Temperatur (Die Abhängigkeit des CVC und der Position des TMM von der Temperatur ist in der folgenden Abbildung dargestellt.);

• Alter der Elemente usw.

Daher funktioniert es nicht, es fest und universell einzustellen, und es ändert sich entsprechend dem Lastwiderstand und der Stromaufnahme (die idealisierte I - V - Kennlinie ist oben angegeben, in der Praxis gibt es immer noch eine gewisse Neigung im Arbeitsbereich).

Es gibt viele Methoden, um diese "magische" zu finden. In einer Ausführungsform scannt der MPPT-Controller die Strom-Spannungs-Eigenschaften von Solarzellen, um die optimalen Parameter für die aktuellen Betriebsbedingungen zu bestimmen, beispielsweise durch Ändern des Eingangsstroms, ändert sich sein Eingangswiderstand entsprechend. Mit Hilfe von Strom- und Spannungssensoren berechnet das Steuerungssystem den Leistungswert und vergleicht ihn mit dem vorherigen, bis er seinen Maximalwert erreicht. Dies wird als "Störungs- und Beobachtungsmethode" bezeichnet.

Abhängig von der spezifischen Methode zur Bestimmung des TMM und dem internen Gerät der Steuerung, inkl. In seiner Firmware erfolgt die Suche nach TMM mit einer bestimmten Häufigkeit. In der Praxis sind die meisten Methoden jedoch ähnlich und basieren auf dem Prinzip "abweichen und beobachten". Bei einigen Modellen ist es möglich, diesen Zeitraum im Bereich von 1 Mal in mehreren Minuten bis 1 Mal in mehreren Stunden zu konfigurieren. Abhängig von der Häufigkeit der Suche wird die Gesamtleistung des Systems bestimmt.

Da wir durch Ändern der Eingangsparameter die maximal mögliche Leistung von bestimmten Elementen erhalten, besteht die nächste Aufgabe darin, sie der Last zuzuführen, dh die Batterie zum Laden zu verwenden. Am Ende kommt es darauf an, einen elektronischen Stromrichter zu steuern. Nehmen wir an, wir haben einen TMM-Strom von 5 A bei einer Spannung von 17,5 V, das ist:

17,5 * 5 = 87,5 W.

So ist es möglich, der Batterie mit einer Spannung von 12 V an den Klemmen folgenden Strom zu geben:

87,5 / 12 = 7,3A

In den meisten Fällen wird die Umwandlung mit einem Buck (Buck) oder einem Buck-Boost-Wandler durchgeführt. Typische Strukturen von Konvertern haben wir im Artikel zuvor betrachtet.

Bei Verwendung von EIN / AUS oder PWM-Controller Eingangs- und Ausgangsstrom wären gleich. Dies führt zu einer weniger effizienten Entsorgung der verfügbaren Leistung, da beispielsweise der Eingangsstrom 5 A betrug und bei diesem Ausgangsstrom die zum Laden der Batterien aufgewendete Leistung gleich wäre:

12 * 5 = 60 Watt.

Dies verdeutlicht noch einmal die Berechnungen, die in der Diskussion der Strom-Spannungs-Eigenschaften vorgestellt wurden.

Sie sollten die MPPT-Technologie jedoch nicht als Allheilmittel für Solarenergie betrachten. Der Unterschied in der Effizienz der Batterieladung mit MPPT und PWM-Controller ist umso geringer, je mehr die Batterie geladen wird. Wenn die Spannung an den Klemmen (Uakb) ansteigt und die Differenz zwischen Umm abnimmt, wird eine große Leistung des Solarpanels verwendet.

Angenommen, die Spannung an der Batterie beträgt nicht 12, sondern 13,5 V, sofern das Solarpanel mit denselben Parametern arbeitet, sieht es wie folgt aus:

13,5 * 5 = 67,5 W.

Wenn bei 12 V 68% der maximalen Leistung verwendet wurden, werden bei 13,5 V bereits 77% verwendet. Beachten Sie auch, dass Ihre Batterien nicht ständig aufgeladen werden und nicht ständig Strom mit derselben Leistung erhalten.Daher werden in MPRT-Steuerungen normalerweise mehrere Ladestufen implementiert, zum Beispiel: MPPT (mit maximaler Leistung) - Ausgleich - schnell (erzwungen) - Unterstützung. Unter anderem ist zu beachten, dass der Strom der Solarbatterie den Nennstrom des Reglers nicht überschreiten darf, da sonst der maximale Stromverbrauch nicht realisiert wird.

All dies sagt uns jedoch nicht, dass MPPT-Controller nicht verwendet werden müssen, sondern nur, dass sie nicht überschätzt werden sollten.

Es bleibt die Tatsache, dass Geräte mit MPPT-Technologie im unteren Preissegment teurer sind als PWM, aber nicht immer ... Zum Beispiel gibt es einen MPPT-Controller EPSolar MPPT TRACER-2210ADie Kosten liegen im Bereich von 180 US-Dollar und ein PWM-Controller mit einem ähnlichen Preis (180 bis 200 US-Dollar) und einem Ausgangsstrom von 20 A. STECA PR2020.

Gleichzeitig gibt es ein anderes PWM-Gerät mit dem gleichen Ausgangsstrom - "SRNE SR-HP2420" kostet etwas mehr als 20 $, während MPPT vom selben Hersteller "SRNE SR-ML2420" Bei gleichem Ausgangsstrom kostet es 85 US-Dollar.

Die Preise für einige Steuerungsmodelle werden im Folgenden betrachtet.

Überblick über den modernen Markt für MPPT-Controller

Siehe die Tabelle in einer separaten Datei

Die Tabelle enthält keine vollständige Liste der Funktionen und Schutzfunktionen, da sie eine große Menge belegt. Zur Information sieht ein typischer Satz von Funktionen ungefähr so ​​aus:

• von der falschen Polarität der Verbindung von Joint Venture und Batterie;

• vom Kurzschluss am Eingang des Solarpanels;

• vom Kurzschluss in der Last;

• vor Überhitzung;

• Ausschalten des Solarpanels nach Erreichen des Endes der Batterieladung;

• Lastabwurf, wenn die Spannung an der Batterie zu niedrig ist;

• von einer Unterbrechung des Batteriekreises;

• Verhinderung der Batterieentladung durch das Solarpanel bei Nacht;

• Steuerung des Stromverbrauchs durch Last.

Die Tabelle spiegelt die Tatsache wider, dass die Kosten des MPPT-Controllers nicht nur von seinem maximalen Strom (Leistung) abhängen, sondern auch vom Bereich der Ausgangsspannungen, der Liste der unterstützten Batterien, der Fähigkeit zum Anschließen von Anzeige-, Anzeige- und Überwachungstools und einer Reihe anderer Faktoren. Die Auswahl eines Controllers ist kompliziert und sehr individuell, daher ist es zumindest sinnlos, Vergleiche und Bewertungen vorzunehmen.