Τι είναι ένας ελεγκτής MPPT για ηλιακή φόρτιση

Το MPPT είναι ένας από τους τρόπους χρήσης των πόρων μιας πηγής ενέργειας, είτε πρόκειται για ηλιακή μπαταρία είτε για ανεμογεννήτρια, αλλά σε αυτό το άρθρο θα μιλήσουμε ειδικά για την ηλιακή ενέργεια. Το κύριο χαρακτηριστικό του είναι να αυξήσει την απόδοση μιας εναλλακτικής πηγής με "τράβηγμα" της μέγιστης ποσότητας ενέργειας επιλέγοντας μια συγκεκριμένη τάση και ρεύμα.

Η επιλογή αυτών των παραμέτρων μειώνεται στην ανάλυση των χαρακτηριστικών ρεύματος τάσης της πηγής και καθορίζει σε ποια κατανάλωση τάσης και ρεύματος θα καταναλώνεται η μέγιστη ισχύς. Έτσι συντάσσεται η συντομογραφία MPPT - Μέγιστη παρακολούθηση ισχύος (εντοπισμός του σημείου μέγιστης ισχύος).

Γενικές αρχές των ελεγκτών MPPT

Με την πρώτη ματιά στην ερώτηση, ίσως να σκεφτείτε: "Λοιπόν, χρησιμοποιήστε τη μέγιστη δυνατή τάση, έτσι θα υπάρξει ένα μέγιστο φορτίο ρεύματος (φόρτιση της μπαταρίας)." Αυτό είναι λογικό, αλλά στην πραγματικότητα δεν είναι. Αυτό οφείλεται κυρίως στο χαρακτηριστικό ρεύματος τάσης του ηλιακού στοιχείου.

Στο λειτουργικό (χρήσιμο) τρόπο λειτουργίας, το ηλιακό στοιχείο (οριζόντιο τμήμα του χαρακτηριστικού I-V) είναι πηγή ρεύματος, δηλαδή το ρεύμα εξόδου του εξαρτάται μόνο ελαφρώς από την τάση στους ακροδέκτες του. Η τάση εξόδου (Uoutc) εξαρτάται από την αντίσταση του συνδεδεμένου φορτίου. Αυτό μπορούμε να δούμε στο CVC.

Στο δεξιό μέρος, όπου η τάση είναι μέγιστη, βλέπετε την τάση ανοικτού κυκλώματος Uχχ, η οποία περιορίζεται από τον αριθμό των στοιχείων της μπαταρίας και της εσωτερικής τους συσκευής. Το ρεύμα σε αυτή την περίπτωση τείνει στο 0. Και αντίστροφα, στην αριστερή πλευρά, όπου η τάση τείνει στο 0 - τάση βραχυκυκλώματος Ukz, και το ρεύμα περιορίζεται από τη δύναμη των στοιχείων.

Αν ληφθεί η ισχύς της ηλιακής μπαταρίας στην ωφέλιμη περιοχή για μια σταθερή τιμή, τότε η τάση θα προσδιοριστεί από την αντίσταση φορτίου, αν είναι άπειρο, τότε θα παρατηρήσουμε την κατάσταση ρελαντί (σε Rn = ∞ ⇒ Uoutc = Uρ.χχ), αντίστοιχα, με βραχυκύκλωμα, θα τείνει στο μηδέν, όπως και η τάση εξόδου (σε Rn = ∞ ⇒ Uoutc = Ucz). Η μέγιστη ισχύς θα έρθει σε μια συγκεκριμένη αναλογία αντίστασης φορτίου, τάσης και ρεύματος.

Τι σημαίνει αυτό; Περνάμε από τις μπαταρίες στους ελεγκτές!

Ο ελεγκτής είναι ένας ενδιάμεσος κρίκος μεταξύ της ηλιακής μπαταρίας και της μπαταρίας, ρυθμίζει το ρεύμα φόρτισης μέσω ενός PWM, για παράδειγμα, ή οποιουδήποτε άλλου που έχει επιλέξει ο σχεδιαστής. Αλλά απλά η εφαρμογή τάσης απευθείας από την μπαταρία δεν σημαίνει εξασφάλιση μέγιστης μεταφοράς ενέργειας από τα πάνελ στην μπαταρία.

Για μια αποτελεσματική φόρτιση, ο ελεγκτής παρακολουθεί το ρεύμα που λαμβάνεται από την μπαταρία και την τάση εξόδου, καθώς και το ρεύμα που τροφοδοτείται από την μπαταρία και την τάση σε αυτήν. Για να το σιγουρευτούμε, επιλέγουμε 2 αυθαίρετα σημεία στο χαρακτηριστικό I-V (το δίνουμε εδώ και πάλι) και συγκρίνουμε την ισχύ σε αυτά με το μέγιστο σημείο ισχύος (TMM) που φαίνεται στο σχήμα, στο οποίο το ρεύμα φαίνεται να μην είναι μέγιστο ...

Ας υποθέσουμε ότι έχουμε μια μπαταρία με ονομαστική τάση 12V, πράγμα που σημαίνει ότι στην φορτισμένη κατάσταση έχουμε περίπου 14,2-14,5 V στους ακροδέκτες και περίπου 11V στην εκφόρτιση, ακόμα κι αν σε μια περίπτωση έχουμε 13V και στην άλλη - 12V. Θα επιλέξουμε τέτοιες τάσεις με το χαρακτηριστικό I-V για μια προσεγγιστική ανάλυση ισχύος με άμεση σύνδεση "ηλιακός πίνακας - μπαταρία".

Σύμφωνα με το CVC, και στις δύο περιπτώσεις, η μπαταρία θα δώσει ρεύμα περίπου 3.6A, έχουμε την ακόλουθη ισχύ που μεταδίδεται κατά τη διάρκεια της φόρτισης:

1) 13 * 3.6 = 46,8 W

2) 12 * 3.6 = 43,2 W

Και στο σημείο της μέγιστης ισχύος που επισημαίνεται στο χαρακτηριστικό I-V:

3) 18.5 * 3.25 = 60.125W

Το αποτέλεσμα είναι προφανές - η ισχύς στο TMM είναι περίπου 25-35% περισσότερο, ανάλογα με τη φόρτιση της μπαταρίας. Αλλά πώς να κάνει η μπαταρία να εκπέμπει ρεύμα με τάση 18,5V, αντί για εκείνη που υπάρχει στους ακροδέκτες της μπαταρίας;

Όλα είναι απλά και σύνθετα ταυτόχρονα - αναζητήστε το μέγιστο σημείο ισχύος

Όπως σημειώθηκε προηγουμένως, ο ελεγκτής είναι εγκατεστημένος μεταξύ των ηλιακών πλαισίων (μπαταρία) και των μπαταριών, αποδεικνύεται ότι χρησιμεύει ως φορτίο των πάνελ, και η μπαταρία ως φορτίο του ελεγκτή, είναι επίσης μια δευτερεύουσα πηγή ενέργειας. Οποιαδήποτε πηγή ενέργειας και οποιαδήποτε συσκευή στην ηλεκτροτεχνική μπορεί να εκπροσωπηθεί με τη μορφή αντίστασης. Αυτό ονομάζεται αντιστοίχιση ή μειωμένη αντίσταση (ανάλογα με τη συγκεκριμένη περίπτωση), η οποία καθορίζεται από τον ίδιο νόμο Ohm, δηλαδή, μπορούμε να πούμε ότι η αντίσταση εισόδου του ελεγκτή είναι:

Rcont = Uinput / Iin. Μειονεκτήματα.

Η τάση του σημείου μέγιστης ισχύος των ηλιακών συλλεκτών εξαρτάται από πολλούς παράγοντες:

• Φωτισμός

• Θερμοκρασία (η εξάρτηση του CVC και η θέση του TMM στη θερμοκρασία φαίνεται στο παρακάτω σχήμα);

• Ηλικία στοιχείων, κλπ.

Επομένως, δεν θα λειτουργήσει για να το θέσει σταθερό και καθολικό, συν αλλάζει ανάλογα με την αντίσταση φορτίου και την κατανάλωση ρεύματος (το ιδανικό I-V χαρακτηριστικό δίνεται παραπάνω, στην πράξη θα εξακολουθεί να υπάρχει κάποια κλίση στην περιοχή εργασίας).

Σε μία υλοποίηση, ο ελεγκτής MPPT ανιχνεύει τα χαρακτηριστικά ρεύματος τάσης των ηλιακών κυψελών για τον προσδιορισμό των βέλτιστων παραμέτρων για τις τρέχουσες συνθήκες λειτουργίας, για παράδειγμα, αλλάζοντας το ρεύμα εισόδου, αλλάζοντας ανάλογα την αντίσταση εισόδου του. Χρησιμοποιώντας αισθητήρες ρεύματος και τάσης, το σύστημα ελέγχου υπολογίζει την τιμή ισχύος και το συγκρίνει με το προηγούμενο μέχρι να φτάσει στη μέγιστη τιμή του. Αυτό ονομάζεται "μέθοδος διαταραχής και παρατήρησης".

Ανάλογα με τη συγκεκριμένη μέθοδο για τον προσδιορισμό του TMM και της εσωτερικής συσκευής του ελεγκτή, το υλικολογισμικό του, η αναζήτηση για TMM συμβαίνει με μια ορισμένη συχνότητα. Ωστόσο, στην πράξη, οι περισσότερες μέθοδοι είναι παρόμοιες και βασίζονται στην αρχή της "απόκλισης και παρατήρησης". Σε ορισμένα μοντέλα, είναι δυνατό να ρυθμίσετε αυτήν την περίοδο στην περιοχή από 1 ώρα σε μερικά λεπτά έως 1 φορά σε αρκετές ώρες. Ανάλογα με τη συχνότητα της αναζήτησης, προσδιορίζεται η συνολική απόδοση του συστήματος.

Δεδομένου ότι ως αποτέλεσμα της αλλαγής των παραμέτρων εισόδου έχουμε τη μέγιστη δυνατή ισχύ από συγκεκριμένα στοιχεία, η επόμενη εργασία είναι να το δώσουμε στο φορτίο, δηλαδή να χρησιμοποιήσουμε την μπαταρία για να φορτίσετε. Στο τέλος, όλα έρχονται κάτω για τον έλεγχο ενός ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος, ας πούμε ότι έχουμε ένα ρεύμα TMM 5Α με τάση 17.5V, αυτό είναι:

17,5 * 5 = 87,5 W

Έτσι είναι δυνατόν να δώσουμε στην μπαταρία τάση 12 V στους ακροδέκτες το ακόλουθο ρεύμα:

87,5 / 12 = 7,3Α

Στις περισσότερες περιπτώσεις, η μετατροπή πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας μετατροπέα buck (buck) ή buck-boost. Τυπικές δομές των μετατροπέων που εξετάσαμε στο άρθρο νωρίτερα.

Ότι όταν χρησιμοποιείτε το ON / OFF ή το Ρυθμιστές PWM το ρεύμα εισόδου και εξόδου θα είναι ίσο. Αυτό οδηγεί σε μια λιγότερο αποτελεσματική διάθεση της διαθέσιμης ισχύος, για παράδειγμα, επειδή το ρεύμα εισόδου ήταν 5Α, με αυτό το ρεύμα εξόδου, η ισχύς που καταναλώθηκε για τη φόρτιση των μπαταριών θα ήταν ίση με:

12 * 5 = 60 watt.

Αυτό δείχνει και πάλι τους υπολογισμούς που παρουσιάζονται στη συζήτηση των χαρακτηριστικών ρεύματος - τάσης.

Ωστόσο, δεν πρέπει να θεωρείτε την τεχνολογία MPPT πανάκεια για την ηλιακή ενέργεια. Η διαφορά στην απόδοση φόρτισης της μπαταρίας με τον ελεγκτή MPPT και PWM είναι μικρότερη, τόσο περισσότερο φορτίζεται η μπαταρία. Όταν η τάση στους ακροδέκτες της (Uakb) ανεβαίνει, και η διαφορά μεταξύ Umm μειώνεται, τότε χρησιμοποιείται μεγάλη ισχύς από το ηλιακό πάνελ.

Παρόμοια με το παραπάνω παράδειγμα, ας υποθέσουμε ότι η τάση στην μπαταρία δεν είναι 12, αλλά 13,5V, με την προϋπόθεση ότι ο ηλιακός πίνακας λειτουργεί με τις ίδιες παραμέτρους, θα μοιάζει με αυτό:

13,5 * 5 = 67,5 W

Αν στο 12V χρησιμοποιήθηκε το 68% της μέγιστης ισχύος, τότε στο 13,5V χρησιμοποιήθηκε ήδη 77%. Σημειώστε επίσης ότι οι μπαταρίες σας δεν θα φορτίζονται συνεχώς και δεν θα λαμβάνουν συνεχώς ρεύμα της ίδιας ισχύος.Επομένως, στους ελεγκτές MPRT, συνήθως εφαρμόζονται διάφορα στάδια φόρτισης, για παράδειγμα: MPPT (με μέγιστη ισχύ) - εξίσωση - γρήγορη (αναγκαστική) - υποστήριξη. Μεταξύ άλλων, αξίζει να θυμηθούμε ότι το ρεύμα της ηλιακής μπαταρίας δεν πρέπει να υπερβαίνει το ονομαστικό ρεύμα του ελεγκτή, διαφορετικά δεν επιτυγχάνεται η μέγιστη χρήση της ισχύος.

Αλλά όλα αυτά δεν μας λένε ότι οι ελεγκτές MPPT δεν χρειάζεται να χρησιμοποιηθούν, αλλά μόνο ότι δεν πρέπει να υπερεκτιμηθούν.

Το γεγονός παραμένει ότι στα χαμηλότερα τμήματα της αγοράς οι συσκευές με τεχνολογία MPPT είναι ακριβότερες από την PWM, αλλά όχι πάντα ... Για παράδειγμα, υπάρχει ένας ελεγκτής MPPT "EPSolar MPPT TRACER-2210A", του οποίου το κόστος κυμαίνεται μεταξύ $ 180 και ενός ελεγκτή PWM με τιμές $ 180-200 με ένα ρεύμα εξόδου 20Α STECA PR2020.

Ταυτόχρονα, υπάρχει μια άλλη συσκευή PWM με το ίδιο ρεύμα εξόδου - "SRNE SR-HP2420" κοστίζοντας λίγο περισσότερο από $ 20, ενώ το MPPT από τον ίδιο κατασκευαστή "SRNE SR-ML2420" με το ίδιο ρεύμα εξόδου, κοστίζει $ 85.

Τιμές για ορισμένα μοντέλα ελεγκτών, θα εξετάσουμε παρακάτω.

Επισκόπηση της σύγχρονης αγοράς για ελεγκτές MPPT

Δείτε τον πίνακα σε ξεχωριστό αρχείο

Ο πίνακας δεν παρέχει έναν πλήρη κατάλογο λειτουργιών και προστασιών, δεδομένου ότι καταλαμβάνει ένα μεγάλο ποσό. Για πληροφορίες, ένα τυπικό σύνολο λειτουργιών μοιάζει με αυτό:

• από τη λανθασμένη πολικότητα της σύνδεσης της κοινοπραξίας και της μπαταρίας.

• από βραχυκύκλωμα στην είσοδο του ηλιακού πίνακα.

• από βραχυκύκλωμα στο φορτίο.

• από υπερθέρμανση.

• απενεργοποίηση του ηλιακού πίνακα μετά την ολοκλήρωση της φόρτισης της μπαταρίας.

• αποφόρτιση φορτίου όταν η τάση στη μπαταρία είναι πολύ χαμηλή.

• από ένα σπάσιμο στο κύκλωμα της μπαταρίας.

• αποτρέποντας την εκκένωση της μπαταρίας μέσω του ηλιακού πίνακα τη νύχτα

• Έλεγχος της κατανάλωσης ρεύματος από το φορτίο.

Ο πίνακας αντικατοπτρίζει το γεγονός ότι το κόστος του ελεγκτή MPPT εξαρτάται όχι μόνο από το μέγιστο ρεύμα (ισχύς), αλλά και από το φάσμα των τάσεων εξόδου, τον κατάλογο των υποστηριζόμενων μπαταριών, τη δυνατότητα σύνδεσης των εργαλείων απεικόνισης, απεικόνισης και παρακολούθησης και πολλούς άλλους παράγοντες. Η επιλογή ενός ελεγκτή είναι περίπλοκη και πολύ ατομική, οπότε είναι τουλάχιστον άσκοπο να κάνουμε συγκρίσεις και αξιολογήσεις.