Ce este un controler MPPT pentru încărcare solară

MPPT este una dintre modalitățile de a utiliza resursele unei surse de energie, fie că este vorba despre o baterie solară sau un generator eolian, dar în acest articol vom vorbi în special despre energia solară. Principala sa caracteristică este creșterea eficienței unei surse alternative prin „tragerea” cantității maxime de energie prin alegerea unei tensiuni și a unui curent specific.

Alegerea acestor parametri se reduce la analiza caracteristicilor tensiunii curente ale sursei și determinând la ce tensiune și consum curent se va consuma puterea maximă. Așa se face prescurtarea MPPT - Urmărirea maximă a punctelor de putere (urmărirea punctului de putere maximă).

Principiile generale ale controlerelor MPPT

La prima vedere la întrebare, s-ar putea să vă gândiți: „Ei bine, utilizați tensiunea maximă posibilă, astfel încât va exista un curent de încărcare maximă (încărcarea bateriei).” Acest lucru este logic, dar în realitate nu este. Acest lucru se datorează în principal caracteristicii curentului de tensiune al celulei solare.

În modul de funcționare (util), celula solară (porțiunea orizontală a caracteristicii I - V) este o sursă de curent, adică curentul său de ieșire depinde doar ușor de tensiunea de la bornele sale. Tensiunea de ieșire (Uoutc) depinde de rezistența sarcinii conectate. Acest lucru îl putem vedea pe CVC.

În partea dreaptă, unde tensiunea este maximă, vedeți tensiunea circuitului deschis Uхх, care este limitată de numărul de elemente din baterie și dispozitivul lor intern. Curentul în acest caz tinde spre 0. Și invers, pe partea stângă, unde tensiunea tinde către 0 - tensiune de scurtcircuit Uкз, iar curentul este limitat de puterea elementelor.

Dacă luăm puterea curentă a bateriei solare în zona utilă pentru o valoare neschimbată, atunci tensiunea va fi determinată de rezistența la sarcină, dacă este la infinit, atunci vom observa modul inactiv (la Rн = ∞ ⇒ Uoutc = Uр.хх), respectiv, cu un scurtcircuit, rezistența de încărcare va tinde spre zero, ca tensiunea de ieșire (la Rн = ∞ ⇒ Uoutc = Ucz). Puterea maximă va avea un anumit raport între rezistența la sarcină, tensiune și curent.

Ce înseamnă toate acestea? Trecem de la baterii la controlere!

Controlerul este o legătură intermediară între bateria solară și baterie, reglează curentul de încărcare printr-un PWM, de exemplu, sau prin oricare altul pe care proiectantul l-a ales. Numai că aplicarea tensiunii direct de la baterie nu înseamnă asigurarea transferului maxim de energie de la panouri la baterie.

Pentru o încărcare eficientă, regulatorul monitorizează curentul primit de la baterie și tensiunea de ieșire, precum și curentul furnizat de baterie și tensiunea de pe acesta. Pentru a ne asigura de aceasta, selectăm 2 puncte arbitrare pe caracteristica I - V (o dăm aici din nou) și comparăm puterea din ele cu punctul de putere maximă (TMM) indicat în figură, la care curentul pare să nu fie maxim ...

Să zicem că avem o baterie cu o tensiune nominală de 12V, ceea ce înseamnă că în starea încărcată ajungem la terminale aproximativ 14,2-14,5 V, iar aproximativ 11 V în starea descărcată, chiar dacă într-un caz avem 13V și în celălalt - 12V. Vom alege astfel de tensiuni cu caracteristica I-V pentru o analiză aproximativă a puterii cu o conexiune directă „panou solar - baterie”.

Conform CVC, în ambele cazuri, bateria va oferi un curent de aproximativ 3.6A, vom primi următoarea putere în timpul încărcării:

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

2) 12 * 3,6 = 43,2 W

Și în punctul de putere maximă marcat pe caracteristica I - V:

3) 18,5 * 3.25 = 60.125W

Rezultatul este evident - puterea în TMM este cu aproximativ 25-35% mai mult, în funcție de încărcarea bateriei. Dar cum să faceți ca bateria să se oprească curent la o tensiune de 18,5 V, în loc de cea care este prezentă la bornele bateriei?

Totul este simplu și complex în același timp - căutați punctul de putere maximă

Așa cum am menționat anterior, regulatorul este instalat între panourile solare (baterie) și baterii, se dovedește că acesta servește ca sarcină a panourilor, iar bateria ca sarcină a controlerului, este de asemenea o sursă de alimentare secundară. Orice sursă de alimentare și orice dispozitiv din inginerie electrică pot fi reprezentate sub formă de rezistență. Aceasta se numește rezistență „echivalentă” sau „redusă” (în funcție de cazul specific), care este determinată de aceeași lege Ohm, adică putem spune că rezistența de intrare a controlerului este:

Rcont = Uinput / Iin. Potro.

Tensiunea punctului de putere maximă a panourilor solare depinde de o serie de factori:

• iluminat;

• temperatură (dependența CVC și poziția TMM de temperatură este prezentată în figura de mai jos);

• Vârsta elementelor etc.

Prin urmare, nu va funcționa pentru a-l seta fix și universal, plus că se schimbă în concordanță cu rezistența la încărcare și consumul curent (caracteristica I - V idealizată este dată mai sus, în practică va mai exista o anumită pantă în zona de lucru).

Există multe metode pentru a găsi această „magie”. Într-o realizare, controlerul MPPT scanează caracteristicile de tensiune curentă ale celulelor solare pentru a determina parametrii optimi pentru condițiile de operare curente, de exemplu, schimbând curentul de intrare, rezistența sa de intrare se modifică în consecință. Folosind senzori de curent și tensiune, sistemul de control calculează valoarea puterii și o compară cu cea anterioară până când atinge valoarea maximă. Aceasta se numește „metoda perturbării și observației”.

În funcție de metoda specifică pentru determinarea TMM și dispozitivul intern al controlerului, incl. firmware-ul său, căutarea TMM are loc cu o anumită frecvență. Cu toate acestea, în practică, majoritatea metodelor sunt similare și se bazează pe principiul „deviați și observați”. În unele modele, este posibilă configurarea acestei perioade în intervalul de la 1 dată în câteva minute la 1 dată în câteva ore. În funcție de frecvența de căutare, se determină performanța generală a sistemului.

Întrucât, ca urmare a modificării parametrilor de intrare, obținem puterea maximă posibilă din anumite elemente, următoarea sarcină este să o dăm sarcinii, adică să folosim bateria pentru a încărca. În cele din urmă, totul se reduce la controlul unui convertor electronic de putere, să zicem că avem un curent TMM de 5A la o tensiune de 17.5V, aceasta:

17,5 * 5 = 87,5 W

Deci, este posibil să acordați bateriei cu o tensiune de 12 V la terminale următorul curent:

87,5 / 12 = 7,3A

În cele mai multe cazuri, conversia este efectuată folosind un buck (buck) sau un convertor buck-boost (buck-boost). Structuri tipice ale convertoarelor pe care le-am avut în vedere în articol anterior.

Întrucât atunci când utilizați ON / OFF sau Controlere PWM Curentul de intrare și ieșire ar fi egal. Ceea ce duce la o eliminare mai puțin eficientă a puterii disponibile, de exemplu, deoarece curentul de intrare era de 5A, cu acest curent de ieșire, puterea cheltuită la încărcarea bateriilor ar fi egală cu:

12 * 5 = 60 wați.

Acest lucru ilustrează încă o dată calculele prezentate în discuția caracteristicilor curentului - tensiune.

Cu toate acestea, nu ar trebui să considerați tehnologia MPPT o panaceu pentru energia solară. Diferența de eficiență a încărcării bateriei folosind controlorul MPPT și PWM este mai mică, cu atât mai mult se încarcă bateria. Când tensiunea de la bornele sale (Uakb) crește și diferența dintre Umm scade, atunci se utilizează o putere mare a panoului solar.

În mod similar cu exemplul de mai sus, să presupunem că tensiunea pe baterie nu este de 12, ci 13,5V, cu condiția ca panoul solar să funcționeze cu aceiași parametri, va arăta astfel:

13,5 * 5 = 67,5W

Dacă la 12V 68% din puterea maximă a fost utilizată, atunci la 13,5V 77% este deja utilizat. Rețineți, de asemenea, că bateriile dvs. nu vor fi încărcate în mod constant și nu vor primi curent de aceeași putere constant.Prin urmare, în controlerele MPRT, de obicei sunt implementate mai multe etape de încărcare, de exemplu: MPPT (cu putere maximă) - egalizare - rapid (forțat) - suport. Printre altele, merită să ne amintim că curentul bateriei solare nu trebuie să depășească curentul nominal al controlerului, altfel utilizarea maximă a puterii nu se realizează.

Dar toate acestea nu ne spun că controlerele MPPT nu trebuie utilizate, ci doar că nu trebuie supraestimate.

Faptul rămâne că în segmentul prețurilor mai mici dispozitivele cu tehnologie MPPT sunt mai scumpe decât PWM, dar nu întotdeauna ... De exemplu, există un controlor MPPT "EPSolar MPPT TRACER-2210A", al cărui cost este în gama de 180 USD și un controler PWM cu prețuri similare (180-200 USD) cu un curent de ieșire de 20A STECA PR2020.

În același timp, există un alt dispozitiv PWM cu același curent de ieșire - "SRNE SR-HP2420" costă puțin peste 20 de dolari, în timp ce MPPT de la același producător "SRNE SR-ML2420" cu același curent de ieșire, costă 85 USD.

Prețurile pentru unele modele de controlere, vom lua în considerare mai jos.

Prezentare generală a pieței moderne pentru controlere MPPT

Consultați tabelul într-un fișier separat

Tabelul nu oferă o listă completă de funcții și protecții, deoarece ocupă o cantitate mare. Pentru informații, un set tipic de funcții arată astfel:

• de la polaritatea greșită a conexiunii întreprinderii comune și a bateriei;

• din scurtcircuit la intrarea panoului solar;

• din scurtcircuit în sarcină;

• de la supraîncălzire;

• opriți panoul solar după atingerea capătului de încărcare a bateriei;

• vărsare de sarcină atunci când tensiunea bateriei este prea mică;

• dintr-o pauză în circuitul bateriilor;

• prevenirea descărcării bateriei prin panoul solar noaptea;

• controlul consumului curent prin încărcare.

Tabelul reflectă faptul că costul controlerului MPPT depinde nu numai de curentul maxim (puterea), dar și de gama de tensiuni de ieșire, lista bateriilor acceptate, capacitatea de a conecta instrumente de afișare, afișare și monitorizare și o serie de alți factori. Alegerea unui controler este complicată și foarte individuală, așa că este cel puțin inutil să facem comparații și evaluări.