Что такое MPPT-контроллер для заряда солнечных батарей
MPPT — это один из способов использования ресурсов источника энергии, будь то солнечная батарея или ветрогенератор, но в этой статье мы поговорим именно о солнечной энергии. Его основная особенность — повышение эффективности работы альтернативного источника, путём «вытягивания» максимального количества энергии за счет выбора определенного напряжения и тока.
Выбор этих параметров сводится к анализу вольт-амперной характеристики источника и определения при каком напряжении и потребляемом токе будет потребляться максимальная мощность. Именно так и расшифровывается аббревиатура MPPT – Maximum Power Point Tracking (слежение за точкой максимальной мощности).
Общие сведения о принципе действия MPPT-контроллеров
С первого взгляда на вопрос, можно подумать: «Ну так использовать максимально возможное напряжение, значит будет максимальный ток нагрузки (заряда АКБ)». Это логично, но в действительности это не так. В первую очередь это связано с вольт-амперной характеристикой солнечного элемента.
В рабочем (полезном) режиме солнечный элемент (горизонтальный участок ВАХ) – это источник тока, то есть его выходной ток слабо зависит от напряжения на его зажимах. Выходное напряжение (Uвыхсб) же зависит от сопротивления подключенной нагрузки. Это мы можем видеть на ВАХ.
В правой части, где напряжение максимально, вы видите напряжение холостого хода Uхх, которое ограничено количеством элементов в батарее и их внутренним устройством. Ток при этом стремится к 0. И наоборот, в левой части, где напряжение стремится к 0 – напряжение короткого замыкания Uкз, а ток ограничен мощностью элементов.
Если принять силу тока солнечной батареи на полезном участке за неизменную величину, то напряжение будет определяться сопротивлением нагрузки, если оно равно бесконечности, то мы наблюдаем режим холостого хода (при Rн=∞ ⇒ Uвыхсб=Uр.хх), соответственно при коротком замыкании сопротивление нагрузки будет стремиться к нулю, как и выходное напряжение (при Rн=∞ ⇒ Uвыхсб=Uкз). Максимальная же мощность наступит при определенном соотношении сопротивления нагрузки, напряжения и тока.
Что всё это значит? Переходим от батарей к контроллерам!
Контроллер — это промежуточное звено между солнечной батареей и аккумулятором, он регулирует ток заряда посредством ШИМ, например, или любого другого, который выбрал конструктор. Но просто подать напрямую напряжение с батареи – это не значит обеспечить максимальную передачу мощности от панелей к АКБ.
Для эффективного заряда контроллер следит за током, получаемым от батареи и её выходным напряжением, а также током, отдаваемым АКБ и напряжением на ней. Чтобы убедится в этом выберем 2 произвольных точки на ВАХ (приведем её здесь еще раз) и сравним мощность в них с обозначенной на рисунке точкой максимальной мощности (ТММ), в которой вроде бы ток не является максимальным…
Допустим у нас АКБ с номинальным напряжением в 12В, это значит, в заряженном состоянии на выводах мы получим около 14,2-14,5 В, а в разряженном около 11В, пусть в одном случае у нас 13В, а в другом – 12В. Такие напряжения и выберем с ВАХ, для примерного анализа мощности при прямом подключении «солнечная панель — аккумулятор».
Согласно ВАХ в обоих случаях батарея отдаст ток около 3.6А, мы получим следующую мощность, передаваемую в процессе заряда:
А в отмеченной на ВАХ точке максимальной мощности:
Результат очевиден – мощность в ТММ больше примерно на 25-35% в зависимости от заряженности АКБ. Но как заставить батарею отдавать ток при напряжении в 18.5В, вместо того которое присутствует на клеммах аккумуляторной батареи?
Всё просто и сложно одновременно — поиск точки максимальной мощности
Как было отмечено ранее, контроллер устанавливается между солнечными панелями (батареей) и аккумуляторами, получается, что он служит нагрузкой панелей, а АКБ нагрузкой контроллера, он же — это источник вторичного питания. Любой источник питания, да и любой прибор в электротехнике может быть представлен в виде сопротивления. Это называется «эквивалентным» или «приведенным» сопротивлением (в зависимости от конкретного случая), которое определяется по тому же закону ома, то есть можно сказать, что входное сопротивление контроллера равно:
Rконтр= Uвходное/Iвх. потр.
Напряжение точки максимальной мощности у солнечных панелей зависит от ряда факторов:
Температуры (зависимость ВАХ и положения ТММ от температуры приведена на рисунке ниже);
Возраста элементов и пр.
Поэтому задать его фиксированным и универсальным не получится, плюс оно изменяется в соответствии с сопротивлением нагрузки и потребляемым током (выше приведена идеализированная ВАХ, на практике всё же будет некоторый наклон на рабочем участке).
Есть множество методов нахождения этой «волшебной», в одном из вариантов реализации MPPT-контроллер сканирует ВАХ солнечных элементов определяя оптимальные параметры для текущих рабочих условий, например, изменяя входной ток, соответственно изменяется его входное сопротивление. С помощью датчиков тока и напряжения система управления вычисляет значение мощности и сравнивает его с предыдущим, до тех пор, пока она не достигнет максимального значения. Это называется «методом возмущения и наблюдения».
В зависимости от конкретного метода определения ТММ и внутреннего устройства контроллера, в т.ч. его прошивки, поиск ТММ происходит с определенной периодичностью. Однако на практике большинство методов являются схожими и основаны на принципе «отклониться и наблюдать». В некоторых моделях есть возможность настройки этого периода в диапазоне от 1 раза в несколько минут, до 1 раза в несколько часов. В зависимости от периодичности поиска определяется эффективность работы системы в целом.
Так как в результате изменения входных параметров мы получаем максимально возможную мощность от конкретных элементов, следующей задачей становится отдать её нагрузке, то есть использовать для заряда АКБ. В конечном итоге всё сводится к управлению электронным силовым преобразователем, допустим мы получили ток ТММ в 5А при напряжении в 17.5В, это:
Значит есть возможность отдать аккумулятору с напряжением на клеммах в 12В такой ток:
В большинстве случаев преобразование осуществляется с помощью понижающего (buck) или понижающе-повышающего преобразователя (buck-boost). Типовые структуры преобразователей мы рассматривали в статье ранее.
Тогда как при использовании ON/OFF или ШИМ-контроллеров входной и выходной ток были бы равны. Что приводит к менее эффективному распоряжению доступной мощностью, например, так как входной ток был 5А, то при таком выходном токе мощность, затрачиваемая на заряд аккумуляторов, была бы равна:
Это еще раз иллюстрирует приведенные при обсуждении вольт-амперной характеристики выше расчеты.
Однако, не стоит считать MPPT-технологию панацеей для солнечной энергетике. Разница в эффективности заряда АКБ с помощью MPPT и PWM-контроллера тем меньше, чем больше заряжен аккумулятор. Когда напряжение на его клеммах (Uакб) повышается, а разница между Uтмм понижается, то используется большая мощность солнечной панели.
Аналогично приведенному выше примеру предположим, что напряжение на АКБ не 12, а 13.5В, при условии, что солнечная панель работает с теми же параметрами, это будет выглядеть следующим образом:
Если при 12В использовалось 68% от максимальной мощности, то при 13.5В используется уже 77%. Также учтите и то, что ваши аккумуляторы не будут постоянно заряжаться, и на них не будет поступать ток одной и той же силы постоянно. Поэтому в МРРТ-контроллерах обычно реализуется несколько стадий заряда, например: MPPT (с максимальной мощностью) — выравнивающий — быстрый (форсированный) — поддерживающий. Кроме всего прочего стоит помнить, что ток солнечной батареи не должен превышать номинальный ток контроллера, иначе не реализуется максимальное использование мощности.
Но это всё не говорит нам о том, что MPPT-контроллеры не нужно использовать, а только о том, что не стоит переоценивать их пользу.
Фактом остаётся лишь то, что в нижнем ценовом сегменте устройства с технологией MPPT дороже чем PWM, но не всегда. Например, есть MPPT-контроллер «EPSolar MPPT TRACER-2210A», стоимость которого находится в пределах 180 долларов, и аналогичный по стоимости (180-200 долларов) PWM-контроллер с выходным током 20А «STECA PR2020».
При этом же есть другой PWM-прибор с тем же выходным током — «SRNE SR-HP2420» стоимостью немногим больше 20 долларов, в то время, как MPPT от этого же производителя «SRNE SR-ML2420» с таким же выходным током стоит уже 85 долларов.
Цены на некоторые модели контроллеров мы рассмотрим ниже.
Обзор современного рынка MPPT-контроллеров
В таблице не приводился полный перечень функций и защит, так как он занимает большой объём. Для сведения типовой набор функций выглядит примерно так:
от неправильной полярности подключения СП и АКБ;
от КЗ на входе солнечной панели;
от КЗ в нагрузке;
отключение солнечной панели после достижения окончания заряда АКБ;
отключение нагрузки при слишком низком напряжении на АКБ;
от обрыва в цепи АКБ;
предотвращение разряда АКБ через солнечную панель в ночное время;
контроль потребление тока нагрузкой.
Таблица отражает то, что стоимость MPPT-контроллера зависит не только от его максимальной силы тока (мощности), но и от диапазона выходных напряжений, списка поддерживаемых аккумуляторов, возможности подключения средств отображения, индикации и мониторинга, и ряда других факторов. Выбор контроллера сложен и очень индивидуален, поэтому приводить какие-то сравнения и рейтинги по меньшей мере бессмысленно.
Источник
MPPT контроллеры
Страница 1 из 8 • 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 
MPPT контроллеры
автор Петрович Пн Май 18, 2015 4:32 pm
Рассмотрим теорию и практику эксплуатации MPPT контроллеров «Максимальная силовая точка отслеживания», используемую в улучшенных солнечных контроллерах заряда.
MPPT контроллер представляет собой электронное устройство с встроенным конвертором постоянного тока DC/DC, который оптимизирует параметры энергии между солнечными батареями (PV панелями), и аккумуляторными батареями. Проще говоря, они превращают высокое выходное напряжение постоянного тока от солнечных батарей до низкого напряжения, необходимого для зарядки аккумуляторных батарей.
Итак, что значит «оптимизировать параметры энергии»?
Большинство PV панелей производятся и называются условно 12- вольтовыми. Загвоздка в том, что «номинально», на самом деле, почти все «12-вольтовые» солнечные панели выдают от 16 до 18 вольт при номинальной нагрузке. Проблема в том, что номинальные 12-вольтовые аккумуляторные батареи довольно близки к фактическим 12 вольт — от 10,5 до 12,7 вольт, в зависимости от состояния заряда. Для успешной зарядки большинство аккумуляторных батарей требуют от 13,2 до 14,4 вольт.
Допустим, мы приобрели солнечную панель 130 ватт.
На практике солнечная панель выдает 130 ватт только при определенном напряжении и токе. Экспериментально эта солнечная батарея рассчитана на 7,52 ампер при 17,3 вольт. (7,52Ах17,3В= 130 Вт).
Теперь рассмотрим, почему панель 130 Ватт не выдает 130 Вт зарядки или куда уходят наши Ватты? Так что же происходит, когда вы подключаете панель 130 ватт к аккумулятору через обычный контроллер заряда?
К сожалению, то, что происходит, далеко не дает 130 Вт. Ваша солнечная панель выдает 7,5 ампер. Ваша аккумуляторная батарея просаживает напряжение при зарядке до 12 вольт. Соответственно имеем мощность зарядки аккумулятора : 7,5 Ампер Х 12 вольт = 90 Вт. Вы потеряли более 40 ватт но ведь заплатили за 130Вт! Где же делись 40 ватт? Они просто не производятся из-за слабого преобразования (нет оптимизации параметров) между панелью и аккумулятором. При очень низком заряде батареи, скажем 10,5 вольт ситуация еще хуже — вы можете потерять целых 35% мощности (11 вольт х 7,4 = 81,4 Ватт). Вы потеряли около 48 ватт. Вы можете подумать — почему бы просто не сделать панели так, чтобы они вырабатывали 14 вольт или около того, чтобы соответствовать батарее?
Есть много факторов. Панели мощностью 130 Вт рассчитаны при полном солнечном свете и при определенной температуре. Если температура солнечной панели не стандартна, вы не получите 17,4 вольт. Чем выше эксплуатационная температура панели, тем ниже она выдает напряжение, а следовательно — меньше энергии. Во многих жарких климатических зонах, вы можете получить до 16 вольт. Если вы получаете до 15 вольт с панели, у вас не будет достаточного напряжения для зарядки батареи. Солнечные же батареи должны иметь достаточно свободы действий, чтобы в любых условиях выполнять свое предназначение. В связи с такой не стыковкой и нужен контроллер МРРТ.
Какая выгода от использования контроллеров MPPT?
Она прямо пропорциональна сезонным условиям. MPPT контроллеры как правило основаны на цифровой технологии управления. Такой контроллер заряда постоянно прощупывает на выходе из панелей напряжение, и сравнивает его с напряжением батареи. Затем контроллер вычисляет оптимальное значение тока и напряжения в конкретный момент времени. Выполняет необходимую оптимизацию (преобразования) чтобы получить максимальную мощность зарядки.
Большинство современных MPPT контроллеров имеют КПД 93-97% эффективности в преобразовании. Вы обычно получаете от 20% до 45% увеличения мощности зимой и 10%-15% летом. Фактический коэффициент усиления может широко варьировать в зависимости от погоды, температуры, уровня заряда аккумулятора, и других факторов.
Как работает MPPT технология?
Предположим, аккумулятор разряжен до 12 вольт. MPPT видит, что на солнечной батарее 17,3 вольта и 7,52 Ампера и преобразует его вниз, так что то, что батарея получает теперь 10,8 ампер на 12 вольт.
Теперь у вас реально получено почти 130 ватт. Это упрощенное объяснение — на самом контроллер заряда MPPT отслеживает точку максимальной мощности, которая будет отличаться почти во всех ситуациях. При очень низких температурах 120 ватт панель на самом деле способны выработать более 130 Вт. С другой стороны, в очень жарких условиях, мощность падает — вы теряете мощность, когда температура повышается. Именно поэтому вы получите меньший прирост мощности в летнее время.
MPPT контроллеры являются наиболее эффективным при следующих условиях:
Зима, и/или облачные или туманные дни — когда дополнительная мощность необходима больше всего. МPPT может меняться постоянно для получения максимальной мощности заряда батареи.
Холодная погода — солнечные батареи работают лучше при низких температурах, но без MPPT вы теряете большую часть этого преимущества, когда солнечные часы минимальны.
Низкий заряд батареи — чем ниже состояние заряда батареи, тем больше контроллер MPPT вкладывает в них.
Длинные провода. При зарядке аккумулятора 12 вольт и расстоянии в 30 метров до панели падение напряжения и потери мощности могут быть значительными, если вы используете очень большой провод. Это может быть очень дорого. Но если у вас есть четыре 12 вольт панелей, соединенны последовательно на 48 вольт, потери мощности значительно меньше, и контроллер будет конвертировать высокое напряжение до 12 вольт на батарею. Это также означает, что если у вас высокое напряжение на панелях достигнуто последовательным подключением, Вы можете использовать гораздо меньше проводов.
Итак, теперь вернемся к исходному вопросу — Что такое MPPT?
В основе цифрового контроллера MPPT лежит DC/DC преобразователь. Он принимает входное напряжение постоянного тока от солнечных панелей, изменят его на высокочастотное переменное, и преобразовывает его обратно в другое постоянное напряжение и ток в точности совпадающими с панелями батарей. MPPT контроллеры работают на очень высоких частотах, как правило, в 20-80 кГц. Преимущество высокочастотных цепей в том, что они могут быть разработаны с очень высокой эффективностью трансформации (преобразования) на мелких деталях.
Есть несколько не цифровых (то есть линейных аналоговых) контроллеров заряда MPPT . Это гораздо проще и дешевле, чем цифровые. Они эффективнее (максимум на 10%), но их эффективность кратковременно может падать. К примеру, если пройдет облако над панелью.
Вывод: Использование МРРТ контроллеров даёт возможность более полно использовать потенциал солнечных батарей и как следствие снимать на 15-45 % больше электроэнергии по сравнению с другими контроллерами.
Настоящий МРРТ контроллер стоит довольно дорого и начинается от 3500 грн и более, в зависимости от пропускаемого тока и технических характеристик.
Бюджетные, относительно недорогие МРРТ контроллеры ничего общего с МРРТ не имеют. В лучшем случае — продвинутые PWM контроллеры.
Источник