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

МРРТ контроллер

Пост опубликован: 22 ноября, 2017

Трудно себе представить нашу жизнь без различных электронных устройств, которые позволяют осуществлять работу агрегатов и механизмов в автоматическом режиме.

Одним из таких устройств, работающем в системах автоматики установок по преобразованию различных видов альтернативной энергии в электрическую, являются МРРТ контроллеры.

Что такое MPPT контроллер

МРРТ контроллер – это электронное устройство, работающее в составе комплектов солнечных электростанций и ветровых установок, обеспечивающее режим работы системы с максимально возможным коэффициентом полезного действия на выходе преобразовательного устройства (солнечная батарея, ветровой генератор).

Аббревиатура МРРТ, произошла от английских слов — maximum power point tracking, что обозначает — максимальной возможная мощность на выходе.

Работа МРРТ котроллера заключается в том, что устройство отслеживает силу тока и напряжение на источнике электрического тока (солнечная батарея, ветровой генератор) и определяет их соотношение, при котором значение мощности на выходе будет максимальным. Эту способность прибора можно описать как – поиск точки максимальной мощности.

Кроме этого контроллер следит за зарядом аккумуляторных батарей, которые являются накопителем электрической энергии, и определяет режим их работы (накопление энергии, насыщение, выравнивание, поддержка), что в итоге определяет силу тока, подаваемого на аккумулятор.

Сравнение контроллеров MPPT и PWM (ШИМ)

В солнечных и ветровых установках по производству электрической энергии используются два вида контроллеров, это МРРТ, о которых было написано выше и PWM (ШИМ) котроллеры.

ШИМ аппараты являются более дешевыми устройствами, принцип действия которых основан на использовании широтно-импульсной модуляции. Устройства данного типа подразделяются на шунтовые и последовательные.

Для того, чтобы выбрать наиболее подходящий для конкретной системы, нужно их сравнить, чтобы изучить достоинства и недостатки каждого типа подобных устройств.

Достоинства устройств разного типа:

• Возможность использования в различных системах, различающихся по источнику получения энергии (солнечные, ветровые, комбинированные системы)
• Высокий КПД.
• Создание оптимальных условий работы для аккумуляторных батарей позволяет продлить сроки их эксплуатации.
• Высокое напряжение на входе позволяет уменьшить сечение кабелей и проводов, используемых для соединения элементов системы или увеличить расстояние от источника энергии до контроллера.
• Использование устройств данного типа позволяют увеличить эффективность использования солнечных батарей, что обусловлено возможностью заряда аккумуляторов при низкой освещённости.

1. PWM контроллеры.

• Низкая стоимость.
• Последовательные модели: позволяют использовать одновременно различные источники энергии и создают низкий нагрев во время регулирования;
• Шунтовые модели: незначительные потери мощности в процессе работы, слабые электромагнитные помехи и низкий уровень падения напряжения в ключах.

Недостатки устройств разного типа:

1. МРРТ контроллеры.

• Высокая стоимость.
• Более сложная технология, в равнении с аналогами.

1. PWM контроллеры.

• Последовательные модели: при полном заряде источник энергии отключается, значительные потери в последовательных ключах, электромагнитные помехи.
• Шунтовые модели: значительный нагрев во время работы, невозможность использования с иными источниками энергии, кроме солнечных панелей.

МРРТ контроллер для солнечных батарей

В солнечных электростанциях контроллер обеспечивает работу комплекта оборудования в автоматическом режиме, отслеживая режим заряда аккумуляторных батарей. Режим заряда зависит от зарядки батарей и соответствует выдаваемой мощности солнечных панелей в конкретный момент времени, которая зависит от погодных условий и пространственного места расположения солнца.

Схематично, расположение контроллера в схеме солнечной электростанции выглядит следующим образом:

Режимы работы контроллера для солнечных батарей:

• Заряд аккумуляторных батарей в зависимости от состояния их заряда;
• Автоматическое отключение полностью заряженного аккумулятора от источника энергии (солнечной батареи);
• Отключение нагрузки (потребителей), в случае, когда заряд аккумулятора падает ниже критической отметки;
• Автоматическое включение нагрузки, после заряда аккумулятора;
• Автоматическое включение солнечных батарей, после того, как заряд аккумуляторной батареи станет меньше установленных значений, определяющих необходимость его зарядки.

Использование МРРТ контроллеров в системах солнечной генерации, позволяет увеличить производительность солнечных электростанций, что в свою очередь снижает сроки окупаемости приобретенного оборудования.

Основными техническими характеристиками, определяющими параметры использования конкретного прибора, являются:

• Электрическая мощность;
• Номинальное напряжение на входе устройства;
• Максимальный ток заряда аккумулятора;
• Максимальное напряжение на выходе устройства;
• Диапазон регулировки напряжения;
• Температурный режим работы;
• Габаритные размеры;
• Вес устройства.

Популярные модели

На рынке товаров, используемых для производства электрической энергии посредством использования альтернативных источников, представлено достаточно большое количество моделей контроллеров данного типа, различающихся по техническим характеристикам, стоимости и бренду производителя.

В настоящее время, среди пользователей, популярностью пользуются модели отечественных и зарубежных производителей, это:

• Модель КЭС 100/20 MPPT (Россия) – рассчитана на максимальный ток заряда до 20 А, напряжение на выходе до 100 В.
• Модель КЭС DOMINATOR MPPT 250/60 (Россия) – максимальный ток заряда до 60 А, напряжение на выходе до 250 В.
• Модель Epsolar MPPT TRACER-2215BN 20А 12/24В (Китай) – максимальный ток заряда 20А, напряжение на выходе до 150 В.
• Модель IT6415ND 60A 12V/24V/36 В (Китай) – максимальный ток заряда 60 А, напряжение на выходе до 150 В.
• Модель Victron BlueSolar 100/15 12/24В 15А (Голландия) – максимальный ток заряда 15А, напряжение на выходе 100 В.
• Модель Victron BlueSolar 150/70 12/24/48В 70А (Голландия) – максимальный ток заряда 70 А, напряжение на выходе 150 В.

Кроме выше приведенных моделей, к реализации предлагается еще большое количество устройств данного типа, поэтому есть возможность выбрать модель, отвечающую предъявляемым к ней требованиям и личным предпочтениям пользователя.

Средние цены

Для того, чтобы понять в каком ценовом диапазоне находятся МРРТ контроллеры различных производителей, можно рассмотреть стоимость моделей, приведенных выше, это:

• КЭС 100/20 MPPT – от 10000,00 рублей;
• КЭС DOMINATOR MPPT 250/60 – от 40000,00 рублей;
• Epsolar MPPT TRACER-2215BN 20А 12/24В – от 9000,00 рублей;
• IT6415ND 60A 12V/24V/36 В – от 30000,00 рублей.
• Victron BlueSolar 100/15 12/24В 15А – от 11000,00 рублей;
• Victron BlueSolar 150/70 12/24/48В 70А – от 55000,00 рублей.

Как видно из приведенных цифр, наиболее дешевые, это модели китайского производства, а наиболее дорогие – европейских производителей.

Продукция отечественных предприятий несколько дороже устройств, произведенных в Китае, но дешевле изготовленных в Европе.

Можно ли сделать своими руками

Наша страна всегда славилась тем, что у нас есть много толковых изобретателей и рационализаторов, людей творческих и пытающихся сделать своими руками и из подручных средств устройства различного типа и предназначения.

«Самоделкины» не обошли стороной и МРРТ контроллеры, которые при наличии навыков работы паяльником и начальных знаний в области электротехники, можно изготовить своими руками.

Одним из вариантов подобного устройства, изготовленного самостоятельно, может быть прибор, собранный по ниже приведенной схеме:

Собранный по данной схеме контроллер, будет иметь напряжение на выходе – 14,0 Вольт и обладать настройками режимов работы по напряжению отключения и включения аккумуляторных батарей.

Спасибо, что дочитали до конца! Не забывайте подписываться на наш канал, Если статья Вам понравилась!

Делитесь с друзьями, оставляйте ваши комментарии

Добавляйтесь в нашу группу в ВК:

и предлагайте темы для обсуждений, вместе будет интереснее.

Источник