Какво представлява MPPT контролер за слънчево зареждане

MPPT е един от начините за използване на ресурсите на енергиен източник, независимо дали е слънчева батерия или вятър генератор, но в тази статия ще говорим конкретно за слънчевата енергия. Основната му характеристика е да се повиши ефективността на алтернативен източник чрез „издърпване“ на максималното количество енергия, като се избере конкретно напрежение и ток.

Изборът на тези параметри се свежда до анализа на характеристиките на тока на напрежението на източника и определяне при какво напрежение и токова консумация ще се консумира максималната мощност. Ето как обозначава съкращението MPPT - Проследяване на максимална мощност (проследяване на точката на максимална мощност).

Общи принципи на MPPT контролерите

На пръв поглед на въпроса може да си помислите: „Е, използвайте максимално възможното напрежение, така че ще има максимален ток на натоварване (заряд на батерията).“ Това е логично, но в действителност не е така. Това се дължи преди всичко на токовото напрежение, характерно за слънчевата клетка.

В работния (полезен) режим слънчевата клетка (хоризонтална част от I - V характеристиката) е източник на ток, тоест изходният й ток зависи само леко от напрежението на неговите клеми. Изходното напрежение (Uoutc) също зависи от съпротивлението на свързания товар. Това можем да видим на CVC.

От дясната страна, където напрежението е максимално, виждате напрежение в отворена верига Uxx, което е ограничено от броя на елементите в батерията и тяхното вътрешно устройство. Токът в този случай клони към 0. И обратно, от лявата страна, където напрежението клони към 0 - напрежение на късо съединение Uкз, а токът е ограничен от силата на елементите.

Ако вземем текущата сила на слънчевата батерия в полезната област за непроменена стойност, тогава напрежението ще се определя от съпротивлението на натоварването, ако е безкрайно, тогава ще наблюдаваме режима на празен ход (при Rн = ∞ ⇒ Uoutc = Uр.хх), съответно с късо съединение, съпротивлението на натоварването ще има тенденция към нула, като изходното напрежение (при Rн = ∞ ⇒ Uoutc = Ucz). Максималната мощност ще дойде при определено съотношение на съпротивлението на товара, напрежението и тока.

Какво означава всичко това? Преминаваме от батерии към контролери!

Контролерът е междинна връзка между слънчевата батерия и батерията, той регулира тока на заряд например чрез PWM или друг, който дизайнерът е избрал. Но самото прилагане на напрежение директно от батерията не означава осигуряване на максимален пренос на мощност от панелите към батерията.

За ефективно зареждане контролерът следи тока, получен от акумулатора и неговото изходно напрежение, както и тока, подаван от акумулатора, и напрежението върху него. За да се уверим в това, избираме 2 произволни точки на I - V характеристиката (даваме я тук отново) и сравняваме мощността в тях с максималната мощностна точка (TMM), посочена на фигурата, при която токът изглежда не е максимален ...

Да речем, че имаме батерия с номинално напрежение 12V, което означава, че в заредено състояние получаваме около 14,2-14,5 V в клемите, и около 11 V в разрядно състояние, дори ако в единия случай имаме 13V, а в другия - 12V. Ние ще изберем такива напрежения с I - V характеристика за приблизителен анализ на мощността с директна връзка "слънчев панел - батерия".

Според CVC и в двата случая батерията ще даде ток около 3.6A, получаваме следната мощност, предадена по време на зареждането:

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

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

И в точката на максимална мощност, обозначена на I - V характеристиката:

3) 18.5 * 3.25 = 60.125W

Резултатът е очевиден - мощността в TMM е приблизително с 25-35% повече, в зависимост от заряда на батерията. Но как да накарате батерията да издава ток при напрежение 18.5V, вместо този, който присъства на клемите на батерията?

Всичко е просто и сложно едновременно - търсете максималната мощност

Както бе отбелязано по-рано, контролерът е инсталиран между слънчевите панели (батерията) и батериите, оказва се, че той служи като товар на панелите, а батерията като товар на контролера, той също е вторичен източник на енергия. Всеки източник на енергия и всяко устройство в електротехниката могат да бъдат представени под формата на съпротивление. Това се нарича "еквивалентно" или "намалено" съпротивление (в зависимост от конкретния случай), което се определя от същия закон на Ом, тоест можем да кажем, че входното съпротивление на контролера е:

Rcont = Uinput / Iin. Потро.

Напрежението на точката на максимална мощност на слънчевите панели зависи от редица фактори:

• осветление;

• температура (зависимостта на CVC и позицията на TMM от температурата е показана на фигурата по-долу);

• Възраст на елементи и т.н.

Следователно няма да работи, за да го зададе фиксиран и универсален, плюс той се променя в съответствие с устойчивостта на натоварване и консумацията на ток (идеализираната I - V характеристика е дадена по-горе, на практика все още ще има някакъв наклон в работната зона).

Има много методи за намиране на тази „магическа“. В едно изпълнение MPPT контролерът сканира характеристиките на токовото напрежение на слънчевите клетки, за да определи оптималните параметри за текущите работни условия, например чрез промяна на входния ток, съответно неговото входно съпротивление се променя. Използвайки датчици за ток и напрежение, управляващата система изчислява стойността на мощността и я сравнява с предходната, докато достигне максималната си стойност. Това се нарича „методът на безпокойство и наблюдение“.

В зависимост от конкретния метод за определяне на TMM и вътрешното устройство на контролера, вкл. неговия фърмуер, търсенето на TMM става с определена честота. На практика обаче повечето методи са сходни и се основават на принципа „отклонете се и наблюдавайте“. В някои модели е възможно този период да се конфигурира в интервала от 1 път на няколко минути до 1 път за няколко часа. В зависимост от честотата на търсенето се определя цялостната производителност на системата.

Тъй като в резултат на промяна на входните параметри получаваме максималната възможна мощност от конкретни елементи, следващата задача е да я предадем на товара, тоест да използваме батерията за зареждане. В крайна сметка всичко се свежда до управление на електронен преобразувател на мощност, да речем, че имаме ТММ ток от 5А при напрежение от 17,5 V, това:

17,5 * 5 = 87,5 W

Така че е възможно да се даде батерия с напрежение 12 V на такъв ток:

87,5 / 12 = 7,3А

В повечето случаи преобразуването се осъществява с помощта на долар (долар) или преобразувател за увеличаване на долара (buck-boost). Типични структури на преобразуватели, които разгледахме в статията по-рано.

Като има предвид, че когато използвате ON / OFF или PWM контролери входният и изходният ток биха били равни. Това води до по-малко ефективно изхвърляне на наличната мощност, например, тъй като входният ток беше 5А, при този изходен ток мощността, изразходвана за зареждане на батериите, би била равна на:

12 * 5 = 60 вата.

Това още веднъж илюстрира изчисленията, представени в обсъждането на характеристиките на тока - напрежение.

Не бива обаче да считате MPPT технологията за панацея за слънчевата енергия. Разликата в ефективността на зареждане на батерията при използване на MPPT и PWM контролер е колкото по-малка, толкова повече е заредена батерията. Когато напрежението в неговите клеми (Uakb) се повиши и разликата между Umm намалява, тогава се използва голяма мощност на слънчевия панел.

Подобно на горния пример, да предположим, че напрежението на батерията не е 12, а 13,5 V, при условие че слънчевият панел работи със същите параметри, ще изглежда така:

13.5 * 5 = 67.5W

Ако при 12V се използва 68% от максималната мощност, то при 13,5 V вече се използва 77%. Също така имайте предвид, че батериите ви няма да се зареждат постоянно и няма да получават постоянно ток с една и съща мощност.Следователно в MPRT контролерите обикновено се реализират няколко етапа на зареждане, например: MPPT (с максимална мощност) - изравняващо - бързо (принудително) - поддържащо. Наред с други неща, заслужава да се помни, че токът на слънчевата батерия не трябва да надвишава номиналния ток на контролера, в противен случай максималното използване на мощността не се реализира.

Но всичко това не ни казва, че MPPT контролерите не е необходимо да се използват, а само че те не трябва да се надценяват.

Фактът остава, че в долния ценови сегмент устройствата с MPPT технология са по-скъпи от PWM, но не винаги ... Например, има MPPT контролер "EPSolar MPPT TRACER-2210A", чиято цена е в рамките на $ 180, и PWM контролер с аналогична цена ($ 180-200) с изходен ток 20A STECA PR2020.

В същото време има друго PWM устройство със същия изходен ток - "SRNE SR-HP2420" струва малко над $ 20, докато MPPT от същия производител "SRNE SR-ML2420" със същия изходен ток струва 85 долара.

Цените за някои модели контролери ще разгледаме по-долу.

Преглед на съвременния пазар за MPPT контролери

Вижте таблицата в отделен файл

Таблицата не предоставя пълен списък с функции и защити, тъй като заема голямо количество. За информация, типичният набор от функции изглежда така:

• от грешна полярност на връзката на съвместното предприятие и батерията;

• от късо съединение на входа на слънчевия панел;

• от късо съединение в товара;

• от прегряване;

• изключване на слънчевия панел след достигане на края на зареждането на батерията;

• освобождаване на натоварването, когато напрежението на батерията е твърде ниско;

• от прекъсване на веригата на акумулатора;

• предотвратяване на разреждането на батерията през слънчевия панел през нощта;

• контрол на потреблението на ток по натоварване.

Таблицата отразява факта, че цената на MPPT контролера зависи не само от неговия максимален ток (мощност), но и от обхвата на изходните напрежения, списъка на поддържаните батерии, възможността за свързване на инструменти за дисплей, дисплей и мониторинг и редица други фактори. Изборът на контролер е сложен и много индивидуален, така че е безсмислено да правите сравнения и оценки.