ตัวควบคุม MPPT สำหรับการชาร์จพลังงานแสงอาทิตย์คืออะไร

MPPT เป็นวิธีหนึ่งในการใช้ทรัพยากรของแหล่งพลังงานไม่ว่าจะเป็นแบตเตอรี่พลังงานแสงอาทิตย์หรือเครื่องกำเนิดลม แต่ในบทความนี้เราจะพูดถึงเฉพาะเกี่ยวกับพลังงานแสงอาทิตย์ คุณสมบัติหลักของมันคือการเพิ่มประสิทธิภาพของแหล่งพลังงานทางเลือกด้วยการ "ดึง" ปริมาณพลังงานสูงสุดโดยการเลือกแรงดันและกระแสไฟฟ้าที่เฉพาะเจาะจง

ทางเลือกของพารามิเตอร์เหล่านี้จะลดลงเป็นการวิเคราะห์ลักษณะของแรงดันกระแสของแหล่งจ่ายและพิจารณาว่าแรงดันและการสิ้นเปลืองกระแสไฟฟ้าจะใช้พลังงานสูงสุดเท่าใด นั่นคือวิธีที่ตัวย่อหมายถึง MPPT - การติดตามจุดไฟสูงสุด (ติดตามจุดพลังงานสูงสุด)

หลักการทั่วไปของตัวควบคุม MPPT

เมื่อมองคำถามแรกคุณอาจคิดว่า:“ ใช้แรงดันไฟฟ้าสูงสุดเท่าที่จะเป็นไปได้ดังนั้นจะมีกระแสโหลดสูงสุด (ประจุแบตเตอรี่)” นี่เป็นเหตุผล แต่ในความเป็นจริงมันไม่ใช่ นี่เป็นหลักเนื่องจากลักษณะแรงดันไฟฟ้าปัจจุบันของเซลล์แสงอาทิตย์

ในโหมดปฏิบัติการ (มีประโยชน์) เซลล์สุริยะ (ส่วนแนวนอนของคุณสมบัติ I - V) เป็นแหล่งกระแสกล่าวคือกระแสไฟฟ้าขาออกนั้นขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วเท่านั้น แรงดันไฟขาออก (Uoutc) ขึ้นอยู่กับความต้านทานของโหลดที่เชื่อมต่อ สิ่งนี้เราสามารถเห็นได้บน CVC

ในส่วนด้านขวาที่แรงดันไฟฟ้าสูงสุดคุณจะเห็นแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดUххซึ่งถูก จำกัด โดยจำนวนขององค์ประกอบในแบตเตอรี่และอุปกรณ์ภายใน กระแสในกรณีนี้มีค่าเป็น 0 และในทางกลับกันทางด้านซ้ายซึ่งแรงดันมีแนวโน้มที่ 0 - แรงดันไฟฟ้าลัดวงจรUкзและกระแสจะถูก จำกัด ด้วยพลังขององค์ประกอบ

ถ้าเราใช้ความแรงของแบตเตอรี่พลังงานแสงอาทิตย์ในพื้นที่ที่มีประโยชน์สำหรับค่าคงที่แรงดันไฟฟ้าจะถูกกำหนดโดยความต้านทานโหลดหากเป็นอนันต์เราจะสังเกตโหมดไม่ใช้งาน (ที่Rн = ∞⇒ Uoutc = Uр.хх) ตามลำดับด้วยกระแสไฟฟ้าลัดวงจร จะมีแนวโน้มที่จะเป็นศูนย์เช่นแรงดันขาออก (ที่Rн = ⇒ out Uoutc = Ucz) กำลังสูงสุดจะมาในอัตราส่วนที่แน่นอนของความต้านทานโหลดแรงดันและกระแส

ทั้งหมดนี้หมายความว่าอย่างไร เราส่งผ่านจากแบตเตอรี่ไปยังตัวควบคุม!

ตัวควบคุมเป็นลิงค์กลางระหว่างแบตเตอรี่พลังงานแสงอาทิตย์และแบตเตอรี่มันควบคุมการประจุกระแสผ่าน PWM เช่นหรืออื่น ๆ ที่นักออกแบบเลือก แต่เพียงแค่ใช้แรงดันไฟฟ้าโดยตรงจากแบตเตอรี่ไม่ได้หมายความว่าการถ่ายโอนพลังงานสูงสุดจากแผงไปยังแบตเตอรี่

สำหรับการชาร์จที่มีประสิทธิภาพคอนโทรลเลอร์จะตรวจสอบกระแสที่ได้รับจากแบตเตอรี่และแรงดันไฟขาออกรวมถึงกระแสที่จ่ายโดยแบตเตอรี่และแรงดันไฟฟ้าที่อยู่ในนั้น เพื่อให้แน่ใจในเรื่องนี้เราเลือก 2 จุดโดยพลการบนคุณสมบัติ I - V (เราให้ที่นี่อีกครั้ง) และเปรียบเทียบพลังงานในจุดนั้นกับจุดกำลังสูงสุด (TMM) ที่ระบุในรูปที่กระแสดูเหมือนจะไม่สูงสุด ...

สมมติว่าเรามีแบตเตอรี่ที่มีแรงดันไฟฟ้า 12V ซึ่งหมายความว่าในสถานะที่ชาร์จเราจะได้รับประมาณ 14.2-14.5 V ที่ขั้วและประมาณ 11V ในสถานะที่ปล่อยออกมาแม้ว่าในกรณีหนึ่งเราจะมี 13V และในอีก - 12V เราจะเลือกแรงดันไฟฟ้าดังกล่าวด้วยคุณสมบัติ I - V สำหรับการวิเคราะห์พลังงานโดยประมาณด้วยการเชื่อมต่อโดยตรง "แผงโซลาร์เซลล์ - แบตเตอรี่"

ตาม CVC ทั้งสองกรณีแบตเตอรี่จะให้กระแสประมาณ 3.6A เราได้รับพลังงานต่อไปนี้ในระหว่างการชาร์จ:

1) 13 * 3.6 = 46.8 W

2) 12 * 3.6 = 43.2 W

และเมื่อถึงระดับพลังงานสูงสุดที่ทำเครื่องหมายในลักษณะ I - V:

3) 18.5 * 3.25 = 60.125W

ผลลัพธ์จะชัดเจน - พลังงานใน TMM จะมากขึ้นประมาณ 25-35% ขึ้นอยู่กับการชาร์จแบตเตอรี่ แต่ทำอย่างไรถึงจะให้แบตเตอรี่มีกระแสไฟฟ้าที่แรงดัน 18.5V แทนที่จะเป็นแบตเตอรี่ที่อยู่บนขั้วของแบตเตอรี่?

ทุกอย่างเรียบง่ายและซับซ้อนในเวลาเดียวกัน - ค้นหาจุดพลังงานสูงสุด

ตามที่ระบุไว้ก่อนหน้านี้ตัวควบคุมถูกติดตั้งระหว่างแผงเซลล์แสงอาทิตย์ (แบตเตอรี่) และแบตเตอรี่ปรากฎว่ามันทำหน้าที่เป็นภาระของแผงและแบตเตอรี่เป็นโหลดของตัวควบคุมมันยังเป็นแหล่งพลังงานรอง แหล่งพลังงานใด ๆ และอุปกรณ์ใด ๆ ในวิศวกรรมไฟฟ้าสามารถแสดงในรูปแบบของความต้านทาน สิ่งนี้เรียกว่าความต้านทาน "เทียบเท่า" หรือ "ลดลง" (ขึ้นอยู่กับกรณีที่เฉพาะเจาะจง) ซึ่งกำหนดโดยกฎของโอห์มเดียวกันนั่นคือเราสามารถพูดได้ว่าความต้านทานอินพุตของคอนโทรลเลอร์คือ:

Rcont = Uinput / Iin Potro

แรงดันไฟฟ้าของจุดพลังงานสูงสุดของแผงเซลล์แสงอาทิตย์ขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ:

• แสง;

• อุณหภูมิ (การพึ่งพา CVC และตำแหน่งของ TMM ที่อุณหภูมิแสดงในรูปด้านล่าง);

• อายุขององค์ประกอบ ฯลฯ

ดังนั้นมันจะไม่ทำงานเพื่อตั้งค่าให้คงที่และเป็นสากลรวมถึงการเปลี่ยนแปลงตามความต้านทานโหลดและการบริโภคในปัจจุบัน (CVC ในอุดมคติที่ให้ไว้ข้างต้นในทางปฏิบัติจะยังคงมีความลาดชันบางอย่างในพื้นที่ทำงาน)

มีวิธีการมากมายสำหรับการค้นหา "เวทมนต์" นี้ในศูนย์รวมหนึ่งคอนโทรลเลอร์ MPPT จะสแกนลักษณะแรงดันไฟฟ้าปัจจุบันของเซลล์แสงอาทิตย์โดยพิจารณาพารามิเตอร์ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับสภาวะการทำงานปัจจุบันตัวอย่างเช่นโดยการเปลี่ยนกระแสอินพุตความต้านทานอินพุตจะเปลี่ยนแปลงตามไปด้วย การใช้เซ็นเซอร์กระแสและแรงดันระบบควบคุมจะคำนวณค่าพลังงานและเปรียบเทียบกับค่าก่อนหน้าจนกว่าจะถึงค่าสูงสุด สิ่งนี้เรียกว่า "การก่อกวนและวิธีการสังเกต"

ขึ้นอยู่กับวิธีเฉพาะในการพิจารณา TMM และอุปกรณ์ภายในของคอนโทรลเลอร์ เฟิร์มแวร์ของการค้นหา TMM เกิดขึ้นกับความถี่ที่แน่นอน อย่างไรก็ตามในทางปฏิบัติวิธีการส่วนใหญ่จะคล้ายกันและอยู่บนพื้นฐานของหลักการ "เบี่ยงเบนและสังเกต" ในบางรุ่นคุณสามารถกำหนดช่วงเวลานี้ในช่วงจาก 1 ครั้งในหลายนาทีถึง 1 ครั้งในหลายชั่วโมง ขึ้นอยู่กับความถี่ของการค้นหาประสิทธิภาพโดยรวมของระบบจะถูกกำหนด

เนื่องจากเป็นผลมาจากการเปลี่ยนพารามิเตอร์อินพุตเราจึงได้รับพลังงานสูงสุดที่เป็นไปได้จากองค์ประกอบเฉพาะงานต่อไปคือให้ภาระแก่โหลดนั่นคือใช้แบตเตอรี่เพื่อชาร์จ ในที่สุดมันทั้งหมดลงมาเพื่อควบคุมตัวแปลงพลังงานอิเล็กทรอนิกส์สมมติว่าเราได้กระแส TMM ที่ 5A ที่แรงดัน 17.5V นี่คือ:

17.5 * 5 = 87.5 W

ดังนั้นจึงเป็นไปได้ที่จะให้แบตเตอรี่มีแรงดัน 12 V ที่ขั้วต่อกระแสไฟฟ้าต่อไปนี้:

87.5 / 12 = 7.3A

ในกรณีส่วนใหญ่การแปลงจะดำเนินการโดยใช้ buck (buck) หรือตัวแปลง buck-boost โครงสร้างทั่วไปของตัวแปลงที่เราพิจารณาในบทความก่อนหน้านี้

ในขณะที่เมื่อใช้เปิด / ปิดหรือ ตัวควบคุม PWM อินพุตและเอาต์พุตปัจจุบันจะเท่ากัน ซึ่งนำไปสู่การกำจัดพลังงานที่มีอยู่อย่างมีประสิทธิภาพน้อยลงเช่นเนื่องจากกระแสอินพุตเป็น 5A ด้วยกระแสไฟขาออกนี้พลังงานที่ใช้ในการชาร์จแบตเตอรี่จะเท่ากับ:

12 * 5 = 60 วัตต์

นี้แสดงให้เห็นถึงการคำนวณอีกครั้งที่นำเสนอในการอภิปรายของลักษณะกระแส - แรงดัน

อย่างไรก็ตามคุณไม่ควรพิจารณายาครอบจักรวาลสำหรับเทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์ ความแตกต่างของประสิทธิภาพการชาร์จแบตเตอรี่โดยใช้ MPPT และตัวควบคุม PWM มีขนาดเล็กลงยิ่งชาร์จแบตเตอรี่มากขึ้นเท่านั้น เมื่อแรงดันไฟฟ้าที่ขั้ว (Uakb) เพิ่มขึ้นและความแตกต่างระหว่าง Umm ลดลงจากนั้นจะใช้พลังงานขนาดใหญ่ของแผงเซลล์แสงอาทิตย์

เช่นเดียวกับตัวอย่างข้างต้นสมมติว่าแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ไม่ใช่ 12 แต่ 13.5V หากแผงเซลล์แสงอาทิตย์ทำงานร่วมกับพารามิเตอร์เดียวกันมันจะมีลักษณะดังนี้:

13.5 * 5 = 67.5W

หากที่ 12V 68% ของการใช้พลังงานสูงสุดแล้วที่ 13.5V 77% จะถูกใช้ไปแล้ว โปรดทราบด้วยว่าแบตเตอรี่ของคุณจะไม่ถูกชาร์จอย่างต่อเนื่องและจะไม่ได้รับกระแสไฟฟ้าที่เหมือนกันตลอดเวลาดังนั้นในตัวควบคุม MPRT มักจะมีการชาร์จหลายขั้นตอนเช่น MPPT (ที่มีกำลังสูงสุด) - การทำให้เท่าเทียมกัน - เร็ว (บังคับ) - สนับสนุน เหนือสิ่งอื่นใดก็ควรค่าแก่การจดจำว่ากระแสของแบตเตอรี่พลังงานแสงอาทิตย์จะต้องไม่เกินตัวควบคุมพิกัดปัจจุบันมิฉะนั้นการใช้พลังงานสูงสุดจะไม่เกิดขึ้น

แต่ทั้งหมดนี้ไม่ได้บอกเราว่าตัวควบคุม MPPT ไม่จำเป็นต้องใช้ แต่เพียงว่าพวกเขาไม่ควรประเมินค่ามากเกินไป

ความจริงยังคงอยู่ในอุปกรณ์กลุ่มราคาต่ำที่มีเทคโนโลยี MPPT มีราคาแพงกว่า PWM แต่ไม่เสมอไป ... ตัวอย่างเช่นมีคอนโทรลเลอร์ MPPT "EPSolar MPPT TRACER-2210A"ค่าใช้จ่ายอยู่ในช่วงของ $ 180 และตัวควบคุม PWM ราคาใกล้เคียง ($ 180-200) ที่มีกระแสเอาต์พุต 20A STECA PR2020.

ในขณะเดียวกันก็มีอุปกรณ์ PWM อีกตัวที่มีกระแสเอาต์พุตเหมือนกัน - "SRNE SR-HP2420" ค่าใช้จ่ายน้อยกว่า $ 20 ในขณะที่ MPPT จากผู้ผลิตรายเดียวกัน "SRNE SR-ML2420" ด้วยเอาต์พุตปัจจุบันเดียวกันมีค่าใช้จ่าย $ 85

ราคาสำหรับคอนโทรลเลอร์บางรุ่นเราจะพิจารณาด้านล่าง

ภาพรวมของตลาดสมัยใหม่สำหรับตัวควบคุม MPPT

ดูตารางในไฟล์แยกต่างหาก

ตารางไม่ได้แสดงรายการฟังก์ชั่นและการป้องกันที่สมบูรณ์เนื่องจากมีจำนวนมาก สำหรับข้อมูลชุดฟังก์ชั่นทั่วไปมีลักษณะดังนี้:

• จากขั้วที่ไม่ถูกต้องของการเชื่อมต่อของการร่วมทุนและแบตเตอรี่;

• จากไฟฟ้าลัดวงจรที่ทางเข้าของแผงเซลล์แสงอาทิตย์

• จากไฟฟ้าลัดวงจรในการโหลด;

• จากความร้อนสูงเกินไป

• ปิดแผงโซลาร์เซลล์หลังจากสิ้นสุดการชาร์จแบตเตอรี่

• โหลดไหลเมื่อแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ต่ำเกินไป;

• จากการแตกในวงจรแบตเตอรี่

• ป้องกันการคายประจุแบตเตอรี่ผ่านแผงโซลาร์เซลล์ในเวลากลางคืน

• การควบคุมการบริโภคในปัจจุบันโดยการโหลด

ตารางสะท้อนให้เห็นถึงความจริงที่ว่าค่าใช้จ่ายของคอนโทรลเลอร์ MPPT นั้นไม่เพียง แต่ขึ้นอยู่กับกระแสไฟสูงสุด (กำลังไฟ) เท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับช่วงแรงดันไฟฟ้าขาออกรายการแบตเตอรี่ที่รองรับความสามารถในการเชื่อมต่อจอแสดงผลจอแสดงผลและเครื่องมือตรวจสอบ ตัวเลือกของคอนโทรลเลอร์มีความซับซ้อนและเป็นส่วนตัวมากดังนั้นอย่างน้อยก็ไม่มีจุดหมายที่จะทำการเปรียบเทียบและให้คะแนน