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:
1) 13*3,6=46,8 Вт
2) 12*3,6=43,2 Вт
А в отмеченной на ВАХ точке максимальной мощности:
3) 18,5*3,25=60,125Вт
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:
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:
17,5*5=87,5 Вт
Значит есть возможность отдать аккумулятору с напряжением на клеммах в 12В такой ток:
87,5/12=7,3А
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:
12*5=60 Вт.
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:
13,5*5=67,5Вт
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
Смотрите таблицу в отдельном файле
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;
-
от перегрева;
-
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.
Алексей Бартош
