MPPT контроллеры заряда солнечных батарей: принцип работы, подбор и выбор

Что такое контроллер заряда солнечных батарей с отслеживанием точки максимальной мощности (MPPT)?

Что такое отслеживание точки максимальной мощности (MPPT) или MPPT зарядное устройство?

MPPT или Maximum Power Point Tracking (отслеживание точки максимальной мощности) контроллеры намного более сложны, чем PWM контроллеры, и позволяют солнечной панели работать в своей точке максимальной мощности или, точнее, на оптимальном напряжении для максимальной выходной мощности. Благодаря этой умной технологии MPPT контроллеры заряда солнечных батарей могут быть до 30% более эффективными в зависимости от напряжения подключенной солнечной панели.

Как общий ориентир, MPPT контроллеры заряда можно использовать во всех высокомощных системах с двумя или более солнечными панелями или если напряжение панели (V_mp) на 8В или выше напряжения батареи — см. полное определение ниже.

MPPT по сути является эффективным DC-DC преобразователем для максимизации выходной мощности солнечной панели. Первый MPPT был изобретен в 1985 году небольшой австралийской фирмой AERL и теперь используется почти во всех сетевых солнечных инверторах и многих контроллерах заряда солнечных батарей.

• Связанная статья: PWM контроллер заряда солнечных батарей — принцип работы, подбор и выбор

Принцип работы MPPT контроллера заряда солнечных батарей элементарен из-за меняющейся степени солнечного излучения (инсоляции) на солнечной панели в течение дня. Напряжение и ток панели меняются непрерывно. Чтобы получить максимум электроэнергии, трекер точки максимальной мощности сканирует напряжение панели, чтобы найти «сладкое место» или оптимальную комбинацию напряжения и тока для выдачи максимальной мощности. MPPT запрограммирован на постоянный мониторинг и изменение напряжения для производства максимума электроэнергии при любых погодных условиях.

Обратите внимание: обычно только высококлассные MPPT контроллеры обнаруживают частичное затенение или отслеживают несколько точек мощности. Используя эту технологию, производительность солнечной панели улучшается, а количество произведенной энергии может быть до 30% выше, чем у PWM контроллера заряда солнечных батарей.

Принцип работы MPPT контроллера заряда солнечных батарей

Выход фотоэлектрической батареи нелинеен. Он определяется количеством солнечного света, температурой атмосферы и состоянием нагрузки.

При постоянной инсоляции и температуре окружающей среды фотоэлектрическая батарея может работать на различных выходных напряжениях. Однако она может достичь качества производительности фотоэлектрической батареи на пределе всего одного выходного напряжения. В этой точке рабочая точка фотоэлектрической батареи превышает наивысший порог кривой выходного напряжения мощности, что считается «Точкой максимальной мощности».

Следовательно, необходимо менять рабочую точку фотоэлектрической батареи, чтобы держать ее близко к точке полной мощности для увеличения общей производительности. Эта концепция известна как «отслеживание точки максимальной мощности».

Ниже приведена типичная блок-схема MPPT контроллера заряда солнечных батарей.

Производительность и преимущества MPPT контроллера заряда солнечных батарей

Теперь сравним MPPT контроллер заряда солнечных батарей с обычным контроллером заряда.

Обычный контроллер заряда похож на ручную коробку передач автомобиля. Если мы не поднимаем передачу соответствующим образом при росте оборотов двигателя, скорость автомобиля определенно будет затронута.

До распределения необходимо установить параметры заряда обычного контроллера заряда. Однако MPPT контроллер заряда может мониторить точку максимальной мощности солнечной панели в реальном времени для достижения максимальной производительности. При отслеживании точки максимальной мощности, чем выше напряжение, тем выше пиковая мощность и тем выше зарядная эффективность.

• Связанные статьи: Введение в алгоритмы максимальной точки мощности в ПВ системах

Производительность солнечной энергетической системы, интегрированной с MPPT контроллером заряда, на 50% выше, чем у обычного контроллера заряда. Однако по реалистичной оценке это число 20-30% в зависимости от окружающей среды и потерь электроэнергии.

В заключение, из-за затрат на строительство, площадь солнечной панели, установленной на фургоне-доме (RV), будет уменьшена. Также будет значительный недостаток производительности из-за плоской установки RV солнечной панели.

Также необходимо использовать подходящий контроллер заряда для достижения максимальной производительности RV солнечной системы.

Подбор MPPT контроллера заряда солнечных батарей

Поймем это на базовом примере. См. следующий пример для деталей.

Предположим, у вас 4 × 100 Ватт солнечных панелей на крыше, все соединены последовательно. У каждой панели напряжение холостого хода 22,5В. Какой рейтинг MPPT контроллера подходит?

Ответ:

Последовательное напряжение = 22,5 × 4 = 90 В

Напряжение, указанное на MPPT контроллере, должно быть 90В или контроллер должен принимать 90В.

Поскольку MPPT контроллеры ограничивают свою производительность, можно сделать батарею такой большой, как хотите, и контроллер ограничит выход. Однако это означает, что система не так эффективна, как должна быть. MPPT контроллеры имеют указание ампеража, например, 40-амперный MPPT контроллер. Если панели могут генерировать 80А тока, MPPT контроллер заряда может выдавать только 40А тока, что бы ни было.

MPPT контроллеры имеют указание ампеража, например, 40-амперный MPPT контроллер. В отличие от PWM, входной номинал напряжения MPPT контроллеров намного выше банков батарей, которые они заряжают. Это связано с уникальной особенностью MPPT контроллера понижать напряжение до напряжения банка батареи, а затем повышать ток для компенсации недостающей мощности. Не обязательно использовать высокое входное напряжение для предотвращения последовательных соединений в малых системах, но это очень полезно в больших системах.

Предположим, на контроллере указано, что он может принимать банки батарей 12В или 24В. Ищите значение Rov. Например, если Rov-40, ток номинален 40 ампер.

Третьим, смотрим на максимальное входное солнечное напряжение. Например, если MPPT контроллер принимает 100 вольт входного напряжения, он может принять до 100 вольт и понизить до ваших 12В или 24В батарей. Допустим, у вас 4 × 100 Ватт панелей последовательно, каждая с напряжением холостого хода 22,5В. 4 в последовательности = 4 × 22,5 В = 90 Вольт, что контроллер примет.

Пример

Поймем это на примере. Предположим, в помещении следующие DC нагрузки номиналом 24В: четыре лампы 25Вт и два вентилятора 25Вт.

Все вышеуказанные нагрузки запитываются двумя параллельно подключенными ПВ-модулями, каждое ПВ-модуль имеет ток максимальной мощности IMP = 5А и ток короткого замыкания ISC = 8А. Теперь нужно найти номинальное системное напряжение, номинальный ток ПВ-массива и номинальный ток нагрузки солнечного контроллера заряда?

Общая DC нагрузка = (Кол. ламп × Мощность каждой лампы) + (Кол. вентиляторов × Мощность каждого вентилятора)

Общая DC нагрузка = (4 × 25) + (2 × 25) = 100 + 50 = 150 Вт

Номинальное системное напряжение контроллера заряда такое же, как номинальное напряжение нагрузки и панели.

Номинальный ток ПВ-массива = 2 × 8 (ток короткого замыкания каждого ПВ-модуля 7А и они соединены параллельно)

Номинальный ток ПВ-массива = 16 А

С учетом коэффициента запаса 1,25 номинальный ток ПВ-массива = 1,25 × 16 = 20 А

Номинальный ток нагрузки = Общая DC нагрузка / Номинальное системное напряжение = 150 / 24

Номинальный ток нагрузки = 6,25 А

Таким образом, вам нужен 6,25А MPPT контроллер заряда солнечных батарей для ПВ системы. Больше решенных примеров подбора PWM и MPPT контроллеров заряда см. в предыдущей статье.

Каковы разные типы контроллеров заряда солнечных батарей?

Три типа контроллеров заряда солнечных батарей:

1) Простые 1- или 2-фазные контролы: имеют коммутирующие транзисторы для регулирования напряжения в одну или две ступени.

2) PWM (широтно-импульсно модулированный): это традиционная форма контроллера заряда, например, Xantrex, Blue Sky и др. Они являются отраслевым стандартом на данный момент.

3) MPPT (Maximum Power Point Tracking — отслеживание точки максимальной мощности): MPPT определяет оптимальное рабочее напряжение и ампераж солнечной панели и согласует их с батарейным банком.

Как выбрать лучший контроллер заряда для работы

MPPT против PWM контроллеров заряда

MPPT

MPPT (отслеживание точки максимальной мощности) — современная и более эффективная технология. По мере роста мощности и напряжения солнечных панелей, все больше панелей нуждаются в MPPT контроллерах заряда.

С MPPT контроллерами входящая солнечная мощность поступает на сравнительно более высоком напряжении, и контроллер понижает напряжение для правильного заряда батареи. Входящий ток увеличивается пропорционально с незначительными потерями, что приводит к высокоэффективному солнечному зарядному устройству.

PWM

PWM (широтно-импульсная модуляция) контроллеры заряда зависят от более старого, менее надежного оборудования и позволяют согласовать напряжение солнечной панели с напряжением батареи. Например, если вы прогоняете номинальную 12-вольтовую солнечную панель через PWM контроллер заряда, вам нужен 12-вольтовый банк батарей.

PWM контроллеры не почти так надежны и могут терять около 20% входящей мощности из-за нехватки эффективности. Например, 100-ваттная/12-вольтовая панель выдает около 5,5 А при 18 вольтах в пиковых условиях. Использование PWM контроллера снизит мощность до около 14,5 вольт при 5,5 А или 80 ватт (14,5В × 5,5А = 80 ватт).

Есть ограничения по выбору оборудования, включая использование номинальных 12 или 24-вольтовых солнечных панелей. Обычно PWM контроллеры меньше по размеру и имеют жесткие ограничения по доступному оборудованию, потому что им нужно то же напряжение, что и у банка батарей.

Именно поэтому большинство наших жилых клиентов придерживаются MPPT контроллеров для крупных систем. PWM контроллеры заряда также популярны для небольших применений: фургоны-дома (RV), небольшие автономные кабинки, удаленные промышленные объекты, требующие ограниченного количества электроэнергии.

Совместимость оборудования

Мы можем подбирать контроллеры заряда к солнечным установкам с идентичными электрическими характеристиками. Для выбора лучшего контроллера смотрите следующие атрибуты:

• Входное напряжение: максимальное напряжение, которое может выдержать контроллер. Обычно от 100 до 600 В постоянного тока для MPPT контроллеров заряда.
• Напряжение батареи: напряжение контроллера заряда должно соответствовать напряжению банка батарей. Большинство малых контроллеров 12В или 24В, где большие контроллеры обычно настроены на 12/24/36/48 вольт.
• Ток: полный зарядный ток, например, 100 А для FM100 AFCI
• Тип батареи: убедитесь, что контроллер заряда рассчитан на размещение типа батареи, который вы используете (большинство контроллеров заряда спроектированы для свинцово-кислотных батарей, поэтому этот пункт важен для Li-ion).

Связанные статьи:

• Как подключить батареи последовательно-параллельно к солнечной панели?
• Как подключить батареи параллельно к солнечной панели и ИБП?

Соответствие кодам и безопасность

Проверьте, что контроллер аккредитован для соответствия муниципальным строительным стандартам и законодательству по безопасности. Ищите следующую информацию:

• UL listed по UL 1741
• Защита от утечки тока (GFCI)
• UL 458 (для подвижных применений)
• Защита от дуговой неисправности (AFCI)

Онлайн-мониторинг

Большинство контроллеров могут подключаться к сервису отслеживания, чтобы вы могли удаленно проверять производительность вашего устройства. Исследуйте совместимые порталы мониторинга, чтобы убедиться, что они предоставляют всю функциональность, необходимую для отслеживания успеха вашего устройства. В некоторых случаях удаленный мониторинг и управление потребуют дополнительного оборудования.

Коммуникация

Многие контроллеры заряда могут работать в сети с инверторами, батарейными дисплеями, автозапусками генераторов, li-ion батареями и т.д. Проверьте сетевые возможности контроллера, чтобы убедиться, что он хорошо работает с другими аспектами устройства.

Вспомогательное управление

Вспомогательное управление позволяет контроллеру автоматически отключать другие компоненты устройства в зависимости от критериев, определенных конечным пользователем. Полезно для мониторинга проводных устройств: автозапуска, отвода нагрузки и т.д. Обычно требует добавления адекватно рассчитанных реле для питания ваших систем.

Эффективность и само потребление

Сам контроллер заряда потребляет электроэнергию, что означает, что его обработка сигналов не на 100% надежна. Ищите контроллеры заряда с низким само потреблением и высокой производительностью. Большинство MPPT контроллеров заряда имеют эффективность 98% или лучше, в то время как PWM контроллеры и дешевые MPPT решения отстают.

Применение MPPT контроллеров заряда солнечных батарей

Следующая базовая система установки солнечных панелей показывает важную роль контроллера заряда и инвертора. Инвертор (преобразующий DC мощность от батарей и солнечных панелей в AC мощность) используется для подключения AC приборов через контроллер заряда. С другой стороны, DC приборы могут быть подключены напрямую к контроллеру заряда солнечных батарей для подачи DC мощности к приборам через ПВ-панели и накопительные батареи.

Система солнечного уличного освещения — система, использующая ПВ-модуль для преобразования солнечного света в DC электричество. Устройство использует только DC энергию и включает контроллер заряда для хранения DC в батарейном отсеке, чтобы не быть видимым днем или ночью.

Солнечная домашняя система использует энергию, генерируемую ПВ-модулем, для питания бытовых приборов или других домашних приборов. Устройство включает контроллер заряда для хранения DC в батарейном банке и пригодно для использования в любой среде, где нет электрической сети.

Гибридная система состоит из различных источников энергии для обеспечения круглосуточной аварийной мощности или других целей. Обычно интегрирует солнечную батарею с другими средствами генерации: дизель-генераторами и возобновляемыми источниками энергии (ветрогенератор, гидрогенератор и т.д.). Включает контроллер заряда для хранения DC в батарейном банке.

Солнечная насосная система — система, использующая солнечную энергию для качки воды из естественных и поверхностных водоемов для дома, деревни, водоочистки, сельского хозяйства, орошения, скотоводства и других применений.

MPPT контроллер заряда солнечных батарей минимизирует сложность любой системы, сохраняя высокую выходную мощность системы. Кроме того, его можно использовать с более разнообразными другими источниками энергии.