Як працює МРРТ контролер?

МРРТ контролер, це пристрій, який підвищує ефективність сонячної батареї за рахунок функції стеження за точкою максимальної потужності (ТММ).

MPPT - це один із способів використання ресурсів джерела енергії, будь то сонячна батарея або вітрогенератор, але в цій статті ми поговоримо саме про сонячну енергію. Його основна особливість — підвищення ефективності роботи альтернативного джерела шляхом «витягування» максимальної кількості енергії за рахунок вибору певної напруги і струму.

Вибір цих параметрів зводиться до аналізу вольт-амперної характеристики джерела та визначення при якій напрузі та споживаному струмі споживатиметься максимальна потужність. Саме так і розшифровується абревіатура MPPT – Maximum Power Point Tracking (Стеження за точкою максимальної потужності).

Загальні відомості про принцип дії MPPT-контролерів

З першого погляду на питання можна подумати: «Ну так використовувати максимально можливу напругу, значить буде максимальний струм навантаження (заряду АКБ)». Це логічно, але насправді це не так. Насамперед це пов'язано з вольт-амперною характеристикою сонячного елемента.

У робочому (корисному) режимі сонячний елемент (горизонтальна ділянка ВАХ) – це джерело струму, тобто його вихідний струм слабо залежить від напруги на його затискачі. Вихідна напруга (Uвыхсб) залежить від опору підключеного навантаження. Це ми можемо бачити на ВАХ.

У правій частині, де напруга є максимальною, ви бачите напругу холостого ходу Uхх, яка обмежена кількістю елементів у батареї та їх внутрішнім пристроєм. Струм при цьому прагне 0.І навпаки, у лівій частині, де напруга прагне 0 – напруга короткого замикання Uкз, а струм обмежений потужністю елементів.

Якщо прийняти силу струму сонячної батареї на корисній ділянці за незмінну величину, то напруга визначатиметься опором навантаження, якщо вона дорівнює нескінченності, ми спостерігаємо режим холостого ходу (при Rн=∞ ⇒ Uвыхсб=Uр.хх), відповідно при короткому замиканні опір навантаження буде прагнути до нуля, як і вихідна напруга (при Rн = ∞ ⇒ Uвихідб = Uкз). Максимальна потужність настане при певному співвідношенні опору навантаження, напруги і струму.

Що це все означає? Переходимо від батарей до контролерів!

Контролер – це проміжна ланка між сонячною батареєю та акумулятором, він регулює струм заряду за допомогою ШІМ, наприклад, або будь-якого іншого, який вибрав конструктор. Але просто подати напругу безпосередньо з батареї – це не означає забезпечити максимальну передачу потужності від панелей до АКБ.

Для ефективного заряду контролер стежить за струмом, що отримується від батареї та її вихідною напругою, а також струмом, що віддається АКБ та напругою на ній. Щоб переконатися в цьому виберемо 2 довільні точки на ВАХ (наведемо її тут ще раз) і порівняємо потужність у них з позначеною на малюнку точкою максимальної потужності (ТММ), в якій начебто струм не є максимальним…

Допустимо у нас АКБ з номінальною напругою в 12В, тобто в зарядженому стані на висновках ми отримаємо близько 14,2-14,5В, а в розрядженому близько 11В, нехай в одному випадку у нас 13В, а в іншому - 12В. Таку напругу і виберемо з ВАХ, для зразкового аналізу потужності при прямому підключенні «сонячна панель — акумулятор».

Відповідно до ВАХ в обох випадках батарея віддасть струм близько 3.6А, ми отримаємо наступну потужність, що передається в процесі заряду:

А у зазначеній на ВАХ точці максимальної потужності:

Результат очевидний – потужність у ТММ більша приблизно на 25-35% залежно від зарядженості АКБ. Але як змусити батарею віддавати струм при напрузі в 18.5В, замість того, що є на клемах акумуляторної батареї?

Все просто і складно одночасно - пошук точки максимальної потужності

Як було зазначено раніше, контролер встановлюється між сонячними панелями (батареєю) і акумуляторами, виходить, що він служить навантаженням панелей, а АКБ - навантаженням контролера, він - це джерело вторинного живлення. Будь-яке джерело живлення, та й будь-який прилад в електротехніці може бути представлений у вигляді опору. Це називається «еквівалентним» або «наведеним» опором (залежно від конкретного випадку), який визначається за тим самим законом ома, тобто можна сказати, що вхідний опір контролера дорівнює:

Rконтр = Uвхідне / Iвх. потр.

Напруга точки максимальної потужності у сонячних панелей залежить від ряду факторів:

- Температури (залежність ВАХ та положення ТММ від температури наведена на малюнку нижче);

- віку елементів та ін.

Тому задати його фіксованим та універсальним не вийде, плюс воно змінюється відповідно до опору навантаження та споживаного струму (вище наведена ідеалізована ВАХ, на практиці все ж таки буде деякий нахил на робочій ділянці).

Є безліч методів знаходження цієї «чарівної», в одному з варіантів реалізації MPPT-контролер сканує ВАХ сонячних елементів, визначаючи оптимальні параметри для поточних робочих умов, наприклад, змінюючи вхідний струм, відповідно змінюється його вхідний опір.За допомогою датчиків струму і напруги система управління обчислює значення потужності і порівнює його з попереднім, доки вона не досягне максимального значення. Це називається «методом обурення та спостереження».

Залежно від конкретного методу визначення ТММ та внутрішнього пристрою контролера, в т.ч. його прошивки, пошук ТММ відбувається з певною періодичністю. Однак на практиці більшість методів є схожими і засновані на принципі відхилитися і спостерігати. У деяких моделях є можливість налаштування цього періоду в діапазоні від 1 разу на кілька хвилин до 1 разу на кілька годин. Залежно від періодичності пошуку визначається ефективність роботи системи загалом.

Так як в результаті зміни вхідних параметрів ми отримуємо максимально можливу потужність від конкретних елементів, наступним завданням стає віддати її навантаженню, тобто використовувати для заряду АКБ. Зрештою, все зводиться до управління електронним силовим перетворювачем, припустимо ми отримали струм ТММ в 5А при напрузі в 17.5В, це:

Отже є можливість віддати акумулятору з напругою на клемах в 12В такий струм:

У більшості випадків перетворення здійснюється за допомогою понижуючого (buck) або понижувально-підвищуючого перетворювача (buck-boost). Типові структури перетворювачів ми розглядали у статті раніше.

Тоді як при використанні ON/OFF або ШИМ-контролерів вхідний та вихідний струм були б рівні. Що призводить до менш ефективного розпорядження доступною потужністю, наприклад, так як вхідний струм був 5А, то при такому вихідному струмі потужність, що витрачається на заряд акумуляторів, дорівнювала:

Це ще раз ілюструє наведені під час обговорення вольт-амперної характеристики вище розрахунки.

Однак, не варто вважати MPPT-технологію панацеєю для сонячної енергії. Різниця в ефективності заряду АКБ за допомогою MPPT та PWM-контролера тим менша, чим більше заряджений акумулятор. Коли напруга на його клемах (Uакб) підвищується, а різниця між Uтмм знижується, використовується велика потужність сонячної панелі.

Аналогічно наведеному вище прикладу припустимо, що напруга на АКБ не 12, а 13.5В, за умови, що сонячна панель працює з тими ж параметрами, це виглядатиме таким чином:

Якщо при 12В використовувалося 68% максимальної потужності, то при 13.5В використовується вже 77%. Також врахуйте і те, що ваші акумулятори не будуть постійно заряджатися, і на них не надходитиме струм однієї і тієї ж сили постійно. Тому в МРРТ-контролерах зазвичай реалізується кілька стадій заряду, наприклад: MPPT (з максимальною потужністю) – вирівнюючий – швидкий (форсований) – підтримуючий. До того ж варто пам'ятати, що струм сонячної батареї не повинен перевищувати номінальний струм контролера, інакше не реалізується максимальне використання потужності.

Але це все не говорить нам про те, що MPPT-контролери не потрібно використовувати, а лише про те, що не варто переоцінювати їхню користь.

Фактом залишається лише те, що в нижньому ціновому сегменті пристрою з технологією MPPT дорожче, ніж PWM, але не завжди. Наприклад, є MPPT-контролер "EPSolar MPPT TRACER-2210A"вартість якого знаходиться в межах 180 доларів, і аналогічний за вартістю (180-200 доларів) PWM-контролер з вихідним струмом 20А "STECA PR2020".

При цьому є інший PWM-прилад з тим же вихідним струмом. "SRNE SR-HP2420" вартістю трохи більше 20 доларів, тоді як MPPT від цього ж виробника "SRNE SR-ML2420" з таким самим вихідним струмом коштує вже 85 доларів.

Ціни на деякі моделі контролерів ми розглянемо нижче.

Огляд сучасного ринку MPPT-контролерів

У таблиці не наводився повний перелік функцій та захисту, оскільки він займає великий обсяг. Для зведення типовий набір функцій виглядає приблизно так:

- від неправильної полярності підключення СП та АКБ;

- від КЗ на вході сонячної панелі;

- відключення сонячної панелі після досягнення закінчення заряду АКБ;

- відключення навантаження при надто низькій напрузі на АКБ;

- від обриву в ланцюзі АКБ;

- запобігання розряду АКБ через сонячну панель у нічний час;

- Контроль споживання струму навантаженням.

Таблиця відображає те, що вартість MPPT-контролера залежить не тільки від його максимальної сили струму (потужності), але і від діапазону вихідних напруг, списку акумуляторів, що підтримуються, можливості підключення засобів відображення, індикації та моніторингу, і ряду інших факторів. Вибір контролера складний і дуже індивідуальний, тому наводити якісь порівняння та рейтинги щонайменше безглуздо.

Раніше ЕлектроВести писали, що в столиці Об'єднаних Арабських Еміратів Абу-Дабі реалізовано масштабний проект зберігання енергії з використанням сірчано-натрієвих (NAS) акумуляторів японського виробника NGK Insulators.

МРРТ контролер

Важко уявити наше життя без різних електронних пристроїв, які дозволяють здійснювати роботу агрегатів та механізмів в автоматичному режимі.

Одним з таких пристроїв, що працює в системах автоматики установок перетворення різних видів альтернативної енергії в електричну, є МРРТ контролери.

Що таке MPPT контролер

МРРТ контролер – це електронний пристрій, що працює у складі комплектів сонячних електростанцій та вітрових установок, що забезпечує режим роботи системи з максимально можливим коефіцієнтом корисної дії на виході перетворювального пристрою (сонячна батарея, вітровий генератор).

Абревіатура МРРТ, походить від англійських слів - maximum power point tracking, що означає - максимальною можлива потужність на виході.

Робота МРРТ котроллера полягає в тому, що пристрій відслідковує силу струму та напругу на джерелі електричного струму (сонячна батарея, вітровий генератор) та визначає їх співвідношення, при якому значення потужності на виході буде максимальним. Цю здатність приладу можна описати як пошук точки максимальної потужності.

Крім цього, контролер стежить за зарядом акумуляторних батарей, які є накопичувачем електричної енергії, і визначає режим їх роботи (накопичення енергії, насичення, вирівнювання, підтримка), що в результаті визначає силу струму, що подається на акумулятор.

Порівняння контролерів MPPT та PWM (ШІМ)

У сонячних та вітрових установках з виробництва електричної енергії використовуються два види контролерів, це МРРТ, про які було написано вище та PWM (ШІМ) контролери.

ШИМ апарати є дешевшими пристроями, принцип дії яких заснований на використанні широтно-імпульсної модуляції. Пристрої даного типу поділяються на шунтові та послідовні.

Для того, щоб вибрати найбільш підходящий для конкретної системи, потрібно їх порівняти, щоб вивчити переваги та недоліки кожного типу подібних пристроїв.

Переваги пристроїв різного типу:

Можливість використання у різних системах, що розрізняються за джерелом отримання енергії (сонячні, вітрові, комбіновані системи)
Високий ККД.
Створення оптимальних умов роботи для акумуляторів дозволяє продовжити термін їх експлуатації.
Висока напруга на вході дозволяє зменшити перетин кабелів і дротів, які використовуються для з'єднання елементів системи або збільшити відстань від джерела енергії до контролера.
Використання пристроїв даного типу дозволяє збільшити ефективність використання сонячних батарей, що обумовлено можливістю заряду акумуляторів за низької освітленості.

PWM контролери.

Низька ціна.
Послідовні моделі: дозволяють використовувати одночасно різні джерела енергії та створюють низьке нагрівання під час регулювання;
Шунтові моделі: незначні втрати потужності у процесі роботи, слабкі електромагнітні перешкоди та низький рівень падіння напруги у ключах.

Недоліки пристроїв різного типу:

МРРТ контролери.

Висока ціна.
Більш складна технологія у порівнянні з аналогами.

PWM контролери.

Послідовні моделі: при повному заряді джерело енергії відключається, значні втрати у послідовних ключах, електромагнітні перешкоди.
Шунтові моделі: значне нагрівання під час роботи, неможливість використання з іншими джерелами енергії, крім сонячних панелей.

МРРТ контролер для сонячних батарей

У сонячних електростанціях контролер забезпечує роботу комплекту устаткування автоматичному режимі, відстежуючи режим заряду акумуляторних батарей.Режим заряду залежить від зарядки батарей і відповідає потужності сонячних панелей, що видається в конкретний момент часу, яка залежить від погодних умов і просторового місця розташування сонця.

Схематично, розташування контролера у схемі сонячної електростанції виглядає так:

Режими роботи контролера для сонячних батарей:

Заряд акумуляторних батарей залежно стану їх заряду;
Автоматичне відключення повністю зарядженого акумулятора від джерела енергії (сонячної батареї);
Відключення навантаження (споживачів), якщо заряд акумулятора падає нижче критичної позначки;
Автоматичне включення навантаження після заряду акумулятора;
Автоматичне включення сонячних батарей після того, як заряд акумуляторної батареї стане меншим за встановлені значення, що визначають необхідність його заряджання.

Використання МРРТ контролерів у системах сонячної генерації дозволяє збільшити продуктивність сонячних електростанцій, що у свою чергу знижує терміни окупності придбаного обладнання.

Основними технічними характеристиками, що визначають параметри використання конкретного приладу, є:

Електрична потужність;
Номінальна напруга на вході;
Максимальний струм заряду акумулятора;
Максимальна напруга на виході пристрою;
Діапазон регулювання напруги;
Температурний режим;
Габаритні розміри;
Вага пристрою.

Середні ціни

Для того, щоб зрозуміти, в якому ціновому діапазоні знаходяться МРРТ контролери різних виробників, можна розглянути вартість моделей, наведених вище, це:

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

Як видно з наведених цифр, найдешевші – це моделі китайського виробництва, а найдорожчі – європейських виробників.

Продукція вітчизняних підприємств дещо дорожча за пристрої, виготовлені в Китаї, але дешевші за виготовлені в Європі.

Чи можна зробити своїми руками

Наша країна завжди славилася тим, що у нас є багато тямущих винахідників і раціоналізаторів, людей творчих і намагаються зробити своїми руками та з підручних засобів улаштування різного типу та призначення.

«Самоделкіни» не оминули і МРРТ контролери, які за наявності навичок роботи паяльником та початкових знань у галузі електротехніки, можна виготовити своїми руками.

Одним з варіантів подібного пристрою, виготовленого самостійно, може бути прилад, зібраний за наведеною нижче схемою:

Зібраний за даною схемою контролер, матиме напругу на виході – 14,0 Вольт і матиме налаштування режимів роботи з напруги відключення та включення акумуляторних батарей.

Дякую, що дочитали до кінця! Не забувайте підписуватись на наш канал, Еякщо стаття Вам сподобалася!

Діліться з друзями, залишайте ваші коментарі

Додайте до нашої групи у ВК:

та пропонуйте теми для обговорень, разом буде цікавіше.

У чому відмінність MPPT контролерів заряду?

Розглянемо теорію та практику експлуатації MPPT контролерів "Максимальна силова точка відстеження", використовувану в покращених сонячних контролерах заряду.

MPPT або трекер максимальної точки живлення є електронним пристроєм зі вбудованим конвертором постійного струму DC\DC, який оптимізує параметри енергії між солнечними батареями (PV панелями), та акумуляторними батареями або міською мережею. Простіше кажучи, вони перетворюють високу вихідну напругу постійного струму від солнечних батарей (або декількох вітряних генераторів) до низького напруги, необхідного для заряджання акумуляторних батарей. повороту сонячних батарей за сонцем).

Отже, що означає оптимізувати параметри енергії? Більшість PV панелей виробляються і називаються умовно 12-вольтовими. Заковика в тому, що "номінально", насправді, майже всі "12-вольт" сонячні панелі видають від 16 до 18 вольт при номінальному навантаженні. Проблема в тому, що номінальні 12-вольт акумуляторні батареї досить близькі до фактичних 12 вольт - від 10,5 до 12,7 вольт, залежно від стану заряду. Для успішної зарядки більшість акумуляторних батарей вимагає від 13,2 до 14,4 вольт.

Припустимо, ми придбали сонячну панель 130 вт.На практиці сонячна панель видає 130 ватт тільки при певній напрузі і струмі. Експериментально ця сонячна батарея розрахована на 7,52 ампер за 17,3 вольт. (7,52 Ах17, 3В = 130 Вт).

Тепер розглянемо, чому панель 130 Ват не видає 130 Вт зарядки чи куди йдуть наші Вати? Так що ж відбувається, коли підключаєте панель 130 ват до аккумулятора через звичайний контролер заряду?

На жаль, те, що відбувається далеко не дає 130 Вт. Ваша сонячна панель видає 7,5 ампера. Ваша аккумуляторна батарея просаджує напругу при зарядці до 12 вольт. Відповідно маємо потужність зарядки аккумулятора: 7,5 Ампер Х 12 вольт = 90 Вт. Ви втратили понад 40 ват, але ж заплатили за 130Вт! Де ж поділися 40 ват? Вони просто не виробляються через слабке перетворення (немає оптимізації параметрів) між панеллю і акумулятором. При дуже низькому заряді батареї, скажімо 10,5 вольт ситуація ще гірша - ви можете втратити цілих 35% потужності (11 вольт х 7,4 = 81,4 Ватт). Ви втратили близько 48 ватт. Ви можете подумати – чому б просто не зробити панелі так, щоб вони виробляли 14 вольт або близько того, щоб відповідати батареї?

Є багато факторів. Панелі потужністю 130 Вт розраховані за повного сонячного світла і за певної температури (STC - або стандартних умов випробувань). Якщо. наприклад, температура сонячної панелі не стандартна, ви не отримаєте 17,4 вольт. У багатьох жарких кліматичних зонах, ви можете отримати до 16 вольт. Якщо ви отримуєте до 15 вольт з панелі (як деякі з так званої «саморегулюючої» панелі), то ви в біді, тому що у вас не буде достатнього напруги для заряджання батареї. Сонячні ж батареї повинні мати достатньо свободи дій, щоб у будь-яких умовах виконувати своє призначення. У зв'язку з такою нестиковкою і потрібен контролер МРРТ.

Яка вигода від використання контролерів MPPT?

Вона прямо пропорційна сезонним умовам. MPPT контролери , як правило, засновані на цифровій технології управління. Такий контролер заряду постійно промацує на виході з панелей напруга і порівнює його з напругою батареї. Потім контролер обчислює оптимальне значення струму та напруги в конкретний момент години.Виконує потрібну оптимізацію (перетворення) щоб отримати максимальну потужність зарядки.

Більшість сучасних MPPT контролерів мають КПД 93-97% ефективності перетворення. Ви зазвичай отримуєте від 20% до 45% збільшення потужності взимку і 10%-15% влітку. Фактичний коефіцієнт підсилення може широко варіювати в залежності від погоди, температури, рівня зарядки аккумулятора та інших факторів.

Grid tie системи (підключаються безпосередньо до мережі без використання акумуляторів) - стають дедалі популярнішими, оскільки ціна на сонячні панелі знижується, а на мережевому електрика зростає. Є кілька виробників таких інверторів, які можуть працювати без акумуляторів, і всі ці інвертори мають вбудовані MPPT. Ефективність складає близько 94% - 97% для MPPT перетворення.

Як працює MPPT технологія? Припустимо, аккумулятор розряджень до 12 вольт. MPPT бачить, що на сонячній батареї 17,3 вольта і 7,52 ампера і перетворює його вниз, так що те, що батарея отримує тепер 10,8 ампер на 12 вольт. Тепер у вас реально отримано майже 130 ватт, і всі задоволені. Це упрощене пояснення - на самому контролері заряду MPPT відстежує точку максимальної потужності, яка буде відрізнятися від STC (стандартних умов випробування) в рейтингу майже у всіх ситуаціях. За дуже низьких температур 120 ват панель насправді здатні виробити більше 130 Вт. З іншого боку, в дуже жарких умовах, потужність падає - ви втрачаєте потужність, коли температура підвищується. Саме тому ви отримаєте менший приріст потужності в літню годину.

MPPT контролери є найефективнішим за наступних умов:

Зима, та/або хмарні чи туманні дні - коли додаткова потужність потрібна найбільше. МРРТ може змінюватися постійно для отримання максимальної потужності заряду батареї.
Холодна погода - сонячні батареї працюють краще за низьких температур, але без MPPT ви втрачаєте велику частину цього переваги, коли сонячні часи мінімальні.
Низький заряд батареї – чим нижчий стан заряду батареї, тим більше контролер MPPT вкладає у них.
Довгі проводи. При зарядці аккумулятора 12 вольт і відстані в 30 метрів до панелі падіння напруги і втрати потужності можуть бути значними, якщо ви використовуєте дуже великий провід. Це може бути дуже дорого. Але якщо у вас є чотири 12 вольт панелей, з'єднаних последовательно на 48 вольт, втрати потужності значно менші, і контролер буде конвертувати високе напруга до 12 вольт на батарею. Це також означає, що якщо у вас висока напруга на панелях досягнута послідовним підключенням, Ви можете використовувати набагато менше проводів.

Отже, тепер повернемося до початкового питання - Що таке MPPT? Як МРРТ працює: в основі контролера MPPT лежить DC\DC перетворювач. Він приймає вхідна напруга постійного струму від сонячних панелей, змінює його на високочастотне змінне, і перетворює його назад в інше постійне напруга і струм у точності співпадаючими з панелями батарей. MPPT контролери працюють, як правило, на дуже високих частотах, як правило, 20-80 кГц. Перевага високочастотних ланцюгів у тому, що вони можуть бути розроблені з дуже високою ефективністю трансформації (перетворення) на дрібних деталях. Конструкція високочастотних ланцюгів може бути дуже складною у зв'язку з проблемами частин схеми "ефірного мовлення". Тому шумоізоляція та придушення перешкод стає дуже важливим.

Є кілька нецифрових (тобто лінійних аналогових) контролерів заряду MPPT . Це набагато простіше та дешевше, ніж цифрові. Вони ефективніші (максимум на 10%), але їхня ефективність короткочасно може падати.Наприклад, якщо пройде хмара над панеллю.

Висновок: Використання МРРТ контролерів дає можливість більш повно використовувати потенціал солнечних батарей і як наслідок знімати на 15-45 % більше електроенергії порівняно з іншими контролерами.

Як працює МРРТ контролер