Bộ điều khiển MPPT để sạc năng lượng mặt trời là gì

MPPT là một trong những cách sử dụng tài nguyên của nguồn năng lượng, cho dù đó là pin mặt trời hay máy phát điện gió, nhưng trong bài viết này chúng ta sẽ nói cụ thể về năng lượng mặt trời. Tính năng chính của nó là tăng hiệu quả của một nguồn thay thế bằng cách kéo theo năng lượng tối đa bằng cách chọn một điện áp và dòng điện cụ thể.

Việc lựa chọn các tham số này được giảm xuống để phân tích các đặc tính điện áp hiện tại của nguồn và xác định ở mức điện áp và mức tiêu thụ hiện tại, công suất tối đa sẽ được tiêu thụ. Đó là cách viết tắt của MPPT - Theo dõi điểm công suất tối đa (theo dõi điểm công suất tối đa).

Nguyên tắc chung của bộ điều khiển MPPT

Thoạt nhìn vào câu hỏi, bạn có thể nghĩ: Vâng, hãy sử dụng điện áp tối đa có thể, do đó sẽ có một dòng tải tối đa (sạc pin). Điều này là hợp lý, nhưng trong thực tế thì không. Điều này chủ yếu là do đặc tính điện áp hiện tại của pin mặt trời.

Trong chế độ vận hành (hữu ích), pin mặt trời (phần nằm ngang của đặc tính I - V) là một nguồn hiện tại, nghĩa là, dòng điện đầu ra của nó chỉ phụ thuộc một chút vào điện áp ở các cực của nó. Điện áp đầu ra (Uoutc) cũng phụ thuộc vào điện trở của tải được kết nối. Điều này chúng ta có thể thấy trên CVC.

Ở phần bên phải, nơi điện áp tối đa, bạn sẽ thấy điện áp mạch mở Uхх, bị giới hạn bởi số lượng phần tử trong pin và thiết bị bên trong của chúng. Dòng điện trong trường hợp này có xu hướng về 0. Và ngược lại, ở phía bên trái, nơi điện áp có xu hướng 0 - điện áp ngắn mạch Uкз, và dòng điện bị giới hạn bởi sức mạnh của các phần tử.

Nếu chúng ta lấy cường độ hiện tại của pin mặt trời trong khu vực hữu ích với giá trị không đổi, thì điện áp sẽ được xác định bởi điện trở tải, nếu là vô cực, thì chúng ta sẽ quan sát chế độ không tải (tại Rн = ∞ ⇒ Uoutc = Uр.хх), với điện áp ngắn mạch sẽ có xu hướng bằng không, giống như điện áp đầu ra (tại Rн = ∞ Uoutc = Ucz). Công suất tối đa sẽ đến ở một tỷ lệ nhất định của điện trở tải, điện áp và dòng điện.

Tất cả điều này có nghĩa là gì? Chúng tôi chuyển từ pin đến bộ điều khiển!

Bộ điều khiển là một liên kết trung gian giữa pin mặt trời và pin, nó điều chỉnh dòng điện tích thông qua một PWM, ví dụ, hoặc bất kỳ loại nào khác mà nhà thiết kế đã chọn. Nhưng chỉ cần áp điện áp trực tiếp từ pin không có nghĩa là đảm bảo truyền năng lượng tối đa từ các tấm pin sang pin.

Để sạc hiệu quả, bộ điều khiển sẽ theo dõi dòng điện nhận được từ pin và điện áp đầu ra của nó, cũng như dòng điện được cung cấp bởi pin và điện áp trên nó. Để chắc chắn về điều này, chúng tôi chọn 2 điểm tùy ý trên đặc tính I - V (chúng tôi cung cấp lại ở đây) và so sánh công suất trong chúng với điểm công suất tối đa (TMM) được chỉ ra trong hình, tại đó dòng điện dường như không tối đa ...

Giả sử chúng ta có một pin có điện áp định mức là 12 V, điều đó có nghĩa là ở trạng thái tích điện, chúng ta có khoảng 14,2-14,5 V ở các cực và khoảng 11V ở trạng thái phóng điện, ngay cả trong một trường hợp chúng ta có 13V và ở mức khác - 12V. Chúng tôi sẽ chọn các điện áp như vậy với đặc tính I - V để phân tích công suất gần đúng với bảng điều khiển năng lượng mặt trời kết nối trực tiếp - pin.

Theo CVC, trong cả hai trường hợp, pin sẽ cho dòng điện khoảng 3,6A, chúng ta sẽ nhận được năng lượng sau đây trong quá trình sạc:

1) 13 * 3.6 = 46.8 W

2) 12 * 3.6 = 43.2 W

Và tại điểm công suất tối đa được đánh dấu trên đặc tính I - V:

3) 18,5 * 3,25 = 60,125W

Kết quả rất rõ ràng - năng lượng trong TMM cao hơn khoảng 25 - 35%, tùy thuộc vào mức sạc của pin. Nhưng làm thế nào để làm cho pin phát ra dòng điện ở điện áp 18,5V, thay vì pin có trên các cực của pin?

Mọi thứ đều đơn giản và phức tạp cùng một lúc - tìm kiếm điểm sức mạnh tối đa

Như đã lưu ý trước đó, bộ điều khiển được lắp đặt giữa các tấm pin mặt trời (pin) và pin, hóa ra nó đóng vai trò là tải của các tấm và pin là tải của bộ điều khiển, nó cũng là nguồn năng lượng thứ cấp. Bất kỳ nguồn năng lượng, và bất kỳ thiết bị trong kỹ thuật điện có thể được thể hiện dưới dạng điện trở. Đây được gọi là điện trở "tương đương" hoặc "giảm" (tùy thuộc vào trường hợp cụ thể), được xác định theo cùng một định luật Ohm, nghĩa là chúng ta có thể nói rằng điện trở đầu vào của bộ điều khiển là:

Rcont = Uinput / Iin. Nhược điểm.

Điện áp của điểm năng lượng tối đa của các tấm pin mặt trời phụ thuộc vào một số yếu tố:

• Chiếu sáng

• Nhiệt độ (sự phụ thuộc của CVC và vị trí của TMM vào nhiệt độ được hiển thị trong hình bên dưới);

• Tuổi của các yếu tố, vv

Do đó, nó sẽ không hoạt động để đặt nó cố định và phổ quát, cộng với nó thay đổi theo khả năng chịu tải và mức tiêu thụ hiện tại (đặc tính I - V lý tưởng hóa được đưa ra ở trên, trong thực tế vẫn sẽ có một độ dốc trong khu vực làm việc).

Có rất nhiều phương pháp để tìm ra trò chơi ảo thuật này, trong một phương án, bộ điều khiển MPPT quét các đặc tính điện áp hiện tại của pin mặt trời để xác định các tham số tối ưu cho điều kiện hoạt động hiện tại, ví dụ, bằng cách thay đổi dòng điện đầu vào, điện trở đầu vào của nó thay đổi theo. Sử dụng các cảm biến hiện tại và điện áp, hệ thống điều khiển sẽ tính toán giá trị năng lượng và so sánh nó với giá trị trước đó cho đến khi đạt được giá trị tối đa. Đây được gọi là "phương pháp nhiễu loạn và quan sát."

Tùy thuộc vào phương pháp cụ thể để xác định TMM và thiết bị bên trong của bộ điều khiển, bao gồm. phần sụn của nó, việc tìm kiếm TMM xảy ra với một tần số nhất định. Tuy nhiên, trong thực tế, hầu hết các phương pháp đều tương tự nhau và dựa trên nguyên tắc "lệch và quan sát". Trong một số mô hình, có thể định cấu hình khoảng thời gian này trong phạm vi từ 1 lần trong vài phút đến 1 lần trong vài giờ. Tùy thuộc vào tần suất tìm kiếm, hiệu suất hệ thống tổng thể được xác định.

Vì kết quả của việc thay đổi các tham số đầu vào, chúng tôi nhận được công suất tối đa có thể từ các yếu tố cụ thể, nên nhiệm vụ tiếp theo là cung cấp cho nó để tải, tức là sử dụng pin để sạc. Cuối cùng, tất cả bắt nguồn từ việc điều khiển bộ chuyển đổi năng lượng điện tử, giả sử chúng ta có dòng điện TMM 5A ở điện áp 17,5V, điều này:

17,5 * 5 = 87,5 W

Vì vậy, có thể cung cấp cho pin với điện áp 12 V ở các cực sau:

87,5 / 12 = 7,3A

Trong hầu hết các trường hợp, việc chuyển đổi được thực hiện bằng cách sử dụng buck (buck) hoặc bộ chuyển đổi buck-boost (buck-boost). Cấu trúc điển hình của bộ chuyển đổi chúng tôi đã xem xét trong bài viết trước đó.

Trong khi đó khi sử dụng BẬT / TẮT hoặc Bộ điều khiển PWM đầu vào và đầu ra hiện tại sẽ bằng nhau. Điều này dẫn đến việc xử lý năng lượng khả dụng kém hiệu quả hơn, ví dụ, vì dòng điện đầu vào là 5A, với dòng điện đầu ra này, năng lượng dành cho việc sạc pin sẽ bằng:

12 * 5 = 60 watt.

Điều này một lần nữa minh họa các tính toán được trình bày trong phần thảo luận về các đặc tính điện áp hiện tại.

Tuy nhiên, bạn không nên coi công nghệ MPPT là thần dược cho năng lượng mặt trời. Sự khác biệt về hiệu quả sạc pin khi sử dụng bộ điều khiển MPPT và PWM là càng nhỏ, pin càng được sạc nhiều. Khi điện áp tại các cực của nó (Uakb) tăng và chênh lệch giữa Umm giảm, thì một công suất lớn của bảng điều khiển năng lượng mặt trời được sử dụng.

Tương tự như ví dụ trên, giả sử rằng điện áp trên pin không phải là 12, mà là 13,5V, với điều kiện là tấm pin mặt trời hoạt động với cùng thông số, nó sẽ trông như thế này:

13,5 * 5 = 67,5W

Nếu ở mức 12V 68% công suất tối đa đã được sử dụng, thì ở mức 13,5V 77% đã được sử dụng. Cũng lưu ý rằng pin của bạn sẽ không được sạc liên tục và chúng sẽ không nhận được dòng điện có cùng công suất liên tục.Do đó, trong các bộ điều khiển MPRT, một số giai đoạn sạc thường được triển khai, ví dụ: MPPT (với công suất tối đa) - cân bằng - nhanh (bắt buộc) - hỗ trợ. Trong số những điều khác, điều đáng nhớ là dòng điện của pin mặt trời không được vượt quá dòng định mức của bộ điều khiển, nếu không việc sử dụng tối đa năng lượng không được thực hiện.

Nhưng tất cả điều này không cho chúng ta biết rằng bộ điều khiển MPPT không cần phải được sử dụng, mà chỉ là chúng không nên được đánh giá quá cao.

Thực tế là trong các thiết bị phân khúc giá thấp hơn với công nghệ MPPT đắt hơn so với PWM, nhưng không phải lúc nào cũng ... Ví dụ, có bộ điều khiển MPPT "MPPT TRPTER-2210A", chi phí nằm trong khoảng 180 đô la và bộ điều khiển PWM có giá tương tự (180-200 đô la) với dòng điện đầu ra là 20A STECA PR2020.

Đồng thời, có một thiết bị PWM khác có cùng dòng điện đầu ra - "SRNE SR-HP2420" có giá hơn 20 đô la một chút, trong khi MPPT từ cùng một nhà sản xuất "SRNE SR-ML2420" với cùng một sản lượng hiện tại, nó có giá 85 đô la.

Giá cho một số mô hình của bộ điều khiển, chúng tôi sẽ xem xét dưới đây.

Tổng quan về thị trường hiện đại cho bộ điều khiển MPPT

Xem bảng trong một tệp riêng

Bảng không cung cấp một danh sách đầy đủ các chức năng và bảo vệ, vì nó chiếm một lượng lớn. Để biết thông tin, một bộ chức năng điển hình trông giống như thế này:

• từ cực sai của kết nối của liên doanh và pin;

• từ ngắn mạch ở lối vào của bảng điều khiển năng lượng mặt trời;

• từ ngắn mạch trong tải;

• từ quá nóng;

• tắt bảng điều khiển năng lượng mặt trời sau khi hết pin;

• giảm tải khi điện áp trên pin quá thấp;

• từ một sự cố trong mạch pin;

• ngăn chặn việc xả pin qua bảng điều khiển năng lượng mặt trời vào ban đêm;

• kiểm soát tiêu thụ hiện tại theo tải.

Bảng này phản ánh thực tế rằng chi phí của bộ điều khiển MPPT không chỉ phụ thuộc vào dòng điện tối đa của nó, mà còn phụ thuộc vào phạm vi điện áp đầu ra, danh sách pin được hỗ trợ, khả năng kết nối màn hình, công cụ hiển thị và giám sát và một số yếu tố khác. Việc lựa chọn một bộ điều khiển rất phức tạp và rất riêng biệt, do đó, ít nhất là vô nghĩa để đưa ra bất kỳ so sánh và xếp hạng.