Dobór regulatora ładowania do paneli fotowoltaicznych cz1.

4 sierpnia 2017

Czy wybrać regulator najtańszy, kiedy z funkcją PWM, a kiedy MPPT?

Zaczniemy od tego, że różne rodzaje akumulatorów posiadają różne dopuszczalne parametry ładowania i rozładownia. Wyróżnia się głównie maksymalny dopuszczalny prąd ładowania i rozładowania oraz górne i dolne napięcie pracy akumulatora. Większość zastosowań opiera się o akumulatory kwasowe 12V i na takich się obecnie skupimy, a w kolejnych rozdziałach omówimy też inne akumulatory (Li-Ion, Gel, AGM, LiFePo4).

Ze względu na coraz większą popularność małych systemów solarnych zastosowanie mają regulatory ładowania. Regulatory takie, jak sama nawa wskazuje, służą głównie do regulowania procesu ładowania akumulatorów. Teoretycznie można podłączyć panel fotowoltaiczny bezpośrednio do akumulatora i w ten sposób też akumulator można naładować, ale taki proces ładowania bez kontroli najczęściej kończy się przeładowaniem akumulatora, czasem łącznie z wygotowaniem czynnika. Jest to wiec nieefektywne ładowanie, a także często niebezpieczne. Zadaniem regulatora jest tak sterować ładowaniem, żeby proces ten przebiegał w sposób bezpieczny i możliwie skuteczny. W najprostszej wersji, najtańsze regulatory, po osiągnięciu ustalonego napięcia odcinają ładowanie po prostu przez odłączenie przepływu prądu z panelu. Tak działa np. regulator CMP12:

W celu optymalizacji procesu ładowania większość regulatorów wyposażona jest jednak w funkcję PWM. Oznacza to impulsowe ładowanie akumulatora. Ten sposób jest znacznie bardziej efektywny niż podłączenie prądu stałego bezpośrednio z paneli. Akumulator po podłączeniu napięcia nasyca się dość szybko i stawia opór przed przyjęciem energii. Zaczyna się nagrzewać. Podawanie dawek energii impulsami poprawia skuteczność ładowania akumulatora. W zależności od stanu naładowania/rozładowania akumulatora efektywny proces ładowania PWM powinien przebiegać w różny sposób. Przy mocno rozładowanych akumulatorach można podać napięcie stałe. Przy nasyceniu akumulatora należy podawać impulsy. Żeby naładować do pełna akumulator impulsy powinny mieć częste piki o mniejszej mocy, ale większej amplitudzie, aż do momentu osiągnięcia pełnego naładowania. Wówczas przechodzi się w tryb podtrzymania z rzadszymi impulsami. Cały proces przebiega płynnie, a algorytm zastosowany w regulatorze optymalnie dostosowuje się do aktualnego napięcia akumulatora. Im więcej różnych trybów PWM posiada regulator tym efektywniej może pracować. W zależności od jakości regulatora stosuje się układy PWM nawet czteroetapowe. Ładowanie PWM ma jednak pewną wadę, która może być w pewnych warunkach uznana także za zaletę. W przypadku, kiedy jest dość dużo energii (mocne słońce), częstotliwość podawania dawek prądu do akumulatora nie może być już zwiększona, ze względu na szybkość działania sterownika i tranzystorów, część energii zostanie utracona. Z drugiej strony (to właśnie zaleta) przy pełnym prądzie ładowania, szczególnie w przypadku akumulatorów o mniejszej pojemności, nadmierny prąd ładowania mógłby przysłużyć się do szybkiego zużycia akumulatora. Dobrej jakości regulatory mają możliwość ustawienia dopuszczalnego prądu ładowania. Do takich należy np. regulator ST1 30/40/60A:

W przypadku ładowania akumulatora napięcie źródła musi być wyższe niż napięcie odbiornika energii. Inaczej prąd nie będzie chciał płynąć, tak jak woda płynie zawsze z góry na dół (z wyższego ciśnienia do niższego). Jednak w przypadku paneli, kiedy słońce zachodzi pojawia się problem ze zbyt niskim napięciem. Także kiedy sytuacja jest odwrotna i napięcie źródła jest znacząco wyższe od napięcia akumulatora jest problem ze zbyt dużą różnicą napięć. Energia z paneli jest produkowana, ale układy PWM nie są w stanie jej w pełni wykorzystać. Co wtedy? Wtedy z pomocą przychodzą układy MPPT. Dobrym przykładem regulatora MPPT jest seria SMP 10-50A:
Układ MPPT tak kształtuje parametry impulsów ładowania akumulatora, żeby zawsze iloczyn prądu i napięcia źródła (paneli) był maksymalny. Nazywa się to „wyszukiwanie punktu szczytowego mocy”. W ten sposób nawet w przypadku dużego zachmurzenia można energię przekazać do akumulatorów. Dodatkową zaletą jest to, że impulsy ładowania akumulatora są kształtowane przez regulator, a nie przez dostępne napięcie na panelach. Dlatego nie ma problemu także przy wysokim napięciu ponad 50V np. paneli amorficznych. Dzięki temu parametry ładowania mogą być optymalniej dobrane do ładowania akumulatora niż w przypadku technologii PWM. W ten sposób teoretycznie można zwiększyć nawet do 30% efektywność ładowania. Tu chwila refleksji: można zwiększyć, to nie znaczy, że zawsze się zwiększy. Po pierwsze musimy zastosować dobry regulator MPPT.  Takie regulatory ze względy na wysoką wydajność są często pozbawione nawet wyświetlacza, który „pożera” część energii. Słabsze regulatory takie jak np. z serii T lub M:
mają okrojoną funkcjonalność do pracy MPPT tylko w ograniczonym zakresie i często w konsekwencji są mniej wydajne niż dobre regulatory PWM. Nie mówiąc już w ogóle o układach, które z MPPT nie mają nic wspólnego poza nazwą. Regulatory MPPT są droższe od PWM ponieważ mają inną, bardziej zaawansowaną budowę i praktycznie nie ma możliwości żeby kosztowały mniej niż 20USD. W pewnych wypadkach technologia MPPT może być nawet mniej skuteczna niż PWM (MPPT zużywa więcej energii na własne potrzeby/straty energii). Przy optymalnie dobranych parametrach paneli (napięcie ładowania, moc) efektywność PWM będzie taka sama lub nawet wyższa niż MPPT. Tak będzie w przypadku np. paneli z napięciem pracy 30V podłączonych do akumulatora 24V lub z panelami 18V podłączonymi do akumulatora 12V. Tylko w przypadku paneli amorficznych, cienkowarstwowych lub innych, z różnicą napięcia pomiędzy akumulatorami, a panelami ponad 20V skuteczność MPPT będzie większa niż PWM. Poza tym efektywność ładowania PWM jest zwykle na poziomie do 92%, MPPT daje sprawność nawet 98%.

Podsumowując: jeżeli masz panele o napięciu obwodu pracy nieznacznie wyższym niż napięcie akumulatorów wybierz PWM. Jeżeli chcesz „wyciągnąć” ostatnie Waty mocy to wybierz MPPT.

Uwaga! Prezentowany jako ostatni po prawej stronie, oferowany przez niektórych sprzedawców, model CMPT02 nie jest regulatorem MPPT.

kręci mnie wiatr...

Copyright © 2008-2017 AirGenerator