Интернет магазин VINUR
Корзина

Принцип работы MPPT контроллера для солнечных батарей

  • 03.10.2018

У большинства владельцев электрогенерирующих установок на солнечных элементах возникают вопросы к функциональному назначению и принципам работы MPPT-контроллера в составе "домашней "электростанции. Попытаемся дать читателю максимально детальное представление об этом, c привлечением физики.

mppt контроллер принцип работы

Углубимся немного в школьную физику

Известно, что сила тока в замкнутой электрической цепи определяется законом Ома для полной цепи, куда входят R (сопротивление всех внешних элементов) и r (внутреннее сопротивление источника напряжения - то есть в данном случае собственно солнечной ячейки/-ек). При этом с точки зрения электротехники каждый единичный солнечный элемент является "плохим" полупроводниковым диодом: у него высокая собственная ёмкость, значительный ток утечки и так далее. Также у него имеется своя вольт-амперная характеристика (ВАХ), напоминающая характеристику "обычного" диода - несмотря на то, что солнечный элемент используется в фотогальваническом (генерирующем) режиме, а не для выпрямления электрического тока.

Отсюда следует, что в зависимости от своего фактического состояния (фактической внешней освещённости/затенённости, температуры, старения и прочих причин) внутреннее сопротивление каждой отдельной генерирующей электроэнергию солнечной ячейки (а с ней - и всего модуля) динамически "плавает" в достаточно широком диапазоне. Это значит, что даже при полностью неизменном внешнем сопротивлении R величина напряжения U на выводах ячейки и ток I в цепи будут достаточно серьёзно изменяться. Поскольку снимаемая с единичного элемента мощность является произведением U и I, она также будет меняться - причём из-за нелинейности ВАХ график снимаемой мощности имеет характерный "горбатый" вид, с точкой перегиба, отвечающей максимуму. Таким образом, если дополнительно не "подстраивать" сопротивление внешней цепи R (нагрузки) под постоянно меняющиеся U и r солнечного элемента/-ов, то суммарный съём мощности может упасть до 25-30% от максимально возможного для всей батареи в данных условиях.

Контроллер как промежуточный элемент между солнечными модулями и нагрузкой

Из сказанного выше очевидно, что для эффективной работы солнечных батарей между ним и потребляющей электричество нагрузкой (например, батареей аккумуляторов) необходимо "промежуточное звено", преобразующее токи/напряжения между модулем и аккумуляторами. Наибольшее распространение на рынке получили два типа контроллеров - MPPT и PWM:

1. контроллер PWM(аббревиатура от Pulse Width Modulation) - относительно простое устройство, по сути дозирующее время, на которое электрогенерирующие ячейки подключаются/отключается к/от нагрузки (тем самым регулируется R нагрузки и отдаваемые в неё ток и мощность);

2. контроллер MPPT(Maximum Power Point Tracking) является высокоинтеллектуальным устройством, дополнительно динамически отслеживающим упомянутую "точку максимальной мощности" (ТММ) при преобразовании тока/напряжения.

MPPT контроллер для солнечных батарей

Обычно в продающихся устройствах реализуются следующие принципы работы MPPT-контроллеров (алгоритмы управления):

  • Perturb and Observe - контроллер выполняет периодическое полное сканирование параметров подключенного к нему солнечного модуля и рассчитывает текущее положение ТММ. Обычно в параметрах настройки такого контроллера можно задать интервал, через который следует производить подобное сканирование - он может варьироваться от нескольких минут до нескольких часов. Минус такого подхода в том, на время поиска ТММ отдача электроэнергии в нагрузку прерывается;
  • Scan and Hold - контроллер выполняет начальное сканирование подключенного модуля на предмет поиска ТММ и в дальнейшем считает её положение неизменным (то есть независящим от затенения облаками и прочих подобных факторов) - до следующего полного сканирования. Очевидно, что такой подход обеспечивает хорошую непрерывность генерации, однако плохо адаптируется к быстро изменяющимся внешним условиям;
  • Percentage of open circuit voltage - положение ТММ динамически определяется контроллером как задаваемая коэффициентом доля от напряжения холостого хода подключенного модуля. Метод отличается быстротой (время прерывания генерации на проведение измерений мало);
  • жёсткая предустановка ТММ - пользователь сам назначает величину напряжения на модуле, которое считается контроллером фактическим положением ТММ независимо от внешних условий. Плюсы и минусы подхода очевидны: электрогенерация не прерывается, но подключаемый модуль сначала должен быть откалиброван (снята его фактическая характеристика), а дрейф (деградация) его параметров никак не отслеживаются.